基于紅外傳感器的智能循跡小車

門筱希，孔祥初，吳多輝，向邦瑞

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

隨著機(jī)械、電子、控制和信息等技術(shù)的迅速發(fā)展，智能機(jī)器人將在科研、軍事、物流業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域有著廣闊的前景。智能循跡小車是一種可自動(dòng)根據(jù)規(guī)劃路徑運(yùn)行的輪式機(jī)器人，也是一個(gè)集環(huán)境感知、分析判斷與決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)[1-4]。它集中運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)[5-7]，是典型的高新技術(shù)綜合體。

多數(shù)由純電子元件控制的自動(dòng)循跡小車，具有靈敏度低、循跡速度慢、離軌跡有一定誤差等特點(diǎn)，且傳感器易受環(huán)境光影響，因此循跡準(zhǔn)確性易因環(huán)境變化而受影響[8]。本文設(shè)計(jì)的智能循跡小車硬件系統(tǒng)由電源模塊、傳感器模塊、控制模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成。紅外線傳感器和電壓比較器LM393[9]作為控制核心，能夠使電機(jī)在“停轉(zhuǎn)”“半速旋轉(zhuǎn)”和“全速旋轉(zhuǎn)”狀態(tài)下快速切換，使小車運(yùn)行軌跡光滑準(zhǔn)確。

1 智能小車總體設(shè)計(jì)方案

小車整體有四個(gè)模塊，分別為傳感器模塊、控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊，如圖1所示。傳感器感應(yīng)光信息，將信號(hào)傳遞至控制模塊，控制模塊處理信息以控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)。全過(guò)程由電源模塊提供能量。

傳感器作用為感知光強(qiáng)變化。當(dāng)黑色軌跡為非直線時(shí)，小車左右兩電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化，達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。由于軌跡彎曲角度不同，為了使小車能夠更加精確高效地隨黑線轉(zhuǎn)彎，在小車前部左右各裝兩個(gè)傳感器，標(biāo)號(hào)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，如圖2所示。傳感器Ⅰ與傳感器Ⅳ功能相同，傳感器Ⅱ與傳感器Ⅲ功能相同。以小車相對(duì)軌跡左偏時(shí)情況為例，若小車右偏程度低，此時(shí)右側(cè)內(nèi)部傳感器Ⅲ感應(yīng)到黑線，右輪半速旋轉(zhuǎn)而左輪繼續(xù)全速前進(jìn)；若右偏程度較高，則右側(cè)外部傳感器Ⅳ感應(yīng)到黑線，此時(shí)右輪停止旋轉(zhuǎn)而左輪繼續(xù)全速旋轉(zhuǎn)，小車大幅度向右調(diào)整車頭。由于共有兩組傳感器，當(dāng)一個(gè)電機(jī)半速旋轉(zhuǎn)、另一個(gè)電機(jī)全速時(shí)，小車即可微微轉(zhuǎn)彎，大大減小了跑偏的可能性。

圖1 小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 傳感器模塊電路設(shè)計(jì)

結(jié)合各傳感器性能，最終選擇紅外線傳感器作為小車系統(tǒng)的傳感器。紅外線傳感器向外發(fā)出光源，通過(guò)檢測(cè)接收的反射光光強(qiáng)大小判斷傳感器所處環(huán)境。圖3為紅外傳感器原理圖，其中U2為光電三極管。

當(dāng)未感應(yīng)黑線時(shí)，光電三極管阻值小，R3上端結(jié)點(diǎn)1輸出低電平；若感應(yīng)到黑線，則光電三極管阻值很大，此時(shí)R3上端結(jié)點(diǎn)1輸出為高電平。

繪制小車一側(cè)的傳感器控制系統(tǒng)的真值表，如表1所示，其中1表示變阻器下端結(jié)點(diǎn)1輸出為高電平，0表示結(jié)點(diǎn)1輸出為低電平。

圖2 小車模型圖

圖3 傳感器模塊原理圖

表1 傳感器系統(tǒng)真值表

1.2 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)處理與轉(zhuǎn)換的核心元件是電壓比較器LM393。LM393的引腳圖如圖4所示。

LM393是電壓比較器，將接在R-Light端的光敏二極管接收光照時(shí)產(chǎn)生的電阻值變化變成電壓信號(hào)傳遞給電壓比較器的同相輸入端INB+。這個(gè)變化的電壓信號(hào)與電壓比較器的反相輸入端INA-端的基準(zhǔn)電壓相比較，當(dāng)同相端INB+電壓大于反相端INA-端電壓時(shí)，電壓比較器的輸出端輸出高電平電壓；當(dāng)同相端INB+電壓小于反相端INA-端電壓時(shí)，電壓比較器的輸出端輸出低電平電壓。如圖5所示，為了清晰看出電壓比較器輸入輸出之間的關(guān)系，從3號(hào)輸入端輸入矩形波，2號(hào)反向輸入端作比較用。輸入矩形波高電平為5 V，低電平為0 V。

圖4 LM393引腳圖

圖5 信號(hào)處理模塊原理圖

示波器波形如圖6所示，上方的波形為電壓比較器輸出的波形，下方的波形為輸入的矩形波波形。

圖6 示波器波形圖

由波形圖可知，當(dāng)正向輸入端電壓高于反向輸入端時(shí)，示波器輸出為高電平；當(dāng)正向輸入端電壓低于反向輸入端時(shí)，示波器輸出為低電平。即反向輸入端作為比較端時(shí)，正向輸入端波形與輸出端波形同步。

1.3 電機(jī)模塊電路設(shè)計(jì)

