感应式循迹小车的设计与实现

摘要：传统的循迹小车采用光电传感器作路面轨道检测，其工作可靠性受环境光线的影响很大，实际运行中经常要根据环境光线的变化时传感器的灵敏度进行调整。提出一种感应式循迹小车的设计方法。用金属铝箔胶带代替黑色轨道线，在小车上设置多只金属感应传感器，基于感应的方法来检测铝箔胶带路线的位置，把检测的结果送单片机处理，再由单片机输出相应控制信号驱动小车运行。所提出的方法能够完全消除环境光线对循迹小车的干扰，提高小车运行的可靠性。样品小车的测试结果表明，基于新方法设计的小车运行平稳，在长时间工作中没有出现脱轨现象，小车的整体性能良好。
      循迹小车是目前较为普遍的一项智能小车制作竞赛，该制作要求小车能寻着一条黑色轨迹前进直到终点，用达到终点的时间决定竞赛成绩。到达终点的时间越短，成绩越好。在整个设计过程中，循迹小车的寻迹电路是循迹小车的一个关键部件，传统的设计采用光电传感器作为寻迹器件。然而，光电传感器对环境的光线变化比较敏感，不适合在露天环境和光照比较强的地方开展活动。通过反复试验和尝试，作者提出把金属感应传感器用于循迹小车替代光电寻迹电路，用带不干胶的金属铝箔胶带贴在地面替代黑色轨迹线条，循迹小车寻着铝箔胶带轨道前进，无需光线介入，大大增加了寻迹小车活动的环境适应性。
   1 硬件及电路
       感应式循迹小车是由单片机控制系统、寻迹电路、电动机驱动电路等几部分组成。
   1．1 金属感应传感器电路
        金属感应传感器电路在小车中实现金属铝箔路轨的感应寻迹功能，该电路是用金属探测电路改进得到的，电路如图1所示。图中，电感线圈L、电容C1、C2、C3，三极管VT1等组成了一个典型的电容三点式振荡电路，振荡电路产生的正弦波信号经VT2放大后，由VD1、VD2、C6等进行倍压整流、滤波，使三极管VT3的基极获得了一定幅度的基极电压而导通，其集电极输出低电平，后级NE555电路构成的施密特触发电路因其2脚电平小于1／3VCC，其输出端3脚输出1电平。若把电感线圈L靠近金属物体，线圈的变化磁场会在金属物体内感应出涡流而产生铁损，线圈的Q质下降，电路振荡减弱直至停止振荡。作用在VT3基极上的电压消失，三极管VT3由导通变为截止，其集电极输出高电平，该电平使后级NE555的6脚电平大于2／3VCC，其输出端3脚的电平由1跳变为0，把这个信号送给单片机I／O端口，单片机就可以通过检测该端口的信号变化，了解循迹小车的运行状态，给出相应的控制指令。在该电路中，调整可调电阻RP的电阻大小可改变电路的正反馈幅度，使振荡电路刚好处于振荡的临界点上，可调节传感器感应到金属物体的灵敏度。通过精确调节RP，可使相应金属感应传感器的灵敏度达到10mm以上。
   
   1．2 单片机控制电路
       整个循迹小车的设计采用51单片机构建控制系统，电路图如图2所示，该电路由电源电路、ISP下载接口、电动机驱动电路接口、AT89S51单片机等几部分组成。把单片机的P3．4，P3. 5，P3．6端口作为传感器的输入端口，从金属感应传感器电路原理分析中可以看出，当传感器靠近金属物体时，传感器输出为低电平，无金属物体时，输出为高电平，P3．7口直接接地，方便以后寻迹程序的编写。
   
   1．3 电动机驱动电路
        机器人采用两个减速电动机分别带动左右两个动力轮，实现前进、后退、转弯等功能。电动机的驱动电路选用小直流电动机专用驱动芯片L293D，它能同时驱动2个减速电机，最大输出峰值电流达1 A，该芯片与单片机连接如图3所示。
   
