智能小車自動尋跡系統(tǒng)設(shè)計

袁 野，沈 斌，陳榮灣

（溫州大學 機電工程學院，浙江 溫州 325035）

隨著智能交通系統(tǒng)研究的深入，小車的智能控制已成為未來發(fā)展趨勢。智能車控制系統(tǒng)綜合了傳感器、自動控制、信號處理及微機控制等多學科知識的交叉融合，為智能搬運小車，無人駕駛汽車等技術(shù)領(lǐng)域的研究提供技支撐。

文章的研究背景針對小車在白色賽道沿著黑色引導線快速行駛。系統(tǒng)通過光電傳感器采集路面信息,測量當前位置與目標位置之間的誤差,通過PID環(huán)路控制，達到小車按照預定位置行駛的功能。

1 智能車系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能車系統(tǒng)從傳感器接收、單片機判斷到執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行的整個過程,如圖1所示。系統(tǒng)主要包括:MCU主控模塊、光電傳感器模塊、速度檢測模塊、舵機控制模塊及電機驅(qū)動模塊。MCU是系統(tǒng)的核心部分,負責接收光電傳感器信號、小車速度等反饋信息,并對這些信息進行處理,執(zhí)行PID控制算法對舵機和驅(qū)動電機進行控制；路徑識別模塊由A/D轉(zhuǎn)換模塊、相應電路以及光電傳感器組成,其功能是獲取前方路況的信息。

圖1 系統(tǒng)主功能框圖

（1）光電傳感器模塊。路徑檢測電路由紅外發(fā)射管和紅外接收管組成。紅外發(fā)射管用場效應管IRF120驅(qū)動，由MCU控制場效應管的通斷。場效應管導通時，電源加在紅外發(fā)射管上，發(fā)射管發(fā)射紅外線；場效應管截至時，發(fā)射管停止發(fā)射紅外線。

通過紅外接收管和電阻串聯(lián)，組成分壓電路來測量路面信息，電路如圖2所示。光電管的布局采用“一”字等間距式排列，傳感器前面加有彈性的塑性的保護條，保護光電管，以及調(diào)試過程中，防止智能車跑出軌道后與其他物體發(fā)生碰撞損壞，重要的是可以減少太陽光照對傳感器的影響。

圖2 紅外傳感器路徑檢測電路

紅外傳感器的原理是：路徑軌跡由黑線指示,落在黑線區(qū)域內(nèi)的光電二極管接收到的反射光線強度與白色區(qū)域的不同。在白色區(qū)域內(nèi),光電接收管導通,OUT為低電平。在黑色區(qū)域內(nèi),光電接收管截止,OUT為高電平。根據(jù)檢測到的高低電平可以判斷行小車的位置偏差量。為了增加判斷時間,采用脈沖發(fā)射紅外線的方法,以提高發(fā)射管的電流,讓發(fā)射管照射更遠的距離。

（2）車速檢測模塊。采用霍爾傳感器作為速度傳感器。在后輪輸出齒輪軸上附近固定一個霍爾傳感器633，如圖3所示。633有3個引腳，其中2個電源和地，第3個是輸出信號。只要通過一個上拉電阻接至5V電壓，就可以形成開關(guān)脈沖信號，然后通過對應的算式可以將脈沖信號轉(zhuǎn)化為速度信號。

圖3 霍爾傳感器接口及原理圖

（3）舵機控制模塊。舵機是一種位置伺服驅(qū)動器,采用PWM控制方式。為提高舵機控制精度，本系統(tǒng)采用單片機的PWM0、PWM1兩路8位PWM通道組成一路 16位的PWM。如果只使用單個PWM通道,精度只有1/255,舵機的轉(zhuǎn)向角細分精度不能滿足轉(zhuǎn)向需要。將兩個8位的PWM通道合并為16位,提供的精度就可以達到1/65536,大大提高了控制精度。通過測量目標位置與實際位置誤差,并執(zhí)行PID控制算法得到舵機轉(zhuǎn)向控制量,實現(xiàn)小車位置的控制。

PID控制中，積分環(huán)節(jié)消除穩(wěn)態(tài)誤差，但會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。智能車控制器由于對動態(tài)特性要求較高，因此在實際設(shè)計系統(tǒng)的時候，可以適當?shù)販p小積分環(huán)節(jié)的作用，增大比例、微分環(huán)節(jié)的作用，控制流程如圖4所示。

圖4 舵機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

舵機控制量公式：

其中：xk為第k次偏差，xk-1為第k-1次的偏差，yk為第k次輸出，yk-1為第k-1次輸出。

（4）電機驅(qū)動模塊。電機驅(qū)動芯片采用MC33886，單片MC33886在工作時過載較嚴重，為了減小溫升過高，采用2片并聯(lián)驅(qū)動方式，如圖5所示。

圖5 電機驅(qū)動電路原理圖

2 智能車的軟件設(shè)計

智能車的控制是根據(jù)路徑識別和車速檢測所獲得的當前路徑和車速信息,控制舵機和驅(qū)動電機動作,從而調(diào)整智能車的行駛方向和速度，程序流程如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計流程圖

3 結(jié)語

文章提出了一自主尋跡的智能車控制系統(tǒng)。以單片機做主控制器,直流電機作執(zhí)行元件,完成了智能車的硬件及軟件設(shè)計。實驗結(jié)果表明該智能車能平穩(wěn)地按照任意給定的路徑引導線行駛,具有控制響應速度快、穩(wěn)定性好,并具有較強的抗干擾能力。

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