智能寻迹小车的设计与制作

摘要：文章介绍了使用双路电压比较器，设计出智能寻迹小车，其控制系统由四個模块组成：路面寻迹检测、误差比较放大、驱动电机、控制小车。文章详细地介绍了系统组成、工作原理与设计过程，该设计具有低功耗、可靠

智能小车可实现寻迹、避障、检测贴片、寻光入库，避崖等功能。智能小车牵涉到机械结构、电子基础、传感器原理、自动控制甚至单片机编程等诸多学科知识，通过动手实践能大大提高解决实际问题的能力，而且智能小车还是一个很好的硬件平台，只要增加一些控制电路就能完成循迹小车、救火机器人、足球机器人、避障机器人、遥控汽车、无人驾驶等课题。

此次的设计主要实现路面检测寻迹功能，并对该项目设计目标的可行性进行了论证。小车要实现自动寻迹功能就必须要感知导引线，感知导引线相当给小车一个视觉功能，实现自动识别路线，选择正确的行进路线，实现无人驾驶。

1、设计要求

在白色（或黑色）的场地上有一条16毫米左右宽的黑色（或白色）跑道，不管是跑道如何弯曲，寻迹小车都能沿着黑色跑道自动行驶。

2、设计方案的比较与论证

本项目为智能小车，对于智能小车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本实验要实现对路径控制定位和速度测量不是要求太高，精度也不是太高，所以我们综合考虑了一下两种方案。

方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统，经综合比较考虑，我们放弃了此方案。

方案2：采用直流电机作为该系统的驱动电机。直流电机驱动小车的话必须要减速，否则转速过高的话小车跑得太快根本也来不及控制，而且未经减速的话转矩太小甚至跑不起来。带减速齿轮的直流减速电机电机电压3V，空载电流约50毫安，转速每分钟30转，断电能自动锁止，驱动力很大，转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便，能够较好的满足系统的要求。

因此我选择了方案2。

3、设计思路

智能寻迹小车，采用红外线发射和红外线接收对管，红外线发射管发射光线，经路面反射回来，由于白色和黑色对红外线的反射信号不相同，通过红外线接收到高低不同的电平信号，分别送到不同的LM393双路电压比较器进行误差比较，通过误差比较，得到一个误差电压，分别送到两路驱动放大电路进行放大，放大后的信号驱动电机，电机带动小车朝着轨道的方向自动行驶。电机部分，在设计时，专门设计了带减速齿轮的直流电机增大转矩和减小转速，防止小车跑不起来或是小车跑得太快根本来不及控制。

整个电路系统分为路面寻迹检测、误差比较放大、电机驱动、小车控制四个模块。首先利用光敏电阻对路面信号进行检测，经过比较器处理之后，输出相应的信号驱动直流电机转动，从而控制整个小车的运动。系统方案方框图如图2-1所示：

4、小车寻迹的原理

这里的寻迹是小车在白色的地板上寻黑线行走，用红色的LED作为光源，光线通过地面反射到光敏电阻上，LM393双路电压比较器随时比较着两路光敏电阻的大小，当出现不平衡时（例如一侧压黑色跑道）说明小车跑偏，立即控制一侧电机减速，另一侧电机加速旋转，从而使小车修正方向，恢复到正确的方向上，甚至电机停转这一侧的绿色的LED熄灭，驱动小车向相反方向行驶，这样小车就能始终沿着跑道行驶了。整个过程是一个闭环控制，因此能快速灵敏地控制。

5、硬件电路设计与实现

直流电机驱动小车的话必须要减速，否则转速过高的话小车跑得太快根本也来不及控制，而且未经减速的话转矩太小甚至跑不起来。带减速齿轮的直流电机能增大转矩和减小转速，防止小车跑不起来或是小车跑得太快根本来不及控制。

4）、硬件设计

智能寻迹小车能够快速平稳地行驶，需要控制系统把路径判断、转向及直流驱动电机控制结合在一起。小车硬件控制系统采用模块化设计，系统主要由电源模块、电机驱动模块、电压比较器模块、传感器模块组成。路径识别方案采用光电检测，小车硬件电路图下图所示：

6、安装调试

1）、电路部分安装

对照电路原理，先清理、检测元件，再对元件进行整型，再进行焊接电路图。

2）、机械组装

将万向轮螺丝穿入PCB孔中，并旋入万向轮螺母和万向轮。电池盒通过双面胶贴在PCB上，引出线穿过PCB预留孔焊接到PCB上，红线接3V正电源，黄线接地，多余的引线可以用于电机连线。

机械部分组装可以先组装轮子，轮子由三个轮片组成，最内侧的轮片中心孔是长园孔，中间的轮片直径比较小，外侧的轮片中心孔是园的，用两个螺丝螺母固定好三片轮片，并用黑色的自攻螺丝固定在电机的转轴上，最后将硅胶轮胎套在车轮上。用引线连接好电机引线，最后将车轮组件用不干胶粘贴在PCB制定位置，注意车轮和PCB边缘保持足够的间隙，将电机引线焊接到PCB上，注意引线适当留长一些，防止电机旋转方向错误后便于调换引线的顺序。

3）、整车调试

在电池盒内装入2节AA电池，开关拨在"ON"位置上，小车正确的行驶反相是沿万向轮方向行驶，如果按住左边的光敏电阻，小车的右侧的车轮应该转动，按住右边的光敏电阻，小车的左侧的车轮应该转动，如果小车后退行驶可以同时交换两个电机的接线，如果一侧正常另一侧后退，只要交换后退一侧电机接线即可。

设计出的智能寻迹小车，通过安装调试后，智能寻迹小车运行非常平稳，该设计具有低功耗、可靠性好、安全性高以及低成本等特点，完全实现自动无人驾驶，该设计方案完全满足智能寻迹小车的设计要求。

参考文献

[1] 冯全源. 数字电子技术 [M].北京：机械工业出版社， 2015

[2] 高雪飞. Altium Designer 10原理图与PCB设计教程[M].北京：北京希望电子出版社， 2014

作者简介：

胡建明，男，1970.2.17，汉族，重庆忠县人，副教授，重庆三峡职业学院，研究方向：电子技术及自动化控制方向，