一种新型循迹小车的研制

王利平,黄 健

(西京学院，西安 710123)

0 引 言

智能小车是一个集传感器技术、信息融合、自动行驶等功能为一体的综合体，可应用在比较恶劣的工业环境中，例如在有毒、有害、潮湿等环境中作业。自动循迹是智能车要解决的一个技术问题，近年来，人们关注更多的是如何实现黑白线循迹，即沿着两边贴有黑线，中心为白色的跑道行驶[1-3]。在黑白线循迹中采用的是光电传感器，光电传感器发射的红外线遇到白色平面反射光强，而遇到黑色平面时光线更多的被吸收，反射光弱，据此原理区分黑白线。但这种方法受自然光的影响较大，当自然光比较强时，很难区分黑白线。

基于此，本文采用细铁丝为跑道，使小车沿着铁丝行驶，因铁丝受环境影响较小。而对铁丝的检测，就是对金属的检测。早期的金属检测采用模拟电路，检测输出的也是模拟信号，因此其抗干扰能力、精度都较低。本文采用数字电感传感器LDC1612，LDC1612是双通道金属检测传感器，输出28位的数字量，具有IIC接口，可方便地与各种微处理器相连。28位的数字量可实现对金属物高分辨率、高精度检测，据此可设计沿细铁丝行驶的智能小车。

1 系统设计框图

系统设计框图如图1所示。

图1中主控采用STM32F103ZET6，该处理器共有3个硬件SPI接口、8个定时器、3个串口、144个引脚，是基于Cortex M3的32位微处理器，功能强大，资源丰富[4-5]。LDC1612将采集到的数据通过IIC串行总线传送给STM32，STM32根据LDC1612双通道传感器A和B采集的数字量判断铁丝的位置，控制小车的行驶。用1.44寸TFT真彩屏作为显示设备，用于显示采集到的A，B传感器的数字量和时间信息等。

图1系统框图

2 硬件电路设计

2.1 LDC1612传感器设计

LDC1612原理图如图2所示。图2中LDC1612的1脚是SCL，是IIC总线中的时钟信号线；2脚是SDA，是IIC总线中的数据线，分别连接到STM32的PE4和PE5引脚上，PE4和PE5作普通的IO口，采用模拟IIC的方式与LDC1612进行数据传送。为了保证传输的可靠性，在该引脚上都接有10 kΩ的上拉电阻。LDC1612采用3.3 V供电。LDC1612的9脚IN0A和10脚IN0B是IN0输入通道，11脚IN1A和12脚IN1B是IN1输入通道；这两个通道分别连接自制电感线圈和电容,构成LC谐振电路，通过电涡流原理检测金属[6-7]。

图2STM32与LDC1612连接图

自制线圈如图3所示，可通过手工绕制或者在Altium Design中绘制，然后加工而成。图3中线圈是在PCB中绘制的，直径达到了4 cm。图中线圈相当于电感，给该电感配置一个合适的电容。当外部有金属物体时，就会产生LC谐振。LC的谐振频率通下式计算：

图3PCB下绘制电感线圈

Fsen=13×FexFcnt×RT

(1)

式中：Fsen是LC谐振频率；Fex是外部时钟基准频率，LDC1612内部晶振产生，取值为4 MHz；Fcnt是LDC1612内部计数器值，RT是LDC1612内部寄存器设置的响应时间。对式(1)两边分别求倒数，并做适当变化，可得到:

RT(1/Fsen)=3Fcnt(1/Fex)

(2)

式中：1/Fsen是LC谐振周期；1/Fex是基准时钟周期。式(2)表明在RT个LC谐振周期内，使用LDC1612的Fcnt计数器记录基准时钟的个数来推算LC的谐振频率。

根据电涡流原理，要检测细小的金属，必须要产生足够大的涡流，就必须增大电感量L，通过多次实验，绘制了直径4cm的电感线圈，线的粗细为0.1 mm，电感量为0.250 mH，与其匹配的电容的大小为2.5 nF。对金属的检测距离达到3 cm。若要提高检测距离，可适当加大电感和电容。

2.2 直流电机驱动电路设计

TB6612是日本东芝公司出品的一款直流电机驱动器，性能优于L298，可同时驱动2路直流电机，最大电流可达1.5 A，TB6612与STM32的连接图如图4所示。

图4TB6612与STM32的连接图

图4中AIN1，AIN2，PWMA分别控制一路电机，对应电机连接端是AO1和AO2; BIN1，BIN2，PWMB分别控制另一路电机，对应电机连接端是BO1和BO2; 可将AIN1，AIN2，PWMA连接到对应的STM32的IO口，PWMA引脚产生对应的PWM波形，用于电机的调速。对应的真值表如表1所示。

表1TB6612真值表

输入输出电机AIN1AIN2PWMAAO1AO2HHLLL制动HLHHL正转LHHLH反转LLLLL制动

表1中H代表高电平，L代表低电平。当电机全速运行时，PWMA输出高电平；要调整速度时，PWMA输出不同占空比的方波。另一路电机BIN1，BIN2，PWMB， BO1，BO2的控制逻辑与表1类似。

2.3 TFT显示单元电路设计

TFT显示单元采用1.44寸SPI接口真彩屏，显示电路设计如图5所示。

图5TFT显示电路设计原理图

为提高1.44 TFT真彩屏的刷屏速度，采用STM32F103ZET6的硬件SPI1接口与1.44寸TFT真彩屏相连。因为对TFT液晶屏，只有写屏操作，没有读操作，所以硬件SPI只需要3根线。其中SCLK连接到PB3(SPI1_SCLK)，DI连接到PB5(SPI2_MOSI)，CS连接到PB12(SPI2_NSS)。其余RST为复位信号，GND要共地，VCC接3.3 V。

