基于激光傳感器跟蹤智能車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

1、 陳勇，張謇，張歡歡電子與信息學(xué)院杭州電子科技大學(xué)浙江省杭州市，中國Chenlong摘要：本文記敘了一種基于激光傳感器路徑識別的智能小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。智能小車的整個系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)在一個模型為128大小的汽車。該車是由后輪直流電機(jī)和前輪轉(zhuǎn)向伺服驅(qū)動的。小車按設(shè)計(jì)配有接收波長650納米的激光管作為其路徑識別傳感器，并采用飛思卡爾公司的高性能單片機(jī)MC9S12XS128作為控制電機(jī)的核心，通過伺服系統(tǒng)對采集跟蹤信息和編碼器的速度反饋。文中使用的控制方案命名為閉環(huán)控制系統(tǒng)，使用與速度反饋相結(jié)合的PID控制算法。整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行通過軟件和硬件的共同工作來完成，達(dá)到對復(fù)雜的路徑信息作出快速的反應(yīng)

2、。關(guān)鍵詞：尋跡智能小車；激光傳感器，微控制器，MC9S12XS128單片機(jī)； PID算法一、介紹尋跡智能車是一個傳感器，機(jī)器視覺，信號處理，自動控制等技術(shù)為一體的新技術(shù)。它的背景是飛思卡爾杯智能大學(xué)汽車賽。根據(jù)比賽的要求，尋跡智能車需識用別跟蹤，搜索和自動驅(qū)動來盡快的跑完一圈。尋跡智能車采用高電流的脈沖發(fā)射激光傳感器檢測引導(dǎo)線和收集跟蹤信息。通過對傳感器的數(shù)據(jù)收集和處理， MCU控制前輪轉(zhuǎn)向和直流電動機(jī)控制后輪驅(qū)動尋跡智能車，則車可以跟蹤路徑和驅(qū)動快。在沒有外部因素的干擾的前提下，激光傳感器的路徑信息越遠(yuǎn)，對尋跡智能車的預(yù)測效果越好。一個簡單的工作框圖如圖1所示。圖1尋跡智能車的簡單運(yùn)行圖二、

3、尋跡智能車系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和工作原理該系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是在飛思卡爾16單片機(jī)MC9S12XS128的控制之下。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示的系統(tǒng)，主要包括激光發(fā)射和接收模塊，速度編碼器模塊，電機(jī)驅(qū)動電路模塊與伺服驅(qū)動模塊。圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖尋跡智能車的工作原理：單片機(jī)控制激光發(fā)射管發(fā)射激光，接收管接收來自軌道的激光反射。微芯片內(nèi)的AID轉(zhuǎn)換器收集接收管內(nèi)的電壓數(shù)據(jù)。由于從白色軌道和黑色引導(dǎo)線的反射激光的強(qiáng)度是完全不同的，在MCU可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)判斷智能車離中央導(dǎo)向線的距離多遠(yuǎn)。結(jié)合來自速度編碼器的速度反饋，再由算法處理該信息，該系統(tǒng)會提供一種新的速度和轉(zhuǎn)向角度值。三、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)A.激光傳感器的選擇和

4、電路設(shè)計(jì)有兩種類型的激光管中可以選擇。一種為780nm-lOmw激光管，另一種是650nm-lOmw激光管。因?yàn)?80nm波長非常接近紅光光譜的兩端末尾，因此，它幾乎是不可見的，只有在非常暗的環(huán)境可以讓人看光線。而650nm波長在紅光光譜的中間可以容易地看到。在考慮調(diào)試系統(tǒng)的便利性， 650nm -lOmw激光管是更好的選擇。對于650nm激光，相同的波長接收管具有的最高光譜感光度，會達(dá)到最大的效果。為了延長尋跡智能車可以預(yù)見的距離，該系統(tǒng)采用高電流和脈沖發(fā)射式發(fā)射激光。激光發(fā)射電路如圖3所示。本電路主要由3至8線譯碼器74HC238和八個達(dá)林頓陣列ULN2803組成。作為電路的分配器，The

