【導讀】本文采用STC12C5A60S2單片機為主控制芯片，結合直流電機、傳感器、電源電路及其他外圍電路，設計實現(xiàn)了沿黑色軌跡行走的智能循跡移動機器人。循跡功能由紅外式光電傳感器完成，移動機器人的驅動功能由L298N驅動電路完成。本文移動機器人控制系統(tǒng)可以分為方向控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)。反饋及時控制移動機器人的方向。速度控制系統(tǒng)通過對PWM波占空比調節(jié)的方法對。直流電機進行控制，使移動機器人的速度隨賽道的變化而變化。器人能夠完整通過直道、彎道和換道的過程，快速穩(wěn)定的尋黑線行駛。

　　

【正文】 表 3 狀態(tài)真值表 A B C D 機器人運動狀態(tài) 0 0 0 0 直線行走 0 1 0 0 一級左轉 1 1 0 0 二級左轉 0 0 1 0 一級右轉 0 0 1 1 二級右轉 其他情況 不動 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 25 表 4 傳感器狀態(tài)及對應小車位置 四路傳感器狀態(tài) 小車位置 四路傳感器狀態(tài) 小車位置 大偏左 停車 小偏左 停車 小偏右 停車 大偏右 停車 中間 停車 兩邊 停車 PWM脈沖寬度調制的實現(xiàn) 依靠不同的占空比， 其中各種轉向方式的 PWM占空比分配如表 5所示： 表 5 占空比分配表 直線行走 一級左轉 二級左轉 一級右轉 二級右轉 停止 左輪PWM的占空比 60% 70% 75%(反轉 ) 70％ 75％ 0％ 移動機器人為四輪驅動，工作電壓為 5V，兩個主動輪，兩個從動輪。為了使移動機器人靈活運動，要求移動機器人在速度和方向上能夠大范圍調整。為此我們選擇了控制可靠、便于單片機控制的脈寬調制專用集成電路 L298N，一片 L298N可驅動兩個直流電機，芯片外圍只需幾個電容和二極管，電路很簡潔，克服了分立元件 存在的不足。 L298N為 Multiwatt15封裝，工作電壓最高為 50V，通過電流達 5A。既可以與整個系統(tǒng)使用同一電源，又有足夠的輸出電流驅動電機。我們在使用時加接了散熱片，可以使移動機器人長時間運行。 通過調節(jié) PWM波 占空比來控制電機的轉速。 A、 B連接移動機器人的左電機， C、D連接移動機器人的右電機。左右電機速度相同時可實現(xiàn)移動機器人的前進或后退；速度不同時可實現(xiàn)移動機器人的轉彎；當兩個電機反向等速運轉時，移動機器人可原移動機器人的循跡控制系統(tǒng)設計與應用 26 地轉圈。 速度控制算法 速度控制能使移動機器人在直道上加速行駛而在入彎時剎車減 速以盡量提高行駛速度和避免因入彎速度過快而造成的沖出跑道。所以速度的即時檢測尤為重要 ，在車速檢測模塊中可以達到此效果。本系統(tǒng)根據(jù)舵機反應的情況傳輸給電機，通過單片機產生的 PWM波，控制移動機器人的速度，使其在彎道處速度減慢，直道處速度加快。 車速檢測電路如圖 。 圖 車速檢測電路 賽道分析 經分析，賽道大致分為以下兩種情況，如表 6 所示 。 表 6 賽道情況分析 序號 賽道特點 行駛特點 要求 1 直線賽道 穩(wěn)定性好 盡量高速 2 一般彎道 穩(wěn)定性一般 中低速保證穩(wěn)定 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 27 行駛策略 要使移動機器人沿著黑色引導線行駛，最主要的就是保證舵機有足夠的靈敏度同時速度控制要足夠穩(wěn)定，即移動機器人在中間狀態(tài)時，速度控制能很好的加速，短時間內使速度達到最大，在傳感器發(fā)現(xiàn)偏離中間位置時能減速調整車的位置，在調整結束后用最短的時間加速。 速度給定方法 速度給定算法由賽道分析及行駛策略可以看出其大致分為以下兩類：目標車速算法：對于目標車速的選擇問題，目前還沒有比較可靠的公式，只能根據(jù)駕駛經驗確定，在直線賽道上設置其為較高車速 ，在彎道時應該根據(jù)轉彎半徑的大小決定車速大小，即應該隨著賽道曲率半徑的變化改變車速； 彎道車速算法：由于移動機器人四個車輪由四個單獨的電機驅動，所以在彎道時由于四個車輪所在的位置不同而有不同的車速，計算出彎道時每個車輪的速度，對移動機器人實現(xiàn)精確控制有著重要的意義，這樣可以防止車輪打滑和發(fā)生跑偏這樣影響行駛穩(wěn)定性的情況發(fā)生 。 本章小結 本章通過對賽道的分析，將賽道分為三種情況，他們分別是直道，彎道和便道。移動機器人對于不同的賽道有不一樣的速度，其中直道速度最快，而遇到彎道時需要減速轉彎，保證移動機器人適 中處于賽道內并嚴格按照軌跡行駛。移動機器人的速度由單片機產生 PWM 波，通過調節(jié)占空比來控制電機的轉速。經過軟件部分的分析與設計 加之硬件的配合，暫時可以使移動機器人循跡行駛，但是有些時候還是會沖出跑道，所以系統(tǒng)需要進一步調試。 移動機器人的循跡控制系統(tǒng)設計與應用 28 4 移動機器人循跡 系統(tǒng)調試與注意事項 移動機器人的硬件調試 移動機器人的硬件調試主要包括車的質量，車輪和賽道等。 （ 1） 賽道材質：賽道材質的不好將直接導致移動機器人對賽道的黑白不分或區(qū)分清晰很難識別路徑，進而對控制過程造成很大影響。另外，在移動機器人運行之前應將賽道 上的粉塵擦干凈。 （ 2） 移動機器人得質量：對動力性能有較大影響，應盡量輕化。 （ 3）車輪：增加抓力，調試時，選用合適的輪胎傾斜安裝角度，并進行前輪定位，以增強移動機器人穩(wěn)定性。 移動機器人 的軟件調試 單元調試 單元調試是要進行的最低級別的調試活動，在單元調試活動中，軟件的獨立單元將在與程序的其他部分相隔離的情況下進行調試。本系統(tǒng)的軟件基本都是用結構化編程語言 C 語言編寫，所以單元調試對象是函數(shù)或子過程。在單元調試中還包括代碼走讀，靜態(tài)分析和動態(tài)分析。靜態(tài)分析就是對軟件的源代碼進行研讀，查找錯誤 或收集度量數(shù)據(jù)，并不需要對代碼進行編譯和執(zhí)行。動態(tài)分析就是通過觀察軟件運行時的動作，來提供執(zhí)行跟蹤、時間分析以及測試覆蓋度方面的信息。以 PWM 模塊為例，它包括 PWM 初始化、 PWM 設置、延遲等子函數(shù)。對軟件的單元就是對這些子函數(shù)及主函數(shù)的獨立調試。 系統(tǒng)的組裝調試 如 PWM 模塊，把它的主函數(shù)和各個子函數(shù)合起來組成一個 PWM 模塊，并對函數(shù)和過程間接口的調試，即為組裝調試。在調試過程中要檢測 PWM 模塊是否能有效驅動電機。 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 29 系統(tǒng)調試 系統(tǒng)調試是將已經確認的軟件、硬件、外設等其他元素結合在一起 ，進行智能移動機器人系統(tǒng)的各種組裝調試，其目的是通過與系統(tǒng)的要求相比較，發(fā)現(xiàn)所建成的系統(tǒng)與要求不符或矛盾的地方，并測試整個系統(tǒng)是否能正常協(xié)調的工作。 注意事項 （ 1） 移動機器人部件發(fā)熱：需要采取適當?shù)纳岽胧?，以保護電機及其芯片組。 （ 2）避免過度轉向：過度轉向會嚴重損傷車體機械部件和輪胎。調試過程中，彎道行駛時需要控制車輛的轉向速度。 （ 3）提高穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是移動機器人調試的核心，在調試過程中要在保證穩(wěn)定性的前提下提高移動機器人的速度。 （ 4）提高轉向舵機的反應速度：可以在電機驅動輸出端并接一個大 電容以提高驅動力。加大舵機的工作電壓，以增加舵機抗負載能力。 （ 5）算法設計：調試中，為了適應各種各樣的賽道，簡單、可靠的控制方法往往比復雜的控制方法更能取得好的效果。 調試結果 經過以上各項的調試，移動機器人可以準確無誤地按照預定軌跡行駛 。 當小車在直道上行駛時，能夠 快速的沿著黑線的方向運行，無偏離軌道情況發(fā)生，圖 。 移動機器人的循跡控制系統(tǒng)設計與應用 30 圖 小車直道行駛狀態(tài)圖 當小車進入彎道時小車減速，在彎道上也能夠沿著黑線正常行駛，無偏離黑線狀況發(fā)生， 光電對管識別黑線正常，舵機轉向正常。如圖 態(tài)圖。 圖 小車彎道行駛狀態(tài)圖 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 31 當小車由直道進入彎道的過程中，小車自動進行減速，慢速進入彎道，未偏離軌道。當小車由彎道變直道的轉換過程中，小車合理的在直道起步初期進行加速 如圖 所示 ，從而提高在直道中的前進速度，未出現(xiàn)偏離黑線情況。 圖 小車 換 道行駛狀態(tài)圖 本章小結 本 章 基于 STC12C5A60S2單片機 ，設計并實現(xiàn)了 移動機器人 循跡控制 ，移動機器人通過 4個紅外傳 感器接收賽道信息，通過 A/D轉換器將信息傳給主控制模塊，若賽道信息有變化，主控模塊根據(jù)當前移動機器人所處的狀況運用方向控制算法和速度控制算法分別對移動機器人方向和速度進行分析，通過改變舵機和電機 PWM占空比的方法來改變移動機器人的方向和速度。通過控制芯片對移動機器人車速進行控制，車速檢測設備是紅外傳感器的補充，兩者聯(lián)合起到達到控制車速的目的。實踐證明，開始啟動時，能夠快速穩(wěn)定的尋黑線行駛，且速度響應時間快，穩(wěn)態(tài)誤差小，抗干擾能力強，最高車速可以達到 。當紅外傳感器檢測到彎道、變道等路徑識別標志 時，在移動機器人前排的傳感器將會出現(xiàn)明顯變化，此時能夠在運動控制芯片的控移動機器人的循跡控制系統(tǒng)設計與應用 32 制下，進行速度和方向的調整，明顯看到移動機器人進行減速和角度的調整。當過渡過程結束后，移動機器人進入直道，又進行速度的調整，以盡量提高行駛速度。 在不移動預定路徑的前提條件下能夠快速穩(wěn)定地從起點到終點的運動控制。 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 33 參考文獻 [1] 劉光瑞 .機器人創(chuàng)新制作 .西安：西北工業(yè)大學出版社， 2021:15. 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