張 慶，孫寶法，張佑生

ZHANG Qing, SUN Bao-fa, ZHANG You-sheng

（安徽三聯(lián)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，合肥 230601）

1 智能車設(shè)計(jì)概述

智能車設(shè)計(jì)與“飛思卡爾杯”智能車競(jìng)賽密不可分?！帮w思卡爾杯”智能車競(jìng)賽起源于韓國，2000年，在飛思卡爾半導(dǎo)體公司的資助下，韓國漢陽大學(xué)汽車控制實(shí)驗(yàn)室承辦了首屆韓國大學(xué)生智能車比賽。2006年，清華大學(xué)舉辦了中國首屆大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能車邀請(qǐng)賽[1]。

“飛思卡爾杯”智能汽車競(jìng)賽，要求各個(gè)參賽隊(duì)在統(tǒng)一的車模平臺(tái)上，使用飛思卡爾公司的16位微控制器作為核心控制模塊，自主構(gòu)思控制方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。大賽組委會(huì)向各個(gè)參賽隊(duì)提供一個(gè)帶有差速器的后輪驅(qū)動(dòng)模型車、一個(gè)直流電機(jī)和一個(gè)充電電池。各個(gè)參賽隊(duì)制作一個(gè)能夠自主識(shí)別路徑的智能車，于指定日期、指定地點(diǎn)到各分賽區(qū)參加比賽，在獲得決賽資格后，參加全國決賽。比賽時(shí)，參賽隊(duì)伍讓智能車在賽道上獨(dú)立行駛。參賽隊(duì)伍的成績(jī)由兩部分組成，以賽車現(xiàn)場(chǎng)成功跑完賽道全程的時(shí)間為主，以技術(shù)報(bào)告和制作工藝評(píng)分為輔[1]。

智能車的設(shè)計(jì)涉及模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、控制、計(jì)算機(jī)、機(jī)械和電源等多個(gè)學(xué)科，對(duì)擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面、培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)融合能力和訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手能力具有重要的促進(jìn)作用。

2 智能車硬件系統(tǒng)的框架

智能車硬件系統(tǒng)包括電源管理、路徑識(shí)別、車速檢測(cè)、控制器、舵機(jī)和電機(jī)等模塊[2]。按照各個(gè)模塊的功能，整個(gè)小車的硬件系統(tǒng)可以分成四大部分：電源部分、信息采集部分、數(shù)據(jù)處理部分和運(yùn)動(dòng)控制部分。智能車的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能車的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中國大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能車競(jìng)賽分成三個(gè)組：光電組、電磁組和攝像頭組。其中，光電組的小車用發(fā)射管發(fā)射紅外線或激光，根據(jù)接收管采集到的反射光線，對(duì)小車運(yùn)行實(shí)施控制。本文討論的智能車屬于光電組，用激光管采集道路的信息，用單片機(jī)MC9S12XSl28處理采集到的數(shù)據(jù)，用轉(zhuǎn)向舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

智能車設(shè)計(jì)的完整方案是：用激光發(fā)射管發(fā)射集束光線，用激光采集管采集反射的光線；把采集到的反射光線送到ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值，判斷智能車與道路的相對(duì)位置；對(duì)于不同的位置，結(jié)合當(dāng)前的車速，分別用不同的PWM控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角度和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，使小車能夠自主尋跡，快速跑完全程。

3 智能車硬件系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)

3.1 電源部分

整個(gè)智能車硬件系統(tǒng)的電力供應(yīng)，來自于大賽組委會(huì)提供的充電電池。正常情況下，電池的額定輸出電壓為7.2V，電流容量為2000mAh。由于各個(gè)模塊對(duì)電源的要求不同，特別是對(duì)電壓的要求不同，因此，需要采用不同的穩(wěn)壓芯片，從電池中分流出不同電壓的分電源，給不同的模塊供電。智能車的供電系統(tǒng)如圖2所示[2]。

圖2 智能車的供電系統(tǒng)

單片機(jī)MC9S12XS128的工作電壓是5V，要求電源穩(wěn)定，防止電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的干擾。為此，采用穩(wěn)壓芯片LM7805，從7.2V電池上取電，輸出電壓為5V，單獨(dú)為單片機(jī)供電。

用于采集道路信息的激光管、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、用于采集小車速度信息的編碼器，工作電壓都是5V，對(duì)電源質(zhì)量要求不太高，這里采用穩(wěn)壓芯片LM7805，從7.2V電池上取電，輸出電壓為5V，同時(shí)為激光管、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、編碼器供電。

舵機(jī)需要較大功率的電力供應(yīng)，要求電源低內(nèi)阻、大電流、電壓穩(wěn)定。為此，采用穩(wěn)壓芯片LM7806，從7.2V電池上取電，輸出電壓為6V，單獨(dú)為舵機(jī)供電。

電機(jī)需要大功率的電力供應(yīng)，要求電源低內(nèi)阻、大電流、電壓穩(wěn)定。為此，直接從7.2V電池上取電，單獨(dú)為電機(jī)供電。

3.2 信息采集部分

3.2.1 道路信息采集模塊

本智能車采用激光管陣列來采集道路信息。激光管陣列的特點(diǎn)是價(jià)格低廉、電路簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)方便，缺點(diǎn)是采集的道路信息少、前瞻小、對(duì)復(fù)雜道路環(huán)境的判斷能力較弱。

