霍春光，張嘉怡，劉 影

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，遼寧葫蘆島 125000；2.西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，陜西 西安 710000）

隨著科技的進(jìn)步，智能控制技術(shù)發(fā)展不斷加快，各種應(yīng)用層次的機(jī)器人等大量出現(xiàn)，智能循跡小車在工業(yè)生產(chǎn)和搬運中得到了大量應(yīng)用[1-2]。智能循跡小車[3-4]（AGV）是指通過光學(xué)、電磁等自動導(dǎo)引模塊裝置，能夠按照要求沿著預(yù)先設(shè)定的路徑自動行駛的小車。關(guān)于智能小車循跡問題，受到許多學(xué)者關(guān)注，為此提出眾多設(shè)計方案和控制算法。胡徐勝[5]等人提出一種多路選擇的智能循跡小車，對轉(zhuǎn)向舵機(jī)進(jìn)行優(yōu)化控制，提高了控制效果；李全民[6]等人提出了一種比較理想的電感傳感器布置方案；杜云[7]等人實現(xiàn)了一種可以分別遙控和按鍵控制的智能小車系統(tǒng)；高振新[8]等人設(shè)計了一種可通過遙控或者紅外反射式傳感器巡線的運料小車；方正川[9]等人提出一種可識別雙邊引導(dǎo)線以及自主避開行駛路徑上障礙物的智能車系統(tǒng)。目前智能循跡小車主要關(guān)注巡線精準(zhǔn)性，卻忽略了多種光線條件以及極小角度轉(zhuǎn)彎情況的影響。因此，為了提高循跡的穩(wěn)定性和可靠性，提出一種在復(fù)雜環(huán)境下的自適應(yīng)調(diào)速智能循跡小車系統(tǒng)設(shè)計。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及其基本原理

該系統(tǒng)利用多組紅外避障傳感器實現(xiàn)精確計算巡線[10-11]，在行駛過程中系統(tǒng)根據(jù)兩輪差速進(jìn)行轉(zhuǎn)彎[12]，通過轉(zhuǎn)彎角度自適應(yīng)地調(diào)整車速，還加入了停止線功能，在啟動或停止都會有語音提示，并且通過按鍵調(diào)整初始速度，利用LCD 液晶屏顯示速度參數(shù)，通過E2PROM 存儲數(shù)據(jù)實現(xiàn)斷電記憶，最終達(dá)到可調(diào)速巡線的目的。

智能循跡小車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該系統(tǒng)將MSP430F149 單片機(jī)作為主控[13-14]，利用紅外避障模塊檢測路徑，根據(jù)彎度情況自適應(yīng)調(diào)節(jié)兩輪的轉(zhuǎn)向和速度進(jìn)行轉(zhuǎn)彎；系統(tǒng)可通過按鍵調(diào)整、PWM 占空比LCD 顯示，以直觀調(diào)整小車兩輪轉(zhuǎn)速[15-18]，并將其存儲在E2PROM 中，實現(xiàn)斷電記憶功能，在軌道上垂直放置一條長度大于4 cm、寬度大于1 cm 的黑線，巡線系統(tǒng)檢測后，小車即刻停止。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 智能小車的硬件設(shè)計

2.1 電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用了兩個規(guī)格完全相同的1∶90 直流減速電機(jī)，主要負(fù)責(zé)小車的動力，其最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)1.0 N·m，使小車可以在較大斜坡上行駛；電機(jī)通過L298N 電機(jī)驅(qū)動模塊進(jìn)行驅(qū)動，L298N 是專用驅(qū)動集成電路，屬于H 橋集成電路，其電路如圖2 所示。利用12 V 鋰電池為模塊供電，其VSS 角可以輸出5 V恒定直流電壓，共地后，配合開發(fā)板穩(wěn)壓模塊，可作為5 V 直流電源直接為單片機(jī)進(jìn)行供電。

圖2 L298N模塊驅(qū)動電路圖

L298N 可驅(qū)動兩個電動機(jī)，輸出B 端的OUT1、OUT2和輸出A端的OUT3、OUT4之間可分別接電機(jī)。邏輯輸入端IN1～I(xiàn)N4：其中IN1、IN2 控制一個電機(jī)；IN3、IN4 控制另一個電機(jī)。該驅(qū)動芯片驅(qū)動直流電機(jī)小車的邏輯表如表1 所示。

表1 L298N驅(qū)動邏輯表

2.2 巡線系統(tǒng)設(shè)計

巡線系統(tǒng)是利用一種輸出TTL 電平信號的反射式紅外光電傳感器，原理圖如圖3 所示。紅外避障的原理都是基于三角測距的方法，發(fā)射管會以一定的角度發(fā)射紅外線，遇到物體后會發(fā)生反射，接收管接收的光強(qiáng)隨反射物體距離的變化而變化。因為巡線系統(tǒng)采用的是黑線，黑色會吸收光，從而導(dǎo)致接收管接收光強(qiáng)變小，用該方法即可檢測出小車是否脫離預(yù)設(shè)軌跡。

