低成本8位單片機控制的光電尋跡智能車

牛俊英

（順德職業技術學院廣東佛山528333）

智能車競速比賽以及多種智能車的應用場合中，需要智能車沿著某條軌跡快速前進，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，現在常見使用16位單片機作為控制核心。普通紅外傳感器因為易受干擾、前瞻距離短等缺點已經較少使用，攝像頭有豐富的數據信息，但是低成本8位單片機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位單片機處理，能夠有效的節省硬件成本。針對尋跡智能車進行了軟硬件設計，采用8位freescale單片機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為基礎的枚舉查表法，做到了處理快速高效。整個設計既滿足了競速小車的響應迅速的要求，又是一種較低成本的設計方案。

1 車模安裝

智能車的控制采用的是前輪轉向，B型車模采用的是國內廠商生產的1：16的電動越野遙控車的底盤部分，突出特點為四輪驅動，四輪獨立懸掛。反射式光電傳感器在小車前方一字形簡單排布，14個發射，7個接收，一個發射帶兩個接收，傳感器的前瞻可以達到40 cm以上，兩個激光發射頭間距1.8 cm。傳感器單元安裝圖如圖1所示。

圖1 改裝后智能車Fig.1Smart car adjusted

系統選用紅外傳感器作為測速傳感器[3]，把紅外傳感器安裝在后輪上，在后輪的內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。車輪轉動時，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，而光電解碼器價格昂貴，安裝在齒輪上，同等電源和PWM的輸出時，小車速度會變慢。

圖2 紅外傳感器測速的安裝Fig.2Infrared sensor for measuring rate

2 硬件設計

電源管理模塊采用7.2 V 2 000 mAh Ni－Cd蓄電池作為系統能源，并且通過降壓穩壓電路分出6 V，5 V分別給舵機和單片機等供電；使用H橋及其相關器件做了直流電機驅動模塊；轉向伺服舵機控制智能車轉向；用紅外傳感器測量模塊實時測量智能車車速；采用激光傳感器作為賽道的檢測；系統充分使用了M9S8AC16CG單片機的外圍模塊，具體使用到的模塊包括：定時器模塊、PWM脈沖寬度調制模塊、中斷模塊、I/O端口和實時時鐘模塊等。

2.1 最小系統及主板

系統采用的常規使用的最小系統板[1]，以MC9S08AC16為核心的單片機系統的最小系統主要包括以下幾個部分：時鐘電路（外接的8 MHz的石英晶振）、電源電路（提供5 V直流電源）、復位電路、BDM接口（通過BDM頭向單片機下載和調試程序）。

主板上有組成本系統的主要電路，具體包括：

電源穩壓電路7.2 V的電池電源將會通過3個集成穩壓電路處理成兩個5 V、一個約5～7.2 V的可調直流輸出，其中一個5 V直流電源供單片機和相關外設工作，另外一個5 V直流單獨供激光傳感器工作，可調直流輸出供舵機工作，采用這種電源設計方式，可以提供所需不同大小的電源，同時在舵機、激光傳感器工作時不會影響單片機的工作電源。

接口電路包括舵機接口、電機驅動接口、電源接口、調試用人機界面電路接口、單片機最小系統插座。

電機驅動板作為一個獨立的單元制作的直流電機“H”型雙極性驅動電路[2]。

2.2 傳感器模塊

采用14個發射，7個接收，兩個發射一個接收為一組一字排開。每次選中不相鄰兩個發射管發射，由兩個接收管分別接受。AC16單片機的IO端口進行控制，由74LD164驅動選擇要發射的傳感器，由一個555芯片發出100 kHz的頻率震蕩波，激光管發光。接受部分有一個相匹配的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單片機。傳感器原理如圖3所示。

圖3 激光傳感器原理圖Fig.3Schematic diagram of laser sensor

3 軟件設計

3.1 軟件設計概要

系統的主函數將執行圖4所示流程圖對應的程序。

圖4 軟件設計流程圖Fig.4Flow chart of software

調試程序可以完成的功能有：檢驗傳感器故障、調試速度控制參數、舵機中點設置、舵機轉角參數控制等。傳感器數據的讀取特指激光傳感器的讀取，在定時器程序中，每5 ms開始新的一輪激光掃描，每125 μs更換1組激光發射管，每組發射兩個不相鄰的激光信號，所有激光發射5遍之后，3次以上檢測到賽道軌跡信號才確認有效，此時才會設置傳感器數據讀取完成標志，所以系統每5 ms進入后續程序執行。小車舵機轉向控制、速度控制稍后詳細論述。對于小車馬達速度控制則為閉環控制，采用bang-bang控制與P算法控制相結合[5]，小車的速度讀取采用了輸入捕捉功能完成，車子運動時，車輪轉動，每轉過1/5圈，紅外傳感器就會輸出一個完整的脈沖周期，通過讀取紅外傳感器的輸出脈沖頻率確定小車的速度。

