彭一準(zhǔn)，姜小寶，莊明加，保和平

(1. 天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222；2. 天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072；3. 深圳比亞迪汽車股份有限公司，深圳 518118)

一種基于80C51單片機(jī)控制的尋跡小車設(shè)計(jì)

彭一準(zhǔn)1，姜小寶2，莊明加3，保和平1

(1. 天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222；2. 天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072；3. 深圳比亞迪汽車股份有限公司，深圳 518118)

尋跡小車采用光電傳感器來識(shí)別白色路面中央的黑色引導(dǎo)線，通過80C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)向舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM控制，使小車實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定地尋線行駛．分模塊闡述了尋跡小車的原理、軟硬件設(shè)計(jì)及制作過程．針對路徑特點(diǎn)對尋跡小車的方向控制和速度控制提出了舵機(jī)分級轉(zhuǎn)向、速度分段控制的解決方案．實(shí)驗(yàn)表明，尋跡小車能夠較快速、平穩(wěn)地完成對各種曲率引導(dǎo)線的尋線行駛?cè)蝿?wù)．

單片機(jī)；PWM控制；尋跡；光電傳感器

Abstract：The tracing car was designed，which identify the black guide line in central of the white road by photoelectric sensors. M icrocontroller 80C51 was used to control steering motor and driving motor to drive the intelligent car fast and stably along w ith the guide line. The principles，make processes and software design of the tracing car in sub-modules were described. Based on the characteristics of the tracing path an ideal solution about classified steering gear and segmented speed control was proposed. Experiments show that the tracing robot can complete the task went along w ith the guide line more quickly and smoothly.

Keywords：m icrocontroller；PWM control；tracing；photoelectric sensor

隨著人們對安全性的日益重視，汽車的智能化已成為研究的重點(diǎn)之一．智能汽車作為一種智能化的交通工具，體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域理論技術(shù)的交叉和綜合，是未來汽車發(fā)展的趨勢[1]．自動(dòng)尋跡行駛是汽車智能化的一個(gè)方面，目前已有很多關(guān)于這方面的研究工作：如采用磁傳感器來檢測路徑的無人駕駛研究工作[2–3]，但采用磁傳感器需要在路面預(yù)埋磁釘，會(huì)對路面造成一定的損壞；有采用CCD攝像頭作為路徑傳感器實(shí)現(xiàn)無人駕駛的研究工作[4–5]，然而CCD 攝像頭一般價(jià)格較為昂貴，且需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的轉(zhuǎn)換和處理；也有采用光電傳感器來檢測路徑實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡的研究工作[6–8]，光電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、對道路無損壞和價(jià)格低廉等特點(diǎn)．但很多關(guān)于這方面的研究都只停留在介紹相關(guān)原理，并沒有闡述具體的元器件和制作過程．本文詳述了一種基于80C51單片機(jī)控制的尋跡小車的尋跡原理、總體設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)及制作過程．

1 總體設(shè)計(jì)

采用與路面顏色有較大差別的線條作引導(dǎo)線，尋跡小車能夠自動(dòng)檢測到引導(dǎo)線，并沿此引導(dǎo)線行駛．本文設(shè)計(jì)的尋跡小車采用光電傳感器來識(shí)別白色路面中央的黑色引導(dǎo)線，通過單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)尋跡小車快速穩(wěn)定地尋線行駛．為保證尋跡小車在尋線的過程中具有良好的操縱穩(wěn)定性，本文對尋跡小車的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行分析，針對路徑特點(diǎn)對尋跡小車的方向控制和速度控制提出了較為理想的舵機(jī)分級轉(zhuǎn)向、速度分段控制的解決方案．

尋跡小車分為6個(gè)模塊，系統(tǒng)組成如圖1所示．

圖1 尋跡小車系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the tracing car

其工作過程是：安裝在小車前部的光電傳感器檢測路面上黑色引導(dǎo)線的位置，并將測得的信息輸入到CPU控制模塊進(jìn)行分析處理；CPU控制模塊根據(jù)處理結(jié)果輸出控制指令，分別對轉(zhuǎn)向舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行PWM控制，通過兩者的相互配合實(shí)現(xiàn)尋跡小車左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前行、加減速等，從而實(shí)現(xiàn)尋跡小車快速平穩(wěn)的尋線行駛．

