基于激光傳感器的自主尋徑智能車設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于激光傳感器的自主尋徑智能模型車系統(tǒng)，以飛思卡爾公司1 6位單片機(jī)MC9S12XS128為核心控制器；系統(tǒng)采用激光傳感器陣列檢測路徑信息，得到智能車與路徑的橫向偏差，采用比例控制算法控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，并對(duì)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行增量式PID閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，從而實(shí)現(xiàn)智能模型車快速穩(wěn)定地自主尋徑行駛。
關(guān)鍵詞：智能車；激光傳感器；MC9S12XS128；比例控制；PID控制

0 引言
    智能車技術(shù)涵蓋了車輛工程、傳感器、人工智能、自動(dòng)控制、汽車電子、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，智能車的研究在智能交通領(lǐng)域已成為研究熱點(diǎn)。飛思卡爾智能汽車競賽要求參賽車模沿著仟意給定的黑色帶狀路徑，通過控制轉(zhuǎn)向和車速，在穩(wěn)定的前提下以最快的速度完成自主尋徑。
    本文以此為背景，設(shè)計(jì)了基于MC9S12XS128微控制器的智能車系統(tǒng)，采用激光傳感器陣列識(shí)別路徑信息，得到智能車中心線與路徑中軸線的橫向偏差，采用比例控制算法控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，并對(duì)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行增量式PID閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，從而實(shí)現(xiàn)智能模型車快速穩(wěn)定地自主尋徑行駛。

1 智能車系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    智能車系統(tǒng)以飛思卡爾16位單片機(jī)MC9S12XS128為核心控制器，該款處理器標(biāo)稱40 MHz總線頻率，片內(nèi)集成128 KB的FLASH，8KB的RAM，集成8信道脈寬調(diào)制模塊(PWM)，10位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，周期性中斷定時(shí)器(PIT)，增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器(ECT)以及SCI、SPI等多種通信接口，工作溫度范圍大．為-40～125℃，核心控制器性能優(yōu)越，能夠滿足本設(shè)計(jì)的需求。

    智能車系統(tǒng)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、路徑識(shí)別模塊(激光傳感器陣列)、舵機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、測速模塊、電源管理模塊等，硬件總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。其中MC9S12XS128控制器是智能車的核心部件，負(fù)責(zé)接收激光傳感器陣列獲取的路徑信息、小車速度、撥碼開關(guān)等輸入信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后依據(jù)控制策略，輸出相應(yīng)控制量對(duì)舵機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，完成智能車的轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、減速等功能。

2 電源管理模塊
    電源模塊是系統(tǒng)各部件正常工作的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)采用7．2 V／2000 mAh Ni-cd充電電池供電，為滿足激光傳感器陣列、控制器、舵機(jī)、直流電機(jī)、光電編碼器各器件電源不同需求且避免它們供電系統(tǒng)之間的互相干擾，各功能模塊均采用單獨(dú)供電。電源調(diào)節(jié)分配如圖2所示，系統(tǒng)采用穩(wěn)壓芯片TPS7350將電源電壓穩(wěn)壓至5 V為控制器供電；采用帶載能力大、轉(zhuǎn)換效率高的穩(wěn)壓芯片LM2596-5．0給傳感器和編碼器供電；通過LM2596-ADJ將電壓穩(wěn)壓至6．5V為舵機(jī)供電，保證在舵機(jī)正常承受電壓范圍內(nèi)，盡量提高響應(yīng)速度；將電源7．2 V直接為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電。

3 路徑識(shí)別模塊
    激光傳感器較紅外光電傳感器有高定向性、高亮度，強(qiáng)單色性等優(yōu)點(diǎn)，抗外界干擾強(qiáng)，前瞻性強(qiáng)，因此系統(tǒng)的路徑識(shí)別模塊采用了激光傳感器。11個(gè)激光傳感器，呈“一”字型間隔23 mm均勻排布在傳感器陣列上檢測賽道路徑信息。

