低成本光電尋跡智能車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　智能車競(jìng)速比賽以及多種智能車的應(yīng)用場(chǎng)合中，需要智能車沿著某條軌跡快速前進(jìn)，使用普通紅外傳感器、激光傳感器、攝像頭識(shí)別均可有效提取路面軌道信息而解決這一問題，現(xiàn)在常見使用16位單片機(jī)作為控制核心。普通紅外傳感器因?yàn)橐资芨蓴_、前瞻距離短等缺點(diǎn)已經(jīng)較少使用，攝像頭有豐富的數(shù)據(jù)信息，但是低成本8位單片機(jī)不能很好的處理這些信息。激光傳感器成本適中，處理的信號(hào)便于8位單片機(jī)處理，能夠有效的節(jié)省硬件成本。針對(duì)尋跡智能車進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)，采用3位freescale單片機(jī)MC9S08AC16作為控制核心，使用激光傳感器提取賽道信息，采用低成本的紅外測(cè)速方案，算法使用以PID為基礎(chǔ)的枚舉查表法，做到了處理快速高效。整個(gè)設(shè)計(jì)既滿足了競(jìng)速小車的響應(yīng)迅速的要求，又是一種較低成本的設(shè)計(jì)方案。

　　1 車模安裝

　　智能車的控制采用的是前輪轉(zhuǎn)向，B型車模采用的是國(guó)內(nèi)廠商生產(chǎn)的1:16的電動(dòng)越野遙控車的底盤部分，突出特點(diǎn)為四輪驅(qū)動(dòng)，四輪獨(dú)立懸掛。反射式光電傳感器在小車前方一字形簡(jiǎn)單排布，14個(gè)發(fā)射，7個(gè)接收，一個(gè)發(fā)射帶兩個(gè)接收，傳感器的前瞻可以達(dá)到40cm以上，兩個(gè)激光發(fā)射頭間距1.8cm.傳感器單元安裝圖如圖1所示。

　　圖1 改裝后智能車

　　系統(tǒng)選用紅外傳感器作為測(cè)速傳感器把紅外傳感器安裝在后輪上，在后輪的內(nèi)壁貼上黑白等距的膠帶，這樣子安裝就充分利用了空間，且完成了測(cè)速的要求。紅外傳感器測(cè)速安裝圖如圖2所示。車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，紅外傳感器將會(huì)輸出脈沖電平，檢測(cè)脈沖頻率將得到小車速度。這種測(cè)速方法無法達(dá)到光電解碼器的精度，但是對(duì)于小車的速度處理并沒有太大影響，而光電解碼器價(jià)格昂貴，安裝在齒輪上，同等電源和PWM的輸出時(shí)，小車速度會(huì)變慢。

　　圖2 紅外傳感器測(cè)速的安裝

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　電源管理模塊采用7.2 V 2 000 mAh Ni-Cd蓄電池作為系統(tǒng)能源，并且通過降壓穩(wěn)壓電路分出6 V，5 V分別給舵機(jī)和單片機(jī)等供電；使用H橋及其相關(guān)器件做了直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；轉(zhuǎn)向伺服舵機(jī)控制智能車轉(zhuǎn)向；用紅外傳感器測(cè)量模塊實(shí)時(shí)測(cè)量智能車車速；采用激光傳感器作為賽道的檢測(cè)；系統(tǒng)充分使用了M9S8AC16CG單片機(jī)的外圍模塊，具體使用到的模塊包括：定時(shí)器模塊、PWM脈沖寬度調(diào)制模塊、中斷模塊、I/O端口和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊等。

　　2.1 最小系統(tǒng)及主板

　　系統(tǒng)采用的常規(guī)使用的最小系統(tǒng)板，以MC9S08AC16為核心的單片機(jī)系統(tǒng)的最小系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：時(shí)鐘電路（外接的8 MHz的石英晶振）、電源電路（提供5 V直流電源）、復(fù)位電路、BDM接口（通過BDM頭向單片機(jī)下載和調(diào)試程序）。

　　主板上有組成本系統(tǒng)的主要電路，具體包括：

　　電源穩(wěn)壓電路 7.2 V的電池電源將會(huì)通過3個(gè)集成穩(wěn)壓電路處理成兩個(gè)5 V、一個(gè)約5~7.2 V的可調(diào)直流輸出，其中一個(gè)5 V直流電源供單片機(jī)和相關(guān)外設(shè)工作，另外一個(gè)5V直流單獨(dú)供激光傳感器工作，可調(diào)直流輸出供舵機(jī)工作，采用這種電源設(shè)計(jì)方式，可以提供所需不同大小的電源，同時(shí)在舵機(jī)、激光傳感器工作時(shí)不會(huì)影響單片機(jī)的工作電源。

　　接口電路 包括舵機(jī)接口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口、電源接口、調(diào)試用人機(jī)界面電路接口、單片機(jī)最小系統(tǒng)插座。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)板作為一個(gè)獨(dú)立的單元制作的直流電機(jī)“H”型雙極性驅(qū)動(dòng)電路。

　　2.2 傳感器模塊

　　采用14個(gè)發(fā)射，7個(gè)接收，兩個(gè)發(fā)射一個(gè)接收為一組一字排開。每次選中不相鄰兩個(gè)發(fā)射管發(fā)射，由兩個(gè)接收譬分別接受。AC16單片機(jī)的IO端口進(jìn)行控制，由74LD164驅(qū)動(dòng)選擇要發(fā)射的傳感器，由一個(gè)555芯片發(fā)出100 kHz的頻率震蕩波，激光管發(fā)光。接受部分有一個(gè)相匹配的100 kHz的接收管接收返回的光，7路接收管的接收信號(hào)直接進(jìn)單片機(jī)。傳感器原理如圖3所示。

