基于STC12C5A60S2的電控?zé)o碳小車控制系統(tǒng)設(shè)計?

孫亞星 王景貴 張志強

（南京理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心 南京 210094）

1 引言

電控?zé)o碳小車，又稱重力勢能驅(qū)動的自控行走越障小車，是以重力勢能作為唯一前進驅(qū)動力，通過電控裝置來實現(xiàn)賽道障礙識別、軌跡判斷及自動轉(zhuǎn)向和制動等功能［1］，符合綠色、智能的現(xiàn)代機電產(chǎn)品設(shè)計理念。因此，它除了是國家級競賽（“全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽”）［2～3］的比賽項目，還可以作為高校機械、電子和自動化等相關(guān)專業(yè)高年級本科生綜合實習(xí)的課題內(nèi)容［4］。另外，作為智能避障小車的一種，還可以應(yīng)用于物流運輸、室內(nèi)清潔和安全風(fēng)險檢測的場合［4］。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

電控?zé)o碳小車，實物如圖1所示。它采用三輪結(jié)構(gòu)，其中右下部的小輪為轉(zhuǎn)向輪，由轉(zhuǎn)向舵機來控制轉(zhuǎn)向，另外兩輪為行進輪（驅(qū)動輪）。車輛行駛能量由車輛上方懸掛的1kg重物的重力勢能提供。電控?zé)o碳小車的機械系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括傳動部分、驅(qū)動部分、轉(zhuǎn)向部分及剎車部分等［5～6］。

圖1 電控?zé)o碳小車示意圖

2.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)基本原理如圖2所示。距離傳感器（超聲波模塊HC-SR04和紅外測距模塊GP2Y0A21K0FK0F組合）感知賽道中障礙墻的位置信息，并將這些信息輸入到單片機STC12C5A60S2，單片機處理后，給轉(zhuǎn)向舵機MG996R發(fā)出控制命令，引導(dǎo)小車在賽道中障礙墻之間穩(wěn)定前進。同樣，姿態(tài)傳感器MPU-6050感知小車在賽道上的姿態(tài)信息，判斷是否處于下坡狀態(tài)，并給剎車舵機MG996R發(fā)出控制命令。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

因此，本文所設(shè)計控制系統(tǒng)應(yīng)該包括：電源模塊（LM7805）、STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)模塊、傳感器組合（超聲波模塊HC-SR04、紅外測距模塊GP2Y0A21K0FK0F與姿態(tài)傳感器MPU-6050）和舵機組合（轉(zhuǎn)向舵機與剎車舵機）等。

3 硬件方案設(shè)計

3.1 STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)模塊

本文控制系統(tǒng)選用STC12C5A60S2單片機［7-9］。STC12C5A60S2單片機，是高速/低功耗超強抗干擾的新一代8051單片機。它具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8 Kbyte Flash——允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，256 byte RAM，32個I/O口線，2路PWM，4個16位定時器/計數(shù)器，8路10位ADC，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，完全滿足于該系統(tǒng)的性能要求。而且，價格也比較合適。圖3給出了STC12C5A60S2單片機的最小系統(tǒng)原理圖

圖3 STC12C5A60S2單片機的最小系統(tǒng)原理圖

3.2 穩(wěn)壓電源模塊

本文選用7.2V可充電電池作為供電電源，并通過LM7805穩(wěn)壓模塊得到穩(wěn)定的5V。LM7805穩(wěn)壓模塊的原理圖如圖4所示，它結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠，但輸出電流小。經(jīng)過實測，本文選用兩套LM7805穩(wěn)壓模塊。

圖4 LM7805穩(wěn)壓模塊的原理圖

3.3 傳感器模塊的選型

本文傳感器部分需要完成兩項工作：一是感知電控?zé)o碳小車周圍障礙墻和賽道邊界的位置情況；二是感知電控?zé)o碳小車的姿態(tài)情況（是否轉(zhuǎn)向和上下坡）。

距離傳感器可以感知電控?zé)o碳小車在賽道中的位置情況。常用的距離傳感器有超聲波模塊、激光測距模塊和紅外測距模塊等。超聲波模塊探測距離遠且不易受到干擾，但是反應(yīng)時間長。另外，在具體測試中發(fā)現(xiàn)，超聲波發(fā)散角度偏大，在同一平面內(nèi)多個器件之間容易造成誤判斷。激光測距儀的定向性好，但對電源的穩(wěn)定性要求高，容易損壞。紅外測距模塊測量速度快，定向性好，但探測距離較超聲波小。

