基于包容式結(jié)構(gòu)的智能循跡小車設(shè)計

摘要：設(shè)計出一個基于包容式結(jié)構(gòu)的智能循跡小車，該小車采用單片機AT89S51作為控制器。該系統(tǒng)主要有避障行為模塊、軌線跟蹤行為模塊、遠程控制行為以及緊急停車模塊。采用紅外傳感器設(shè)計檢測軌線模塊，超聲波傳感器設(shè)計避障模塊。對于避障行為模塊，提出采用模糊控制算法進行避障。經(jīng)大量實驗驗證該小車不僅能穩(wěn)定跟蹤軌線，而且能繞障礙物行走。

智能小車是一種集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)，是一種功能簡化的移動機器人，廣泛用于智能吸塵器、搬運小型物件、清理垃圾等。所謂智能，即是沒有人為干預(yù)下能自動完成給定的任務(wù)。然而，環(huán)境未知，執(zhí)行任務(wù)復(fù)雜，單一的傳感器不能實現(xiàn)其功能，多傳感器信息技術(shù)被用來感知周圍環(huán)境與任務(wù)執(zhí)行是一種有效的措施，通過多傳感器信息的綜合判斷處理，獲得對環(huán)境的正確理解，使小車系統(tǒng)具有容錯性，保證系統(tǒng)信息的快速性和正確性，其可靠度高于單個傳感器所能達到的目標。

常用機器人的體系結(jié)構(gòu)有分層體系結(jié)構(gòu)、包容式體系結(jié)構(gòu)和混合式體系結(jié)構(gòu)。在20世紀80年代Brooks提出了機器人的行為主義和包容結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜的任務(wù)分解成多個簡單的可以并發(fā)執(zhí)行的單元，每個單元有自己的感知器和執(zhí)行器。多個行為相耦合構(gòu)成層次模型，重點強調(diào)在不同層間的聯(lián)系以及不同行為功能分配。智能小車也就是簡化的移動機器人，其運動控制就是通過調(diào)節(jié)智能小車的運動速度和運動方向，使智能小車沿期望的路徑運動。機器人的行為可以分為兩大類：反應(yīng)型和慎思型。

反應(yīng)型行為是一種激勵一響應(yīng)行為，不需要計算過程，響應(yīng)時間短。Brook等提出的包容結(jié)構(gòu)就是典型的反應(yīng)范式，行為按照能力的等級進行分層，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(xí)的，有意識的行為。它是將規(guī)劃加入到反應(yīng)式中，使得機器人具有記憶和推理能力。傳統(tǒng)的基于感知-建模-規(guī)劃-動作的方法不易建立準確的環(huán)境模型，而且較難實現(xiàn)動態(tài)的、未知環(huán)境下的路徑跟蹤。反應(yīng)式是一種從感知到動作的直接映射，智能小車能夠?qū)ν饨绛h(huán)境作出快速響應(yīng)。

基于本文的研究目的，在未知的、動態(tài)的室內(nèi)環(huán)境設(shè)計一個智能循跡小車，不僅要求穩(wěn)定實時跟蹤給定軌線運動，且跟蹤過程自動繞開障礙物，采用一種基于包容式結(jié)構(gòu)的軌線跟蹤控制方法設(shè)計智能循跡小車。

1 智能循跡小車設(shè)計原理

智能循跡小車在沒有人干預(yù)的環(huán)境中，能沿給定路線行走并在突然有障礙物出現(xiàn)時能繞開障礙物或者緊急停車。本次設(shè)計的小車主要實現(xiàn)智能循跡，采用單片機AT89S51作為控制器，采用反射式紅外線光電傳感器用于檢測路面的引導(dǎo)軌跡，采用壓電式超聲波傳感器來實現(xiàn)對小車的智能避障，用NT-T10A發(fā)射模塊和XY-R04A接收模塊作為無線遠程控制模塊，實現(xiàn)對智能小車的遠程控制，同時在LCD屏幕上顯示小車的運行狀態(tài)，速度等情況，兩直流電動機即左右輪各一個，采用L298N來驅(qū)動電動小車的兩臺直流電動機實現(xiàn)小車的直行與轉(zhuǎn)彎。該系統(tǒng)的主要實現(xiàn)硬件結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。

