吳 楠 ，岳俊偉 ，黨 立

（1.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰442002；2.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，湖北 十堰442002）

智能小車(chē)使用統(tǒng)一提供的模型車(chē)、電池、直流電機(jī)和舵機(jī)，以車(chē)模為載體，分為幾大模塊，包括控制核心模塊、電源管理模塊、路徑識(shí)別模塊、后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)向舵機(jī)以及搖頭舵機(jī)的控制模塊、速度檢測(cè)模塊和串口無(wú)線通信模塊。每一個(gè)模塊包括硬件和軟件兩部分內(nèi)容，硬件為系統(tǒng)工作提供硬件實(shí)體，軟件為系統(tǒng)提供控制算法。

1 智能車(chē)硬件設(shè)計(jì)方案

硬件是智能車(chē)良好運(yùn)行的基礎(chǔ)，硬件設(shè)計(jì)思路是在保證穩(wěn)定、可靠的基礎(chǔ)上盡可能精簡(jiǎn)電路。硬件電路主要由電源、中央控制電路、激光傳感器、速度傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等部分組成。

1.1 電 源

由于條件和規(guī)則所限，智能車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)與控制系統(tǒng)共用同一電源。而由于電路中不同模塊的工作電壓各不相同，因此需要將電池電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊所需電壓。

電機(jī)加減速過(guò)程以及激光、紅外發(fā)射管導(dǎo)通瞬間伴隨的超大電流將拉低電池端電壓，嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)，尤其是單片機(jī)的穩(wěn)定工作。因此，必須設(shè)計(jì)可靠的穩(wěn)壓模塊，使電池端電壓下降到一定水平時(shí)，供電依然穩(wěn)定。智能車(chē)采用大電流低壓差三端穩(wěn)壓芯片LM1084 IS－5.0將電源電壓穩(wěn)壓到5 V后，給以上各部分供電。5 V穩(wěn)壓電路如圖1所示。

圖1 5 V穩(wěn)壓電路圖

由于比賽指定的舵機(jī)可以承受7.2 V的電池電壓，之前采用過(guò)電池直接給舵機(jī)供電,盡管能夠提高舵機(jī)的響應(yīng)速度和簡(jiǎn)化電路，但是會(huì)燒壞舵機(jī)。所以最終確定采用LM1084－ADJ穩(wěn)壓芯片將電源電壓穩(wěn)壓到6 V后，給舵機(jī)供電。

為了使電機(jī)獲得更高的速度和更大的調(diào)速范圍，直接使用電池7.2 V電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

1.2 中央控制電路

中央控制電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，控制器完成主電機(jī)控制、尋線響應(yīng)、舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制和速度獲取等功能。在電路設(shè)計(jì)上，采取了模塊化的設(shè)計(jì)思想，整個(gè)電路由最小系統(tǒng)板和擴(kuò)展板構(gòu)成。最小系統(tǒng)板囊括了MC9S12XS128單片機(jī)系統(tǒng)的必要組成部分，包括時(shí)鐘電路、鎖相環(huán)濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換器濾波電路、調(diào)試用的LED、電源以及各I/O口接口和BDM調(diào)試器接口等。擴(kuò)展板上規(guī)劃了小車(chē)各個(gè)設(shè)備的接口電路，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、各I/O口的引出線、舵機(jī)接口、人機(jī)交互電路、測(cè)速電路接口以及賽道識(shí)別傳感器接口。

MC9S12XS128 單 片 機(jī) 有 A、B、E、J、M、P、S、T等I/O口，還有一個(gè)A/D輸入端口。單片機(jī)端口資源的分配如表1所示。

