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摘要：自动循迹小车控制系统，是最简单的轮式机器人，适合在一些特殊环境中工作，因其成本低廉，目前已在许多工业场合获得广泛应用。例如在高温高压环境、有毒有害气体环境以及外星探测等都有机器人的应用，所有这些应用正逐步渗入到工业生产和我们日常生活的各个层面。智能小车是一个集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统。它集中地运用了计算机、传感、信息、通讯及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体【1】。本文采用STM32F103ZET6为控制核心， 设计了一种具有自动循迹功能的小车系统，该智能循迹小车能沿黑色引导轨迹前进实现循迹、避障和红外遥控功能。
关键词：循迹小车 避障 红外遥控
1.1控制器模块方案论证
方案一：采用AT89C51单片机作为控制器。AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8为微控制器，具有8K可编程Flash存储器。该系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试，并且价格便宜。但是可利用资源过少。
方案二：采用STM32F103ZET6作为控制器。性能优良，一致性好，提高了对直流电机的控制效率，并对控制系统进行模块化设计，STM32F103ZET6拥有丰富的资源，有利于智能小车的功能扩展和升级。
方案三：采用FPGA作为系统的主控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，IO口资源丰富，易于进行功能扩展，处理速度快，常用于大规模实时性要求较高的系统，但价格高，编程实现难度大。
综上，选用方案二作为控制器。
1.2电机驱动方案论证
（1）自己搭建桥式电机驱动
电机加减速以及正反转的典型电路是H桥驱动电路，根据需要分析，可用功率三极管或者cmos管来搭建，这样有助于提高我们的动手能力和知识融汇通的能力。但是要想得到兩个理想的独立驱动，必须选用参数尽量完全一致的管子才行，而这些元件的制造工艺只能保障在一定的范围内一致，这样，给调试带来不少的麻烦，且抗外界干扰能力差，复杂化了电路的设计。
（2）购买专用电机驱动模块
市面上有专门的双电机驱动芯片L298N，经测试性能可以满足小车的电机控制要求，而且外围电路比较简单，稳定性较好，驱动能力够强。能够很好的保证两电机的同步。所以决定选用此方案。
1.3避障模块方案论证
方案一：采用红外对管。使用红外对管最大的优点就是结构简明，实现方便，成本低廉。但红外传感器的缺点是，容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。
方案二：采用反射式超声波测距换能器，只要有物体反射超声波时就能有信号输入，再将接收信号的计时器值减去发送信号时计数器的值，就可以得出小车至所测量到的干扰物的距离。将此距离信息发送给核心控制模块，单片机将会根据程序设定使小车的行驶发生偏移，从而达到规避干扰物的目的。优点是简单方便，不易受背景光源的影响。
2.1、寻迹车寻迹方案论证
（1）使用CCD传感器来采集路面信息
使用CCD传感器，可以获得丰富的图像信息，全面完整地掌握车道信息，可以进行较远距离的预测和图像识别复杂的车道，而且对于外界干扰的抗干扰能力很强。然而，在此处使用CCD传感器增加了实现难度。一旦使用CCD传感器，大量图像处理的工作无可避免，它要求对大量的数据进行运算，实现起来工作量大，十分繁重。
（2）使用光电传感器来采集路面信息
使用红外对管最大的优点就是结构简明，实现方便，成本低廉，免去了繁复的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于近距离路面情况的检测。但红外传感器的缺点是，它所获取的信息是不完全的，只能对路面情况作简单的黑白判别，检测距离有限，而且容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。
在本次比赛中，赛道只有黑白两种颜色，小车只要能区分黑白两色就可以采集到准确的路面信息。经过综合考虑，采取红外对管作为循迹模块。
3.2、电机驱动控制方案
采用四电机驱动：四个电机分别由L298N的两对输入输出口控制，左边两个电机并在一起接L298N电机驱动模块1号输出口，右边两个电机并在一起接L298N2号输出端口，相当于两个电机，电机正负极和使能端通过单片机控制。我们通过改变电机的转动状态来改变小车的运动状态。
3.3、避障方案
避障方案选择了利用超声波测距的原理对障碍进行识别及绕行，回到原路线继续行驶。在测距计数电路设计中，采用了相关计数法，其主要原理是：测量时单片机系统先给发射电路提供脉冲信号，单片机计数器处于等待状态，不计数；当信号发射一段时间后，由单片机发出信号使系统关闭发射信号，计数器开始计数，实现起始时的同步；当接收信号的最后一个脉冲到来后，计数器停止计数。
超声波测距公式：l=v*t/2
当超声波检测到12cm左右处的障碍物时，此时改变四个轮子的运动状态，使小车向左转55°，然后沿直线行驶一定距离，再向右旋转55°，继续沿直线行驶一定距离，一定距离后向右旋转55°，待捕捉到黑色的车道时，进入循迹状态，避障部分完成。
4.1、测试方法
循迹小车的循迹结果并不是唯一的，PWM调速，电池电量，光线等对循迹过程均产生一定影响。当我们保持其他因素不变时，随着测试次数的不同，测试结果也不相同。我们采用多次测量的方法，使小车测得的路程逼近理论值。
引用：
[1]余炽业，宋跃，雷瑞庭.基于STC12C5A60S2的智能循迹小车[J].实验室研究与探索，2014，（11）：46-49，121.DOI：10.3969/j.issn.1006-7167.2014.11.012.
