陳嬌英

【摘要】選用MC9S12XS128為主控芯片，采用三方位大功率紅外檢測(cè)、舵機(jī)控制動(dòng)力、PWM速度控制等技術(shù)，設(shè)計(jì)一款智能迷宮小車，包括小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配、電路控制、軟件編程、控制算法及調(diào)試方法等。實(shí)踐結(jié)果證明，所設(shè)計(jì)的智能迷宮小車能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障、選擇路線、尋跡，在迷宮中運(yùn)行平穩(wěn)，快速，高效從起點(diǎn)尋找路線走到終點(diǎn)，而且經(jīng)濟(jì)成本低。

【關(guān)鍵詞】MC9S12XS128智能迷宮小車避障尋跡

【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2014）06C-0190-03

隨著智能電子技術(shù)的迅速發(fā)展和普及應(yīng)用，社會(huì)發(fā)展對(duì)電子技術(shù)要求越來(lái)越高，智能迷宮小車的出現(xiàn)為今后能夠更好運(yùn)用智能汽車及機(jī)器人替代人工活動(dòng)奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)完善的迷宮小車將可以廣泛用于軍事排雷、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的搶救、有害氣體中毒的搶救等活動(dòng)。然而，目前的迷宮小車還是停留在人工遠(yuǎn)程控制階段，真正能實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)的智能小車還有待繼續(xù)研發(fā)。本文設(shè)計(jì)的智能小車模型是一輛由PCB電路板組合重裝的小車，全車機(jī)械部件均安裝固定在PCB板上，不用再進(jìn)行機(jī)械部件制作，對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究階段的機(jī)器人開(kāi)發(fā)很有意義。走迷宮智能小車主要是基于自主反應(yīng)式智能系統(tǒng)原理，電機(jī)控制方法為單向PWM開(kāi)環(huán)控制，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。選擇MC9S12XS128單片機(jī)為控制核心，采用與地面顏色有較大差別的導(dǎo)引線，通過(guò)反射式紅外傳感器進(jìn)行導(dǎo)引，障礙物位置用紅外一體化接收頭進(jìn)行檢測(cè)，只要改變單片機(jī)產(chǎn)生的PWM方波的占空比，就可以在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)360度全方位移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在迷宮中自主迷宮探路、路線識(shí)別、自動(dòng)避障，選擇正確的路線行進(jìn)，從起始點(diǎn)尋找路線走到終點(diǎn)。

一、整體方案設(shè)計(jì)

為了使智能小車能夠在迷宮中平穩(wěn)行駛、精確快速探索迷宮路線，要求小車必須能夠控制精準(zhǔn)，準(zhǔn)確地對(duì)不同路況進(jìn)行快速判斷并做出對(duì)應(yīng)的操作，自動(dòng)順利地進(jìn)行避障，所以所設(shè)計(jì)的智能小車靈活性非常重要。為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，電路選用了三個(gè)檢測(cè)路況的傳感器，用于檢測(cè)左、右、前邊、兩邊的路況，車子行進(jìn)規(guī)則選擇適合的迷宮搜索算法為依據(jù)，遍歷所有路徑，尋找最短路徑方案。所以本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：采用16位處理器MC9S12XS128，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速率采用PWM控制，兩個(gè)電機(jī)選用L293進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，測(cè)距利用紅外傳感器，選擇LM1117和LM2940高性能穩(wěn)壓芯片組成穩(wěn)壓電路，通過(guò)光敏三極管電路檢測(cè)終點(diǎn)，用舵機(jī)改裝成小車的動(dòng)力系統(tǒng)。智能迷宮小車設(shè)計(jì)整體方案圖1所示。

圖1 智能迷宮小車工作原理方框圖

二、控制原理分析

（一）路徑識(shí)別的分析。為了進(jìn)一步找出控制車體的規(guī)律和數(shù)據(jù)，反復(fù)實(shí)踐研究了反射電壓和墻面距離的關(guān)系，不斷對(duì)模擬量反射管的電壓值連續(xù)采樣，車體和墻壁之間的距離通過(guò)電壓值大小來(lái)識(shí)別，車體位置與對(duì)應(yīng)有效的控制方法不斷調(diào)整匹配。最終得出實(shí)踐測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果分別為圖2、圖3、圖4所示。