2 硬件設(shè)計(jì)和制作

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 CPU控制模塊

尋跡小車的CPU控制模塊應(yīng)滿足以下要求：采集7路光電傳感器的檢測信號(hào)，根據(jù)采樣信號(hào)輸出相應(yīng)的舵機(jī)、電機(jī)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)尋跡小車沿軌跡行駛．綜合考慮性能要求和經(jīng)濟(jì)性等因素，CPU采用80C51單片機(jī)．

單片機(jī)資源分配如下：P0.0—P0.6用于控制1號(hào)傳感器—7號(hào)傳感器的信號(hào)指示燈；P1.0—P1.7為1號(hào)傳感器—7號(hào)傳感器的信號(hào)輸入接口；P2.1—P2.2為驅(qū)動(dòng)電機(jī)PWM控制信號(hào)接口；P2.3為轉(zhuǎn)向舵機(jī)PWM控制信號(hào)接口．

2.1.2 檢測模塊

檢測模塊由反射式光電傳感器、電位器和運(yùn)算放大器LM 393組成，如圖2所示．反射式光電傳感器利用黑色引導(dǎo)線與白色路面對發(fā)射端發(fā)出光線的反射度不同，使接收端分得的電壓不同．運(yùn)算放大器LM 393的輸出端電壓信號(hào)直接輸入控制單片機(jī)的傳感器信號(hào)輸入接口．

圖2 傳感器連接電路Fig.2 Sensor circuit

2.1.3 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊包括驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)電機(jī)．如圖3所示，驅(qū)動(dòng)電路采用H型雙極性可逆PWM控制電路，可以實(shí)現(xiàn)尋跡小車的前進(jìn)、后退、加減速等功能．由于單片機(jī)輸出的PWM控制信號(hào)功率太小，不能直接驅(qū)動(dòng)MOS管工作，因此，在H橋驅(qū)動(dòng)電路兩邊各加入一個(gè)三極管8050NPN作為功率放大管(圖3中虛線框所示)．單片機(jī)通過P2.1和P2.2輸出的PWM控制信號(hào)經(jīng)過三極管放大之后，便可驅(qū)動(dòng)MOS管工作，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)．

圖3 H型雙極性可逆PWM控制電路Fig.3 H-reversible PWM control circuit in bipolar

因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)具有優(yōu)良的速度控制性能，輸出轉(zhuǎn)矩較大，可直接拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流電動(dòng)機(jī)．選用RS-380SH型直流電動(dòng)機(jī)(額定電壓7.2,V，最大功率可達(dá)26.5,W)．

2.1.4 轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊

舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于需要角度不斷變化并要求可以保持的控制系統(tǒng)[9]．基于單片機(jī)的舵機(jī)控制方法具有簡單、精度高、成本低、體積小的特點(diǎn)[10]．本文所設(shè)計(jì)的尋跡小車采用Futaba S3010型舵機(jī)，具有高穩(wěn)定、高轉(zhuǎn)速、反應(yīng)靈敏、轉(zhuǎn)動(dòng)角度大等特點(diǎn)．舵機(jī)采用PWM信號(hào)進(jìn)行控制，直接用P2.3接舵機(jī)信號(hào)線，產(chǎn)生一個(gè)以10,ms為周期的PWM控制信號(hào)，通過調(diào)整PWM控制信號(hào)的占空比來改變舵機(jī)的轉(zhuǎn)向．

2.1.5 電源管理模塊

電源管理模塊包括電池和穩(wěn)壓電路．電池采用輸出為7.2,V的鎳鎘電池組，為了防止電機(jī)、舵機(jī)等大功率器件在起動(dòng)時(shí)對其他器件帶來干擾[11]，尋跡小車各主要模塊均采用單獨(dú)供電的方式，其電源管理分配圖見圖4．

圖4 電源管理分配圖Fig.4 M anagement of power distribution

電池組直接給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，采用三片穩(wěn)壓芯片LM 2940分別給檢測系統(tǒng)模塊、轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊、單片機(jī)供電．