3.2 小車行駛狀態確定

該系統采用的賽道為寬為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，相鄰的兩個傳感器的距離為20 mm。賽道如圖5所示。

圖5 賽道示意Fig.5Track map

傳感器在賽道上可能的狀態可分為[4，6－7]：在普通的賽道處、在十字交叉線處，還有跑出賽道。系統定義了變量Car_State來代表小車當前的狀態，可能會出現的情況如下：

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

2）打到10個以上黑點計為交叉線，Car_State計為20；

3）沒有打到黑點則認為小車即將跑出賽道，Car_State計為30；

4）另外還有一種情況傳感器已經打到了賽道之外，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，此時有可能讀出的情況可能會判定為第一種，如圖5示意，此時小車本應繼續左拐，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，還應考慮小車前面行進的趨勢加以判別。因為此種情況一般只出現在小車轉大彎時，由于轉角不夠當小車的傳感器會打到相反方向的賽道外，所以左轉或者右轉的角度超過某一特定值時（如60°），應當屏蔽另一側的傳感器，只讀轉向該側的傳感器，如圖5小車現轉左側大彎，右側傳感器檢測到錯誤黑點，此時只要將右側的7個傳感器屏蔽，只讀左側傳感器數值即可，此種情況Car_State計為40。

圖6 傳感器排布Fig.6Sensors assignment

3.3 舵機控制

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

PVal=（（Car_State×1 000）+（Pval×10））/11;

小車行使5 ms后位置的偏差進行迭代濾波：

Err=（（PVal－PVal1）+（Err×10））/11;//兩次位置偏差

P_Offset=Err/P_err;//負值左偏正值右偏

if（P_Offset＜－5）P_Offset=－5;//左偏最大偏離為－5個單位

if（P_Offset＞5）P_Offset=5;//右偏最大偏離為5個單位

將Err進行采樣劃分得到P_Offset變量，P_Offset取值為－5到5的整數，負數表示向左偏，正數表示向右偏，絕對值越大代表偏轉角度越大；采樣分辨率為可調參數P_err，P_err偏大時，小車反應會較為遲鈍，P_err偏小時，小車反應會較為靈敏，容易出現很小偏差就會引起小車較大的轉向。

按照小車當前的位置以及P_Offset組織數據表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，j的值在－10到10之間，負值代表向左轉，正值代表向右轉，小車舵機應打的角度為j×Angle_C，可調參數Angle_C可以根據賽道狀況舵機反應靈敏度等調節，其調節在調試程序中完成，其值愈大，同等情況下轉角越大。

舵機的控制就是通過查數據表Angle_Table來實現，而不是通過公式求解，這種方法比較適用于8位單片機，通過檢索表可以達到運算所達不到的系統速度。

小車在交叉線時Car_State=20不更改舵機的控制；當小車的傳感器打不到黑點，即將跑出賽道活著已經打到賽道外時Car_State=30或40，此時按照小車轉的方向，將舵機設置為最大轉角，以達到盡快找到賽道黑線的目的。

舵機的輸出PWM采用5 ms周期，與小車傳感器采樣的頻率一致。

4 試驗結果及總結

通過上述方法，小車取得了比較好的試驗結果，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位單片機的系統沒有很大差異。要特別注意的是，運算時采用不同數據類型的變量將會帶來不同的效果，經實驗證明，如果可以使用字節存儲類型的變量作雙字節變量存儲，將會嚴重影響小車的運行情況，這是由單片機編譯環境進行數學運算引起的，應當盡量避免不恰當的變量定義及算數運算。

相較于當前流行的16位單片機控制的雙舵機智能車，該系統在硬件上成本較低，而軟件也根據8位單片機的特點，避開了較為復雜的運算，采用了查表的方式，只在小車位置及偏差運算以及速度P算法中涉及了少量的數學運算，以此達到系統的快速響應。

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