基于包容式結構的智能循跡小車(chē)設計

摘要：設計出一個(gè)基于包容式結構的智能循跡小車(chē)，該小車(chē)采用單片機AT89S51作為控制器。該系統主要有避障行為模塊、軌線(xiàn)跟蹤行為模塊、遠程控制行為以及緊急停車(chē)模塊。采用紅外傳感器設計檢測軌線(xiàn)模塊，超聲波傳感器設計避障模塊。對于避障行為模塊，提出采用模糊控制算法進(jìn)行避障。經(jīng)大量實(shí)驗驗證該小車(chē)不僅能穩定跟蹤軌線(xiàn)，而且能繞障礙物行走。

智能小車(chē)是一種集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規劃、行為控制與執行等多種功能于一體的綜合系統，是一種功能簡(jiǎn)化的移動(dòng)機器人，廣泛用于智能吸塵器、搬運小型物件、清理垃圾等。所謂智能，即是沒(méi)有人為干預下能自動(dòng)完成給定的任務(wù)。然而，環(huán)境未知，執行任務(wù)復雜，單一的傳感器不能實(shí)現其功能，多傳感器信息技術(shù)被用來(lái)感知周?chē)h(huán)境與任務(wù)執行是一種有效的措施，通過(guò)多傳感器信息的綜合判斷處理，獲得對環(huán)境的正確理解，使小車(chē)系統具有容錯性，保證系統信息的快速性和正確性，其可靠度高于單個(gè)傳感器所能達到的目標。

常用機器人的體系結構有分層體系結構、包容式體系結構和混合式體系結構。在20世紀80年代Brooks提出了機器人的行為主義和包容結構，將復雜的任務(wù)分解成多個(gè)簡(jiǎn)單的可以并發(fā)執行的單元，每個(gè)單元有自己的感知器和執行器。多個(gè)行為相耦合構成層次模型，重點(diǎn)強調在不同層間的聯(lián)系以及不同行為功能分配。智能小車(chē)也就是簡(jiǎn)化的移動(dòng)機器人，其運動(dòng)控制就是通過(guò)調節智能小車(chē)的運動(dòng)速度和運動(dòng)方向，使智能小車(chē)沿期望的路徑運動(dòng)。機器人的行為可以分為兩大類(lèi)：反應型和慎思型。

反應型行為是一種激勵一響應行為，不需要計算過(guò)程，響應時(shí)間短。Brook等提出的包容結構就是典型的反應范式，行為按照能力的等級進(jìn)行分層，位于較高層次的行為可以覆蓋相鄰低層次的行為輸出。慎思行為是可學(xué)習的，有意識的行為。它是將規劃加入到反應式中，使得機器人具有記憶和推理能力。傳統的基于感知-建模-規劃-動(dòng)作的方法不易建立準確的環(huán)境模型，而且較難實(shí)現動(dòng)態(tài)的、未知環(huán)境下的路徑跟蹤。反應式是一種從感知到動(dòng)作的直接映射，智能小車(chē)能夠對外界環(huán)境作出快速響應。

基于本文的研究目的，在未知的、動(dòng)態(tài)的室內環(huán)境設計一個(gè)智能循跡小車(chē)，不僅要求穩定實(shí)時(shí)跟蹤給定軌線(xiàn)運動(dòng)，且跟蹤過(guò)程自動(dòng)繞開(kāi)障礙物，采用一種基于包容式結構的軌線(xiàn)跟蹤控制方法設計智能循跡小車(chē)。

1 智能循跡小車(chē)設計原理

智能循跡小車(chē)在沒(méi)有人干預的環(huán)境中，能沿給定路線(xiàn)行走并在突然有障礙物出現時(shí)能繞開(kāi)障礙物或者緊急停車(chē)。本次設計的小車(chē)主要實(shí)現智能循跡，采用單片機AT89S51作為控制器，采用反射式紅外線(xiàn)光電傳感器用于檢測路面的引導軌跡，采用壓電式超聲波傳感器來(lái)實(shí)現對小車(chē)的智能避障，用NT-T10A發(fā)射模塊和XY-R04A接收模塊作為無(wú)線(xiàn)遠程控制模塊，實(shí)現對智能小車(chē)的遠程控制，同時(shí)在LCD屏幕上顯示小車(chē)的運行狀態(tài)，速度等情況，兩直流電動(dòng)機即左右輪各一個(gè)，采用L298N來(lái)驅動(dòng)電動(dòng)小車(chē)的兩臺直流電動(dòng)機實(shí)現小車(chē)的直行與轉彎。該系統的主要實(shí)現硬件結構框架圖如圖1所示。