圖3 紅外避障模塊原理圖

針對小車在轉(zhuǎn)小角度彎的情況，在布局小車時，將4個傳感器在小車前面進(jìn)行一字型排布，左邊兩組，右邊兩組，中間為巡線區(qū)域；為了防止相鄰兩個傳感器之間相互干擾，采用了輪流掃描傳感器的方法，這樣既避免了相鄰傳感器之間的干擾又有利于調(diào)試。巡線系統(tǒng)的紅外傳感器位置參數(shù)如圖4所示。

圖4 紅外傳感器排布

由圖4 可知傳感器檢測的最大角度為:

將4 個傳感器從左到右依次記為左側(cè)2、左側(cè)1、右側(cè)1、右側(cè)2，設(shè)i=1,2，則每個傳感器到中軸線的距離為：

經(jīng)計算可得到各個紅外循跡模塊擺放位置如表2 所示。

表2 紅外循跡模塊擺放位置表

2.3 主控核心

主控芯片是以MSP430F149 單片機(jī)為主控核心，它實時接收傳感器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行邏輯運算，從而對各個模塊進(jìn)行操控。最重要的是MSP430F149 具有4 路PWM 輸出，工作穩(wěn)定，極其適用于電池供電的智能小車。其中微控制器的I/O口具體分配：P6.0～P6.3，引腳連接4 個紅外避障傳感器信號輸出端；P1.6、P1.7 連接L298N 電機(jī)驅(qū)動的ENA、ENB 端，向電機(jī)驅(qū)動輸出PWM 信號；P5.0～P5.3 設(shè)置為輸出模式連接L298N 的IN1、IN2、IN3、IN4，給電機(jī)驅(qū)動發(fā)出電平信號指令控制兩個電機(jī)的停轉(zhuǎn)；P2.0～P2.4 輸出模式接入語音模塊A4、A5、A6、A7、A8，負(fù)責(zé)驅(qū)動語音模塊；P2.5～P2.6 分別連接E2PROM 的SCL、SDA；P1.0～P1.4負(fù)責(zé)驅(qū)動4 個按鍵，外部電路已接上拉電阻，連接4個按鍵，負(fù)責(zé)調(diào)控左右電機(jī)占空比；LCD 液晶顯示屏，P4.0～P4.7 設(shè)置為輸出模式接入D0～D7，P3.0～3.2接入使能管腳RS、RW、E。

2.4 顯示設(shè)計

為了顯示小車的速度，該系統(tǒng)采用了LCD液晶顯示屏對兩個電機(jī)的PWM 值進(jìn)行顯示（接線圖如圖5所示）。其工作電壓為4.5～5 V，工作電流為2.0 mA。它可以同時顯示16×2 個字符，并且可以根據(jù)電壓和需求調(diào)節(jié)對比度及屏幕亮度。

圖5 1602液晶屏接線圖

2.5 語音模塊與斷電記憶

為了使該系統(tǒng)變得更人性化，選擇在起始和停止設(shè)置語音提示。語音模塊主要采用了ISD2560 為核心的器件，用戶可以錄制好語音，儲存在ISD2560的儲存單元中，單片機(jī)可對其進(jìn)行分段尋址，然后發(fā)送語音地址和語音指令，通過儲存在ISD2560 內(nèi)的地址數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，然后語音信號經(jīng)過電路放大從揚聲器中發(fā)出。其中需要把模塊的地址碼接口A4、A5、A6、A7、A8 接在單片機(jī)的引腳上。

為了讓系統(tǒng)操作簡便，避免頻繁調(diào)節(jié)小車初始速度，該系統(tǒng)加入了斷電記憶功能。系統(tǒng)采用了IIC總線協(xié)議的EEPROM 存儲器24C02 芯片，其具有接口方便、體積小、數(shù)據(jù)斷電不丟失的特點。當(dāng)小車使用完畢后，斷電后下次重啟，會重新讀取數(shù)據(jù)，恢復(fù)設(shè)置值。其中需要把單片機(jī)引腳的P2.5、P2.6 接入芯片的SCL、SDA 引腳。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench，可以直接仿真調(diào)試，然后通過MSP430F14x 系列專用燒錄軟件進(jìn)行燒錄。

