涂市委，薛諾諾，方海洋

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

引言

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人也在不斷地發(fā)展，光電直立智能車作為一種特殊的移動(dòng)機(jī)器人，在很多特定場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。文章以恩智浦E車模為模型，闡述了以下三個(gè)方面的內(nèi)容：一是整車控制策略，主要使各控制模塊相互配合，進(jìn)而使智能車在賽道上平穩(wěn)運(yùn)行；二是硬件電路設(shè)計(jì)，包括電源管理模塊等六大模塊；三是控制系統(tǒng)的具體算法過(guò)程以及總體結(jié)構(gòu)框圖、車模運(yùn)行控制框圖。通過(guò)試驗(yàn)調(diào)試，該光電直立智能車能夠?qū)崿F(xiàn)車模的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)平衡車以及機(jī)器人的研究起到了很好的參考和借鑒作用。

1 光電直立智能車整車控制策略

此控制系統(tǒng)共包含六大模塊：電源管理模塊、姿態(tài)檢測(cè)模塊、測(cè)速模塊、路徑識(shí)別模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無(wú)線調(diào)試模塊。K60單片機(jī)通過(guò)采集直立模塊中陀螺儀和加速度計(jì)的輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)軟件卡爾曼濾波后獲得智能車的當(dāng)前姿態(tài)，計(jì)算得到角度偏差[1]。經(jīng)過(guò)圖像識(shí)別得到路徑識(shí)別模塊輸出的圖像信息，從而得到車子距離賽道中心線的偏差量。通過(guò)正交解碼獲取速度檢測(cè)模塊的速度信號(hào)，得到兩輪的速度偏差。最終通過(guò)速度閉環(huán)的PID調(diào)節(jié)并結(jié)合兩電機(jī)PWM波的輸出，動(dòng)態(tài)調(diào)整車身姿態(tài)，使其既快又穩(wěn)地通過(guò)規(guī)定賽道。同時(shí)為實(shí)時(shí)監(jiān)控智能車的運(yùn)行情況，系統(tǒng)加入了無(wú)線調(diào)試模塊。此外，通過(guò)串口模塊可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)之間的信息傳輸。

2 光電直立智能車的硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)極其重要，首先要選擇合適的單片機(jī)，這里選用 MK60FN1MOVLQ15單片機(jī)為控制芯片，然后設(shè)計(jì)各外圍子電路，包括電源管理模塊等必要的模塊，最后通過(guò)連接各電路從而形成完整的電路網(wǎng)絡(luò)[2]。

2.1 電源管理模塊

系統(tǒng)供電 7.2V，電源電路 5V和 3.3V供電分別選用TPS7350和TPS7333芯片。電機(jī)模塊單獨(dú)供電，原因是電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)電池會(huì)發(fā)生較大的壓降和電流，容易產(chǎn)生對(duì)其他模塊的干擾。其中TPS7350、TPS7333均屬于微功耗低壓差穩(wěn)壓器，在欠壓條件下，TPS73xx的RESET輸出腳會(huì)執(zhí)行一次RESET操作。

2.2 姿態(tài)檢測(cè)模塊

光電直立智能車控制的核心在于對(duì)車模平衡狀態(tài)的控制，為維持車模平衡需要實(shí)時(shí)監(jiān)控車身姿態(tài)。姿態(tài)傳感器由直立模塊和轉(zhuǎn)向模塊兩個(gè)部分組成。其中，直立模塊主要使用的是MPU3050陀螺儀和MMA8451Q加速度計(jì)這兩種傳感器，輸出數(shù)字信號(hào)，通過(guò)IIC通信實(shí)現(xiàn)車模的直立；轉(zhuǎn)向模塊主要使用的是ENC-03MB陀螺儀傳感器，輸出模擬信號(hào)，采用AD轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)車模的轉(zhuǎn)向[3]。

2.3 測(cè)速模塊

系統(tǒng)采用512線3相增量式旋轉(zhuǎn)編碼器LQ_ECM15180 305_SDZ512，測(cè)速方向兼容正交解碼，輸出信號(hào)為 CMOS信號(hào)，選用5V供電電壓。工作原理為智能車在運(yùn)行時(shí)記錄下車子運(yùn)行的位移信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)化為周期性的電信號(hào)，再通過(guò)一定的處理轉(zhuǎn)化為計(jì)數(shù)脈沖，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)表示位移的大小[4]。

