基于μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)的智能尋跡模型車的設計與實現
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智能車輛是當今車輛工程領域研究的前沿，它體現了車輛工程、人工智能、自動控制、計算機等多個學科領域理論技術的交叉和綜合，是未來汽車發(fā)展的趨勢。以往智能小車在軟件設計上多采用單程序控制，不利于智能車在外部環(huán)境改變時做出快速反應，為使智能車系統(tǒng)反應更為快速，該智能車應用μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合小型控制系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良等特點。且選用功耗較低、資源更為豐富的AVR系列ATmega16單片機作為核心控制單元。
采用紅外探測法實現尋跡功能，即將紅外光電傳感器固定在底盤前沿，利用其在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據來確定黑線的位置和小車的行走路線。并在后輪上粘上均勻分布的黑白條紋，根據光電反射原理，測量車速。為保證智能車在行駛過程具有良好的操穩(wěn)性和平順性，控制系統(tǒng)對直流電機驅動控制提出了較為理想的解決方案。
1 硬件系統(tǒng)的設計及實現
智能車的硬件部分以AVR系列ATmega 16單片機為核心控制器，由核心控制單元、電源管理模塊、路徑識別模塊、轉向控制模塊、電機驅動模塊和速度及路程檢測模塊等組成。智能車控制系統(tǒng)總體結構如圖1所示。
1．1 核心控制單元
智能車采用ATmage 16型單片機作為主控CPU其主要特點為高性能、低功耗、高性價比，資源豐富，并且支持高級語言編程，在運行速度。內存容量，內部功能模塊集成化等諸多方面比MCS-51系列先進。在智能車系統(tǒng)設計中，單片機的I／O資源分配如下：PB3，PD7為伺服電動機的PWM控制信號輸出引腳；PD0～PD3為驅動電機正反轉引腳；路徑識別系統(tǒng)經排線由PA0～PA6輸入至單片機。
1．2 電源管理模塊
為避免電機等器件對系統(tǒng)產生干擾，智能車的各功能模塊單獨供電。采用12 V蓄電池為直流電機供電，將12 V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。相對于其他類型的電源，蓄電池具有較強的電流驅動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。考慮到蓄電池的體積大，在車體設計時留出了足夠的空間。
在穩(wěn)壓時，采用兩片7812芯片將電壓穩(wěn)壓至12 V后給直流電機供電，然后采用2576將電壓穩(wěn)至5 V。2576的輸出電流最大可到3 A，完全滿足系統(tǒng)要求。
1．3 路徑識別模塊
智能車采用紅外探測法實現小車在黑色地板上循白線行走，為了提高控制精度，要求傳感器排列緊密，越近越好。但傳感器排列緊密，傳感器發(fā)射管的光線可能會從地面反射進入臨近傳感器的接收管。為消除傳感器之間互相干擾，傳感器共分為7組，由PA0～PA6這7個I／O口直接供MCU讀取傳感器數據。利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點，在智能車行駛過程中傳感器不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光(原理圖為圖2所示)。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據來確定黑線的位置和小車的行走路線。
1．4 電機驅動模塊
在電機驅動方面，采用運用L298作為電機驅動芯片，A，B兩個電機分別控制左面和右面各兩個輪。通過調節(jié)兩輪的轉速來實現智能車的轉向，即由單片機控制進行PWM變頻調速，通過程序設計改變脈沖調寬波形的占空比，從而實現調速。轉向角度不同，則兩電動機的轉速差異不同。當小車處于較大的偏離狀態(tài)時，需把一個電機的速度調至極低，另一電機全速運行，從而在較短時間內完成路線的調整。
通過設定電機的正轉和反轉來控制智能車的前進和后退。這種電路設計簡易高效，并能確保前后兩輪同步。
1．5 車速檢測模塊
智能車系統(tǒng)通過車速檢測模塊來讀取實時車速。采用在后輪上粘貼均勻分布有黑白條紋的方法。利用圖3的檢測電路來對車輪上的黑白條紋進行檢測。根據光電反射原理，在車輪轉動時，紅外接收管接收到反射光強弱高低變化，就會產生與車輪轉速相對應的脈沖信號，將該脈沖信號進行放大整形后輸入單片機的輸入捕獲引腳PA7，記錄單位時間內所得到的脈沖數，就能夠表示出當前車速，同時通過累加可以計算出小車所行走的路程。
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