圖2左紅外接收管反射電壓和墻面距離的特性曲線圖

圖3右紅外接收管反射電壓和墻面距離的特性曲線圖

圖4中間紅外接收管反射電壓和墻面距離的特性曲線圖

可見(jiàn)，在反射電壓和墻面距離特性曲線圖表中，接收電壓與反射距離基本接近線性關(guān)系，從而為智能迷宮小車控制提供了理論依據(jù)，依據(jù)左、中、右各路反射回來(lái)的電壓即可知道車的左、中、右和墻壁的距離，依據(jù)三方位的信息即可控制小車實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、90度轉(zhuǎn)、180度轉(zhuǎn)、直線行走。為了避免轉(zhuǎn)彎的時(shí)候車子與墻面相撞、小車突然卡死等一些意外情況，另外增加兩個(gè)用于轉(zhuǎn)彎角度定位的傳感器，在車子轉(zhuǎn)彎時(shí)，它們負(fù)責(zé)記錄轉(zhuǎn)彎時(shí)的一些數(shù)據(jù)。

（二）紅外檢測(cè)仲裁。具體如下：

1.線行駛。小車直線行駛控制圖5所示，把長(zhǎng)度為10 cm的小車等效為一點(diǎn)，當(dāng)小車行駛到1位置時(shí)，根據(jù)左傳感器檢測(cè)到距離左邊墻3 cm的信號(hào)，判斷小車已左偏且遠(yuǎn)離右墻；當(dāng)小車行駛到2位置時(shí)，根據(jù)右邊傳感器檢測(cè)到距離右邊墻3 cm的信號(hào)，判斷小車已右偏且遠(yuǎn)離左墻；同理當(dāng)小車行駛到達(dá)3位置時(shí)，判斷小車已偏右并接近右墻；行駛到達(dá)4位置時(shí)，判斷小車已偏左且遠(yuǎn)離右墻。因此，通過(guò)四個(gè)狀態(tài)就可正確判斷小車的行駛位置，而且行駛在中線4 cm范圍不碰墻壁。

圖5智能迷宮小車直線行駛控制

2.路口處仲裁。圖6所示，小車行駛于路口時(shí)，通過(guò)“0、1、2”號(hào)紅外接收管接收到的電壓值不同對(duì)小車所處的狀態(tài)進(jìn)行判斷。如果“0”號(hào)傳感器檢測(cè)到電壓值在0.8V范圍內(nèi)，探測(cè)到距離超出15cm，判斷距離右邊為“無(wú)窮遠(yuǎn)”，則說(shuō)明右邊有路口；如果“1”號(hào)傳感器檢測(cè)到電壓值在2.5V以上，判斷距離前方5cm處有墻壁，則說(shuō)明前方無(wú)路；如果“2”號(hào)傳感器的電壓值在0.8V以上，判斷距離左邊15cm以內(nèi)有墻壁，則說(shuō)明左邊無(wú)路口，此刻策略是右轉(zhuǎn)90度。

圖6智能迷宮小車路口處仲裁

圖7智能迷宮小車整體總裝

3.舵機(jī)轉(zhuǎn)向的控制。如表1所示，左舵機(jī)的方向控制信號(hào)用B0、B1表示，右舵機(jī)的方向控制信號(hào)用B2、B3表示，那么轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短的不同，就分別代表了45度、90度、180度旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

表1舵機(jī)轉(zhuǎn)向的控制

使能EN 左電機(jī) 右電機(jī) 左電機(jī) 右電機(jī) 電動(dòng)車運(yùn)行狀態(tài)

控制信號(hào) B0 B1 B2 B3

1 0 1 0 1 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 前行

1 0 1 1 0 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn)

1 0 1 1 1 正轉(zhuǎn) 停 以右電機(jī)為中心原地右轉(zhuǎn)

1 1 0 0 1 反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn)

1 1 1 0 1 停 正轉(zhuǎn) 以左電機(jī)為中心原地左轉(zhuǎn)

1 1 0 1 0 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 后退

1/0 0 0 0 0 停止 停止 停止

1/0 1 1 1 1 制動(dòng) 制動(dòng) 制動(dòng)

三、硬件電路設(shè)計(jì)

為了制作出一個(gè)達(dá)到設(shè)計(jì)性能指標(biāo)的智能迷宮小車，進(jìn)行了多次硬件電路方案的修改，最后選用了直流電機(jī)控制車子的轉(zhuǎn)向，在三輪式后面加一個(gè)重新設(shè)計(jì)的萬(wàn)向輪，用用舵機(jī)取代減速電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速慢，輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)力強(qiáng)，容易控制。電機(jī)角度控制精確度高。再用周長(zhǎng)比較大的車輪換上，實(shí)踐結(jié)果證明效果很好。整車裝拼圖7所示。

（一）MC9S12XS128控制器。為了滿足對(duì)設(shè)計(jì)靈活性和平臺(tái)兼容性的需求，選用MC9S12XS128控制器，該控制器能實(shí)現(xiàn)一系列汽車電子平臺(tái)上的可升級(jí)性、硬、軟件可重用性、兼容性。采用S12 V2 CPU內(nèi)核，可在40MKHz總線頻率上運(yùn)行，有4KB、128KB、256KB閃存選項(xiàng)，帶有校正錯(cuò)誤功能（ECC），還有ECC的4 KB-8KB DataFlash，可以用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或程序存儲(chǔ)。

