基于K60智能循跡小車的設(shè)計(jì)

楊睿琬+何志琴

【摘 要】隨著當(dāng)今世界的發(fā)展，智能化已成為主流趨勢(shì)。智能設(shè)備能夠在非人為 干擾因素下完成預(yù)設(shè)好的任務(wù)。智能小車就是其中一個(gè)主要的體現(xiàn)。它可以在特定的環(huán)境下，通過(guò)識(shí)別標(biāo)志物以及預(yù)先設(shè)定好的流程來(lái)完成目標(biāo)任務(wù)。也可以協(xié)助工作人員來(lái)更加高效的完成任務(wù)。而且我們可以通過(guò)用計(jì)算機(jī)來(lái)使它更加精確的完成任務(wù)。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)采集；PID控制；智能車

【Abstract】With the development of the world today， intelligent has become the mainstream trend. Intelligent equipment can be in the non-human interference factors to complete the preset tasks. Intelligent car is one of the main embodiment. It can be in a particular environment， through the identification of markers and a preset process to complete the target task. But also to assist the staff to more efficiently complete the task. And we can use computers to make it more accurate to complete the task.

【Key words】Data collection； PID control； Intelligent car

0 引言

智能車輛能夠通過(guò)自身的傳感器來(lái)感知小車外部的環(huán)境以及自身的狀態(tài)。智能小車運(yùn)用了包括自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、圖像處理、PID控制算法等在內(nèi)的多種高新技術(shù)，完成了理論知識(shí)的完美融合。近年來(lái)，智能車已經(jīng)成為自動(dòng)化專業(yè)的寵兒，從舉辦十多屆的智能車競(jìng)賽就可以看出。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的主控電路以及驅(qū)動(dòng)電路都是由Altium Designer6.9來(lái)設(shè)計(jì)的。原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、PCB繪制編輯、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等功能都是在該軟件中完成。

1.1 電源模塊

該系統(tǒng)我們采用了7.2V的蓄電池來(lái)供電，利用TPS7333、TPS7350、MIC29302、ASM1117四種穩(wěn)壓芯片來(lái)構(gòu)成穩(wěn)壓電路。第一路通過(guò)TPS7333降壓到3.3V用來(lái)給單片機(jī)單獨(dú)供電；第二路通過(guò)TPS7350降壓到5V用來(lái)給編碼器以及CCD供電；第三路通過(guò)MIC29302芯片降壓到6.2V用來(lái)給舵機(jī)模塊單獨(dú)供電；第四路通過(guò)ASM1117降壓到3.3V用來(lái)給顯示屏以及撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)供電。用這樣多塊穩(wěn)壓芯片的目的是為了達(dá)到每個(gè)模塊都能得到穩(wěn)定電壓的目的。

1.2 CCD采集模塊

該系統(tǒng)的傳感器我們主要采用的是藍(lán)宙三代TSL1401CL線陣CCD，該傳感器的驅(qū)動(dòng)程序主要是用單片機(jī)控制CLK以及SI兩個(gè)引腳按照特定的時(shí)序發(fā)出方波信號(hào)，AO引腳就會(huì)依次輸出128個(gè)像素點(diǎn)的模擬信號(hào)。

采集原理是通過(guò)中斷對(duì)賽道信號(hào)進(jìn)行采集，主程序在采集完行的128個(gè)相素點(diǎn)后來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取及當(dāng)前黑線提取。其中，主程序主要完成的任務(wù)是：?jiǎn)纹瑱C(jī)初始化、CCD寄存器初始化、參數(shù)設(shè)置、黑線提取、舵機(jī)控制算法；PIT 5ms中斷服務(wù)程序完成速度的檢測(cè)以及速度的控制。

1.3 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是由舵盤、齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、控制電路板等構(gòu)成。舵機(jī)的工作原理是脈寬信號(hào)給定參考位置，舵機(jī)內(nèi)部電路通過(guò)反饋控制調(diào)節(jié)舵盤角位。舵盤角位是由PWM控制信號(hào)的脈寬來(lái)決定的。

舵機(jī)的控制方法主要是通過(guò)調(diào)節(jié)脈寬來(lái)控制舵機(jī)的角度。采用位置式PID

其中P數(shù)采用的是動(dòng)態(tài)的，D參數(shù)采用的是靜態(tài)的，動(dòng)態(tài)P參數(shù)采用的是二次函數(shù)。

1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

該系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要采用的增量式PID控制

電機(jī)驅(qū)動(dòng)速度的基本思想是直道加速、彎道減速，這樣可以使得加減速變化的更為平滑。該系統(tǒng)車模采用的是雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，我們?yōu)榱私鉀Q差速問(wèn)題采用了控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，，使其滿足阿克曼模型的要求。

阿克曼理論轉(zhuǎn)向特性，是以汽車前輪行駛過(guò)程中無(wú)側(cè)向力為假設(shè)條件的。該轉(zhuǎn)向特性的特點(diǎn)為：（1）汽車直線行駛時(shí)，4個(gè)車輪的軸線都互相平行，而且垂直于汽車縱向中心面；（2）汽車在轉(zhuǎn)向行駛過(guò)程中，全部車輪都必須繞一個(gè)瞬時(shí)中心點(diǎn)做圓周滾動(dòng)，而且前內(nèi)輪與前外輪的轉(zhuǎn)角應(yīng)滿足下面關(guān)系式：

根據(jù)其幾何關(guān)系，最后推出：

其中V是根據(jù)黑線判斷的速度，V_left為左電機(jī)速度，V_right為右電機(jī)速度，a、k為轉(zhuǎn)彎系數(shù)。

這樣就可以基本實(shí)現(xiàn)兩輪差速，公式中可以通過(guò)調(diào)節(jié)a來(lái)改變差速的大小，通過(guò)增加k的值可以在入彎時(shí)提前差速，反之，則相反。

2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。是在IAR7.3編譯環(huán)境下進(jìn)行編譯的。在CCD控制系統(tǒng)的軟件中，程序的主流程是通過(guò)行中斷對(duì)賽道信號(hào)進(jìn)行采集，主程序通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的采集完成對(duì)黑線的提取。其中，主程序主要完成的任務(wù)是單片機(jī)初始化、傳感器寄存器初始化、參數(shù)設(shè)置、黑線提取、舵機(jī)控制算法；PIT 5ms中斷服務(wù)程序完成速度的檢測(cè)以及速度的控制。

3 結(jié)語(yǔ)

智能循跡小車的設(shè)計(jì)涉及了很多學(xué)科的內(nèi)容，它集中運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代傳感、信息融合、通訊、人工智能及其自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。對(duì)智能小車的研究加深，有利于技術(shù)的實(shí)時(shí)更新，跟上國(guó)際化潮流。

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