基于MSP430的自動避讓小車的設計與實現

摘要：設計了一個基于MSP430F149單片機自動避讓小車控制系統，系統由兩個帶有無線通訊模塊、電機驅動模塊、循跡模塊以及超聲波測距模塊的小車組成。通過無線通訊模塊、超聲波模塊以及利用紅外遁跡模塊來確保兩車在規定的車道里的行駛和相互避讓，并且采用了模糊算法來實時響應小車循跡模塊信號，從而保證了小車快速向前行駛，而且不超出邊界。
關鍵詞：MSP430；nRF905；超聲波測距；紅外遁跡；模糊控制

0 引言
機器人競賽是近些年國際上開展的一項高科技活動，它集高新技術、娛樂和競賽于一體，受到眾多學者的廣泛關注和極大興趣。機器人小車子系統其性能和運動時的避讓控制是自動控制系統中重要的處理技術之一，也是整個系統中至關重要的部分。本文設計了一個基于低功耗單片機MSP430F149的智能自動避讓小車控制系統，系統由兩個基本相同的小車為主要載體，搭配對應的無線通訊模塊、電機驅動模塊、循跡模塊以及超聲波測距模塊。系統控制方案主要通過nrf905無線通信模塊來實現甲，乙兩小車的呼叫、應答信號。通過超聲波模塊來確定甲乙兩小車的相互位置關系。利用紅外遁跡模塊來確保兩小車在規定的車道里面行駛以及即時確定小車已經到達的位置來調整小車自身車位。設計方法上主要是通過光柵計數匹配來實現小車的精確直線行駛，通過左右車輪反轉的方式來實現小車小范圍內快速精確轉向，以及可調占
空比控制小車無級變速，并且采用了模糊算法來實時響應小車循跡模塊信號，從而保證了小車快速向前行駛，而且不超出邊界。

1 總體方案設計與比較
方案一：精確控制甲乙兩車的行走距離和轉彎角度，不用其它的循跡或通信等模塊對小車的軌跡進行修正，僅按照要求對小車路徑進行模擬。
方案二：在方案一的基礎上加入nRF905無線通信模塊，后面的小車通過無線通信跟隨前面的小車，避免兩車相撞，前面的小車需要在程序員設定的路徑下精確行駛。
方案三：在方案二的基礎上加入循跡和超聲波模塊，充分利用車道的邊沿和起點、終點、轉向等標志線，來精確定位小車，同時利用超聲波模塊來探測甲乙兩車的相對距離，確保小車不撞車。
論證：通過上述三種方案的測試與比較，方案一硬件和編程算法相對比較簡單但是實踐起來繁瑣且適應能力差。方案二中使用無線通信模塊來控制整個過程，適應能力有所提高，但仍然無法全面地滿足題目要求。方案三加入了多種反饋模塊，對外界信息采集能力強，能較為全面地完成題目要求。權衡利弊，選擇方案三。

2 理論分析與計算
2．1 信號檢測與控制
(1)紅外循跡模塊。本系統采用3．3V紅外對管，利用木板和黑膠帶對紅外光的不同反射特性來(木板反光，黑膠帶吸光)獲得循跡信號，再經過放大器LM358組成的電壓比較器來獲得對應的高低電平信號送給430單片機檢測。
(2)超聲波測距模塊。本系統采用HC-SR04的超聲波模塊，由單片機產生一個大于10 μs的高電平觸發模塊進行測距，利用超聲波信號的發送與接收時間差來計算距離。
(3)小車精確控制。通過光柵編碼器返回的數據對電機進行反饋調節，利甩PWM波的占空比實現電機調速，從而保證小車精確運動。
2．1 兩車之間的通信方式
系統主要是利用nRF905無線模塊來進行通信，利用車道已有的轉彎標志和超車標志線，在對應的位置通過紅外循跡模塊獲得信號之后，利用nRF905無線模塊把信息發給另外一輛小車。通過這種信息的交流來調節兩輛小車的位置，確定下一階段的行駛方式。
2．2 節能方式
系統采用了德州儀器公司的低功耗單片機MSP430F149，內部功能模塊多、資源豐富，最為突出的是此單片機采用3．3V供電，有掉電、待機模式，這使得其在功耗方面有極大的減少。在低功耗、小型控制系統中有著突出的優勢和應用市場。
此外小車在正常工作過程中，并不完全啟動各個模塊，只有得到相應的觸發信號之后，該模塊才會被啟動，從而降低各個模塊的功耗。另外nRF905無線模塊可以設置空閑模式或關機模式，關機模式時nRF905工作電流最小只有25 μA；空閑模式下nRF905模塊只有部分晶體振蕩器工作，有利于減小工作電流。

3 硬件電路設計
3．1 紅外循跡模塊電路
主要有一對3．3V供電的紅外對管和一個LM358運算放大器組成。接收管的輸出信號輸入由LM358組成的電壓比較器電路，當紅外光線反射回來時為高電平，否則為低電平，具體電路如圖1所示。