嵌入式小車循跡控制系統(tǒng)

徐健

(貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息工程分院，貴州 貴陽 550008)

月球車循跡控制模塊總體框圖，如圖1所示（比賽還要完成圖像采集與無線傳輸，這里是其中循跡功能），采用ARM9 芯片S3C2440為主控芯片，通過單片機來控制電機和讀取并處理編碼信息，ARM9 與單片機之間，通過串口通信來控制所輸出的PWM 參數(shù)和讀取單片機處理后的當(dāng)前速度值[1]。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1 硬件設(shè)計

1.1 主控芯片

S3C2440 采用ARM920T的RISC處理器，0.13 μm的CMOS 標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲器單元，ARM920T實現(xiàn)了MMU、AMBA、BUS 和Harvard 高速緩沖體系結(jié)構(gòu)，具有獨立的16KB 指令Cache 和16KB數(shù)據(jù)Cache，同時提供一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)[2]。

1.2 循跡模塊

采取紅外探測法，利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時，發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線，則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)，來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應(yīng)超過15 cm。紅外光的發(fā)送接收，選用型號為RPR220的對管。其循跡模塊如圖2所示。

圖2 循跡電路圖

當(dāng)小車在白色地面行駛時，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號，經(jīng)白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號，那么圖中光敏三極管將導(dǎo)通，比較器輸出為低電平；當(dāng)小車行駛到黑色引導(dǎo)線時，紅外線信號被黑色吸收后，光敏三極管截止，比較器輸出高電平，從而實現(xiàn)了通過紅外線檢測信號的功能。

將檢測到的信號送到單片機I/O 口，當(dāng)I/O 口檢測到的信號為高電平時，表明紅外光被地上的黑色引導(dǎo)線吸收了，表明小車處在黑色的引導(dǎo)線上；同理，當(dāng)I/O 口檢測到的信號為低電平時，表明小車行駛在白色地面上。

此種方法容易受到周圍環(huán)境的影響，對檢測到的信號有一定的影響。為消除其影響，制作好以后，將賽車放置賽道白色區(qū)域，用萬用表讀取白色的信號輸出（大概為1 V 左右），同理，將傳感器放置黑線上，讀取黑點值（大概為4 V 左右）。8個傳感器依次檢測一遍，以確保所有傳感器都工作正常，并根據(jù)實際檢測結(jié)果設(shè)定一個閾值電壓，用以區(qū)分黑白。調(diào)節(jié)電位器，同時檢測比較器上參考電壓的值，使賽車能夠很好地區(qū)分被測物體的黑白（大概為3～4 V）。

2.3 電機驅(qū)動模塊

采用常用的H 橋電機驅(qū)動芯片BD6225 驅(qū)動小車電機，S3C2440 通過串口通信通過單片機產(chǎn)生PWM 波來調(diào)整直流電機的電壓從而控制小車的轉(zhuǎn)速，PWM 由一系列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成，PWM 波的占空比越大，產(chǎn)生的電壓越高，通過其比的變化調(diào)整電機電壓，以致使電流發(fā)生變化從而可以很好地控制電機的轉(zhuǎn)速[3]。

2 軟件設(shè)計

在月球車循跡行走過程中，為了能精確測定黑線位置，并確定小車行走的方向和速度的控制，根據(jù)比賽黑線的寬度，在小車底盤并排裝設(shè)8個紅外探測頭，在電路板制作過程中，根據(jù)實際需要調(diào)整了紅外探測頭之間的距離，使得小車在黑線行駛時確保剛好有2個探頭在黑線上（當(dāng)中間2個探頭在黑線，可以使小車以最快速度向前行走），提高其循跡的可靠性。

小車行走時，為了保證小車始終在8個探頭的其中2個下面，程序設(shè)計過程中，定義了一個數(shù)組

const unsigned char table [7]= {0x3f,0x9f,0xcf,0xe7,0xfc,0xf9,0xf3}，

這個數(shù)組是把小車能在兩個探頭下行駛的情況包含進來，例如：當(dāng)小車處于8個探頭的中間2個行駛時（0xe7），根據(jù)算法使小車行駛速度達到最快；當(dāng)采集到傳感器信號值為0x3f 時，表示小車偏離正中心處于靠右，這時根據(jù)算法不斷調(diào)整小車行走方向和速度，通過不斷的修正，最后使小車處于正中央行駛同時保持最快速度行駛。圖3是循跡程序的流程圖。

圖3 程序流程圖

程序設(shè)計主要用到以下幾個函數(shù)：

read(fd_sensor,&sensorData,sizeof(unsigned char))；讀取傳感器信息

calc_sensor(sensorData,&biasValue,&blackSum)；計算出小車偏移黑線值和在黑線上的傳感器數(shù)目

calc_motor(pMotor_L,biasValue)；根據(jù)目標(biāo)位置做調(diào)整算法

calc_motor(pMotor_R,biasValue)

程序首先通過讀函數(shù)讀取傳感器采集到的信息，根據(jù)傳感器參數(shù)計算出小車方向，小車偏移的黑線值和在黑線上的傳感器數(shù)目，通過這些信息計算出小車的行駛方向，通過調(diào)整算法使小車以最快的速度行駛在準(zhǔn)確的方向上。

3 結(jié)束語

比賽結(jié)果表明本設(shè)計具有結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)等的特點。小車能按照控制要求平穩(wěn)快速的循黑色軌跡運行。

[1]徐 瑋，沈建良.單片機快速入門[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[2]馬忠梅.ARM&Linux 嵌入式系統(tǒng)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[3]張黃鵬.智能循跡小車的研究[J].科技向?qū)В?011，（32）：116-117.