摘 要：系統(tǒng)以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32作為中央處理器，用激光傳感器探測(cè)路徑實(shí)時(shí)控制電機(jī)速度，結(jié)合PID算法控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向。實(shí)踐證明，智能循跡車能自主尋找線路以2m/s的速度穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：Cortex-M3；PID算法；激光傳感器；智能循跡車

1 引言

智能車輛作為智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的綜合技術(shù)。是未來(lái)汽車的發(fā)展趨勢(shì)[1]。本系統(tǒng)以激光傳感器采集路徑信息，霍爾元件所讀取的脈沖數(shù)中央處理器STM32-103RBT6計(jì)算車體與賽道中心偏差、入彎時(shí)曲線偏差角度和智能車實(shí)時(shí)車速；并完成舵機(jī)轉(zhuǎn)角和控制輸出驅(qū)動(dòng)分配，使智能車穩(wěn)定在賽道運(yùn)行。為更好完成人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)置矩陣鍵盤，LCD液晶顯示和藍(lán)牙無(wú)線通信模塊。

2 系統(tǒng)整體框架

智能車采用HSP無(wú)限94185作為智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)的主體部分，由路徑采集部分，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)部分，穩(wěn)壓部分，舵機(jī)部分，人機(jī)接口部分和中央處理器部分組成，系統(tǒng)框圖如圖（1）所示。為了讓各個(gè)模塊能夠正常的工作系統(tǒng)分別有3.3V穩(wěn)壓電路和5V穩(wěn)壓電路。系統(tǒng)路徑檢測(cè)部分是用激光傳感器，傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)給中央處理器，測(cè)速模塊所測(cè)得脈沖同時(shí)也傳送給中央處理器，經(jīng)過(guò)中央處理器分析處理會(huì)做出相應(yīng)的響應(yīng)。CPU會(huì)向舵機(jī)發(fā)送相應(yīng)的指令同時(shí)也控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速把相應(yīng)的指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊。為了更好控制與校正系統(tǒng)使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，系統(tǒng)會(huì)把PID各參數(shù)顯示到TFTLCD液晶顯示屏上，并且矩陣鍵盤各個(gè)按鍵對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了能更好的監(jiān)控到系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)系統(tǒng)還可以通過(guò)無(wú)線通信模塊將信息發(fā)給PC機(jī)，PC機(jī)也可以對(duì)系統(tǒng)的各參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，從而更好的實(shí)時(shí)對(duì)智能車進(jìn)行控制。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.1 人機(jī)接口部分

人機(jī)接口部分主要包括：矩陣鍵盤模塊、LCD顯示模塊和HC-05無(wú)線藍(lán)牙通信模塊。矩陣鍵盤的各個(gè)按鍵有其特定的功能可以改變智能循跡車的速度，舵機(jī)打舵的角度，舵機(jī)、電機(jī)PID各個(gè)參數(shù)的大小還可以根據(jù)賽道不同的情況選擇不同的程序。LCD顯示模塊可以顯示智能循跡車的各項(xiàng)參數(shù)如：系統(tǒng)給定速度，測(cè)速模塊所測(cè)得的速度，系統(tǒng)舵機(jī)、電機(jī)PID算法的各個(gè)參數(shù)及傳感器采集回來(lái)的路徑信息。同時(shí)為了更好的滿足對(duì)系統(tǒng)的控制及調(diào)節(jié)系統(tǒng)會(huì)將上述信息通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線模塊發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)軟件顯示出相應(yīng)的數(shù)值。在上位機(jī)發(fā)出相應(yīng)的指令可以控制下位機(jī)的各個(gè)參數(shù)，從而更好的控制系統(tǒng)使系統(tǒng)更加穩(wěn)定的運(yùn)行。之所以選擇無(wú)線藍(lán)牙模塊是因?yàn)榭紤]到在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用可以將PC機(jī)和手機(jī)作為用戶終端，PC機(jī)和手機(jī)都具有藍(lán)牙功能，只要在上面開(kāi)發(fā)一款軟件就可以省去大量的材料，用戶終端輸入正確的指令就可以與下位機(jī)的藍(lán)牙配對(duì)，下位機(jī)會(huì)把數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)上位機(jī)會(huì)做出相應(yīng)的處理。

