光電式自動(dòng)尋跡車(chē)的設計

引言

自動(dòng)尋跡車(chē)是一種具備自主判斷、決策能力的綜合智能系統。它的設計集機械、電子、檢測技術(shù)與智能控制于一體，在社會(huì )生活中有著(zhù)廣泛的應用，例如自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的物料配送機器人，醫院的機器人護士，商場(chǎng)的導游機器人等。

全國“飛思卡爾”智能模型車(chē)大賽在這樣的背景下產(chǎn)生，智能模型車(chē)比賽要求利用車(chē)上的視覺(jué)裝置，使智能小車(chē)在給定的區域內沿著(zhù)軌跡自動(dòng)行進(jìn)，在確保穩定性的情況下，速度最快者獲勝，根據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(lèi)型。本文所述智能車(chē)為光電組設計，采用與白色地面顏色有較大差別的黑色線(xiàn)條引導和反射式激光管識別路徑，通過(guò)舵機驅動(dòng)前輪轉向，采用直流電機驅動(dòng)后輪前進(jìn)，并采用PWM實(shí)現電機的調速，使智能車(chē)快速、平穩地行駛。

總體設計思想

為了能夠自主尋跡行駛，智能車(chē)應具有路徑識別、方向控制、速度檢測、驅動(dòng)控制等功能，根據比賽規定，本設計以飛思卡爾公司提供的比賽專(zhuān)用車(chē)模為載體，以飛思卡爾16位微控制器MC9S12XS128單片機作為控制核心，用激光傳感器來(lái)進(jìn)行路徑識別，采用前軸轉向后軸驅動(dòng)方式。為了精確的控制賽車(chē)速度，在智能車(chē)后軸上安裝光電編碼器，采集車(chē)輪轉速的脈沖信號，由主控制器進(jìn)行PID自動(dòng)控制，完成智能車(chē)速度的閉環(huán)控制。整個(gè)智能車(chē)的設計可分為硬件設計與軟件設計兩部分。

硬件設計

硬件系統應包括主控制器選擇、電源管理模塊、尋跡傳感器模塊、測速傳感器模塊、舵機控制模塊以及電機驅動(dòng)模塊。

主控制器模塊

本設計以16位微處理器MC9S12XS128為控制核心，最高總線(xiàn)速度40MHz，模數轉換器（ADC）轉換時(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(chē)前面路徑識別的輸入口，PT7用于速度傳感器檢測的輸入口；PWM1用于伺服舵機的PWM控制信號輸出；PWM3、PWM5用于驅動(dòng)電機的PWM控制信號輸出。

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蓄電池轉換為5V電源給單片機系統、路徑識別的光電傳感器、光電編碼器等供電，由芯片LM2941提供6V為舵機提供電源，而為了提高伺服電機響應速度，電機模塊直接由7。2V蓄電池提供電源。

路徑檢測模塊

圖1總體結構

圖2車(chē)體結構和傳感器布局及編碼

由于紅外光電傳感器價(jià)格便宜，電路設計簡(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器，可進(jìn)行反光性差別較大的兩種顏色（如黑白兩色）的識別，從而判別賽道的方向。

本設計共采用8個(gè)RPR220型紅外傳感器，水平均布在賽車(chē)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(chē)頭前方，采用垂直檢測的方法，如圖2所示。傳感器間距為12mm，小于賽道黑線(xiàn)寬度，保證當賽車(chē)在賽道上行駛時(shí)始終有傳感器能檢測到黑線(xiàn)。賽車(chē)8個(gè)傳感器可以檢測到8個(gè)精確的位置，加上相鄰兩個(gè)傳感器同時(shí)檢測到黑線(xiàn)和沒(méi)有傳感器檢測到黑線(xiàn)的情況，一共有16種檢測狀態(tài)，這樣的橫向檢測精度可以達到6mm，基本滿(mǎn)足尋跡要求。

速度檢測模塊

測速模塊硬件的主要功能是將頻率隨轉速變化的模擬信號送入信號處理電路，最終轉換成數字脈沖信號。為了精確控制車(chē)模運動(dòng)，我們采用的是單片機控制編碼器的方法來(lái)檢測小車(chē)的電機轉速。編碼器我們選用OMRON公司生產(chǎn)的一款100線(xiàn)旋轉編碼器OME-100-1N型光電編碼器，按1：1傳動(dòng)比用一對齒輪與驅動(dòng)軸連接，驅動(dòng)軸旋轉一周，編碼器可獲得100個(gè)脈沖，單片機通過(guò)對脈沖計數就可以得到轉速的具體數值。

驅動(dòng)電機與舵機模塊

本設計驅動(dòng)電機選用直流電機，其控制效果直接影響小車(chē)的速度以及前行的穩定性。為了得到較大的驅動(dòng)能力，最初選用兩片MC33886驅動(dòng)芯片構成H橋驅動(dòng)電路，單片機的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，但由于比賽電機內阻僅為430毫歐，而該集成芯片內部的每個(gè)MOSFET導通電阻在120毫歐以上，大大增加了電樞回路總電阻，驅動(dòng)電路效率較低。后改為兩片BTS7960構成全橋驅動(dòng)電路，內部MOSFET導通電阻為7+9毫歐，直接與單片機相連，提高了驅動(dòng)效率。

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

軟件設計

智能車(chē)比賽最終以速度作為評判依據，智能車(chē)路徑識別算法、轉向控制、速度控制算法是研究的重點(diǎn)。智能車(chē)的運行控制是根據路徑識別和車(chē)速檢測所獲得的當前路徑和車(chē)速信息，控制舵機和直流驅動(dòng)電機動(dòng)作，從而調整智能車(chē)的行駛方向和速度?？刂扑惴ㄏ喈斢谌说乃季S，是其最核心的部分，負責按預定的流程處理傳感器所采集的數據。軟件流程圖如圖3所示。其中，FOR循環(huán)包含了檢測黑線(xiàn)位置，更新舵機輸出等子程序，如圖4所示。

圖3控制主程序

圖4FOR循環(huán)子程序

路徑識別算法

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

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