鄧 鵬

(荊楚理工學院 電子信息工程學院，湖北 荊門448000)

隨著計算機、通信、傳感器等技術的發(fā)展，智能車成為汽車發(fā)展的趨勢［1－2］。傳感器技術在智能車的應用中越來越廣泛，如在夜間、霧天、高危高污染等環(huán)境下的行駛。智能車將成為人們生活的一部分。文中以瑞薩智能車大賽為背景，設計了一種以16位微控制器H8/3048F作為小車的控制核心，采用紅外反射傳感器檢測路面引導線，能根據(jù)給定參數(shù)行駛的電動車。文中從硬件和軟件方面詳細闡述了智能車工作原理和設計方法，設計的小車具有電路設計簡單、軟件控制高效等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體設計方案

本智能車利用車體前方的光電傳感器采集賽道信息、后軸上的光電編碼器采集車輪轉速的脈沖信號［3－4］。這些信號經(jīng)單片機調理后，用于控制小車的運動。同時，內部模塊產(chǎn)生的PWM波驅動直流電機，對智能車進行速度及轉角控制，使賽車在賽道上能夠自動、平穩(wěn)行駛，并以最短的時間和最快的速度跑完全程。此外，本系統(tǒng)還增加了按鍵和顯示設備，以便于調試。智能車系統(tǒng)總體模塊圖如圖1所示。

圖1 智能車系統(tǒng)總體模塊圖

2 硬件設計

硬件設計是設計的基礎，包括整車供電的電源管理電路設計、電機的驅動電路設計，以及單片機的各個接口電路的連接設計等。

2.1 控制器模塊

H8/3048F單片機是的日立公司生產(chǎn)的16位高性能微控制器。H8/3048F內部有16個16位通用寄存器。其最高時鐘頻率可達18 MHz，尋址空間為16 MByte。芯片內部包括:9個I/O口、32 kByte Flash、2 kByte RAM、16位的集成定時單元(ITU)、可編程定時式樣控制器(TPC)、監(jiān)視定時器(WDT)、串行通信接口(SCI)以及A/D、D/A轉換器等。控制器I/O口分配如下:P70～P77光電傳感器信號的輸入;PB用于車速檢測信號的輸入;PA用于啟動傳感器板信號的輸入。控制器根據(jù)檢測到的路況和車速信息，控制轉向舵機和直流驅動電機，相應地調整小車行駛方向和速度，最終使智能車按給定路線穩(wěn)定、快速地行駛。

2.2 電源模塊

選用8節(jié)1.2 V鎳氫電池為直流電機供電，并經(jīng)降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強的電流驅動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能，且性價比高。電源部分采用LM2940CT芯片。該芯片最大能提供3 A的電流輸出，完全滿足系統(tǒng)要求。模塊采用兩片2940芯片，一片單獨給MCU供電，一片給其他部件供電。

2.3 尋跡傳感器模塊

模塊采用一體化反射型光電對管RPR220。其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，接收器是一個高靈敏度的硅平面光電三極管。RPR220具有如下特點:結構緊湊、抗干擾能力強、反應速度快。內置可見光過濾器能減小離散光的影響。當發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時，三極管導通輸出低電平。此光電對管調理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。傳感器檢測與調理電路如圖2所示。經(jīng)示波器觀察，輸出波形規(guī)則，可以直接供單片機查詢使用。

圖2 光電對管電路圖

小車對白線的檢測使用了9個等距排列的紅外管采集路徑識別路面信息［4］。從左邊的光電管開始循環(huán)采集數(shù)據(jù)，檢測其是否在白線上，如果在白線上，則接著檢測其右邊的光電管是否亦如此，依次向右推進，當出現(xiàn)3個以上光電管同時處于白線上方，則過濾掉當前采樣數(shù)據(jù)，采用歷史值。

