黃遠(yuǎn)長，李丹，殳國華

(上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

0 引言

實(shí)踐教學(xué)體系是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要保證，也是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的必要手段之一[1]。我校推出了工程實(shí)踐與科技創(chuàng)新系列課程，共有4個(gè)階段，成為本科實(shí)踐教育體系的重要內(nèi)容，其中的第一階段又作為面向全校學(xué)生的工程實(shí)踐類的通識教育課程。課程以開展工程實(shí)踐為目的，注重創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主研究能力和團(tuán)隊(duì)合作能力[2]。智能循跡小車作為一種融合自動(dòng)控制、傳感器檢測、信息處理、計(jì)算機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)等多學(xué)科知識，集機(jī)電于一體的綜合系統(tǒng)，成為該課程的實(shí)踐平臺。通過平臺訓(xùn)練，幫助電氣信息類和其他理工科專業(yè)一年級學(xué)生形成工程設(shè)計(jì)的思想、方法和技能。

本小車以單片機(jī)為控制核心，通過紅外光電傳感器識別路面引導(dǎo)黑線，設(shè)計(jì)了一種基于增量式PID控制算法，該算法根據(jù)檢測的位置信息來調(diào)節(jié)左右側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及方向，使小車平穩(wěn)、流暢地沿著黑線行進(jìn)。所有軟硬件開放，學(xué)生可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深入開發(fā)和創(chuàng)新改造。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 智能小車系統(tǒng)構(gòu)成

智能小車采用四輪驅(qū)動(dòng)方式，具有狀態(tài)檢測、路徑識別、方向控制、速度控制等功能。智能車系統(tǒng)框圖如圖1所示，主控單元采用STC89C52RC;路徑識別模塊用于循跡，若改變對管方向還可以實(shí)現(xiàn)壁障功能;電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)4個(gè)直流電機(jī);由充電控制板和充電電池組成的電源提供3路5 V電源輸出。

圖1 智能小車系統(tǒng)框圖

1.2 智能小車硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 主控制器模塊

如圖2所示，主控制器模塊由單片機(jī) STC89C52、晶振電路、復(fù)位電路、max232芯片和串口組成的 ISP下載電路等構(gòu)成[3]。它是智能小車的控制中樞，在循跡中發(fā)揮3個(gè)作用:(1)路徑識別;(2)增量式PID控制算法實(shí)現(xiàn);(3)電機(jī)控制。

1.2.2 電源管理模塊

如圖3所示，由充電控制板和充電電池組成的電源為微控制器、光電管板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板提供5 V的電源。充電控制電路由開關(guān)管MTD2955E、比較器LM311和電壓基準(zhǔn)等組成。充電時(shí)，電源外接12 V/500 mA的市電充電器，充電控制板對4節(jié)1.2 V鎳氫充電電池充電。放電時(shí)，電池供電回路接通，電池通過充電控制板上的端子輸出5 V的電源。

1.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

小車由四輪驅(qū)動(dòng)，四個(gè)輪子分別由四個(gè)電機(jī)控制。

(1)調(diào)速原理。實(shí)驗(yàn)中采用額定電壓為5 V的直流電機(jī)，使用PWM(脈沖寬度調(diào)制)調(diào)速。PWM調(diào)速即通過改變脈沖高電平的寬度來調(diào)節(jié)加在電機(jī)兩端的平均電壓從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(2)驅(qū)動(dòng)電路。如圖4所示，采用三極管MMBT4401等分立器件構(gòu)成H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并用三輸入或非門74HC27實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制。在每個(gè)電機(jī)兩端并聯(lián)1 uF的獨(dú)石電容，以消除火花和電磁干擾。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

1.2.4 路徑識別模塊

路徑識別是體現(xiàn)智能車智能水平的重要指標(biāo)[4]。路徑識別效果與傳感器的選擇、數(shù)量、靈敏度以及道路寬度、傳感器間距有直接的關(guān)系。

紅外傳感器檢測電路如圖5所示。SW為高電平時(shí)，傳感器發(fā)射管工作，當(dāng)發(fā)射光遇到黑色物體時(shí)，SEN為低電平，反之，SEN為高電平。SW為低電平時(shí)，傳感器發(fā)射管不工作。

本設(shè)計(jì)共采用8路光電傳感器，4路位于左側(cè)，另4路位于右側(cè)，左右兩側(cè)間距為軌道寬度，兩側(cè)的傳感器緊挨著安裝，如圖6所示。當(dāng)小車沿著引導(dǎo)黑線前進(jìn)時(shí)，8路傳感器輸出高電平;當(dāng)小車偏離引導(dǎo)黑線時(shí)，8路傳感器中的某1路或某2路輸出低電平，小車做出響應(yīng)后左右側(cè)電機(jī)速差使小車糾正回到引導(dǎo)黑線，從而實(shí)現(xiàn)循跡[5]。

