基于模块化控制的多功能智能小车设计

0 引言

智能小车形式多样，控制方法多变，创新性强，因此在电子竞赛和科技创新方面一直受到热捧。每年的“飞思卡尔”智能小车比赛中就分有电磁组，光电组，摄像头组，分别通过电磁传感器，光电传感器，摄像头来采集信号，检测小车的循迹能力和运行速度;遥控小车也是在小车上装上无线模块来接收遥控端发来的信号，从而实现小车的智能化控制;灭火机器人则是在避障小车的基础上加入趋光模块和温度传感器，使小车趋向火源灭火。

鉴于目前基于智能小车的设计，大多都是功能单一的寻迹小车，避障小车或遥控小车，在此将设计一种将红外对管寻迹、金属检测、超声波避障、硅光电池趋光和距离测量集成在同一个系统中的多功能智能小车，实现其多任务处理功能。同时，本系统针对各模块采用优化控制方案，以期望得到更精准控制。整个智能小车系统具有高效率、高准确度、低成本等特点。

当前对智能小车系统的控制方法也是多种多样，常见的有路径记忆法，模糊控制法，图像识别法等。

这些方法对于单任务的小车控制都能达到理想的效果。在本文所设计的智能小车系统中，将充分考虑小车的多任务性，采取模块化控制方法来实现小车的多功能控制，并在模块化的基础上嵌套模糊控制的方法，使小车既满足多功能要求，又能实现各控制模块独立、稳定运行。

1 系统结构设计

系统设计一般包括硬件设计和软件设计。本系统中硬件设计由电源模块、驱动模块、寻迹模块、金属检测模块、超声波避障模块、硅光电池趋光模块和显示模块构成，系统的整体结构如图1所示。

1.1 驱动模块

由单片机产生两路PWM 波，通过L298N 电机驱动芯片控制两个直流电机，分别驱动动左轮和右轮。直走时两路PWM 波频率相位相同，当需要转弯时，改变PWM 波控制相应的电机反转，另一电机正转。两边形成差速即可实现转弯。调整反转的的时间，可以控制转弯的大小和快慢，改变PWM 波的占空比可以控制小车的速度。

1.2 寻迹模块

该模块主要利用光电对管来检测小车赛道上的黑线。当光电对管内的发光二极管位于黑线上时，发光二极管发出的光被黑色吸收，不能被反射回来，此时，接收端上的光电三级管基极电压为零，三极管不能导通，输出低电平，与之相连的比较器同相端的也为低电平，最终输入单片机对应引脚一个低电平。单片机检测到输入的低电平就会对电机进行相应的处理，驱动小车转弯，使得这个光电对管偏离黑线。一旦离开黑线，光电三级光就能够接受到光照，三极管导通输出高电平，给单片机引脚输入一个高电平，单片机检测到该高电平后给相应电机正转命令，小车恢复直线行驶。依此循环，最终小车就能沿着黑线所设定的的轨迹行驶。

设计寻迹模块时，为了减小环境光的干扰，可以在放大器的反向端接入一个滑线变阻器，通过调节电阻的大小，改变比较器的阈值电压，从而改变传感器的灵敏度。当较弱的环境光进入到光电三极管的基极，三极管的集电极会有电压，但只要调大滑线变阻器接入的阻值，使得环境光照射时，集电极电压低于阈值电压，此时光电对管仍然输出低电平，这样就达到了消除环境光的目的。该电路接入的阻值越大，阈值越高，就越不容易受环境光的影响，但灵敏度也就越低，反应越慢。相反，就越容易受环境光影响，灵敏度越高，反应越快。

同时，为了使小车能适应不同弧度的路线，在循迹模块中嵌入了模糊控制算法。首先建立一个模糊集合X={左偏，左较偏，左很偏，右偏，右较偏，右很偏},定义模糊规则：当左侧第一个光电对管位于黑线上时，定义小车右偏，小车左轮停转，右轮正常转动;当左侧第二个光电对管位于黑线上时，定义小车右较偏，小车左轮小幅度反转，右轮正常转动;当左侧第三个光电对管位于黑线上时，定义小车右很偏，小车左轮大幅度反转，右轮正常转动。同理，对右侧光电对管定义模糊规则。通过模糊控制小车就能适应多变的路线。

1.3 金属检测模块

把金属传感器固定在小车底部，当小车经过金属片时，金属传感器的输出端会产生一次电频跳变，将跳变信号输入到单片机的外部中断，每一次跳变，触发一次中断，单片机就会控制蜂鸣器发声报警。将中断次数记录下来送到液晶显示，就能得到检测的金属片个数。