　　圖3 激光傳感器原理圖

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 軟件設(shè)計(jì)概要

　　系統(tǒng)的主函數(shù)將執(zhí)行圖4所示流程圖對(duì)應(yīng)的程序。調(diào)試程序可以完成的功能有：檢驗(yàn)傳感器故障、調(diào)試速度控制參數(shù)、舵機(jī)中點(diǎn)設(shè)置、舵機(jī)轉(zhuǎn)角參數(shù)控制等。傳感器數(shù)據(jù)的讀取特指激光傳感器的讀取，在定時(shí)器程序中，每5 ms開始新的一輪激光掃描，每125μs更換1組激光發(fā)射管，每組發(fā)射兩個(gè)不相鄰的激光信號(hào)，所有激光發(fā)射5遍之后，3次以上檢測(cè)到賽道軌跡信號(hào)才確認(rèn)有效，此時(shí)才會(huì)設(shè)置傳感器數(shù)據(jù)讀取完成標(biāo)志，所以系統(tǒng)每5 ms進(jìn)入后續(xù)程序執(zhí)行。小車舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制、速度控制稍后詳細(xì)論述。對(duì)于小車馬達(dá)速度控制則為閉環(huán)控制，采用bang-bang控制與P算法控制相結(jié)合，小車的速度讀取采用了輸入捕捉功能完成，車子運(yùn)動(dòng)時(shí)，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)過1/5圈，紅外傳感器就會(huì)輸出一個(gè)完整的脈沖周期，通過讀取紅外傳感器的輸出脈沖頻率確定小車的速度。

　　圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

　　3.2 小車行駛狀態(tài)確定

　　該系統(tǒng)采用的賽道為寬為50 cm，中心線為25 mm的賽道，傳感器在黑色上讀取為1，在白色上讀取為0，賽道外地板使用傳感器有可能讀1，也有可能讀0.激光傳感器終采用“一”字型排布方式，相鄰的兩個(gè)傳感器的距離為20 mm.賽道如圖5所示。

　　圖5 賽道示意

　　傳感器在賽道上可能的狀態(tài)可分為：在普通的賽道處、在十字交叉線處，還有跑出賽道。系統(tǒng)定義了變量Car_State來代表小車當(dāng)前的狀態(tài)，可能會(huì)出現(xiàn)的情況如下：

　　1）當(dāng)小車在賽道上時(shí)，將會(huì)有1到2個(gè)傳感器輸出高電平，如果有兩個(gè)傳感器同時(shí)打到黑點(diǎn)，而兩個(gè)傳感器并不是相鄰的則認(rèn)為是干擾信號(hào)，不作特別處理，其他按照如圖6的傳感器排布方法計(jì)算坐標(biāo)從左向右依次為-13到13，此時(shí)Car_State計(jì)為傳感器打到的坐標(biāo)；

　　2）打到10個(gè)以上黑點(diǎn)計(jì)為交叉線，Car_State計(jì)為20;

　　3）沒有打到黑點(diǎn)則認(rèn)為小車即將跑出賽道，Car_State計(jì)為30;

　　4）另外還有一種情況傳感器已經(jīng)打到了賽道之外，而打到賽道外的傳感器可能輸出高電平，也有可能輸出低電平，此時(shí)有可能讀出的情況可能會(huì)判定為第一種，如圖5示意，此時(shí)小車本應(yīng)繼續(xù)左拐，但是判讀位第一種情況，就可能右拐，這種情況的判定就不能僅僅依靠讀傳感器來判定，還應(yīng)考慮小車前面行進(jìn)的趨勢(shì)加以判別。因?yàn)榇朔N情況一般只出現(xiàn)在小車轉(zhuǎn)大彎時(shí)，由于轉(zhuǎn)角不夠當(dāng)小車的傳感器會(huì)打到相反方向的賽道外，所以左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)的角度超過某一特定值時(shí)（如60°），應(yīng)當(dāng)屏蔽另一側(cè)的傳感器，只讀轉(zhuǎn)向該側(cè)的傳感器，如圖5小車現(xiàn)轉(zhuǎn)左側(cè)大彎，右側(cè)傳感器檢測(cè)到錯(cuò)誤黑點(diǎn)，此時(shí)只要將右側(cè)的7個(gè)傳感器屏蔽，只讀左側(cè)傳感器數(shù)值即可，此種情況Car_State計(jì)為40。

　　圖6 傳感器排布

　　3.3 舵機(jī)控制

　　小車在賽道上：Car_State為-13到13間的整數(shù)，由于光電管數(shù)量少，造成傳感器返回值離散度過大，不適合進(jìn)行回控，故應(yīng)加快采樣速率，進(jìn)行過采樣，再進(jìn)行一階迭代濾波：

　　PVal=（（Car_State×1 000）+（Pvalx10））/11;

　　小車行使5 ms后位置的偏差進(jìn)行迭代濾波：

　　Err=（（PVal-PVal1）+（Errx10））/11;//兩次位置偏差

　　P_Offset=Err/P_err; //負(fù)值左偏 正值右偏

　　if（P_Offset-5）P_Offset=-5; //左偏最大偏離為-5個(gè)單位