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（山東諸城繁華中學(xué)，山東諸城，262200）

0 引言

智能車內(nèi)部設(shè)有的綜合系統(tǒng)能夠進(jìn)行自動(dòng)控制，是現(xiàn)代科學(xué)成果中的一項(xiàng)高新技術(shù)綜合體。本文中論述的智能風(fēng)動(dòng)力尋跡小車的設(shè)計(jì)研究中，采用瑞薩32位單片機(jī)R8C/38A作為智能車的控制核心，采用閉環(huán)PID控制以及紅外線傳感器等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對路線的自動(dòng)識(shí)別控制，通過控制舵機(jī)開環(huán)比例，讓模型車能夠自主尋跡行駛。

1 單片機(jī)的智能風(fēng)動(dòng)力尋跡小車總體設(shè)計(jì)方案

■1.1 單片機(jī)的智能風(fēng)動(dòng)力尋跡小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)的智能風(fēng)力尋跡小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將單片機(jī)控制模塊、路徑識(shí)別模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、通信及調(diào)試模塊等模塊組成MCU智能車系統(tǒng)，其中，控制模塊利用瑞薩單片機(jī)R8C/38A進(jìn)行核心控制，采用八個(gè)紅外傳感器構(gòu)成路徑識(shí)別模塊進(jìn)行路況信息采集，并將所采集到的信息輸送至單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行信號分析處理，處理完成后發(fā)出PWM波，對轉(zhuǎn)向舵機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行分別控制，這一控制能夠?qū)崿F(xiàn)智能車的基本行進(jìn)運(yùn)動(dòng)。模型車的車架后方裝有OMRON E6A2-CS3E/200P旋轉(zhuǎn)編碼器采集車輪轉(zhuǎn)速，通過該裝置可更加精準(zhǔn)的對模型車車速進(jìn)行精準(zhǔn)控制，由控制單元進(jìn)行脈沖信號的接收處理工作，并通過PID控制算法計(jì)算出PWM占空比，能夠提升智能車的車速，并進(jìn)行精準(zhǔn)控制。采用四輪驅(qū)動(dòng)以及無線收發(fā)模塊，加裝LED指示燈。圖1為模型車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 模型車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

■1.2 單片機(jī)的智能風(fēng)動(dòng)力尋跡小車的電源模板設(shè)計(jì)

單片機(jī)的智能風(fēng)動(dòng)力尋跡小車電源設(shè)計(jì)中，采用八塊5號2000 mAh充電電池進(jìn)行供電，電池可進(jìn)行充電，滿足模型車斷電狀態(tài)下的工作需要。在單片機(jī)的智能風(fēng)動(dòng)力尋跡小車電源模塊設(shè)計(jì)中，滿足自行調(diào)節(jié)電壓的電源模塊設(shè)置，驅(qū)動(dòng)電路能夠直接對電機(jī)進(jìn)行供電，單片機(jī)的智能風(fēng)動(dòng)力尋跡小車運(yùn)行電壓在4.8～6 V的范圍區(qū)間，通過對單片機(jī)的智能風(fēng)動(dòng)力尋跡小車電源模板的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)模型車的電能供應(yīng)，蓄電電池可作為模型車的主要?jiǎng)恿碓矗瑔纹瑱C(jī)的智能風(fēng)動(dòng)力尋跡小車能夠?qū)㈦娔芰己棉D(zhuǎn)化。

■1.3 單片機(jī)的智能風(fēng)動(dòng)力尋跡小車的路徑控制

在對單片機(jī)的智能風(fēng)動(dòng)力尋跡小車進(jìn)行路徑識(shí)別模塊的設(shè)計(jì)時(shí)，采用八組紅外線傳感器組成整套傳感器板。首先設(shè)置一組紅外線傳感器進(jìn)行閘門的檢測，通過該項(xiàng)傳感器控制閘門的開關(guān)，控制智能車是否啟動(dòng)。余下七組紅外線傳感器皆用于進(jìn)行路徑檢測工作。傳感器進(jìn)行路況感應(yīng)，并將路況信息傳達(dá)到單片機(jī)，對模型車行使的速度與轉(zhuǎn)向舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行智能控制，安裝紅外線發(fā)光二極管TLN119作為白色發(fā)射光線，而發(fā)射在賽道的為紅外線；安裝光傳感器S7136作為黑色吸收光線。當(dāng)有光線被反射到其接受面上時(shí)，則轉(zhuǎn)化數(shù)字信息“1”輸出到單片機(jī)，證明有光線被反射到其接受面上，反之則證明沒有光線被反射到其接受面上。單片機(jī)的智能風(fēng)動(dòng)力尋跡小車采用單片機(jī)PWM信號進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在這一設(shè)計(jì)中利用脈寬控制進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信息處理，保證對模擬量的電壓處理的簡便性，利用CPU能夠更好的處理數(shù)字量“1”和“0”，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有利控制。在模型車頂端安裝有一個(gè)螺旋槳，通過遇風(fēng)情況下螺旋槳的高速旋轉(zhuǎn)，能夠使風(fēng)能轉(zhuǎn)化成為電能，作為部分能源供應(yīng)。與此同時(shí)，模型車 H橋電路能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)以及速度控制，將電機(jī)設(shè)置在電橋的中心位置，在電機(jī)兩側(cè)分別設(shè)置四個(gè)場效應(yīng)管，將之構(gòu)成一個(gè)H形橋，通過改變H形橋的位置形狀，改變四個(gè)場效應(yīng)管的狀態(tài)，便能夠進(jìn)行對電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制[1]。

