基于單片機(jī)的智能車控制系統(tǒng)研究

蘇倩， 吳連波， 許孔孔， 戴昊斌， 張燕

（西安航天動(dòng)力測(cè)控技術(shù)研究所，西安 710025）

0 引言

智能車作為輪式移動(dòng)機(jī)器人，對(duì)環(huán)境具有很強(qiáng)的感知力，可以發(fā)揮動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃作用，具備智能控制、執(zhí)行等功能。當(dāng)前智能車在發(fā)展中主要應(yīng)用自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感器技術(shù)、電子、計(jì)算機(jī)以及機(jī)械等技術(shù)，在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防安全、導(dǎo)盲車輛等方面都有廣泛應(yīng)用，具有較高的軍用價(jià)值和民用價(jià)值?？刂葡到y(tǒng)作為智能車研發(fā)中的重要內(nèi)容，通過單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)智能車的有效控制，確保智能車具備智能化調(diào)速等功能。

1 基于單片機(jī)的智能車控制系統(tǒng)運(yùn)行原理

本研究的智能車控制系統(tǒng)的核心處理器由52個(gè)單片機(jī)構(gòu)成，與循跡傳感器、障礙感測(cè)器以及無線收發(fā)模塊連接，可以向單片機(jī)輸送信號(hào)。信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)以后，在提前設(shè)計(jì)的程序下進(jìn)行識(shí)別和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電壓各項(xiàng)參數(shù)的控制，如正負(fù)和大小等。通過上述過程，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)速等能夠按照規(guī)定要求運(yùn)行，最終驅(qū)動(dòng)智能車實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)向等功能。利用編程的方式，使單機(jī)片具備對(duì)來自不同傳感器的信號(hào)進(jìn)行直接處理的能力，具體處理方法提前設(shè)置與確定。研究中為了完成對(duì)智能車的遠(yuǎn)距離無線控制，設(shè)計(jì)了2片單片機(jī)和2個(gè)無線收發(fā)模塊，一組可以作為遙控器，具備發(fā)送操控指令的功能；另一組在智能車上安裝，主要用于接收各種操控指令，達(dá)到有效操控智能車的目的。設(shè)置循跡傳感器和障礙感測(cè)器后，可以檢測(cè)智能車軌跡及遇到的障礙，從而具備自動(dòng)循跡、避障等功能。信號(hào)傳輸至單片機(jī)以后直接完成識(shí)別，從而確保智能車可以正常實(shí)現(xiàn)上述兩種功能。

2 基于單片機(jī)的智能車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

圖1所示為系統(tǒng)總體框圖。系統(tǒng)主要由電源、電機(jī)、無線接收、避障以及單片機(jī)主控等模塊構(gòu)成。其中電源模塊采用線性穩(wěn)壓電源。紅外傳感器電路也不復(fù)雜，且有較高的靈敏度，檢測(cè)與調(diào)節(jié)都非常簡(jiǎn)單，選擇紅外避障的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能。通過達(dá)林頓管形成H型PWM電路，可以發(fā)揮調(diào)速功能，并利用無線接收器傳輸數(shù)字信號(hào)。單片機(jī)為內(nèi)存8 K的STC89C52單片機(jī)，設(shè)計(jì)4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪智能車，確保其可以達(dá)到走直線的效果。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 驅(qū)動(dòng)模塊

智能車兩邊各安裝1個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)設(shè)置1個(gè)后萬向輪，形成3點(diǎn)結(jié)構(gòu)，讓智能車可以保持穩(wěn)定行駛。在電機(jī)上主要設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，并通過減速齒輪讓智能車以規(guī)定的減速比實(shí)現(xiàn)減速，這樣才能作為智能車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。否則智能車速度較快，也不能對(duì)傳輸至單片機(jī)的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別與處理，最終智能車的移動(dòng)無法處于控制中。智能車運(yùn)動(dòng)方向主要采用改變電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等方法，為了更好地控制電機(jī)，需要設(shè)置一個(gè)L298N驅(qū)動(dòng)模塊。電機(jī)主要通過H橋電路提供動(dòng)力來源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為L(zhǎng)298N，各條輸出線總共包括兩個(gè)二極管IN4007，可以避免芯片受到干擾。