2.4 路徑識(shí)別模塊

選用山外鷹眼硬件二值化高速攝像頭 OV7725，供電電壓3.3V。該攝像頭共有8根數(shù)據(jù)信號(hào)線，每次輸出1個(gè)8bit數(shù)據(jù)，每個(gè)bit對(duì)應(yīng)圖像上的1個(gè)像素點(diǎn)，而且這8個(gè)像素點(diǎn)是硬件二值化后的數(shù)據(jù)，無(wú)需再次軟件二值化，極大減輕單片機(jī)的運(yùn)算量，進(jìn)而可以釋放更多的資源用在算法控制上。此攝像頭主要采用SCCB通信協(xié)議，同時(shí)兼容IIC協(xié)議，區(qū)別在于SCCB在讀的時(shí)候，添加了一個(gè)總線停止條件。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用全橋電路，由 IR2104S驅(qū)動(dòng) 4片 N型IR7843MOS管，12V升壓供電由MC34063提供。系統(tǒng)根據(jù)輸出的PWM信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速的控制。

2.6 無(wú)線調(diào)試模塊

無(wú)線調(diào)試模塊主要用于顯示車模運(yùn)行狀態(tài)及各控制參數(shù)的變化，NRF2401+模塊每32字節(jié)為一個(gè)數(shù)據(jù)包，當(dāng)發(fā)送變量值時(shí)前12個(gè)字節(jié)才是一個(gè)數(shù)據(jù)的幀。

3 系統(tǒng)控制算法

系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)各模塊功能的控制，系統(tǒng)的初始化包含電機(jī)、編碼器、攝像頭、PIT、PORTA、DMA的初始化，各功能模塊信息的采集包括直立模塊、轉(zhuǎn)向模塊、光電編碼器、攝像頭等，控制算法包括圖像二值化、邊緣檢測(cè)、卡爾曼濾波、車身姿態(tài)控制、速度控制、方向控制等，圖 2即為系統(tǒng)控制的總體結(jié)構(gòu)框圖[5]。

圖2 系統(tǒng)控制的總體結(jié)構(gòu)框圖

具體算法步驟如下：

①各功能模塊初始化，包括電源管理模塊等6個(gè)模塊；

②K60微控制器獲取各功能模塊采集得到的信息,包括車身傾角、圖像采集后的二值化圖像、轉(zhuǎn)向時(shí)的位置偏差量、電機(jī)轉(zhuǎn)速等；

③通過(guò)卡爾曼濾波得到車模傾角，然后對(duì)車模進(jìn)行 PD調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車模的直立，若滿足直立則執(zhí)行步驟④，反之則返回步驟①；

④通過(guò)對(duì)采集到的二值化圖像進(jìn)行處理后，得到圖像中心線距離賽道中心線的偏差量，同時(shí)微控制器判斷是否在速度時(shí)間周期內(nèi)，若在則結(jié)合電機(jī)速度，對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)PI調(diào)節(jié)；反之則直接執(zhí)行步驟⑥；

⑤微控制器將閉環(huán)控制結(jié)果轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的PWM占空比，控制左右兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

⑥微控制器判斷是否在轉(zhuǎn)向時(shí)間周期內(nèi)，若在則根據(jù)采集到的位置偏差量對(duì)智能車進(jìn)行PD調(diào)節(jié)，反之則進(jìn)入步驟⑦；

⑦車模的運(yùn)行與停車控制：微控制器判斷車身姿態(tài)是否滿足正常運(yùn)行要求，若滿足則輸出相對(duì)應(yīng)的占空比控制左右兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速；反之則控制電機(jī)的占空比為 0，車模停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

⑧當(dāng)車模電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，則通過(guò)無(wú)線調(diào)試模塊進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，并重新回到步驟①；

圖3為車模運(yùn)行時(shí)直立PD、速度PI、轉(zhuǎn)向PD的控制框圖，通過(guò)調(diào)整各控制參數(shù)從而實(shí)現(xiàn)車模的穩(wěn)定運(yùn)行[6]。

圖3 車模運(yùn)行控制框圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

表1 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)程序的編譯調(diào)試，以及對(duì)智能車直立、速度、方向三大模塊的控制參數(shù)進(jìn)行桌面靜態(tài)調(diào)試以及動(dòng)態(tài)調(diào)試之后，在36.4m的正式賽道上進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試后得到試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)測(cè)可以看出，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠使車模在賽道上快速運(yùn)行，且穩(wěn)定性好，這表明以上所述的控制方案合理，參數(shù)選擇恰當(dāng)，各硬件工作正常。

該文章針對(duì)光電直立智能車，以 MK60FN1MOVLQ15單片機(jī)為核心控制芯片，通過(guò)對(duì)智能車控制策略、硬件電路設(shè)計(jì)、控制算法幾個(gè)方面進(jìn)行闡述，以及對(duì)智能車直立、速度、方向三大模塊進(jìn)行桌面靜態(tài)調(diào)試以及動(dòng)態(tài)調(diào)試之后，各模塊能穩(wěn)定運(yùn)行，并以較為理想的速度完成賽道的直立行走，論文對(duì)于平衡車以及機(jī)器人的控制研究具有一定的參考和借鑒作用。

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