基于μCOS-Ⅱ系統的智能尋跡模型車(chē)的設計與實(shí)現

0 引 言
智能車(chē)輛是當今車(chē)輛工程領(lǐng)域研究的前沿，它體現了車(chē)輛工程、人工智能、自動(dòng)控制、計算機等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域理論技術(shù)的交叉和綜合，是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的趨勢。以往智能小車(chē)在軟件設計上多采用單程序控制，不利于智能車(chē)在外部環(huán)境改變時(shí)做出快速反應，為使智能車(chē)系統反應更為快速，該智能車(chē)應用μC／OS-Ⅱ系統，該系統適合小型控制系統，具有執行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良等特點(diǎn)。且選用功耗較低、資源更為豐富的AVR系列ATmega16單片機作為核心控制單元。
采用紅外探測法實(shí)現尋跡功能，即將紅外光電傳感器固定在底盤(pán)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(diǎn)，在小車(chē)行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，單片機就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據來(lái)確定黑線(xiàn)的位置和小車(chē)的行走路線(xiàn)。并在后輪上粘上均勻分布的黑白條紋，根據光電反射原理，測量車(chē)速。為保證智能車(chē)在行駛過(guò)程具有良好的操穩性和平順性，控制系統對直流電機驅動(dòng)控制提出了較為理想的解決方案。

1 硬件系統的設計及實(shí)現
智能車(chē)的硬件部分以AVR系列ATmega 16單片機為核心控制器，由核心控制單元、電源管理模塊、路徑識別模塊、轉向控制模塊、電機驅動(dòng)模塊和速度及路程檢測模塊等組成。智能車(chē)控制系統總體結構如圖1所示。

1．1 核心控制單元
智能車(chē)采用ATmage 16型單片機作為主控CPU其主要特點(diǎn)為高性能、低功耗、高性?xún)r(jià)比，資源豐富，并且支持高級語(yǔ)言編程，在運行速度。內存容量，內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(chē)系統設計中，單片機的I／O資源分配如下：PB3，PD7為伺服電動(dòng)機的PWM控制信號輸出引腳；PD0～PD3為驅動(dòng)電機正反轉引腳；路徑識別系統經(jīng)排線(xiàn)由PA0～PA6輸入至單片機。
1．2 電源管理模塊
為避免電機等器件對系統產(chǎn)生干擾，智能車(chē)的各功能模塊單獨供電。采用12 V蓄電池為直流電機供電，將12 V電壓降壓、穩壓后給單片機系統和其他芯片供電。相對于其他類(lèi)型的電源，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?？紤]到蓄電池的體積大，在車(chē)體設計時(shí)留出了足夠的空間。
在穩壓時(shí)，采用兩片7812芯片將電壓穩壓至12 V后給直流電機供電，然后采用2576將電壓穩至5 V。2576的輸出電流最大可到3 A，完全滿(mǎn)足系統要求。
1．3 路徑識別模塊
智能車(chē)采用紅外探測法實(shí)現小車(chē)在黑色地板上循白線(xiàn)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(xiàn)可能會(huì )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(gè)I／O口直接供MCU讀取傳感器數據。利用紅外線(xiàn)在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在智能車(chē)行駛過(guò)程中傳感器不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車(chē)上的接收管接收；如果遇到黑線(xiàn)則紅外光被吸收，小車(chē)上的接收管接收不到紅外光(原理圖為圖2所示)。單片機就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據來(lái)確定黑線(xiàn)的位置和小車(chē)的行走路線(xiàn)。

1．4 電機驅動(dòng)模塊
在電機驅動(dòng)方面，采用運用L298作為電機驅動(dòng)芯片，A，B兩個(gè)電機分別控制左面和右面各兩個(gè)輪。通過(guò)調節兩輪的轉速來(lái)實(shí)現智能車(chē)的轉向，即由單片機控制進(jìn)行PWM變頻調速，通過(guò)程序設計改變脈沖調寬波形的占空比，從而實(shí)現調速。轉向角度不同，則兩電動(dòng)機的轉速差異不同。當小車(chē)處于較大的偏離狀態(tài)時(shí)，需把一個(gè)電機的速度調至極低，另一電機全速運行，從而在較短時(shí)間內完成路線(xiàn)的調整。
通過(guò)設定電機的正轉和反轉來(lái)控制智能車(chē)的前進(jìn)和后退。這種電路設計簡(jiǎn)易高效，并能確保前后兩輪同步。
1．5 車(chē)速檢測模塊
智能車(chē)系統通過(guò)車(chē)速檢測模塊來(lái)讀取實(shí)時(shí)車(chē)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(lái)對車(chē)輪上的黑白條紋進(jìn)行檢測。根據光電反射原理，在車(chē)輪轉動(dòng)時(shí)，紅外接收管接收到反射光強弱高低變化，就會(huì )產(chǎn)生與車(chē)輪轉速相對應的脈沖信號，將該脈沖信號進(jìn)行放大整形后輸入單片機的輸入捕獲引腳PA7，記錄單位時(shí)間內所得到的脈沖數，就能夠表示出當前車(chē)速，同時(shí)通過(guò)累加可以計算出小車(chē)所行走的路程。