（二）電源模塊。選用智能車1800mAH大容量電池，輸出電壓為7.2V作為直流穩(wěn)壓電源電路，由LM1117構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電路輸出6.0V電壓；由LM2940構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電路輸出5.0V電壓，由LM1117和LM2940構(gòu)成具有電流限制和熱保護(hù)功能電路。電路輸出電流達(dá)800mA，輸出電壓穩(wěn)定、精度高、失真小。

（三）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用高性能的L293驅(qū)動(dòng)芯片，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)相同型號(hào)的舵機(jī)改裝而成，能靈活實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

（四）反射紅外傳感模塊。紅外檢測(cè)依據(jù)多個(gè)反饋點(diǎn)的數(shù)據(jù)，使用多點(diǎn)檢測(cè)方法。接收管接收紅外線信號(hào)的強(qiáng)弱與電流成正比，通過(guò)電阻把電流轉(zhuǎn)換成電壓值，再經(jīng)LM358構(gòu)成的電壓跟隨器以及電容濾波，給AD轉(zhuǎn)換電路提供穩(wěn)定的電壓值。從而能更好實(shí)現(xiàn)高精度控制。

（五）光敏檢測(cè)模塊。光敏檢測(cè)模塊采用光敏三極管進(jìn)行檢測(cè)，安裝在紅外模塊的下面，并向車?yán)锩嫜由欤诰嘬囶^往里3 cm處，確保三極管只能接受到紅光信息避免紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線影響。

四、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖8所示。

圖8系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

五、總結(jié)

設(shè)計(jì)的智能小車能夠在迷宮場(chǎng)地內(nèi)快速順暢完成直行前進(jìn)、倒退、急停，以及原地實(shí)現(xiàn)90度、180度轉(zhuǎn)彎，在行駛過(guò)程中通過(guò)紅外檢測(cè)信號(hào)快速自我調(diào)節(jié)；沒(méi)有出現(xiàn)判斷失誤、轉(zhuǎn)向卡死、死循環(huán)等問(wèn)題；達(dá)到自動(dòng)避障、選擇路線、尋跡，在迷宮中自動(dòng)從起點(diǎn)尋找路線走到終點(diǎn)。本文提出的控制方法可以應(yīng)用于無(wú)人工廠，倉(cāng)庫(kù)，服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域。對(duì)實(shí)驗(yàn)室無(wú)人駕駛智能汽車及機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用具有一定參考價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

［1］Joseph L Jones.機(jī)器人編程技術(shù)——基于行為的機(jī)器人實(shí)戰(zhàn)指南［M］.北京：機(jī)械出版社，2007

［2］卓晴，黃開(kāi)勝，邵貝.學(xué)做智能——挑戰(zhàn)飛思卡爾杯［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007

［3］馬忠梅，籍順心，張凱，等. 單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003

［4］王威. HCS12微控制器原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007

［5］黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005

（責(zé)編黎原）

【摘要】選用MC9S12XS128為主控芯片，采用三方位大功率紅外檢測(cè)、舵機(jī)控制動(dòng)力、PWM速度控制等技術(shù)，設(shè)計(jì)一款智能迷宮小車，包括小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配、電路控制、軟件編程、控制算法及調(diào)試方法等。實(shí)踐結(jié)果證明，所設(shè)計(jì)的智能迷宮小車能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障、選擇路線、尋跡，在迷宮中運(yùn)行平穩(wěn)，快速，高效從起點(diǎn)尋找路線走到終點(diǎn)，而且經(jīng)濟(jì)成本低。

