摘要：文章介紹了使用雙路電壓比較器，設(shè)計(jì)出智能尋跡小車，其控制系統(tǒng)由四個(gè)模塊組成：路面尋跡檢測(cè)、誤差比較放大、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、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(jì)過(guò)程，該設(shè)計(jì)具有低功耗、可靠

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

此次的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)路面檢測(cè)尋跡功能，并對(duì)該項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)的可行性進(jìn)行了論證。小車要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(gè)視覺功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。

1、設(shè)計(jì)要求

在白色（或黑色）的場(chǎng)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(dòng)行駛。

2、設(shè)計(jì)方案的比較與論證

本項(xiàng)目為智能小車，對(duì)于智能小車來(lái)說(shuō)，其驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇就顯得十分重要。由于本實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑控制定位和速度測(cè)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(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于其轉(zhuǎn)過(guò)的角度可以精確的定位，可以實(shí)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(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)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(shí)會(huì)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(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車的話必須要減速，否則轉(zhuǎn)速過(guò)高的話小車跑得太快根本也來(lái)不及控制，而且未經(jīng)減速的話轉(zhuǎn)矩太小甚至跑不起來(lái)。帶減速齒輪的直流減速電機(jī)電機(jī)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(dòng)鎖止，驅(qū)動(dòng)力很大，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)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(jì)思路

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

整個(gè)電路系統(tǒng)分為路面尋跡檢測(cè)、誤差比較放大、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、小車控制四個(gè)模塊。首先利用光敏電阻對(duì)路面信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)比較器處理之后，輸出相應(yīng)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制整個(gè)小車的運(yùn)動(dòng)。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(guò)地面反射到光敏電阻上，LM393雙路電壓比較器隨時(shí)比較著兩路光敏電阻的大小，當(dāng)出現(xiàn)不平衡時(shí)（例如一側(cè)壓黑色跑道）說(shuō)明小車跑偏，立即控制一側(cè)電機(jī)減速，另一側(cè)電機(jī)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(jī)停轉(zhuǎn)這一側(cè)的綠色的LED熄滅，驅(qū)動(dòng)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(gè)過(guò)程是一個(gè)閉環(huán)控制，因此能快速靈敏地控制。

5、硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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

4）、硬件設(shè)計(jì)

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(dòng)電機(jī)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(jì)，系統(tǒng)主要由電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電壓比較器模塊、傳感器模塊組成。路徑識(shí)別方案采用光電檢測(cè)，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(duì)照電路原理，先清理、檢測(cè)元件，再對(duì)元件進(jìn)行整型，再進(jìn)行焊接電路圖。

2）、機(jī)械組裝

將萬(wàn)向輪螺絲穿入PCB孔中，并旋入萬(wàn)向輪螺母和萬(wàn)向輪。電池盒通過(guò)雙面膠貼在PCB上，引出線穿過(guò)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(jī)連線。

機(jī)械部分組裝可以先組裝輪子，輪子由三個(gè)輪片組成，最內(nèi)側(cè)的輪片中心孔是長(zhǎng)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(gè)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(jī)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(jī)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(jī)引線焊接到PCB上，注意引線適當(dāng)留長(zhǎng)一些，防止電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向錯(cuò)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(wàn)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(dòng)，按住右邊的光敏電阻，小車的左側(cè)的車輪應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)，如果小車后退行駛可以同時(shí)交換兩個(gè)電機(jī)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(jī)接線即可。

設(shè)計(jì)出的智能尋跡小車，通過(guò)安裝調(diào)試后，智能尋跡小車運(yùn)行非常平穩(wěn)，該設(shè)計(jì)具有低功耗、可靠性好、安全性高以及低成本等特點(diǎn)，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無(wú)人駕駛，該設(shè)計(jì)方案完全滿足智能尋跡小車的設(shè)計(jì)要求。

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作者簡(jiǎn)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(dòng)化控制方向，