一組激光管傳感器包括若干個(gè)激光發(fā)射管和一個(gè)激光接收管。本智能車采用的激光傳感器是手創(chuàng)科技公司的SOC2212。激光發(fā)射管波長是650nm，出孔功率是5mw，工作電壓是5VDC，工作電流是40mA。一組激光管的電路原理圖如圖3所示。

在圖3中，位于上部的是調(diào)制管，其引腳1調(diào)制輸出的是發(fā)射管L11的發(fā)射頻率，接收管JP12的接收頻率與L11的發(fā)射頻率相同，接收管采集到的發(fā)射光線首先轉(zhuǎn)化成電壓值，然后，由其引腳2輸出到單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

本智能車共用7組激光管傳感器，采集到的7路反射光線，分別經(jīng)過7只接收管轉(zhuǎn)化成7路電壓值。7只接收管的引腳2按照順序分別連到單片機(jī)的引腳ATD0～ATD6。這樣，7路電壓值就被送到單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

3.2.2 速度信息采集模塊

本智能車采用歐姆龍公司的增量型旋轉(zhuǎn)編碼器E6A2-CS3C采集小車的速度信息。編碼器E6A2-CS3C的優(yōu)點(diǎn)是獲取信息準(zhǔn)確、精度高，缺點(diǎn)是體積大、增加后輪負(fù)載。

圖4 編碼器的安裝

在小車的后部安裝一個(gè)支架，把編碼器固定在支架上，編碼器的齒輪與電機(jī)的齒輪嚙合。編碼器的安裝如圖4所示。

編碼器有五根線，棕色線接電源正極，藍(lán)色線接電源負(fù)極，粗的黑色線接地或剪去，橙色線沒有用到，為了防止接錯(cuò)而燒壞編碼器，應(yīng)該把橙色線剪去，黑色線連接單片機(jī)的引腳PT0[3]。

3.3 數(shù)據(jù)處理部分

智能車最重要的部件是中央處理單元，它負(fù)責(zé)對(duì)信息采集部分送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將這些信息轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)向舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制信號(hào)，使小車按照預(yù)定的方案前進(jìn)。因此，要求中央處理單元具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。根據(jù)中國大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能車競(jìng)賽的規(guī)則，只能采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的單片機(jī)MC9S12XS128作為智能車的核心控制芯片。六年來，中國幾百所高校數(shù)千支隊(duì)伍的智能車設(shè)計(jì)實(shí)踐表明，MC9S12XS128完全能夠滿足智能車控制的要求。

如3.2所述，7只光電接收管的引腳2按照順序分別連到單片機(jī)的引腳ATD0～ATD6，7路采樣所得的電壓值送到單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換后所得的7路數(shù)字，就反映了小車與賽道引導(dǎo)線的相對(duì)位置；編碼器黑色線連接單片機(jī)的引腳PT0，統(tǒng)計(jì)A相輸出脈沖的個(gè)數(shù)，獲得電機(jī)的速度。

把光電管經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的7路數(shù)字，以及編碼器輸出脈沖的數(shù)字，保存在一個(gè)數(shù)組里。設(shè)定一組控制規(guī)則，根據(jù)數(shù)組的數(shù)值，對(duì)轉(zhuǎn)向舵機(jī)和電機(jī)進(jìn)行控制。

3.4 運(yùn)動(dòng)控制部分

1）舵機(jī)控制

在行駛過程中，小車不斷對(duì)路況信息進(jìn)行采樣，通過分析小車與賽道中心線的相對(duì)位置，計(jì)算小車轉(zhuǎn)彎的方向和角度。舵機(jī)控制程序流程如圖5所示。

圖5 舵機(jī)控制程序流程圖

本智能車采用Futaba公司的舵機(jī)S3010，標(biāo)準(zhǔn)PWM周期為20ms，轉(zhuǎn)動(dòng)角度最大為45°。在程序設(shè)計(jì)上，通過改變占空比PWM來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角。本車用單片機(jī)的引腳PWM1輸出PWM，對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制。

2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)

智能車的動(dòng)力部分使用小型永磁式直流電機(jī)，可用分離元件組成的驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)，也可用一體化的集成驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)。為了簡(jiǎn)化電路板，減輕小車的重量，本智能車采用一體化的專用集成驅(qū)動(dòng)芯片MC33886。用單片機(jī)的引腳PWM3輸出PWM，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

4 結(jié)束語

智能車系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，本文介紹的是智能車硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。顯然，只有硬件系統(tǒng)而沒有相應(yīng)的軟件系統(tǒng)的小車還算不上智能車，因此，在構(gòu)建了智能車硬件系統(tǒng)之后，接下來就需要構(gòu)建智能車的軟件系統(tǒng)，即進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。限于篇幅，本文不再介紹，將另文闡述。

[1]吳懷宇, 程磊, 章政. 大學(xué)生智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與實(shí)踐[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2008.

[2]卓晴, 黃開勝, 邵貝貝. 學(xué)做智能車——挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2007: 87-88.

[3]段穎康. 基于MC9S12XSl28單片機(jī)的智能循跡小車的硬件設(shè)計(jì)[J]. 電子元件應(yīng)用, 2010, 12(1): 33-35.