基于單片機(jī)的電磁循跡智能車系統(tǒng)的設(shè)計

秦磊 王佳宇 黃名揚(yáng) 吳定會

摘 要：以MC9S12XS128單片機(jī)作為核心控制單元，設(shè)計一種電磁循跡智能車系統(tǒng)。重點(diǎn)闡述硬件電路的設(shè)計，包括微型處理器控制模塊、電源模塊、電磁傳感模塊、舵機(jī)控制模塊、電機(jī)控制模塊、速度檢測模塊和調(diào)試模塊。針對電磁循跡智能車系統(tǒng)的特點(diǎn)，分別采用開環(huán)控制算法和PID控制算法，實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)和電機(jī)的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該智能車系統(tǒng)自主尋跡能力穩(wěn)定且可靠。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；智能車；自動循跡；電磁傳感

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）07-0-03

0 引 言

工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要人員沿著規(guī)定的路線日復(fù)一日的流水式工作，這種工作會使人產(chǎn)生厭煩心理，導(dǎo)致其在作業(yè)過程中不專心，存在隱藏的危險；其次則是一些環(huán)境較惡劣的工作場所易導(dǎo)致工人反感[1]。如今市場上已經(jīng)有一些用來替代人工的車型機(jī)器人，通過自動識別技術(shù)，在預(yù)設(shè)的線路上進(jìn)行附加作業(yè)，可以解放人力物力。這些工作都可以依附于電磁線和電磁循跡智能車來實(shí)施。

隨著科技的發(fā)展，智能出行、智能電器、智能交通[2]等智能技術(shù)的應(yīng)用大大促進(jìn)了中國的飛速發(fā)展[3]。相對現(xiàn)有其他基于光線或影像的循跡技術(shù)，電磁循跡的最大優(yōu)勢在于受到晝夜以及天氣等因素影響較小，對外界因素的抗干擾能力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于基于光線或影像的循跡方式[4]。因此傳統(tǒng)基于光線或影像的循跡智能車已經(jīng)不能滿足客戶的需求，憑借電磁技術(shù)的優(yōu)勢研發(fā)出一種節(jié)能環(huán)保、硬件簡單、數(shù)據(jù)流量小且更加穩(wěn)定的循跡智能車，最終實(shí)現(xiàn)自動化作業(yè)模式[5]已是大勢所趨。

如何用更智能的小車代替人工完成流水式工作成為一個重要課題，設(shè)計涉及電磁感應(yīng)、計算機(jī)控制、機(jī)械及車輛工程等領(lǐng)域。本文綜合考慮成本和精確控制，設(shè)計一種電磁循跡智能車系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MC9S12XS128單片機(jī)作為微處理器，硬件部分主要包括微型處理器控制模塊、電磁傳感模塊、電源模塊、舵機(jī)控制模塊、電機(jī)控制模塊、速度檢測模塊和調(diào)試模塊，算法程序主要包括運(yùn)用開環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)的控制，運(yùn)用PID算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制，最終實(shí)現(xiàn)在電磁線路上自動循跡，完成人工危險度高或可靠性較弱的附加作業(yè)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電磁循跡智能車是在電磁循跡的基礎(chǔ)上，依靠算法控制的一種循跡車。根據(jù)設(shè)計與功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括七個模塊，即微型處理器控制模塊、電源模塊、電磁傳感模塊、舵機(jī)控制模塊、電機(jī)控制模塊、速度檢測模塊和調(diào)試模塊。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)電磁傳感模塊對通電閉合銅導(dǎo)線產(chǎn)生感應(yīng)電勢時，通過運(yùn)放芯片將放大后的電平信號輸入給微型處理器控制模塊。經(jīng)過處理后形成PWM波輸入給舵機(jī)控制模塊，進(jìn)而控制舵機(jī)帶動前輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向；同時微型處理器控制模塊形成的另兩路PWM波輸入給電機(jī)控制模塊，進(jìn)而控制電機(jī)帶動后輪轉(zhuǎn)動。微型處理器控制模塊還另有接口連接速度檢測模塊，實(shí)現(xiàn)速度PID閉環(huán)控制。調(diào)試模塊能實(shí)時顯示并調(diào)整智能車的各項(xiàng)參數(shù)。

