摘要：傳統(tǒng)的循跡小車采用光電傳感器作路面軌道檢測，其工作可靠性受環(huán)境光線的影響很大，實際運行中經(jīng)常要根據(jù)環(huán)境光線的變化時傳感器的靈敏度進(jìn)行調(diào)整。提出一種感應(yīng)式循跡小車的設(shè)計方法。用金屬鋁箔膠帶代替黑色軌道線，在小車上設(shè)置多只金屬感應(yīng)傳感器，基于感應(yīng)的方法來檢測鋁箔膠帶路線的位置，把檢測的結(jié)果送單片機(jī)處理，再由單片機(jī)輸出相應(yīng)控制信號驅(qū)動小車運行。所提出的方法能夠完全消除環(huán)境光線對循跡小車的干擾，提高小車運行的可靠性。樣品小車的測試結(jié)果表明，基于新方法設(shè)計的小車運行平穩(wěn)，在長時間工作中沒有出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象，小車的整體性能良好。
循跡小車是目前較為普遍的一項智能小車制作競賽，該制作要求小車能尋著一條黑色軌跡前進(jìn)直到終點，用達(dá)到終點的時間決定競賽成績。到達(dá)終點的時間越短，成績越好。在整個設(shè)計過程中，循跡小車的尋跡電路是循跡小車的一個關(guān)鍵部件，傳統(tǒng)的設(shè)計采用光電傳感器作為尋跡器件。然而，光電傳感器對環(huán)境的光線變化比較敏感，不適合在露天環(huán)境和光照比較強(qiáng)的地方開展活動。通過反復(fù)試驗和嘗試，作者提出把金屬感應(yīng)傳感器用于循跡小車替代光電尋跡電路，用帶不干膠的金屬鋁箔膠帶貼在地面替代黑色軌跡線條，循跡小車尋著鋁箔膠帶軌道前進(jìn)，無需光線介入，大大增加了尋跡小車活動的環(huán)境適應(yīng)性。
1 硬件及電路
感應(yīng)式循跡小車是由單片機(jī)控制系統(tǒng)、尋跡電路、電動機(jī)驅(qū)動電路等幾部分組成。
1．1 金屬感應(yīng)傳感器電路
金屬感應(yīng)傳感器電路在小車中實現(xiàn)金屬鋁箔路軌的感應(yīng)尋跡功能，該電路是用金屬探測電路改進(jìn)得到的，電路如圖1所示。圖中，電感線圈L、電容C1、C2、C3，三極管VT1等組成了一個典型的電容三點式振蕩電路，振蕩電路產(chǎn)生的正弦波信號經(jīng)VT2放大后，由VD1、VD2、C6等進(jìn)行倍壓整流、濾波，使三極管VT3的基極獲得了一定幅度的基極電壓而導(dǎo)通，其集電極輸出低電平，后級NE555電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)電路因其2腳電平小于1／3VCC，其輸出端3腳輸出1電平。若把電感線圈L靠近金屬物體，線圈的變化磁場會在金屬物體內(nèi)感應(yīng)出渦流而產(chǎn)生鐵損，線圈的Q質(zhì)下降，電路振蕩減弱直至停止振蕩。作用在VT3基極上的電壓消失，三極管VT3由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗浼姌O輸出高電平，該電平使后級NE555的6腳電平大于2／3VCC，其輸出端3腳的電平由1跳變?yōu)?，把這個信號送給單片機(jī)I／O端口，單片機(jī)就可以通過檢測該端口的信號變化，了解循跡小車的運行狀態(tài)，給出相應(yīng)的控制指令。在該電路中，調(diào)整可調(diào)電阻RP的電阻大小可改變電路的正反饋幅度，使振蕩電路剛好處于振蕩的臨界點上，可調(diào)節(jié)傳感器感應(yīng)到金屬物體的靈敏度。通過精確調(diào)節(jié)RP，可使相應(yīng)金屬感應(yīng)傳感器的靈敏度達(dá)到10mm以上。
1．2 單片機(jī)控制電路
整個循跡小車的設(shè)計采用51單片機(jī)構(gòu)建控制系統(tǒng)，電路圖如圖2所示，該電路由電源電路、ISP下載接口、電動機(jī)驅(qū)動電路接口、AT89S51單片機(jī)等幾部分組成。把單片機(jī)的P3．4，P3. 5，P3．6端口作為傳感器的輸入端口，從金屬感應(yīng)傳感器電路原理分析中可以看出，當(dāng)傳感器靠近金屬物體時，傳感器輸出為低電平，無金屬物體時，輸出為高電平，P3．7口直接接地，方便以后尋跡程序的編寫。
1．3 電動機(jī)驅(qū)動電路
機(jī)器人采用兩個減速電動機(jī)分別帶動左右兩個動力輪，實現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等功能。電動機(jī)的驅(qū)動電路選用小直流電動機(jī)專用驅(qū)動芯片L293D，它能同時驅(qū)動2個減速電機(jī)，最大輸出峰值電流達(dá)1 A，該芯片與單片機(jī)連接如圖3所示。
2 循跡小車的尋跡控制
2．1 傳感器的位置
