智能尋跡小車的設(shè)計與制作

摘要：文章介紹了使用雙路電壓比較器，設(shè)計出智能尋跡小車，其控制系統(tǒng)由四個模塊組成：路面尋跡檢測、誤差比較放大、驅(qū)動電機、控制小車。文章詳細(xì)地介紹了系統(tǒng)組成、工作原理與設(shè)計過程，該設(shè)計具有低功耗、可靠

智能小車可實現(xiàn)尋跡、避障、檢測貼片、尋光入庫，避崖等功能。智能小車牽涉到機械結(jié)構(gòu)、電子基礎(chǔ)、傳感器原理、自動控制甚至單片機編程等諸多學(xué)科知識，通過動手實踐能大大提高解決實際問題的能力，而且智能小車還是一個很好的硬件平臺，只要增加一些控制電路就能完成循跡小車、救火機器人、足球機器人、避障機器人、遙控汽車、無人駕駛等課題。

此次的設(shè)計主要實現(xiàn)路面檢測尋跡功能，并對該項目設(shè)計目標(biāo)的可行性進(jìn)行了論證。小車要實現(xiàn)自動尋跡功能就必須要感知導(dǎo)引線，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給小車一個視覺功能，實現(xiàn)自動識別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，實現(xiàn)無人駕駛。

1、設(shè)計要求

在白色（或黑色）的場地上有一條16毫米左右寬的黑色（或白色）跑道，不管是跑道如何彎曲，尋跡小車都能沿著黑色跑道自動行駛。

2、設(shè)計方案的比較與論證

本項目為智能小車，對于智能小車來說，其驅(qū)動輪的驅(qū)動電機的選擇就顯得十分重要。由于本實驗要實現(xiàn)對路徑控制定位和速度測量不是要求太高，精度也不是太高，所以我們綜合考慮了一下兩種方案。

方案1：采用步進(jìn)電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機。由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。雖然采用步進(jìn)電機有諸多優(yōu)點，步進(jìn)電機的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)，經(jīng)綜合比較考慮，我們放棄了此方案。

方案2：采用直流電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機。直流電機驅(qū)動小車的話必須要減速，否則轉(zhuǎn)速過高的話小車跑得太快根本也來不及控制，而且未經(jīng)減速的話轉(zhuǎn)矩太小甚至跑不起來。帶減速齒輪的直流減速電機電機電壓3V，空載電流約50毫安，轉(zhuǎn)速每分鐘30轉(zhuǎn)，斷電能自動鎖止，驅(qū)動力很大，轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便，能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求。

因此我選擇了方案2。

3、設(shè)計思路

智能尋跡小車，采用紅外線發(fā)射和紅外線接收對管，紅外線發(fā)射管發(fā)射光線，經(jīng)路面反射回來，由于白色和黑色對紅外線的反射信號不相同，通過紅外線接收到高低不同的電平信號，分別送到不同的LM393雙路電壓比較器進(jìn)行誤差比較，通過誤差比較，得到一個誤差電壓，分別送到兩路驅(qū)動放大電路進(jìn)行放大，放大后的信號驅(qū)動電機，電機帶動小車朝著軌道的方向自動行駛。電機部分，在設(shè)計時，專門設(shè)計了帶減速齒輪的直流電機增大轉(zhuǎn)矩和減小轉(zhuǎn)速，防止小車跑不起來或是小車跑得太快根本來不及控制。

整個電路系統(tǒng)分為路面尋跡檢測、誤差比較放大、電機驅(qū)動、小車控制四個模塊。首先利用光敏電阻對路面信號進(jìn)行檢測，經(jīng)過比較器處理之后，輸出相應(yīng)的信號驅(qū)動直流電機轉(zhuǎn)動，從而控制整個小車的運動。系統(tǒng)方案方框圖如圖2-1所示：