2.2.2 無線模塊

根據(jù)頻率覆蓋與模塊收發(fā)距離，主要采用NRF24L01，讓單片無線收發(fā)器芯片工作頻段保持在2.4 GHz～2.5 GHz之間。這樣不僅可以提高速率，保證性能更加穩(wěn)定，還能減少成本投入，且體積也得到了控制。

2.2.3 自主避障模塊

在電路設(shè)計(jì)中選擇的光電管帶有濾光片，光電開關(guān)在工作時(shí)主要結(jié)合待測(cè)物體受到光束后進(jìn)行反射、遮擋等現(xiàn)象，利用同步回路選通電路，能夠保證最終檢測(cè)的準(zhǔn)確性與有效性，任何可以對(duì)光線進(jìn)行反射的物體都處于檢測(cè)范圍[2]。發(fā)射器可以對(duì)光電開關(guān)輸入電流進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)換，并射出光信號(hào)，接收器結(jié)合光線強(qiáng)度等情況檢測(cè)目標(biāo)物體。

2.2.4 電源模塊

系統(tǒng)所有器件通過電源電路分配電壓，在電源輸入時(shí)主要提供或轉(zhuǎn)換5 V、3.3 V電壓，單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)模塊以及避障模塊主要獲取5 V電壓，而無線模塊則獲取3.3 V電壓。圖2為電源電壓分布圖。

圖2 電源電壓分布圖

2.2.5 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

要想準(zhǔn)確及時(shí)掌握智能車運(yùn)動(dòng)情況，需要根據(jù)其反饋信息形成完善的監(jiān)控系統(tǒng)[3]。為保證和提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，選擇STM32103C8單片機(jī)對(duì)反饋信息發(fā)送予以控制，工作頻率甚至可達(dá)72 MHz。該系統(tǒng)主控芯片主要為STM3210C8芯片，以有效、及時(shí)處理智能車反饋信息。圖3為監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要構(gòu)成部分。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要構(gòu)成部分

2.3 電路模擬與仿真

完成電路設(shè)計(jì)后要進(jìn)行驗(yàn)證，無線接收、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模擬仿真主要通過Proteus軟件完成。根據(jù)指示燈情況判斷電機(jī)工作狀態(tài)，并借助示波器觀察加速、減速按鍵的PWM調(diào)速波形占空比，從而保證模擬判斷的準(zhǔn)確度。第一種情況：未按下“加速”、“減速”按鍵條件下利用示波器對(duì)L298N使能端進(jìn)行觀察；第二種情況：在啟動(dòng)“加速”按鈕條件下利用示波器對(duì)L298N使能端進(jìn)行觀察；第三種情況：?jiǎn)?dòng)“減速”按鈕條件下利用示波器對(duì)L298N使能端進(jìn)行觀察。最終結(jié)果反映出第一種情況比第二種情況占空比小，得出加速功能模擬成功，同時(shí)第三種情況比第二種情況占空比小，得出減速功能模塊模擬成功。從模擬電路仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)比較科學(xué)。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

NRF24L01設(shè)計(jì)為SPI通信，利用軟件模擬SPI接口，能夠?yàn)閱纹瑱C(jī)與無線模塊通信提供支持。將單片機(jī)中斷引腳與IRQ引腳連接，防止出現(xiàn)多個(gè)if語句對(duì)有無獲取數(shù)據(jù)造成的延時(shí)進(jìn)行判斷[4]，以保證最終性能符合設(shè)計(jì)要求，智能車始終處于實(shí)時(shí)控制狀態(tài)。系統(tǒng)通過PWM調(diào)速，利用軟件模擬手段形成PWM信號(hào)調(diào)節(jié)車速。改變PWM占空比達(dá)到調(diào)節(jié)車速的目的，模擬軟件主要用到單片機(jī)中的定時(shí)器。圖4為程序流程圖。

