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基于 51 单片机 自动 小车 控制 设计

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科技信息 博士 专家论坛 基于 5 1单 和的自动寻迹小车控制设计 江西现代职业技术学院 文方 罗锋华 黄海哨 【 摘要 设计一种智能小车控制 系统 ， 采用 A T8 9 C5 1型单片机作 为主控 C P U， 外加直流电机及驱动 、 光电传感器和电源电路 ， 实现 小车 自动巡线行走控 制功能。 关键词 单片机直流电机 自动寻迹 小车 1 引言 轮式智能小车控制设计 作为高 职电子专业 的一项重要创新实践项 目， 它集机械 、 电子 、 检测 技术与智能控制于一体 。在各种移 动机 构中， 轮式移动机构最为常见， 其移动速度和移动方 向容易控制。 寻迹是智能小车的基本 功能，单 片机就小车底部反射 回来的红外 光为依据来确定白线 的位置 和小车 的行走路线 ，控制小车在黑色地板 上循 白线行走。 2 控制系统 总体设计 机器人控 制系统 由主控制 电路模块 、 存储 器模 块 、 光电检测模块 、 电机及舵驱动模块等部分组成， 控制系统的结构框图如图 1 所示。 图 1系统结构框 图 3 硬件电路设计 3 1 寻迹传感 器模块 传感用 R P R 2 2 0型光电对管 ， R P R 2 2 0是一种一体化反射型光电探 测器 ， 其发射器是一个砷化镓红外发光二极管 ， 而接收器是一个高灵敏 度 ， 硅平面光电三极 管=当发光二极管发 出的光反射 回来时 ， 三极管导 通输 出低 电平 ， 电路如 图 2 1 I 。可调 电阻 R 3可 以调 节比较器 的门限电 压 ， 经示波器观察 ， 输 出波形相当规则 ， 可 以直接给单片机查询使用。 图 2寻迹传感器电路 3 _2控制器模块 采用 A t me l 公 司的 A T 8 9 C 5 1 单片机作为主控制器 。它是一个低功 耗， 高性能的8 位单片机 ， 片内含 3 2 k 空间的可反复擦写 1 0 0 ， 0 0 0 次的 F l a s h 只读存储器 ， 具有 4 K的随机存取数据存储器 ( R A M) ， 3 2 个 I O 口， 2个 8 位 可编程定 时计 数器 ， 且 可在线编程 、 调试 ， 方便地实现程序 的下 载与整机 的调试 。 3 3电源模块 采用 3节 4 2 v可充电式锂 电池 串联共 1 2 6 经 W7 8 1 2的稳压后 给支流电机供 电， 然后将 1 2 V电压再次降压 、 稳压后 给单 片机系统 和其 他芯片供 电 3 4电机及驱动模块 电机采用直流减速 电机 ， 直流减速电机转动力矩大 ， 体积小 ， 重量 轻 ， 装配简单 ， 使用方便。由于其 内部 由高速电动机提供原始动力， 带动 变速( 减速 ) 齿轮组 ， 可 以产生较大扭力 。可选用减速 比为 1 ： 7 4的直流 电机 ， 减速后电机 的转速为 l O O r mi n 。 若车轮直径为 6 c m， 则小车的最大 速度可以达到 0 3 1 4 r r g s 。 驱动模块采用专用 芯片 L 2 9 8 N作为 电机驱动 芯片 ， L 2 9 8 N是一个 具有高 电压大电流的全桥驱动芯片， 其响应频率高 ， 一片 L 2 9 8 N可以分 别控制两个直流电机 ， 驱动电路的设计如图 3所示 ： 图 3 L 2 9 8电机驱动 电路 L 2 9 8 N的 5、 7 、 1 0 、 1 2四个引脚接 到单 片机上，通过对单 片机 的编 程就可实现两个直流 电机的 P WM调速以及 正反转控制。 4 软件设计 4 1主程序流程图 ， j 、 车进入寻迹模式后 ，即开始不停地扫描与探测器连接 的单片机 I O 口， 一旦检测 到某个 I O口有信号变化 ， 就执行相应 的判断程序 ， 把 相应 的信 号发送给电动机从而纠正小车 的状态 。软件的主程序流程 图 如图 4所示 ： 图 4 主程序流程 图 4 2寻迹程序流程 把 小车直线 行进 时分 成三种状 态 ，当中间三个 ( 下转第 2 O页) 基金项 目： 本文系江西省 2 0 0 8 年 高等学校教学研 究省级重点立项课题“ 高职 电子类相关专业创新型训练项 目的教学研究” ( 项 目编号 ：J x j G一 0 8 3 0 1 ) 。 