2.2 硬件設(shè)計(jì)

智能搬運(yùn)小車(chē)的硬件有Arduino主控制器、伺服電動(dòng)機(jī)、超聲波傳感器、QTI傳感器及顏色傳感器等。智能搬運(yùn)小車(chē)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示。

2.2.1 伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)是智能搬運(yùn)小車(chē)做移動(dòng)動(dòng)作的動(dòng)力，只能順時(shí)針或逆時(shí)針連續(xù)旋轉(zhuǎn)，有三根引線，即B（黑）、R（紅）及W（白），分別代表地線、電源線及信號(hào)控制線。智能搬運(yùn)小車(chē)的機(jī)械臂由角度舵機(jī)控制。

伺服電動(dòng)機(jī)模塊的實(shí)物圖如圖2.5所示。

伺服電動(dòng)機(jī)與Arduino主控制器的接口連接見(jiàn)表2.1。

伺服電動(dòng)機(jī)與Arduino主控制器連接后，編寫(xiě)簡(jiǎn)單的代碼就可以使智能搬運(yùn)小車(chē)移動(dòng)起來(lái)，可以前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退及掉頭等。

智能搬運(yùn)小車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中的具體控制方式如下。

前進(jìn)：Arduino主控制器控制兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，同速、同向。

后退：Arduino主控制器控制兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，同速、同向。

左轉(zhuǎn)：Arduino主控制器控制左伺服電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，右伺服電動(dòng)機(jī)以一定的速度使右車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)。

左旋轉(zhuǎn)：Arduino主控制器控制左伺服電動(dòng)機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右伺服電動(dòng)機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大幅度左轉(zhuǎn)。

右轉(zhuǎn)：Arduino主控制器控制右伺服電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，左伺服電動(dòng)機(jī)以一定的速度使左車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)。

右旋轉(zhuǎn)：Arduino主控制器控制右伺服電動(dòng)機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，左伺服電動(dòng)機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大幅度右轉(zhuǎn)。

掉頭：Arduino主控制器控制一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，另一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)掉頭。

智能搬運(yùn)小車(chē)系統(tǒng)的初始化、IO設(shè)置及伺服電動(dòng)機(jī)輸出脈寬的驅(qū)動(dòng)程序代碼為

主函數(shù)通過(guò)調(diào)用前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、左旋轉(zhuǎn)及右旋轉(zhuǎn)等子函數(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作，如調(diào)用loop函數(shù)中的前進(jìn)子函數(shù)，則智能搬運(yùn)小車(chē)會(huì)一直前進(jìn)，不會(huì)停下來(lái)。

2.2.2 QTI傳感器

QTI傳感器是采用光電接收器探測(cè)物體表面反射光強(qiáng)度的傳感器，當(dāng)QTI傳感器對(duì)著暗淡的物體表面時(shí)，反射光強(qiáng)很低；當(dāng)QTI傳感器對(duì)著明亮的物體表面時(shí)，反射光強(qiáng)很高。不同的光強(qiáng)對(duì)應(yīng)著不同的電平輸出信號(hào)。由此可以約定，當(dāng)QTI傳感器探測(cè)到黑色物體時(shí)輸出高電平，探測(cè)到白色物體時(shí)輸出低電平。QTI傳感器有三個(gè)引腳，即GND、Vcc、SIG，分別代表地、電源、信號(hào)控制，與Arduino主控制器的相關(guān)引腳連接就可以獲取QTI傳感器的信號(hào)。QTI傳感器的實(shí)物圖如圖2.6所示。

QTI傳感器與Arduino主控制器的接口連接見(jiàn)表2.2。

QTI傳感器根據(jù)紅外光信號(hào)照射到被測(cè)物體表面后反射回來(lái)的不同灰度值，簡(jiǎn)單識(shí)別所處的環(huán)境，再根據(jù)環(huán)境做相應(yīng)的動(dòng)作。

前行：在黑色軌跡上行走時(shí)，保持前行狀態(tài)。

后退：在黑色軌跡上行走時(shí)，保持后退狀態(tài)。

右轉(zhuǎn)：當(dāng)尋跡傳感器檢測(cè)到智能搬運(yùn)小車(chē)在黑色軌跡上向左偏離時(shí)，可通過(guò)Arduino主控制器控制智能搬運(yùn)小車(chē)右轉(zhuǎn)，直到智能搬運(yùn)小車(chē)回到正常軌跡上。

左轉(zhuǎn)：當(dāng)尋跡傳感器檢測(cè)到智能搬運(yùn)小車(chē)在黑色軌跡上向右偏離時(shí)，可通過(guò)Arduino主控制器控制智能搬運(yùn)小車(chē)左轉(zhuǎn)，直到智能搬運(yùn)小車(chē)回到正常軌跡上。

停車(chē)：當(dāng)尋跡傳感器檢測(cè)到前方為全白，即檢測(cè)到智能搬運(yùn)小車(chē)到站時(shí)，可通過(guò)Arduino主控制器控制智能搬運(yùn)小車(chē)停車(chē)。

QTI傳感器采集數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)程序代碼為

該代碼段僅給出了如何在系統(tǒng)初始化、外設(shè)初始化后讀取QTI傳感器采集數(shù)據(jù)的實(shí)例程序代碼。如果希望智能搬運(yùn)小車(chē)按照設(shè)定的路線移動(dòng)，則需要配合特定的場(chǎng)地或環(huán)境條件編寫(xiě)專(zhuān)門(mén)的尋跡算法，使智能搬運(yùn)小車(chē)根據(jù)識(shí)別場(chǎng)地環(huán)境的灰度值，按照既定或復(fù)雜的路線進(jìn)行尋線移動(dòng)。

