智能寻轨小车 [智能探测寻轨小车]

　　[摘要]介绍ASURO小车装备有一个精简指令集架构的微处理器,两个独立控制的电机、一对光敏三极管、六个碰撞型探测开关、两个里程传感器、及红外遥控器,通过编程来实现小车的寻迹、避障、里程计算和PC控制小车运行等功能。
　　[关键词]寻迹避障控制
　　中图分类号:TP2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1110011-02
　　
　　智能探测寻轨小车的主控模块采用ATMEL公司的AVR单片机,配合红外通信模块、电机模块、传感器模块、马达模块及小车的外围电路组成智能小车。该小车有两个马达,用于驱动小车左右轮。六个碰撞型的接触开关用于将碰撞信号传输到处理器内部进行处理,处理器通过控制电机来调整小车的速度和方向,从而实现避障。一个发光二极管和两个光敏三极管构成寻线传感器,发光二极管照亮地面,两个光敏三极管通过采集小车左右两侧的光线,产生相应的电流,并通过A/D转换器被处理器采样,处理器产生相应的控制信号来驱动电机,再控制左右轮的速度和方向,从而达到寻迹的目的。
　　
　　一、系统的硬件电路
　　
　　系统硬件主电路包括AVR单片机(图1的IC1芯片),红外收发器、两个控制马达的三极管桥路及其它外围电路。
　　
　　(一)AVR单片机简介
　　AVR单片机是高效的、低功耗的8位微控制器。它采用先进的精简指令集架构,拥有130条汇编指令、32个8位通用寄存器、8K字节的闪存存储器、512个字节的EEPROM和1K字节的静态随机存储器,处理器工作速度达到16MIPS、并具有芯片加密功能。
　　内部组件:2个8位的定时计数器和1个16位的定时计数器、8通道模拟数字转换器,可编程异步串行通讯端口、模拟比较器等。
　　利用AVR单片机强大的功能部件,在不扩展其他外围芯片的情况下,实现智能小车的寻迹、避障等功能。
　　图1寻迹小车的主控电路模块
　　
　　(二)USB-红外接收模块简介
　　USB通信协议是一种处在两种系统之间的串行数据接口,使用插分数据通信方式,包括两条对称线来取代单条的信号线和公共地线,一条线为+3.3V,在相反的线为0V定义为逻辑“1”;一条线为0V,而另一条线为+3.3V则定义为逻辑“0”。
　　如图2所示,USB总线提供了一个5V电源,通过F1、F2抑制高频的干扰,电容C6抑制脉冲调制产生的干扰,一个EEPROM用于固化系统参数,供上电时查询。数据信号则通过两个串联的电阻R1和R2传送。
　　作为一个异步总线系统,发送器和接收器必须提供它们自己的时钟信号。一个共振器Q1,产生一个6MHz的频率被连接到芯片的锁相环PLL,使频率倍频为48MHz,这个48MHz的时钟信号对输入的数据信号采样,IC芯片能以最大数据速率12Mbit来发送,因此每一位可能被采样4次,提高了信号的质量。
　　USB的发射过程:从PC到智能小车的数据经过USB口以12Mbit/s的速率进入图2的FT232BA芯片,这些数据被临时的储存在IC芯片中然后逐位发送,以2400Bit/s的速率通过TXD线被智能小车所接收。
　　USB的接收过程:器件SFH5110用于接收、放大和解调光信号。输入信号被连接到USB芯片的RXD端口,其将信号通过USB传送给了PC。接收模块IC4的电源采用了两个电容用作缓冲,并消除干扰。
　　
　　(三)碰撞传感模块
　　从图1可以看出,6个传感器连接到了引脚PD3(INT1)和PC4(ADC4),
　　当传感开关没有碰撞时,引脚INT1被编程作为一个输入端口。由于没有按键触碰,电源上电时,与INT1中断输入线上的信号通过电阻R23和电源VCC拉成了高电平,故INT1=1,无中断发生。激活任何一个开关,电阻网络和R23将被连接到一个电压分配器,对C7进行放电,引脚PD3将检测到这个电平是‘0’,从而触发中断。由于连接碰撞型开关的电阻阻值不同,故产生的电流不同,被引脚ADC4采样到处理器内部的值也不同,故可在中断服务程序中分别调整。
　　
　　(四)马达电路模块
　　马达桥是一个由四个三极管组成的桥式电路,处理器通过它能够独立的控制两个马达的前进或后退,如图3所示,驱动马达向右转动则打开三极管T1和T4,驱动马达向左转动则打开三极管T2和T3。
　　
　　二、软件设计
　　
　　采用模块化的设计思想,将寻轨避障这样一个复杂的系统分解为多个功能单一的模块,再通过主程序调用把各个模块有机的连接起来。在单一的模块中,通过C语言编写相应的驱动程序,涉及到的模块及流程图如下:
　　如图4所示,主程序完成的系统的初始化工作,包括红外接收使用的信号源、USB端口、I/O端口、电机模块、传感器模块等的初始化工作。
　　寻迹模块程序说明,系统开始检测光敏三极管输入时,先初始化左右控制电机,使车轮方向为正前方,并使当前小车的速度为0,接着采样从外部输入进来的光信号,比较左右两个光传感器数据的大小,如果相等,则当前小车方向不作调整,否则按照采样数据的大小调整左右轮的速度和方向。相应的程序流程图如图5所示。
　　避障模块程序说明:在小车的行使过程中,处理器每隔一段时间检测6个传感器有无触碰物体,如果没有,则小车还是按照原来寻线的路径来走。如果遇到障碍物,则小车通过调整左右轮的方向和速度,寻找一条新的路径,并且能够顺利地绕开障碍物。相应的程序流程图如图6所示。
　　
　　三、系统调试
　　
　　通过PC机的串口与小车的红外通信模块,将设计的程序下载到主芯片里,小车经过几秒的初始化后,就按照绘制好的曲线行走,在遇到障碍物时小车重新选择路径进行行走。
　　四、结束语
　　本文提出了能够实现寻迹与避障功能的智能小车,文章详细地介绍了系统的硬件设计,包括电路结构、相关理论、芯片选择。在软件设计部分,给出了设计系统的基本思路,详细的介绍了系统的流程图。从测试的结果来看,智能小车能够顺利的实现寻迹和避障。通过系统扩展,本设计可应用于超声波测距,里程计算,PC控制小车运行等功能。最后,本设计对其它电子产品的设计提供了一定的参考信息。
　　
　　参考文献:
　　[1]何宏,单片机原理及接口技术[M].国防工业出版社,2008.4.
　　[2]Data sheet ATMEL ATmega8.
　　[3]Bibliography AREXX,JAMA:AUSRO"Roboterbaustaz-Baund Bedienungsanleitung".
　　[4]https://www.省略.
　　[5]C program file.
　　
　　作者简介:
　　李雪峰(1980-),助教,研究方向:信号与信息处理;周一兵,高级工程师,研究方向:电子设计与自动化、嵌入式系统设计。
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