基于二維物體斜面黑線運(yùn)動(dòng)智能小車的設(shè)計(jì)

周英

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元 628017）

二維物體斜面運(yùn)動(dòng)算法是2005年全國(guó)大學(xué)生索尼杯電子競(jìng)賽E題“懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”延伸出的研究課題，其主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)，控制物體在傾斜 （仰角≤100°）的板上運(yùn)動(dòng)。在一個(gè)白色底板上固定兩個(gè)滑輪，兩只電機(jī)（固定在板上）通過穿過滑輪吊繩控制一個(gè)物體在板上運(yùn)動(dòng)，并達(dá)到如下要求[1-2]：

1）控制物體在80×100 cm的范圍內(nèi)做自行設(shè)定的運(yùn)動(dòng)；

2）控制物體作圓心可任意設(shè)定、直徑為50 cm的圓周運(yùn)動(dòng)；

3）控制物體跟隨板上標(biāo)出的任意曲線運(yùn)動(dòng)，線寬1.5～1.8 cm，總長(zhǎng)度約50 cm，顏色為黑色，曲線的前一部分是連續(xù)的，長(zhǎng)約30 cm，后一部分是兩段總長(zhǎng)約20 cm的間斷線段，間斷距離不大于1 cm，沿連續(xù)曲線運(yùn)動(dòng)限定在200 s內(nèi)完成，沿間斷曲線運(yùn)動(dòng)限定在300 s內(nèi)完成。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)可分為智能控制、傳感器檢測(cè)和電源3部分，整個(gè)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

智能控制部分：系統(tǒng)中控制器件根據(jù)由光電傳感器變換輸出的電信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，控制懸掛系統(tǒng)的電機(jī)，顯示數(shù)碼管，完成了懸掛物體的自動(dòng)尋跡，尋跡移動(dòng)等各項(xiàng)任務(wù)?？刂撇糠职?個(gè)主要單元電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制電路，左右電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路，4×4按鍵輸入電路，數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示電路。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

傳感器檢測(cè)部分：系統(tǒng)利用光電傳感器檢測(cè)到的外部信息轉(zhuǎn)化為可控制器件能識(shí)別的電信號(hào)，傳感器檢測(cè)部分主要用于軌跡探測(cè)電路。

電源部分：系統(tǒng)中采用自制的電源將220 V電壓降至恒穩(wěn)的12 V和5 V電壓對(duì)單片機(jī)、電機(jī)、電機(jī)控制部分、顯示數(shù)碼管、鍵盤、計(jì)數(shù)器、光電傳感器供電。

2 模塊選擇與電路設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)各模塊的選擇

1）單片機(jī)選擇模塊：選用凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)。

2）電機(jī)選擇模塊：選用齒輪減速同步電機(jī)。

3）電機(jī)控制模塊：選用繼電器和光電傳感器組合控制電機(jī)。

4）顯示模塊：選用8位數(shù)碼管LED。

5）輸入模塊：選用 4×4的鍵盤。

6）信號(hào)檢測(cè)模塊：選用反射式紅外傳感器。

2.2 主要電路設(shè)計(jì)

2.2.1 電機(jī)光電開關(guān)檢測(cè)電路

利用電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)來帶動(dòng)控制物體運(yùn)動(dòng)，在該設(shè)計(jì)中采用在電機(jī)的轉(zhuǎn)盤上安裝一個(gè)60條黑白線均勻的圓盤，再用光電開關(guān)來檢測(cè)，如圖2所示。當(dāng)要控制物體在畫板上運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，光電傳感器利用接收黑白電平時(shí)輸出的高低電平，當(dāng)光點(diǎn)傳感器檢測(cè)到黑色條紋時(shí)，輸出高電平給單片機(jī)，相反當(dāng)檢測(cè)到白色條紋時(shí)，輸出低電平，從而把連續(xù)輸出高低電平轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)，也就把電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)有黑白線的圓盤黑白條數(shù)轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)，從而觸發(fā)光耦U1或U2，經(jīng)單片機(jī)IOB2或IOB3口輸入信號(hào)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算物體運(yùn)動(dòng)軌跡，從而控制物體的運(yùn)動(dòng)。

