基于光電管路徑識(shí)別的智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

隨著控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能車系統(tǒng)將在未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中扮演重要的角色。本文所述智能車尋跡系統(tǒng)采用紅外反射式光電管識(shí)別路徑上的黑線，并以最短的時(shí)間完成尋跡。通過(guò)加長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向，使用符合PI算法的控制器實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。為了使智能車快速、平穩(wěn)地行駛，系統(tǒng)必須把路徑識(shí)別、相應(yīng)的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制以及直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制準(zhǔn)確地結(jié)合在一起。

1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分以飛思卡爾公司的16位微處理器MC9S12DG128為控制核心，由電源模塊、主控制器模塊、路徑識(shí)別模塊、車速檢測(cè)模塊、舵機(jī)控制模塊和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 主控制器模塊

本系統(tǒng)主控制器模塊采用的MC9S12DG128主要特點(diǎn)是功能高度集中，易于擴(kuò)展且支持C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，從而降低了系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試的復(fù)雜度。

1.2 電源模塊

本系統(tǒng)由7.2V/2000mAh的Ni-cd蓄電池組直接供電。鑒于單片機(jī)系統(tǒng)的核心作用，主控制器模塊采用單獨(dú)的穩(wěn)壓電路進(jìn)行供電;為提高舵機(jī)響應(yīng)速度，將電源正極串接一個(gè)二極管后直接加在舵機(jī)上;電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33886直接由電源供電。通過(guò)外圍電路整定，電源被分配給各個(gè)模塊。電源調(diào)節(jié)分配圖如圖2所示。

1.3 路徑識(shí)別模塊

路徑識(shí)別模塊采用收發(fā)一體的紅外反射式光電管JY043作為路徑的基本檢測(cè)元件。本系統(tǒng)選用11個(gè)JY043按“一”字形排列在20cm長(zhǎng)的電路板上，相鄰兩個(gè)光電管之間間隔2cm。因?yàn)槁窂杰壽E由黑線指示，落在黑線區(qū)域內(nèi)的光電二極管接收到的反射光線強(qiáng)度與白色的不同，所以根據(jù)檢測(cè)到黑線的光電管的位置可以判斷行車方向。光電傳感器尋跡的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、信號(hào)處理速度快。在不受外部因素影響的前提下，光電管能夠感知的前方距離越遠(yuǎn)，行駛效率越高，即智能車的預(yù)瞄性能越強(qiáng)。圖3為其硬件原理圖。

1.4 車速檢測(cè)模塊

車速檢測(cè)模塊采用韓國(guó)Autonics公司的E30S-360-3-2型旋轉(zhuǎn)編碼器作為車速檢測(cè)器件。該旋轉(zhuǎn)編碼器硬件電路簡(jiǎn)單、信號(hào)采集速度快，360線的精度足以滿足PI控制算法調(diào)節(jié)的需要。旋轉(zhuǎn)編碼器與直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)齒數(shù)為1:1的兩齒輪連接在一起，所以智能車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈即可以用360個(gè)脈沖表示。因此一定時(shí)間內(nèi)單片機(jī)累加器獲得的脈沖數(shù)值可以用來(lái)表示車速，并可直接作為控制器參數(shù)。圖4為車速檢測(cè)模塊硬件電路圖。

1.5 舵機(jī)控制模塊

本系統(tǒng)使用SANWASRM102型舵機(jī)完成智能車轉(zhuǎn)向。舵機(jī)屬于位置伺服電機(jī)，控制信號(hào)是MC9S12DG128單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)。舵機(jī)自身硬件特性決定：在給定電壓一定時(shí)，空載和帶載時(shí)的角速度分別保持恒值，而線速度，正比于轉(zhuǎn)臂的長(zhǎng)度R。當(dāng)舵機(jī)所需轉(zhuǎn)動(dòng)幅度一定時(shí)，長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂要比短轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度小，即響應(yīng)更快。如圖5所示，對(duì)于轉(zhuǎn)臂1和2，當(dāng)R1。因此對(duì)于相同的角速度，可得轉(zhuǎn)臂響應(yīng)時(shí)間t1>t2。顯然利用舵機(jī)的轉(zhuǎn)距余量可以提高系統(tǒng)整體的響應(yīng)速度。

