光電式自動(dòng)尋跡車的設(shè)計(jì)

引言

自動(dòng)尋跡車是一種具備自主判斷、決策能力的綜合智能系統(tǒng)。它的設(shè)計(jì)集機(jī)械、電子、檢測(cè)技術(shù)與智能控制于一體，在社會(huì)生活中有著廣泛的應(yīng)用，例如自動(dòng)化生產(chǎn)線的物料配送機(jī)器人，醫(yī)院的機(jī)器人護(hù)士，商場(chǎng)的導(dǎo)游機(jī)器人等。

全國(guó)“飛思卡爾”智能模型車大賽在這樣的背景下產(chǎn)生，智能模型車比賽要求利用車上的視覺(jué)裝置，使智能小車在給定的區(qū)域內(nèi)沿著軌跡自動(dòng)行進(jìn)，在確保穩(wěn)定性的情況下，速度最快者獲勝，根據(jù)路徑判別的原理不同，分為光電組、電磁組和攝像頭組三種類型。本文所述智能車為光電組設(shè)計(jì)，采用與白色地面顏色有較大差別的黑色線條引導(dǎo)和反射式激光管識(shí)別路徑，通過(guò)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪前進(jìn)，并采用PWM實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，使智能車快速、平穩(wěn)地行駛。

總體設(shè)計(jì)思想

為了能夠自主尋跡行駛，智能車應(yīng)具有路徑識(shí)別、方向控制、速度檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)控制等功能，根據(jù)比賽規(guī)定，本設(shè)計(jì)以飛思卡爾公司提供的比賽專用車模為載體，以飛思卡爾16位微控制器MC9S12XS128單片機(jī)作為控制核心，用激光傳感器來(lái)進(jìn)行路徑識(shí)別，采用前軸轉(zhuǎn)向后軸驅(qū)動(dòng)方式。為了精確的控制賽車速度，在智能車后軸上安裝光電編碼器，采集車輪轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)，由主控制器進(jìn)行PID自動(dòng)控制，完成智能車速度的閉環(huán)控制。整個(gè)智能車的設(shè)計(jì)可分為硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩部分。

硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)應(yīng)包括主控制器選擇、電源管理模塊、尋跡傳感器模塊、測(cè)速傳感器模塊、舵機(jī)控制模塊以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

主控制器模塊

本設(shè)計(jì)以16位微處理器MC9S12XS128為控制核心，最高總線速度40MHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換時(shí)間3μs，具有出色的EMC功能。主要I/O口的分配如下：PA0～PA7共8位用于小車前面路徑識(shí)別的輸入口，PT7用于速度傳感器檢測(cè)的輸入口；PWM1用于伺服舵機(jī)的PWM控制信號(hào)輸出；PWM3、PWM5用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM控制信號(hào)輸出。

電源管理模塊

電源管理模塊為各部分提供動(dòng)力，全部硬件電路的電源由7。2V鎳鎘蓄電池提供，由于系統(tǒng)各模塊所需電壓和電流容量不同，采用芯片LM2940將7。2V蓄電池轉(zhuǎn)換為5V電源給單片機(jī)系統(tǒng)、路徑識(shí)別的光電傳感器、光電編碼器等供電，由芯片LM2941提供6V為舵機(jī)提供電源，而為了提高伺服電機(jī)響應(yīng)速度，電機(jī)模塊直接由7。2V蓄電池提供電源。

路徑檢測(cè)模塊

圖1總體結(jié)構(gòu)

圖2車體結(jié)構(gòu)和傳感器布局及編碼

由于紅外光電傳感器價(jià)格便宜，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，所以被經(jīng)常采用。RPR220是一種一體化的反射型光電探測(cè)器，可進(jìn)行反光性差別較大的兩種顏色（如黑白兩色）的識(shí)別，從而判別賽道的方向。

