基于模塊化控制的多功能智能小車設(shè)計(jì)

　　通過嵌入模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)小車精準(zhǔn)尋跡；采用超聲波檢測障礙物使小車提前做出反應(yīng)，繞過障礙物；設(shè)計(jì)靈敏度可調(diào)的趨光系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)小車趨光進(jìn)庫；通過金屬傳感器檢測金屬塊；利用霍爾器件測量小車行駛的路程；最終將金屬塊個(gè)數(shù)，行駛時(shí)間及路程顯示在液晶屏上，實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)界面。實(shí)驗(yàn)表明，智能小車系統(tǒng)能夠順利完成種各功能，在各獨(dú)立控制模塊上能達(dá)到較高的穩(wěn)定性和精度要求。

　　0 引言

　　智能小車形式多樣，控制方法多變，創(chuàng)新性強(qiáng)，因此在電子競賽和科技創(chuàng)新方面一直受到熱捧。每年的“飛思卡爾”智能小車比賽中就分有電磁組，光電組，攝像頭組，分別通過電磁傳感器，光電傳感器，攝像頭來采集信號(hào)，檢測小車的循跡能力和運(yùn)行速度；遙控小車也是在小車上裝上無線模塊來接收遙控端發(fā)來的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)小車的智能化控制；滅火機(jī)器人則是在避障小車的基礎(chǔ)上加入趨光模塊和溫度傳感器，使小車趨向火源滅火。

　　鑒于目前基于智能小車的設(shè)計(jì)，大多都是功能單一的尋跡小車，避障小車或遙控小車，在此將設(shè)計(jì)一種將紅外對(duì)管尋跡、金屬檢測、超聲波避障、硅光電池趨光和距離測量集成在同一個(gè)系統(tǒng)中的多功能智能小車，實(shí)現(xiàn)其多任務(wù)處理功能。同時(shí)，本系統(tǒng)針對(duì)各模塊采用優(yōu)化控制方案，以期望得到更精準(zhǔn)控制。整個(gè)智能小車系統(tǒng)具有高效率、高準(zhǔn)確度、低成本等特點(diǎn)。

　　當(dāng)前對(duì)智能小車系統(tǒng)的控制方法也是多種多樣，常見的有路徑記憶法，模糊控制法，圖像識(shí)別法等。

　　這些方法對(duì)于單任務(wù)的小車控制都能達(dá)到理想的效果。在本文所設(shè)計(jì)的智能小車系統(tǒng)中，將充分考慮小車的多任務(wù)性，采取模塊化控制方法來實(shí)現(xiàn)小車的多功能控制，并在模塊化的基礎(chǔ)上嵌套模糊控制的方法，使小車既滿足多功能要求，又能實(shí)現(xiàn)各控制模塊獨(dú)立、穩(wěn)定運(yùn)行。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)中硬件設(shè)計(jì)由電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、尋跡模塊、金屬檢測模塊、超聲波避障模塊、硅光電池趨光模塊和顯示模塊構(gòu)成，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1.1 驅(qū)動(dòng)模塊

　　由單片機(jī)產(chǎn)生兩路PWM 波，通過L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制兩個(gè)直流電機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)動(dòng)左輪和右輪。直走時(shí)兩路PWM 波頻率相位相同，當(dāng)需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，改變PWM 波控制相應(yīng)的電機(jī)反轉(zhuǎn)，另一電機(jī)正轉(zhuǎn)。兩邊形成差速即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。調(diào)整反轉(zhuǎn)的的時(shí)間，可以控制轉(zhuǎn)彎的大小和快慢，改變PWM 波的占空比可以控制小車的速度。

　　1.2 尋跡模塊

　　該模塊主要利用光電對(duì)管來檢測小車賽道上的黑線。當(dāng)光電對(duì)管內(nèi)的發(fā)光二極管位于黑線上時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光被黑色吸收，不能被反射回來，此時(shí)，接收端上的光電三級(jí)管基極電壓為零，三極管不能導(dǎo)通，輸出低電平，與之相連的比較器同相端的也為低電平，最終輸入單片機(jī)對(duì)應(yīng)引腳一個(gè)低電平。單片機(jī)檢測到輸入的低電平就會(huì)對(duì)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，驅(qū)動(dòng)小車轉(zhuǎn)彎，使得這個(gè)光電對(duì)管偏離黑線。一旦離開黑線，光電三級(jí)光就能夠接受到光照，三極管導(dǎo)通輸出高電平，給單片機(jī)引腳輸入一個(gè)高電平，單片機(jī)檢測到該高電平后給相應(yīng)電機(jī)正轉(zhuǎn)命令，小車恢復(fù)直線行駛。依此循環(huán)，最終小車就能沿著黑線所設(shè)定的的軌跡行駛。