【關(guān)鍵詞】MC9S12XS128智能迷宮小車避障尋跡

【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2014）06C-0190-03

隨著智能電子技術(shù)的迅速發(fā)展和普及應(yīng)用，社會(huì)發(fā)展對(duì)電子技術(shù)要求越來(lái)越高，智能迷宮小車的出現(xiàn)為今后能夠更好運(yùn)用智能汽車及機(jī)器人替代人工活動(dòng)奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)完善的迷宮小車將可以廣泛用于軍事排雷、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的搶救、有害氣體中毒的搶救等活動(dòng)。然而，目前的迷宮小車還是停留在人工遠(yuǎn)程控制階段，真正能實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)的智能小車還有待繼續(xù)研發(fā)。本文設(shè)計(jì)的智能小車模型是一輛由PCB電路板組合重裝的小車，全車機(jī)械部件均安裝固定在PCB板上，不用再進(jìn)行機(jī)械部件制作，對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究階段的機(jī)器人開(kāi)發(fā)很有意義。走迷宮智能小車主要是基于自主反應(yīng)式智能系統(tǒng)原理，電機(jī)控制方法為單向PWM開(kāi)環(huán)控制，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。選擇MC9S12XS128單片機(jī)為控制核心，采用與地面顏色有較大差別的導(dǎo)引線，通過(guò)反射式紅外傳感器進(jìn)行導(dǎo)引，障礙物位置用紅外一體化接收頭進(jìn)行檢測(cè)，只要改變單片機(jī)產(chǎn)生的PWM方波的占空比，就可以在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)360度全方位移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在迷宮中自主迷宮探路、路線識(shí)別、自動(dòng)避障，選擇正確的路線行進(jìn)，從起始點(diǎn)尋找路線走到終點(diǎn)。

一、整體方案設(shè)計(jì)

為了使智能小車能夠在迷宮中平穩(wěn)行駛、精確快速探索迷宮路線，要求小車必須能夠控制精準(zhǔn)，準(zhǔn)確地對(duì)不同路況進(jìn)行快速判斷并做出對(duì)應(yīng)的操作，自動(dòng)順利地進(jìn)行避障，所以所設(shè)計(jì)的智能小車靈活性非常重要。為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，電路選用了三個(gè)檢測(cè)路況的傳感器，用于檢測(cè)左、右、前邊、兩邊的路況，車子行進(jìn)規(guī)則選擇適合的迷宮搜索算法為依據(jù)，遍歷所有路徑，尋找最短路徑方案。所以本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：采用16位處理器MC9S12XS128，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速率采用PWM控制，兩個(gè)電機(jī)選用L293進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，測(cè)距利用紅外傳感器，選擇LM1117和LM2940高性能穩(wěn)壓芯片組成穩(wěn)壓電路，通過(guò)光敏三極管電路檢測(cè)終點(diǎn)，用舵機(jī)改裝成小車的動(dòng)力系統(tǒng)。智能迷宮小車設(shè)計(jì)整體方案圖1所示。

圖1 智能迷宮小車工作原理方框圖

二、控制原理分析

（一）路徑識(shí)別的分析。為了進(jìn)一步找出控制車體的規(guī)律和數(shù)據(jù)，反復(fù)實(shí)踐研究了反射電壓和墻面距離的關(guān)系，不斷對(duì)模擬量反射管的電壓值連續(xù)采樣，車體和墻壁之間的距離通過(guò)電壓值大小來(lái)識(shí)別，車體位置與對(duì)應(yīng)有效的控制方法不斷調(diào)整匹配。最終得出實(shí)踐測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果分別為圖2、圖3、圖4所示。

圖2左紅外接收管反射電壓和墻面距離的特性曲線圖

圖3右紅外接收管反射電壓和墻面距離的特性曲線圖

圖4中間紅外接收管反射電壓和墻面距離的特性曲線圖

可見(jiàn)，在反射電壓和墻面距離特性曲線圖表中，接收電壓與反射距離基本接近線性關(guān)系，從而為智能迷宮小車控制提供了理論依據(jù)，依據(jù)左、中、右各路反射回來(lái)的電壓即可知道車的左、中、右和墻壁的距離，依據(jù)三方位的信息即可控制小車實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、90度轉(zhuǎn)、180度轉(zhuǎn)、直線行走。為了避免轉(zhuǎn)彎的時(shí)候車子與墻面相撞、小車突然卡死等一些意外情況，另外增加兩個(gè)用于轉(zhuǎn)彎角度定位的傳感器，在車子轉(zhuǎn)彎時(shí)，它們負(fù)責(zé)記錄轉(zhuǎn)彎時(shí)的一些數(shù)據(jù)。

（二）紅外檢測(cè)仲裁。具體如下：

1.線行駛。小車直線行駛控制圖5所示，把長(zhǎng)度為10 cm的小車等效為一點(diǎn)，當(dāng)小車行駛到1位置時(shí)，根據(jù)左傳感器檢測(cè)到距離左邊墻3 cm的信號(hào)，判斷小車已左偏且遠(yuǎn)離右墻；當(dāng)小車行駛到2位置時(shí)，根據(jù)右邊傳感器檢測(cè)到距離右邊墻3 cm的信號(hào)，判斷小車已右偏且遠(yuǎn)離左墻；同理當(dāng)小車行駛到達(dá)3位置時(shí)，判斷小車已偏右并接近右墻；行駛到達(dá)4位置時(shí)，判斷小車已偏左且遠(yuǎn)離右墻。因此，通過(guò)四個(gè)狀態(tài)就可正確判斷小車的行駛位置，而且行駛在中線4 cm范圍不碰墻壁。

