線性CCD循跡智能車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

杜方鑫

摘要 本文設(shè)計(jì)了一種基于線性CCD的的智能車控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以單片機(jī)為主控芯片，采用線性CCD采集路況信息，最后采用伺服電機(jī)和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車沿賽道行進(jìn)。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 線性 CCD 智能車 PID 控制

1 引言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的發(fā)展，到2020年，我將新增約80個(gè)百萬(wàn)人口以上的地級(jí)市。隨著城市規(guī)模越來越大，城市交通越來越擁擠，發(fā)展軌道交通成為解決城市交通問題的重要途徑。傳統(tǒng)的軌道交通建設(shè)成本高，建設(shè)周期長(zhǎng)，無法解決中小城市的交通問題。而智能軌道快運(yùn)列車，就是為解決“城市病”量身訂做的，是一款為市場(chǎng)需求而生的良心之作。它將現(xiàn)代有軌電車和公共汽車的優(yōu)勢(shì)融為一體，既不需要單獨(dú)建設(shè)軌道，可與其他車輛共享路權(quán)，又有運(yùn)量大的優(yōu)勢(shì)，將為城市出行帶來全新選擇和體驗(yàn)。本文依據(jù)智能軌道快運(yùn)列車的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽規(guī)則，設(shè)計(jì)了一種能夠自主循跡的無人駕駛智能小車。實(shí)驗(yàn)證明本方案能夠使小車在預(yù)定軌道上穩(wěn)定、快速地行進(jìn)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能汽車系統(tǒng)采用恩智浦公司的32位微處理器MK60DN512ZVLQ10單片機(jī)作為核心控制單元;TSL1401CL線性CCD傳感器采集賽道信息，返回到單片機(jī)作為轉(zhuǎn)向控制的依據(jù)主控芯片輸出PWM波控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向;編碼器作為速度傳感器，返回的信號(hào)可以形成閉環(huán)，通過PI算法控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速;電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用N溝道MOSFET組成的全橋，可以控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向;液晶顯示模塊、按鍵和撥碼開關(guān)組成人機(jī)交互系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)地顯示和設(shè)置系統(tǒng)相關(guān)參數(shù);藍(lán)牙模塊通過串口把單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)送往上位機(jī)，方便相關(guān)參數(shù)及波形的實(shí)時(shí)觀察和調(diào)試;電源模塊由7.2V2000mAh Ni-Cd電池和穩(wěn)壓電路組成，為整車提供電源。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖l所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 核心控制單元

本系統(tǒng)的主控制器是恩智浦公司生產(chǎn)的32位MK60DN512ZVLQ10單片機(jī)，它負(fù)責(zé)處理各個(gè)傳感器采集的信號(hào)并向各個(gè)模塊發(fā)送控制信號(hào)。單片機(jī)的最小系統(tǒng)是智能車系統(tǒng)的核心，它包括了晶振電路、復(fù)位電路，電源電路，并且已將所有引腳引出。

3.2 電源模塊

智能汽車競(jìng)賽統(tǒng)一配發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)車模采用7.2V 2000mAh Ni-Cd供電，而單片機(jī)系統(tǒng)和CCD傳感器均使用的是3.3V的電源，伺服電機(jī)工作電壓范圍為4V到6V，直流電機(jī)可以使用7.2V 2000mAh Ni-Cd蓄電池直接供電。

電路中，5V電源由2個(gè)穩(wěn)壓芯片來提供，一個(gè)為H橋芯片IR2184S的升壓電路提供5V電源，另一個(gè)為邏輯轉(zhuǎn)換芯片提供電源。由于主控芯片和線性CCD傳感器均要求使用3.3V電源，所以3.3V電源也分為2個(gè)電源，一個(gè)為傳感器供電，另一個(gè)為主控芯片、鍵盤和撥碼開關(guān)供電。

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用分立的N溝道MOSFET和IR2184S組成驅(qū)動(dòng)電路。N溝道MOSFET導(dǎo)通電阻極低，大大減小了電樞回路總電阻。另外，專門設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)電路可以提高M(jìn)OSFET的開關(guān)速度，使PWM控制方式的調(diào)制頻率得以提高，從而減少電樞電流脈動(dòng)。并且專用柵極驅(qū)動(dòng)芯片通常具有防同臂導(dǎo)通、硬件死區(qū)、欠電壓保護(hù)等功能，可以提高電路工作的可靠性。

3.4 CCD接口

CCD的外圍器件很少，輸出信號(hào)經(jīng)過濾波等處理后就可以直接連接到主控芯片的AD端口上。

3.5 編碼器

為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，系統(tǒng)中安裝了編碼器。編碼器內(nèi)部無上拉電阻，因此編碼器接口處需要附加上拉電阻。主控芯片內(nèi)部自帶脈沖技術(shù)功能，因此這里只需要將編碼器連接到主控芯片上相應(yīng)的接口即可。

3.6 按鍵和撥碼開關(guān)

在小車運(yùn)行過程中，需要實(shí)時(shí)的了解與掌握小車的運(yùn)行狀態(tài)。通過液晶顯示模塊將這些狀態(tài)顯示出來，從而做出判斷，方便了對(duì)車的調(diào)試。有時(shí)候需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，這時(shí)應(yīng)用鍵盤和撥碼開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

4 智能車控制軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件總體設(shè)計(jì)

軟件程序采用模塊化編程，由初始化、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、中斷處理等部分組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各模塊的驅(qū)動(dòng)和控制。程序流程圖如圖2所示。

4.2 路徑識(shí)別

智能汽車競(jìng)賽的賽道路面為寬度不小于45cm的白色面板，賽道兩側(cè)邊沿有寬為25mm的連續(xù)黑線作為引導(dǎo)線。路徑識(shí)別算法使用的是由CCD中心向兩側(cè)搜索提取跳變沿的算法，通過求取兩側(cè)跳變沿的平均值來得到小車前進(jìn)所需要的中線值。

4.3 速度控制

PID控制策略結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，可靠性高，并且易于實(shí)現(xiàn)。本方案中速度閉環(huán)控制采用了增量式PI控制，使用試湊法來確定控制器的比例、積分參數(shù)。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種以線性CCD為傳感器的循跡智能車，通過對(duì)傳感器信息的采集和處理，使小車能夠沿預(yù)定路徑快速前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能軌道快運(yùn)列車的初步硬件仿真。

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