关键词：循迹小车 避障 红外遥控
1.1控制器模块方案论证
方案一：采用AT89C51单片机作为控制器。AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8为微控制器，具有8K可编程Flash存储器。该系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试，并且价格便宜。但是可利用资源过少。
方案二：采用STM32F103ZET6作为控制器。性能优良，一致性好，提高了对直流电机的控制效率，并对控制系统进行模块化设计，STM32F103ZET6拥有丰富的资源，有利于智能小车的功能扩展和升级。
方案三：采用FPGA作为系统的主控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，IO口资源丰富，易于进行功能扩展，处理速度快，常用于大规模实时性要求较高的系统，但价格高，编程实现难度大。
综上，选用方案二作为控制器。
1.2电机驱动方案论证
（1）自己搭建桥式电机驱动
电机加减速以及正反转的典型电路是H桥驱动电路，根据需要分析，可用功率三极管或者cmos管来搭建，这样有助于提高我们的动手能力和知识融汇通的能力。但是要想得到兩个理想的独立驱动，必须选用参数尽量完全一致的管子才行，而这些元件的制造工艺只能保障在一定的范围内一致，这样，给调试带来不少的麻烦，且抗外界干扰能力差，复杂化了电路的设计。
（2）购买专用电机驱动模块
市面上有专门的双电机驱动芯片L298N，经测试性能可以满足小车的电机控制要求，而且外围电路比较简单，稳定性较好，驱动能力够强。能够很好的保证两电机的同步。所以决定选用此方案。
1.3避障模块方案论证
方案一：采用红外对管。使用红外对管最大的优点就是结构简明，实现方便，成本低廉。但红外传感器的缺点是，容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。
方案二：采用反射式超声波测距换能器，只要有物体反射超声波时就能有信号输入，再将接收信号的计时器值减去发送信号时计数器的值，就可以得出小车至所测量到的干扰物的距离。将此距离信息发送给核心控制模块，单片机将会根据程序设定使小车的行驶发生偏移，从而达到规避干扰物的目的。优点是简单方便，不易受背景光源的影响。
2.1、寻迹车寻迹方案论证
（1）使用CCD传感器来采集路面信息
使用CCD传感器，可以获得丰富的图像信息，全面完整地掌握车道信息，可以进行较远距离的预测和图像识别复杂的车道，而且对于外界干扰的抗干扰能力很强。然而，在此处使用CCD传感器增加了实现难度。一旦使用CCD传感器，大量图像处理的工作无可避免，它要求对大量的数据进行运算，实现起来工作量大，十分繁重。
（2）使用光电传感器来采集路面信息
使用红外对管最大的优点就是结构简明，实现方便，成本低廉，免去了繁复的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于近距离路面情况的检测。但红外传感器的缺点是，它所获取的信息是不完全的，只能对路面情况作简单的黑白判别，检测距离有限，而且容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。
在本次比赛中，赛道只有黑白两种颜色，小车只要能区分黑白两色就可以采集到准确的路面信息。经过综合考虑，采取红外对管作为循迹模块。
3.2、电机驱动控制方案
采用四电机驱动：四个电机分别由L298N的两对输入输出口控制，左边两个电机并在一起接L298N电机驱动模块1号输出口，右边两个电机并在一起接L298N2号输出端口，相当于两个电机，电机正负极和使能端通过单片机控制。我们通过改变电机的转动状态来改变小车的运动状态。
3.3、避障方案
避障方案选择了利用超声波测距的原理对障碍进行识别及绕行，回到原路线继续行驶。在测距计数电路设计中，采用了相关计数法，其主要原理是：测量时单片机系统先给发射电路提供脉冲信号，单片机计数器处于等待状态，不计数；当信号发射一段时间后，由单片机发出信号使系统关闭发射信号，计数器开始计数，实现起始时的同步；当接收信号的最后一个脉冲到来后，计数器停止计数。
超声波测距公式：l=v*t/2
当超声波检测到12cm左右处的障碍物时，此时改变四个轮子的运动状态，使小车向左转55°，然后沿直线行驶一定距离，再向右旋转55°，继续沿直线行驶一定距离，一定距离后向右旋转55°，待捕捉到黑色的车道时，进入循迹状态，避障部分完成。
4.1、测试方法
循迹小车的循迹结果并不是唯一的，PWM调速，电池电量，光线等对循迹过程均产生一定影响。当我们保持其他因素不变时，随着测试次数的不同，测试结果也不相同。我们采用多次测量的方法，使小车测得的路程逼近理论值。
引用：
[1]余炽业，宋跃，雷瑞庭.基于STC12C5A60S2的智能循迹小车[J].实验室研究与探索，2014，（11）：46-49，121.DOI：10.3969/j.issn.1006-7167.2014.11.012.