圖5智能迷宮小車直線行駛控制

2.路口處仲裁。圖6所示，小車行駛于路口時(shí)，通過(guò)“0、1、2”號(hào)紅外接收管接收到的電壓值不同對(duì)小車所處的狀態(tài)進(jìn)行判斷。如果“0”號(hào)傳感器檢測(cè)到電壓值在0.8V范圍內(nèi)，探測(cè)到距離超出15cm，判斷距離右邊為“無(wú)窮遠(yuǎn)”，則說(shuō)明右邊有路口；如果“1”號(hào)傳感器檢測(cè)到電壓值在2.5V以上，判斷距離前方5cm處有墻壁，則說(shuō)明前方無(wú)路；如果“2”號(hào)傳感器的電壓值在0.8V以上，判斷距離左邊15cm以內(nèi)有墻壁，則說(shuō)明左邊無(wú)路口，此刻策略是右轉(zhuǎn)90度。

圖6智能迷宮小車路口處仲裁

圖7智能迷宮小車整體總裝

3.舵機(jī)轉(zhuǎn)向的控制。如表1所示，左舵機(jī)的方向控制信號(hào)用B0、B1表示，右舵機(jī)的方向控制信號(hào)用B2、B3表示，那么轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短的不同，就分別代表了45度、90度、180度旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

表1舵機(jī)轉(zhuǎn)向的控制

使能EN 左電機(jī) 右電機(jī) 左電機(jī) 右電機(jī) 電動(dòng)車運(yùn)行狀態(tài)

控制信號(hào) B0 B1 B2 B3

1 0 1 0 1 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 前行

1 0 1 1 0 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn)

1 0 1 1 1 正轉(zhuǎn) 停 以右電機(jī)為中心原地右轉(zhuǎn)

1 1 0 0 1 反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn)

1 1 1 0 1 停 正轉(zhuǎn) 以左電機(jī)為中心原地左轉(zhuǎn)

1 1 0 1 0 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 后退

1/0 0 0 0 0 停止 停止 停止

1/0 1 1 1 1 制動(dòng) 制動(dòng) 制動(dòng)

三、硬件電路設(shè)計(jì)

為了制作出一個(gè)達(dá)到設(shè)計(jì)性能指標(biāo)的智能迷宮小車，進(jìn)行了多次硬件電路方案的修改，最后選用了直流電機(jī)控制車子的轉(zhuǎn)向，在三輪式后面加一個(gè)重新設(shè)計(jì)的萬(wàn)向輪，用用舵機(jī)取代減速電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速慢，輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)力強(qiáng)，容易控制。電機(jī)角度控制精確度高。再用周長(zhǎng)比較大的車輪換上，實(shí)踐結(jié)果證明效果很好。整車裝拼圖7所示。

（一）MC9S12XS128控制器。為了滿足對(duì)設(shè)計(jì)靈活性和平臺(tái)兼容性的需求，選用MC9S12XS128控制器，該控制器能實(shí)現(xiàn)一系列汽車電子平臺(tái)上的可升級(jí)性、硬、軟件可重用性、兼容性。采用S12 V2 CPU內(nèi)核，可在40MKHz總線頻率上運(yùn)行，有4KB、128KB、256KB閃存選項(xiàng)，帶有校正錯(cuò)誤功能（ECC），還有ECC的4 KB-8KB DataFlash，可以用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或程序存儲(chǔ)。

（二）電源模塊。選用智能車1800mAH大容量電池，輸出電壓為7.2V作為直流穩(wěn)壓電源電路，由LM1117構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電路輸出6.0V電壓；由LM2940構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電路輸出5.0V電壓，由LM1117和LM2940構(gòu)成具有電流限制和熱保護(hù)功能電路。電路輸出電流達(dá)800mA，輸出電壓穩(wěn)定、精度高、失真小。

（三）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用高性能的L293驅(qū)動(dòng)芯片，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)相同型號(hào)的舵機(jī)改裝而成，能靈活實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

（四）反射紅外傳感模塊。紅外檢測(cè)依據(jù)多個(gè)反饋點(diǎn)的數(shù)據(jù)，使用多點(diǎn)檢測(cè)方法。接收管接收紅外線信號(hào)的強(qiáng)弱與電流成正比，通過(guò)電阻把電流轉(zhuǎn)換成電壓值，再經(jīng)LM358構(gòu)成的電壓跟隨器以及電容濾波，給AD轉(zhuǎn)換電路提供穩(wěn)定的電壓值。從而能更好實(shí)現(xiàn)高精度控制。

（五）光敏檢測(cè)模塊。光敏檢測(cè)模塊采用光敏三極管進(jìn)行檢測(cè)，安裝在紅外模塊的下面，并向車?yán)锩嫜由欤诰嘬囶^往里3 cm處，確保三極管只能接受到紅光信息避免紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線影響。