智能小車(chē)的主要任務(wù)實(shí)現軌跡跟蹤，首先根據紅外傳感器獲得路面信息，檢測跟蹤軌跡線(xiàn)，通過(guò)獲得的軌跡信息進(jìn)行計算，判斷驅動(dòng)左輪還是右輪，向左或向右轉動(dòng)角度，同時(shí)啟動(dòng)避障功能，檢測是否有障礙，如果有，結束軌跡跟蹤，進(jìn)行避障。判斷是否有遠程人為控制命令，如果有，就結束軌跡跟蹤或者避障功能，響應遠程控制命令。同時(shí)檢測是否有結束程序命令，如果有，就結束所有任務(wù)。該系統基本行為模塊如圖2所示，采用水平分解任務(wù)結構模式，每個(gè)行為都在運行，通過(guò)單片機中斷設置實(shí)現。

2 行為模塊設計

2.1 避障模塊設計

采用兩個(gè)超聲波傳感器，分別設計在小車(chē)左側與右側。圖3為左側超聲波傳感器與單片機相連。VCC接5  V電源，Trig與AT89S51單片機的P1.0相連，Echo與AT89S51單片機P1.1相連，GND與地相連即可。右側傳感器連接方式與左側相同，但是與單片機連接分別為P1.2與P1.3。

障礙物距離信息是超聲波從發(fā)射聲波接收到反射回來(lái)聲波的時(shí)問(wèn)間隔與速度乘積得到。設時(shí)間間隔為t，超聲波在空氣中的傳播速度為v，則傳感器與障礙物的距離d為：

避障不僅能夠使智能小車(chē)順利執行任務(wù)，而且能夠阻止智能小車(chē)對環(huán)境的損傷。目前移動(dòng)機器人用于避障的方法較多，就環(huán)境信息已知的研究來(lái)看，主要有矢量力場(chǎng)法、柵格法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法、模擬退火算法、螞蟻算法等。對于環(huán)境未知的避障研究有人工勢場(chǎng)法、模糊邏輯法等，模糊邏輯法將模糊控制本身所具有的魯棒性與基于生理學(xué)的“感知-動(dòng)作”行為結合起來(lái)，為移動(dòng)機器人在復雜環(huán)境中的避障導航提出了新的思路。模糊邏輯法避開(kāi)了對環(huán)境信息依賴(lài)的特點(diǎn)，對處理未知的、實(shí)時(shí)的復雜環(huán)境具有較強的優(yōu)越性。對于障礙物避障采用模糊控制算法進(jìn)行避障，對于智能小車(chē)與左右側障礙物之間的距離分為三個(gè)語(yǔ)意變量即大、中、小，輸出的速度也分為三個(gè)語(yǔ)意變量即快、中、慢本設計采用PWM波控制電機轉速，模糊控制器輸出直接控制脈沖寬度。

