基于模塊化控制的多功能智能小車設計

　　通過嵌入模糊控制算法，實現小車精準尋跡；采用超聲波檢測障礙物使小車提前做出反應，繞過障礙物；設計靈敏度可調的趨光系統，驅動小車趨光進庫；通過金屬傳感器檢測金屬塊；利用霍爾器件測量小車行駛的路程；最終將金屬塊個數，行駛時間及路程顯示在液晶屏上，實現了友好的人機界面。實驗表明，智能小車系統能夠順利完成種各功能，在各獨立控制模塊上能達到較高的穩定性和精度要求。

　　0 引言

　　智能小車形式多樣，控制方法多變，創新性強，因此在電子競賽和科技創新方面一直受到熱捧。每年的“飛思卡爾”智能小車比賽中就分有電磁組，光電組，攝像頭組，分別通過電磁傳感器，光電傳感器，攝像頭來采集信號，檢測小車的循跡能力和運行速度；遙控小車也是在小車上裝上無線模塊來接收遙控端發來的信號，從而實現小車的智能化控制；滅火機器人則是在避障小車的基礎上加入趨光模塊和溫度傳感器，使小車趨向火源滅火。

　　鑒于目前基于智能小車的設計，大多都是功能單一的尋跡小車，避障小車或遙控小車，在此將設計一種將紅外對管尋跡、金屬檢測、超聲波避障、硅光電池趨光和距離測量集成在同一個系統中的多功能智能小車，實現其多任務處理功能。同時，本系統針對各模塊采用優化控制方案，以期望得到更精準控制。整個智能小車系統具有高效率、高準確度、低成本等特點。

　　當前對智能小車系統的控制方法也是多種多樣，常見的有路徑記憶法，模糊控制法，圖像識別法等。

　　這些方法對于單任務的小車控制都能達到理想的效果。在本文所設計的智能小車系統中，將充分考慮小車的多任務性，采取模塊化控制方法來實現小車的多功能控制，并在模塊化的基礎上嵌套模糊控制的方法，使小車既滿足多功能要求，又能實現各控制模塊獨立、穩定運行。

　　1 系統結構設計

　　系統設計一般包括硬件設計和軟件設計。本系統中硬件設計由電源模塊、驅動模塊、尋跡模塊、金屬檢測模塊、超聲波避障模塊、硅光電池趨光模塊和顯示模塊構成，系統的整體結構如圖1所示。

　　1.1 驅動模塊

　　由單片機產生兩路PWM 波，通過L298N 電機驅動芯片控制兩個直流電機，分別驅動動左輪和右輪。直走時兩路PWM 波頻率相位相同，當需要轉彎時，改變PWM 波控制相應的電機反轉，另一電機正轉。兩邊形成差速即可實現轉彎。調整反轉的的時間，可以控制轉彎的大小和快慢，改變PWM 波的占空比可以控制小車的速度。

　　1.2 尋跡模塊

　　該模塊主要利用光電對管來檢測小車賽道上的黑線。當光電對管內的發光二極管位于黑線上時，發光二極管發出的光被黑色吸收，不能被反射回來，此時，接收端上的光電三級管基極電壓為零，三極管不能導通，輸出低電平，與之相連的比較器同相端的也為低電平，最終輸入單片機對應引腳一個低電平。單片機檢測到輸入的低電平就會對電機進行相應的處理，驅動小車轉彎，使得這個光電對管偏離黑線。一旦離開黑線，光電三級光就能夠接受到光照，三極管導通輸出高電平，給單片機引腳輸入一個高電平，單片機檢測到該高電平后給相應電機正轉命令，小車恢復直線行駛。依此循環，最終小車就能沿著黑線所設定的的軌跡行駛。

　　設計尋跡模塊時，為了減小環境光的干擾，可以在放大器的反向端接入一個滑線變阻器，通過調節電阻的大小，改變比較器的閾值電壓，從而改變傳感器的靈敏度。當較弱的環境光進入到光電三極管的基極，三極管的集電極會有電壓，但只要調大滑線變阻器接入的阻值，使得環境光照射時，集電極電壓低于閾值電壓，此時光電對管仍然輸出低電平，這樣就達到了消除環境光的目的。該電路接入的阻值越大，閾值越高，就越不容易受環境光的影響，但靈敏度也就越低，反應越慢。相反，就越容易受環境光影響，靈敏度越高，反應越快。

　　同時，為了使小車能適應不同弧度的路線，在循跡模塊中嵌入了模糊控制算法。首先建立一個模糊集合X={左偏，左較偏，左很偏，右偏，右較偏，右很偏},定義模糊規則：當左側第一個光電對管位于黑線上時，定義小車右偏，小車左輪停轉，右輪正常轉動；當左側第二個光電對管位于黑線上時，定義小車右較偏，小車左輪小幅度反轉，右輪正常轉動；當左側第三個光電對管位于黑線上時，定義小車右很偏，小車左輪大幅度反轉，右輪正常轉動。同理，對右側光電對管定義模糊規則。通過模糊控制小車就能適應多變的路線。

　　1.3 金屬檢測模塊

　　把金屬傳感器固定在小車底部，當小車經過金屬片時，金屬傳感器的輸出端會產生一次電頻跳變，將跳變信號輸入到單片機的外部中斷，每一次跳變，觸發一次中斷，單片機就會控制蜂鳴器發聲報警。將中斷次數記錄下來送到液晶顯示，就能得到檢測的金屬片個數。

　　1.4 超聲波避障模塊

　　用單片機給超聲波發生器輸入端輸入一列脈沖觸發信號，超聲波發生器的發射端就會產生一列對應頻率的超聲波，當聲波遇到障礙物（3 m以內）時就會反射回來，被接收端接受，其輸出端輸出一系列PWM波。記錄這列PWM 波的高電平持續時間，并忽略小車在此段時間內的位移，就可計算出小車到障礙物的距離，當距離達到某一設定值時，控制電機使小車轉彎，繞過障礙物。

　　本系統中充分利用Mega128 單片機的中斷捕捉功能，將超聲波發生器產生的輸出回響信號輸入到單片機，首先設置下降沿觸發捕捉中斷，定時器計時開始，當中斷觸發時馬上更改觸發方式為上升沿觸發，再次響應中斷時記錄此時定時器的值T1同時原計數值清零，此時記錄的高電平時間T1即為聲波在空中傳播的時間。再次更改觸發方式為下降沿觸發，實現動態實時測量。與傳統的中斷響應測量相比，中斷捕捉具有快速、精準的優點假設單片機晶振為M,分頻系數為N,聲音的傳播速度為V.聲波傳播的時間為（單位：s）：

　　因此，可以按照下式計算出距離障礙物的距離L1:

　　1.5 硅光電池趨光模塊

　　為了使小車具有更理想的趨光效果，本系統采用硅光電池作為傳感器。當光源照射到硅光電池的表面，硅光電池的電阻值會發生變化，光照強度越大，電阻值越小。在小車前端的左中右分別裝上一個硅光電池，將光管電池接在相同的參考電壓源上，將其兩端的電壓送入單片機的采樣通道轉化成數字量，通過比較三路采樣值的大小就能判斷出哪個方向上的光照強度大，從而控制小車直走或轉彎，進而趨向光源。