圖5 紅外傳感器檢測電路

1.3 智能小車控制算法設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，采用增量式

PID控制算法實(shí)現(xiàn)小車循跡的速度控制。增量式PID控制算式[6]:

其中Δuk為控制量增量，

KP、KI、KD分別為比例、積分、微分系數(shù)，ek為位置設(shè)定值與第 k次采樣實(shí)際位置值的偏差。

圖6 傳感器安裝位置

在采樣周期Ts內(nèi)，檢測一次傳感器狀態(tài)，得到左右側(cè)傳感器狀態(tài)slk與設(shè)定值ss比較得到偏差ek。將偏差代入式(1)中計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)速增量 Δuk。式(1)中的參數(shù) KP、KI、KD，采用嘗試法確定，即對各個(gè)參數(shù)取不同的值，根據(jù)循跡效果來確定，順序?yàn)?(1)令 KP=0，KD=0，確定 KI;(2)KI已確定，令 KD=0，確定KP;(3)KP、KI已確定，確定KD。

左右兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速由下式得到:

其中，Ustd為小車未偏離引導(dǎo)黑線時(shí)的前進(jìn)速度。

該設(shè)計(jì)中，由于光電傳感器的靜態(tài)工作電流較大，傳感器采用間歇的工作方式，即檢測時(shí)開啟傳感器，不檢測時(shí)切斷傳感器的供電。主程序流程如圖7所示，循跡流程如圖8所示。

圖7 主程序流程

2 智能循跡小車實(shí)踐平臺在創(chuàng)新類課程中的探索

由于本設(shè)計(jì)涉及微機(jī)原理及其接口技術(shù)、電子技術(shù)、C語言程序設(shè)計(jì)、EDA技術(shù)、自動(dòng)控制原理等課程，學(xué)生通過小車實(shí)踐平臺可以了解這些相關(guān)課程的基本要求和大概過程，為今后課程學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，并通過實(shí)踐提高發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，進(jìn)而逐步培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。

2.1 智能小車的焊接組裝

小車由金屬車身、塑料車輪、帶塑料變速箱的直流電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、充電板、光電管板和單片機(jī)最小系統(tǒng)板等組成。最小系統(tǒng)板的原件為直插封裝，其他電路板除電解電容、電位計(jì)和接插件為直插封裝外，所有元件為貼片封裝。車體分為兩層，各電路板通過螺絲螺柱固定在底層金屬板和頂層塑料板上。通過焊接電路板、組裝小車，學(xué)生可以增加對元器件的感性認(rèn)識，同時(shí)焊接能力、機(jī)械動(dòng)手能力也得到有效提高。圖9為組裝好的小車實(shí)物。

圖8 循跡流程

圖9 智能小車實(shí)物圖

2.2 單片機(jī)C程序開發(fā)

本設(shè)計(jì)中的單片機(jī)最小系統(tǒng)板，可由USB供電也可由外部5 V電源供電，只需要一條串口線或USB轉(zhuǎn)串口線便可將編譯好的程序下載到單片機(jī)中。微處理器STC89C52RC是一款51系列單片機(jī)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，易于上手。開發(fā)環(huán)境為KEIL uVision，該環(huán)境提供了豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的調(diào)試工具，支持51系列

及51系列兼容單片機(jī)。編程采用C語言，該語言與傳統(tǒng)的匯編語言相比，可讀性好，易于移植，便于激起學(xué)生開發(fā)硬件的興趣，也順應(yīng)了目前硬件開發(fā)的趨勢[7]。

2.3 合應(yīng)用能力培養(yǎng)

在單片機(jī)最小系統(tǒng)板中，處理器的所有引腳以插針形式引出，并預(yù)留了5V電源輸出;小車為四輪驅(qū)動(dòng)，負(fù)重能力較強(qiáng);電池充電后即可重復(fù)使用。因此，該小車系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，學(xué)生可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，添加傳感器模塊，進(jìn)行壁障、競速、踢足球等應(yīng)用擴(kuò)展，不斷提高綜合應(yīng)用能力。

3 結(jié)束語

通過調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的循跡智能小車各部分工作正常，小車能很好地識別路徑，運(yùn)行穩(wěn)定，有一定的抗干擾能力。學(xué)生通過該智能小車平臺的制作設(shè)計(jì)，訓(xùn)練電工電子實(shí)踐方面的基本技能，熟悉硬件開發(fā)的流程，初步培養(yǎng)專業(yè)應(yīng)用能力，為后續(xù)的學(xué)習(xí)科研打下良好的基礎(chǔ)。

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