2 硬件電路設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所述，該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計主要分為微型處理器控制模塊、電磁傳感模塊、電源模塊、舵機(jī)控制模塊、電機(jī)控制模塊、速度檢測模塊和調(diào)試模塊。

2.1 微型處理器控制模塊

MC9S12XS128是16位單片機(jī)，其核心板I/O端口分配為：PB0～PB7連接給調(diào)試模塊中的矩陣鍵盤，PJ0，PJ1，PJ6，PJ7連接給調(diào)試模塊的OLED顯示屏，PB0～PB1連接至調(diào)試模塊的矩陣鍵盤，A1連接給速度檢測模塊，PP0與PP1經(jīng)過74LS244芯片形成兩路PWM波連接給電機(jī)控制模塊，PP5與PP6經(jīng)過74LS244芯片形成一路PWM波連接給舵機(jī)控制模塊，OUTPUT1～OUTPUT6連接給電磁傳感模塊[6]。

2.2 電磁傳感模塊

電磁傳感器模塊主要包括感應(yīng)、選頻、放大和檢波四部分。本文中，在智能車行進(jìn)路線中心通設(shè)一條引導(dǎo)線，導(dǎo)線中通100 mA，20 kHz 的交變電流。首先感應(yīng)環(huán)節(jié)選用8×10 mH 簡單、成本低、體積小、靈敏度高且抗干擾能力強(qiáng)的工字電感，在100 mA直導(dǎo)線電路中，其在一定高度能檢測的峰峰值約為48 mV，能很好地滿足感應(yīng)交變電流產(chǎn)生交變磁場的要求。其次選頻主要是為了過濾其他頻率的干擾信號，根據(jù)LC諧振并聯(lián)公式計算，本文采用6.8 nF的電容與電感組成 LC并聯(lián)諧振電路。再者由于電感感應(yīng)電動勢的量級為毫伏級別，不能被單片機(jī)所識別，所以需要經(jīng)過放大處理，放大電路由運(yùn)放芯片TLV2772與電位器構(gòu)成。最后為了能檢出波動信號中的有用信號，檢波電路采用小信號檢波的肖特基二極管SS14，便于獲得正比于交流線圈感應(yīng)電壓值的直流信號，也便于單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換[7]。

其中LC并聯(lián)電路分布采用四個對稱

“一”字電感與兩個對稱“八”字電感，分別與電容并聯(lián)，安裝于車體的前瞻，示意圖如圖2

所示。每一個LC并聯(lián)電路一頭連接地，一頭引出給選頻、放大與檢波電路作為INPUT。

與LC并聯(lián)電路相連的選頻、放大與檢波電路如圖3所示，共用到3組選頻、放大與檢波電路，6路信號每2路共用一個選頻、放大與檢波電路。

2.3 電源模塊

電源模塊貫穿于整個系統(tǒng)，系統(tǒng)中需要有+5 V與+12 V電壓供給。電源模塊的設(shè)計直接能決定整個系統(tǒng)，因此不僅需要考慮電壓穩(wěn)伏、電流容量等參數(shù)，也要注意DC-DC轉(zhuǎn)換效率，降低噪聲防止干擾[8]。出于節(jié)能要求，本文選用4個串聯(lián)大電容作為電池。

首先，驅(qū)動控制模塊需要+12 V電源供給，本文選用B0512S-1W的DC-DC電源模塊，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、效率高，無需外加電路，隔離性能好。

其次，處理器控制模塊、電磁傳感模塊、舵機(jī)控制模塊等需要+5 V電壓供給。因?yàn)槌夒娙莩浞烹姾芸欤覀儾捎肨PS630701穩(wěn)壓芯片，其具有低靜態(tài)電流的高效降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，適用于輸入電壓可能高于或低于輸出電壓的應(yīng)用。在升壓或降壓模式下，輸出電流高達(dá)2 A，其穩(wěn)壓電路如圖4所示。