考慮障礙墻情況，參考文獻［10］，本文距離傳感器選用超聲波模塊HC-SR04和紅外測距模塊GP2Y0A21K0FK0F［11］相組合的方案，以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，提升電控?zé)o碳小車避障成功率。距離傳感器組合的布局圖，如圖5所示，在電控?zé)o碳小車車身的正前方安裝一個超聲波模塊和兩個紅外測距模塊，在車身正左方和正右方都安裝一個超聲波模塊。超聲波的原理簡單［4］，單片機STC12C5A60S2通過定時器來測量高電平的持續(xù)時間，進而得到距離值。紅外測距模塊GP2Y0A21K0FK0F是模擬量輸出，由STC12C5A60S2單片機自帶的ADC進行采樣。

距離傳感器如此配置，主要是基于兩方面考慮：電控?zé)o碳小車行駛車速比較慢，超聲波模塊的響應(yīng)速度能夠滿足要求，同時，考慮到超聲波模塊的發(fā)散性，因此在正前方、正左方和正右方分別只選用一個超聲波傳感器；車頭是距離信息采集的主要部位，要考慮障礙墻的多種擺放形式，保證信息采集的全面性，故而在正前方增加了兩個紅外測距模塊。

圖5 距離傳感器的布局圖

感知小車的姿態(tài)，需要使用到姿態(tài)傳感器。在本文設(shè)計中，選用MPU-6050模塊［4］。該模塊，又稱三軸陀螺儀+三軸加速器，用于測量三個軸的角度、角速度和加速度，進而判斷小車是否轉(zhuǎn)向和處于上下坡階段。本文使用SDA及SCL端口（I2C總線接口）和單片機STC12C5A60S2進行通信。

3.4 驅(qū)動模塊

本文使用舵機來實現(xiàn)電控?zé)o碳小車的轉(zhuǎn)向和剎車功能。舵機是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動器，主要由直流電機和齒輪組成。它精度高，控制方便，適用于需要角度不斷變化并要求保持的控制系統(tǒng)。舵機的控制原理簡單，由PWM波進行控制［4］。PWM波的周期一般是20ms，高電平部分一般在0.5ms～2.5ms范圍內(nèi)變化，對應(yīng)于不同的舵機轉(zhuǎn)角。舵機型號為MG996R，它價格低廉，卻能夠滿足系統(tǒng)的強度和響應(yīng)需求。單片機STC12C5A60S2可以通過軟件延時法、硬件定時器法和硬件PWM模塊法等來產(chǎn)生PWM波，本文采用單片機自帶的兩路PWM進行控制。

4 軟件設(shè)計

4.1 主程序設(shè)計

控制系統(tǒng)的軟件功能主要包括：定時任務(wù)模塊、直線道避障模塊、半圓道避障模塊和直線道下坡模塊等，如圖6所示。

定時任務(wù)模塊，主要是采用30ms的定時中斷來采集（定時更新）傳感器數(shù)據(jù)，包括超聲波模塊、紅外測距模塊和姿態(tài)傳感器MPU-6050模塊。

本文考慮直線道和半圓道兩種情況下的避障，由直線道避障模塊和半圓道避障模塊實現(xiàn)。基本原理是，根據(jù)定時更新的傳感器數(shù)據(jù)，對位置信息進行判斷處理，單片機STC12C5A60S2再將相應(yīng)的PWM控制信號發(fā)送給舵機模塊，從而達到賽道障礙檢測和自動轉(zhuǎn)向功能。

直線道上下坡模塊，主要是根據(jù)姿態(tài)傳感器MPU-6050模塊的數(shù)據(jù)，判斷出小車是否處于下坡狀態(tài)，進而決定是否啟動剎車功能。

圖6 控制系統(tǒng)軟件流程圖

4.2 定時任務(wù)模塊（30ms定時更新）

考慮STC12C5A60S2單片機的性能，結(jié)合本文任務(wù)實際，選定30ms作為傳感器信息的采樣周期。經(jīng)過實測，30ms的采樣周期，既滿足了系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的更新速度要求，也沒有打斷系統(tǒng)軟件的整體運行。

紅外測距模塊GP2Y0A21K0FK0F的信息，是通過STC12C5A60S2單片機內(nèi)置的ADC轉(zhuǎn)換端口對傳感器輸出的模擬量進行A/D采樣來獲取的。為了減小噪聲干擾和測量誤差的影響，本文采用滑動窗口均值算法［12］來處理。主要思路是將最近5次的每隔30 ms的采樣數(shù)據(jù)平均值作為本次數(shù)據(jù)獲取值。

