基于激光傳感器的智能循跡小車設(shè)計(jì)

摘 要

本文介紹了基于激光傳感器作為路徑識別裝置的智能循跡小車的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)選取激光傳感器作為路徑信息采集裝置，以飛思卡爾兩片8位單片機(jī)MC9S08DZ60作為系統(tǒng)的控制核心，介紹了基于激光傳感器的數(shù)據(jù)處理與算法設(shè)計(jì)，并在CodeWarrior6.0開發(fā)環(huán)境上采用C語言進(jìn)行了軟件編程和仿真，最后經(jīng)過實(shí)際場地調(diào)試和多次系統(tǒng)的改進(jìn)，提高了小車識別系統(tǒng)的前瞻性和準(zhǔn)確度，從而達(dá)到了提高小車運(yùn)行速度和穩(wěn)定性的目的。

【關(guān)鍵詞】智能循跡小車 激光傳感器 數(shù)據(jù)處理

隨著自動(dòng)化水平的不斷提高以及工廠自動(dòng)化的普及，人們對對智能化的要求也越來越高，智能化涵蓋的區(qū)域也在不斷的擴(kuò)大，特別是在汽車的應(yīng)用上。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能小車系統(tǒng)主要包括MCU控制模塊、路徑采集模塊、速度控制模塊、電源模塊等。系統(tǒng)以2片freescale公司的8位單片機(jī)MC9S08DZ60為控制核心，使用激光傳感器作為路徑識別模塊的核心，為小車提供路徑的實(shí)時(shí)信息，第一片單片機(jī)對采集到的路徑信息進(jìn)行分析后，控制舵機(jī)讓小車轉(zhuǎn)向；第二片單片機(jī)通過對已收集到的賽道信息進(jìn)行分析，通過PID算法對小車速度進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)直道加速，彎道減速的效果，使小車的速度達(dá)到最快。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能小車系統(tǒng)使用的微控制器是Freescale公司推出的HCS08系列單片機(jī)中具有增強(qiáng)型的8位單片機(jī)MC9S08DZ60，該系列單片機(jī)在汽車電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。HCS08系列單片機(jī)的中央處理器CPU08由以下三個(gè)部分組成：算術(shù)邏輯單元ALU，控制單元和寄存器組。CPU外部總線頻率為4MHZ或者8MHZ，通過內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL），可以使內(nèi)部時(shí)鐘頻率達(dá)到20MHZ。它有 12種尋址方式，64KB flash，4KRAM，外圍包括24通道12位精度的ADC，8通道的PWM模塊，2個(gè)SPI模塊和2個(gè)SCI模塊，性能優(yōu)越，完全可以滿足小車系統(tǒng)的運(yùn)行。

智能小車使用7.2V 2000mAh Ni-cd電池供電，而單片機(jī)系統(tǒng)、路徑識別的光電傳感器等模塊均需要5V電源。故采用降壓型開關(guān)穩(wěn)壓芯片LM2576-5V將7.2V供電穩(wěn)壓為5V，具有轉(zhuǎn)換效率高，帶載能力大的優(yōu)點(diǎn)，滿足多數(shù)目傳感器功耗要求。

智能小車使用了15個(gè)激光發(fā)射管和7個(gè)激光接收管對路徑信息進(jìn)行采集，兩個(gè)激光管的間距為1.5cm。為了避免兩個(gè)發(fā)射管由于相鄰太近對接收管產(chǎn)生干擾，故對激光管采用分時(shí)開斷的策略，即同一時(shí)刻每次只打開一個(gè)發(fā)射管，如果所有接收管都接收不到信號，那說明此刻發(fā)射管照在黑線上，如果有一個(gè)接收管接收到了信號，那說明此刻發(fā)射管照在白色區(qū)域。

由于激光接收管對180KHz頻率的信號非常敏感，所以需要將發(fā)射管調(diào)制成180KHz的信號，使接收管能夠最大可能檢測到信號；同時(shí)又為了實(shí)現(xiàn)對各個(gè)發(fā)射管分時(shí)開斷，所以可以采用譯碼芯片，將發(fā)射管位選和調(diào)制功能結(jié)合起來，以簡化電路。74HC238是選通輸出為高電平的38譯碼器，可通過將2個(gè)38譯碼器級聯(lián)起來，將180KHz的信號連接在譯碼器的使能端，這樣在選通后，就可以直接輸出180KHz的信號，打開發(fā)射管。