感應(yīng)式循跡小車底盤結(jié)構(gòu)如圖4，底盤左右兩輪都為動力輪，分別由兩個減速電動機(jī)驅(qū)動，后面的小輪為隨動輪，隨著兩個動力輪的運行而運行。3個金屬感應(yīng)傳感器的電感線圈并排安裝在機(jī)器人的前面，距地面約5毫米左右的距離，正常運行時，讓中間的一個傳感器位于道路的正上方，處于檢測到金屬物體的狀態(tài)，傳感器輸出為0電平，旁邊兩個傳感器在道路兩邊，沒有檢測到金屬物體，輸出為1電平，3個傳感器的輸出端與單片機(jī)對應(yīng)端口連接，電平輸出信號就是單片機(jī)端口的輸入信號。
2．2 尋跡狀態(tài)分析
在循跡小車尋著鋁箔膠帶軌道運行的過程中，會出現(xiàn)正常運行，右邊偏離軌道，左邊偏離軌道等各種情況，按照上面?zhèn)鞲衅鞯脑O(shè)置，循跡小車在正常行駛時，傳遞到單片機(jī)端口的電平信號是101，由于事先已將單片機(jī)的P3．7口接地，因此，傳遞給單片機(jī)P3口的高4位電平信號為0101，當(dāng)循跡小車從右邊偏離軌道時，左邊和中間的傳感器會同時檢測到金屬體，此時，3個傳感器的輸出狀態(tài)為100，單片機(jī)P3口的高4位電平信號為0100，定義這種偏離為右偏，如果繼續(xù)右偏，中間的傳感器會從右邊離開軌道，此時，只有左邊的傳感器檢測到金屬體，此時單片機(jī)端口的電平信號為0110，把這種偏離定義為嚴(yán)重右偏。用這種方法。可以定義機(jī)器人7個尋跡狀態(tài)，把這些狀態(tài)對應(yīng)的電平信號用BCD碼表示，并以此排序，得到端口對應(yīng)的尋跡狀態(tài)編碼表，如表1所示。
2．3 尋跡狀態(tài)分析
循跡小車由左右兩只電動機(jī)驅(qū)動，實現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等各種運動，控制信號由單片機(jī)P2口的低4位給出。對循跡小車的轉(zhuǎn)彎控制采用一輪停止，一輪運行的方法實現(xiàn)，用轉(zhuǎn)彎的時間來控制循跡小車轉(zhuǎn)彎的幅度，同樣是左轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)彎1s和轉(zhuǎn)彎2s轉(zhuǎn)彎的幅度是不一樣的，后者轉(zhuǎn)彎的幅度大，把轉(zhuǎn)彎帽度大的叫“急轉(zhuǎn)”，如“右急轉(zhuǎn)”，“左急轉(zhuǎn)”，以區(qū)別轉(zhuǎn)彎幅度小的左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)等。結(jié)合表1，針對各種可能的尋跡狀態(tài)，制定出控制方案如表2所示。
根據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)圖、表1和表2，把電動機(jī)控制參數(shù)和延時參數(shù)以壓縮BCD碼的形式組合為一個字節(jié)，控制參數(shù)放高4位，延時參數(shù)放低4位，整理后，可得到單片機(jī)信號端口和控制端口對應(yīng)關(guān)系的編碼表，如表3所示，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行尋跡機(jī)器人的程序設(shè)計。
3 循跡小車的程序設(shè)計
3. 1 總體設(shè)計思路
在循跡小車運行過程中，不斷讀取P3口的狀態(tài)值，取出高4位，將結(jié)果存入累加器A中，然后用查表的方法，取出對應(yīng)的組合參數(shù)表值，在讀出的表值中，高4位為控制電動機(jī)運行的參數(shù)，低4位為電機(jī)運行的延時參數(shù)，把高4位和低4位數(shù)從字節(jié)中分離出來，將高4位數(shù)送入P2口對循跡小車運動狀態(tài)進(jìn)行控制，將低4位值賦予延時子程序的R0，延時時間為R0×T(ms)，T是單位時間，需根據(jù)循跡小車的速度性能確定，用以控制各運行狀態(tài)的運行時間。另外，在循跡小車尋跡過程中，常會出現(xiàn)循跡小車出軌的情況，一旦循跡小車脫離尋跡軌道，往往意味著尋跡失敗，因此需在程序中增加挽救措施，讓循跡小車在發(fā)現(xiàn)自已脫軌后，立即后退，回到軌道線繼續(xù)運行。根據(jù)以上設(shè)計思路，循跡小車的控制流程圖如圖5所示。
3．2 主要匯編程序?qū)崿F(xiàn)
4 結(jié)論
為提高傳統(tǒng)循跡小車的運行可靠性，文章提出感應(yīng)式循跡小車的設(shè)計方法，且詳細(xì)地闡述了該設(shè)計的主婁組成：循跡小車的硬件及電路、循跡小車的循跡控制和單片機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。
按照本文所提出的新方法，作者成功地設(shè)計和制作了感應(yīng)式循跡小車的樣品，樣品實際測試結(jié)果表明：基于新方法設(shè)計的小車運行平穩(wěn)，在長時間工作中沒有出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象，循跡小車的運行與環(huán)境光的強(qiáng)弱沒有關(guān)系，小車的整體性能較好。