2.2 尋跡小車制作

車體采用東莞市博思電子數(shù)碼科技有限公司G768型車模．

2.2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的安裝

驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在小車后部，與后輪軸用齒輪傳動(dòng)，電機(jī)軸與后輪軸之間的傳動(dòng)比為9∶38(電機(jī)軸齒輪齒數(shù)為18，后輪軸齒輪齒數(shù)為76)．

齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對尋跡小車的驅(qū)動(dòng)能力有較大的影響，調(diào)整的原則是：兩傳動(dòng)輪軸要保持平行，齒輪間的配合間隙要合適，不能有卡住或遲滯現(xiàn)象；調(diào)整好的齒輪傳動(dòng)噪音小，并且不會(huì)有碰撞類的雜音．

2.2.2 舵機(jī)的安裝

舵機(jī)是具有較大延遲特性的對象，其延遲與其轉(zhuǎn)角大小成正比，如果能使舵機(jī)轉(zhuǎn)過的角度越小，車輪轉(zhuǎn)過的角度越大，則會(huì)大大提高舵機(jī)的響應(yīng)速度，而這不僅與舵機(jī)的安裝方式有關(guān)，也與舵機(jī)輸出臂的長度有關(guān)系，輸出臂越長越有利于提高響應(yīng)速度，但過長的輸出臂容易使舵機(jī)達(dá)到其堵轉(zhuǎn)力矩[9]．對各種安裝方式進(jìn)行比較，找到了一種較好的安裝方式，在此安裝方式下的最優(yōu)輸出臂長7,cm，可使整個(gè)小車在尋跡轉(zhuǎn)向中更加精確快速．

2.2.3 傳感器的布置

反射式光電傳感器在小車前部“一”字形排布，考慮到弧度信息采集的連貫性，采用非均勻布局，非均勻布局的理論依據(jù)是等角度分布原則，即先確定“一”合適的定點(diǎn)，從定點(diǎn)依次等角度畫射線，射線與傳感器水平線相交的位置即為傳感器的位置[12]．如圖5所示，傳感器4為兩前輪軸的中心，中間黑線即為路徑中央黑色引導(dǎo)線，黑色引導(dǎo)線的寬度為25,mm，為保證尋跡小車總能檢測到黑色引導(dǎo)線，傳感器間的最大間隔應(yīng)比該寬度要?。涣硗?，因?yàn)閷ほE小車系統(tǒng)中舵機(jī)從接受信號(hào)到控制輸出約有110,ms的延遲，將電路板伸出一定的長度(約7,cm)固定在小車的前方，可以提前檢測到引導(dǎo)線信息，從而對延遲進(jìn)行補(bǔ)償，這有利于減少小車運(yùn)動(dòng)過程中的振蕩，使小車平穩(wěn)地跑過彎道[11]．

圖5 傳感器布局圖Fig.5 Diagram of sensor layout

此外，安裝時(shí)各部分電路板大小應(yīng)與車體相適應(yīng)并布置在恰當(dāng)?shù)奈恢茫员闶剐≤嚨闹匦奈挥谟欣谛≤嚻椒€(wěn)行駛的位置．

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 整體控制方案

圖6為尋跡小車的系統(tǒng)控制框圖．引導(dǎo)線是小車跟蹤的目標(biāo)，小車通過檢測系統(tǒng)檢測出小車相對于所要跟蹤路徑的相對位置，再將此信息輸入到單片機(jī)，單片機(jī)將此信息進(jìn)行處理后將控制命令輸出到舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以控制小車的位置和速度，保證小車快速平穩(wěn)地沿預(yù)先設(shè)定好的路線行駛．

圖6 系統(tǒng)控制框圖Fig.6 Block diagram of the control system

3.2 轉(zhuǎn)向舵機(jī)的分級控制

由于跑道各點(diǎn)的轉(zhuǎn)彎半徑具有不確定性，因此，需要設(shè)計(jì)分級轉(zhuǎn)向程序，使小車在不同轉(zhuǎn)彎半徑處實(shí)現(xiàn)不同角度的精確轉(zhuǎn)向．圖7為轉(zhuǎn)向舵機(jī)的控制流程圖．

圖7 轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制流程圖Fig.7 Flow chart of steering gear’s control