姿態(tài)傳感器MPU-6050模塊的與MCU的通信方式很多，支持I2C協(xié)議。I2C通信，具有速度快，穩(wěn)定可靠等特點。雖說STC12C5A60S2單片機不具備I2C通信硬件模塊，但可以通過普通I/O口來模擬I2C通信的時序。因此，30ms定時器中斷服務(wù)程序，通過I2C協(xié)議來讀取小車的姿態(tài)信息。

4.3 直線道避障模塊

本文針對直線道和半圓道兩種情況下的避障，提出了以沿邊直行（PID）為基礎(chǔ)模塊的避障算法。PID控制算法，是目前控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的控制算法之一［13～15］。本文設(shè)計中，沿邊直行（PID）主要是由左/右PID直行操作來實現(xiàn)，主要思路是，將小車距離賽道邊沿的距離作為目標(biāo)，通過使用PID算法，來控制舵機運動的PWM波輸出，實現(xiàn)小車沿賽道邊沿直行。

需要說明的是，半圓形賽道避障，可以通過執(zhí)行左/右PID直行程序?qū)崿F(xiàn)。

如圖7，考慮小車當(dāng)前位于左邊的情形，根據(jù)小車左超聲波模塊的位置信息，執(zhí)行左PID直行。當(dāng)小車運動到距離障礙墻50cm的位置，執(zhí)行右轉(zhuǎn)90°操作，然后執(zhí)行左PID直行（以障礙墻為基準(zhǔn)），當(dāng)檢測到小車距離直線段賽道右側(cè)為50cm時，執(zhí)行左轉(zhuǎn)90°操作，再執(zhí)行右PID直行（以直線段賽道右側(cè)為基準(zhǔn)）。當(dāng)然，小車起始位于右邊時，整個流程類似。

該避障算法，是依據(jù)賽道特征（邊沿為10cm的擋板）而提出的，它以沿邊直行（PID）為基礎(chǔ)模塊，并對整個避障過程進行了流程設(shè)計。

圖7 直線道避障算法示意圖

5 實踐檢驗

在圖8賽道上進行了測試。該賽道由兩個直線段賽道和兩個半圓形賽道組成。在賽道上間隔不等（隨機）的交錯設(shè)置多個障礙墻。直線段賽道段上設(shè)置有一段坡道，坡道由上坡道、坡頂平道和下坡道組成。

圖8 賽道示意圖

經(jīng)過實測，本文設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠滿足所要求的障礙識別、軌跡判斷及自動轉(zhuǎn)向和制動等功能。

具體來說，在隨機擺放10個障礙墻的情況下，所設(shè)計的電控?zé)o碳小車可以跑到35m左右。這其中包括穩(wěn)定可靠的上下坡過程，未發(fā)現(xiàn)翻車現(xiàn)象；也包括直線道和半圓道的隨機避障、自動轉(zhuǎn)向和路徑規(guī)劃等。

另外，所選用的超聲波模塊和紅外測距模塊組合方案，能夠準(zhǔn)確有效地發(fā)現(xiàn)障礙墻，避免了單獨使用超聲波模塊時的漫反射效應(yīng)以及單獨使用紅外測距模塊視距小的問題。紅外測距模塊能夠獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波處理后的數(shù)據(jù)能夠滿足要求。該方案可以推廣到其他類型的智能避障小車設(shè)計上。

可喜的是，在江蘇省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽中，獲得了一等獎的好成績。另外，該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，焊接與調(diào)試方便，目前已經(jīng)被我?！白抗ぁ庇媱澋摹稒C械工程綜合實習(xí)》所采用。

6 結(jié)語

本文所設(shè)計的電控?zé)o碳小車控制系統(tǒng)，以STC12C5A60S2單片機為核心，使用超聲波模塊和紅外測距模塊的組合作為距離傳感器，姿態(tài)傳感器MPU-6050模塊來感知小車姿態(tài)，舵機MG996R為執(zhí)行機構(gòu)。并根據(jù)賽道的實際情況，設(shè)計了一套以沿邊直行（PID）為基本模塊的避障程序，能夠適用于直線道和半圓道兩種情況的避障。經(jīng)過實測，該控制系統(tǒng)能夠滿足所要求的障礙識別、軌跡判斷及自動轉(zhuǎn)向和制動功能。所采用的超聲波模塊和紅外測距模塊的組合能夠互為補充，提高了避障功能的可靠性。