基于瑞薩單片機(jī)自動(dòng)尋跡智能車的設(shè)計(jì)

摘要 以瑞薩超級(jí)MCU模型車大賽為背景，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種智能車自動(dòng)尋跡系統(tǒng)。采用瑞薩16位微控制器H8／3048F作為核心控制單元，使用光電對(duì)管RPR220采集路面信息，自動(dòng)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，并對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)智能車穩(wěn)定、快速的行駛。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該套設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單可靠，具有良好的控制性，滿足設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞 瑞薩；自動(dòng)尋跡；智能車；PID控制

    隨著計(jì)算機(jī)、通信、傳感器等技術(shù)的發(fā)展，智能車成為汽車發(fā)展的趨勢(shì)。傳感器技術(shù)在智能車的應(yīng)用中越來越廣泛，如在夜間、霧天、高危高污染等環(huán)境下的行駛。智能車將成為人們生活的一部分。文中以瑞薩智能車大賽為背景，設(shè)計(jì)了一種以16位微控制器H8／3048F作為小車的控制核心，采用紅外反射傳感器檢測(cè)路面引導(dǎo)線，能根據(jù)給定參數(shù)行駛的電動(dòng)車。文中從硬件和軟件方面詳細(xì)闡述了智能車工作原理和設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)的小車具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、軟件控制高效等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
    本智能車?yán)密圀w前方的光電傳感器采集賽道信息、后軸上的光電編碼器采集車輪轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)單片機(jī)調(diào)理后，用于控制小車的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，內(nèi)部模塊產(chǎn)生的PWM波驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，對(duì)智能車進(jìn)行速度及轉(zhuǎn)角控制，使賽車在賽道上能夠自動(dòng)、平穩(wěn)行駛，并以最短的時(shí)間和最快的速度跑完全程。此外，本系統(tǒng)還增加了按鍵和顯示設(shè)備，以便于調(diào)試。智能車系統(tǒng)總體模塊圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)
    硬件設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，包括整車供電的電源管理電路設(shè)計(jì)、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，以及單片機(jī)的各個(gè)接口電路的連接設(shè)計(jì)等。
2．1 控制器模塊
    H8／3048F單片機(jī)是的日立公司生產(chǎn)的16位高性能微控制器。H8／3048F內(nèi)部有16個(gè)16位通用寄存器。其最高時(shí)鐘頻率可達(dá)18 MHz，尋址空間為16 MByte。芯片內(nèi)部包括：9個(gè)I／O口、32 kByte Flash、2 kByte RAM、16位的集成定時(shí)單元(ITU)、可編程定時(shí)式樣控制器(TPC)、j監(jiān)視定時(shí)器(WDT)、串行通信接口(SCI)以及A／D、D／A轉(zhuǎn)換器等?？刂破鱅／O口分配如下：P70～P77光電傳感器信號(hào)的輸入；PB用于車速檢測(cè)信號(hào)的輸入；PA用于啟動(dòng)傳感器板信號(hào)的輸入。控制器根據(jù)檢測(cè)到的路況和車速信息，控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，相應(yīng)地調(diào)整小車行駛方向和速度，最終使智能車按給定路線穩(wěn)定、快速地行駛。
2．2 電源模塊
    選用8節(jié)1．2 V鎳氫電池為直流電機(jī)供電，并經(jīng)降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能，且性價(jià)比高。電源部分采用LM2940CT芯片。該芯片最大能提供3 A的電流輸出，完全滿足系統(tǒng)要求。模塊采用兩片2940芯片，一片單獨(dú)給MCU供電，一片給其他部件供電。
2．3 尋跡傳感器模塊
    模塊采用一體化反射型光電對(duì)管RPR22D。其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，接收器是一個(gè)高靈敏度的硅平面光電三極管。RPR220具有如下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快。內(nèi)置可見光過濾器能減小離散光的影響。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對(duì)管調(diào)理電路簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定。傳感器檢測(cè)與調(diào)理電路如圖2所示。經(jīng)示波器觀察，輸出波形規(guī)則，可以直接供單片機(jī)查詢使用。