3.2 系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

為系統(tǒng)提供動(dòng)力的是RC380直流電機(jī)，系統(tǒng)單片機(jī)的I/O口提供的電流不夠，該系統(tǒng)采用常見(jiàn)的BTS7960芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于使用其他驅(qū)動(dòng)電路如MOS管驅(qū)動(dòng)或者其他驅(qū)動(dòng)電路搭起來(lái)比較復(fù)雜而且阻容匹配也比較繁瑣，因?yàn)?960芯片體積小而且驅(qū)動(dòng)能力比較強(qiáng)通態(tài)電阻小內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)IC具有過(guò)壓，欠壓，過(guò)流及短路保護(hù)[2]。所以采用7960驅(qū)動(dòng)芯片為電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

3.3 系統(tǒng)穩(wěn)壓模塊

由于電源容量為1000mA提供7.2V的直流電， CPU正常工作電壓為3.3V，傳感器部分、測(cè)速部分及通信模塊正常工作電壓都為5V。所以我們采用了兩種穩(wěn)壓芯片分別為提供3.3V的SPX1117芯片和提供5V的LM2940芯片。之所以選擇LM2940芯片是因?yàn)樵撔酒芴峁╇娏鳛?A的5V電壓，系統(tǒng)測(cè)速模塊、通信模塊、矩陣鍵盤、傳感器模塊和通信模塊都用需要改芯片提供電壓，所以采用能提供1A電流的LM2940芯片。

3.4 系統(tǒng)路徑識(shí)別部分

由于賽道兩測(cè)是黑線，中間是白線，所以路經(jīng)檢測(cè)部分采用激光傳感器八字型檢測(cè)。激光傳感器打到黑線上會(huì)被黑色的吸收接收器則接收不回來(lái)信號(hào)，激光打到白色賽道會(huì)形成漫反射接收器會(huì)接收到信號(hào)[3]，為了讓接收到更加準(zhǔn)確，信號(hào)更加強(qiáng)我們?cè)诮邮掌魃习惭b了透鏡，根據(jù)透鏡的聚光作用我們就能更準(zhǔn)確的判斷路徑情況。激光發(fā)射接受電路如下圖3所示：限流電阻R1我們選擇的68Ω，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)得限流電阻必須大于65Ω，小于可能會(huì)燒壞激光。

3.5 速度檢測(cè)模塊

關(guān)于速度檢測(cè)有很多種傳感器包括光電編碼器、激光傳感去和霍爾元件加稀土磁鋼。他們各有各的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)，經(jīng)過(guò)綜合考慮采用霍爾元件加稀土磁鋼。因?yàn)樗旧眢w積比較小，容易安裝，獲取信息準(zhǔn)確不增加后輪的負(fù)載；但是它也有缺點(diǎn)由于離后輪電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路較近容易受到電磁場(chǎng)的干擾。速度檢測(cè)模塊我們采用霍爾元件加稀土磁鋼，能得到準(zhǔn)確的速度返回值。

4 智能車軟件部分

Keil μVision4軟件具有強(qiáng)大的功能，智能車系統(tǒng)也使用這款軟件作為開(kāi)發(fā)環(huán)境。軟件設(shè)計(jì)部分主要有系統(tǒng)各模塊運(yùn)行程序和舵機(jī)電機(jī)PID控制程序。由于PID控制器結(jié)構(gòu)典型，各個(gè)參數(shù)有明確的物理意義，需要整定的參數(shù)少，參數(shù)調(diào)整方便，容易實(shí)現(xiàn)多回路串級(jí)控制[4]，所以我們也選擇這種控制方法。

