| 标题 | 基于红外反射式传感器TCRT5000的循迹小车设计 |
| 范文 | 朱春华 顾雪亮 摘 要： 为了同时改善循迹小车的稳定性和行进速度性能指标，提出一种改进的智能循迹小车设计方案。引入红外反射式传感器TCRT5000检测地面信息，单片机内部的程序控制双MOS驱动，结合单片机输出的PWM信号控制小车左右轮的运动速度，从而使小车能沿着引导轨迹自动行驶，使循迹小车的稳定性和速度得到大幅度的提升。实验结果证明了所提方案的有效性。 关键词： 智能循迹小车； 红外反射式传感器； 设计方案； PWM控制； 行进速度； MOS 中图分类号： TN219?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）18?0143?04 Design of tracking car based on infrared reflective sensor TCRT5000 ZHU Chunhua， GU Xueliang （School of Information Science and Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou 450001， China） Abstract： A design scheme of the improved intelligent tracking car is proposed to improve both the stability and forward speed performance index of the tracking car. The infrared reflective sensor TCRT5000 is introduced to detect ground information. The motion speed of the car′ left and right wheels is controlled by using the MCU internal program to control the double MOS drive and combining with PWM signals output by the MCU， so as to enable the car to run automatically along the guiding track， and greatly improve the stability and speed of the tracking car. The experimental results demonstrated the effectiveness of the proposed scheme. Keywords： intelligent tracking car； infrared reflective sensor； design scheme； PWM control； forward speed； MOS 0 引 言 智能循迹小车控制系统是一个集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统[1]，因其成本廉价而广泛应用于工业领域。针对外星探测以及人类难以达到的特殊环境，轮式机器人发挥了显著的作用，目前该技术正逐渐渗透到普通人的生活以及工业生产中[1?2]。但是针对传统的4路循迹方案，还存在一些稳定性上的改进以及速度上的提升问题。综述目前的研究，稳定性和运行速度的同时提升是影响智能小车性能的关键问题[3?4]。针对传统的4路红外循迹方法的提升，本文提出一种具有自动循迹功能的小车设计方案，采用红外反射式传感器TCRT5000和单片机IAP15W4K58S4为控制核心，通过程序优化，实现了循迹小车的稳定性以及速度的提升。 1 系统硬件的设计 1.1 系统整体结构 本文提出的循迹小车系统结构如图1所示。其采用了模块化的设计思想，包括MCU、电源模块、驱动模块、传感器循迹模块等。具体工作的过程为：用5个循迹传感器来检测路况信息，将信息传给MCU进行分析处理，通过对算法的优化控制驱动系统驱动小车[5?6]。 图1中的循迹小车系统的主要功能模块包括：车体、传感器模块、电机模块、电源模块、驱动模块和单片机控制模块。以下各节给出了各部分的设计思路。 1.2 车 体 车体的底板选择双面铜板，双面铜板是一种表面敷一层铜箔的塑料板，具有优异的强韧度，耐冲击，同时自重也比较小，可以有效地应对电机的功耗问题。不仅如此，在AltiumDesigner09软件下完成电路图设计之后，双面铜板可用来手工制作PCB电路板，从而有效解决布线的难处，同时减少机械上的復杂组装问题，这样车体的可靠性能得到大幅度提升，相比焊接上的问题，保证了信号的完整性。 1.3 传感器模块 循迹检测采用TCRT5000红外反射式光电传感器，该传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏光电晶体。在小车的PCB底盘上放置5个传感器，其中4个在一个平行线上，中间的那个传感器以其他4个传感器的平行线为基础提前2 cm，来控制小车的摆动扭矩，结合程序优化，可有效地控制小车的扭矩，降低摆幅，提高稳定性[7?8]。黑线检测原理是红外发射管发射光线到路面，红外光遇到白底则被反射，接收管接收到反射光，经过施密特触发器整形后为低电平；反之则无反射光。单片机就是通过这个信号来识别路径的情况[9?10]。 1.4 电机模块 电机采用直流减速电机，2个130的直流电机，作为后轮驱动，这个控制方法主要通过对电机两端的高低电平的控制实现转向的控制，通过对PWM的控制，实现电机转速的控制。电机的电压越高，其转动的速度越大。直流电机具有可靠性高、转矩大、振动小、能耗低的优点。通过测速进行测量速度，然后可以实现闭环的自动控制。 1.5 电源模块 电源模块采用2节18650的可充电电池，可以达到循环供电，通过升压电路对7.6 V的整体电压进行升压处理，达到12 V给驱动供电，通过降压模块对7.6 V进行5 V和3.3 V的降压处理达到降压的效果，给单片机以及其他传感器使用。 