2.4 電機驅動模塊

電機驅動板為一個由分立元件制作的可逆雙極型橋式驅動器，其功率元件由4支n溝道功率MOSFET管組成，大幅提高了電動機的工作轉矩和轉速。該驅動器主要由以下部分組成:PWM信號輸入接口［5－7］、邏輯換向電路、死區(qū)控制電路、電源電路、上橋臂功率MOSFET管柵極驅動電壓泵升電路、功率MOSFET管柵極驅動電路、橋式功率驅動電路、緩沖保護電路等。通過設置H8/3048F輸出的PWM波的占空比可以實現(xiàn)控制電機正反轉。當輸出的占空比為50%時，電機不轉，當占空比＞50%時，電機正轉;＜50%則反轉。

2.5 測速模塊

為提高檢測精度，本模塊最后確定為使用精度較高的光電編碼器。光電編碼器使用5 V電源，輸出方波信號，具有質量輕、可靠性高、安裝簡單等優(yōu)點。

3 算法及軟件設計

3.1 方向控制算法

智能車方向的控制采用對預定軌道的閉環(huán)控制，即輸出方向和測得的白線位置成分段比例關系。舵機的轉角公式為

式(1)中，θ為舵機的轉角;e為偏移量;b為前軸到傳感器間距。

通過實驗可得舵機的轉角與PWM脈寬呈線性關系，轉向公式為

式中，K為比例系數(shù);M對應于舵機位沒有發(fā)生偏轉時的PWM控制脈寬。實驗證明，在一定范圍調節(jié)K，可以起到良好的控制效果。

智能車檢測到的路面情況有16種狀態(tài)，其中每種狀態(tài)都有一個舵機轉角與之對應。這樣就可以在程序中創(chuàng)建出每種傳感器狀態(tài)中對應的白線偏差e與舵機轉角θ之間的關系，如表1所示。

表1 傳感器狀態(tài)二維映射表

3.2 速度控制算法

智能車控制算法采用PID算法，包括3個部分:測量、比較和執(zhí)行，即把測量得到的量與期望值相比較，然后用合格誤差糾正調節(jié)控制系統(tǒng)的響應［8］。PID控制算法是建立在經(jīng)典控制理論上的一種控制策略。PID控制算法能夠在保證不影響系統(tǒng)穩(wěn)定精度的前提下提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并改善系統(tǒng)的動態(tài)性能［9－11］。根據(jù)實驗情況和現(xiàn)場調試經(jīng)驗，小車在直線運動時不進行PID控制，以最大速度運動，處于一般彎道狀態(tài)時則引入PID算法，這樣可以根據(jù)實際情況調節(jié)速度，使小車具有良好的可控性。PID控制器原理框圖如圖3所示。

圖3 PID控制器原理框圖

系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對象組成。它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值m(t)構成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。

PID的圖形表達式

式中，Ti為積分時間常數(shù);Td為微分時間常數(shù);Kp為比例系數(shù);e(t)為誤差項;u(t)為控制量。

若令采樣時間為T，離散控制算法為

式(4)中，T是采樣周期，必須足夠小，以保證系統(tǒng)有一定的精度;Ti為調節(jié)器的積分時間;Td為調節(jié)器微分時間;Kp為調節(jié)器的比例系數(shù);e(k)為第k次采樣時的偏差;u(k)為控制量。

采用增量式PID進行控制，由Δu(kT)=u(kT)－u(kT－T)，可得

式中，e(kT)為第k次與中心位置的偏差程度;e(kTT)、e(kT－2T)分別為k－1、k－2次誤差項。以此算法為基礎，用C語言編寫出控制算法程序。

3.3 程序設計

主程序采用周期性檢測控制思想，每隔20 ms檢測1次引導線、車速及加速度數(shù)據(jù)，根據(jù)程序處理結果調用舵機控制程序和驅動電機控制程序，對智能車的運行狀態(tài)進行實時控制，以完成循線運行的要求。主流程圖如圖4所示。

圖4 主程序運行流程圖

4 結束語

智能車設計涵蓋了自動控制、電子等多個學科，其技術可被應用到智能機器人、自動化作業(yè)平臺等領域，具有較強的實用性。論文結合實際設計經(jīng)驗，從智能車的硬件設計、軟件設計等方面討論了智能車的設計。試驗證明，用PID算法即使在路面導引線復雜的情況下，也能較好地保證智能車沿正確的方向前進，以及運行的平穩(wěn)性。

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