2.2 軌跡跟蹤模塊

本系統共設計三個(gè)紅外線(xiàn)傳感器，分別放置在電動(dòng)車(chē)的左、中、右三個(gè)方向，用來(lái)讀取地上的黑色軌跡線(xiàn)。當行車(chē)方向偏離軌跡的時(shí)候，通過(guò)這三個(gè)紅外線(xiàn)感應裝置就可以判斷出行車(chē)偏離的方向，將實(shí)時(shí)信息以高低電平的方式傳送回單片機，然后通過(guò)單片機的處理，相應的控制直流芯片就可以修正行車(chē)路線(xiàn)，最終完成自動(dòng)尋跡的任務(wù)。紅外線(xiàn)傳感器的工作過(guò)程如下：當行車(chē)方向向右偏離軌跡線(xiàn)的時(shí)候，會(huì )有兩種情況發(fā)生：1)中間和左側紅外線(xiàn)傳感器同時(shí)接觸到地面黑線(xiàn)，右側傳感器接觸白色地面;2)左側一個(gè)傳感器接觸黑線(xiàn)，中間和右側傳感器接觸地面白色部分。這兩種情況都是行車(chē)方向右偏移的情況。相似的小車(chē)發(fā)生左偏移的時(shí)候也有兩種情況。這三個(gè)傳感器作為行車(chē)數據的輸入信號由單片機的I/O口輸入，那么就需要一個(gè)TFL的電壓，而且要根據需求可以對傳感器的靈敏度進(jìn)行微調，滿(mǎn)足靈敏度的需要。所以可以把這三路信號引入由LM324組成的電壓比較器進(jìn)行電平的整形，最終給單片機使用。

圖4是一路紅外光傳感器電路的原理圖。VCC接入5  V電源，D1是紅外線(xiàn)發(fā)射管，上接一個(gè)限流保護電阻R1，D2是紅外線(xiàn)接收管，上接一個(gè)上拉電阻。當接觸的是白色地面的時(shí)候，紅外線(xiàn)被反射回接收管，接收管就導通，這路傳感器就輸出低電平信號給LM324的反相端口，此時(shí)由變阻器引出的是一高電平信號給LM324的同向端口，那么經(jīng)過(guò)LM324的比較，便輸出一個(gè)高電平信號給排針，而和排針串聯(lián)的發(fā)光二極管陰極是LM324的高電平無(wú)法導通也就不能發(fā)光。若是傳感器接觸到的是黑色導線(xiàn)的話(huà)，那么紅外線(xiàn)就被吸收，而接收二極管便截止，此時(shí)傳感器就輸出高電平給LM324的反相端口，LM324同向端口的電平?jīng)]有反相端口的高，LM324就輸出低電平給排針，串接上排針的發(fā)光二極管就導通，提示這路傳感器正接觸黑色導線(xiàn)。電機轉速根據左、中、右紅外傳感器檢測結果，經(jīng)LM324整形后給單片機，單片機輸出不同PWM波控制左右輪電機轉速。

3 行為控制模塊設計

基于行為的系統作為一個(gè)混雜系統，既要穩定地控制智能小車(chē)的連續動(dòng)力學(xué)行為，同時(shí)又要系統地、策略地面對突如其來(lái)的隨機事件(例如環(huán)境中的障礙)。首要問(wèn)題就是如何設計多種可能的有效行為，其次是如何有效地協(xié)調或融合不同類(lèi)型的行為之間的沖突或競爭，從而達到一個(gè)令人滿(mǎn)意的效果。為了能夠同時(shí)實(shí)現多個(gè)目標，有時(shí)候智能小車(chē)需要執行多個(gè)基本行為。在某個(gè)時(shí)刻僅有一個(gè)行為被觸發(fā)，系統一般都能夠比較平穩地運行。然而，當兩個(gè)甚至更多的行為同時(shí)觸發(fā)，并且每個(gè)行為都需要智能小車(chē)執行不同的操作時(shí)，智能小車(chē)該怎么辦呢?

本設計為解決智能小車(chē)實(shí)時(shí)性問(wèn)題，選擇采用包容式結構進(jìn)行任務(wù)決策，包容式結構將復雜的軌跡跟蹤任務(wù)分解為水平的若干個(gè)子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)功能層具有獨立完成任務(wù)的功能。高層功能層抑制較底層功能層，如圖5所示，軌跡跟蹤系統層為高層功能層。根據行為控制方法，首先確定功能層的優(yōu)先級，功能層越低優(yōu)先級越高。如圖5所示，功能層結束命令最低，但是優(yōu)先級最高，當運動(dòng)過(guò)程中需要執行結束命令時(shí)，小車(chē)在執行其它三個(gè)功能之一，首先響應結束命令，軌跡跟蹤功能層最低，當有障礙時(shí)候，智能小車(chē)首先執行避障，然后執行軌跡跟蹤。本次設計共有4個(gè)功能層：