表1 單片機(jī)端口資源的分配表

1.3 激光傳感器

激光傳感器由發(fā)射和接收兩部分構(gòu)成。發(fā)射部分由激光管及其驅(qū)動(dòng)電路組成，接收部分由接收管及其濾波電路組成。接收頻率為160～200 kHz、波長(zhǎng)為500～980 nm、占空比為20%～30%的調(diào)制波。因?yàn)榻邮展苤粚?duì)固定頻率和占空比的光信號(hào)有很高的靈敏度，對(duì)于其他的靈敏度很低，所以要給激光管設(shè)計(jì)調(diào)制電路。若采用譯碼器加三極管的驅(qū)動(dòng)方式，所需單片機(jī)I/O口較少，但使用元件較多，PCB板布線不易，也不利于將傳感器做小、做輕。因此現(xiàn)在用達(dá)林頓管ULN2003A來(lái)驅(qū)動(dòng)和調(diào)制激光管，由于ULN2003A集成度高，驅(qū)動(dòng)激光管電路比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是所需I/O口較多，可以用多個(gè)激光管同時(shí)發(fā)射的方法來(lái)解決。比賽規(guī)則規(guī)定傳感器最多不能超過(guò)16個(gè)，故不能一個(gè)激光管對(duì)應(yīng)一個(gè)接收管，通過(guò)對(duì)歷屆比賽的總結(jié)并結(jié)合使用經(jīng)驗(yàn)，確定使用一個(gè)接收管同時(shí)接收3個(gè)激光管的反射信號(hào)。為有效防止距離較近激光管之間的相互干擾，采用分時(shí)發(fā)射策略，即同一時(shí)刻只有部分激光管點(diǎn)亮，這些激光管不對(duì)應(yīng)同一接收管且距離較遠(yuǎn)。

1.4 速度傳感器

為控制智能車(chē)的速度，必須對(duì)車(chē)速進(jìn)行檢測(cè)。車(chē)速檢測(cè)的方式有多種，如用測(cè)速發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)角編碼盤(pán)、反射式光電檢測(cè)、透射式光電檢測(cè)和霍爾傳感器檢測(cè)。智能車(chē)速度傳感器采用的是OMRON公司的光電編碼器。該編碼器由5～12 V直流供電，每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)500個(gè)，硬件電路簡(jiǎn)單，且信號(hào)采集速度快、精度高，滿足了智能車(chē)車(chē)速控制精度要求。

1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由2片BTS7960組成H橋正傳和反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，原理圖如圖2所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用BTS7960B芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，BTS7960通態(tài)電阻典型值為16 mΩ，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)43 A。

2 軟件設(shè)計(jì)方案

2.1 信號(hào)采集

由于使用了激光傳感器，接收管均為數(shù)字量輸出，所以信號(hào)的采集只需讀取相應(yīng)I/O口狀態(tài)即可。

智能車(chē)采用的激光接收管只對(duì)180 kHz的調(diào)制光信號(hào)有很好的響應(yīng)，因此發(fā)射管的驅(qū)動(dòng)也需要加180 kHz的調(diào)制脈沖，上排傳感器一共使用了21個(gè)發(fā)射管，7個(gè)接收管，3個(gè)發(fā)射對(duì)應(yīng)1個(gè)接收管，ULN2003共有7路，1路驅(qū)動(dòng)3個(gè)發(fā)射管。

發(fā)射管依次編號(hào)，3個(gè)同時(shí)發(fā)射的管子兩兩相隔 7個(gè)， 發(fā)射的順序按照編號(hào)依次是 1－4－7－3－6－2－5，這樣可以有效避免相鄰發(fā)射管之間產(chǎn)生的干擾。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)射管發(fā)射100 us以上有較好的接收效果，最終的發(fā)射時(shí)間確定為200 us。

通過(guò)PIT定時(shí)中斷進(jìn)行時(shí)序控制，200 us中斷一次，在第1～7次中斷中點(diǎn)亮相應(yīng)的發(fā)射管,在關(guān)閉前將對(duì)應(yīng)的接收管的數(shù)字信號(hào)采集回單片機(jī)，放入一個(gè)大小為21的數(shù)組中，然后在第8次中斷時(shí)進(jìn)行賽道信息識(shí)別，搖頭以及轉(zhuǎn)向2個(gè)舵機(jī)的控制，速度控制等。

2.2 賽道信息的識(shí)別

設(shè)計(jì)的傳感器一共有21個(gè)發(fā)射管，兩兩之間的間距為20 mm，智能車(chē)尋跡的精度要求并不高，但較好的前瞻以及視野范圍對(duì)小車(chē)的尋跡有著很好的幫助。因此安裝傳感器時(shí)也盡可能將傳感器的視野范圍看的更寬，同時(shí)希望傳感器能看的更遠(yuǎn)。

所用傳感器能達(dá)到的前瞻在60 cm，最終使用的前瞻（按前輪軸算起）大概在45～50 cm，看的寬度達(dá)到了35～40 cm，這樣即使不搖頭也可以達(dá)到很好的尋跡效果。

每次發(fā)射管驅(qū)動(dòng)完畢，采集接收管的信號(hào)，黑線上為1，白色區(qū)域?yàn)?，集中存儲(chǔ)到數(shù)組Sensor1［21］中，然后進(jìn)行賽道識(shí)別。