5、74HC238只有在輸出為高電平是會被激活。MCV分布數(shù)據(jù)（特定頻率信號）由PA36（PAOI，PA02，PA03）輸入，由74HC238解碼器的引角（YO至Y7）輸入至ULN2803逐個點(diǎn)亮激光發(fā)射管。圖3激光發(fā)射電路激光接收電路如圖4所示。該電路包括激光接收管和運(yùn)算放大器。接收管接收反射的激光通常會產(chǎn)生10mv的至200mV范圍內(nèi)的電壓信號，噪聲信號需放大處理才能被MCV接收處理。被放大的信號之前，RC濾波器用于過濾直流信號和低頻信號。我們選擇精確，低噪聲運(yùn)算放大器TLC2202德州儀器。放大的信號由MCV內(nèi)的AID轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步處理收集。圖4放大電路在該設(shè)計(jì)中，MCV控制激光管一個接一個的

6、發(fā)射激光，從而使接收管時(shí)分復(fù)用。因此一個接收管從兩個激光管接收信號。此設(shè)計(jì)降低了成本，以及追蹤智能汽車的重量。激光發(fā)射的布局和接收電路如圖5所示。激光管的發(fā)射序列是根據(jù)布局的特殊順序排列的。激光管需交叉而不能依次發(fā)射這樣可以避免干擾。該系統(tǒng)采用高電流脈沖發(fā)射方式來控制激光管發(fā)射激光發(fā)射序列可以是T1，TS-+ T2，T6-+ T3，T7-+ T4，T8-+T1，TS。當(dāng)激光通過T1或T2發(fā)射， RI將接收到信號。當(dāng)激光通過T3或T4發(fā)射，R2將接收到信號。當(dāng)激光通過TS或T6發(fā)射，R3將接收到信號。當(dāng)激光通過T7或T8發(fā)射，R4將接收到信號。交叉發(fā)射的方法提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。圖5激

7、光發(fā)射和接收布局B.電機(jī)和伺服驅(qū)動電路和速度測量電路的設(shè)計(jì) 電機(jī)RS-380SH被選擇用于本文的尋跡智能車系統(tǒng)。為了電機(jī)能在高速中快速反應(yīng)，電機(jī)需要回滾制動，這要求電機(jī)驅(qū)動電路具有雙向驅(qū)動器的能力。本設(shè)計(jì)采用的是由四個MOSFET的經(jīng)典H橋驅(qū)動器設(shè)計(jì)。兩個高電流半橋芯片BTS7970B組成全橋電路。該BTS7970B是一個完全集成的大電流半橋電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用。它具有快速反應(yīng)，高電流，電阻小，外圍電路簡單的特性。 H橋電路如圖6所示。電機(jī)向前移動時(shí)，Q1和Q4處于導(dǎo)通狀態(tài)，Q2和Q3處于截止?fàn)顟B(tài)，而電機(jī)反向時(shí)Q2和Q3處于導(dǎo)通狀態(tài)，Q1和Q4處于截止?fàn)顟B(tài)。電路需要雙通道的PWM控制。 圖6H橋驅(qū)動電

8、路。 在6伏的工作電壓下雙葉S3010被選擇用于尋跡智能車的前輪轉(zhuǎn)向伺服。伺服是由一個開關(guān)電源芯片供應(yīng)LM2S76-ADJ它能夠驅(qū)動3A的負(fù)載。伺服驅(qū)動的PWM其頻率為20Hz。當(dāng)占空比為1.5/20，伺服角度停留在中間。當(dāng)占空比變到0.5/ 20，伺服變?yōu)樽钭筮叺慕?。?dāng)占空比變到2.5/ 20，伺服變?yōu)樽钣疫叺慕?。角度范圍?到180度。電動機(jī)的齒輪與一個光電編碼器的齒輪嚙合，通過齒輪驅(qū)動車輪。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，它會帶動編碼器產(chǎn)生脈沖。通過計(jì)算的脈沖數(shù)，MCV可以測量尋跡智能汽車的速度。該系統(tǒng)采用的光電編碼器YZ30D4S-2NA-200，它在一個完整的旋轉(zhuǎn)周期產(chǎn)生200個脈沖。多脈沖編碼器可以

