光電式自動尋跡車的設計

引言

自動尋跡車是一種具備自主判斷、決策能力的綜合智能系統(tǒng)。它的設計集機械、電子、檢測技術與智能控制于一體，在社會生活中有著廣泛的應用，例如自動化生產(chǎn)線的物料配送機器人，醫(yī)院的機器人護士，商場的導游機器人等。

全國“飛思卡爾”智能模型車大賽在這樣的背景下產(chǎn)生，智能模型車比賽要求利用車上的視覺裝置，使智能小車在給定的區(qū)域內(nèi)沿著軌跡自動行進，在確保穩(wěn)定性的情況下，速度最快者獲勝，根據(jù)路徑判別的原理不同，分為光電組、電磁組和攝像頭組三種類型。本文所述智能車為光電組設計，采用與白色地面顏色有較大差別的黑色線條引導和反射式激光管識別路徑，通過舵機驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向，采用直流電機驅(qū)動后輪前進，并采用PWM實現(xiàn)電機的調(diào)速，使智能車快速、平穩(wěn)地行駛。

總體設計思想

為了能夠自主尋跡行駛，智能車應具有路徑識別、方向控制、速度檢測、驅(qū)動控制等功能，根據(jù)比賽規(guī)定，本設計以飛思卡爾公司提供的比賽專用車模為載體，以飛思卡爾16位微控制器MC9S12XS128單片機作為控制核心，用激光傳感器來進行路徑識別，采用前軸轉(zhuǎn)向后軸驅(qū)動方式。為了精確的控制賽車速度，在智能車后軸上安裝光電編碼器，采集車輪轉(zhuǎn)速的脈沖信號，由主控制器進行PID自動控制，完成智能車速度的閉環(huán)控制。整個智能車的設計可分為硬件設計與軟件設計兩部分。

硬件設計

硬件系統(tǒng)應包括主控制器選擇、電源管理模塊、尋跡傳感器模塊、測速傳感器模塊、舵機控制模塊以及電機驅(qū)動模塊。

主控制器模塊

本設計以16位微處理器MC9S12XS128為控制核心，最高總線速度40MHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換時間3μs，具有出色的EMC功能。主要I/O口的分配如下：PA0～PA7共8位用于小車前面路徑識別的輸入口，PT7用于速度傳感器檢測的輸入口；PWM1用于伺服舵機的PWM控制信號輸出；PWM3、PWM5用于驅(qū)動電機的PWM控制信號輸出。

電源管理模塊

電源管理模塊為各部分提供動力，全部硬件電路的電源由7。2V鎳鎘蓄電池提供，由于系統(tǒng)各模塊所需電壓和電流容量不同，采用芯片LM2940將7。2V蓄電池轉(zhuǎn)換為5V電源給單片機系統(tǒng)、路徑識別的光電傳感器、光電編碼器等供電，由芯片LM2941提供6V為舵機提供電源，而為了提高伺服電機響應速度，電機模塊直接由7。2V蓄電池提供電源。

路徑檢測模塊

圖1總體結(jié)構

圖2車體結(jié)構和傳感器布局及編碼

由于紅外光電傳感器價格便宜，電路設計簡單，所以被經(jīng)常采用。RPR220是一種一體化的反射型光電探測器，可進行反光性差別較大的兩種顏色（如黑白兩色）的識別，從而判別賽道的方向。

本設計共采用8個RPR220型紅外傳感器，水平均布在賽車前部的傳感器板上，由于其前瞻性較差，通常只有3cm~5cm，所以將傳感器板懸伸在車頭前方，采用垂直檢測的方法，如圖2所示。傳感器間距為12mm，小于賽道黑線寬度，保證當賽車在賽道上行駛時始終有傳感器能檢測到黑線。賽車8個傳感器可以檢測到8個精確的位置，加上相鄰兩個傳感器同時檢測到黑線和沒有傳感器檢測到黑線的情況，一共有16種檢測狀態(tài)，這樣的橫向檢測精度可以達到6mm，基本滿足尋跡要求。

速度檢測模塊

測速模塊硬件的主要功能是將頻率隨轉(zhuǎn)速變化的模擬信號送入信號處理電路，最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號。為了精確控制車模運動，我們采用的是單片機控制編碼器的方法來檢測小車的電機轉(zhuǎn)速。編碼器我們選用OMRON公司生產(chǎn)的一款100線旋轉(zhuǎn)編碼器OME-100-1N型光電編碼器，按1：1傳動比用一對齒輪與驅(qū)動軸連接，驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)一周，編碼器可獲得100個脈沖，單片機通過對脈沖計數(shù)就可以得到轉(zhuǎn)速的具體數(shù)值。

驅(qū)動電機與舵機模塊

本設計驅(qū)動電機選用直流電機，其控制效果直接影響小車的速度以及前行的穩(wěn)定性。為了得到較大的驅(qū)動能力，最初選用兩片MC33886驅(qū)動芯片構成H橋驅(qū)動電路，單片機的PP3和PP5引腳輸出的PWM脈沖經(jīng)6N137光耦隔離后，接入MC33886H橋輸入端，但由于比賽電機內(nèi)阻僅為430毫歐，而該集成芯片內(nèi)部的每個MOSFET導通電阻在120毫歐以上，大大增加了電樞回路總電阻，驅(qū)動電路效率較低。后改為兩片BTS7960構成全橋驅(qū)動電路，內(nèi)部MOSFET導通電阻為7+9毫歐，直接與單片機相連，提高了驅(qū)動效率。

舵機采用的S3010型電機實質(zhì)是一個位置隨動系統(tǒng)，由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機和控制電路組成，通過內(nèi)部位置反饋，可使它的舵盤輸出轉(zhuǎn)角正比于單片機PWM1通道給定控制信號。

軟件設計

智能車比賽最終以速度作為評判依據(jù)，智能車路徑識別算法、轉(zhuǎn)向控制、速度控制算法是研究的重點。智能車的運行控制是根據(jù)路徑識別和車速檢測所獲得的當前路徑和車速信息，控制舵機和直流驅(qū)動電機動作，從而調(diào)整智能車的行駛方向和速度?？刂扑惴ㄏ喈斢谌说乃季S，是其最核心的部分，負責按預定的流程處理傳感器所采集的數(shù)據(jù)。軟件流程圖如圖3所示。其中，F(xiàn)OR循環(huán)包含了檢測黑線位置，更新舵機輸出等子程序，如圖4所示。

圖3控制主程序

圖4FOR循環(huán)子程序

路徑識別算法

小車自主尋跡過程中，光電傳感器會受外界光線、車體抖動、交叉線、上下坡、路徑黑斑等環(huán)境因素的干擾，會使傳感器檢測路徑信息存在偏差而影響小車尋跡的穩(wěn)定性。為此，我們采用連續(xù)檢測濾波處理的方式消除干擾：即傳感器對路徑連續(xù)檢測5次并將采集到的信息存于數(shù)組Line[5][8]，檢測到黑線存值1，否則存值0。若

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