由于傳感器看的范圍較寬，所以21個(gè)管子中會(huì)出現(xiàn)很多情況。在不考慮信號(hào)出錯(cuò)的情況下，會(huì)出現(xiàn)一段黑線（賽道、賽道外）、兩段黑線（一條賽道、一段邊界），三段黑線（起跑線），多段未知黑線等。為了能夠有效濾除一些干擾的黑線段，提取出準(zhǔn)確的賽道信息，每次只搜索上次黑線所處地方的附近區(qū)域，這樣可以有效排除一些干擾信息，但前提是上次的黑線值正確且存在。

打開(kāi)電源，單片機(jī)即開(kāi)始工作，開(kāi)始驅(qū)動(dòng)發(fā)射管發(fā)射，進(jìn)行賽道信息的初始化，從當(dāng)前傳感器所看到的狀態(tài)中提取出準(zhǔn)確的黑線。

2.3 速度采集以及路程控制

使用500線編碼器進(jìn)行測(cè)速，通過(guò)XS128中PT7口進(jìn)行脈沖累加計(jì)數(shù)，每2.5 ms采集并清零一次，每個(gè)采樣周期可采集70個(gè)左右的脈沖，通過(guò)計(jì)算傳動(dòng)比及實(shí)際測(cè)量，得到小車(chē)每行駛6 cm將有530個(gè)左右的脈沖，因此通過(guò)這個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)判斷小車(chē)行駛的距離。速度采集時(shí)間在10 ms時(shí)明顯感覺(jué)不是很均勻，換成5 ms后電機(jī)的聲音更加柔和，最終采用2.5 ms達(dá)到了很好的控制效果。

2.4 坡道處理

對(duì)于光電車(chē)最難處理的即是坡道，此時(shí)傳感器會(huì)由于坡的不同傾斜導(dǎo)致上排傳感器信號(hào)出錯(cuò)，如果僅僅是判斷為坡的時(shí)候舵機(jī)保持不動(dòng)，這樣的話就取決于上坡瞬間小車(chē)車(chē)身的姿態(tài)，稍有一點(diǎn)傾斜那么就會(huì)在長(zhǎng)達(dá)2 m的坡上掉下，所以在坡道上必須換另一排可靠的傳感器進(jìn)行尋跡，也就是通過(guò)下排傳感器來(lái)尋跡，這樣就不會(huì)在坡道上沖出，當(dāng)然上下排的切換也需要掌握時(shí)機(jī)，不能在除坡道以外的地方切換到下排，也不能還沒(méi)下坡正確的找到黑線就切換回上排。

小車(chē)上坡時(shí)必定經(jīng)過(guò)出錯(cuò)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)出錯(cuò)狀態(tài)走了6 cm后將重新進(jìn)行初始化，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有多于18個(gè)黑點(diǎn)時(shí)，判定為坡道。確定為坡道后將下排傳感器對(duì)應(yīng)的偏移量反映到PID公式中進(jìn)行尋跡。

切回上排尋跡需要滿足幾個(gè)條件，首先必須不是出錯(cuò)狀態(tài)，也就是搜索到了黑線，同時(shí)也需要保持不出錯(cuò)狀態(tài)6 cm才能切換回上排尋跡。

3 控制策略

3.1 搖頭舵機(jī)控制

搖頭的目的是為了將傳感器看的范圍加寬，只要黑線一直在傳感器看到的范圍內(nèi)，就可以很快的知道黑線的走向變化。

當(dāng)前傳感器發(fā)現(xiàn)黑線的偏差為100，那么搖頭舵機(jī)的目標(biāo)值為－100，但是在10 ms的控制周期內(nèi)舵機(jī)并不能一次轉(zhuǎn)動(dòng)到位，那么隔10 ms給一次控制量，根據(jù)目標(biāo)值和實(shí)際值之差來(lái)決定，若目標(biāo)值為－100，實(shí)際值為0，那么此時(shí)就給定一個(gè)舵機(jī)能夠在10 ms內(nèi)能轉(zhuǎn)動(dòng)最大轉(zhuǎn)角的控制量，若實(shí)際給定已經(jīng)達(dá)到－80，那么就給定一個(gè)較小的轉(zhuǎn)角。為了防止舵機(jī)抖動(dòng)，當(dāng)與目標(biāo)值相差10時(shí)就不給舵機(jī)PWM。

