智能小车寻迹的研究

张 弛

（武汉理工大学自动化学院 湖北 武汉 430070）

1 智能机器概述

智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，它最适合在那些人类无法工作的环境中工作，该技术可以应用于无人驾驶机动车，无人生产线，仓库，服务机器人等领域。 所有这些用途正逐步渗入到工业和社会的各个层面，作为20 世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活不可分。

随科学技术的进步， 智能化和自动化技术越来越普及，各种高科技也广泛应用于机器人玩具制造领域，使智能机器人越来越多样化。 智能机器人是一个多种高新技术的集成体，它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。

2 硬件设计与实现

MSP430F16x 系列单片机是德州仪器公司的一款超低功耗FLASH 型16 位RISC 指令集单片机。 具有16 位寄存器和常数发生器， 因而具有最大的代码效率。 该芯片特有的FLASH 存储器在线设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点，所以本系统选用MSP430F16x 系列单片机作为系统核心。

2.1 寻迹、检测及测速模块电路设计

寻迹、检测及测速模块电路的原理近似，此模块设计中主要用到反射式光电传感器ST188， 利用被测物体对红外光的反射和吸收来实现对被测物体的测量和计数。 探测路面黑色寻迹线的原理：光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸的反射系数不同，可根据接受到反射光强弱由传感器产生高低电平并最终通过单片机判断是否到达黑线从而寻迹上板或偏离跑道。 设计中小车履带涂成黑白相间的黑白编码带，小车电机每转一圈对应ST188 检测到6 次黑线，因此小车的移动速度为v=1.2*N (cm/s)(N 为每秒钟ST188 检测到的脉冲数，小车黑白线距离为1.2cm）；该模块的设计特色在于单片机能控制ST188 工作状态，解决了ST188 一直处于工作状态带来的电能浪费问题。

2.2 电机驱动模块电路设计

电机驱动模块主要由电机驱动芯片L298 组成。 L298N是ST 公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。 内含两个H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电机、继电器线圈等感性负载。IN1、IN2 控制电机正反转方向，ENA 输入PWM 波控制电机转速；同理，IN3、IN4和ENB 实现对另一电机的控制。 单片机控制端与L298 之间采用光耦隔离以减少信号干扰。

2.3 音频发声电路设计

音频发声电路主要由LM386 芯片组成。LM386 是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路。 它的内建增益为20， 通过pin 1 和pin8 脚位间电容的搭配， 增益最高可达200。 LM386 输入电压范围为4V～12V，无动作时仅消耗4mA电流。LM386 的IN＋和IN－及OUT 实质上是运算放大器的三个端口。 通过改变滑动变阻器RP2 便可改变IN＋和IN－的电压来改变输出电压。 滑动变阻器与单片机P4.0 相连。 输出经过滤波之后与扬声器相连接。 为降低系统功耗使用0.5W 扬声器。 单片机由P4.0 口输出PWM 波就能得到声音提示。

2.4 角度传感电路

本模块选用由芬兰公司生产的TVI SCA60T 单轴高精度倾角传感器，具有单极5V 供电、高分辨率，低噪声、工作温度范围宽等特点；角度传感器有效方向，测量范围可达-90 度到90 度，以电压量输出。 SCA60T 的7 脚为模拟电压量输出端，水平位置时输出电压为2.60V，-90 度时输出电压为0.5V，90度时输出电压为4.48V， 该管脚接单片机A/D 转换输入端口P6.0。

3 软件编程与实现

小车启动检测扇形内的黑线并通过黑线检测系统寻迹进入跷跷板上，角度传感器判断达到平衡位置与否，如到达平衡位置，延时5 秒后继续前进，检测黑线，到达B 点声光报警，并停留5s，然后后退，检测黑线，到达A点，停止，完成整个控制过程。

4 结束语

本文通过对现有机器人技术的研究，在参考了有关智能小车系统模型的基础上，设计了满足实验和实际工作要求的智能移动机器人, 并搭建了一个以寻迹和平衡做反馈的导航方式的机器人控制系统。 在建立了相应的运动数学模型基础上，给出了结合寻迹和平衡检测作反馈的机器人实时运动控制框架和算法。

本设计的特色和创新是在程序算法方面，一方面选择数字滤波技术，根据系统的性质和类型，采用中位置平均滤波算法，成功有效的解决了小车系统在启停的抖动和准平衡区域跷跷板震荡过程中，角度传感器采集到的干扰数据对小车运动控制系统造成的误动作。 另一方面，在判断平衡域的算法方面成功的采用了数字PID 增量型控制算法，选择合适的参数，使平衡域更小，也即更精确；而且使系统的超调减小、避免振荡、彻底消除误差、调节速度更加快速，系统的性能更加优化。

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