基于S12的光電式自動尋跡車的設(shè)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(shè)計集機(jī)械、電子、檢測技術(shù)與智能控制于一體，在社會生活中有著廣泛的應(yīng)用，例如自動化生產(chǎn)線的物料配送機(jī)器人，醫(yī)院的機(jī)器人護(hù)士，商場的導(dǎo)游機(jī)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(jìn)，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(shè)計，采用與白色地面顏色有較大差別的黑色線條引導(dǎo)和反射式激光管識別路徑，通過舵機(jī)驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向，采用直流電機(jī)驅(qū)動后輪前進(jìn)，并采用PWM實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，使智能車快速、平穩(wěn)地行駛。

總體設(shè)計思想

為了能夠自主尋跡行駛，智能車應(yīng)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(shè)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(jī)作為控制核心，用激光傳感器來進(jìn)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(jìn)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(shè)計可分為硬件設(shè)計與軟件設(shè)計兩部分。

硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)應(yīng)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(jī)控制模塊以及電機(jī)驅(qū)動模塊。

主控制器模塊

本設(shè)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(jī)的PWM控制信號輸出；PWM3、PWM5用于驅(qū)動電機(jī)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(jī)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(jī)提供電源，而為了提高伺服電機(jī)響應(yīng)速度，電機(jī)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(gòu)

圖2 車體結(jié)構(gòu)和傳感器布局及編碼