用于創(chuàng)新類課程的智能循跡小車的設計

黃遠長，李丹，殳國華

(上海交通大學 電氣工程系，上海 200240)

0 引言

實踐教學體系是提高實驗教學質量的重要保證，也是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的必要手段之一[1]。我校推出了工程實踐與科技創(chuàng)新系列課程，共有4個階段，成為本科實踐教育體系的重要內容，其中的第一階段又作為面向全校學生的工程實踐類的通識教育課程。課程以開展工程實踐為目的，注重創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，重點培養(yǎng)學生自主學習、自主研究能力和團隊合作能力[2]。智能循跡小車作為一種融合自動控制、傳感器檢測、信息處理、計算機軟硬件設計等多學科知識，集機電于一體的綜合系統(tǒng)，成為該課程的實踐平臺。通過平臺訓練，幫助電氣信息類和其他理工科專業(yè)一年級學生形成工程設計的思想、方法和技能。

本小車以單片機為控制核心，通過紅外光電傳感器識別路面引導黑線，設計了一種基于增量式PID控制算法，該算法根據(jù)檢測的位置信息來調節(jié)左右側電機的轉速及方向，使小車平穩(wěn)、流暢地沿著黑線行進。所有軟硬件開放，學生可以在此基礎上進行深入開發(fā)和創(chuàng)新改造。

1 系統(tǒng)總體方案設計

1.1 智能小車系統(tǒng)構成

智能小車采用四輪驅動方式，具有狀態(tài)檢測、路徑識別、方向控制、速度控制等功能。智能車系統(tǒng)框圖如圖1所示，主控單元采用STC89C52RC;路徑識別模塊用于循跡，若改變對管方向還可以實現(xiàn)壁障功能;電機驅動模塊驅動4個直流電機;由充電控制板和充電電池組成的電源提供3路5 V電源輸出。

圖1 智能小車系統(tǒng)框圖

1.2 智能小車硬件設計

1.2.1 主控制器模塊

如圖2所示，主控制器模塊由單片機 STC89C52、晶振電路、復位電路、max232芯片和串口組成的 ISP下載電路等構成[3]。它是智能小車的控制中樞，在循跡中發(fā)揮3個作用:(1)路徑識別;(2)增量式PID控制算法實現(xiàn);(3)電機控制。

1.2.2 電源管理模塊

如圖3所示，由充電控制板和充電電池組成的電源為微控制器、光電管板、電機驅動板提供5 V的電源。充電控制電路由開關管MTD2955E、比較器LM311和電壓基準等組成。充電時，電源外接12 V/500 mA的市電充電器，充電控制板對4節(jié)1.2 V鎳氫充電電池充電。放電時，電池供電回路接通，電池通過充電控制板上的端子輸出5 V的電源。

1.2.3 電機驅動模塊

小車由四輪驅動，四個輪子分別由四個電機控制。

(1)調速原理。實驗中采用額定電壓為5 V的直流電機，使用PWM(脈沖寬度調制)調速。PWM調速即通過改變脈沖高電平的寬度來調節(jié)加在電機兩端的平均電壓從而改變電機轉速。

(2)驅動電路。如圖4所示，采用三極管MMBT4401等分立器件構成H橋電路驅動電機，并用三輸入或非門74HC27實現(xiàn)對電機轉動方向的控制。在每個電機兩端并聯(lián)1 uF的獨石電容，以消除火花和電磁干擾。

圖4 電機驅動電路

1.2.4 路徑識別模塊

路徑識別是體現(xiàn)智能車智能水平的重要指標[4]。路徑識別效果與傳感器的選擇、數(shù)量、靈敏度以及道路寬度、傳感器間距有直接的關系。

紅外傳感器檢測電路如圖5所示。SW為高電平時，傳感器發(fā)射管工作，當發(fā)射光遇到黑色物體時，SEN為低電平，反之，SEN為高電平。SW為低電平時，傳感器發(fā)射管不工作。

本設計共采用8路光電傳感器，4路位于左側，另4路位于右側，左右兩側間距為軌道寬度，兩側的傳感器緊挨著安裝，如圖6所示。當小車沿著引導黑線前進時，8路傳感器輸出高電平;當小車偏離引導黑線時，8路傳感器中的某1路或某2路輸出低電平，小車做出響應后左右側電機速差使小車糾正回到引導黑線，從而實現(xiàn)循跡[5]。