智能小車的主要任務(wù)實現(xiàn)軌跡跟蹤，首先根據(jù)紅外傳感器獲得路面信息，檢測跟蹤軌跡線，通過獲得的軌跡信息進行計算，判斷驅(qū)動左輪還是右輪，向左或向右轉(zhuǎn)動角度，同時啟動避障功能，檢測是否有障礙，如果有，結(jié)束軌跡跟蹤，進行避障。判斷是否有遠程人為控制命令，如果有，就結(jié)束軌跡跟蹤或者避障功能，響應(yīng)遠程控制命令。同時檢測是否有結(jié)束程序命令，如果有，就結(jié)束所有任務(wù)。該系統(tǒng)基本行為模塊如圖2所示，采用水平分解任務(wù)結(jié)構(gòu)模式，每個行為都在運行，通過單片機中斷設(shè)置實現(xiàn)。

2 行為模塊設(shè)計

2.1 避障模塊設(shè)計

采用兩個超聲波傳感器，分別設(shè)計在小車左側(cè)與右側(cè)。圖3為左側(cè)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(cè)傳感器連接方式與左側(cè)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聲波的時問間隔與速度乘積得到。設(shè)時間間隔為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順利執(zhí)行任務(wù)，而且能夠阻止智能小車對環(huán)境的損傷。目前移動機器人用于避障的方法較多，就環(huán)境信息已知的研究來看，主要有矢量力場法、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-動作”行為結(jié)合起來，為移動機器人在復(fù)雜環(huán)境中的避障導(dǎo)航提出了新的思路。模糊邏輯法避開了對環(huán)境信息依賴的特點，對處理未知的、實時的復(fù)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行避障，對于智能小車與左右側(cè)障礙物之間的距離分為三個語意變量即大、中、小，輸出的速度也分為三個語意變量即快、中、慢本設(shè)計采用PWM波控制電機轉(zhuǎn)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(tǒng)共設(shè)計三個紅外線傳感器，分別放置在電動車的左、中、右三個方向，用來讀取地上的黑色軌跡線。當(dāng)行車方向偏離軌跡的時候，通過這三個紅外線感應(yīng)裝置就可以判斷出行車偏離的方向，將實時信息以高低電平的方式傳送回單片機，然后通過單片機的處理，相應(yīng)的控制直流芯片就可以修正行車路線，最終完成自動尋跡的任務(wù)。紅外線傳感器的工作過程如下：當(dāng)行車方向向右偏離軌跡線的時候，會有兩種情況發(fā)生：1)中間和左側(cè)紅外線傳感器同時接觸到地面黑線，右側(cè)傳感器接觸白色地面;2)左側(cè)一個傳感器接觸黑線，中間和右側(cè)傳感器接觸地面白色部分。這兩種情況都是行車方向右偏移的情況。相似的小車發(fā)生左偏移的時候也有兩種情況。這三個傳感器作為行車數(shù)據(jù)的輸入信號由單片機的I/O口輸入，那么就需要一個TFL的電壓，而且要根據(jù)需求可以對傳感器的靈敏度進行微調(diào)，滿足靈敏度的需要。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是紅外線發(fā)射管，上接一個限流保護電阻R1，D2是紅外線接收管，上接一個上拉電阻。當(dāng)接觸的是白色地面的時候，紅外線被反射回接收管，接收管就導(dǎo)通，這路傳感器就輸出低電平信號給LM324的反相端口，此時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LM324的比較，便輸出一個高電平信號給排針，而和排針串聯(lián)的發(fā)光二極管陰極是LM324的高電平無法導(dǎo)通也就不能發(fā)光。若是傳感器接觸到的是黑色導(dǎo)線的話，那么紅外線就被吸收，而接收二極管便截止，此時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(dǎo)通，提示這路傳感器正接觸黑色導(dǎo)線。電機轉(zhuǎn)速根據(jù)左、中、右紅外傳感器檢測結(jié)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(zhuǎn)速。

