基于μCOS-Ⅱ系統(tǒng)的智能尋跡模型車的設(shè)計與實現(xiàn)

0 引 言
智能車輛是當(dāng)今車輛工程領(lǐng)域研究的前沿，它體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動控制、計算機(jī)等多個學(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。以往智能小車在軟件設(shè)計上多采用單程序控制，不利于智能車在外部環(huán)境改變時做出快速反應(yīng)，為使智能車系統(tǒng)反應(yīng)更為快速，該智能車應(yīng)用μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合小型控制系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良等特點。且選用功耗較低、資源更為豐富的AVR系列ATmega16單片機(jī)作為核心控制單元。
采用紅外探測法實現(xiàn)尋跡功能，即將紅外光電傳感器固定在底盤前沿，利用其在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，單片機(jī)就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。并在后輪上粘上均勻分布的黑白條紋，根據(jù)光電反射原理，測量車速。為保證智能車在行駛過程具有良好的操穩(wěn)性和平順性，控制系統(tǒng)對直流電機(jī)驅(qū)動控制提出了較為理想的解決方案。

1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)
智能車的硬件部分以AVR系列ATmega 16單片機(jī)為核心控制器，由核心控制單元、電源管理模塊、路徑識別模塊、轉(zhuǎn)向控制模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊和速度及路程檢測模塊等組成。智能車控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．1 核心控制單元
智能車采用ATmage 16型單片機(jī)作為主控CPU其主要特點為高性能、低功耗、高性價比，資源豐富，并且支持高級語言編程，在運(yùn)行速度。內(nèi)存容量，內(nèi)部功能模塊集成化等諸多方面比MCS-51系列先進(jìn)。在智能車系統(tǒng)設(shè)計中，單片機(jī)的I／O資源分配如下：PB3，PD7為伺服電動機(jī)的PWM控制信號輸出引腳；PD0～PD3為驅(qū)動電機(jī)正反轉(zhuǎn)引腳；路徑識別系統(tǒng)經(jīng)排線由PA0～PA6輸入至單片機(jī)。
1．2 電源管理模塊
為避免電機(jī)等器件對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，智能車的各功能模塊單獨(dú)供電。采用12 V蓄電池為直流電機(jī)供電，將12 V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。相對于其他類型的電源，蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能?？紤]到蓄電池的體積大，在車體設(shè)計時留出了足夠的空間。
在穩(wěn)壓時，采用兩片7812芯片將電壓穩(wěn)壓至12 V后給直流電機(jī)供電，然后采用2576將電壓穩(wěn)至5 V。2576的輸出電流最大可到3 A，完全滿足系統(tǒng)要求。
1．3 路徑識別模塊
智能車采用紅外探測法實現(xiàn)小車在黑色地板上循白線行走，為了提高控制精度，要求傳感器排列緊密，越近越好。但傳感器排列緊密，傳感器發(fā)射管的光線可能會從地面反射進(jìn)入臨近傳感器的接收管。為消除傳感器之間互相干擾，傳感器共分為7組，由PA0～PA6這7個I／O口直接供MCU讀取傳感器數(shù)據(jù)。利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點，在智能車行駛過程中傳感器不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光(原理圖為圖2所示)。單片機(jī)就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。

1．4 電機(jī)驅(qū)動模塊
在電機(jī)驅(qū)動方面，采用運(yùn)用L298作為電機(jī)驅(qū)動芯片，A，B兩個電機(jī)分別控制左面和右面各兩個輪。通過調(diào)節(jié)兩輪的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)智能車的轉(zhuǎn)向，即由單片機(jī)控制進(jìn)行PWM變頻調(diào)速，通過程序設(shè)計改變脈沖調(diào)寬波形的占空比，從而實現(xiàn)調(diào)速。轉(zhuǎn)向角度不同，則兩電動機(jī)的轉(zhuǎn)速差異不同。當(dāng)小車處于較大的偏離狀態(tài)時，需把一個電機(jī)的速度調(diào)至極低，另一電機(jī)全速運(yùn)行，從而在較短時間內(nèi)完成路線的調(diào)整。
通過設(shè)定電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來控制智能車的前進(jìn)和后退。這種電路設(shè)計簡易高效，并能確保前后兩輪同步。
1．5 車速檢測模塊
智能車系統(tǒng)通過車速檢測模塊來讀取實時車速。采用在后輪上粘貼均勻分布有黑白條紋的方法。利用圖3的檢測電路來對車輪上的黑白條紋進(jìn)行檢測。根據(jù)光電反射原理，在車輪轉(zhuǎn)動時，紅外接收管接收到反射光強(qiáng)弱高低變化，就會產(chǎn)生與車輪轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的脈沖信號，將該脈沖信號進(jìn)行放大整形后輸入單片機(jī)的輸入捕獲引腳PA7，記錄單位時間內(nèi)所得到的脈沖數(shù)，就能夠表示出當(dāng)前車速，同時通過累加可以計算出小車所行走的路程。