劉紅蕾,張鍵洋,郝 寧,周立超,許雪梅

摘 要:為使傳統(tǒng)智能車在環(huán)境改變時做出更為及時的響應(yīng),設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種基于μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)的智能尋跡模型車。采用高性能、低功耗的AVR系列8位ATmega 16單片機(jī)為核心控制單元。在程序設(shè)計時應(yīng)用μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)。采用紅外探測法,根據(jù)單片機(jī)是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置,由單片機(jī)控制進(jìn)行PWM變頻調(diào)速,實(shí)現(xiàn)小車沿黑線行駛。該智能車定位準(zhǔn)確,系統(tǒng)響應(yīng)快且穩(wěn)定,證明了μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞:智能車;μC/OS-Ⅱ系統(tǒng);路徑識別;脈沖寬度調(diào)制;AVR單片機(jī)

中圖分類號:TP368.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)20-023-03

Design and Implementation of Intelligent-searching Track Car Model Based on μC/OS-Ⅱ System

LIU Honglei,ZHANG Jianyang,HAO Ning,ZHOU Lichao,XU Xuemei

(School of Physics Science and Technology,Central South University,Changsha,410083,China)

Abstract:To enable the traditional intelligent car to make more timely response while the environment changes,an intelligent-searching track car model based on μC/OS-Ⅱ system is designed and implemented.The intelligent car system uses the AVR series 8 b single chip which has low power and high performance as its control micro-processor.The μC/OS-Ⅱ system is used for designing program.With infrared detection method,according to whether the single chip microcomputer has received reflected infrared light,the intelligent car determines location of the black line,then it can track the black-guide line automatically by single chip PWM control.This intelligent car can locate accurately and the system can response fast and stably,therefore,it proves superiority of the μC/OS-Ⅱ system.

Keywords:intelligent car;μC/OS operating system;lane detection;PWM control;AVR single chip microcomputer

0 引 言

智能車輛是當(dāng)今車輛工程領(lǐng)域研究的前沿,它體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動控制、計算機(jī)等多個學(xué)科領(lǐng)域理論技術(shù)的交叉和綜合,是未來汽車發(fā)展的趨勢。以往智能小車在軟件設(shè)計上多采用單程序控制,不利于智能車在外部環(huán)境改變時做出快速反應(yīng),為使智能車系統(tǒng)反應(yīng)更為快速,該智能車應(yīng)用μC/OS-Ⅱ系統(tǒng),該系統(tǒng)適合小型控制系統(tǒng),具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時性能優(yōu)良等特點(diǎn)。且選用功耗較低、資源更為豐富的AVR系列ATmega16單片機(jī)作為核心控制單元。

采用紅外探測法實(shí)現(xiàn)尋跡功能,即將紅外光電傳感器固定在底盤前沿,利用其在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn),在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光,單片機(jī)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。并在后輪上粘上均勻分布的黑白條紋,根據(jù)光電反射原理,測量車速。為保證智能車在行駛過程具有良好的操穩(wěn)性和平順性,控制系統(tǒng)對直流電機(jī)驅(qū)動控制提出了較為理想的解決方案。

1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

智能車的硬件部分以AVR系列ATmega16單片機(jī)為核心控制器,由核心控制單元、電源管理模塊、路徑識別模塊、轉(zhuǎn)向控制模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊和速度及路程檢測模塊等組成。智能車控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能車控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 核心控制單元

智能車采用ATmage 16型單片機(jī)作為主控CPU。其主要特點(diǎn)為高性能、低功耗、高性價比,資源豐富,并且支持高級語言編程,在運(yùn)行速度,內(nèi)存容量,內(nèi)部功能模塊集成化等諸多方面比MCS-51系列先進(jìn)。在智能車系統(tǒng)設(shè)計中,單片機(jī)的I/O資源分配如下:PB3,PD7為伺服電動機(jī)的PWM控制信號輸出引腳;PD0～PD3為驅(qū)動電機(jī)正反轉(zhuǎn)引腳;路徑識別系統(tǒng)經(jīng)排線由PA0～PA6輸入至單片機(jī)。

1.2 電源管理模塊

為避免電機(jī)等器件對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,智能車的各功能模塊單獨(dú)供電。采用12 V蓄電池為直流電機(jī)供電,將12 V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。相對于其他類型的電源,蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能?？紤]到蓄電池的體積大,在車體設(shè)計時留出了足夠的空間。

在穩(wěn)壓時,采用兩片7812芯片將電壓穩(wěn)壓至12 V后給直流電機(jī)供電,然后采用2576將電壓穩(wěn)至5 V。2576的輸出電流最大可到3 A,完全滿足系統(tǒng)要求。