9、產(chǎn)生更精確的速度測量，編碼器的輸出被連接到內(nèi)部具有脈沖累加器計(jì)數(shù)數(shù)目的MCV的輸入捕捉引腳PORT7。C.鍵盤和液晶顯示電路設(shè)計(jì)當(dāng)我們調(diào)試系統(tǒng)時(shí)，該部分的電路設(shè)計(jì)用于調(diào)整和顯示參數(shù)。該電路主要由一個4X4矩陣鍵盤和一個84x48 LCD組成。該鍵盤連接到所述MCV的PORTB。數(shù)據(jù)被寫入在SPI方式的L CD。DMCU的最低級系統(tǒng)及外圍電路的設(shè)計(jì)飛思卡爾半導(dǎo)體的16位微控制器MC9S12XSl28被選擇作為控制核心。該微控制器是一款高性能MCV它集成了多種模塊，包括16通道x12位模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，4通道x24位模數(shù)遞減計(jì)數(shù)定時(shí)器，鎖相回路時(shí)鐘倍頻器等。通過設(shè)置內(nèi)部PLL濾波器的某些寄存器MC

10、V可以設(shè)置其頻率為80MHz。 MCV借助AID轉(zhuǎn)換器的輸入引腳（AINOAIN7）被連接到在所述激光信號接收電路放大器的輸出管腳。輸入捕獲的第七引腳被連接到速度測量電路的輸出管腳。在激光發(fā)射電路中MCV的110引腳（PORTAOPORTAO3）連接地址引腳和74HC238的使能引腳。 PWMI（通道0和通道I被連接創(chuàng)建一個16位PWM通道，通道l的輸出管腳用作輸出引腳）和PWM3（通道2和通道3被連接以創(chuàng)建一個16位PWM通道，通道3輸出管腳被用作輸出端子）被連接到電動機(jī)驅(qū)動電路的控制端子。 PWM5（信道4和信道5被連接以創(chuàng)建一個16位PWM通道，通道5輸出管腳用作輸出引腳）連接到所述伺服

11、驅(qū)動器電路的信號輸入端子。E.系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)該系統(tǒng)具有四組電源是7.2伏，6伏，5伏，3.3伏的電壓源。電源電路圖如圖7所示。 圖7系統(tǒng)電源圖7.2伏的電壓源是直接驅(qū)動電機(jī)電池。 6伏的電壓源供應(yīng)伺服。MCV和其它芯片以及光電編碼器是由5伏電壓源提供。3.3伏電源供應(yīng)LCD電路。參考相關(guān)文獻(xiàn)，電源電路如圖8所示。圖8系統(tǒng)電源電路四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)A、系統(tǒng)軟件的總體思路主程序流程圖如圖9所示。軟件的主要任務(wù)是完成用時(shí)分方式控制激光管的發(fā)射，接收管的信號采集和處理，測量電流的速度和控制電機(jī)和伺服。圖9主程序流程圖B.系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)速度反饋，形成一個閉環(huán)速度控制，這意味著它具有硬件基

12、礎(chǔ)。軟件設(shè)計(jì)采用廣泛使用的PID控制算法。當(dāng)我們用PID算法來控制它的速度和轉(zhuǎn)向角度值時(shí)，尋跡智能車能快速，穩(wěn)定的運(yùn)行。PID速度控制圖如圖10所示。 圖10ut=kpet+1T1(0tetdt+de(t)TDdt) 其中Kp是乘以Kp的錯誤比例因子，所以這個比例控制可以立即反映錯誤，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。Kp的增大會引起劇烈的震動甚至系統(tǒng)的不穩(wěn)定。當(dāng)Kp為小，這意味著調(diào)整每一次調(diào)整的范圍很小，調(diào)整后的變化將是順利的，甚至無超調(diào)，但需要更多的時(shí)間。 TI表示積分時(shí)間。集中控制器只要存在累積誤差和出口控制量，就可以消除系統(tǒng)誤差。因此，如果有足夠的時(shí)間，積分控制器將消除系統(tǒng)誤差，并把穩(wěn)態(tài)誤差變?yōu)榱?。?dāng)