1)遇到緊急行為需要停止運行程序;

2)遠程控制行為;

3)避障行為;

4)軌跡跟蹤行為。

根據行為控制方法，首先確定功能層的優(yōu)先級，功能層越低優(yōu)先級越高，即Leve10優(yōu)先級最高，在發(fā)生意外情況時(shí)，人工可以通過(guò)結束程序運行來(lái)結束進(jìn)程。人為遠程控制作為第一層，可以實(shí)現操作員的愿望。突然碰到障礙物時(shí)，避開(kāi)障礙物作為第二層，循跡過(guò)程中繞開(kāi)障礙，才繼續循跡。

紅外傳感器產(chǎn)生的軌跡跟蹤行為設置為最高層，因為在跟蹤過(guò)程中，智能小車(chē)以及人的安全性第一，所以它的優(yōu)先級最低。圖5中圓圈中的S為“suppress”的意思，即高優(yōu)先級的行為抑制低優(yōu)先級的行為控制，當在軌跡跟蹤過(guò)程中，突然有障礙出現，智能小車(chē)首先啟動(dòng)避障行為，暫停跟蹤行為，避障行為結束立即執行跟蹤行為。

4 實(shí)驗結果分析

設計的循跡小車(chē)具有較好的跟蹤效果，分別在地面與白紙上做了軌跡跟蹤實(shí)驗。小車(chē)跟蹤軌線(xiàn)如圖6所示。對于本文設計的智能循跡小車(chē)不僅直線(xiàn)能穩定跟蹤，即使不規則彎曲的線(xiàn)也能較好地跟蹤。

由于在軟件中設置了用于防干擾的盲走程序。所以，可以通過(guò)使用軌跡線(xiàn)不均勻的誤差跑道和過(guò)彎測試的方法來(lái)檢驗系統的抗干擾性能。經(jīng)過(guò)測試，當路面的軌跡線(xiàn)不均勻的時(shí)候，小車(chē)可以根據前一個(gè)狀態(tài)指令進(jìn)行盲走，可以通過(guò)軌跡不均勻的軌跡線(xiàn)段。小車(chē)程序段中設置了原地自轉的程序，理論上小車(chē)可以通過(guò)接近180度的彎道。所以小車(chē)具有一定的過(guò)彎性能。經(jīng)過(guò)測試，在彎道處小車(chē)可以通過(guò)。但是由于小車(chē)的行駛速度控制不均勻，在直線(xiàn)和彎道接觸段是有一定沖出跑道的幾率的。

小車(chē)在循跡過(guò)程中出現偶然狀態(tài)時(shí)，即突然遇到一個(gè)障礙物時(shí)，小車(chē)能沿障礙物行走，直到遇到軌線(xiàn)沒(méi)有障礙物在前面時(shí)繼續循跡。當障礙物靠得很近或者是在一個(gè)封閉的小范圍內時(shí)，小車(chē)可能有時(shí)來(lái)不及直走就直接右轉行駛了，導致小車(chē)在這個(gè)范圍內一直保持右轉行駛，在同時(shí)檢測到?jīng)]有障礙物與軌線(xiàn)時(shí)，說(shuō)明小車(chē)軌線(xiàn)跟蹤失敗，自動(dòng)結束程序，小車(chē)停止。

5 結論

本文設計出一種基于包容式行為控制的智能循跡小車(chē)，采用單片機AT89S51作為控制器，紅外傳感器檢測軌跡線(xiàn)，將檢測結果經(jīng)LM324整形后傳給單片機，設計程序輸出適合的PWM波控制智能小車(chē)左右輪轉速。超聲波傳感器檢測障礙物信息，設計模糊避障控制器，將控制器輸出結果用于電機轉速控制，使智能小車(chē)實(shí)現自動(dòng)避障，且繞障礙物行走。在室內外做了大量的實(shí)驗，本文設計的小車(chē)不僅能穩定地跟蹤黑色軌跡線(xiàn)，而且遇到障礙物時(shí)候能繞障礙物行走。