光電傳感器對(duì)智能車的控制設(shè)計(jì)

引言

本文是根據(jù)第三屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車大賽要求設(shè)計(jì)自主識(shí)別道路的智能車。整個(gè)系統(tǒng)采用了組委會(huì)提供的16位單片機(jī)mc9s12dg128為核心，模型車本身帶有差速器和后輪驅(qū)動(dòng)，需要設(shè)計(jì)完成基于單片機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)使得模型車在封閉的跑道上自主循線運(yùn)行。

車模與控制器構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖1，系統(tǒng)硬件以單片機(jī)為核心，配有傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及它們的驅(qū)動(dòng)電路，而信息處理與控制算法由單片機(jī)軟件完成［1］。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求單片機(jī)把路徑的迅速判斷、相應(yīng)的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制以及直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制精密的結(jié)合在一起。

智能車的設(shè)計(jì)是在保證模型車可靠運(yùn)行的前提下，以電路設(shè)計(jì)簡潔、車體靈活性高為原則。設(shè)計(jì)的兩大重點(diǎn)，一是光電傳感器的布局和電路設(shè)計(jì)，一是循線控制算法的設(shè)計(jì)。

本文第二節(jié)主要介紹了光電傳感器的電路設(shè)計(jì)和布局，這是信號(hào)采集的關(guān)鍵，相當(dāng)于智能車的“眼睛”；第三節(jié)主要介紹了循線控制算法，這是控制的核心，相當(dāng)于智能車的“頭腦”；最后在第四節(jié)對(duì)智能車的硬件、軟件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行了大體說明。

光電傳感器

光電傳感器的選擇及電路設(shè)計(jì)

光電傳感器位于智能車的最前方，起到預(yù)先判斷路徑的作用。其發(fā)射的光對(duì)白色和黑色有不同的反射率，因此能得到不同的電壓值，采進(jìn)單片機(jī)后通過一定的算法比較電壓來判斷黑線的位置，從而控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。這種方法易于實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)速度快，實(shí)時(shí)性好，成本低。

本文選用性價(jià)比基本適合的反射式紅外傳感器tcrt5000。紅外光電傳感器電路的設(shè)計(jì)形式多種多樣，由于本文算法中采用的是傳感器陣列經(jīng)驗(yàn)判斷方法，為了控制簡便采用數(shù)字量輸出傳感器電路，如圖2所示。

光電管采用脈沖調(diào)制式發(fā)光，即vo是震蕩電路產(chǎn)生的脈沖電壓，這樣易濾除外界干擾。雖然電路相對(duì)復(fù)雜，但足以保證模型車的穩(wěn)定行駛［3］。

光電傳感器布局的研究

光電管陣列的布局直接影響智能車的循線效果。一般來說，典型的布局有“一”字形布局和“w”形布局兩種。

所謂“一”字形布局，就是把多個(gè)傳感器按照“一”字排開。這種傳感器布局方式最常見，算法在理論上易于實(shí)現(xiàn)。其不足之處在于：對(duì)賽道的曲率幾乎沒有任何預(yù)測功能。因此一般不采用這種布局。

而“w”形布局，是把多個(gè)傳感器按照“w”形排列?！皐”形布局由于傳感器分布在兩排，使得智能車對(duì)彎道有一定的預(yù)測功能，這種預(yù)測功能特別體現(xiàn)在直道進(jìn)入彎道時(shí)刻。后一排傳感器仍在直道時(shí)，前一排傳感器已經(jīng)進(jìn)入彎道。而不足之處是增加了控制算法的復(fù)雜程度，判斷舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，往往需要上一次的檢測數(shù)據(jù)。經(jīng)驗(yàn)判斷的可能性也隨著傳感器數(shù)量的增加而增加。

光電傳感器布局仿真

經(jīng)多次仿真實(shí)驗(yàn)，最終確定了傳感器的布局和數(shù)量。采用如圖3所示的“w”形布局，一共有13個(gè)傳感器，前排8個(gè)，后排5個(gè)，前后兩排間距為3.5cm。設(shè)置這個(gè)間距，使其對(duì)賽道有一定預(yù)測功能。具體的布局及仿真效果如圖4所示。

