基于瑞薩單片機自動(dòng)尋跡智能車(chē)的設計

摘要 以瑞薩超級MCU模型車(chē)大賽為背景，設計并實(shí)現了一種智能車(chē)自動(dòng)尋跡系統。采用瑞薩16位微控制器H8／3048F作為核心控制單元，使用光電對管RPR220采集路面信息，自動(dòng)控制舵機轉向，并對直流電機轉速進(jìn)行PID調節，從而實(shí)現智能車(chē)穩定、快速的行駛。實(shí)驗結果表明，該套設計方案簡(jiǎn)單可靠，具有良好的控制性，滿(mǎn)足設計要求。
關(guān)鍵詞 瑞薩；自動(dòng)尋跡；智能車(chē)；PID控制

隨著(zhù)計算機、通信、傳感器等技術(shù)的發(fā)展，智能車(chē)成為汽車(chē)發(fā)展的趨勢。傳感器技術(shù)在智能車(chē)的應用中越來(lái)越廣泛，如在夜間、霧天、高危高污染等環(huán)境下的行駛。智能車(chē)將成為人們生活的一部分。文中以瑞薩智能車(chē)大賽為背景，設計了一種以16位微控制器H8／3048F作為小車(chē)的控制核心，采用紅外反射傳感器檢測路面引導線(xiàn)，能根據給定參數行駛的電動(dòng)車(chē)。文中從硬件和軟件方面詳細闡述了智能車(chē)工作原理和設計方法，設計的小車(chē)具有電路設計簡(jiǎn)單、軟件控制高效等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統總體設計方案
本智能車(chē)利用車(chē)體前方的光電傳感器采集賽道信息、后軸上的光電編碼器采集車(chē)輪轉速的脈沖信號。這些信號經(jīng)單片機調理后，用于控制小車(chē)的運動(dòng)。同時(shí)，內部模塊產(chǎn)生的PWM波驅動(dòng)直流電機，對智能車(chē)進(jìn)行速度及轉角控制，使賽車(chē)在賽道上能夠自動(dòng)、平穩行駛，并以最短的時(shí)間和最快的速度跑完全程。此外，本系統還增加了按鍵和顯示設備，以便于調試。智能車(chē)系統總體模塊圖如圖1所示。

2 硬件設計
硬件設計是設計的基礎，包括整車(chē)供電的電源管理電路設計、電機的驅動(dòng)電路設計，以及單片機的各個(gè)接口電路的連接設計等。
2．1 控制器模塊
H8／3048F單片機是的日立公司生產(chǎn)的16位高性能微控制器。H8／3048F內部有16個(gè)16位通用寄存器。其最高時(shí)鐘頻率可達18 MHz，尋址空間為16 MByte。芯片內部包括：9個(gè)I／O口、32 kByte Flash、2 kByte RAM、16位的集成定時(shí)單元(ITU)、可編程定時(shí)式樣控制器(TPC)、j監視定時(shí)器(WDT)、串行通信接口(SCI)以及A／D、D／A轉換器等?？刂破鱅／O口分配如下：P70～P77光電傳感器信號的輸入；PB用于車(chē)速檢測信號的輸入；PA用于啟動(dòng)傳感器板信號的輸入?？刂破鞲鶕z測到的路況和車(chē)速信息，控制轉向舵機和直流驅動(dòng)電機，相應地調整小車(chē)行駛方向和速度，最終使智能車(chē)按給定路線(xiàn)穩定、快速地行駛。
2．2 電源模塊
選用8節1．2 V鎳氫電池為直流電機供電，并經(jīng)降壓、穩壓后給單片機系統和其他芯片供電。蓄電池具有較強的電流驅動(dòng)能力以及穩定的電壓輸出性能，且性?xún)r(jià)比高。電源部分采用LM2940CT芯片。該芯片最大能提供3 A的電流輸出，完全滿(mǎn)足系統要求。模塊采用兩片2940芯片，一片單獨給MCU供電，一片給其他部件供電。
2．3 尋跡傳感器模塊
模塊采用一體化反射型光電對管RPR22D。其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，接收器是一個(gè)高靈敏度的硅平面光電三極管。RPR220具有如下特點(diǎn)：結構緊湊、抗干擾能力強、反應速度快。內置可見(jiàn)光過(guò)濾器能減小離散光的影響。當發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來(lái)時(shí)，三極管導通輸出低電平。此光電對管調理電路簡(jiǎn)單，工作性能穩定。傳感器檢測與調理電路如圖2所示。經(jīng)示波器觀(guān)察，輸出波形規則，可以直接供單片機查詢(xún)使用。

小車(chē)對白線(xiàn)的檢測使用了9個(gè)等距排列的紅外管采集路徑識別路面信息。從左邊的光電管開(kāi)始循環(huán)采集數據，檢測其是否在白錢(qián)上，如果在白線(xiàn)上，則接著(zhù)檢測其右邊的光電管是否亦如此，依次向右推進(jìn)，當出現3個(gè)以上光電管同時(shí)處于白線(xiàn)上方，則過(guò)濾掉當前采樣數據，采用歷史值。