    小車對(duì)白線的檢測(cè)使用了9個(gè)等距排列的紅外管采集路徑識(shí)別路面信息。從左邊的光電管開始循環(huán)采集數(shù)據(jù)，檢測(cè)其是否在白錢上，如果在白線上，則接著檢測(cè)其右邊的光電管是否亦如此，依次向右推進(jìn)，當(dāng)出現(xiàn)3個(gè)以上光電管同時(shí)處于白線上方，則過濾掉當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)，采用歷史值。
2．4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
    電機(jī)驅(qū)動(dòng)板為一個(gè)由分立元件制作的可逆雙極型橋式驅(qū)動(dòng)器，其功率元件由4支n溝道功率MOSFET管組成，大幅提高了電動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。該驅(qū)動(dòng)器主要由以下部分組成：PWM信號(hào)輸入接口、邏輯換向電路、死區(qū)控制電路、電源電路、上橋臂功率MOSFET管柵極驅(qū)動(dòng)電壓泵升電路、功率MOSFET管柵極驅(qū)動(dòng)電路、橋式功率驅(qū)動(dòng)電路、緩沖保護(hù)電路等。通過設(shè)置HS／3048F輸出的PWM波的盼占空比可以實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。當(dāng)輸出的占空比為50％時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)，當(dāng)占空比>50％時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；<50％則反轉(zhuǎn)。
2．5 測(cè)速模塊
    為提高檢測(cè)精度，本模塊最后確定為使用精度較高的光電編碼器。光電編碼器使用5 V電源，輸出方波信號(hào)，具有質(zhì)量輕、可靠性高、安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

3 算法及軟件設(shè)計(jì)
3．1 方向控制算法
    智能車方向的控制采用對(duì)預(yù)定軌道的閉環(huán)控制，即輸出方向和測(cè)得的白線位置成分段比例關(guān)系。舵機(jī)的轉(zhuǎn)角公式為
    θ=arctan(e／b)       (1)
    式(1)中，θ為舵機(jī)的轉(zhuǎn)角；e為偏移量；b為前軸到傳感器間距。
    通過實(shí)驗(yàn)可得舵機(jī)的轉(zhuǎn)角與PWM脈寬呈線性關(guān)系，轉(zhuǎn)向公式為
    PWM=θ×K+M       (2)
    式中，K為比例系數(shù)；M對(duì)應(yīng)于舵機(jī)位沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)的PWM控制脈寬。實(shí)驗(yàn)證明，在一定范圍調(diào)節(jié)K，可以起到良好的控制效果。
    智能車檢測(cè)到的路面情況有16種狀態(tài)，其中每種狀態(tài)都有一個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)角與之對(duì)應(yīng)。這樣就可以在程序中創(chuàng)建出每種傳感器狀態(tài)中對(duì)應(yīng)的白線偏差e與舵機(jī)轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系，如表1所示。

3. 2 速度控制算法
    智能車控制算法采用PID算法，包括3個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行，即把測(cè)量得到的量與期望值相比較，然后用合格誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。PID控制算法是建立在經(jīng)典控制理論上的一種控制策略。PID控制算法能夠在保證不影響系統(tǒng)穩(wěn)定精度的前提下提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，小車在直線運(yùn)動(dòng)時(shí)不進(jìn)行PID控制，以最大速度運(yùn)動(dòng)，處于一般彎道狀態(tài)時(shí)則引入PID算法，這樣可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)速度，使小車具有良好的可控性。PID控制器原理框圖如圖3所示。

    系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對(duì)象組成。它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值m(t)構(gòu)成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。
    PID的圖形表達(dá)式

    式(4)中，T是采樣周期，必須足夠小，以保證系統(tǒng)有一定的精度；Ti為調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間；Td為調(diào)節(jié)器微分時(shí)間；Kp為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；e(k)為第k次采樣時(shí)的偏差；u(k)為控制量。
    采用增量式PID進(jìn)行控制，由△u(kT)=u(kT)-u(kT-T)，可得
    △u(kT)=Kp[e(kT)-e(kT-T)]+Kie(kT)+Kd[e(kT)-2e(kT-T)+e(kT-2T)]      (5)
    式中，e(kT)為第k次與中心位置的偏差程度；e(kT-T)、e(KT-2T)分別為k-1、k-2次誤差項(xiàng)。以此算法為基礎(chǔ)，用C語(yǔ)言編寫出控制算法程序。
3．3 程序設(shè)計(jì)
    主程序采用周期性檢測(cè)控制思想。每隔20ms檢測(cè)1次引導(dǎo)線、車速及加速度數(shù)據(jù)，根據(jù)程序處理結(jié)果調(diào)用舵機(jī)控制程序和驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制程序，對(duì)智能車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以完成循線運(yùn)行的要求。主流程圖如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    智能車設(shè)計(jì)涵蓋了自動(dòng)控制、電子等多個(gè)學(xué)科，其技術(shù)可被應(yīng)用到智能機(jī)器人、自動(dòng)化作業(yè)平臺(tái)等領(lǐng)域，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。論文結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從智能車的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面討論了智能車的設(shè)計(jì)。試驗(yàn)證明，用PID算法即使在路面導(dǎo)引線復(fù)雜的情況下，也能較好地保證智能車沿正確的方向前進(jìn)，以及運(yùn)行的平穩(wěn)性。