四、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖8所示。

圖8系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

五、總結(jié)

設(shè)計(jì)的智能小車能夠在迷宮場(chǎng)地內(nèi)快速順暢完成直行前進(jìn)、倒退、急停，以及原地實(shí)現(xiàn)90度、180度轉(zhuǎn)彎，在行駛過(guò)程中通過(guò)紅外檢測(cè)信號(hào)快速自我調(diào)節(jié)；沒(méi)有出現(xiàn)判斷失誤、轉(zhuǎn)向卡死、死循環(huán)等問(wèn)題；達(dá)到自動(dòng)避障、選擇路線、尋跡，在迷宮中自動(dòng)從起點(diǎn)尋找路線走到終點(diǎn)。本文提出的控制方法可以應(yīng)用于無(wú)人工廠，倉(cāng)庫(kù)，服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域。對(duì)實(shí)驗(yàn)室無(wú)人駕駛智能汽車及機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用具有一定參考價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

［1］Joseph L Jones.機(jī)器人編程技術(shù)——基于行為的機(jī)器人實(shí)戰(zhàn)指南［M］.北京：機(jī)械出版社，2007

［2］卓晴，黃開(kāi)勝，邵貝.學(xué)做智能——挑戰(zhàn)飛思卡爾杯［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007

［3］馬忠梅，籍順心，張凱，等. 單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003

［4］王威. HCS12微控制器原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007

［5］黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005

（責(zé)編黎原）

【摘要】選用MC9S12XS128為主控芯片，采用三方位大功率紅外檢測(cè)、舵機(jī)控制動(dòng)力、PWM速度控制等技術(shù)，設(shè)計(jì)一款智能迷宮小車，包括小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配、電路控制、軟件編程、控制算法及調(diào)試方法等。實(shí)踐結(jié)果證明，所設(shè)計(jì)的智能迷宮小車能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障、選擇路線、尋跡，在迷宮中運(yùn)行平穩(wěn)，快速，高效從起點(diǎn)尋找路線走到終點(diǎn)，而且經(jīng)濟(jì)成本低。

【關(guān)鍵詞】MC9S12XS128智能迷宮小車避障尋跡

【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2014）06C-0190-03

隨著智能電子技術(shù)的迅速發(fā)展和普及應(yīng)用，社會(huì)發(fā)展對(duì)電子技術(shù)要求越來(lái)越高，智能迷宮小車的出現(xiàn)為今后能夠更好運(yùn)用智能汽車及機(jī)器人替代人工活動(dòng)奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)完善的迷宮小車將可以廣泛用于軍事排雷、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的搶救、有害氣體中毒的搶救等活動(dòng)。然而，目前的迷宮小車還是停留在人工遠(yuǎn)程控制階段，真正能實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)的智能小車還有待繼續(xù)研發(fā)。本文設(shè)計(jì)的智能小車模型是一輛由PCB電路板組合重裝的小車，全車機(jī)械部件均安裝固定在PCB板上，不用再進(jìn)行機(jī)械部件制作，對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究階段的機(jī)器人開(kāi)發(fā)很有意義。走迷宮智能小車主要是基于自主反應(yīng)式智能系統(tǒng)原理，電機(jī)控制方法為單向PWM開(kāi)環(huán)控制，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。選擇MC9S12XS128單片機(jī)為控制核心，采用與地面顏色有較大差別的導(dǎo)引線，通過(guò)反射式紅外傳感器進(jìn)行導(dǎo)引，障礙物位置用紅外一體化接收頭進(jìn)行檢測(cè)，只要改變單片機(jī)產(chǎn)生的PWM方波的占空比，就可以在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)360度全方位移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在迷宮中自主迷宮探路、路線識(shí)別、自動(dòng)避障，選擇正確的路線行進(jìn)，從起始點(diǎn)尋找路線走到終點(diǎn)。

一、整體方案設(shè)計(jì)

為了使智能小車能夠在迷宮中平穩(wěn)行駛、精確快速探索迷宮路線，要求小車必須能夠控制精準(zhǔn)，準(zhǔn)確地對(duì)不同路況進(jìn)行快速判斷并做出對(duì)應(yīng)的操作，自動(dòng)順利地進(jìn)行避障，所以所設(shè)計(jì)的智能小車靈活性非常重要。為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，電路選用了三個(gè)檢測(cè)路況的傳感器，用于檢測(cè)左、右、前邊、兩邊的路況，車子行進(jìn)規(guī)則選擇適合的迷宮搜索算法為依據(jù)，遍歷所有路徑，尋找最短路徑方案。所以本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：采用16位處理器MC9S12XS128，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速率采用PWM控制，兩個(gè)電機(jī)選用L293進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，測(cè)距利用紅外傳感器，選擇LM1117和LM2940高性能穩(wěn)壓芯片組成穩(wěn)壓電路，通過(guò)光敏三極管電路檢測(cè)終點(diǎn)，用舵機(jī)改裝成小車的動(dòng)力系統(tǒng)。智能迷宮小車設(shè)計(jì)整體方案圖1所示。