作者简介： 文方( 1 9 6 8 一 ) ， 男， 湖南衡阳人， 硕士， 副教授， 主要从事电类课程教学与研究 科技信息 博士 专家论坛 照最小化误差 的方法进行学习训练 。R I ME R专家系统 的训练模型 ， 如 图 2 。 图 2置信规则库训练过程的图解 学 习的目的是最小化理想输出和模拟输 出间的误差 。由于理想输 出和模拟结果都是以分布式 出现，因此减小 Y 和y 的误差就等价于减 小置信度 p ( m) 和 p ( m) 间的误差 。 则训练模型 的目标函数定 义如下 ： M m i“ 毛 ： ， ，N ， 亩 ( )一 (m ) = ， ，N ，P p (p ik ,0 k) 并且 ， 该模型的约束条件如下 ： 、 ( 1 ) 0 B k 1 ,j = l ， ， N；k = l ， ，L ( 2 ) k = l ， k = l ， ， L ( 3 ) 0 0 k 1 ， j - i k =l ， - - ， L 该模型的求解方 法详见文献 6 1 。 3 实验验证 本 文以二 维 曲线 z = ( x 一 1 ) z + ( y 2 ) 为例 来说 明具有 自学 习功 能的 RI ME R专家系统如何对系统建模 。其 中训练数据样本 ， 见表 l 。 表 1训练数据样本 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 0_ 2 O 5 1 1 1 6 2 25 3 5 3 6 4 y 4 8 l 1 5 2 3 3 _ 2 4 5 4 2 4 8 4 8 1 - 2 5 0-2 5 O l _ 3 6 2 4 4 0 2 5 1 5 2 5 1 0 7 6 9 1 6 首先 ， 根据训练数据确定该模型 的输入输 出变量及其语言值 ， 根据 专 家经验 建立置信规则库 ， 确 定置信规则中的置信度 、 规则权 重、 变量 权重等参数 。设输入变量 X有 5个语 言值 ， 分别 为： ( 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ) ， 输入 变量 v也有 5个语 言值 ， 分别为 ： ( 1 ， 2， 3 ， 4 ， 5 ) ， 根据训练样本数据假设 输 出变量 z 也有 5个语言值分别为 ： ( 0 ， 3 ， 6 ， 1 0 ， 1 8 ) ，根据上述分析建 立含有 2 5条规则 的置信规则库。 其次 ， 建立学 习模型并且根据文献【 6 】 的算法对该系统进行训 练并 将置信规则库中训练后的参数保存起来。 图 3 R I ME R专家系统的模拟输出图 图 4 实际系统和专家系统 间的误差分析图 最后 ， R I ME R专家系统 自学习之后 ， 进行正 向推理得 到模拟输 出。 在 M A T L A B环境下根据仿真数据画出三维立体图如图3 ，并给出模拟 输 出和理想输出间的误差分析图如图 4 。 由图 3和 4可 以看 出带有 自学 习功能 的 R I ME R专家系统虽然不 能精确 的模拟原系统模型 ， 但是在很大程度上可以复原原系统模 型， 这 说 明 R I ME R专家系统可 以很好的模拟原系统 。 4 结语 本文介绍了一种新型 的专家系统R I ME R专家系统 。它是一种 透 明的建模方法 ， 允许专家知识直接介入其 内部结构， 人为决定规则库 的参数 ， 这就避免推理 出现较大的谬误 。同时提出了一种更接近实际的 表达机制即置信 规则 ， 在规则中输出与置信度 以分布式结构 出现。 另外 该 系统采用 了证 据推理方法集结激活规则进行规则库的推理 ，该方法 可 以有效的处理不确定信息。同时该 专家系统还建立了学 习机制 这就 可 以更好的模拟实际系统 。 另外结合示例指 出， 该专家系统可以对系统进行建模 ， 且 能很好 的 模拟实际系统。 