4、小車尋跡的原理

這里的尋跡是小車在白色的地板上尋黑線行走，用紅色的LED作為光源，光線通過地面反射到光敏電阻上，LM393雙路電壓比較器隨時比較著兩路光敏電阻的大小，當(dāng)出現(xiàn)不平衡時（例如一側(cè)壓黑色跑道）說明小車跑偏，立即控制一側(cè)電機減速，另一側(cè)電機加速旋轉(zhuǎn)，從而使小車修正方向，恢復(fù)到正確的方向上，甚至電機停轉(zhuǎn)這一側(cè)的綠色的LED熄滅，驅(qū)動小車向相反方向行駛，這樣小車就能始終沿著跑道行駛了。整個過程是一個閉環(huán)控制，因此能快速靈敏地控制。

5、硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)

直流電機驅(qū)動小車的話必須要減速，否則轉(zhuǎn)速過高的話小車跑得太快根本也來不及控制，而且未經(jīng)減速的話轉(zhuǎn)矩太小甚至跑不起來。帶減速齒輪的直流電機能增大轉(zhuǎn)矩和減小轉(zhuǎn)速，防止小車跑不起來或是小車跑得太快根本來不及控制。

4）、硬件設(shè)計

智能尋跡小車能夠快速平穩(wěn)地行駛，需要控制系統(tǒng)把路徑判斷、轉(zhuǎn)向及直流驅(qū)動電機控制結(jié)合在一起。小車硬件控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)主要由電源模塊、電機驅(qū)動模塊、電壓比較器模塊、傳感器模塊組成。路徑識別方案采用光電檢測，小車硬件電路圖下圖所示：

6、安裝調(diào)試

1）、電路部分安裝

對照電路原理，先清理、檢測元件，再對元件進(jìn)行整型，再進(jìn)行焊接電路圖。

2）、機械組裝

將萬向輪螺絲穿入PCB孔中，并旋入萬向輪螺母和萬向輪。電池盒通過雙面膠貼在PCB上，引出線穿過PCB預(yù)留孔焊接到PCB上，紅線接3V正電源，黃線接地，多余的引線可以用于電機連線。

機械部分組裝可以先組裝輪子，輪子由三個輪片組成，最內(nèi)側(cè)的輪片中心孔是長園孔，中間的輪片直徑比較小，外側(cè)的輪片中心孔是園的，用兩個螺絲螺母固定好三片輪片，并用黑色的自攻螺絲固定在電機的轉(zhuǎn)軸上，最后將硅膠輪胎套在車輪上。用引線連接好電機引線，最后將車輪組件用不干膠粘貼在PCB制定位置，注意車輪和PCB邊緣保持足夠的間隙，將電機引線焊接到PCB上，注意引線適當(dāng)留長一些，防止電機旋轉(zhuǎn)方向錯誤后便于調(diào)換引線的順序。

3）、整車調(diào)試

在電池盒內(nèi)裝入2節(jié)AA電池，開關(guān)撥在"ON"位置上，小車正確的行駛反相是沿萬向輪方向行駛，如果按住左邊的光敏電阻，小車的右側(cè)的車輪應(yīng)該轉(zhuǎn)動，按住右邊的光敏電阻，小車的左側(cè)的車輪應(yīng)該轉(zhuǎn)動，如果小車后退行駛可以同時交換兩個電機的接線，如果一側(cè)正常另一側(cè)后退，只要交換后退一側(cè)電機接線即可。

設(shè)計出的智能尋跡小車，通過安裝調(diào)試后，智能尋跡小車運行非常平穩(wěn)，該設(shè)計具有低功耗、可靠性好、安全性高以及低成本等特點，完全實現(xiàn)自動無人駕駛，該設(shè)計方案完全滿足智能尋跡小車的設(shè)計要求。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

胡建明，男，1970.2.17，漢族，重慶忠縣人，副教授，重慶三峽職業(yè)學(xué)院，研究方向：電子技術(shù)及自動化控制方向，