工程師電子制作故事：光電尋跡智能車DIY設(shè)計(jì) - 全文

　　摘要：提出一種使用激光檢測白底黑色跑道的尋跡智能車的軟硬件設(shè)計(jì)方法，在硬件上設(shè)計(jì)了最小系統(tǒng)、主板、電機(jī)驅(qū)動、激光傳感器模塊、測速模塊等電路，采用8位freescale單片機(jī)MC9S08AC16作為控制核心，使用低成本的紅外傳感器測速方案，采用14發(fā)射、7接收“-”字型排開的激光傳感器檢測賽道信息，電機(jī)驅(qū)動采用“H”型雙極性驅(qū)動電路。硬件設(shè)計(jì)上使用了適合8位單片機(jī)的枚舉查表為主的舵機(jī)控制算法，而速度控制則為bang-bang控制與P算法控制相結(jié)合的方法。

　　智能車競速比賽以及多種智能車的應(yīng)用場合中，需要智能車沿著某條軌跡快速前進(jìn)，使用普通紅外傳感器、激光傳感器、攝像頭識別均可有效提取路面軌道信息而解決這一問題，現(xiàn)在常見使用16位單片機(jī)作為控制核心。普通紅外傳感器因?yàn)橐资芨蓴_、前瞻距離短等缺點(diǎn)已經(jīng)較少使用，攝像頭有豐富的數(shù)據(jù)信息，但是低成本8位單片機(jī)不能很好的處理這些信息。激光傳感器成本適中，處理的信號便于8位單片機(jī)處理，能夠有效的節(jié)省硬件成本。針對尋跡智能車進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)，采用3位freescale單片機(jī)MC9S08AC16作為控制核心，使用激光傳感器提取賽道信息，采用低成本的紅外測速方案，算法使用以PID為基礎(chǔ)的枚舉查表法，做到了處理快速高效。整個(gè)設(shè)計(jì)既滿足了競速小車的響應(yīng)迅速的要求，又是一種較低成本的設(shè)計(jì)方案。

　　1 車模安裝

　　智能車的控制采用的是前輪轉(zhuǎn)向，B型車模采用的是國內(nèi)廠商生產(chǎn)的1:16的電動越野遙控車的底盤部分，突出特點(diǎn)為四輪驅(qū)動，四輪獨(dú)立懸掛。反射式光電傳感器在小車前方一字形簡單排布，14個(gè)發(fā)射，7個(gè)接收，一個(gè)發(fā)射帶兩個(gè)接收，傳感器的前瞻可以達(dá)到40cm以上，兩個(gè)激光發(fā)射頭間距1.8cm.傳感器單元安裝圖如圖1所示。

　　圖1 改裝后智能車

　　系統(tǒng)選用紅外傳感器作為測速傳感器把紅外傳感器安裝在后輪上，在后輪的內(nèi)壁貼上黑白等距的膠帶，這樣子安裝就充分利用了空間，且完成了測速的要求。紅外傳感器測速安裝圖如圖2所示。車輪轉(zhuǎn)動時(shí)，紅外傳感器將會輸出脈沖電平，檢測脈沖頻率將得到小車速度。這種測速方法無法達(dá)到光電解碼器的精度，但是對于小車的速度處理并沒有太大影響，而光電解碼器價(jià)格昂貴，安裝在齒輪上，同等電源和PWM的輸出時(shí)，小車速度會變慢。

　　圖2 紅外傳感器測速的安裝

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　電源管理模塊采用7.2 V 2 000 mAh Ni-Cd蓄電池作為系統(tǒng)能源，并且通過降壓穩(wěn)壓電路分出6 V，5 V分別給舵機(jī)和單片機(jī)等供電；使用H橋及其相關(guān)器件做了直流電機(jī)驅(qū)動模塊；轉(zhuǎn)向伺服舵機(jī)控制智能車轉(zhuǎn)向；用紅外傳感器測量模塊實(shí)時(shí)測量智能車車速；采用激光傳感器作為賽道的檢測；系統(tǒng)充分使用了M9S8AC16CG單片機(jī)的外圍模塊，具體使用到的模塊包括：定時(shí)器模塊、PWM脈沖寬度調(diào)制模塊、中斷模塊、I/O端口和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊等。

　　2.1 最小系統(tǒng)及主板

　　系統(tǒng)采用的常規(guī)使用的最小系統(tǒng)板，以MC9S08AC16為核心的單片機(jī)系統(tǒng)的最小系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：時(shí)鐘電路（外接的8 MHz的石英晶振）、電源電路（提供5 V直流電源）、復(fù)位電路、BDM接口（通過BDM頭向單片機(jī)下載和調(diào)試程序）。