1.3 路徑識別模塊

智能車采用紅外探測法實(shí)現(xiàn)小車在黑色地板上循白線行走,為了提高控制精度,要求傳感器排列緊密,越近越好。但傳感器排列緊密,傳感器發(fā)射管的光線可能會從地面反射進(jìn)入臨近傳感器的接收管。為消除傳感器之間互相干擾,傳感器共分為7組,由PA0～PA6這7個I/O口直接供MCU讀取傳感器數(shù)據(jù)。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(diǎn),在智能車行駛過程中傳感器不斷地向地面發(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(原理圖為圖2所示)。單片機(jī)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[1-3]。

圖2 光電管基本原理圖

1.4 電機(jī)驅(qū)動模塊

在電機(jī)驅(qū)動方面,采用運(yùn)用L298作為電機(jī)驅(qū)動芯片,A,B兩個電機(jī)分別控制左面和右面各兩個輪。通過調(diào)節(jié)兩輪的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)智能車的轉(zhuǎn)向,即由單片機(jī)控制進(jìn)行PWM變頻調(diào)速,通過程序設(shè)計改變脈沖調(diào)寬波形的占空比,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。轉(zhuǎn)向角度不同,則兩電動機(jī)的轉(zhuǎn)速差異不同。當(dāng)小車處于較大的偏離狀態(tài)時,需把一個電機(jī)的速度調(diào)至極低,另一電機(jī)全速運(yùn)行,從而在較短時間內(nèi)完成路線的調(diào)整。

通過設(shè)定電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來控制智能車的前進(jìn)和后退。這種電路設(shè)計簡易高效,并能確保前后兩輪同步[4]。

1.5 車速檢測模塊

智能車系統(tǒng)通過車速檢測模塊來讀取實(shí)時車速。采用在后輪上粘貼均勻分布有黑白條紋的方法。利用圖3的檢測電路來對車輪上的黑白條紋進(jìn)行檢測。根據(jù)光電反射原理,在車輪轉(zhuǎn)動時,紅外接收管接收到反射光強(qiáng)弱高低變化,就會產(chǎn)生與車輪轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的脈沖信號,將該脈沖信號進(jìn)行放大整形后輸入單片機(jī)的輸入捕獲引腳PA7,記錄單位時間內(nèi)所得到的脈沖數(shù),就能夠表示出當(dāng)前車速[5],同時通過累加可以計算出小車所行走的路程。

圖3 車速檢測模塊簡圖

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

為使智能車在環(huán)境改變時做出更為及時準(zhǔn)確的響應(yīng),在程序設(shè)計時應(yīng)用μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)。μC/OS-Ⅱ適合小型控制系統(tǒng),具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn),最小內(nèi)核可編譯至2 KB。μC/OS-Ⅱ的代碼是用C語言編寫,可以直接移植到有C語言編譯器的處理器上。移植主要都集中在多任務(wù)切換的實(shí)現(xiàn)上,由于這部分代碼用于保存和恢復(fù)CPU現(xiàn)場(即寫/讀相關(guān)寄存器),不能用C語言,只能使用匯編語言完成,即編寫OSCPUA.S文件。另外還需要修改體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的OSCPU.H文件和用戶規(guī)定任務(wù)棧初始化結(jié)構(gòu)的OSCPUC.C文件。μC/OS-Ⅱ是采用的可剝奪型實(shí)時多任務(wù)內(nèi)核?？蓜儕Z型的實(shí)時內(nèi)核在任何時候都運(yùn)行就緒了的最高優(yōu)先級的任務(wù)。μC/OS-Ⅱ中最多可以支持64個任務(wù),分別對應(yīng)優(yōu)先級0～63,其中0為最高優(yōu)先級。在該系統(tǒng)設(shè)計中,共應(yīng)用了7個優(yōu)先級,其中,操作系統(tǒng)建立任務(wù),即Task Start()的優(yōu)先級最高。調(diào)度工作可以分為兩部分:最高優(yōu)先級任務(wù)的尋找和任務(wù)切換[6-8]。

