基于光電導航的自主循跡智能車系統設計

西南科技大學信息工程學院 曾偉欽 徐東升 冉志勇 陳 瀟

1.引言

“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽以最短時間跑完賽道為目標，盡可能地使車模達到“穩、快、準”的要求，這不僅要求車模有靈敏、準確的傳感器系統，同時智能車系統的整體設計也是至關重要。基于光電導航的自主循跡智能車系統，通過各個模塊的相互配合，使智能車“自適應”地沿著既定的賽道行駛。該系統設計合理，控制準確，穩定性高，經過不斷調試和優化，該設計方案能夠達到智能車系統設計要求。

2.系統整體硬件設計

系統整體硬件設計如圖1所示，包括：MCU模塊、傳感器模塊、電源模塊、車速檢測模塊、舵機模塊、電機驅動模塊、輔助調試等模塊。

2.1 MCU微控制器

微控制器選用飛思卡爾半導體公司Kinetis產品中的K60P100-SYS，其具有器件充電檢測、硬件加密和篡改加密和篡改檢測功能。器件帶有豐富的模擬、通信、定時和控制外圍設備，高閃存密度K60系列器件包括可選單精度浮點單元、NAND閃存控制器和DRAM控制器。該單片機豐富的資源能夠滿足系統的要求，且其體積小、功耗低。

2.2 傳感器

光電傳感器檢測路面信息的原理是由發射管發射一定波長的光線，經地面反射到接收管。由于在黑色和白色上反射系數不同，在黑色上大部分光線被吸收，而白色上可以反射回大部分光線，所以接收到的反射光強是不一樣，進而導致接收管的特性曲線發生變化程度不同，而從外部觀測可以近似認為接收管兩端輸出電阻不同，進而經分壓后的電壓就不一樣，就可以將黑白路面區分開來。

2.2.1 紅外傳感器

采用反射式紅外光電管，是路徑檢測常用的方法。這種方法利用了路面不同材料和顏色對光線的吸收和反射量不同，這樣通過檢測反射回來的光線就可以得到當前位置的材料或者顏色。這種方法電路簡單，信號處理速度快，但感知前方賽道距離有限，受外界紅外頻段光線干擾，精度比較低。

2.2.2 激光的原理及特性

激光的英文名為LASER（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），意思是“受激輻射的光放大”，即激光的產生源自于受激輻射。激光主要有四大特性：高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。基于激光的這些特性，本智能車系統采用激光作為傳感器，并確定“八字”排列方式，大大提高智能車感知前方賽道的距離。

圖1 系統整體硬件設計圖

圖2 電源系統圖

圖4 舵機、直流電機PlD控制原理圖

圖3 系統程序流程圖

2.3 電源系統

在智能車設計中，電源關系到整個電路設計的穩定性和可靠性，是電路設計中非常關鍵的一個環節。整個系統由7.2V Ni-cd蓄電池經過穩壓分別給各個模塊供電，電源系統如圖2所示。

2.4 車速檢測模塊

圖5 lAR在線仿真界面圖

在智能汽車設計中，測速傳感器的設計主要有兩種方案：霍爾傳感器和光電式脈沖編碼器。本系統采用光電編碼器進行車速檢測，將采集到的脈沖個數送到PID控制器進行閉環反饋控制。

2.5 舵機

舵機主要由幾個部分構成：外殼、減速齒輪組、電機、電位器、控制電路，簡單的工作原理是控制電路接受信號源的控制信號，并驅動電機轉動。齒輪組將電機的速度成大倍數縮放，并將電機的輸出轉矩放大響應倍數，然后輸出。電位器和齒輪組的末級一起轉動，測量舵機軸轉動角度，電路板檢測并根據電位器判斷舵機轉動角度，然后控制舵機轉動到目標角度或保持在目標角度。在本系統中采用模擬舵機S3010作為搖頭舵機，數字舵機S-D5作為轉向舵機。

2.6 電機驅動

在智能車競賽中，智能車的速度較快，通常達到2m/s以上，因此對電機驅動電流的要求較高，電機驅動電路必不可少。直流驅動電機控制電路主要用來控制直流電動機的轉動方向和轉動速度。PWM信號的占空比決定電機的轉速，故電機的調速可通過改變PWM信號的占空比實現。驅動電路既可以直接采用MC33886、BTS7960B電機驅動芯片，也可以采用大功率MOS管來自行設計電機驅動電路。我們選用了驅動芯片BTS7970B，其為高強度電流的半橋電機驅動芯片，我們利用兩片BTS7970B構成一個完整的全橋驅動，可以很好實現電機的正轉、反轉、剎車制動。

圖6 上位機界面圖

2.7 輔助調試模塊

輔助調試模塊使得調試更為方便，提高了調試的效率。本系統的輔助調試模塊包括：鍵盤、OLED顯示屏、串口、無線通信IRF2401、上位機等。其中鍵盤用于一些參數的設置和選擇，OLED顯示屏用于參數的顯示，串口與上位機進行串口通信用于發送和顯示一些參數，IRF2401進行無線通信。

3.系統機械設計

智能車的機械性能對于其行駛具有非常重要的影響，為使其直線行駛高速穩定，入彎轉向靈活，結合現代汽車控制理論對智能車的運動特性進行分析，并據此對智能小車的機械結構進行相應的調整和參數優化。

