自动循迹避障寻光智能小车硬件系统设计

郭志超，何爱龙

（新乡学院 物理与电子工程学院，河南新乡453003）

自动循迹避障寻光智能小车硬件系统设计

郭志超，何爱龙

（新乡学院 物理与电子工程学院，河南新乡453003）

设计并制作了以单片机为控制核心实现自动循迹、避障和寻光等功能的智能小车硬件系统。根据小车的多功能设计要求，使用了模块化设计方法，以STC89C52单片机为中心来控制整个系统的运作，单片机根据各传感器模块反馈的信号来控制L293D电机驱动模块实现小车前进、后退、转向等运动。并搭建了小车实验平台，对小车功能实现、运动控制实际效果和小车运行的稳定性进行了观察和分析，达到了预期的设计目的。

智能小车；循迹；避障；寻光

随着现代电子信息及计算机科学的飞速发展，智能化设备无处不在地渗透于社会生产生活。同时，人类对科技及更好的生产生活体验的追求也对智能化水平提出了更高的要求。2016年3月9日至15日在韩国首尔进行的韩国围棋九段棋手李世石与谷歌公司的人工智能围棋程序阿尔法围棋AlphaGo之间的五番棋赛，最终人工智能阿尔法围棋战胜了李世石，机器的全面胜利使得“人工智能”再度成为一个热门话题。正是在这样的环境下，人工智能成为当下最尖端的科技研究热点之一，其中智能小车，即轮式机器人，因具备完全主动或半主动的可移动性等独特的优势而成为主要的研究方向，也是人类生产生活中最常见的智能机器人形式［1-4］。

目前，由于任务要求和应用场景的需求以及软硬件限制，实用的智能小车功能相对较为单一［5-7］，但是随着人工智能的深入研究和广泛应用，社会对具备多种混合功能的小车的需求越来越迫切。

本文尝试开发一个基于通用性平台，采用模块化设计，具有可移植性和通用性，并能根据设计好的程序实现目前最常用的循迹［8-9］、避障［10-11］、寻光功能的智能小车硬件系统。

1　小车系统设计总方案

根据设计要求，小车要在循迹、避障、寻光等不同模式下能检测出外界环境信息并及时作出反应，能进行实时控制，具有控制效率、准确率和稳定性高等特点。图1为系统的总体设计框图。

图1　小车系统总体设计框图

小车的控制核心为STC89C52单片机，在小车外围布置以传感器为核心的检测模块，动力和转向由两台直流电机提供。小车通过外围各传感器模块及时检测外界物理特征信息，并转换成电信号传送到单片机，由单片机发送控制信号至电机驱动模块，电机驱动电路采用H桥驱动模块——L293D直流电机驱动模块来控制小车前进、后退或转向。

2　系统模块

2.1主控制板

自动控制是实现整个系统的重点，本设计是一个复杂的多信号系统，采用的单片机需要满足擅长处理多输入量、程序存储量大和有多个I/O口等要求，另外，主控制板集成了开关、电阻、显示器、二极管等元件，故选择ATMEL公司的单片机STC89C52为控制模块核心。

2.2电机驱动模块

智能小车的运动常用的驱动电机为直流电机和步进电机两种。与步进电机相比，直流电机的位置控制精度不高，但直流电机电路简单且易实现、调速性能优异。本系统采用两个直流电动机，电机驱动芯片是L293D，并用脉冲宽度调制单片机PWM调速，以不同占空比的电脉冲方式控制电机的转动。脉冲占空比决定控制电机转速，表1为脉冲在125 Hz、PWM值不同时小车行驶速度和距离的关系。

