本文所述的智能尋跡小車(chē)采用紅外光電傳感器來(lái)識(shí)別道路中央的黑色引導(dǎo)線，通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)小車(chē)快速穩(wěn)定的尋跡行駛。為保證小車(chē)在行駛的過(guò)程中具有良好的操縱穩(wěn)定性和平順性，本文針對(duì)道路特點(diǎn)對(duì)小車(chē)的方向控制和速度控制，以及傳感器的安裝都提出了較為理想的解決方案。

　　1 系統(tǒng)工作原理

　　1.1 智能小車(chē)尋跡原理

　　在智能車(chē)系統(tǒng)中，尋跡電路采用紅外光電傳感器進(jìn)行檢測(cè)并且尋跡運(yùn)動(dòng)。紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線具有一定的方向性，當(dāng)紅外線照射到白色地面時(shí)會(huì)有較大的反射，如果距離取值合適，紅外接收管接收到反射回的紅外線強(qiáng)度就較大;如果紅外線照射到黑色標(biāo)志線，黑色標(biāo)志線會(huì)吸收大部分紅外光，紅外接收管接收到紅外線強(qiáng)度就很弱。尋跡時(shí)，引導(dǎo)線是黑顏色，不宜反光，當(dāng)紅外發(fā)射管輸出信號(hào)照射到黑色引導(dǎo)線上時(shí)輸出一個(gè)非常微弱的低電平，這個(gè)過(guò)程是一個(gè)負(fù)跳變過(guò)程，通過(guò)對(duì)此信號(hào)高低電平的檢測(cè)就可以知道小車(chē)是正在沿著引導(dǎo)線行駛，若不是沿著引導(dǎo)線行駛，單片機(jī)根據(jù)傳感器送回的信號(hào)可以判斷并驅(qū)動(dòng)電機(jī)正確轉(zhuǎn)向，從而使小車(chē)沿著正確的軌道行駛。本系統(tǒng)在小車(chē)的前部朝地面方向安裝了3個(gè)紅外對(duì)管，分別為左、中和右。本系統(tǒng)使用傳感器的型號(hào)為RPR220。

　　1.2 系統(tǒng)整體原理框圖

　　智能小車(chē)由車(chē)架、電源、光電傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和主控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。智能車(chē)的工作過(guò)程是：3個(gè)光電傳感器探測(cè)路徑信息，并將這些信息輸入到單片機(jī)控制系統(tǒng)，單片機(jī)進(jìn)行分析，通過(guò)控制算法對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出控制命令，驅(qū)動(dòng)2個(gè)步進(jìn)電機(jī)，使小車(chē)沿指定的黑線前進(jìn)。

　　智能車(chē)的主控制器采用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52。系統(tǒng)I/O口的具體分配如下：P2.0—P2.2共3位，用于小車(chē)前面路徑識(shí)別的輸入口;P1.0一P1.2用于驅(qū)動(dòng)電路L297的半步/整步、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)和剎?？刂菩盘?hào)輸出;P3.1用于驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)鐘信號(hào)輸出。

　　2 路面黑線檢測(cè)電路

　　2.1 黑線檢測(cè)電路

　　黑線檢測(cè)電路共有3種方案，分別是圖2的(a)、(b)、(c)3個(gè)圖。圖2(a)中：RPR220光電傳感器應(yīng)用時(shí)，理想的工作狀態(tài)是輸出部分處于飽和導(dǎo)通，查閱參數(shù)得到：UCES為0.1～0.3 V，此時(shí)IF=20 mA，IC=0.1 mA，二極管的導(dǎo)通電壓大約為1 V，可以計(jì)算得到：

?

　　測(cè)試數(shù)據(jù)如表1：

　　從表1可以看出，黑白相差的電壓值最大時(shí)，離反射面的最佳距離為6 mm，距離的調(diào)節(jié)范圍也比較大。然后將電路圖2(a)的輸出直接與單片機(jī)的P2.0口相連，此時(shí)，出現(xiàn)單片機(jī)接收碼出錯(cuò)，分析得出：原因是單片機(jī)的P2.0口內(nèi)部有自己的上拉電阻，所以出現(xiàn)低電平采不回去，為了克服此現(xiàn)象，改用圖2(b)中，去掉電路原有的上拉電阻直接與單片機(jī)相連，但是出現(xiàn)距離局限的問(wèn)題，即實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：只有距離為6 mm時(shí)，效果很好，但距離稍有波動(dòng)，單片機(jī)就不能正常工作，因此，最后選用電路圖2(c)，在圖2(a)的基礎(chǔ)上輸出端加一個(gè)非門(mén)再接到單片機(jī)。經(jīng)過(guò)測(cè)試得到：此電路應(yīng)用時(shí)，光電管距反射面的距離調(diào)節(jié)范圍比較大，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。

　　3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路

　　3.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，因此具有瞬間起動(dòng)與急速停止的優(yōu)越特性。與其他驅(qū)動(dòng)元件相比，有明顯優(yōu)點(diǎn)：通常不需要反饋就能對(duì)位移或速度進(jìn)行精確控制;輸出的轉(zhuǎn)角或位移精度高，誤差不會(huì)積累，價(jià)格便宜。并且因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)決定旋轉(zhuǎn)角度的，單片機(jī)只需記下脈沖個(gè)數(shù)就能計(jì)算出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，從而計(jì)算出小車(chē)的行駛距離，省去了路程檢測(cè)模塊，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用步進(jìn)角為1.8°、兩相步進(jìn)電機(jī)制作小車(chē)，利用89C52單片機(jī)作為控制核心，動(dòng)作相當(dāng)精準(zhǔn)，循跡時(shí)紅外傳感器與黑線只留相當(dāng)小的裕度，小車(chē)可以基本沿弧線行走，不再是折線。用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)前輪，作為主動(dòng)輪;用一個(gè)萬(wàn)向輪作后輪，作為從動(dòng)輪。將它們固定到一塊大小合適的實(shí)驗(yàn)板上，車(chē)架就組裝完畢，非常簡(jiǎn)單。分別對(duì)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，靠?jī)蓚€(gè)電機(jī)的速度差轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)利用89CS2單片機(jī)定時(shí)器1口輸出脈沖信號(hào)，為L(zhǎng)297提供時(shí)鐘信號(hào)，P1.0、P1.1、P1.2分別作為電機(jī)正反轉(zhuǎn)、半步整步和剎停的控制信號(hào)連接到L297的17、19和20管腳;L297和L298作為驅(qū)動(dòng)部分，輸出格雷碼來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。如圖3。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，常用光耦把L297的輸入與單片機(jī)的輸出隔開(kāi)，以免影響控制部分電源的品質(zhì)。如圖4。

　　3.2 智能循跡小車(chē)的軟件流程

　　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟件流程圖如圖5。

　　4 結(jié)論

　　本文介紹了智能循跡小車(chē)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)多種傳感器電路，進(jìn)行比較、分析，最后采用較為精確的位置檢測(cè)，為智能小車(chē)提供了可靠的方向控制策略，使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性達(dá)到了較高的水平，整個(gè)模塊可供自動(dòng)尋跡小車(chē)直接使用。本文在黑色引導(dǎo)線的白板上制成的車(chē)道，對(duì)智能車(chē)進(jìn)行了測(cè)試，數(shù)據(jù)表明：智能車(chē)在直道上可以達(dá)到很高的速度和穩(wěn)定性，在彎道上只要控制好車(chē)速，智能車(chē)也能平穩(wěn)地運(yùn)行。