2.4 舵機(jī)控制模塊

由微型處理器控制模塊單片機(jī)生成PP5與PP6經(jīng)過74LS244芯片形成一路PWM波連接給舵機(jī)控制模塊，舵機(jī)三根線分別連接地、+5 V和PWM。

2.5 電機(jī)控制模塊

由微型處理器控制模塊單片機(jī)生成PP0與PP1經(jīng)過74LS244芯片形成兩路PWM波，與+12 V，+5 V和地一起連接給電機(jī)控制模塊，驅(qū)動電路是由2片IR2104芯片構(gòu)成的H橋式驅(qū)動電路[9]，其形成兩路驅(qū)動電流給電機(jī)模塊驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)動。H橋式驅(qū)動電路如圖5所示。

2.6 速度檢測模塊

要實(shí)現(xiàn)對速度量的閉環(huán)控制，就需要實(shí)時采集并反饋智能車的速度信息。本系統(tǒng)選用E6A2-CW3C歐姆龍500線編碼器來測量車速，具有A，B雙相，編碼器轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生500個脈沖，其精度高、反應(yīng)快，且能正反測轉(zhuǎn)速[10]，接線圖如圖6所示。

2.7 調(diào)試模塊

調(diào)試模塊主要由參數(shù)顯示和參數(shù)調(diào)整部分組成[11]，其中參數(shù)顯示部分采用OLED顯示屏來顯示所要參數(shù)，參數(shù)調(diào)整部分采用矩陣鍵盤。OLED接線圖與矩陣鍵盤接線圖如圖7所示。

3 算法程序設(shè)計

從本文硬件電路設(shè)計來看，該系統(tǒng)通過MC9S12XS128單片機(jī)提供的PWM調(diào)制信號實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)與電機(jī)的控制。因此算法程序的設(shè)計也主要包括舵機(jī)控制算法與電機(jī)控制算法兩部分[12]。

3.1 舵機(jī)控制算法

在該系統(tǒng)中，舵機(jī)采用開環(huán)控制。首先在鋪有交流電的跑道上，確定其中線與左右的極限位置，然后在行進(jìn)過程中，通過判斷智能車與中線偏離的相對位置，來決定舵機(jī)轉(zhuǎn)向的角度。在電磁傳感算法設(shè)計中，“差比和”算法（即用2個電感數(shù)據(jù)的差除以它們的和）作為一種簡單易用的定位算法，適合對歸一化的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在實(shí)際行進(jìn)中發(fā)現(xiàn)由于傳感器前瞻較長，傳感器容易出現(xiàn)丟線的情況，所以對此類特殊情況要單獨(dú)處理[13]。舵機(jī)控制算法流程如圖8所示。

3.2 電機(jī)控制算法

在該系統(tǒng)中，本項(xiàng)目采用經(jīng)典的PID算法實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的閉環(huán)控制。PID控制即比例、積分、微分控制，是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制方法。本文通過對編碼器測得的偏差計算其相應(yīng)的比例、積分、微分的值，并進(jìn)行線性組合實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制[14]。在實(shí)際調(diào)整中發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增大比例系數(shù)可以減小調(diào)節(jié)時間，但容易引起較大的震蕩，車速不穩(wěn)定；而適當(dāng)增大微分系數(shù)可以減小震蕩，但會使上升至穩(wěn)態(tài)的時間加長。在經(jīng)過多次調(diào)整后，最后得出一套適合直道和彎道的PID參數(shù)。其算法流程如圖9所示。

4 結(jié) 語

本文主要針對電磁循跡智能車的硬件電路設(shè)計和算法程序設(shè)計進(jìn)行研究，以電磁傳感作為循跡方式，采用歸一化與“差比和”策略對舵機(jī)實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，采用傳統(tǒng)PID控制對電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，最終使其能運(yùn)行在電磁線路上并參加各種作業(yè)。通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，硬件電路設(shè)計配合相關(guān)算法程序能達(dá)到預(yù)期效果，智能車行駛平穩(wěn)，性能可靠。

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