圖1 智能迷宮小車工作原理方框圖

二、控制原理分析

（一）路徑識(shí)別的分析。為了進(jìn)一步找出控制車體的規(guī)律和數(shù)據(jù)，反復(fù)實(shí)踐研究了反射電壓和墻面距離的關(guān)系，不斷對(duì)模擬量反射管的電壓值連續(xù)采樣，車體和墻壁之間的距離通過(guò)電壓值大小來(lái)識(shí)別，車體位置與對(duì)應(yīng)有效的控制方法不斷調(diào)整匹配。最終得出實(shí)踐測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果分別為圖2、圖3、圖4所示。

圖2左紅外接收管反射電壓和墻面距離的特性曲線圖

圖3右紅外接收管反射電壓和墻面距離的特性曲線圖

圖4中間紅外接收管反射電壓和墻面距離的特性曲線圖

可見(jiàn)，在反射電壓和墻面距離特性曲線圖表中，接收電壓與反射距離基本接近線性關(guān)系，從而為智能迷宮小車控制提供了理論依據(jù)，依據(jù)左、中、右各路反射回來(lái)的電壓即可知道車的左、中、右和墻壁的距離，依據(jù)三方位的信息即可控制小車實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、90度轉(zhuǎn)、180度轉(zhuǎn)、直線行走。為了避免轉(zhuǎn)彎的時(shí)候車子與墻面相撞、小車突然卡死等一些意外情況，另外增加兩個(gè)用于轉(zhuǎn)彎角度定位的傳感器，在車子轉(zhuǎn)彎時(shí)，它們負(fù)責(zé)記錄轉(zhuǎn)彎時(shí)的一些數(shù)據(jù)。

（二）紅外檢測(cè)仲裁。具體如下：

1.線行駛。小車直線行駛控制圖5所示，把長(zhǎng)度為10 cm的小車等效為一點(diǎn)，當(dāng)小車行駛到1位置時(shí)，根據(jù)左傳感器檢測(cè)到距離左邊墻3 cm的信號(hào)，判斷小車已左偏且遠(yuǎn)離右墻；當(dāng)小車行駛到2位置時(shí)，根據(jù)右邊傳感器檢測(cè)到距離右邊墻3 cm的信號(hào)，判斷小車已右偏且遠(yuǎn)離左墻；同理當(dāng)小車行駛到達(dá)3位置時(shí)，判斷小車已偏右并接近右墻；行駛到達(dá)4位置時(shí)，判斷小車已偏左且遠(yuǎn)離右墻。因此，通過(guò)四個(gè)狀態(tài)就可正確判斷小車的行駛位置，而且行駛在中線4 cm范圍不碰墻壁。

圖5智能迷宮小車直線行駛控制

2.路口處仲裁。圖6所示，小車行駛于路口時(shí)，通過(guò)“0、1、2”號(hào)紅外接收管接收到的電壓值不同對(duì)小車所處的狀態(tài)進(jìn)行判斷。如果“0”號(hào)傳感器檢測(cè)到電壓值在0.8V范圍內(nèi)，探測(cè)到距離超出15cm，判斷距離右邊為“無(wú)窮遠(yuǎn)”，則說(shuō)明右邊有路口；如果“1”號(hào)傳感器檢測(cè)到電壓值在2.5V以上，判斷距離前方5cm處有墻壁，則說(shuō)明前方無(wú)路；如果“2”號(hào)傳感器的電壓值在0.8V以上，判斷距離左邊15cm以內(nèi)有墻壁，則說(shuō)明左邊無(wú)路口，此刻策略是右轉(zhuǎn)90度。

圖6智能迷宮小車路口處仲裁

圖7智能迷宮小車整體總裝

3.舵機(jī)轉(zhuǎn)向的控制。如表1所示，左舵機(jī)的方向控制信號(hào)用B0、B1表示，右舵機(jī)的方向控制信號(hào)用B2、B3表示，那么轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短的不同，就分別代表了45度、90度、180度旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

表1舵機(jī)轉(zhuǎn)向的控制

使能EN 左電機(jī) 右電機(jī) 左電機(jī) 右電機(jī) 電動(dòng)車運(yùn)行狀態(tài)