4.1舵機(jī)控制

舵機(jī)控制軟件流程圖如圖4所示，之所以選擇數(shù)字舵機(jī)是因?yàn)榉磻?yīng)速度快，定位精度高而且還防抖。

車模在行駛過(guò)程中不斷的采集賽道的信息，通過(guò)采集的信息判斷車模所處的路況，計(jì)算轉(zhuǎn)彎的半徑[5]。舵機(jī)的周期為20ms，舵機(jī)輸入脈寬為0.5ms，可以向左最大打角60°向右最大打角60°。利用CPU計(jì)算出距離賽道中心的距離，如果距離在允許范圍內(nèi)，我們可以認(rèn)為車模在指定的道路上，車模舵機(jī)保持車模全速前進(jìn)。如果距離超出允許值，根據(jù)計(jì)算出的偏移量角度根據(jù)公式：

其中，？琢為車模偏離賽道中央的偏移角度，？駐x為兩個(gè)激光間間距，n為兩次采樣之間處于黑線所差的激光個(gè)數(shù)，？茁為八字激光與橫坐標(biāo)所成的角度。v1，v2分別為在一個(gè)采樣周期T開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的速度，X為偏離橫坐標(biāo)的偏移位移，H為車模運(yùn)行縱坐標(biāo)的距離。根據(jù)：

？茲為舵機(jī)所要打的角度。Kp、Ki、Kd分別為比例系數(shù)，積分系數(shù)和微分系數(shù)。偏差一旦形成，比例環(huán)節(jié)立即產(chǎn)生作用用以減小偏差；積分作用消除靜差，提高系統(tǒng)誤差度；微分作用加快動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間[6]。

4.2 電機(jī)控制

在車輪子上安裝了3塊磁鐵，小車車輪每轉(zhuǎn)一圈霍爾元件會(huì)讀取3次脈沖，我們根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)所獲取到的脈沖數(shù)就可以檢測(cè)到小車的運(yùn)行速度，CPU獲取賽道信息結(jié)合所讀取車模實(shí)時(shí)返回的速度根據(jù)不同賽道信息情況CPU對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的PWM占空比會(huì)輸出不同的值，從而實(shí)現(xiàn)在不同的賽道，車模以不同的速度穩(wěn)定在賽道運(yùn)行。

舵機(jī)和電機(jī)控制都是通過(guò)STM32的I/O口輸出的PWM控制。

4.3 人機(jī)接口模塊軟件控制

人機(jī)接口程序主要包括LCD底層驅(qū)動(dòng)及LCD顯示程序，無(wú)線藍(lán)牙串口程序和矩陣鍵盤調(diào)節(jié)程序。矩陣鍵盤為4×4方陣根據(jù)不同的賽道情況按下不同按鍵的順序可以選擇不同的程序；由于PID各參數(shù)物理意義明確按下指定按鍵可以調(diào)節(jié)舵機(jī)或者電機(jī)各PID參數(shù)從而使系統(tǒng)更穩(wěn)定的運(yùn)行。無(wú)線藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)的上傳車模運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)，上位機(jī)發(fā)送指定指令可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)各參數(shù)，如發(fā)送“s0”會(huì)調(diào)節(jié)電機(jī)PWM讓電機(jī)加速每發(fā)一次PWM增加百分之二占空比，發(fā)送“djp1”會(huì)使舵機(jī)的比例系數(shù)減小每次減小0.1。從而更好地監(jiān)測(cè)到車模運(yùn)行的狀況，使車模在賽道穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文介紹基于Cortex-M3內(nèi)核為處理器的可自主無(wú)循跡的智能循跡車及以藍(lán)牙為無(wú)線

通信?？斓纳衔粰C(jī)控制系統(tǒng)。智能車在自主循跡模式下通過(guò)PID算法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和速度控制，可以快速流暢的在賽道上運(yùn)行；在上位機(jī)控制模式下車模也可以自如的按著指令運(yùn)作，并實(shí)時(shí)的把數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)可以對(duì)系統(tǒng)得到更好的監(jiān)測(cè)。在汽車電子產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的大背景下有較好的研究?jī)r(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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