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(jiǎn)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)[2]。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(jiǎn)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(cè)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。“w”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(cè)功能，這種預(yù)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)到黑線，若上一時(shí)刻s5檢測(cè)到黑線，則車模左轉(zhuǎn)，若上一時(shí)刻s7檢測(cè)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(cè)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(cè)電路

　　本文采用增量式光電編碼器來測(cè)量車速，其輸出脈沖的頻率正比于轉(zhuǎn)速，可以通過測(cè)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。