基于单片机的循迹避障小车的设计

李佳楠 贾婷 张婷婷 沈阳工学院信息与控制学院

整个系统基于玩具小车的机械结构,并利用了小车的底盘、转向控制电机、行驶状态控制电机,能够平稳跟踪路面黑色轨迹运行，并能实时的根据小车的行驶情况对小车的状态进行调整，此部分通过专业的电机驱动芯片L298N控制。

小车控制系统总体结构如下图所示。以STC89C52单片机为控制核心,主要由电源模块、寻迹检测模块、红外对射测速模块、直流电机驱动模块、数码管显示模块等功能模块组成。首先利用光电传感器对路面信号进行检测,经过比较器处理后,送给单片机进行实时控制,单片机输出相应的信号给驱动芯片驱动电机转动,从而控制整个小车的运动。与此同时，红外对射管传感器开始对小车的行驶速度进行检测，并通过程序算法将小车的行驶速度与行驶距离实时的显示在数码管上。

由于小车在设计过程中，采用了模块化的设计思路，所以在进行调试时非常方便。可以分别对每一个功能部分来进行调试，驱动部分调试时，只要给电机向前或者向后的信号，就可以调试出其功能。循迹部分调试时，只要通过检测到黑线，判断是否沿黑线行驶，即可以调试出。在进行避障调试中，可以把障碍物放在小车前方，然后看小车两个轮子的转向。这种模块化的设计思想不仅简化了设计过程，而且对以后的设计也会有一定启发。

本设计系统软件采用模块化结构，由主程序、电机驱动子程序、中断子程序、显示子程序、调速子程序等构成。主要功能是负责对传感器信号的采集和控制，电机前进后退，左转右转的速度调节，实现小车的灵活避障，以及对单片机的初始化编程等工作。

小车进入循迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片机I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号，即进入判断处理程序,先确定探测器中的哪一个探测到了黑线，如果左面第一级传感器或者左面第二级传感器探测到黑线，即小车左半部分压到黑线，车身向右偏出，此时应使小车向左转；如果是右面第一级传感器或右面第二级传感器探测到了黑线，即车身右半部压住黑线，小车向左偏出了轨迹，则应使小车向右转。在经过了方向调整后，小车再继续向前行走，并继续探测黑线重复上述动作。由于第二级方向控制为第一级的后备，则两个等级间的转向力度必须相互配合。第二级通常是在超出第一级的控制范围的情况下发生作用，它也是最后一层保护，所以它必须要保证小车回到正确轨迹上来，则通常使第二级转向力度大于第一级。

为保证小车能正常行驶，循迹部分的黑线宽度应在3.5至4cm。避障轨道的宽度应大于20cm小于25cm。

在小车各个部分的电路焊接完成后，就开始对小车进行整体组装。利用购买的高强度塑料制成的模型作为小车的车体，然后分别将各模块按照功能安装固定好。红外循迹模块固定在车体底部，因为其作用是来检测地面黑线存在，而且其工作距离也有一定限制，所以不能放在离地面太高的地方。超声波探测模块则应该置于小车正前方，其目的主要是用来发现前方障碍物，其安装高度要合适。对于驱动模块和最小单片机系统，安装在小车正中间，因为其要与各模块之间进行连接。供电电源则放在小车车尾，这样有利于小车整体重量的均匀分布，也可以在进行充电时，更加方便拆装。

小车的左右转弯进行调试时，可以在程序里给定每个电机引脚信号，看小车的转动是否满足所设定的方向。通过调试可知，小车的运动方向与初始设置相同，能够实现。

通过对小车的各项功能进行测试，可以发现，在合适的工作条件下，小车基本可以达到设计要求。因此，本设计完成了预先的设计任务，实现了所有功能。小车可以进行循迹功能，检测到黑线以后，会沿着黑线进行行进。可以进行避障功能，在检测到障碍物以后，小车会原地旋转180度进行避障处理，然后继续行驶。

整个系统的设计以单片机为核心，利用了多种传感器，将软件和硬件相结合。本系统能实现如下功能：

（1）自动沿预设轨道行驶小车在行驶过程中，能够自动检测预先设好的轨道循迹，若有偏离，能够自动纠正，返回到预设轨道上来。

（2）通过安装在主板上的数码管能够实时显示小车当前行驶速度与行驶距离。

从运行情况来看循迹的效果比较好，显示的效果不是很好，认为是由于软件部分的原因。另外就是小车的速度不好控制，虽然采用了专业的电机控制芯片，但pwm调速有待完善，这也是这次设计的误区。相信如果实验条件和时间的允许下肯定能解决这一问题。

测试结果表明：本组智能小车能很好的完成了循迹和避障功能，循迹跑道是由黑色胶布在白色地面上拉线完成，小车可以从O型跑道的任何段为起点，跑完全程。避障跑到是通过摆放障碍物，小车可以走出障碍区间。