基于MSP430的自動(dòng)避讓小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：設(shè)計(jì)了一個(gè)基于MSP430F149單片機(jī)自動(dòng)避讓小車(chē)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由兩個(gè)帶有無(wú)線通訊模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、循跡模塊以及超聲波測(cè)距模塊的小車(chē)組成。通過(guò)無(wú)線通訊模塊、超聲波模塊以及利用紅外遁跡模塊來(lái)確保兩車(chē)在規(guī)定的車(chē)道里的行駛和相互避讓，并且采用了模糊算法來(lái)實(shí)時(shí)響應(yīng)小車(chē)循跡模塊信號(hào)，從而保證了小車(chē)快速向前行駛，而且不超出邊界。
關(guān)鍵詞：MSP430；nRF905；超聲波測(cè)距；紅外遁跡；模糊控制

0 引言
機(jī)器人競(jìng)賽是近些年國(guó)際上開(kāi)展的一項(xiàng)高科技活動(dòng)，它集高新技術(shù)、娛樂(lè)和競(jìng)賽于一體，受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注和極大興趣。機(jī)器人小車(chē)子系統(tǒng)其性能和運(yùn)動(dòng)時(shí)的避讓控制是自動(dòng)控制系統(tǒng)中重要的處理技術(shù)之一，也是整個(gè)系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于低功耗單片機(jī)MSP430F149的智能自動(dòng)避讓小車(chē)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由兩個(gè)基本相同的小車(chē)為主要載體，搭配對(duì)應(yīng)的無(wú)線通訊模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、循跡模塊以及超聲波測(cè)距模塊。系統(tǒng)控制方案主要通過(guò)nrf905無(wú)線通信模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)甲，乙兩小車(chē)的呼叫、應(yīng)答信號(hào)。通過(guò)超聲波模塊來(lái)確定甲乙兩小車(chē)的相互位置關(guān)系。利用紅外遁跡模塊來(lái)確保兩小車(chē)在規(guī)定的車(chē)道里面行駛以及即時(shí)確定小車(chē)已經(jīng)到達(dá)的位置來(lái)調(diào)整小車(chē)自身車(chē)位。設(shè)計(jì)方法上主要是通過(guò)光柵計(jì)數(shù)匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的精確直線行駛，通過(guò)左右車(chē)輪反轉(zhuǎn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)小范圍內(nèi)快速精確轉(zhuǎn)向，以及可調(diào)占
空比控制小車(chē)無(wú)級(jí)變速，并且采用了模糊算法來(lái)實(shí)時(shí)響應(yīng)小車(chē)循跡模塊信號(hào)，從而保證了小車(chē)快速向前行駛，而且不超出邊界。

1 總體方案設(shè)計(jì)與比較
方案一：精確控制甲乙兩車(chē)的行走距離和轉(zhuǎn)彎角度，不用其它的循跡或通信等模塊對(duì)小車(chē)的軌跡進(jìn)行修正，僅按照要求對(duì)小車(chē)路徑進(jìn)行模擬。
方案二：在方案一的基礎(chǔ)上加入nRF905無(wú)線通信模塊，后面的小車(chē)通過(guò)無(wú)線通信跟隨前面的小車(chē)，避免兩車(chē)相撞，前面的小車(chē)需要在程序員設(shè)定的路徑下精確行駛。
方案三：在方案二的基礎(chǔ)上加入循跡和超聲波模塊，充分利用車(chē)道的邊沿和起點(diǎn)、終點(diǎn)、轉(zhuǎn)向等標(biāo)志線，來(lái)精確定位小車(chē)，同時(shí)利用超聲波模塊來(lái)探測(cè)甲乙兩車(chē)的相對(duì)距離，確保小車(chē)不撞車(chē)。
論證：通過(guò)上述三種方案的測(cè)試與比較，方案一硬件和編程算法相對(duì)比較簡(jiǎn)單但是實(shí)踐起來(lái)繁瑣且適應(yīng)能力差。方案二中使用無(wú)線通信模塊來(lái)控制整個(gè)過(guò)程，適應(yīng)能力有所提高，但仍然無(wú)法全面地滿足題目要求。方案三加入了多種反饋模塊，對(duì)外界信息采集能力強(qiáng)，能較為全面地完成題目要求。權(quán)衡利弊，選擇方案三。

2 理論分析與計(jì)算
2．1 信號(hào)檢測(cè)與控制
(1)紅外循跡模塊。本系統(tǒng)采用3．3V紅外對(duì)管，利用木板和黑膠帶對(duì)紅外光的不同反射特性來(lái)(木板反光，黑膠帶吸光)獲得循跡信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大器LM358組成的電壓比較器來(lái)獲得對(duì)應(yīng)的高低電平信號(hào)送給430單片機(jī)檢測(cè)。
(2)超聲波測(cè)距模塊。本系統(tǒng)采用HC-SR04的超聲波模塊，由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)大于10 μs的高電平觸發(fā)模塊進(jìn)行測(cè)距，利用超聲波信號(hào)的發(fā)送與接收時(shí)間差來(lái)計(jì)算距離。
(3)小車(chē)精確控制。通過(guò)光柵編碼器返回的數(shù)據(jù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，利甩PWM波的占空比實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，從而保證小車(chē)精確運(yùn)動(dòng)。
2．1 兩車(chē)之間的通信方式
系統(tǒng)主要是利用nRF905無(wú)線模塊來(lái)進(jìn)行通信，利用車(chē)道已有的轉(zhuǎn)彎標(biāo)志和超車(chē)標(biāo)志線，在對(duì)應(yīng)的位置通過(guò)紅外循跡模塊獲得信號(hào)之后，利用nRF905無(wú)線模塊把信息發(fā)給另外一輛小車(chē)。通過(guò)這種信息的交流來(lái)調(diào)節(jié)兩輛小車(chē)的位置，確定下一階段的行駛方式。
2．2 節(jié)能方式
系統(tǒng)采用了德州儀器公司的低功耗單片機(jī)MSP430F149，內(nèi)部功能模塊多、資源豐富，最為突出的是此單片機(jī)采用3．3V供電，有掉電、待機(jī)模式，這使得其在功耗方面有極大的減少。在低功耗、小型控制系統(tǒng)中有著突出的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用市場(chǎng)。
此外小車(chē)在正常工作過(guò)程中，并不完全啟動(dòng)各個(gè)模塊，只有得到相應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)之后，該模塊才會(huì)被啟動(dòng)，從而降低各個(gè)模塊的功耗。另外nRF905無(wú)線模塊可以設(shè)置空閑模式或關(guān)機(jī)模式，關(guān)機(jī)模式時(shí)nRF905工作電流最小只有25 μA；空閑模式下nRF905模塊只有部分晶體振蕩器工作，有利于減小工作電流。

3 硬件電路設(shè)計(jì)
3．1 紅外循跡模塊電路
主要有一對(duì)3．3V供電的紅外對(duì)管和一個(gè)LM358運(yùn)算放大器組成。接收管的輸出信號(hào)輸入由LM358組成的電壓比較器電路，當(dāng)紅外光線反射回來(lái)時(shí)為高電平，否則為低電平，具體電路如圖1所示。