13、TI減小是積分控制的能力得到增強(qiáng)，但是它會增加系統(tǒng)的過沖，并可能導(dǎo)致系統(tǒng)的振動。 TD表示微分時(shí)間。差分控制是一種能減小超調(diào)、消除振動、提高動態(tài)響應(yīng)速度、縮短調(diào)整時(shí)間、提高其速度的一種超前調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)性能。差分調(diào)整是對整個PID控制的一個補(bǔ)充。對KP，TI和TD調(diào)整適當(dāng)，可以獲得更好的性能。只有數(shù)值逼近采用PID算法可在MVC實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采樣周期是比較短的，我們用求和來代替積分，計(jì)算公式如下：1T10terdr=TsT1j=0ke(j)我們使用差商代替差動商數(shù)的和的計(jì)算公式如下：1TDde(t)dt=TDTSe(k)-e(k-1)離散PID算法，我們把連續(xù)時(shí)間微分方程放到離散時(shí)間差分方程，結(jié)果如下

14、：u(k)= Kp×e(k)+ TSTIj=0ke(j)+TDTS(e(k)-e(k-1)+ u0u(k)= Kpe(k)+ KIj=0ke(j)+KDe(k)-e(k-1)+ u0其中Kp，KI，KD分別為比例系數(shù)，積分時(shí)間和微分時(shí)間因素KI=KpKSTIKD=KpTDTS在正確選擇三個參數(shù)的情況下，尋跡智能小車的實(shí)際速度將在幾個周期后達(dá)到目標(biāo)速度。五、結(jié)論本文介紹了一種尋跡智能小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。設(shè)計(jì)的尋跡智能車的特點(diǎn)如下：1） 采用激光傳感器，與其它光電傳感器相比，具有走得更遠(yuǎn)的路徑信息的優(yōu)點(diǎn)，使智能小車的尋跡更快速、更穩(wěn)定。2） 采用光電編碼器作為速度測量傳感器，具

15、有較高的精度。結(jié)合閉環(huán)控制策略，可精確控制智能小車的速度。3） 在閉環(huán)控制中采用了PID控制算法，使響應(yīng)時(shí)間縮短，并根據(jù)各種復(fù)雜路徑信息對轉(zhuǎn)速進(jìn)行了優(yōu)化。另外，我們考慮由AID轉(zhuǎn)換器以相對值轉(zhuǎn)換的值，以實(shí)現(xiàn)所述路徑識別的精度，從而可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。定位的精度可通過增加激光發(fā)射管的數(shù)目和接收管得到改善。在一個真正的軌道跟蹤測試，追蹤智能汽車能快速響應(yīng)，并且可以很好地控制。在各種復(fù)雜的軌道可以自動尋跡和自動駕駛。速度為2.7到3.5mls，取決于軌道的難度范圍。 參考文獻(xiàn)1蔡龔華;洪奈罡，“基于智能尋跡汽車導(dǎo)航的研究”，電子科學(xué)與技術(shù)，voI22，N6，第1O -13，六月。 2009年。2 吳金城;王雪峰，“電氣自動導(dǎo)引車的設(shè)計(jì)”，機(jī)電工程技術(shù)，voI37，N6，PS4-S5,200S。3 張洪濤;趙尚書;韓建海，“基于CMOS圖像傳感器的智能車設(shè)計(jì)”河南大學(xué)學(xué)報(bào)科學(xué)與技術(shù)（自然科學(xué)版），voi30，NL，pis-21，2月2009。4