1.4 超声波避障模块

用单片机给超声波发生器输入端输入一列脉冲触发信号，超声波发生器的发射端就会产生一列对应频率的超声波，当声波遇到障碍物(3 m以内)时就会反射回来，被接收端接受，其输出端输出一系列PWM波。记录这列PWM 波的高电平持续时间，并忽略小车在此段时间内的位移，就可计算出小车到障碍物的距离，当距离达到某一设定值时，控制电机使小车转弯，绕过障碍物。

本系统中充分利用Mega128 单片机的中断捕捉功能，将超声波发生器产生的输出回响信号输入到单片机，首先设置下降沿触发捕捉中断，定时器计时开始，当中断触发时马上更改触发方式为上升沿触发，再次响应中断时记录此时定时器的值T1同时原计数值清零，此时记录的高电平时间T1即为声波在空中传播的时间。再次更改触发方式为下降沿触发，实现动态实时测量。与传统的中断响应测量相比，中断捕捉具有快速、精准的优点假设单片机晶振为M,分频系数为N,声音的传播速度为V.声波传播的时间为(单位：s)：

因此，可以按照下式计算出距离障碍物的距离L1:

1.5 硅光电池趋光模块

为了使小车具有更理想的趋光效果，本系统采用硅光电池作为传感器。当光源照射到硅光电池的表面，硅光电池的电阻值会发生变化，光照强度越大，电阻值越小。在小车前端的左中右分别装上一个硅光电池，将光管电池接在相同的参考电压源上，将其两端的电压送入单片机的采样通道转化成数字量，通过比较三路采样值的大小就能判断出哪个方向上的光照强度大，从而控制小车直走或转弯，进而趋向光源。

由于使用了硅光电池采样方案，系统的灵敏度可以被有效调节。程序设定只有当采样电压达到了某一规定值时，才来比较三路采样电压。调整这一规定电压值就可以改变系统的趋光灵敏度了，根据环境设定合适的规定值就能较好的避开环境光的干扰。

1.6 测距模块

在电机的转轴上安装两块小磁铁，并将霍尔传感器固定在转轴正上方的车身上，当电机转动，磁铁经过霍尔元件时，霍尔传感器的输出端就会产生电频跳变，通过记录电频跳变的次数N,即可根据行驶距离公式L2=(N × 2πR)/ 2 测量出小车行驶的距离。其中R表示车轮半径。所测距离可通过液晶屏显示出来。

2 软件设计

在硬件设计基础上，通过在单片机中烧写程序来控制小车功能的实现。本系统中采用模块化控制方法，将各个独立的功能作为一个独立的子程序，在主程序中按照逻辑顺序来调用各子程序。这样使得程序条理清晰，提高了程序的执行效率，也便于程序修改和调试，主程序设计流程如图2所示。

如循迹模块中所述，在程序1 中，采用模糊控制算法，控制小车沿着轨道行驶，不至于失控。子程序2判断小车与障碍物间的距离，控制小车转弯避障。子程序3 根据硅光电池采集的光照强度，控制小车左右轮转动，确保小车进库成功。程序采用动态扫描，实时监测，使得小车一直处于动态调整中。

3 实物测试及结果分析

为了测试小车的性能，按照比赛要求为小车设计了如图3所示的小车赛道。测试地点选择在四周较开阔、自然光较弱的地方，小车从起点沿着黑色的牵引线行走，离开牵引线后避开障碍物，开始趋光进库。在牵引线下方放有若干枚用于检测的硬币，小车经过时检测到硬币并报警，将记录的硬币个数显示到液晶屏上。

由于在寻迹模块的硬件设计中加入了灵敏度调节，并在软件设计中采取了模糊控制算法，因此，小车寻迹测试结果比较理想，能按照设计路线行驶。测试结果如表1所示。

在避障模块中，由于超声波模块对反射物体的形状和表面积都有要求，当放置的障碍物不满足要求时，就会接收不到反射信号，造成避障失败。同时在测试时周围还站有人，也能形成反射源，对测试造成干扰。测试结果如表2所示。表3所示为趋光模块测试结果。

趋光模块采用硅光电池采样，具有连续可变的无极比较，比目前广泛使用的光敏电阻只比较高低电平更灵敏精确，从而提高了系统的准确性。但同光敏电阻一样自然光的影响不能完全避免，因此仍然不能达到100%的准确。

4 结语

本系统使用一片8位单片机，采用模块化设计思想，实现了智能小车多功能的设计。设计时将多种传感器综合到一个系统中，并把采集到的多路信号送入单片机进行分析处理、作出判断。

同时，系统还设计了友好的人机交换界面，可方便地读出检测到的金属片数量、行驶路程和行驶时间。由于运用模块化控制方法，各模块相互影响较小，因此还可对系统进行二次开发，在本系统上增加更多模块，实现其他扩展功能，例如在系统上增加语音芯片，可实现语音播报功能;加上摄像头和无线模块可实现智能小车的探测功能等。