循線控制算法

本文采用經(jīng)驗(yàn)反饋控制，即在普通經(jīng)驗(yàn)控制的基礎(chǔ)上，加入pid控制的思想，引入比例、積分、微分三個(gè)控制常數(shù)，實(shí)施反饋，并采用積分分離的控制方法。

循線控制算法是利用前后兩排傳感器綜合檢測信號(hào)來推理得到模型車的精確轉(zhuǎn)向及具體的車速。方向判斷的方法是：如圖3，首先判斷下排5個(gè)傳感器的情況，假設(shè)s3處在黑線位置，再觀察上排8個(gè)傳感器，此時(shí)s3將上排傳感器分為左右兩邊，由于相鄰兩個(gè)傳感器間距離稍大于黑線寬度，因此任何時(shí)刻只能有2個(gè)傳感器同時(shí)檢測到黑線，這樣一來根據(jù)分析上下兩排傳感器信號(hào)就可以基本判斷出模型車的轉(zhuǎn)向情況。例如，某一時(shí)刻s3和s8檢測到黑線，就可大致判斷模型車應(yīng)向右拐，并根據(jù)兩個(gè)傳感器的連線和豎直方向的夾角可判斷舵機(jī)的轉(zhuǎn)向和大致角度。

但同時(shí)還應(yīng)注意，當(dāng)車模進(jìn)入左側(cè)彎道時(shí)，也可能出現(xiàn)s3和s8共同檢測到黑線的情況，這種情況下就要檢查上一時(shí)刻的傳感器信號(hào)，就是檢測s4||s13的情況，若s4||s13結(jié)果為1，則認(rèn)為車模應(yīng)左拐，若s4||s13結(jié)果為0則應(yīng)右拐。一次方向判斷的流程如圖5所示。

在程序中建立兩個(gè)數(shù)組，一個(gè)存儲(chǔ)每次檢測到的信號(hào)，另一個(gè)存儲(chǔ)實(shí)施控制后的當(dāng)前信號(hào)作為歷史數(shù)據(jù)。加入這種帶歷史紀(jì)錄判斷的思想后，使得控制更為精確［4］。

除了以上判斷法則之外，還有兩種情況需要考慮。即只有一個(gè)傳感器檢測到黑線的情況以及交叉賽道的情況。對(duì)于只有一個(gè)傳感器檢測到黑線的情況，同樣需要檢查上一時(shí)刻的傳感器信號(hào)，例如，某一時(shí)刻只有s6檢測到黑線，若上一時(shí)刻s5檢測到黑線，則車模左轉(zhuǎn)，若上一時(shí)刻s7檢測到黑線，則車模右轉(zhuǎn)。

對(duì)于交叉賽道的情況，則利用一種“濾波”的思想將其“濾”除掉。遇到交叉賽道時(shí)，必然會(huì)出現(xiàn)同一排幾個(gè)傳感器同時(shí)檢測到黑線的情況，此時(shí)就給模型車一個(gè)命令使其直線前進(jìn)，將交叉賽道排除掉。

這就是本系統(tǒng)基于經(jīng)驗(yàn)邏輯判斷的循線控制算法，在此基礎(chǔ)上通過不斷實(shí)驗(yàn)調(diào)整各個(gè)參數(shù)可達(dá)到較好的控制效果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

硬件設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用mc33886作為驅(qū)動(dòng)芯片，其原理如圖6所示。通過向in1、in2口送出pwm波來控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)為智能車加速，反轉(zhuǎn)減速。改變pwm波的占空比，可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速率［5］。

速度檢測電路

本文采用增量式光電編碼器來測量車速，其輸出脈沖的頻率正比于轉(zhuǎn)速，可以通過測量單位周期內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)或者脈沖周期得到脈沖的頻率，具有較高的精度。