　　主板上有組成本系統(tǒng)的主要電路，具體包括：

　　電源穩(wěn)壓電路 7.2 V的電池電源將會通過3個(gè)集成穩(wěn)壓電路處理成兩個(gè)5 V、一個(gè)約5~7.2 V的可調(diào)直流輸出，其中一個(gè)5 V直流電源供單片機(jī)和相關(guān)外設(shè)工作，另外一個(gè)5V直流單獨(dú)供激光傳感器工作，可調(diào)直流輸出供舵機(jī)工作，采用這種電源設(shè)計(jì)方式，可以提供所需不同大小的電源，同時(shí)在舵機(jī)、激光傳感器工作時(shí)不會影響單片機(jī)的工作電源。

　　接口電路 包括舵機(jī)接口、電機(jī)驅(qū)動接口、電源接口、調(diào)試用人機(jī)界面電路接口、單片機(jī)最小系統(tǒng)插座。

　　電機(jī)驅(qū)動板作為一個(gè)獨(dú)立的單元制作的直流電機(jī)“H”型雙極性驅(qū)動電路。

　　2.2 傳感器模塊

　　采用14個(gè)發(fā)射，7個(gè)接收，兩個(gè)發(fā)射一個(gè)接收為一組一字排開。每次選中不相鄰兩個(gè)發(fā)射管發(fā)射，由兩個(gè)接收譬分別接受。AC16單片機(jī)的IO端口進(jìn)行控制，由74LD164驅(qū)動選擇要發(fā)射的傳感器，由一個(gè)555芯片發(fā)出100 kHz的頻率震蕩波，激光管發(fā)光。接受部分有一個(gè)相匹配的100 kHz的接收管接收返回的光，7路接收管的接收信號直接進(jìn)單片機(jī)。傳感器原理如圖3所示。

　　圖3 激光傳感器原理圖

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 軟件設(shè)計(jì)概要

　　系統(tǒng)的主函數(shù)將執(zhí)行圖4所示流程圖對應(yīng)的程序。調(diào)試程序可以完成的功能有：檢驗(yàn)傳感器故障、調(diào)試速度控制參數(shù)、舵機(jī)中點(diǎn)設(shè)置、舵機(jī)轉(zhuǎn)角參數(shù)控制等。傳感器數(shù)據(jù)的讀取特指激光傳感器的讀取，在定時(shí)器程序中，每5 ms開始新的一輪激光掃描，每125μs更換1組激光發(fā)射管，每組發(fā)射兩個(gè)不相鄰的激光信號，所有激光發(fā)射5遍之后，3次以上檢測到賽道軌跡信號才確認(rèn)有效，此時(shí)才會設(shè)置傳感器數(shù)據(jù)讀取完成標(biāo)志，所以系統(tǒng)每5 ms進(jìn)入后續(xù)程序執(zhí)行。小車舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制、速度控制稍后詳細(xì)論述。對于小車馬達(dá)速度控制則為閉環(huán)控制，采用bang-bang控制與P算法控制相結(jié)合，小車的速度讀取采用了輸入捕捉功能完成，車子運(yùn)動時(shí)，車輪轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)過1/5圈，紅外傳感器就會輸出一個(gè)完整的脈沖周期，通過讀取紅外傳感器的輸出脈沖頻率確定小車的速度。

　　圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

　　3.2 小車行駛狀態(tài)確定

　　該系統(tǒng)采用的賽道為寬為50 cm，中心線為25 mm的賽道，傳感器在黑色上讀取為1，在白色上讀取為0，賽道外地板使用傳感器有可能讀1，也有可能讀0.激光傳感器終采用“一”字型排布方式，相鄰的兩個(gè)傳感器的距離為20 mm.賽道如圖5所示。

　　圖5 賽道示意

　　傳感器在賽道上可能的狀態(tài)可分為：在普通的賽道處、在十字交叉線處，還有跑出賽道。系統(tǒng)定義了變量Car_State來代表小車當(dāng)前的狀態(tài)，可能會出現(xiàn)的情況如下：

　　1）當(dāng)小車在賽道上時(shí)，將會有1到2個(gè)傳感器輸出高電平，如果有兩個(gè)傳感器同時(shí)打到黑點(diǎn)，而兩個(gè)傳感器并不是相鄰的則認(rèn)為是干擾信號，不作特別處理，其他按照如圖6的傳感器排布方法計(jì)算坐標(biāo)從左向右依次為-13到13，此時(shí)Car_State計(jì)為傳感器打到的坐標(biāo)；

　　2）打到10個(gè)以上黑點(diǎn)計(jì)為交叉線，Car_State計(jì)為20;

　　3）沒有打到黑點(diǎn)則認(rèn)為小車即將跑出賽道，Car_State計(jì)為30;