    激光傳感器由發(fā)射部分和接收部分組成，發(fā)射部分的振蕩管發(fā)出160～200kHz頻率的振蕩波，經(jīng)三極管放大，激光管發(fā)光；接收部分由相匹配160～200 kHz的接收管接收反射的光強(qiáng)，接入XS128處理器的PA與PM口，檢測返回電壓的高低，激光傳感器電路圖如圖3所示。為減少激光傳感器相互之間的干擾，采用74LS154作為分時(shí)控制器分時(shí)點(diǎn)亮激光傳感器，由XS128的4個(gè)PA0～PA3針腳來控制11路激光管的開斷。

4 舵機(jī)控制模塊及控制策略
    智能車采用Futaba公司的3010型舵機(jī)，屬于位置伺服型電機(jī)，在負(fù)載力矩小于最大輸出力矩的情況下，其輸出轉(zhuǎn)角與控制信號(hào)脈寬成線性關(guān)系，通過XS128控制器輸出不同占空比的PWM信號(hào)進(jìn)行舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制，采用有效的控制策略獲取PWM占空比控制量。

    舵機(jī)控制策略采用基于模型車中心線與路徑中軸線偏差de的開環(huán)比例控制，原理如圖4所示。假設(shè)前瞻距離為H，A點(diǎn)踩到路徑，de為路徑橫向偏差，則車輪轉(zhuǎn)角θ應(yīng)為：
   
    在車輪轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)中，車輪轉(zhuǎn)角θ與舵機(jī)轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系，因此PWM占空比目標(biāo)值可采用下式獲得。
    PWM=Kp×θ+PWM0
    式中：PWM為XS128輸出的PWM信號(hào)占空比目標(biāo)值；PWM0為舵機(jī)正位時(shí)占空比值；Kp為比例控制系數(shù)。

5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及控制策略
    車速的控制是智能車穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素，智能車采用RS380-ST型直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制選用英飛凌公司的BTS7960B驅(qū)動(dòng)芯片，通過改變輸入芯片的PWM波的占空比控制驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)電機(jī)的供電電壓，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在設(shè)計(jì)過程中采用兩片BTS7960B并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，減小導(dǎo)通電阻，分流，減小芯片的發(fā)熱，提高驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

    反饋控制是基于偏差的控制，PID控制是將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量。偏差一旦形成，比例環(huán)節(jié)立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差；積分環(huán)節(jié)主要用來消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度；微分環(huán)節(jié)能反應(yīng)偏差的變化趨勢(shì)，并能在偏差值變得太大之前，引入一個(gè)有效早期信號(hào)，加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度一減少調(diào)節(jié)時(shí)間。
    智能車系統(tǒng)根據(jù)激光傳感陣列檢測的賽道信息由速度判決器輸出速度期望值，然后由期望值和速度反饋值(編碼器檢測獲得)運(yùn)算得到速度偏差，作為控制器的輸入量，構(gòu)建增量式PID控制器對(duì)小車的速度進(jìn)行閉環(huán)控制，調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示，速度判決器根據(jù)舵機(jī)控制量的大小調(diào)整速度期望值，直道上提高期望值，轉(zhuǎn)彎時(shí)適當(dāng)減小期望值，避免沖出賽道，保證智能車運(yùn)行的穩(wěn)定性。

6 結(jié)語
    設(shè)計(jì)的自主尋徑智能模型車系統(tǒng)以MC9S12XS128為核心控制器，電源分別對(duì)各個(gè)模塊單獨(dú)供電，避免了各模塊供電系統(tǒng)的干擾；路徑識(shí)別模塊采用激光傳感陣列檢測賽道信息，得到智能車與路徑的橫向偏差de，通過比例控制算法控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向；驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用兩片BTS7960B并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，提高了驅(qū)動(dòng)能力，并對(duì)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行增量式PID閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)了智能模型車快速穩(wěn)定地自主尋徑行駛。