針對在多種彎路上行駛時所出現(xiàn)的拐彎角度過小會沖出軌道，以及在停止線卻停不住車的問題，程序?qū)ｉT設(shè)置了自適應(yīng)的校正方法，使小車在不同大小的彎度下進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整速度的轉(zhuǎn)彎策略。如表3 所示，從左到右為OUT1、OUT2、OUT3、OUT44 個避障傳感器，為了避免小車在停止線處由于慣性沖出的情況，該系統(tǒng)設(shè)計了4 種狀態(tài)讓其停車；在左轉(zhuǎn)問題上，當(dāng)左側(cè)第一個傳感器和第二個傳感器OUT1和OUT2 同時檢測黑線或者最左側(cè)OUT1 檢測到黑線就會縮小轉(zhuǎn)彎半徑，從而轉(zhuǎn)彎過程速度減慢，大幅度調(diào)整轉(zhuǎn)向，使小車回歸正軌，實現(xiàn)彎度自適應(yīng)調(diào)速功能；右轉(zhuǎn)也是同理。

表3 小車運行邏輯圖表

其在轉(zhuǎn)彎時，小轉(zhuǎn)彎外側(cè)輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速不變，以內(nèi)側(cè)輪不動進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，大轉(zhuǎn)彎兩輪轉(zhuǎn)向相反，兩輪PWM 值恒定相差為20%。

在巡線時，隨著語音模塊的指令發(fā)出，小車開始走動，單片機(jī)通過掃描紅外避障傳感器的返回信號，產(chǎn)生不同策略，從而進(jìn)行精準(zhǔn)圓滑的轉(zhuǎn)彎尋跡。該系統(tǒng)還加入了停止線功能，當(dāng)在軌道上垂直放一條停止線，中間兩個或3 個以上傳感器檢測到了黑線，會給單片機(jī)發(fā)信號，單片機(jī)會發(fā)出停止指令使其停止，并且語音模塊會發(fā)出測試結(jié)束指令。智能巡線小車程序流程如圖6 所示。

4 傳感器遮光裝置設(shè)計

針對在復(fù)雜光源下傳感器靈敏度不佳的問題，系統(tǒng)在不同光照環(huán)境、相同傳感器靈敏度下，分別在不同軌道對巡線系統(tǒng)的巡線偏離誤差進(jìn)行測試（測試次數(shù)大于50次），測試采用Devcheck 調(diào)用手機(jī)的環(huán)境光傳感器，結(jié)果如表4 所示。

表4 光照強(qiáng)度與巡線系統(tǒng)誤差的關(guān)系表

為了增強(qiáng)系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性，需要在巡線系統(tǒng)上方安裝遮光裝置。根據(jù)小車的運行路況不同，在上下坡巡線時都需要對巡線系統(tǒng)遮光，為此選擇了一些材質(zhì)較軟的材料進(jìn)行遮光，其中，具有代表性的有黑色的塑料、綢子、海綿。對其遮光效果進(jìn)行對比研究，結(jié)果如表5 所示。

表5 不同遮光裝置下巡線系統(tǒng)偏差

結(jié)果表明，在巡線系統(tǒng)的傳感器加入遮光裝置可以大幅度提高巡線的精準(zhǔn)度，尤其是海綿的遮光性能最佳，而且可以根據(jù)小車傳感器形狀自由彎曲變化，滿足條件需求。

5 實驗測試與分析

為了最終測試小車的性能，該系統(tǒng)設(shè)計了一條軌道（如圖7 所示）。在相同環(huán)境條件下，該小車需要按照規(guī)定在軌道完整跑完，在預(yù)設(shè)的軌道上，設(shè)計了直線區(qū)域、小右轉(zhuǎn)區(qū)域、大角度右轉(zhuǎn)區(qū)域以及一個停止線，小車最終應(yīng)該停止在停止線區(qū)域。

圖7 測試軌道圖

5.1 循跡精度測試

為了讓小車在設(shè)定路徑下行駛，路徑為A→B→C→D→E→F，分別有不同大小的曲率部分和直線部分，為了測試巡線精準(zhǔn)度，測試次數(shù)大于50 次。在各段路徑上的巡線誤差如表6 所示。

根據(jù)表6 測試表明，安裝遮光裝置后的小車，其精準(zhǔn)度都控制在±4 mm 內(nèi)，并且都能精準(zhǔn)到達(dá)目的地停下來，大大提高了抗復(fù)雜光線干擾性能，并且在不同坡度下也能準(zhǔn)確巡線。

表6 不同路徑下的巡線誤差

5.2 驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)度策略測試

為了驗證大小轉(zhuǎn)彎設(shè)計與小車速度的關(guān)系，在采用了遮光裝置后，該系統(tǒng)在同一室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行測試。根據(jù)電機(jī)的性質(zhì)，頻率過高同時占空比較低時，轉(zhuǎn)子會震動發(fā)出高頻噪聲。為此，程序采用了該芯片最低頻率時鐘LFXT1CLK，即使這樣設(shè)計，由于占空比在20%之前屬于較低狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)速過慢甚至停轉(zhuǎn)，所以從實用意義上出發(fā)，該系統(tǒng)最低PWM占空比從40%開始測試，每增加5%，測試一次平均速度，測試次數(shù)大于20 次，取平均值，占空比從40%到100%，所對應(yīng)走完全程的平均速率如圖8 所示。