圖4 程序流程圖

3 基于單片機(jī)的智能車控制系統(tǒng)調(diào)試

3.1 智能車系統(tǒng)調(diào)試

3.1.1 示波器調(diào)試

第一種情況：將遙控器電源開關(guān)按下，與無線接收模塊電源未接通，觀察無線遙控器IRQ引腳，得出波形圖a；第二種情況：接通無線接收模塊電源，觀察接收模塊IRQ引腳波形圖，波形圖為b；第三種：將無線發(fā)射與接收模塊都接通，將遙控器按鍵按下，無線發(fā)射與接收的IRQ波形為c和d。對(duì)比分析a與c，其中c形成了一個(gè)5 ms低電平，可見已接收到自應(yīng)答信號(hào)，表明成功發(fā)射了數(shù)據(jù)。對(duì)比分析b與d，無線接收模塊IRQ引腳構(gòu)成100 ms低電平，表明順利接收了數(shù)據(jù)。

3.1.2 LED調(diào)試

根據(jù)LED指示燈工作狀態(tài)，能夠判斷數(shù)據(jù)接收狀況。為準(zhǔn)確判斷接收數(shù)據(jù)是否正確，采用如表1所示的接收數(shù)據(jù)與LED運(yùn)行對(duì)比情況。判斷接收數(shù)據(jù)是否正確，主要檢驗(yàn)的按鍵有前進(jìn)、后退、停止、左轉(zhuǎn)以及右轉(zhuǎn)[4]。打開電源開關(guān)，將遙控器按鍵按下后檢查智能車指示燈，分析與遙控器按鍵有無出入，只有在相同的情況才表明接收數(shù)據(jù)正常，沒出現(xiàn)丟包的問題。

表1 接收數(shù)據(jù)與LED運(yùn)行對(duì)比情況

3.1.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

按下前進(jìn)、后退和停止按鍵，出現(xiàn)障礙物后觀察監(jiān)控系統(tǒng)的顯示器輸出情況。根據(jù)智能車反饋信息驗(yàn)證系統(tǒng)穩(wěn)定性能，智能車可以有效執(zhí)行遙控器的各項(xiàng)控制命令[5]。系統(tǒng)不僅穩(wěn)定性較好，也能滿足實(shí)時(shí)性要求。

3.2 聯(lián)合調(diào)試

設(shè)計(jì)科學(xué)合理的聯(lián)合調(diào)試方案，主要分為三個(gè)點(diǎn)完成整個(gè)系統(tǒng)的驗(yàn)證，即發(fā)射與接收數(shù)據(jù)、執(zhí)行命令和反饋信息的正確性。聯(lián)合調(diào)試系統(tǒng)構(gòu)成部分包括LED指示燈、遙控器、液晶顯示器和智能車。對(duì)LED指示燈來說，主要根據(jù)其工作狀態(tài)判斷是否正常接收數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合智能車運(yùn)行情況分析指令執(zhí)行情況，根據(jù)監(jiān)控顯示器對(duì)智能車反饋信息的正確性進(jìn)行判斷[6]。結(jié)合實(shí)驗(yàn)情況可知，發(fā)射與接收數(shù)據(jù)正常、執(zhí)行指令與反饋信息正常，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行處于良好狀態(tài)，智能車在遙控器控制下能順利完成各項(xiàng)動(dòng)作。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)的智能車控制系統(tǒng)核心是STC89C52，通過對(duì)資源的充分利用達(dá)到了智能車無線控制的目標(biāo)。因?yàn)槠涔ぷ魉俾时容^慢，為提高實(shí)時(shí)性采用了一定方法。在對(duì)智能車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)過程中，通過構(gòu)建基于STM32的智能車反饋系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在測(cè)試后得出智能車所有功能都能順利實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性與可靠性有保障，基本上達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，應(yīng)用前景也非常廣闊。