　　設(shè)計(jì)尋跡模塊時(shí)，為了減小環(huán)境光的干擾，可以在放大器的反向端接入一個(gè)滑線變阻器，通過調(diào)節(jié)電阻的大小，改變比較器的閾值電壓，從而改變傳感器的靈敏度。當(dāng)較弱的環(huán)境光進(jìn)入到光電三極管的基極，三極管的集電極會(huì)有電壓，但只要調(diào)大滑線變阻器接入的阻值，使得環(huán)境光照射時(shí)，集電極電壓低于閾值電壓，此時(shí)光電對(duì)管仍然輸出低電平，這樣就達(dá)到了消除環(huán)境光的目的。該電路接入的阻值越大，閾值越高，就越不容易受環(huán)境光的影響，但靈敏度也就越低，反應(yīng)越慢。相反，就越容易受環(huán)境光影響，靈敏度越高，反應(yīng)越快。

　　同時(shí)，為了使小車能適應(yīng)不同弧度的路線，在循跡模塊中嵌入了模糊控制算法。首先建立一個(gè)模糊集合X={左偏，左較偏，左很偏，右偏，右較偏，右很偏},定義模糊規(guī)則：當(dāng)左側(cè)第一個(gè)光電對(duì)管位于黑線上時(shí)，定義小車右偏，小車左輪停轉(zhuǎn)，右輪正常轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)左側(cè)第二個(gè)光電對(duì)管位于黑線上時(shí)，定義小車右較偏，小車左輪小幅度反轉(zhuǎn)，右輪正常轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)左側(cè)第三個(gè)光電對(duì)管位于黑線上時(shí)，定義小車右很偏，小車左輪大幅度反轉(zhuǎn)，右輪正常轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，對(duì)右側(cè)光電對(duì)管定義模糊規(guī)則。通過模糊控制小車就能適應(yīng)多變的路線。

　　1.3 金屬檢測模塊

　　把金屬傳感器固定在小車底部，當(dāng)小車經(jīng)過金屬片時(shí)，金屬傳感器的輸出端會(huì)產(chǎn)生一次電頻跳變，將跳變信號(hào)輸入到單片機(jī)的外部中斷，每一次跳變，觸發(fā)一次中斷，單片機(jī)就會(huì)控制蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。將中斷次數(shù)記錄下來送到液晶顯示，就能得到檢測的金屬片個(gè)數(shù)。

　　1.4 超聲波避障模塊

　　用單片機(jī)給超聲波發(fā)生器輸入端輸入一列脈沖觸發(fā)信號(hào)，超聲波發(fā)生器的發(fā)射端就會(huì)產(chǎn)生一列對(duì)應(yīng)頻率的超聲波，當(dāng)聲波遇到障礙物（3 m以內(nèi)）時(shí)就會(huì)反射回來，被接收端接受，其輸出端輸出一系列PWM波。記錄這列PWM 波的高電平持續(xù)時(shí)間，并忽略小車在此段時(shí)間內(nèi)的位移，就可計(jì)算出小車到障礙物的距離，當(dāng)距離達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，控制電機(jī)使小車轉(zhuǎn)彎，繞過障礙物。

　　本系統(tǒng)中充分利用Mega128 單片機(jī)的中斷捕捉功能，將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的輸出回響信號(hào)輸入到單片機(jī)，首先設(shè)置下降沿觸發(fā)捕捉中斷，定時(shí)器計(jì)時(shí)開始，當(dāng)中斷觸發(fā)時(shí)馬上更改觸發(fā)方式為上升沿觸發(fā)，再次響應(yīng)中斷時(shí)記錄此時(shí)定時(shí)器的值T1同時(shí)原計(jì)數(shù)值清零，此時(shí)記錄的高電平時(shí)間T1即為聲波在空中傳播的時(shí)間。再次更改觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測量。與傳統(tǒng)的中斷響應(yīng)測量相比，中斷捕捉具有快速、精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)假設(shè)單片機(jī)晶振為M,分頻系數(shù)為N,聲音的傳播速度為V.聲波傳播的時(shí)間為（單位：s）：

　　因此，可以按照下式計(jì)算出距離障礙物的距離L1:

　　1.5 硅光電池趨光模塊

　　為了使小車具有更理想的趨光效果，本系統(tǒng)采用硅光電池作為傳感器。當(dāng)光源照射到硅光電池的表面，硅光電池的電阻值會(huì)發(fā)生變化，光照強(qiáng)度越大，電阻值越小。在小車前端的左中右分別裝上一個(gè)硅光電池，將光管電池接在相同的參考電壓源上，將其兩端的電壓送入單片機(jī)的采樣通道轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，通過比較三路采樣值的大小就能判斷出哪個(gè)方向上的光照強(qiáng)度大，從而控制小車直走或轉(zhuǎn)彎，進(jìn)而趨向光源。