3 行為控制模塊設(shè)計

基于行為的系統(tǒng)作為一個混雜系統(tǒng)，既要穩(wěn)定地控制智能小車的連續(xù)動力學(xué)行為，同時又要系統(tǒng)地、策略地面對突如其來的隨機事件(例如環(huán)境中的障礙)。首要問題就是如何設(shè)計多種可能的有效行為，其次是如何有效地協(xié)調(diào)或融合不同類型的行為之間的沖突或競爭，從而達到一個令人滿意的效果。為了能夠同時實現(xiàn)多個目標，有時候智能小車需要執(zhí)行多個基本行為。在某個時刻僅有一個行為被觸發(fā)，系統(tǒng)一般都能夠比較平穩(wěn)地運行。然而，當(dāng)兩個甚至更多的行為同時觸發(fā)，并且每個行為都需要智能小車執(zhí)行不同的操作時，智能小車該怎么辦呢?

本設(shè)計為解決智能小車實時性問題，選擇采用包容式結(jié)構(gòu)進行任務(wù)決策，包容式結(jié)構(gòu)將復(fù)雜的軌跡跟蹤任務(wù)分解為水平的若干個子任務(wù)，每個子任務(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(tǒng)層為高層功能層。根據(jù)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(jié)束命令最低，但是優(yōu)先級最高，當(dāng)運動過程中需要執(zhí)行結(jié)束命令時，小車在執(zhí)行其它三個功能之一，首先響應(yīng)結(jié)束命令，軌跡跟蹤功能層最低，當(dāng)有障礙時候，智能小車首先執(zhí)行避障，然后執(zhí)行軌跡跟蹤。本次設(shè)計共有4個功能層：

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(jù)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，人工可以通過結(jié)束程序運行來結(jié)束進程。人為遠程控制作為第一層，可以實現(xiàn)操作員的愿望。突然碰到障礙物時，避開障礙物作為第二層，循跡過程中繞開障礙，才繼續(xù)循跡。

紅外傳感器產(chǎn)生的軌跡跟蹤行為設(shè)置為最高層，因為在跟蹤過程中，智能小車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(dāng)在軌跡跟蹤過程中，突然有障礙出現(xiàn)，智能小車首先啟動避障行為，暫停跟蹤行為，避障行為結(jié)束立即執(zhí)行跟蹤行為。

4 實驗結(jié)果分析

設(shè)計的循跡小車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驗。小車跟蹤軌線如圖6所示。對于本文設(shè)計的智能循跡小車不僅直線能穩(wěn)定跟蹤，即使不規(guī)則彎曲的線也能較好地跟蹤。

由于在軟件中設(shè)置了用于防干擾的盲走程序。所以，可以通過使用軌跡線不均勻的誤差跑道和過彎測試的方法來檢驗系統(tǒng)的抗干擾性能。經(jīng)過測試，當(dāng)路面的軌跡線不均勻的時候，小車可以根據(jù)前一個狀態(tài)指令進行盲走，可以通過軌跡不均勻的軌跡線段。小車程序段中設(shè)置了原地自轉(zhuǎn)的程序，理論上小車可以通過接近180度的彎道。所以小車具有一定的過彎性能。經(jīng)過測試，在彎道處小車可以通過。但是由于小車的行駛速度控制不均勻，在直線和彎道接觸段是有一定沖出跑道的幾率的。

小車在循跡過程中出現(xiàn)偶然狀態(tài)時，即突然遇到一個障礙物時，小車能沿障礙物行走，直到遇到軌線沒有障礙物在前面時繼續(xù)循跡。當(dāng)障礙物靠得很近或者是在一個封閉的小范圍內(nèi)時，小車可能有時來不及直走就直接右轉(zhuǎn)行駛了，導(dǎo)致小車在這個范圍內(nèi)一直保持右轉(zhuǎn)行駛，在同時檢測到?jīng)]有障礙物與軌線時，說明小車軌線跟蹤失敗，自動結(jié)束程序，小車停止。

5 結(jié)論

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