基于路徑識別的智能車系統(tǒng)設(shè)計

　　介紹了一種基于光電管路徑識別的智能車系統(tǒng)。該智能車使用光電管作為路徑識別裝置，依靠舵機(jī)輔助智能車轉(zhuǎn)向，使用直流電機(jī)驅(qū)動智能車前進(jìn)。系統(tǒng)采用符合PI控制算法的控制器進(jìn)行調(diào)速，并通過加長舵機(jī)轉(zhuǎn)臂提高舵機(jī)響應(yīng)速度，從而解決了系統(tǒng)的滯后問題。

　　隨著控制技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能車系統(tǒng)將在未來工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中扮演重要的角色。本文所述智能車尋跡系統(tǒng)采用紅外反射式光電管識別路徑上的黑線，并以最短的時間完成尋跡。通過加長轉(zhuǎn)臂的舵機(jī)驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向，使用符合PI算法的控制器實現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。為了使智能車快速、平穩(wěn)地行駛，系統(tǒng)必須把路徑識別、相應(yīng)的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制以及直流驅(qū)動電機(jī)控制準(zhǔn)確地結(jié)合在一起。

　　1硬件設(shè)計

　　本系統(tǒng)硬件部分以飛思卡爾公司的16位微處理器MC9S12DG128為控制核心，由電源模塊、主控制器模塊、路徑識別模塊、車速檢測模塊、舵機(jī)控制模塊和直流驅(qū)動電機(jī)控制模塊組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1.1主控制器模塊

　　本系統(tǒng)主控制器模塊采用的MC9S12DG128主要特點是功能高度集中,易于擴(kuò)展且支持C語言程序設(shè)計，從而降低了系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試的復(fù)雜度。

　　1.2電源模塊

　　本系統(tǒng)由7.2V/2000mAh的Ni-cd蓄電池組直接供電。鑒于單片機(jī)系統(tǒng)的核心作用，主控制器模塊采用單獨的穩(wěn)壓電路進(jìn)行供電；為提高舵機(jī)響應(yīng)速度，將電源正極串接一個二極管后直接加在舵機(jī)上；電機(jī)驅(qū)動芯片MC33886直接由電源供電。通過外圍電路整定，電源被分配給各個模塊。電源調(diào)節(jié)分配圖如圖2所示。

　　1.3路徑識別模塊

　　路徑識別模塊采用收發(fā)一體的紅外反射式光電管JY043作為路徑的基本檢測元件。本系統(tǒng)選用11個JY043按“一”字形排列在20cm長的電路板上，相鄰兩個光電管之間間隔2cm。因為路徑軌跡由黑線指示，落在黑線區(qū)域內(nèi)的光電二極管接收到的反射光線強(qiáng)度與白色的不同[2]，所以根據(jù)檢測到黑線的光電管的位置可以判斷行車方向。光電傳感器尋跡的優(yōu)點是電路簡單、信號處理速度快。在不受外部因素影響的前提下，光電管能夠感知的前方距離越遠(yuǎn)，行駛效率越高，即智能車的預(yù)瞄性能越強(qiáng)[3]。圖3為其硬件原理圖。

　　1.4車速檢測模塊

　　車速檢測模塊采用韓國Autonics公司的E30S-360-3-2型旋轉(zhuǎn)編碼器作為車速檢測器件。該旋轉(zhuǎn)編碼器硬件電路簡單、信號采集速度快，360線的精度足以滿足PI控制算法調(diào)節(jié)的需要。旋轉(zhuǎn)編碼器與直流驅(qū)動電機(jī)通過齒數(shù)為1:1的兩齒輪連接在一起，所以智能車車輪轉(zhuǎn)動一圈即可以用360個脈沖表示。因此一定時間內(nèi)單片機(jī)累加器獲得的脈沖數(shù)值可以用來表示車速，并可直接作為控制器參數(shù)。圖4為車速檢測模塊硬件電路圖。

　　1.5舵機(jī)控制模塊

　　本系統(tǒng)使用SANWASRM102型舵機(jī)完成智能車轉(zhuǎn)向。舵機(jī)屬于位置伺服電機(jī)，控制信號是MC9S12DG128單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號。舵機(jī)自身硬件特性決定：在給定電壓一定時，空載和帶載時的角速度分別保持恒值，而線速度，正比于轉(zhuǎn)臂的長度R。當(dāng)舵機(jī)所需轉(zhuǎn)動幅度一定時，長轉(zhuǎn)臂要比短轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動的角度小，即響應(yīng)更快。如圖5所示，對于轉(zhuǎn)臂1和2，當(dāng)R1。因此對于相同的角速度，可得轉(zhuǎn)臂響應(yīng)時間t1>t2。顯然利用舵機(jī)的轉(zhuǎn)距余量可以提高系統(tǒng)整體的響應(yīng)速度[4]。

　　智能車在行駛過程中，舵機(jī)的響應(yīng)時間決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性及快速性。為了減小舵機(jī)的時滯現(xiàn)象，充分利用舵機(jī)的轉(zhuǎn)矩余量，本系統(tǒng)采用了以下三種方法：

(1)提高舵機(jī)工作電壓，使其工作在額定電壓之上，從而減小舵機(jī)的響應(yīng)時間；
(2)將舵機(jī)轉(zhuǎn)臂加長至3.5cm，充分利用轉(zhuǎn)矩余量；
(3)將兩個8位PWM寄存器合并為一個16位PWM寄存器，將舵機(jī)的PWM控制周期放大至2000，從而細(xì)化PWM控制量，使轉(zhuǎn)臂變化更加靈活、均勻。

　　1.6直流驅(qū)動電機(jī)控制模塊

　　本系統(tǒng)中，直流驅(qū)動電機(jī)控制模塊由RS-380SH型直流電機(jī)、功率驅(qū)動芯片ULN2003、電機(jī)驅(qū)動芯片MC33886及MC9S12DG128微處理器組成。

　　功率驅(qū)動芯片ULN2003為單片高電流增益雙極型大功率高速集成電路，本系統(tǒng)采用了其中兩組用于增強(qiáng)單片機(jī)輸出的PWM信號的驅(qū)動能力。

　　圖6為直流驅(qū)動電機(jī)硬件控制電路圖。其中,電機(jī)驅(qū)動芯片MC33886是單片集成的H橋元件，它適用于驅(qū)動小馬力直流電機(jī)，并且有單橋和雙橋兩種控制方式。D1、D2為使能端，IN1、IN2為PWM信號控制輸入端，OUT1、OUT2為輸出端。由于智能車從直道高速進(jìn)彎時需通過緊急降速來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，所以電機(jī)正轉(zhuǎn)時必須能夠產(chǎn)生反向制動力矩。因此本系統(tǒng)選擇了MC33886的全橋工作方式。