為了使小車轉(zhuǎn)彎的軌跡能夠盡量光滑，設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使小車車輪三種狀態(tài)分別為“停轉(zhuǎn)”“半速”和“全速”。綜合利用三極管的通斷和電阻的分壓特性，控制電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)中獲得的電壓大小，從而控制其轉(zhuǎn)速，原理如圖7所示。

圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

對(duì)于Q1、Q2三極管，基極輸入高電平時(shí)導(dǎo)通，輸入低電平時(shí)截止。Q1三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，無(wú)論Q2導(dǎo)通與否，電機(jī)均處于“停轉(zhuǎn)狀態(tài)”；而Q1三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)、Q2截止時(shí)，電流通過(guò)Q1-R10-電機(jī)流通，由于R10分得部分電壓，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速受到限制，為“半速”狀態(tài)；而當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，電阻R10被短路，無(wú)電阻分壓，電機(jī)轉(zhuǎn)速較快，為“全速狀態(tài)”。

2 系統(tǒng)調(diào)試與仿真

利用Proteus仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真電路圖如圖8所示。由于軟件中無(wú)法模擬小車循跡行駛，因此選擇用可調(diào)光敏電阻代替光電三極管仿真，通過(guò)調(diào)節(jié)光敏電阻接收光的光強(qiáng)改變其阻值，從而模擬小車循跡過(guò)程。當(dāng)光敏電阻接收光強(qiáng)度大時(shí)，所處的位置為白色區(qū)域，對(duì)應(yīng)車體上傳感器未檢測(cè)到軌跡，光敏電阻阻值小，不影響電機(jī)旋轉(zhuǎn)，且與電機(jī)并聯(lián)的LED燈正常發(fā)光；若光敏電阻接收光強(qiáng)度小，該三極管所處位置為黑色區(qū)域，對(duì)應(yīng)車體上傳感器檢測(cè)到軌跡，阻值大，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，并聯(lián)的小燈光亮減弱。

圖8 仿真圖

2.1 小車沿軌跡正常行進(jìn)時(shí)

此時(shí)，小車沿軌跡正常行駛，無(wú)傳感器監(jiān)測(cè)到軌跡，因此仿真中四個(gè)光敏電阻接收到的光強(qiáng)度均較高，兩側(cè)電機(jī)正常旋轉(zhuǎn)，指示燈D5與D16均正常發(fā)光。此時(shí)，小車沿正前方全速前進(jìn)，做勻速直線運(yùn)動(dòng)。圖9中，四個(gè)傳感器接收光強(qiáng)度都為正常光強(qiáng)，圖10中兩個(gè)電極全速旋轉(zhuǎn)。

2.2 當(dāng)小車稍向一邊偏離軌跡時(shí)（以向右偏離軌跡為例）

當(dāng)小車稍微向右偏離軌道時(shí)，小車上傳感器Ⅱ感應(yīng)到黑色軌跡。圖11中，傳感器Ⅱ接收光強(qiáng)度幾乎為零，表明該傳感器檢測(cè)到黑線；圖12中，左側(cè)電機(jī)約降為右側(cè)車輪一半，小車向左調(diào)整行進(jìn)方向。

2.3 當(dāng)小車嚴(yán)重偏離軌跡時(shí)（以右偏離軌跡為例）

當(dāng)小車嚴(yán)重向右偏離軌道時(shí)，小車上傳感器Ⅰ感應(yīng)到黑色軌跡。仿真中，該傳感器對(duì)應(yīng)的光敏電阻接受到的光強(qiáng)度低，如圖13所示。圖14中，左側(cè)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)全速旋轉(zhuǎn)，小車大幅向右調(diào)整車頭。

圖9 仿真圖1

圖10 仿真圖2

圖11 仿真圖3

圖12 仿真圖4

圖13 仿真圖5

圖14 仿真圖6

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)仿真驗(yàn)證所提方案的可行性后，需要用實(shí)物進(jìn)行驗(yàn)證。

首先利用altium designer畫出電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分原理圖，做出封裝，制作PCB圖，利用焊接工具將元器件焊接到銅板上。完成各模塊焊接后，將小車進(jìn)行組裝。將小車放置于黑色軌跡始段，連接開(kāi)關(guān)后，小車沿軌跡運(yùn)行效果較好。圖15為小車循跡實(shí)物圖。

4 結(jié) 論

由于傳統(tǒng)的智能小車正在向集智能化和自動(dòng)化于一體的方向發(fā)展，因此智能小車被越來(lái)越多地應(yīng)用于生活、工業(yè)以及軍事的各個(gè)方面。它的自動(dòng)循跡功能對(duì)提高工作效率和保障生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。因此，本文研究并設(shè)計(jì)了一套基于紅外傳感器具有自動(dòng)循跡功能的智能小車系統(tǒng)。對(duì)智能循跡小車的發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)應(yīng)用前景進(jìn)行分析后，提出了本文研究的小車的各部分原理及選擇，并通過(guò)利用仿真軟件驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)理論的可行性，然后自制電路板進(jìn)行焊接組裝小車實(shí)物，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的實(shí)際可行性。

圖15 小車循跡實(shí)物圖

本文研究開(kāi)發(fā)的智能小車系統(tǒng)能夠完成直行、大轉(zhuǎn)彎和小轉(zhuǎn)彎等功能，且經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試后，確定其自動(dòng)循跡功能準(zhǔn)確可靠。但是，本系統(tǒng)還存在一定的不足。例如，由于純電子電路的局限性，該小車的循跡速度有待提升。后期可考慮利用單片機(jī)控制系統(tǒng)，或者使用芯片，運(yùn)用算法對(duì)小車行進(jìn)中的軌跡情況進(jìn)行提前掃描，或者將視覺(jué)傳感技術(shù)引入智能小車系統(tǒng)[10-11]，從而更好地探測(cè)智能小車的周圍環(huán)境。