H橋是電機(jī)驅(qū)動(dòng)常用電路，因其電路形狀酷似字母“H”而得名。四個(gè)三極管/MOSFET組成“H”的四個(gè)橋臂，電機(jī)則是“H”的負(fù)載，可通過導(dǎo)通不同對角線上的三極管/MOSFET來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

在實(shí)際使用中，通常集成H橋電路控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

智能小車在運(yùn)動(dòng)過程中，采用編碼器進(jìn)行測速。編碼器會(huì)在小車運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生一系列數(shù)字脈沖，MCU通過輸入捕捉獲取一定時(shí)間內(nèi)脈沖信號的個(gè)數(shù)，通過編碼器線數(shù)與電機(jī)傳動(dòng)比的關(guān)系，可以計(jì)算出小車的實(shí)際運(yùn)行速度。在計(jì)算到智能小車的實(shí)際運(yùn)行速度后，可采用PID算法對小車速度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

3 軟件設(shè)計(jì)

算法主要采用加權(quán)處理的方法，依據(jù)每個(gè)激光管距離車中心的位置遠(yuǎn)近不同，給予它們不同的權(quán)重，再根據(jù)每個(gè)激光管的實(shí)際照射路徑的信息，計(jì)算應(yīng)轉(zhuǎn)的角度。

采用加權(quán)處理的方法，能夠得到更細(xì)化的角度值，流暢的控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向。加權(quán)處理方法是依據(jù)不同的激光管距離車中心的位置，計(jì)算出當(dāng)前黑線相對于小車的位置，權(quán)重值的大小因不同的排列距離而不同，具體的值需要在試驗(yàn)中根據(jù)不同的安裝而定，適當(dāng)?shù)闹禃?huì)使整個(gè)控制系統(tǒng)靈活，連續(xù)，而如果權(quán)重值取值不恰當(dāng)?shù)脑?，將?huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向的滯后和機(jī)械。

本系統(tǒng)采用算術(shù)平均法進(jìn)行濾波。每次將采集的信號進(jìn)行加權(quán)，判斷等處理方法進(jìn)行單次濾波，保留數(shù)據(jù)；等待采集滿二十個(gè)采樣值后進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，給出一次轉(zhuǎn)角。這種方法適用于對一般具有隨機(jī)干擾的信號進(jìn)行濾波。需要注意的是：運(yùn)用算術(shù)平均濾波需充分考慮程序的執(zhí)行時(shí)間和舵機(jī)的延遲時(shí)間，要經(jīng)過反復(fù)的實(shí)踐來計(jì)算N值，否則會(huì)使系統(tǒng)轉(zhuǎn)角滯后。

實(shí)踐證明，加權(quán)和算術(shù)平均濾波法能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)路面的情況，做出正確的轉(zhuǎn)向判斷。

4 結(jié)論

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完后，在實(shí)際跑道中還存在一些問題，比如小車過不了小圓、大S滯后、小S小車舵機(jī)轉(zhuǎn)的太厲害等。這些問題需要現(xiàn)場調(diào)試，修改路徑識別算法。本系統(tǒng)直接用CodeWarrior6.0開發(fā)環(huán)境編程和調(diào)試，可以在線查看當(dāng)前路徑信息和各個(gè)寄存器的值，還可以在線修改程序和設(shè)置參數(shù)，但是這種方式看的數(shù)據(jù)不多，不能更全面的掌握路徑信息。系統(tǒng)采用了上位機(jī)輔助調(diào)試方式來解決不足，通過無線模塊，將路徑信息傳送到上位機(jī)的串口程序，并用MATLAB進(jìn)行仿真，研究算法控制，實(shí)現(xiàn)仿真條件下的最優(yōu)控制。

本文對基于激光傳感器的智能小車循跡系統(tǒng)進(jìn)行了較為全面的研究。結(jié)合了智能車跑道的特點(diǎn)，進(jìn)行了硬件和軟件的設(shè)計(jì)。重點(diǎn)討論了信號的采集、處理。通過智能車實(shí)踐及競賽證明，本系統(tǒng)各模塊工作穩(wěn)定，響應(yīng)速度快。

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作者簡介

朱丹（1990-），女，陜西省咸陽市人?，F(xiàn)為陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師。研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化。

作者單位

陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西省咸陽市 712000