　　4）另外還有一種情況傳感器已經(jīng)打到了賽道之外，而打到賽道外的傳感器可能輸出高電平，也有可能輸出低電平，此時(shí)有可能讀出的情況可能會判定為第一種，如圖5示意，此時(shí)小車本應(yīng)繼續(xù)左拐，但是判讀位第一種情況，就可能右拐，這種情況的判定就不能僅僅依靠讀傳感器來判定，還應(yīng)考慮小車前面行進(jìn)的趨勢加以判別。因?yàn)榇朔N情況一般只出現(xiàn)在小車轉(zhuǎn)大彎時(shí)，由于轉(zhuǎn)角不夠當(dāng)小車的傳感器會打到相反方向的賽道外，所以左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)的角度超過某一特定值時(shí)（如60°），應(yīng)當(dāng)屏蔽另一側(cè)的傳感器，只讀轉(zhuǎn)向該側(cè)的傳感器，如圖5小車現(xiàn)轉(zhuǎn)左側(cè)大彎，右側(cè)傳感器檢測到錯(cuò)誤黑點(diǎn)，此時(shí)只要將右側(cè)的7個(gè)傳感器屏蔽，只讀左側(cè)傳感器數(shù)值即可，此種情況Car_State計(jì)為40。

　　圖6 傳感器排布

　　3.3 舵機(jī)控制

　　小車在賽道上：Car_State為-13到13間的整數(shù)，由于光電管數(shù)量少，造成傳感器返回值離散度過大，不適合進(jìn)行回控，故應(yīng)加快采樣速率，進(jìn)行過采樣，再進(jìn)行一階迭代濾波：

　　PVal=（（Car_State×1 000）+（Pvalx10））/11;

　　小車行使5 ms后位置的偏差進(jìn)行迭代濾波：

　　Err=（（PVal-PVal1）+（Errx10））/11;//兩次位置偏差

　　P_Offset=Err/P_err; //負(fù)值左偏 正值右偏

　　if（P_Offset《-5）P_Offset=-5; //左偏最大偏離為-5個(gè)單位

　　if（P_Offset》5）P_Offset=5; //右偏最大偏離為5個(gè)單位

　　將Err進(jìn)行采樣劃分得到P_Offset變量，P_Offset取值為-5到5的整數(shù)，負(fù)數(shù)表示向左偏，正數(shù)表示向右偏，絕對值越大代表偏轉(zhuǎn)角度越大；采樣分辨率為可調(diào)參數(shù)P_err，P_err偏大時(shí)，小車反應(yīng)會較為遲鈍，P_err偏小時(shí)，小車反應(yīng)會較為靈敏，容易出現(xiàn)很小偏差就會引起小車較大的轉(zhuǎn)向。

　　按照小車當(dāng)前的位置以及P_Offset組織數(shù)據(jù)表Angle_Table［］，該表共有27行11列，第n行m列元素j，表示小車位置Car_State為n-13偏差P_Offset為m-5時(shí)，j的值在-10到10之間，負(fù)值代表向左轉(zhuǎn)，正值代表向右轉(zhuǎn)，小車舵機(jī)應(yīng)打的角度為jxAngle_C，可調(diào)參數(shù)Angle_C可以根據(jù)賽道狀況舵機(jī)反應(yīng)靈敏度等調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)在調(diào)試程序中完成，其值愈大，同等情況下轉(zhuǎn)角越大。

　　舵機(jī)的控制就是通過查數(shù)據(jù)表Angle_Table來實(shí)現(xiàn)，而不是通過公式求解，這種方法比較適用于8位單片機(jī)，通過檢索表可以達(dá)到運(yùn)算所達(dá)不到的系統(tǒng)速度。

　　小車在交叉線時(shí)Car_State=20不更改舵機(jī)的控制；當(dāng)小車的傳感器打不到黑點(diǎn)，即將跑出賽道活著已經(jīng)打到賽道外時(shí)Car_State=30或40，此時(shí)按照小車轉(zhuǎn)的方向，將舵機(jī)設(shè)置為最大轉(zhuǎn)角，以達(dá)到盡快找到賽道黑線的目的。

　　舵機(jī)的輸出PWM采用5 ms周期，與小車傳感器采樣的頻率一致。

　　4 試驗(yàn)結(jié)果及總結(jié)

　　通過上述方法，小車取得了比較好的試驗(yàn)結(jié)果，在最小曲率半徑不小于50 cm的賽道上，小車可以取得每秒2 m以上的速度。其速度比采用16位單片機(jī)的系統(tǒng)沒有很大差異。要特別注意的是，運(yùn)算時(shí)采用不同數(shù)據(jù)類型的變量將會帶來不同的效果，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，如果可以使用字節(jié)存儲類型的變量作雙字節(jié)變量存儲，將會嚴(yán)重影響小車的運(yùn)行情況，這是由單片機(jī)編譯環(huán)境進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算引起的，應(yīng)當(dāng)盡量避免不恰當(dāng)?shù)淖兞慷x及算數(shù)運(yùn)算。

　　相較于當(dāng)前流行的16位單片機(jī)控制的雙舵機(jī)智能車，該系統(tǒng)在硬件上成本較低，而軟件也根據(jù)8位單片機(jī)的特點(diǎn)，避開了較為復(fù)雜的運(yùn)算，采用了查表的方式，只在小車位置及偏差運(yùn)算以及速度P算法中涉及了少量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，以此達(dá)到系統(tǒng)的快速響應(yīng)。