控制信號(hào) B0 B1 B2 B3

1 0 1 0 1 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 前行

1 0 1 1 0 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn)

1 0 1 1 1 正轉(zhuǎn) 停 以右電機(jī)為中心原地右轉(zhuǎn)

1 1 0 0 1 反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn)

1 1 1 0 1 停 正轉(zhuǎn) 以左電機(jī)為中心原地左轉(zhuǎn)

1 1 0 1 0 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 后退

1/0 0 0 0 0 停止 停止 停止

1/0 1 1 1 1 制動(dòng) 制動(dòng) 制動(dòng)

三、硬件電路設(shè)計(jì)

為了制作出一個(gè)達(dá)到設(shè)計(jì)性能指標(biāo)的智能迷宮小車，進(jìn)行了多次硬件電路方案的修改，最后選用了直流電機(jī)控制車子的轉(zhuǎn)向，在三輪式后面加一個(gè)重新設(shè)計(jì)的萬(wàn)向輪，用用舵機(jī)取代減速電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速慢，輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)力強(qiáng)，容易控制。電機(jī)角度控制精確度高。再用周長(zhǎng)比較大的車輪換上，實(shí)踐結(jié)果證明效果很好。整車裝拼圖7所示。

（一）MC9S12XS128控制器。為了滿足對(duì)設(shè)計(jì)靈活性和平臺(tái)兼容性的需求，選用MC9S12XS128控制器，該控制器能實(shí)現(xiàn)一系列汽車電子平臺(tái)上的可升級(jí)性、硬、軟件可重用性、兼容性。采用S12 V2 CPU內(nèi)核，可在40MKHz總線頻率上運(yùn)行，有4KB、128KB、256KB閃存選項(xiàng)，帶有校正錯(cuò)誤功能（ECC），還有ECC的4 KB-8KB DataFlash，可以用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或程序存儲(chǔ)。

（二）電源模塊。選用智能車1800mAH大容量電池，輸出電壓為7.2V作為直流穩(wěn)壓電源電路，由LM1117構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電路輸出6.0V電壓；由LM2940構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電路輸出5.0V電壓，由LM1117和LM2940構(gòu)成具有電流限制和熱保護(hù)功能電路。電路輸出電流達(dá)800mA，輸出電壓穩(wěn)定、精度高、失真小。

（三）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用高性能的L293驅(qū)動(dòng)芯片，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)相同型號(hào)的舵機(jī)改裝而成，能靈活實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

（四）反射紅外傳感模塊。紅外檢測(cè)依據(jù)多個(gè)反饋點(diǎn)的數(shù)據(jù)，使用多點(diǎn)檢測(cè)方法。接收管接收紅外線信號(hào)的強(qiáng)弱與電流成正比，通過(guò)電阻把電流轉(zhuǎn)換成電壓值，再經(jīng)LM358構(gòu)成的電壓跟隨器以及電容濾波，給AD轉(zhuǎn)換電路提供穩(wěn)定的電壓值。從而能更好實(shí)現(xiàn)高精度控制。

（五）光敏檢測(cè)模塊。光敏檢測(cè)模塊采用光敏三極管進(jìn)行檢測(cè)，安裝在紅外模塊的下面，并向車?yán)锩嫜由?，在距車頭往里3 cm處，確保三極管只能接受到紅光信息避免紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線影響。

四、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖8所示。

圖8系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

五、總結(jié)

設(shè)計(jì)的智能小車能夠在迷宮場(chǎng)地內(nèi)快速順暢完成直行前進(jìn)、倒退、急停，以及原地實(shí)現(xiàn)90度、180度轉(zhuǎn)彎，在行駛過(guò)程中通過(guò)紅外檢測(cè)信號(hào)快速自我調(diào)節(jié)；沒(méi)有出現(xiàn)判斷失誤、轉(zhuǎn)向卡死、死循環(huán)等問(wèn)題；達(dá)到自動(dòng)避障、選擇路線、尋跡，在迷宮中自動(dòng)從起點(diǎn)尋找路線走到終點(diǎn)。本文提出的控制方法可以應(yīng)用于無(wú)人工廠，倉(cāng)庫(kù)，服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域。對(duì)實(shí)驗(yàn)室無(wú)人駕駛智能汽車及機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用具有一定參考價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

［1］Joseph L Jones.機(jī)器人編程技術(shù)——基于行為的機(jī)器人實(shí)戰(zhàn)指南［M］.北京：機(jī)械出版社，2007

［2］卓晴，黃開(kāi)勝，邵貝.學(xué)做智能——挑戰(zhàn)飛思卡爾杯［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007

［3］馬忠梅，籍順心，張凱，等. 單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003

［4］王威. HCS12微控制器原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007

［5］黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005

（責(zé)編黎原）