在該系統(tǒng)中,共定義了路徑識別、光電轉(zhuǎn)盤檢測等7個任務(wù),控制器任務(wù)劃分及說明如表1所示。其調(diào)度和通信實(shí)現(xiàn)流程如下:系統(tǒng)執(zhí)行TaskStart(),在初始化任務(wù)執(zhí)行完成后,利用μC/OS-Ⅱ的OSTaskDel()函數(shù)將這個任務(wù)返回并處于休眠狀態(tài)。此時, TaskPositionCheck()成為優(yōu)先級最高的任務(wù),將會一直執(zhí)行。當(dāng)TaskPositionCheck()檢測到路徑有所改變,通過郵箱傳送數(shù)據(jù)到TaskControl(),并由TaskControl()控制PWM波輸出的改變。任務(wù)TaskOpticalWheel()的優(yōu)先級稍低,同樣會一直執(zhí)行,即當(dāng)任務(wù)TaskOpticalWheel()檢測到黑白跳變時,任務(wù)中的變量加1,TaskOpticalWheel()每隔1 s向任務(wù)TaskPathCalculate()和TaskSpeedCalculate()發(fā)送1次消息,分別計算速度和已走的累加路程,控制器任務(wù)關(guān)系圖如圖4所示。

表1 控制器任務(wù)劃分及說明

任務(wù)名說明優(yōu)先級

TaskStart()操作系統(tǒng)建立任務(wù)2

TaskControl()執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制4

TaskPositionCheck()路徑識別6

TaskOpticalWheel()光電轉(zhuǎn)盤檢測8

TaskSpeedCalculate()速度計算10

TaskPathCalculate()路程計算12

TaskClock()實(shí)時時鐘14

圖4 控制器任務(wù)關(guān)系圖

2.1 路徑黑線的識別

路徑黑線的識別的準(zhǔn)確程度決定智能車能否完成快速、穩(wěn)定的尋線。識別裝置由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成,以非接觸檢測方式,檢測距離可調(diào)整達(dá)4～20 mm。為了精確測定智能車的相對位置,將7對ST178并排安放在車底盤下部的前端,其分布垂直于智能車行走的方向。當(dāng)車行走時,保持7個發(fā)光管發(fā)光,當(dāng)某一個光電對管的下方為黑色軌跡時,相應(yīng)的接收管輸出為高電平,而下方為白色路面的接收管輸出為低電平。再經(jīng)數(shù)據(jù)處理后,控制系統(tǒng)就可以分析出當(dāng)前車行走的位置,從而達(dá)到調(diào)整智能車運(yùn)行狀態(tài)的目的。例如,假設(shè)路面黑線的寬度為三組紅外線對管的寬度,當(dāng)黑線在車體中間時,7個輸入引腳為28H(0011100);當(dāng)車體左或右偏時,接收到的數(shù)據(jù)會改變,即“1”會相應(yīng)的左移或右移,如0001110(右偏)、0111000(左偏),偏移幅度不同,“1”的移動位數(shù)便不同。

2.2 轉(zhuǎn)向控制模塊

采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制,配用L298驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速,方法簡單且調(diào)速范圍大,它利用的是直流斬波原理,假定高電平導(dǎo)通,在一個周期T內(nèi)導(dǎo)通時間為t,那么一個周期T內(nèi)的平均電壓U=(t/T)VCC=qVCC,其中占空比q=t/T[9]。

電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成正比,而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比,因此電機(jī)的速度與占空比成正比,占空比越大,電機(jī)轉(zhuǎn)的越快,當(dāng)占空比q=1時,電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大。該智能車系統(tǒng)采用8 MHz的晶體振蕩器,PWM信號引腳OCR0/2的頻率為:

fOCnPWM=(fclkI/O)/N×256

式中:變量N代表分頻因子:1,8,32,64,128,256或1 024。

占空比計算公式為[10]:

t/T=(OCR0/1/256)

2.3 車速及路程測量模塊

在智能車車后輪上粘貼均勻分布有黑白條紋。在輪轉(zhuǎn)動的過程中,紅外傳感器會不斷檢測到黑、白條紋的出現(xiàn)。當(dāng)紅外傳感器檢測到的為黑條紋時,輸入電壓為高電平,當(dāng)檢測到的為白條紋時輸入電壓為低電平。若傳感器檢測到電平跳變,則計數(shù)變量加1。時鐘每秒產(chǎn)生一次中斷,TaskClock()進(jìn)程通過郵箱向TaskSpeedCalculate()進(jìn)程發(fā)送數(shù)據(jù),由此可算出小車速度:速度=數(shù)據(jù)/每圈條紋數(shù)。如圖5,圖6所示。

圖5 路徑檢測程序流程圖

圖6 改變PWM波形程序流程

3 結(jié) 語

本文介紹了一種智能尋跡模型車的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐證明,該智能車定位準(zhǔn)確,系統(tǒng)響應(yīng)快且穩(wěn)定,具備良好的動力性能和精確的轉(zhuǎn)向性能,證明了μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性。相比同類智能車,該模型車還具有高性能、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

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