電源變換電路

智能車系統(tǒng)配有7.2v的蓄電池，可直接為直流電機(jī)供電。單片機(jī)、光電傳感器和光電編碼器所需電壓為5v，伺服舵機(jī)為6v。這些電壓則由7.2v蓄電池調(diào)節(jié)得來。

單片機(jī)和光電編碼器通過穩(wěn)壓芯片7805穩(wěn)壓輸出5v電壓供電。光電傳感器數(shù)目多、功耗大，對(duì)電源穩(wěn)定性要求更高，故單獨(dú)采用效率較高的芯片lm2575對(duì)它供電。給舵機(jī)供電的芯片選用的是低壓差可調(diào)輸出三端線性穩(wěn)壓器lm1117，片上提供安全操作保護(hù)等功能。

軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分模塊實(shí)現(xiàn)，其中主程序包括時(shí)鐘初始化、i/o口初始化、舵機(jī)電機(jī)初始化、采集信號(hào)和控制算法，程序流程見圖7。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

程序開發(fā)過程中完全采用了組委會(huì)提供的s12核心開發(fā)板，它是由mc9s12dg128單片機(jī)構(gòu)成的最小系統(tǒng)。mc9s12dg128屬于hcs12系列單片機(jī)，是motorola推出的高性能16位微控制器。它能夠提供32-512kb的第三代快閃嵌入式存儲(chǔ)器，總線速度可達(dá)50mhz，外圍時(shí)鐘可達(dá)25

mhz。還具備編碼效益、片上糾錯(cuò)能力，并與mc68hc11和mc68hc12結(jié)構(gòu)編碼向上兼容。mc9s12dg128單片機(jī)具有112個(gè)引腳，其中與cpu相關(guān)的引腳都是兼容的。

s12開發(fā)板上有構(gòu)成最小系統(tǒng)的復(fù)位電路、晶體振蕩器及時(shí)鐘電路，串行接口的rs-232驅(qū)動(dòng)電路，+5v電源插座。單片機(jī)中已經(jīng)寫入了開發(fā)的監(jiān)控程序。8個(gè)小燈用于調(diào)試應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)的所有i/o端口都通過兩個(gè)64芯的歐式插頭引出。

硬件調(diào)試時(shí)，分別對(duì)各模塊功能進(jìn)行測試，重點(diǎn)調(diào)節(jié)光電傳感器，它感知黑白線時(shí)輸出信號(hào)應(yīng)不同，感知白線時(shí)經(jīng)過比較器輸出為低電平，感知黑線時(shí)輸出為高電平。軟件調(diào)試時(shí)，可利用bdm開發(fā)工具，顯示單片機(jī)運(yùn)行時(shí)其內(nèi)部存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。

通過硬件軟件的聯(lián)合調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)了一些問題，但通過對(duì)程序的完善和車模的重新裝配后效果大大改善。最終車?？稍谂艿郎涎€運(yùn)行，但仍存在功耗較大，轉(zhuǎn)向延時(shí)等問題。

結(jié)語

本文基于自動(dòng)控制原理，利用探路模塊的道路偏差信號(hào)使智能車實(shí)現(xiàn)尋跡跟蹤，利用pwm技術(shù)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的轉(zhuǎn)向。

本文重點(diǎn)介紹了光電傳感器的排布“w”形布局以及循線控制算法，它們是保證智能車循線運(yùn)行的關(guān)鍵?！皐”形布局使智能車具備了道路預(yù)測能力，而循線控制算法使得車體轉(zhuǎn)向快速正確。

通過對(duì)智能車仿真和實(shí)驗(yàn)表明，整個(gè)系統(tǒng)的方案可行，系統(tǒng)的控制策略和軟硬件基本合理?？刂品矫妫m然經(jīng)典的pid控制在電機(jī)調(diào)速方面有良好的控制效果，但由于車模的動(dòng)力學(xué)模型因車況不同而變化等原因，使得pid控制效果受到影響，以后可考慮采用模糊控制，使算法更加智能化，系統(tǒng)的適應(yīng)性更強(qiáng)。