基于MSP430F5529單片機(jī)的坡面行駛小車設(shè)計

李青蔚， 朱宇， 趙晟楠， 李玉杰

(南開大學(xué)濱海學(xué)院，電子科學(xué)系， 天津 300270)

0 引言

當(dāng)前的智能小車具有的多是基于水平面上的控制功能，如遙控行駛、循跡、避障等基礎(chǔ)功能[1]，由于車體重量的豎直與水平分量、車胎的抓地力、電機(jī)的扭力限制等原因，其不足之處在于當(dāng)行駛平面不再與地面水平，隨著坡度的加大，極易發(fā)生車體打滑難以控制、爬坡困難甚至翻車的問題。

因此，為解決智能小車在坡面行駛困難的問題，本文介紹了一套具有良好坡面行駛能力且兼具智能尋跡、速度監(jiān)測功能的軟硬件結(jié)合的小車控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對現(xiàn)有智能小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)、軟硬件結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計與調(diào)整，改善了在實際應(yīng)用場景中智能小車坡面行駛的表現(xiàn)，結(jié)合對單片機(jī)的具體控制完善了智能小車的尋跡與測速功能。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)主要完成的是智能小車的坡面行駛、實時測速與智能循跡功能。系統(tǒng)采用了MSP430F5529單片機(jī)作為主控芯片，通過光電傳感器監(jiān)測黑白路線,利用PID算法達(dá)到較為精確的路線選擇，直射式光電傳感器監(jiān)測車輪前輪轉(zhuǎn)速以便于對后車輪的轉(zhuǎn)速的控制[2]，使用較為輕便的OLED屏顯示車速。同時通過一個單獨的驅(qū)動模塊帶動安裝有扇葉的電機(jī)構(gòu)成負(fù)壓系統(tǒng)，產(chǎn)生下壓風(fēng)力，確保小車在具有一定坡度的場地的行駛過程中可以獲得足夠的抓地能力，從而保證小車在坡面上行駛時的車體狀態(tài)，進(jìn)而使小車的循跡功能正常執(zhí)行[3]。當(dāng)紅外對管檢測到停車標(biāo)記線后停車并觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出停車警報。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 齒輪式差速器

本系統(tǒng)于小車前輪仿照二驅(qū)汽車采用齒輪式差速器[4]來保證車體可以進(jìn)行流暢的轉(zhuǎn)向，且這樣的設(shè)計可以減小小車的轉(zhuǎn)向半徑。

直行時，左右車輪所受阻力相當(dāng)，行星齒輪只進(jìn)行公轉(zhuǎn),不會自轉(zhuǎn)；當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時，內(nèi)側(cè)車輪會受到更大的阻力，由于兩側(cè)半軸受力不同，中間的行星齒輪將開始自轉(zhuǎn)，使兩側(cè)半軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，即外側(cè)車輪轉(zhuǎn)速大于內(nèi)側(cè)[5-6]。這樣一來小車轉(zhuǎn)向時由于兩側(cè)速度差造成的轉(zhuǎn)向困難問題就得到了較好的解決。齒輪式差速器結(jié)構(gòu)[7]原理如圖2所示。

圖2 齒輪式差速器結(jié)構(gòu)

輸出給轉(zhuǎn)的快慢不同的左右兩側(cè)半軸齒輪的轉(zhuǎn)矩為

M1=0.5M0(1-K)

M2=0.5M0(1+K)

(1)

輸出到低速半軸的轉(zhuǎn)矩與輸出到高速半軸的轉(zhuǎn)矩之比Kb為

2.組內(nèi)教研。在備課組長的引領(lǐng)和指導(dǎo)下，以小組為單位開展組內(nèi)教研活動，其間深入各組進(jìn)行分段培訓(xùn)，再在組內(nèi)上研討課。

(2)

據(jù)此為小車差速器選擇合適的齒輪與轉(zhuǎn)矩，以使整個系統(tǒng)的機(jī)械運行更為流暢。

2.2 負(fù)壓系統(tǒng)

本系統(tǒng)于小車的中部安裝風(fēng)輪扇葉，為小車構(gòu)建簡單的負(fù)壓系統(tǒng)。對小車在坡面的狀態(tài)進(jìn)行受力分析：

FN=Gcosθ+F扇f=μFN

(3)

可知若欲使小車在坡面上的摩擦力加大，可以選擇增大葉片帶給整個系統(tǒng)的垂直于坡面的壓力F扇，小車爬坡時的側(cè)面重力分析示意圖如圖3所示。

圖3 小車在傾斜平面的受力分析

根據(jù)空氣動力學(xué)原理在風(fēng)扇軸向可產(chǎn)生推力F扇，對于F扇有如下推導(dǎo)[8]。

記V為流經(jīng)風(fēng)輪的風(fēng)速，V1為進(jìn)入風(fēng)輪前的風(fēng)速，V2為流出風(fēng)輪的風(fēng)速 ，ρ為空氣密度，a為軸向誘導(dǎo)因子，m為流經(jīng)風(fēng)輪的空氣質(zhì)量，A為風(fēng)輪平面面積：

(4)

由于

F扇=m(V1-V2)

(5)

可推出

(6)

根據(jù)動量—葉素理論[9]，風(fēng)輪平面dr圓環(huán)上的軸向推力為

(7)