1.6 驱动模块 驱动模块采用双MOS驱动，该部分通过SMT工艺及高质量的铝电解电容，稳定性高，同时驱动能力十分强，发热问题也得到了有效的解决，自身消耗少，以12 V为输入电压，接收单片机的控制实现电机的控制。可以直接驱动，通过两个端口对电机的PWM控制实现对电机的控制。 1.7 单片机控制模块 单片机控制系统采用IAP15W4K58S4作为控制系统，优点是该芯片本身就是一个最小系统，除此之外，IAP15W4K58S4控制系统支持硬件仿真，给调试带来了很大的方便。宏晶公司推出的最新一代高速/低功耗/超強抗干扰的增强型单片机，片内硬件资源丰富。对于本次实验是一个很好的选择[4?5]。 2 软件系统的开发及算法的优化 2.1 软件工具的选择 本文选择Keil4集成开发环境，其是一种基于Windows的开发平台，也是非常卓越的一款嵌入式开发系统。 2.2 程序设计语言的选择 选择C51作为开发语言来进行程序设计。C51是由C继承过来的，兼备高级语言和低级语言的优点，支持的平台广泛，同时开发周期短，可移植性好，与汇编比较起来，可以大大缩短编写和调试程序的时间。 2.3 算法设计的思路 传统的红外循迹小车的循迹算法先利用函数将循迹小车的前进、后退、左转、右转等相应的运动姿势封装好；然后在单片机的主函数中写一个死循环，通过两个循迹传感器的循迹来判断小车是不是偏离黑线，并对小车的PWM进行模糊调节，实现循迹。如果小车往左偏离，用右轮加速，如果小车往右偏离，小车的左轮加速，使传感器能继续采集黑线[6，9]。 传统的循迹算法的缺点是需要人为的调节小车的循迹效果，这导致小车的稳定性下降；其次，循迹程序按顺序执行，导致小车的速度很难提升；此外还需要再配置两个传感器来时时检测黑线保证小车不会轻易的偏离赛道。 本文所提循迹算法通过定时器中断将小车的服务程序写到小车的定时器中断里进行处理，这样从操作系统的层面来说，虽然为一个裸机程序，但是其在中断中的进行上比在CPU直接处理上相对来说快了很多。通过对定时器中断的时间设计，可以使小车的处理时间得到相应的解决，5个传感器，中间3个用来做循迹处理，最外面的两个用来做预防出界的防护处理，从而实现小车稳定性的提升。 在稳定性提升设计方面，提出定时器中断时间设计算法，以8051单片机的定时器0作为主要对象，针对这个对象的中断服务程序作为实施的过程。先利用函数将循迹小车的前进、后退、左转、右转等相应的运动姿势封装好；随后将3个主要的循迹传感器的检测反馈过程传递给单片机进行处理，分别用中间三个，从左向右b2，r1，b3三个标识好的传感器把采集的路况信息传递给循迹小车进行处理。使用定时器进行简单的定时，这个定时的时间决定小车处理的频率，相应的配合循迹传感器的捕获时间，设置一个合适的时间，使其进入中断服务子程序中进行处理，这样小车稳定性能得到大幅度的改善，相比传统的将小车的循迹程序放入死循环且通过执行软件程序实现稳定性，本文提出的定时器中断时间设计算法更加高效，稳定性也得到明显提高。 在速度提升设计方面，主要是用3个循迹传感器，按照上述方法固定在相应的位置，分别起名为b1，r1，b3这三个传感器，中间的传感器r1用来辅助小车的压线做直线循迹，两边的b1和b3用来矫正小车的偏离姿势，如果中间的传感器检测到黑线为1，两边的为0，这时让小车以最快的速度行走，因为此时小车的所处位置是沿直线行走，所以其全速前进效果最好。因为轮子的原因，小车的姿势势必发生变化，这时就需要进行相应的矫正。如果小车的右侧传感器检测到黑线，这时本文事先定义了3个标志位来记录左右偏离的情况，以防小车3个传感器都偏离黑线做的预防措施。如果左偏，说明右轮的速度大于左轮，此时的标志位flag=1，如果flag=1加上3个传感器的值都为0，即都没检测到黑线，在此默认此时冲出跑道，所以需要一个大的转弯来回归黑线的位置。所以相应的右偏也是同样的道理，这样的设计一方面对小车的提速有明显的效果，另一方面小车的出错率也会降低，同时小车也会更加稳定，解决的路径难度也可以通过，如十字型、分支选择型、S弯、60°锐角、直角等。 3 实验测试 实验地方选择干净的白瓷砖地面，用电工胶带做路径，循迹轨道为78 cm的黑线，如图2所示，轨道采用传统的S型、1字型和椭圆形，分别如图2～图4所示。光线采用一般强度的自然光。采用中间3个传感器进行循迹的处理，位置按在小车的PCB底盘上放置5个，其中4个在一个平行线上，中间的那个光电管以其他4个光电管的平行线为基础提前2 cm放置。通过单片机自带的PWM调节电机的转速来控制电机，通过本文提出的优化算法实现小车的稳定和速度提升。为了保证实验结果的准确性，测试采用的是同一个小车和传感器。与本文提出的小车模式相比，如果切换到传统的小车模式，那么不需采用标号为r1的中心传感器，只采用剩下的4路传感器进行循迹。 对于图2～图4所示的传统轨道场景，采用本文的稳定性与速度提升优化算法的小车与传统的4路循迹小车的实验结果分别如表1～表3所示。 由表1～表3可知，循迹小车的稳定性和速度提升的关键因素：红外对管放置位置的恰当性；小车PID参数设置的大小；定时器服务的定时时间的长短；电机驱动及电机选择的正确性。实验结果与理论分析一致。 与传统模式的四路循迹小车相比，本文所提的设计还能够实现交叉、十字、60°锐角以及90°轨道场景的循迹。实验场景分别如图5～图8所示。 为了体现准确性，本次测试统一使用芯片上电的时间开始计时。按照用时评估小车速度，对图5～图8的复杂路况，传统小车不能完成全程的循迹，本文提出的小车设计可以较好的进行循迹，表明其稳定性。 4 结 语 本文提出了一种新的智能小车循迹算法，并给出软件优化和硬件选择方案。所提算法克服了传统基于51单片机的四路循迹稳定性差以及速度提升难的问题；并增加复杂路径判断的功能；只需简单的代码就可以实现整机设计，减少了用于判断的逻辑设计，实现更为简单。所得结论可为大学生智能车竞赛以及机器人设计提供参考。 参考文献 [1] 陈辉，邓记才，吴晓辉，等.多传感器信息融合在轮式机器人运动控制中的应用[J].传感技术学报，2011，24（6）：915?918. 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