基于MSP430的自動(dòng)避讓小車(chē)的設計與實(shí)現

摘要：設計了一個(gè)基于MSP430F149單片機自動(dòng)避讓小車(chē)控制系統，系統由兩個(gè)帶有無(wú)線(xiàn)通訊模塊、電機驅動(dòng)模塊、循跡模塊以及超聲波測距模塊的小車(chē)組成。通過(guò)無(wú)線(xiàn)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)響應小車(chē)循跡模塊信號，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；超聲波測距；紅外遁跡；模糊控制

0 引言
機器人競賽是近些年國際上開(kāi)展的一項高科技活動(dòng)，它集高新技術(shù)、娛樂(lè )和競賽于一體，受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注和極大興趣。機器人小車(chē)子系統其性能和運動(dòng)時(shí)的避讓控制是自動(dòng)控制系統中重要的處理技術(shù)之一，也是整個(gè)系統中至關(guān)重要的部分。本文設計了一個(gè)基于低功耗單片機MSP430F149的智能自動(dòng)避讓小車(chē)控制系統，系統由兩個(gè)基本相同的小車(chē)為主要載體，搭配對應的無(wú)線(xiàn)通訊模塊、電機驅動(dòng)模塊、循跡模塊以及超聲波測距模塊。系統控制方案主要通過(guò)nrf905無(wú)線(xiàn)通信模塊來(lái)實(shí)現甲，乙兩小車(chē)的呼叫、應答信號。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)在規定的車(chē)道里面行駛以及即時(shí)確定小車(chē)已經(jīng)到達的位置來(lái)調整小車(chē)自身車(chē)位。設計方法上主要是通過(guò)光柵計數匹配來(lái)實(shí)現小車(chē)的精確直線(xiàn)行駛，通過(guò)左右車(chē)輪反轉的方式來(lái)實(shí)現小車(chē)小范圍內快速精確轉向，以及可調占
空比控制小車(chē)無(wú)級變速，并且采用了模糊算法來(lái)實(shí)時(shí)響應小車(chē)循跡模塊信號，從而保證了小車(chē)快速向前行駛，而且不超出邊界。

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

2 理論分析與計算
2．1 信號檢測與控制
(1)紅外循跡模塊。本系統采用3．3V紅外對管，利用木板和黑膠帶對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，再經(jīng)過(guò)放大器LM358組成的電壓比較器來(lái)獲得對應的高低電平信號送給430單片機檢測。
(2)超聲波測距模塊。本系統采用HC-SR04的超聲波模塊，由單片機產(chǎn)生一個(gè)大于10 μs的高電平觸發(fā)模塊進(jìn)行測距，利用超聲波信號的發(fā)送與接收時(shí)間差來(lái)計算距離。
(3)小車(chē)精確控制。通過(guò)光柵編碼器返回的數據對電機進(jìn)行反饋調節，利甩PWM波的占空比實(shí)現電機調速，從而保證小車(chē)精確運動(dòng)。
2．1 兩車(chē)之間的通信方式
系統主要是利用nRF905無(wú)線(xiàn)模塊來(lái)進(jìn)行通信，利用車(chē)道已有的轉彎標志和超車(chē)標志線(xiàn)，在對應的位置通過(guò)紅外循跡模塊獲得信號之后，利用nRF905無(wú)線(xiàn)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)調節兩輛小車(chē)的位置，確定下一階段的行駛方式。
2．2 節能方式
系統采用了德州儀器公司的低功耗單片機MSP430F149，內部功能模塊多、資源豐富，最為突出的是此單片機采用3．3V供電，有掉電、待機模式，這使得其在功耗方面有極大的減少。在低功耗、小型控制系統中有著(zhù)突出的優(yōu)勢和應用市場(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，只有得到相應的觸發(fā)信號之后，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(xiàn)模塊可以設置空閑模式或關(guān)機模式，關(guān)機模式時(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 硬件電路設計
3．1 紅外循跡模塊電路
主要有一對3．3V供電的紅外對管和一個(gè)LM358運算放大器組成。接收管的輸出信號輸入由LM358組成的電壓比較器電路，當紅外光線(xiàn)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。