本設(shè)計(jì)共采用8個(gè)RPR220型紅外傳感器，水平均布在賽車前部的傳感器板上，由于其前瞻性較差，通常只有3cm~5cm，所以將傳感器板懸伸在車頭前方，采用垂直檢測(cè)的方法，如圖2所示。傳感器間距為12mm，小于賽道黑線寬度，保證當(dāng)賽車在賽道上行駛時(shí)始終有傳感器能檢測(cè)到黑線。賽車8個(gè)傳感器可以檢測(cè)到8個(gè)精確的位置，加上相鄰兩個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)到黑線和沒(méi)有傳感器檢測(cè)到黑線的情況，一共有16種檢測(cè)狀態(tài)，這樣的橫向檢測(cè)精度可以達(dá)到6mm，基本滿足尋跡要求。

速度檢測(cè)模塊

測(cè)速模塊硬件的主要功能是將頻率隨轉(zhuǎn)速變化的模擬信號(hào)送入信號(hào)處理電路，最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào)。為了精確控制車模運(yùn)動(dòng)，我們采用的是單片機(jī)控制編碼器的方法來(lái)檢測(cè)小車的電機(jī)轉(zhuǎn)速。編碼器我們選用OMRON公司生產(chǎn)的一款100線旋轉(zhuǎn)編碼器OME-100-1N型光電編碼器，按1：1傳動(dòng)比用一對(duì)齒輪與驅(qū)動(dòng)軸連接，驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)一周，編碼器可獲得100個(gè)脈沖，單片機(jī)通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)就可以得到轉(zhuǎn)速的具體數(shù)值。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)與舵機(jī)模塊

本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用直流電機(jī)，其控制效果直接影響小車的速度以及前行的穩(wěn)定性。為了得到較大的驅(qū)動(dòng)能力，最初選用兩片MC33886驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成H橋驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)的PP3和PP5引腳輸出的PWM脈沖經(jīng)6N137光耦隔離后，接入MC33886H橋輸入端，但由于比賽電機(jī)內(nèi)阻僅為430毫歐，而該集成芯片內(nèi)部的每個(gè)MOSFET導(dǎo)通電阻在120毫歐以上，大大增加了電樞回路總電阻，驅(qū)動(dòng)電路效率較低。后改為兩片BTS7960構(gòu)成全橋驅(qū)動(dòng)電路，內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通電阻為7+9毫歐，直接與單片機(jī)相連，提高了驅(qū)動(dòng)效率。

舵機(jī)采用的S3010型電機(jī)實(shí)質(zhì)是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)和控制電路組成，通過(guò)內(nèi)部位置反饋，可使它的舵盤輸出轉(zhuǎn)角正比于單片機(jī)PWM1通道給定控制信號(hào)。

軟件設(shè)計(jì)

智能車比賽最終以速度作為評(píng)判依據(jù)，智能車路徑識(shí)別算法、轉(zhuǎn)向控制、速度控制算法是研究的重點(diǎn)。智能車的運(yùn)行控制是根據(jù)路徑識(shí)別和車速檢測(cè)所獲得的當(dāng)前路徑和車速信息，控制舵機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，從而調(diào)整智能車的行駛方向和速度。控制算法相當(dāng)于人的思維，是其最核心的部分，負(fù)責(zé)按預(yù)定的流程處理傳感器所采集的數(shù)據(jù)。軟件流程圖如圖3所示。其中，F(xiàn)OR循環(huán)包含了檢測(cè)黑線位置，更新舵機(jī)輸出等子程序，如圖4所示。

圖3控制主程序

圖4FOR循環(huán)子程序

路徑識(shí)別算法

小車自主尋跡過(guò)程中，光電傳感器會(huì)受外界光線、車體抖動(dòng)、交叉線、上下坡、路徑黑斑等環(huán)境因素的干擾，會(huì)使傳感器檢測(cè)路徑信息存在偏差而影響小車尋跡的穩(wěn)定性。為此，我們采用連續(xù)檢測(cè)濾波處理的方式消除干擾：即傳感器對(duì)路徑連續(xù)檢測(cè)5次并將采集到的信息存于數(shù)組Line[5][8]，檢測(cè)到黑線存值1，否則存值0。若

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