圖2 電機(jī)光電開關(guān)檢測(cè)電路Fig.2 Motor photoelectric switch detection circuit

2.2.2 路面檢測(cè)模塊選擇

在小車前面的左右兩端分別安裝反射式光電傳感器，安裝的寬度至少要大于黑線的寬度，如圖3所示。小車運(yùn)動(dòng)路面是在白色紙張上面鋪設(shè)黑色膠布作為中心，這主要基于光電傳感器在檢測(cè)到白色和黑色時(shí)兩種不同的電平狀態(tài)的原理。當(dāng)光電傳感器面對(duì)黑線時(shí)，發(fā)出的光被吸收，不能發(fā)生發(fā)射，此時(shí)光敏三極管Q不能導(dǎo)通，輸出為低電平；當(dāng)面對(duì)白線時(shí)，光電二極管發(fā)出的光經(jīng)過白線反射到達(dá)光敏三極管Q，使Q導(dǎo)通從而輸出高電平，再經(jīng)觸發(fā)非門74HC14的兩次觸發(fā)反相，消除干擾，把信號(hào)送到單片機(jī)相應(yīng)的引腳。由此可以在小車行進(jìn)的時(shí)候，讓系統(tǒng)的控制模塊同時(shí)監(jiān)視兩個(gè)光電傳感器的狀態(tài)，并送到單片機(jī)的相應(yīng)引腳，經(jīng)過程序算法處理后送到電機(jī)控制引腳，根據(jù)不同的信號(hào)組合實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)調(diào)整方式，完成小車的黑線運(yùn)動(dòng)。

2.2.3 電機(jī)控制部分的單元電路設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分分為左右兩部分，兩個(gè)電機(jī)配合工作負(fù)責(zé)懸掛物體的拉動(dòng)定位。兩個(gè)電機(jī)為齒輪減速同步電機(jī)，轉(zhuǎn)數(shù)恒定為20 r/min，設(shè)計(jì)兩個(gè)控制電路來控制電機(jī)的開關(guān)。繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過引腳電平的切換對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)向進(jìn)行調(diào)整[3]。

圖3 路面檢測(cè)模塊電路Fig.3 Road detection module circuit

電路采用光耦繼電器式對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)及轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，如圖4所示，各端口功能為，IOB8控制電機(jī)1的正轉(zhuǎn)，IOB9控制電機(jī)1的反轉(zhuǎn)，IOB10控制電機(jī)2的正轉(zhuǎn)，IOB11控制電機(jī)2的反轉(zhuǎn)。

當(dāng)IOB8或IOB10為高電平時(shí)，光耦U2導(dǎo)通，8050導(dǎo)通，+12 V電壓驅(qū)動(dòng)繼電器，從而使交流220 V電壓加到電動(dòng)機(jī)上，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)IOB9或IOB11為高電平時(shí)，光耦U3導(dǎo)通，8050導(dǎo)通，+12 V電壓驅(qū)動(dòng)繼電器，從而使交流220 V電壓加到電動(dòng)機(jī)上，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)IOB8或IOB10與IOB9或IOB11都為低電平時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。由于所選電動(dòng)機(jī)具有抱閘功能，為齒輪減速電動(dòng)機(jī)，因此在斷電的時(shí)候，幾乎能同時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，保證了物體運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，而且外圍電路簡(jiǎn)單，很容易操作。

圖4 電機(jī)控制觸發(fā)電路Fig.4 Motor control and trigger circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用凌陽(yáng)獨(dú)有的C語(yǔ)言和匯編混合使用對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，主程序主要起到一個(gè)導(dǎo)向和決策功能。為了讓小車能夠準(zhǔn)確的沿黑線運(yùn)動(dòng)，所設(shè)計(jì)的程序就應(yīng)該讓控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)地監(jiān)視光電傳感器地狀態(tài)，調(diào)整小車運(yùn)動(dòng)一直回到正常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中[4]。因此，主程序主要包括小車運(yùn)動(dòng)子程序、光電檢測(cè)的子程序、顯示時(shí)間的子程序、清看門狗子程序等。小車運(yùn)動(dòng)程序流程圖如圖5所示。