圖5 紅外傳感器檢測電路

1.3 智能小車控制算法設計

本設計中，采用增量式

PID控制算法實現(xiàn)小車循跡的速度控制。增量式PID控制算式[6]:

其中Δuk為控制量增量，

KP、KI、KD分別為比例、積分、微分系數(shù)，ek為位置設定值與第 k次采樣實際位置值的偏差。

圖6 傳感器安裝位置

在采樣周期Ts內，檢測一次傳感器狀態(tài)，得到左右側傳感器狀態(tài)slk與設定值ss比較得到偏差ek。將偏差代入式(1)中計算得到電機轉速增量 Δuk。式(1)中的參數(shù) KP、KI、KD，采用嘗試法確定，即對各個參數(shù)取不同的值，根據(jù)循跡效果來確定，順序為:(1)令 KP=0，KD=0，確定 KI;(2)KI已確定，令 KD=0，確定KP;(3)KP、KI已確定，確定KD。

左右兩側電機轉速由下式得到:

其中，Ustd為小車未偏離引導黑線時的前進速度。

該設計中，由于光電傳感器的靜態(tài)工作電流較大，傳感器采用間歇的工作方式，即檢測時開啟傳感器，不檢測時切斷傳感器的供電。主程序流程如圖7所示，循跡流程如圖8所示。

圖7 主程序流程

2 智能循跡小車實踐平臺在創(chuàng)新類課程中的探索

由于本設計涉及微機原理及其接口技術、電子技術、C語言程序設計、EDA技術、自動控制原理等課程，學生通過小車實踐平臺可以了解這些相關課程的基本要求和大概過程，為今后課程學習打下基礎，并通過實踐提高發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，進而逐步培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。

2.1 智能小車的焊接組裝

小車由金屬車身、塑料車輪、帶塑料變速箱的直流電機、電機驅動板、充電板、光電管板和單片機最小系統(tǒng)板等組成。最小系統(tǒng)板的原件為直插封裝，其他電路板除電解電容、電位計和接插件為直插封裝外，所有元件為貼片封裝。車體分為兩層，各電路板通過螺絲螺柱固定在底層金屬板和頂層塑料板上。通過焊接電路板、組裝小車，學生可以增加對元器件的感性認識，同時焊接能力、機械動手能力也得到有效提高。圖9為組裝好的小車實物。

圖8 循跡流程

圖9 智能小車實物圖

2.2 單片機C程序開發(fā)

本設計中的單片機最小系統(tǒng)板，可由USB供電也可由外部5 V電源供電，只需要一條串口線或USB轉串口線便可將編譯好的程序下載到單片機中。微處理器STC89C52RC是一款51系列單片機，內部結構簡單，易于上手。開發(fā)環(huán)境為KEIL uVision，該環(huán)境提供了豐富的庫函數(shù)和功能強大的調試工具，支持51系列

及51系列兼容單片機。編程采用C語言，該語言與傳統(tǒng)的匯編語言相比，可讀性好，易于移植，便于激起學生開發(fā)硬件的興趣，也順應了目前硬件開發(fā)的趨勢[7]。

2.3 合應用能力培養(yǎng)

在單片機最小系統(tǒng)板中，處理器的所有引腳以插針形式引出，并預留了5V電源輸出;小車為四輪驅動，負重能力較強;電池充電后即可重復使用。因此，該小車系統(tǒng)具有很強的擴展性，學生可以在現(xiàn)有基礎上，添加傳感器模塊，進行壁障、競速、踢足球等應用擴展，不斷提高綜合應用能力。

3 結束語

通過調試和實驗，本文設計的循跡智能小車各部分工作正常，小車能很好地識別路徑，運行穩(wěn)定，有一定的抗干擾能力。學生通過該智能小車平臺的制作設計，訓練電工電子實踐方面的基本技能，熟悉硬件開發(fā)的流程，初步培養(yǎng)專業(yè)應用能力，為后續(xù)的學習科研打下良好的基礎。

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