2 基于單片機(jī)的智能風(fēng)動(dòng)力尋跡小車研究

■2.1 模型車控制系統(tǒng)研究分析

模型車控制系統(tǒng)中的控制模塊主要運(yùn)用瑞薩32位單片機(jī)R8C/38A作為CPU板。將HEW軟件作為編譯軟件。HEW軟件是利用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)而成，該設(shè)計(jì)作為后臺(tái)系統(tǒng)，能夠保證整個(gè)應(yīng)用程序的循環(huán)作用，利用循環(huán)作用中的函數(shù)規(guī)律完成相應(yīng)指示。通過HEW軟件進(jìn)行工程窗口、編輯窗口等內(nèi)容的設(shè)置，工程建立完成后通過編譯與修改，從而生成二進(jìn)制目標(biāo)文件，而后利用 fl ash 編譯工具固化至單片機(jī)的Flashrom中。程序服務(wù)的中斷級可以處理在正常工作時(shí)遇到的異常事件，此項(xiàng)操作的處理時(shí)間的相關(guān)性很強(qiáng)，也是作為系統(tǒng)處理中一項(xiàng)關(guān)鍵操作。前后臺(tái)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中占據(jù)優(yōu)勢，系統(tǒng)成本低且任務(wù)較為單一，具有執(zhí)行效率高且資源分配靈活的顯著優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，除了對模型車設(shè)置了緊湊的硬件資源，還配備了模式切換、信號處理、信號采樣等等附加功能，滿足模型車的基本工作需要。模型車控制系統(tǒng)主要利用C語言進(jìn)行編程，這一技術(shù)具有匯編功能強(qiáng)、信號處理能力強(qiáng)以及靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，容易移植。在對智能車進(jìn)行方向控制時(shí)，利用單片機(jī)發(fā)出的PWM信號傳輸至舵機(jī)，對舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行控制。對模型車進(jìn)行方向控制時(shí)應(yīng)綜合考慮，選取控制簡單安全、且一旦出現(xiàn)偏差能夠及時(shí)挽回的比例控制技術(shù)[2]。

■2.2 模型車速度控制研究分析

對模型車速度控制的研究分析可知，為實(shí)現(xiàn)模型車能夠快速且平穩(wěn)的在賽道上行使，則需利用電能作為源動(dòng)力，采用四個(gè)直流電機(jī)對模型車的四輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在進(jìn)行初期調(diào)試時(shí)，測出模型車的平均速度超出2.2m/s，一旦模型車的四輪同時(shí)進(jìn)行直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，則會(huì)嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)向效果，所以應(yīng)把控好模型車的速度，采用合理差速控制策略。差速值的計(jì)算比較簡單，首先利用模型車的自身結(jié)構(gòu)以及賽道形式進(jìn)行計(jì)算，得出每一個(gè)輪子的速度比，由此進(jìn)行差速表的繪制。計(jì)算每一直流電機(jī)在實(shí)際輸出時(shí)的PWM占空比，保證每個(gè)輪子能夠在轉(zhuǎn)彎時(shí)進(jìn)行不同速度的轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)差數(shù)值的不同，大致可以分為三種：阿克曼式、中軸式、傳感器相關(guān)式[3]。本文中所研究的單片機(jī)智能風(fēng)動(dòng)力尋跡小車模型采用的是中軸式差速值，智能車在進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)先由前兩輪受到舵機(jī)控制，后兩輪不變動(dòng)，始終保持同一軸心。一般來說，當(dāng)模型車處于行使時(shí)，先由內(nèi)部的紅外線傳感器進(jìn)行賽道狀況的分析，將對賽道狀況的分析結(jié)果作為智能車是否加速或者減速的一句。采取一定策略，將控制程序中的模式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使之變更為速度設(shè)定值模式，并利用閉環(huán)反饋系統(tǒng)的方法以及PID控制算法進(jìn)行車速控制，其目的能夠使模型車保持穩(wěn)定行使，并在彎道轉(zhuǎn)彎時(shí)更好的控制車速，防止由于模型車轉(zhuǎn)彎不夠靈敏，造成沖出賽道等情況的發(fā)生。

■2.3 模型車設(shè)計(jì)方案檢測研究

模型車設(shè)計(jì)方案完成后，通過安裝操作將模型車組裝完整后，還需進(jìn)行模型車的調(diào)試。首先，應(yīng)檢查供電電路是否正常供電、編碼器與傳感器是否能夠正常開啟。在進(jìn)行電路檢測時(shí)，可利用萬用表對各組供電模塊進(jìn)行電壓測試，通過測試結(jié)果查看電壓與供電是否正常。之后，使車輪處于懸空狀態(tài)并啟動(dòng)模型車，查看電機(jī)驅(qū)動(dòng)能否正常工作，傳感器的測試可將傳感器板放置在地面，以檢測傳感器的信號接收是否正常無阻，這一項(xiàng)檢測結(jié)束后便完成了模型車的基本靜態(tài)檢測。進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測時(shí)，應(yīng)將模型車放置到賽道上進(jìn)行檢測，首先應(yīng)對不同賽道進(jìn)行單獨(dú)的測試，綜合對模型車進(jìn)行彎道、直道、換道等具有針對性的賽道測試，記錄在實(shí)際行駛過程中出現(xiàn)的問題，并對其進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。直到模型車行使在賽道上能夠穩(wěn)定且快速的行駛過不同賽道，才能夠進(jìn)行最后的整圈行使測試[4]。

3 結(jié)論

現(xiàn)階段，單片機(jī)智能風(fēng)動(dòng)力循跡小車的應(yīng)用越來越廣泛，這項(xiàng)技術(shù)也在向著更加高速度化和高智能化的方向不斷邁進(jìn)。上述單片機(jī)智能風(fēng)動(dòng)力尋跡小車方案中，利用螺旋槳的高速旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)L(fēng)能轉(zhuǎn)化成為供應(yīng)能源，通過紅外線感應(yīng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能尋跡小車的快速行駛。