智能車在行駛過(guò)程中，舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性及快速性。為了減小舵機(jī)的時(shí)滯現(xiàn)象，充分利用舵機(jī)的轉(zhuǎn)矩余量，本系統(tǒng)采用了以下三種方法：

(1)提高舵機(jī)工作電壓，使其工作在額定電壓之上，從而減小舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間;

(2)將舵機(jī)轉(zhuǎn)臂加長(zhǎng)至3.5cm，充分利用轉(zhuǎn)矩余量;

(3)將兩個(gè)8位PWM寄存器合并為一個(gè)16位PWM寄存器，將舵機(jī)的PWM控制周期放大至2000，從而細(xì)化PWM控制量，使轉(zhuǎn)臂變化更加靈活、均勻。

1.6 直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊

本系統(tǒng)中，直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊由RS-380SH型直流電機(jī)、功率驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33886及MC9S12DG128微處理器組成。

功率驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003為單片高電流增益雙極型大功率高速集成電路，本系統(tǒng)采用了其中兩組用于增強(qiáng)單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。

圖6為直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)硬件控制電路圖。

其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33886是單片集成的H橋元件，它適用于驅(qū)動(dòng)小馬力直流電機(jī)，并且有單橋和雙橋兩種控制方式。D1、D2為使能端，IN1、IN2為PWM信號(hào)控制輸入端，OUT1、OUT2為輸出端。由于智能車從直道高速進(jìn)彎時(shí)需通過(guò)緊急降速來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，所以電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)必須能夠產(chǎn)生反向制動(dòng)力矩。因此本系統(tǒng)選擇了MC33886的全橋工作方式。

當(dāng)需要智能車減速時(shí)，PI控制器計(jì)算值為負(fù)，令PWM5輸出的PWM信號(hào)占空比為零，PWM3輸出的PWM信號(hào)占空比與計(jì)算值的絕對(duì)值相同，并且計(jì)算值越負(fù)，OUT2的電平高出OUT1越多，電機(jī)有反轉(zhuǎn)趨勢(shì)。反之，當(dāng)需要智能車加速時(shí)，PI控制器計(jì)算值為正，PWM3輸出的PWM信號(hào)占空比為零，PWM5輸出的PWM信號(hào)占空比與計(jì)算值的絕對(duì)值相同，計(jì)算值越大，OUT1的電平高出OUT2越多，電機(jī)有正轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制方案是根據(jù)路徑識(shí)別模塊和車速檢測(cè)模塊所獲得的當(dāng)前路徑和車速信息，控制舵機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，從而調(diào)整智能車的行駛方向和速度。

圖7為系統(tǒng)程序流程圖。

智能模型車的路徑搜索算法(LineSearchingAlgorithm)是智能車設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分。本系統(tǒng)路徑搜索算法采用簡(jiǎn)單的switch語(yǔ)句，根據(jù)檢測(cè)到黑線的光電管的位置判斷舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度，同時(shí)給出相應(yīng)的速度控制信號(hào)。

其程序流程圖如圖8所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

智能車路徑識(shí)別的關(guān)鍵在于快速地判斷彎道并快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)。智能車行進(jìn)過(guò)程中，從長(zhǎng)直道進(jìn)入連續(xù)彎道時(shí)，由于曲率變化很小，此時(shí)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值較大，加之舵機(jī)響應(yīng)時(shí)間的限制，智能車極易脫離軌跡。采用加長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂的舵機(jī)及合理的路徑搜索算法，可以增強(qiáng)智能車對(duì)軌跡的跟隨性能。圖9所示為智能車尋跡連續(xù)彎道試驗(yàn)效果圖。其中，粗線為所尋跡的黑線，細(xì)線為智能車實(shí)際運(yùn)行軌跡。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)智能車控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了快速自動(dòng)尋跡功能。在硬件上，該系統(tǒng)采用MC9S12DG128B單片機(jī)為控制核心，協(xié)調(diào)電源模塊、路徑識(shí)別模塊、車速檢測(cè)模塊、舵機(jī)控制模塊及直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊的工作;在控制算法上，采用路徑搜索算法和類PI控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車的舵機(jī)轉(zhuǎn)角和電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。此外，系統(tǒng)還完成了對(duì)加長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂舵機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)與車速的配合控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該智能車系統(tǒng)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)性能良好，整體控制性能良好。