循迹小车的追踪与避障

摘要：介绍了采用灰度传感器的自循迹小车的设计与实现，并加以追踪与避障的功能。采用与白色地面反差很大的黑色路线引导小车按既定路线前进，若接近开关检测到物体时，实现追踪功能。通过改编程序，同样利用这两个接近开关可实现避障功能，即遇到障碍物时，自动转弯。
关键词：追踪；避障；循迹；灰度传感器

    随着人们物质文化生活水平的不断提高，智能化的电子玩具深受人们的喜爱，尤其是各种智能小车，由于这类玩具具有较好的交互性，可控性，能够给人们带来很好的娱乐以及参与其中的体验，高科技智能化的电子类玩具逐渐成为市场的主流。与此同时，智能小车可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面，尤其在足球机器人研究方面具有很好的发展前景。因此，智能化小车的研究不仅具有很大的现实意义，还具有极为广阔的应用前景和市场价值。

1 系统设计
    循迹小车左右车轮各用一个直流减速电机驱动，通过调制两个轮子的转速从而达到控制转向的目标，在车体前按照一定方式安装七个灰度传感器，将传感器所检测到的信号送到CPU，通过CPU控制电机所转方向，实现小车的循迹。在小车车体上左右安装两个红外传感器，当传感器检测到前面有物体时，即实现追踪功能，当左边一个传感器检测到时，即向左转，同理，右边一个检测到时，即向右转。若要让其实现避障功能，则需改变原始程序，若这两个红外传感器检测到障碍物时，即向右转(也可向左转)。自动循迹小车控制系统框图如图1所示。

2 灰度传感器排布与循迹实现
    本系统使用的灰度传感器为ITR9909，根据实验测得其离地面大约1.5cm时，高低电平电压差最大，所以安装时，离跑道高度为1.5cm。

    本系统灰度排布为两排，前排三个，后排四个。前排每一个与后相应两个占3 cm(循迹黑线的宽度)，如图2，若a1，b2检测到黑线时，小车速度的80％向左微转，若a1，b1检测到黑线时，小车以原速度的50％向左转，只有b1检测到时，小车以原速度的30％向左转。若a2，b3检测到黑线时，小车以原速度的80％向右微转，a3，b4检测到时，则以原速度50％向右转，只有b4检测到时，则以原速度30％向右转。其它情况小车即直走。灰度传感器排列方式如图2所示。

3 接近开关排布及其追踪，避障实现
    根据障碍物距离接近开关的距离，产生不同的电平信号并送至单片机，随后由单片机控制电机做出相应转向，保证小车跟踪物体或者遇到障碍物时转弯。两只接近开关正向、水平关安装在车头正前方。根据接近开关的原理可知，根据实验测得当其与障碍物之间的距离大于30 cm时，输出端输出高电平(约为3．5 V)，小于30 cm时，输出低电平(约为0．5 V)。接近开关排布如图3所示。

4 电机驱动电路
    小车左右两侧的驱动轮均由电机驱动芯片L298N来驱动。L298N的输入端和使能端接收来自单片机的信号，控制电机的通断以及正反转，还可以通过向电机控制端输入不同占空比的方波信号来调整电机转速(PWM)，其具体管脚连接如图4所示。其中，input端口接控制信号，out put端口接步进电机两端。当输出端B1、B2=01时，电机正转；当B1、B2=10时，电机反转；当B1、B2=00时，小车停止运动。当输出端A1、A2= 01时，电机正转；当A1、A2=10时，电机反转；当A1、A2=00时，小车停止运动。

5 系统软件实现
5．1 传感器检测情况与驱动电路分段控制
    首先，红外光电开关检测前方是否有移动物体，若两光电开关都未检测到物体，此时小车开始循迹。由于实际的循迹黑线的弧度不一样，所以我们用七个灰度传感器来反映实际循迹黑线的弯度情况，同时应用单片机产生PWM占空比来配合不同的弯度，进而对电机驱动电路进行控制实现两电机以不同的速度运行来实现适度转弯。(1)当a1和b2检测到黑线时，此时说明黑线的弯度比较小，单片机输出PWM占空比为80％，其输出到电机驱动电路从而小车实现微小左转弯。(2)当a1和b1检测到黑线时，说明弯度较大，单片机输出PWM占空比为50％，此时小车实现较大转弯。(3)当仅b1检测到时，说明此时小车弯度很大，这时单片机输出PWM为300A，进而实现很大的转弯；由于传感器排布左右对称，所以右边情况类似。其次，当红外开关检测到前方有移动物体时，此时程序进入追踪模式，由于物体移动比较快，所以我们不再用PWM进行平缓转弯，而是直接由电机正反转来实现小车的快速转弯。(4)当仅左边红外检测到物体时，单片机直接产生0、1信号来让左电机反转，右电机正转，进而实现快速左转。(5)当仅右边红外检测到物体时，单片机直接产生0、1信号来让右电机反转，左电机正转，进而实现快速右转。(6)当左右同时检测到时即停转，使小车停下，程序流程图如图5所示。

    最后，若对程序进行相应的更改即能实现避障，即当红外光电开关检测到物体时，使小车转相应的角度即可实现避障。

6 结论
    本文提出了一种基于单片机控制的智能循迹，追踪，避障小车的设计制作方法，它以STC89C52为控制核心，直流减速电机为执行元件，IR9909型反射式传感器作为循迹元件，接近开关作为避障与追踪元件。经过实验验证，该小车能自动循迹，追踪与避障，并能稳定运行。该小车智能化小车的研究不仅具有很大的现实意义，还具有极为广阔的应用前景和市场价值。