跑道的彎度信息由小車前方的傳感器反映，單片機(jī)上電初始化之后，開始對各個(gè)傳感器按順序進(jìn)行掃描，根據(jù)傳感器信號(hào)確定轉(zhuǎn)角．若所有光電傳感器都為低電平，則說明沒有傳感器檢測到黑線，表示尋跡小車脫離軌跡．此時(shí)不改變舵機(jī)轉(zhuǎn)向，同時(shí)單片機(jī)輸出控制信號(hào)，使直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)．

可以看出，反射式光電傳感器越多，則分級轉(zhuǎn)向越精確，尋跡小車行駛越流暢；但同時(shí)要注意電路線束布置和傳感器之間干擾．

3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的分段控制

采用分段速度控制的方法，將跑道彎度分成4段，通過傳感器檢測跑道彎度信息，將檢測到的信息送入單片機(jī)處理，單片機(jī)根據(jù)速度控制算法得到相應(yīng)的PWM控制信號(hào)，對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而控制尋跡小車的速度．驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM周期為1,ms．

圖8為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制流程圖．為了防止小車在起步時(shí)加速過慢，在起步時(shí)加全電壓，一段距離之后才對其進(jìn)行速度調(diào)整．在小車行駛過程中，單片機(jī)按流程圖順序?qū)Ω鱾鞲衅鬟M(jìn)行連續(xù)掃描，當(dāng)1號(hào)或7號(hào)傳感器為高電平時(shí)，表明小車處于大彎道處，根據(jù)控制算法調(diào)整PWM控制信號(hào)占空比為85%，使小車減速，以免其沖出跑道；同理，當(dāng)2或6、3或5號(hào)傳感器為高電平時(shí)，分別調(diào)整PWM控制信號(hào)占空比為90%、95%；當(dāng)4號(hào)傳感器為高電平時(shí)，單片機(jī)應(yīng)輸出占空比為100%的PWM控制信號(hào)，使小車全速前進(jìn)．當(dāng)小車沖出跑道時(shí)，所有傳感器都為低電平，單片機(jī)輸出占空比為5%的PWM控制信號(hào)，并控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)瞬時(shí)反轉(zhuǎn)，從而使小車快速減速，然后迅速停下．由此可見，雙極性驅(qū)動(dòng)模式，大大縮短了智能車減速的時(shí)間．

圖8 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制流程圖Fig.8 Flow chart of drive m otor’s speed control

3.4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)表明，在不同曲率的路段上(曲率半徑分別為0.5、1、2 m)，經(jīng)過多次對驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度和舵機(jī)轉(zhuǎn)向的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后，小車能在直道以2,m/s，在彎道以0.8,m/s的平均速度，平穩(wěn)地在圖9所示測試路徑上行駛．

圖9 尋跡小車測試路徑圖Fig.9 Test path of tracing car

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種尋跡小車系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述了尋跡原理、軟硬件設(shè)計(jì)及制作過程．尋跡小車系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)均采用模塊化設(shè)計(jì)原則，使得設(shè)計(jì)易讀懂、易修改、易擴(kuò)充．

另外，傳感器的靈敏度可根據(jù)光電傳感器和引導(dǎo)線間的距離來調(diào)節(jié)，但是易受環(huán)境光影響且前瞻距離不長，影響小車在彎道的速度．在調(diào)試過程中，需要根據(jù)路徑曲率的不同，通過軟件調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度和舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度，以確定最佳值．該尋跡小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案可供尋跡類小車整體設(shè)計(jì)時(shí)參考．

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A Design of Tracing Car Based on Control of 80C51 M icrocontroller

PENG Yi-zhun1，JIANG Xiao-bao2，ZHUANG M ing-jia3，BAO He-ping1
(1. College of Electronic Information and Automation，Tianjin University of Science＆Technology，Tianjin 300222，China；2. School of Elecrical Engineering &Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3. BYD Auto Co.Ltd.，Shenzhen 518118，China)

TP242.6

A

1672-6510(2011)01-0055-05

2010–07–12；

2010–10–22

天津科技大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(20070433)

彭一準(zhǔn)（1974—），男，湖南人，講師，yzpeng@126.com.