3 软件设计

3.1 软件设计流程图

软件设计流程图如图6所示。首先对IIC接口、定时器、SPI接口进行初始化，然后通过IIC接口循环采集LDC1612的金属探测值。为了使检测值稳定、可靠，共循环采集50次，进行冒泡排序，去掉最大值和最小值各10个，用剩下的30个求均值，并将结果送给1.44寸TFT屏显示。因为LDC1612是双通道的，所以可以连接2个传感器，假设左边的传感器为A，右边的传感器为B。小车行驶时，将铁丝放在传感器A和B的中间，当铁丝偏向左边时，A传感器的值增大，控制小车右转；当铁丝偏向右边时，B传感器的值增大，控制小车左转；当铁丝在A，B中间时，A，B传感器的值相等，小车直走。小车的行驶通过TB6612直流电机驱动。按照表1的真值表控制小车的前进、后退、左转、右转。

图6软件流程图

3.2 IIC读写时序

图7给出了ILC读时序。图7中SCL是时钟信号，SDA是数据线。对LDC1612进行读操作时，首先发送所读单元地址，然后分别读出高8位和低8位数据[8-9]。LDC1612双通道的地址寄存器的映射关系如表2所示。

图7IIC读时序

表2中，按照图7的时序，读写0x00和0x01的高16位数据和低16位数据，将其组合成通道0所对应的32位数据，通过和0X0FFFFFFF做“与运算”得到28位有效数据。同样，通过读写0x02和0x03地址得到通道1的28位有效数据。初始化时，为了验证IIC时序的正确性，可通过读写设备ID号实现，若读到的ID号是0x3055,则说明IIC读写时序正确，初始化成功，否则重新调试程序。

表2LDC1612寄存器映射表

地址功能描述0x00通道0高16位数据0x01通道0低16位数据0x02通道1高16位数据0x03通道1低16位数据0x7f设备ID号(默认值0x3055)

4 测试结果

测试时的跑道如图8所示。测试时，为了增加难度，在转弯处设置了弯道。小车起始位置放在2 m直道的正中心，途径6个弯道，弯道圆弧的半径均为20 cm，最后再回到起点处，顺时针行驶一圈。表3、表4列出了细铁丝位置与传感器的测量值之间的对应关系。

图8测试场地

表3直道行驶时细铁丝位置与传感器测量值之间关系

细铁丝位置l/cm传感器A测量值传感器B测量值直道直线中心 19300 19300左偏0．5 19293 19300左偏1．5 19288 19300左偏2．5 19285 19300中心 19300 19300右偏0．5 19300 19295右偏1．5 19300 19287右偏2．5 19300 19285

表4弯道行驶时细铁丝位置与传感器测量值之间关系

细铁丝相对中心点偏移距离l/cm传感器A测量值传感器B测量值弯道弯道起点中心 19300 19300弯道直走5 19299 19293再直走5 19298 19290直走出弯道 19297 19288弯道右拐 19297 19295再右拐 19298 19296进直道 19300 19300

表3中，测试时，首先将细铁丝放置在传感器A和B的自制线圈的正中心。假设通道0所对应的传感器为A，安装在小车的左边;通道1所对应的传感器为B，安装在小车的右边。当小车按顺时针方

向在直道上行驶时，当细铁丝靠近传感器A时，传感器A的测量值降低，传感器B因为远离铁丝，所以其值不变，此时控制小车右转，直至左、右传感器采集值相同为止；反之，细铁丝靠近传感器B时，传感器B的测量值降低，传感器A因为远离铁丝，所以其值不变，此时控制小车左转，直至左、右传感器采集值相同为止。表4中，当在弯道行驶时，情况比较复杂，细铁丝靠近的一端的传感器值降低得比较快，此时控制小车向传感器值增大的一方旋转，直至左右两边传感器的测量值接近为止，然后控制小车直走。

5 结 语

本文设计了一种能够沿着细铁丝行驶的智能小车，采用LDC1612数字电感传感器探测金属，配置适当的电容，可实现对细铁丝的检测，检测距离接近3 cm。由于LDC1612是双通道传感器，恰好可以实现对一根细铁丝的检测和循迹。加入适当的软件滤波算法，可使数据处理变得更加稳定、可靠。本设计为智能小车的循迹增加了一种新的思路和方法，克服了光电传感器受强光影响比较大的缺点，可应用在灰尘、污垢、油和潮湿等恶劣环境中，具有一定的实用价值。

[1] 余炽业， 宋跃， 雷瑞庭.基于STC12C5A60S2 的智能循迹小车[J].实验室研究与探索,2014,33(11):46-49.

[2] 王晶．智能小车运动控制技术的研究[D]．武汉:武汉理工大学，2009.

[3] 尹杰，杨宗帅，聂海，等．基于红外反射式智能循迹遥控小车系统设计[J].电子设计工程，2013,(23):178-184．

[4] 金立,贾存良,王梅,等.基于PIC单片机的智能循迹小车设计[J].工矿自动化,2010,(8):129-132.

[5] 莫太平，杨宏光，刘冬梅.面向多路线的智能循迹小车的设计与实现[J].自动化与仪表，2014,(4)：6-9.

[6] 贺桂芳.一种新型智能金属探测仪的设计[J].仪表技术与传感器,2016,1:13-15.

[7] 师树恒，赵斌，郭朋彦，等.基于MK60N512的智能循迹小车设计[J].机床与液压，2014，42(2):91-96.

[8] 王茹茹，宋开宏，明军，等.基于开放线圈系统金属探测仪传感器的特性分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版)，2015,38(3)：354-357.

[9] 宋永献,马娟丽,贺乃宝,等.基于TMS320F2812的智能循迹小车控制系统设计[J].计算机测量与控制，2011,19(9):2128-2130.