式中,B為葉片數(shù)，c為葉素剖面弦長，Cn葉輪平面法向力系數(shù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 整體設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件部分主要由主控單片機(jī)MSP430F5529、L298N驅(qū)動模塊、減速電機(jī)、下壓風(fēng)扇、光電測速模塊和OLED顯示屏組成，并在車頭部位安裝三組光電對管來完成對循跡路線的校正。車體大致結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 車體結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 模塊選擇方案

在硬件模塊的具體選擇上以常用模塊、小尺寸、低功耗、低重量為標(biāo)準(zhǔn)，主控模塊選用具有超低功耗的由TI公司出品的MSP430F5529單片機(jī)。

在驅(qū)動模塊的選擇上，采用現(xiàn)有智能小車中最常見的L298N模塊來驅(qū)動后輪的減速電機(jī)。L298N模塊是H橋集成電路，其輸入端可以直接與單片機(jī)相聯(lián)。通過改變輸入端的電平，直接控制電機(jī)，實現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。直流電機(jī)的兩端接在L298N模塊的OUT1和OUT2口，使能端ENA、ENB為高電平時有效。通過IN1、IN2與電機(jī)兩極的接法，確定電機(jī)轉(zhuǎn)動方向；通過對使能端輸入不同的PWM脈沖，實現(xiàn)具體速度的調(diào)節(jié)。使能信號為0，使得電機(jī)處于自由停止?fàn)顟B(tài)；使能信號為1且IN1和IN2為00或者11，使得電機(jī)處于制動狀態(tài)。L298N原理圖如圖5所示。

圖5 L298N驅(qū)動模塊原理圖

在前輪安裝直射式光電傳感器與碼盤結(jié)合測定小車左右輪的行進(jìn)速度，以便在OLED屏上進(jìn)行顯示。

碼盤位于電機(jī)的傳動軸上，當(dāng)電機(jī)運行時碼盤隨之轉(zhuǎn)動。由于碼盤的過孔之間存在鋁盤的遮擋，光電管接收端將得到一系列的脈沖信號。通過單片機(jī)對脈沖信號間隔的計算處理，可得到小車的實時車速。記小車速度為V，時間間隔為T，小車前進(jìn)距離為S，碼盤過孔數(shù)為n，車輪半徑為r，車速的計算公式為

(8)

同時本系統(tǒng)選用光電對管讀取返回值以便利用PID算法對小車行進(jìn)路線進(jìn)行較為精確地矯正。將3對光電對管，對照規(guī)定路線的寬度安裝于車頭部位(注意盡量避免光電對管間的相互干擾)，調(diào)整光電對管的安裝高度保證測量的精度。光電對管接受路面反射的光產(chǎn)生參數(shù)，同時測量并設(shè)定路徑中心參考值以便于對后輪電機(jī)速度調(diào)控，即時修正行進(jìn)路線。光電傳感器與碼盤結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 光電傳感器與碼盤結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

小車開始運行前，根據(jù)坡度大小以不同的次數(shù)按下調(diào)節(jié)按鍵，設(shè)定負(fù)壓系統(tǒng)以不同的轉(zhuǎn)速啟動，為小車提供適當(dāng)?shù)膲毫Α０聪聠影存I，小車開始執(zhí)行尋跡程序。位于小車前端的光電對管對地進(jìn)行實時掃描，給單片機(jī)提供返回值，通過PID計算判斷小車行進(jìn)路線是否偏差。進(jìn)而由單片機(jī)產(chǎn)生占空比不同的PWM波輸入L298N來對小車后輪速度進(jìn)行即時調(diào)整，改變小車運動軌跡，不斷重復(fù)以上步驟直到前端光電對管檢測到停車標(biāo)記線后停車并觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出停車警報。在小車運行的同時，根據(jù)前輪讀取到的脈沖信號計算實時車速并反饋給LCD屏進(jìn)行顯示。系統(tǒng)邏輯示意圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)邏輯示意圖

5 測試結(jié)果

在具有穩(wěn)定光源的實驗室環(huán)境中，我們通過對其他變量的控制，對系統(tǒng)的具體性能進(jìn)行了檢測。

實驗一 當(dāng)坡面角度改變時測試結(jié)果如表1所示。

表1 小車在不同坡度行駛測試結(jié)果

實驗二 對差速器使用前后的效果進(jìn)行對比，測試結(jié)果如表2所示。

表2 有無使用差速器測試結(jié)果

實驗三 對PID算法的使用效果進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 使用不同算法在不同坡度誤差測試結(jié)果

6 總結(jié)

本文根據(jù)當(dāng)前傳統(tǒng)智能小車在坡面行駛時車體打滑、爬坡困難等問題，基于MSP430F5529單片機(jī)提出了一套具有良好坡面行駛能力且兼具智能尋跡、速度監(jiān)測功能的軟硬件結(jié)合的小車控制系統(tǒng)。我們采用了負(fù)壓裝置、齒輪差速器等技術(shù)，改善了其坡面行駛能力。通過光電傳感器、PID算法對小車行進(jìn)軌跡進(jìn)行實時調(diào)控，與此同時由于齒輪差速器技術(shù)的使用使得小車能夠進(jìn)行更為流暢的轉(zhuǎn)彎動作。最終，小車可以實現(xiàn)在不同坡度上的循線行駛，擁有較強的爬坡能力，在高坡度平面也能穩(wěn)定行駛及制動，同時具有循跡與OLED顯示車速的功能。

圖8 不同占空比的波形圖