圖8 小車全程平均速率隨占空比變化趨勢圖

根據(jù)圖8 所示，隨著高電平占空比的增加，走完全程時間也變短，在75%后曲線明顯變緩，這與電機(jī)自身的參數(shù)有一定關(guān)系。為證明自適應(yīng)調(diào)速調(diào)度策略，測試了小車在正常負(fù)載狀態(tài)下兩輪的轉(zhuǎn)速。在測定好直線距離，關(guān)閉巡線傳感器，讓小車徑直走，根據(jù)測出平均速率，電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)速也就近似于直線行駛的平均速率（每增加5%占空比，測一次速度，測試次數(shù)大于20 次，取平均值），其隨占空比變化趨勢如圖9 所示。

圖9 小車電機(jī)負(fù)載時轉(zhuǎn)速隨占空比變化趨勢圖

因為該系統(tǒng)在轉(zhuǎn)彎時必須保障兩輪的差速，因此設(shè)計程序時，遇到小彎度，以前輪距為半徑，小車內(nèi)側(cè)輪不動，外側(cè)輪繼續(xù)行駛，保持差速轉(zhuǎn)彎；遇到大彎度時，為使轉(zhuǎn)彎半徑縮小，進(jìn)行大幅度轉(zhuǎn)彎，該系統(tǒng)兩電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，兩輪轉(zhuǎn)差速占空比固定為20%。設(shè)在轉(zhuǎn)彎時，以小車輪距劃分，設(shè)小車輪距為L，小車外側(cè)半徑為R1，需要走的弧長為S1，小車外輪轉(zhuǎn)速為v1，內(nèi)側(cè)半徑為R2，需要走的弧長為S2，速度為v2。

則：

由弧長公式、速度公式可知：

已知L不變，當(dāng)n不變時，由式（2）、（3）可得到：當(dāng)R1=R2時小車運動屬于原地轉(zhuǎn)彎，當(dāng)R1＞R2時小車才會相對前進(jìn)，只有當(dāng)R2?R1時才會使速度明顯變快。根據(jù)圖9 可知，電機(jī)的性質(zhì)是導(dǎo)致全程平均速度曲線變緩的原因之一；另外，因為在大轉(zhuǎn)彎過程中，兩電機(jī)反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致R2與R1的差值縮小，因此，圖9 相對于圖8 總體平均速度更慢，占空比越高，差距越明顯，當(dāng)占空比達(dá)到80%時，轉(zhuǎn)彎中外輪達(dá)到速度上限，反而速度提升變得不明顯；又經(jīng)多次調(diào)整轉(zhuǎn)彎角度進(jìn)行測試，結(jié)果表示該小車轉(zhuǎn)彎角度最小可達(dá)25°，在大于90°的角度中，幾乎不觸發(fā)邊緣傳感器。最終得出結(jié)論：該系統(tǒng)會根據(jù)轉(zhuǎn)彎角度的大小自適應(yīng)調(diào)整速度，轉(zhuǎn)彎角度大也是導(dǎo)致全程平均速度減慢的重要原因之一，因此只要小車不頻繁通過較大角度轉(zhuǎn)彎部分，對小車的循跡速度影響不會太大。

6 結(jié)論

文中設(shè)計的智能循跡小車以MSP430F149 為核心，利用PWM 調(diào)速控制電機(jī)，可通過按鍵調(diào)整小車的初速度，且在角度不同的轉(zhuǎn)彎處自適應(yīng)調(diào)整車速，保障了小車順利圓滑的轉(zhuǎn)彎；速度信息通過LCD 屏顯示，可方便檢查、操作；系統(tǒng)還加入了斷電記憶功能，避免了頻繁設(shè)置、調(diào)試小車初速度；為了適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境條件，該系統(tǒng)對多種材料測試后，創(chuàng)新地加入了遮光裝置，無需頻繁調(diào)節(jié)傳感器靈敏度，得出在多種光照復(fù)雜環(huán)境下系統(tǒng)仍然穩(wěn)定運行。多方面測試表明，該系統(tǒng)可以在不同角度的上、下坡以及不同光照環(huán)境下穩(wěn)定行駛。該系統(tǒng)采取了多種抗干擾方案，具有很強(qiáng)的實用性，可廣泛應(yīng)用于循跡搬運車、智能機(jī)器人等系統(tǒng)中。