基于MSP430單片機(jī)的智能小車(chē)尋跡模塊研究

摘要：設(shè)計(jì)方案以MSP430單片機(jī)為系統(tǒng)的控制核心，采用反射式光電傳感器模塊尋跡，實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)的自動(dòng)尋跡行駛。在實(shí)驗(yàn)中采用與白色相差很大的黑色引導(dǎo)線作為智能小車(chē)的既定路線，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)采用控制方式為PWM的直流電機(jī)。詳細(xì)介紹了反射式光電傳感器尋跡模塊的工作原理，尋跡模塊的電路圖以及在以MSP430單片機(jī)為控制核心的基礎(chǔ)上如何實(shí)現(xiàn)智能尋跡小車(chē)的自動(dòng)尋跡行駛。并簡(jiǎn)要介紹了系統(tǒng)的電路圖。該技術(shù)可用于無(wú)人生產(chǎn)線、服務(wù)機(jī)器人、倉(cāng)庫(kù)等領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：智能小車(chē)；MSP430；反射式光電傳感器；PWM

0 引言
    智能小車(chē)又稱(chēng)輪式移動(dòng)機(jī)器人，能夠按預(yù)設(shè)模式在特定環(huán)境中自動(dòng)移動(dòng)，無(wú)需人工干預(yù)，可用于科學(xué)勘測(cè)、現(xiàn)代物流等方面。針對(duì)路面采用黑色標(biāo)記線條作為路徑引導(dǎo)線的應(yīng)用場(chǎng)合，反射式光電傳感器是常用的路徑識(shí)別傳感器。反射式光電傳感器因信號(hào)處理方式和物理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化環(huán)境和低成本產(chǎn)品中，雖然存在檢測(cè)距離近、預(yù)測(cè)性差的弱點(diǎn)，但通過(guò)合理設(shè)計(jì)和選擇反射式光電傳感器并結(jié)合合適的信息處理軟件能夠滿(mǎn)足上述簡(jiǎn)單環(huán)境場(chǎng)合應(yīng)用。隨著汽車(chē)ECU電子控制的發(fā)展，在汽車(chē)上配備遠(yuǎn)程信息處理器，傳感器和接收器，通過(guò)這些器件的協(xié)調(diào)控制可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的無(wú)人駕駛。本文提出基于MSP430單片機(jī)的控制裝置，通過(guò)反射式光電傳感器尋跡，MSP430單片機(jī)處理反射式光電傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，從而控制智能車(chē)的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)的自動(dòng)尋跡。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
    在小車(chē)車(chē)體的前端貼近地面的地方安裝有4組尋跡模塊，如圖1所示，單片機(jī)通過(guò)判斷4個(gè)尋跡模塊發(fā)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)循跡。尋跡模塊在遇到黑線時(shí)發(fā)送低電平信號(hào)，遇到空白的地方發(fā)送高電平信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)判斷高低電平即可作出相應(yīng)的操作。通過(guò)4組尋跡模塊發(fā)送的信號(hào)組合，可將小車(chē)行駛狀態(tài)分成如表1所示7種狀態(tài)。

    單片機(jī)通過(guò)判斷當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，然后對(duì)L298驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行相應(yīng)的操作。當(dāng)正常時(shí)，不進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)左偏時(shí)，通過(guò)對(duì)L298驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行調(diào)整，使小車(chē)的左輪速度大于右輪速度，即可實(shí)現(xiàn)小車(chē)向右調(diào)整。由于左偏有三種情形，但每種情形只是使能端的PWM參數(shù)不同。當(dāng)右偏時(shí)，處理流程與左偏類(lèi)似。

2 尋跡模塊的硬件設(shè)計(jì)
    繪制完成的反射式光電傳感器電路圖如圖2所示。該電路的工作原理為：當(dāng)光耦TCRT5000有光線反射回來(lái)，即遇到白色等反光能力強(qiáng)的跑道，放大器LM324AD的輸出端輸出為高電平，反之，輸出為低電平。單片機(jī)通過(guò)控制LM324AD的輸出端電壓即可做出相應(yīng)的控制操作。四個(gè)相同的此模塊分別與單片機(jī)的P41，P42，P43，P44引腳相連。單片機(jī)模塊如圖3所示。

3 循跡模塊的軟件設(shè)計(jì)
    在小車(chē)的自動(dòng)控制模式下，單片機(jī)通過(guò)判斷4個(gè)尋跡模塊發(fā)送回來(lái)的不同信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的操作。整體的思路為：小車(chē)左偏則左輪的速度要大于右輪的速度小車(chē)才能恢復(fù)正常，小車(chē)右偏則右輪的速度要大于左輪的速度小車(chē)才能恢復(fù)正常，當(dāng)小車(chē)正常時(shí)兩側(cè)輪子的速度相同。由上面的分析可知速度的快慢可通過(guò)對(duì)L298使能端PWM值的控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)多次調(diào)試可得出如表2所示的PWM數(shù)值。

4 MCU控制與算法實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)控制由微處理器完成，微處理器采用MSP430單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)讀入傳感器的信號(hào)后即可判斷小車(chē)當(dāng)前的行駛狀態(tài)，具體流程如圖4所示。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)的智能小車(chē)尋跡系統(tǒng)的電路如圖5所示。其中U1、U5、U7、U8分別為反射式光電傳感器A、B、C、D，布局如圖5所示，負(fù)責(zé)采集軌道信息。U6為L(zhǎng)298驅(qū)動(dòng)模塊，負(fù)責(zé)控制智能小車(chē)兩側(cè)直流電機(jī)。

6 結(jié)語(yǔ)
    通過(guò)對(duì)智能車(chē)尋跡模塊的研究，分析MSP430單片機(jī)的應(yīng)用，利用感光傳感器信息來(lái)控制智能車(chē)的自動(dòng)轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)了智能車(chē)的自動(dòng)尋跡。該尋跡系統(tǒng)的工作流程可概括為：通過(guò)四個(gè)外置的反射式紅外線傳感器收集軌道信息，在通過(guò)微處理器對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，然后將處理后的信息通過(guò)PWM信號(hào)傳遞給L298驅(qū)動(dòng)模塊，L298模塊根據(jù)接收到的軌道信號(hào)控制智能車(chē)兩側(cè)直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，最終達(dá)到尋跡的目的。智能車(chē)在軍事、工業(yè)和民用領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中，涉及到如何構(gòu)造完整的導(dǎo)航系統(tǒng)以及多種傳感器數(shù)據(jù)融合及控制算法等，這需要在實(shí)踐中不斷研究探索。