   2 循迹小车的寻迹控制
   2．1 传感器的位置
        感应式循迹小车底盘结构如图4，底盘左右两轮都为动力轮，分别由两个减速电动机驱动，后面的小轮为随动轮，随着两个动力轮的运行而运行。3个金属感应传感器的电感线圈并排安装在机器人的前面，距地面约5毫米左右的距离，正常运行时，让中间的一个传感器位于道路的正上方，处于检测到金属物体的状态，传感器输出为0电平，旁边两个传感器在道路两边，没有检测到金属物体，输出为1电平，3个传感器的输出端与单片机对应端口连接，电平输出信号就是单片机端口的输入信号。
   
   2．2 寻迹状态分析
         在循迹小车寻着铝箔胶带轨道运行的过程中，会出现正常运行，右边偏离轨道，左边偏离轨道等各种情况，按照上面传感器的设置，循迹小车在正常行驶时，传递到单片机端口的电平信号是101，由于事先已将单片机的P3．7口接地，因此，传递给单片机P3口的高4位电平信号为0101，当循迹小车从右边偏离轨道时，左边和中间的传感器会同时检测到金属体，此时，3个传感器的输出状态为100，单片机P3口的高4位电平信号为0100，定义这种偏离为右偏，如果继续右偏，中间的传感器会从右边离开轨道，此时，只有左边的传感器检测到金属体，此时单片机端口的电平信号为0110，把这种偏离定义为严重右偏。用这种方法。可以定义机器人7个寻迹状态，把这些状态对应的电平信号用BCD码表示，并以此排序，得到端口对应的寻迹状态编码表，如表1所示。
   
   2．3 寻迹状态分析
       循迹小车由左右两只电动机驱动，实现前进、后退、转弯等各种运动，控制信号由单片机P2口的低4位给出。对循迹小车的转弯控制采用一轮停止，一轮运行的方法实现，用转弯的时间来控制循迹小车转弯的幅度，同样是左转，转弯1s和转弯2s转弯的幅度是不一样的，后者转弯的幅度大，把转弯帽度大的叫“急转”，如“右急转”，“左急转”，以区别转弯幅度小的左转，右转等。结合表1，针对各种可能的寻迹状态，制定出控制方案如表2所示。
   
       根据单片机系统图、表1和表2，把电动机控制参数和延时参数以压缩BCD码的形式组合为一个字节，控制参数放高4位，延时参数放低4位，整理后，可得到单片机信号端口和控制端口对应关系的编码表，如表3所示，可在此基础上进行寻迹机器人的程序设计。
   
   
   
   3 循迹小车的程序设计
   3. 1 总体设计思路
       在循迹小车运行过程中，不断读取P3口的状态值，取出高4位，将结果存入累加器A中，然后用查表的方法，取出对应的组合参数表值，在读出的表值中，高4位为控制电动机运行的参数，低4位为电机运行的延时参数，把高4位和低4位数从字节中分离出来，将高4位数送入P2口对循迹小车运动状态进行控制，将低4位值赋予延时子程序的R0，延时时间为R0×T(ms)，T是单位时间，需根据循迹小车的速度性能确定，用以控制各运行状态的运行时间。另外，在循迹小车寻迹过程中，常会出现循迹小车出轨的情况，一旦循迹小车脱离寻迹轨道，往往意味着寻迹失败，因此需在程序中增加挽救措施，让循迹小车在发现自已脱轨后，立即后退，回到轨道线继续运行。根据以上设计思路，循迹小车的控制流程图如图5所示。
   
   3．2 主要汇编程序实现
   
   
   4 结论
       为提高传统循迹小车的运行可靠性，文章提出感应式循迹小车的设计方法，且详细地阐述了该设计的主娄组成：循迹小车的硬件及电路、循迹小车的循迹控制和单片机的程序实现。
       按照本文所提出的新方法，作者成功地设计和制作了感应式循迹小车的样品，样品实际测试结果表明：基于新方法设计的小车运行平稳，在长时间工作中没有出现脱轨现象，循迹小车的运行与环境光的强弱没有关系，小车的整体性能较好。