3.2 轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制

轉(zhuǎn)向舵機(jī)的控制由2個(gè)量來(lái)決定，一個(gè)是當(dāng)前搖頭舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，一個(gè)是當(dāng)前傳感器看到的黑線所在的位置，即PWMDTY45和Offset1，根據(jù)幾何計(jì)算，搖頭舵機(jī)的轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)了傳感器本身的一個(gè)偏移量，比如搖頭舵機(jī)轉(zhuǎn)了15.3度，傳感器在水平方向就移動(dòng)了15.75 cm，當(dāng)然這個(gè)也和前瞻有關(guān)，經(jīng)過(guò)測(cè)算時(shí)大概在45～50 cm，最終得到搖頭舵機(jī)PWM對(duì)應(yīng)的傳感器偏移量公式。

Delta_X為搖頭舵機(jī)轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的傳感器橫向偏移量。根據(jù)實(shí)際測(cè)算和理論計(jì)算，誤差在2 cm以?xún)?nèi)。

用Delta_X+Offset1得到黑線和小車(chē)的實(shí)際位移差 RealOffset。

舵機(jī)使用PID控制，為了防止小車(chē)在直線上出現(xiàn)震蕩情況，采用了二次項(xiàng)配合一次項(xiàng)的公式。公式中的k1、k2、k3為待定系數(shù)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)試湊。

3.3 速度控制策略

為了達(dá)到好的速度控制效果，對(duì)速度進(jìn)行閉環(huán)控制。這里所說(shuō)的速度控制策略是指設(shè)定速度的確定方法——設(shè)定速度主要由道路與直道的偏差來(lái)決定，道路越接近直道，設(shè)定速度越高，反之越低。

整個(gè)速度控制是由兩部分組成的：首先通過(guò)PID公式根據(jù)偏移量得到給定速度，然后通過(guò)給定速度與實(shí)際速度之差來(lái)給定送給驅(qū)動(dòng)芯片的PWM。

給定速度的計(jì)算直接采用PID控制：

Prespeed為給定速度，Standard_Speed為用撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)的小車(chē)行駛中的最高速度，也是直線速度，Slowdown是比例系數(shù)，根據(jù)不同偏移量減去相應(yīng)的速度，最后是微分部分，為了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反映小車(chē)行駛過(guò)程中微分量的變化，每3 cm將當(dāng)前的偏移量存入隊(duì)列中，然后取最新一次值和之前的某一次值之差作為微分量，即向后差分，這樣有利于入彎緊急減速以及出彎加速，更容易將直線上較高的速度降下來(lái)，但穩(wěn)定入彎后又有一定速度的提升，可以實(shí)現(xiàn)高速過(guò)彎。

實(shí)際給定的PWM通過(guò)給定速度以及當(dāng)前測(cè)得的速度來(lái)給出：

Speed為當(dāng)前速度，ek為給定速度與當(dāng)前速度之差，調(diào)速需要將現(xiàn)在的速度盡快變成需要的速度。當(dāng)ek等于0時(shí)，給定速度和當(dāng)前速度相同，需要給一個(gè)固定的占空比用以維持當(dāng)前的車(chē)速，因此將正反轉(zhuǎn)的條件以ek是否大于等于－3來(lái)區(qū)別，這個(gè)數(shù)據(jù)最終通過(guò)多次試車(chē)觀察效果得到，取決于測(cè)速精度、采樣精度等。

4 結(jié)束語(yǔ)

本智能車(chē)系統(tǒng)采用飛思卡爾的16位微控制器MC9S12XS128單片機(jī)作為核心控制單元。賽車(chē)的位置信號(hào)由車(chē)體前方的激光傳感器采集，經(jīng)XS128MCU處理后，用于賽車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制決策，同時(shí)內(nèi)部Pulse－Width模塊發(fā)出PWM波，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)對(duì)智能車(chē)進(jìn)行加速和減速控制，轉(zhuǎn)向舵機(jī)對(duì)前輪的方向進(jìn)行控制，使賽車(chē)在賽道上能夠自主行駛，并以最短的時(shí)間最快的速度跑完全程。

本次設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的智能車(chē)在第五屆 “飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽中取得華南賽區(qū)第一名和全國(guó)一等獎(jiǎng)。

［1］ 邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開(kāi)發(fā)方法 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［2］ MC9S12XS128 DATASHEET ［K/OL］. ［2010－11－08］.http://cnpdf.alldatasheet.com/datasheet－pdf/view/310870/FREESCALE/MC9S12XS128.

［3］ 陳 宋， 李立國(guó)， 黃開(kāi)勝.智能模型車(chē)底盤(pán)淺析［J］.電子產(chǎn)品世界，2006（6）：150－151.

［4］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分［M］.4版.北京：高等教育出版社，1999.