表1　PWM值不同时小车速度和距离的关系

电机控制电路用的是“H桥驱动电路”，由4个角的Q1、Q2、Q3和Q4三极管构成其4条垂直腿，中间为电机，当对角方向的2个三极管导通时，电机运转。当2个三极管对的导通情况不同时，电流流通方向会是从左到右或从右到左，此时，电机转向也会随着电流方向改变而发生变化。电流从正极出发后经三极管Q1，然后通过中间的直流电机流向对角三极管Q4，这时电机会顺时针转动，相应，当电流从电源正极发出，依次通过三极管Q3、中间的电机、对角三极管Q2时，直流电机则会逆时针转动。

2.3电源方案

以交流电经过直流稳压后作为电源，需要将交流电源和小车之间用电线连接，这极大地影响了小车的灵活性，甚至直接干扰了小车正确的路径选择。

采用4节干电池串联组成电池组提供6 V直流电源，为单片机主控制板、各传感器模块及电机驱动提供电力。这种电源方案提供的电流稳定，给小车平台的负载压力也小，各芯片和传感模块能够稳定地工作。

2.4循迹模块

循迹模块采用红外光电传感器检测路面标线。本系统设计的小车是在白色路面上跟循黑线运动：红外线经白色路面时会反射回来，此时接收管则会接收到红外信号；红外线经黑色路面时则会被吸收掉而无法被接收。接收管接收的不同信号均会被传输到LM393电压比较器，在电压比较器中，接收电压和比较电压比较后产生“0”和“1”两种信号，单片机接收到这两种电平信号后可以判断出是否检测到黑色路线。为了更加精准地控制小车的前进方向，可以用3个相同的红外光电传感器均匀地装在小车的最前端。通过这3个传感器可以将路线偏离情况以“0”“1”两个电平的形式实时地传给单片机，经过单片机处理后传给L293D电机驱动模块来控制2个轮子的转动，从而最终以特定的角度控制小车的运动方向。图2为循迹功能实现流程示意图。

图2　循迹功能实现流程图

2.5避障模块

目前主流的避障方案有超声波避障方案和红外避障方案两种，超声波传播的方向性存在一定的误差，而红外避障传感器使用稳定，探测稳定且成本较低，为了及时检测小车前方的障碍物，可在小车的中间最前方设置红外信号发射和接收二极管。当单片机接收到障碍物信息时，经过反射式光电传感器电路，光信号转换成电信号传至主控制模块，单片机会控制电机使小车先后退一段距离再左转或右转一定的角度，然后再前行，通过这样一个过程可以使小车规避前方障碍物。红外信号发射和接收实现避障原理如图3所示，光电传感器电路如图4所示。

图3　传感器避障原理

图4　光电传感器电路

2.6寻光模块

寻光即小车寻找光源且在光源处停车，并可跟随光源运动。寻光模块电路的传感器常用光敏电阻器。寻光模块由两部分构成：方向检测模块和光强检测模块。光敏电阻对称放置在小车最上层的主控板两侧，它们采集到光信号后传输至电压比较器LM393，再由逻辑电平CMOS传到STC89C52，从而实现小车寻光运动控制。方向检测模块电路如图5所示，RG1和RG2为左右两个光敏电阻。光强检测电路如图6所示。

图5　方向检测模块电路

图6　光强检测电路

3　小车的制作与测试

根据要求，事先准备好必要的电子元器件、小车底盘电机等，进行电路安装和焊接。小车电路原理图如图7所示。准备好色环电阻、二极管、芯片等元器件，从小到大排列好，并按照从小到大、从低到高的顺序依次在电路板上焊接元件。在焊接时应注意：读取好各种色环电阻的阻值，防止焊接错误；装配光敏电阻时应将光敏电阻以适当的角度斜置，以更好地感应光照。在安装上电池和插好排线后，小车安装完成。实际效果如图8所示

在小车硬件安装好后将程序烧入单片机中，在不同的模式下测试其实际运行效果和稳定性。在多次测试并反复调节好各传感器模块电位器以调节小车的灵敏度后，小车最终能稳定地运行，并能实现循迹、避障、寻光等功能，达到了设计要求。