参考文献 l 1 J J B Ya n g J L i u J Wa n g ， H S S i i ， HW Wa n g A n g e n e ri c rol e b a s e i n f e r e n c e me t h o d l o g y u s i n g t h e e v i d e n ti a l r e a s o n i n g a p p r o a c h RI ME R J I E EE Tr a n s a c t i o n s o n s y s t e ms M a n a n d Cy be me t i c s p a r t A：S y s t e ms a n d Hu ma n s ， 2 0 0 5 ， 1 4 ( 2 ) ： 1 2 0 l 2 J J u n l i u J i a n b o Ya n g d i n Wa n g e t a l E n g i n e e r i n g S y s t e m S a f e t y Ana l y s i s a n d S y n t he s i s Us i ng t h e F u z z y Ru l e b a s e d Ev i d e n ti a l R e a s o n i n g A p p r o a c h l J j Qu a l i ty a n d Re l i a b i l i t y E n g i n e e r i n g I n t e rna t i o n a 1 2 0 0 4 ； 2 1 ： 1 -25 l 3 I J B Y a n g Mi n i m a x r e f e r e n c e p o i n t a p p r o a c h a n d i t s a p p l i c a ti o n f o r n n fl t i o b j e c t i v e o p t i mi z a t i o n J j E u r o p e a n J o u r n a l o f o p e r a t i o n a l Re s e a r c h ， 2 0 0 0 ， 1 2 6 ( 3 ) ： 9 0 1 0 5 4 刘双印 ， 徐龙琴等 案例推理在 果树病 虫害诊 断与防治专家 系统 的研 究 1 计算机技术与发展， 2 0 0 7 ， 9 ( 1 7 ) ： 2 2 7 2 3 0 l 5 I J B Y a n g Ru l e a n d u t i l i t y b a s e d e v i d e n ti a l r e a s o n i n g a p p r o a c h for m u l t i p l e a t t r i b u t e d e c i s i o n a n a l y s i s u n d e r u n c e r t a i n ty l _J j E u r o p e a n J o u rn a l o f o p e r a t i o n a l Re s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 3 ) ： 2 8 9 3 0 4 6 王继 东， 常瑞等 一种新型专 家系统学 习方法的研 究 J 微计 算 机信 息， 2 0 0 9 2 5 ： 2 6 3 2 6 5 【 7 I J B Ya n g J Wa n g ， GP L i u ， H W Wa n g Op t i mi z a t i o n Mo d e l s for T r a i n i n g Be l i e f Ru l e B a s e d S y s t e ms J j I E E E Tr a n s a c t i o n s o n s y s t e m s ， Ma n ， a n d Cy b e rne ti c s p a r t A： S y s t e ms a n d Hu ma n s ， 2 0 0 5 ， 2 1 ( 4 ) ： 1 2 8 ( 上接第 1 8页 ) 传感器都检 测到 白线时 ， 小车在跑道 的正上方 ， 这时 控 制两 电机同速度全速运行 。当检测 到有一个传感器或者 同侧的两个 传感器偏 出 白线时 ， 小车处 于微偏状态 ， 这时将一个 电机 速度 调慢 ， 另 一电机速度调快， 完成调整。当检测到有三个光电传感偏出时， 小车处 于较大 的偏离状态 ， 这时把一个 电机 的速度调至极低 ， 另一 电机全速运 行 ， 从而在较短时间内完成路线 的调整。 图 5寻迹程序流程图 用三级调速的寻迹算法同单纯的