基于MATLAB和Arduino的寻迹小车

摘要：寻迹小车无论是在编程竞赛，还是工厂自动化应用中都扮演着重要的角色。本设计以寻迹小车为主题，在MATLAB软件中设计出控制模型，并进行硬件在环调试，将最终的simulink模型下载至arduino控制的寻迹小车中。采用这种方式，设计者不用编写程序代码，只要将精力放在控制算法上即可，大大缩短了设计周期。

关键词：MATLAB arduino 寻迹小车

中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）07-0000-00

1引言

寻迹车在高校学科竞赛中，是个经久不衰、难度适中、能充分调动学生积极性、提高动手能力的竞赛项目。项目的内容是，铺设一条黑色的环形轨迹线作为寻迹车竞赛跑道，将传感器捕获的黑色轨迹信息，传送至微控制器中，通过一定的控制算法实现小车平稳、快速地完成跑道。

除此之外，在工厂自动化中，搬运小车其实就是寻迹小车的典型应用。在工作站与工作站之间，厂房与厂房之间铺设轨道，搬运小车自动将工件运送至所需位置。当然搬运小车要比学科竞赛中的寻迹小车控制算法复杂，功能也要强大，比如：搬运小车要判断工件的有无，定位工件需要运送的目标位置，避障功能，以及无线联网功能等。

通常控制算法的设计，是直接采用编写程序代码来实现的，这种方法不仅费时费劲，而且调试还不方便，容易出错。采用MATLB来设计控制算法，则无需关注程序代码，只要构建出控制逻辑即可，调试方面，可以离线仿真调试，还可以硬件在环调试，非常方便，大大节省了时间和精力，能快速完成设计任务。

2 simulink控制模型的建立

寻迹小车的控制器选为arduino mega 2560，arduino mega 2560既有数字I/O口还有模拟I/O口，并且有专门的pwm输出口，最重要的是可以与MATLAB实现无缝对接，可以将设计出的控制系统模型直接下载至控制器中。

在MATLAB中建立如图1所示的控制系统模型，模型的输入有3个，对应小车上的3个光电传感器，传感器输出可以是数字信号，也可以是模拟信号，数字信号的话，当检测到黑线时，输出为1，否则为0，若为模拟信号，其输出为0～5V的电压信号，用模拟口接收后转换为0～1023范围的数值。本设计中，光电传感器模块输出为数字信号，将3个传感器均匀、间隔放置在小车的前端，并定义为left、middle、right。图1中chart为stateflow构建的控制逻辑，如图2所示。

Stateflow是有限状态机的图形工具，它可以用于解决复杂的逻辑问题，用户可以通过图形化工具实现在不同状态之间的转换。Stateflow可以直接嵌入到Simulink模型中，SIMULINK会把Stateflow绘制的逻辑图形通过编译程序转换成C语言，使二者有机地结合在一起。

在stateflow中定义小车的运动逻辑，将小车的运动分为3个状态，状态1为直行（forward），状态2为左转（turn_left），状态3为右转（turn_right）。状态之间的转移条件分别为三个传感器信号left、middle、right。当中间传感器检测到黑色轨迹线时，说明车头的位置与轨迹线平齐，此时小车直行即可，当车的姿态偏移或者轨迹转向，倘若左边的传感器检测到黑线，说明车头的位置已向右，应控制车的姿态左转，同理，当右边的传感器检测到黑线，说明车头的位置已向左，应控制车的姿态右转。

小车采用两驱，左右两电机转速相同，则直行，转向则由差速控制。定义两个电机控制信号，其中右电机控制信号为right_forward_duty，左电机控制信号为left_forward_duty。它们的取值范围为0～255，这与MATLAB的arduino支持包中pwm输出模块有关，该模块的输入为占空比控制信号，范围为0～255，当输入为0时，输出占空比为0的pwm信号，当输入为255时，输出占空比为1的pwm信号，pwm信号的频率为490Hz。

3控制模型调试

模型建立好后，接下来要对控制系统模型进行调试分析，看是否满足控制功能要求。将寻迹车实物组建起来，如图3所示。需要注意

的是，实物中的传感器输入接线，以及控制器跟电机驱动的输出接线，必须与MATLAB中建立的控制模型保持一致才行。设置好后，将arduino与PC机相连，通过外部模式运行建立好的控制系统simulink模型，进行调试，如图4所示。

从图4中的display显示模块，可以看出中间传感器检测到了黑线，这意味着小车应该直行，打开chart，状态1（forward）为高亮，说明与控制要求相符，同样还能测试左转、右转状态。调试通过后，就可以将simulink控制模型直接下载至arduino中，作嵌入式运行，如图5所示。

4结语

本文以arduino控制的寻迹小车为对象，在MATLAB中设计控制系统模型，并进行调试。通过这种方式，设计者不用编写程序代码，只要构建控制算法，所以设计、调试都十分方便。当然本设计中构建的控制算法比较简单，如果要考虑小车更灵活、更智能，则需要对控制算法进一步改进和优化。

参考文献

[1]Mathworks Corp. User's Guide R2013a[Z]， 2013.

[1] [2]Michael McRoberts. Beginning Arduino[M]， Apress， 2013.

收稿日期：2015-06-16

作者简介：唐伟杰，（1982―），男，湖南衡阳人，硕士，讲师，研究方向∶机械电子。