圖5 小車運(yùn)動(dòng)程序流程圖Fig.5 Car movement program flowchart

在程序中，為了小車運(yùn)動(dòng)能夠準(zhǔn)確地判斷出當(dāng)前所處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，讓單片機(jī)及時(shí)地讀取B口低8位的數(shù)據(jù)。為了小車運(yùn)動(dòng)的連貫性和準(zhǔn)確性，在流程圖中使用了延時(shí)程序。同時(shí)，為了避免出現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)造成影響，設(shè)置了清看門狗程序。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過安裝調(diào)試，整個(gè)智能小車系統(tǒng)已經(jīng)形成，為了能讓小車能很準(zhǔn)確沿黑線運(yùn)動(dòng)，利用光電測(cè)試模塊，由單片機(jī)控制物體作任意形狀的尋跡運(yùn)動(dòng)，并能判斷間斷線段，測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示。在運(yùn)動(dòng)時(shí)間測(cè)試時(shí)采用精度為0.01的秒表，檢測(cè)小車運(yùn)動(dòng)時(shí)顯示時(shí)間的正確性，如果程序中存在誤差，就應(yīng)該通過軟件或者硬件的方法修正誤差，進(jìn)一步減小誤差。測(cè)試時(shí)間過程如表3所示。

表1 連續(xù)軌跡尋跡測(cè)試結(jié)果Tab.1 Continuous path tracing test results

表2 斷續(xù)軌跡尋跡測(cè)試結(jié)果Tab.2 Intermittent trajectory tracing of test results

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)以凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)芯片為核心部件，主要是利用繼電器控制技術(shù)和光電傳感器的檢測(cè)技術(shù)二維斜面的黑線運(yùn)動(dòng)智能小車的設(shè)計(jì)[5-6]，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，力求硬件線路簡(jiǎn)單，充分發(fā)揮軟件編程的方便靈活的特點(diǎn)，來滿足本設(shè)計(jì)的要求。從測(cè)試項(xiàng)目來看，所設(shè)計(jì)出的小車能夠?qū)崿F(xiàn)誤差較小的沿黑線準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)和同時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)時(shí)間的要求。在運(yùn)動(dòng)方面，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程比較連續(xù)，但在轉(zhuǎn)彎幅度比較大的地方時(shí)，小車運(yùn)動(dòng)時(shí)就需要時(shí)間來計(jì)算、調(diào)整。在顯示時(shí)間方面，雖然存在一定的誤差，考慮到誤差很小，以及程序的執(zhí)行花費(fèi)的時(shí)間，可以忽略不計(jì)。

表3 測(cè)試運(yùn)動(dòng)時(shí)間表Tab.3 Test sports schedule

[1]曹潤(rùn)強(qiáng).二維物體斜面黑線運(yùn)動(dòng)光電傳感器應(yīng)用研究[J].攀枝花學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，26（3）:24，63-66.

CAO Run-qiang.Applied research in photoelectric sensor for black curve movements on the slant of two-dimensional objects[J].Journal of Panzhihua University，2009，26 （3）:24，63-66.

[2]黃志強(qiáng).基于CCD攝像頭智能車分段PID控制算法設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（2）:55-57.

HUANG Zhi-qiang.Design of smart car section PID control algorithm based on CCD camera[J].Electronic Design Engineering，2011，19（2）:55-57.

[3]王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[4]梁業(yè)宗，李波，趙磊.基于路徑識(shí)別算法的智能車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)技術(shù)與應(yīng)用，2009，28（1）:121-123.

LIANG Ye-zong，LI Bo，ZHAO Lei.Path recognition algorithm based on intelligent vehicle control system [J].Automation Technology and Applications，2009，28（1）:121-123.

[5]孫輝，張參參，史久根.競(jìng)賽用智能車的設(shè)計(jì)[J].安微工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，26（3）:291-296.

SUN Hui，ZHANG Can-can，SHI Jiu-gen.Race car with a smart design[J].Anhui University of Technology，2009，26（3）:291-296.

[6]雷鈞，李峰波.基于攝頭的自動(dòng)尋跡智能車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào):工科版，2010，30（2）:50-52.

LEI Jun，LI Feng-bo.Camera-based automatic tracing intelligent vehicle control system design[J].Suzhou University:Engineering Science， 2010，30（2）:50-52.