2.2.3 超聲波傳感器

超聲波傳感器主要用于測(cè)距定位或感知是否有障礙物，在智能搬運(yùn)小車(chē)中主要用于定位距離或掃描是否有色塊。超聲波傳感器的測(cè)距驅(qū)動(dòng)程序代碼為

在上述HC-SR04超聲波傳感器模塊測(cè)距驅(qū)動(dòng)程序代碼中，首先調(diào)用init（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和外設(shè)初始化，隨后調(diào)用測(cè)距子函數(shù)實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距，以達(dá)到避障和距離定位的目的。

2.2.4 顏色傳感器

自然界中的各種顏色都是由不同比例的紅、綠、藍(lán)三原色混合而成的。顏色傳感器就是通過(guò)檢測(cè)某個(gè)顏色中的三原色比例進(jìn)行顏色識(shí)別的。智能搬運(yùn)小車(chē)采用的是TCS230顏色傳感器。TCS230顏色傳感器的實(shí)物圖如圖2.7所示。在識(shí)別顏色時(shí)，TCS230顏色傳感器依次選定顏色濾波器（紅、綠、藍(lán)），只有對(duì)應(yīng)顏色的入射光可以通過(guò)，其他顏色的入射光被阻止，從而得到對(duì)應(yīng)顏色的光強(qiáng)。

TCS230顏色傳感器自帶兩個(gè)高亮的白色LED燈，可有助于提高顏色識(shí)別的準(zhǔn)確性；輸入引腳S0、S1用于選擇輸出比例因子或電源關(guān)斷模式，不同的輸出比例因子可控制不同的輸出頻率，以適應(yīng)不同的需求；輸入引腳S2、S3用于選擇濾波器的類(lèi)型；輸入引腳LED用于點(diǎn)亮兩個(gè)LED燈；OUT為頻率輸出引腳，典型輸出頻率范圍為2Hz（0.5s）～500kHz（2μs）；GND為接地引腳；+5V和VDD引腳接5V電源。在工作時(shí)，TCS230顏色傳感器首先打開(kāi)LED燈，選擇輸出比例因子；然后依次選定不同的顏色濾波器，每選定一個(gè)顏色濾波器，就檢測(cè)由輸出引腳輸出的不同頻率（光強(qiáng)）的方波脈沖數(shù)；最后根據(jù)得到的三原色脈沖數(shù)的比例識(shí)別顏色。S0～S3為T(mén)CS230顏色傳感器的工作控制引腳。表2.3給出的是S0～S3的組合選項(xiàng)。

在理論上，白色是由等量的紅色、綠色及藍(lán)色混合而成的。TCS230顏色傳感器對(duì)三原色的敏感性不同，導(dǎo)致輸出的R、G、B光強(qiáng)不相等，在使用前必須進(jìn)行白平衡調(diào)整。所謂白平衡，就是告訴智能搬運(yùn)小車(chē)什么是白色，使TCS230顏色傳感器對(duì)“白色”中三原色R、G、B的輸出是相等的。

通過(guò)白平衡調(diào)整可以得到在識(shí)別顏色時(shí)需要用到的選通信道時(shí)間基準(zhǔn)。白平衡的調(diào)整過(guò)程為：在TCS230顏色傳感器前的適當(dāng)位置（一般為2cm左右）放一個(gè)白色物體，打開(kāi)LED燈，選擇輸出比例因子，依次選定紅色、綠色及藍(lán)色的濾波器，在每個(gè)通道（也稱信道）的脈沖計(jì)數(shù)為255時(shí)就關(guān)閉通道，分別得到在每個(gè)通道中所用的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間就是識(shí)別顏色時(shí)要用的時(shí)間基準(zhǔn)。識(shí)別顏色就是根據(jù)時(shí)間基準(zhǔn)計(jì)算脈沖數(shù)。其具體過(guò)程為：打開(kāi)LED燈；選擇輸出比例因子（與白平衡時(shí)相同）；依次選定不同的顏色濾波器，顏色濾波器的選通時(shí)間與在白平衡處理過(guò)程中獲得的相應(yīng)通道的時(shí)間基準(zhǔn)相同；根據(jù)得到的脈沖數(shù)來(lái)識(shí)別顏色。

TCS230顏色傳感器與Arduino主控制器的接口連接見(jiàn)表2.4。

在RGB模式下，某一種色彩是由紅、藍(lán)、綠三原色組成的。該色彩的三原色會(huì)在某個(gè)范圍內(nèi)變化，適當(dāng)擴(kuò)大三原色的變化范圍，測(cè)試色彩就不會(huì)出錯(cuò)。為了防止出錯(cuò)，可設(shè)置出錯(cuò)條件，在出錯(cuò)的情況下再進(jìn)行三原色值的調(diào)整，直到測(cè)試出正確的色彩。TCS230顏色傳感器相應(yīng)的代碼設(shè)置、顏色識(shí)別驅(qū)動(dòng)代碼為

主函數(shù)先調(diào)用白平衡函數(shù)可以得到三個(gè)基準(zhǔn)顏色濾波器的時(shí)間基準(zhǔn)，再通過(guò)顏色測(cè)試函數(shù)Robot checkColor（）進(jìn)行測(cè)試時(shí)間值對(duì)比，可得出相應(yīng)顏色的時(shí)間值，根據(jù)這些顏色的三原色范圍值，即可快速測(cè)出色塊的顏色。