3.1 車模重心調整

由于智能車在賽道上行駛追求高速和穩定，重心高度的調整至關重要，重心越低車輛行駛越穩定，尤其是在高速行駛時這點可以體現的非常明顯，所以我們盡量調整使車模的重心調低。

3.2 舵機安裝

智能車的拐彎是舵機通過連桿帶動前輪轉動，實現轉彎。在理想情況下即智能車不發生側滑時，舵機的響應速度越快智能車行駛的速度就越快。我們通過將舵機采用直立式安裝和加長舵機臂，以提高舵機的響應速度。

3.3 光電編碼器安裝

安裝對于齒輪咬合效果好壞有至關重要的影響。首先最關鍵的是編碼器自身要固定牢固；其次要調整好兩個咬合齒輪間的距離：齒輪與齒輪間距離不能太近或太遠，否則會卡齒或滑齒；最后要保持幾個“同心與平行”：齒輪安裝要與軸同心，盡量做到電機軸、編碼器軸兩軸平行；安裝時應使齒輪咬合流暢。

3.4 傳感器安裝

傳感器的安裝位置,關系到信息采集的準確性等各方面因素。傳感器我們采用“搖頭”方案，使巡線更加準確、快速，并盡可能加長傳感器感知前方賽道的距離和降低其重心。

3.5 車模前輪調整

汽車的前輪定位參數包括：前束(角)、外傾角、主銷后傾角、主銷內傾角、推力角、軸距差、輪距差。適當地調整這些參數可以使汽車直線行駛穩定，轉向輕便，轉向后能自動回正，并減少輪胎和轉向系零件的磨損。

4.系統軟件設計

智能車系統的軟件編寫是基于K60P100-SYS單片機，主要用到其中的FTM模塊，PIT模塊、LPTMR模塊、I/O模塊以及UART模塊等模塊化設計。FTM模塊用于產生PWM信號用來控制舵機轉向和電機轉速；LPTMR模塊用于車模速度檢測；I/O模塊主要用于激光管掃描、信息采集及鍵盤輸入等；UART模塊主要用在無線、串口調試模塊。

系統啟動后，單片機進入主函數進行初始化設置，包括端口初始化、PWM初始化、定時器/中斷初始化、OLED顯示屏初始化、串口初始化、無線初始化等；并檢測按鍵進行參數的設置和選擇。進入死循環后，經過一個控制周期（4ms）后計算出車模偏離賽道中心的程度進行PID運算，控制舵機的轉向和直流電機的轉速。中斷函數中（定時500us），主要進行激光的分時點亮和數據采集。當要觀察某些變量實時變化情況時，可以用OLED顯示屏顯示或者通過串口、無線與上位機進行通信，系統程序流程圖如圖3所示。

4.1 激光分時點亮與數據采集

因為我們采用多個激光對應一個接收管的方案，所以激光采用了分時點亮的方式避免相互干擾問題，分時點亮的時間間隔為500us。每個激光照射在黑線時賦予不同的權值，數據采集后進行簡單濾波，綜合左右兩邊激光的權值即可得出車模偏離賽道中心的程度。

4.2 方向控制與直流電機調速

方向控制與電機控制采用典型的PID閉環控制方法。得到車模偏離賽道中心的程度后，通過進行PID控制器運算，控制舵機PWM信號的占空比，改變舵機的轉角。通過車速檢測模塊采集的脈沖個數進行閉環反饋控制，控制直流電機PWM信號的占空比，改變直流電機的轉速。經過舵機和直流電機調整的配合，從而使車模沿著既定的軌道行駛。舵機、直流電機PID控制原理圖如圖4所示。

5.開發、調試工具

5.1 IAR環境功能

Embedded Workbench for ARM 6.10是IAR Systems公司為ARM微處理器開發的一個集成開發環境，比較其他的ARM開發環境，IAR具有入門容易、使用方便和代碼緊湊等特點。IAR中包含一個全軟件的模擬程序（simulator），用戶不需要任何硬件支持就可以模擬各種ARM內核、外部設備甚至中斷的軟件運行環境，從中可以了解和評估IAR的功能和使用方法。

5.2 BDM開發工具

用IAR開發環境進行BDM在線調試可以在線調試車的參數，例如測試采集到的傳感器的狀態時可以很方便的進行更改和調試，IAR在線仿真界面如圖5所示。

5.3 上位機

BDM在線調試存在不足和不便之處，想動態地跟蹤車的各種參數并實時地傳輸給電腦，我們采用的是用無線發送數據給電腦，由上位機進行處理。這很方便我們進行實時地觀看跟蹤。在進行控制速度的調節中，上位機發揮出了很大的優勢，我們對采集到的波形進行分析，不斷調整參數，最終達到了一個較滿意的狀態。圖6為進行直流電機PID調速測試圖。

6.結論

該系統設計合理，既有穩定的電路系統和硬件平臺，軟件設計采用模塊化設計思想，提高了程序可靠性和穩定性，同時通過調整車模機械結構使其配合系統硬件和軟件，使車模達到最優狀態。測試結果表明，該系統控制準確，“自適應”能力強，具有人性化的人機交互界面。該系統可以用于智能控制方面，完成一些自動化操作要求。

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