图7　小车电路图

图8　小车实际效果照片

4　结论

本文采用简单易实现的轮式小车底盘作为平台，搭载了以单片机为控制核心的主控制板、电源模块、电机驱动模块、循迹模块等，引入多传感器信息融合和电机控制技术来实现循迹、避障、寻光功能，完成了智能小车硬件系统的设计和制作。在小车安装好后将程序烧入单片机中，经测试，该设计制作的小车实现了循迹、避障、寻光的功能，并达到了要求。

在该设计小车上，还可以加入自动灭火和在Android系统智能手机环境下实现蓝牙对小车的手动控制等。本文的设计没有实现这些功能，但在设计的小车上留下了相应的空间和端口，以便后续升级和完善这些更为复杂的功用。

［1］王宝萍.玩具智能小车控制系统的设计与实现［D］.成都：电子科技大学，2012.

［2］程豪.基于信息融合技术的智能小车设计［D］.南昌：南昌大学，2013.

［3］沈维佳.多传感器小车的控制系统设计与研究［D］.南京：南京理工大学，2015.

［4］MUKHTAR A，XIA L K，TANG T B.Vehicle Detection Techniques for Collision Avoidance Systems：A Review［J］. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems，2015，16（5）：2318-2338.

［5］HAN G N，FU W P，WANG W.The Study of Intelligent Vehicle Navigation Path Based on Behavior Coordination of Particle Swarm［J］.Computational Intelligence and Neuroscience，2016：6540807.

［6］TAGNE G，TALJ R，CHARARA A.Design and Validation of a Robust Immersion and Invariance Controller for the Lateral Dynamics of Intelligent Vehicles［J］.Control Engineering Practice，2015，40：81-92.

［7］TIAN D X，ZHOU J S，WANG Y P.An Adaptive Vehicular Epidemic Routing Method Based on Attractor Selection Model［J］.Ad Hoc Networks，2016，36：465-481.

［8］CHEEIN F A.Intelligent Sampling Technique for Path Tracking Controllers［J］.IEEE Transactions on Control Systems Technology，2016，24（2）：747-755.

［9］ ZHU H J，FAN H H，YE F Y.A Novel Method for Moving Vehicle Tracking Based on Horizontal Edge Iidentification and Local Autocorrelation Images［J］.2016，91（1）：61-68.

［10］XIN Y，LIANG H W，MEI T.A New Dynamic Obstacle Collision Avoidance System for Autonomous Vehicles［J］. International Journal of Robotics&Automation，2015，30 （3）：278-288.

［11］CAMPBELLl S，NAEEM W，IRWIN G W.A Review on Improving the Autonomy of Unmanned Surface Vehicles Through Intelligent Collision Avoidance Manoeuvres［J］. Annual Reviews in Control，2012，36（2）：267-283.

【责任编辑黄艳芹】

Smart Car Hardware System Design for Automatic Tracking Obstacle Avoidance and Seeking Light

GUO Zhichao，HE Ailong
（College of Physics and Electronic Engineering，Xinxiang University，Xinxiang 453003，China）

In this paper a smart car hardware system was designed with the control of single chip as its core to realize tracking the pathway，avoiding obstacle and seeking light.Modular designs were used in order to achieve the vehicle's multi-function and the feasibility of different design plans was analyzed with the system taking STC89C52 as its core.According to the signals from different sensors，the single chip could control the car's movement，such as advance，retreat and veer.Meanwhile，the car's experimental platform was set up.It was used to observe and analyze car's implementations of the functions，real effect of motion control and the operation stability.The test results showed that the design achieved the desired purpose.

smart car；tracking the pathway；avoiding obstacle；seeking light

TP24；TP391

A

2095-7726（2016）09-0045-04

2016-06-03

河南省高校科技创新人才支持计划项目（14HASTIT044）；河南省教育厅科学技术研究重点项目（14A140030）

郭志超（1980-），男，河南汝州人，博士，研究方向：智能用电。