葉夢(mèng)君，胡長(zhǎng)暉，張先鶴，王小威，袁亞軍，呂高強(qiáng)

(湖北師范學(xué)院 機(jī)電與控制工程學(xué)院，湖北 黃石 435002)

0 引言

傳感技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合是構(gòu)成智能系統(tǒng)的兩大支柱，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。

光電技術(shù)智能車(chē)系統(tǒng)行駛的路徑為白色KT板，路徑中心有寬度為2.5cm的連續(xù)的黑色線條。該黑色線條作為智能車(chē)行駛的導(dǎo)航信息源。智能車(chē)采用反射式紅外光電傳感器檢測(cè)路徑黑線，并沿著黑線快速行駛。光電管照射到黑色線條和白色路面上，將產(chǎn)生不同反射情況，通過(guò)這種不同的反射情況，能找到接收管所在的位置，從而檢測(cè)智能車(chē)相對(duì)于路徑中心黑色線條的位置，控制智能車(chē)的行駛方向和行駛速度。

1 智能車(chē)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

光電技術(shù)智能車(chē)根據(jù)功能可分為七個(gè)部分：以MC9S12XS128為主控制器的最小系統(tǒng)模塊、光電傳感器模塊、電源管理模塊、速度檢測(cè)模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、輔助調(diào)試模塊。如圖1所示為智能車(chē)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。

1.1 主控制器

MC9S12XS128具有128KB的FLASH，12KB的RAM，4KB的EEPROM.片上集成有電壓調(diào)節(jié)、在線調(diào)試、時(shí)鐘產(chǎn)生、定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換、PWM輸出等模塊，滿(mǎn)足智能車(chē)對(duì)主控制器資源的要求。

1.2 光電傳感器

光電傳感器采用反射式紅外光電傳感器ST188，ST188由一個(gè)高發(fā)射功率紅外光電二極管和一個(gè)高靈敏度光電晶體管組成。紅外發(fā)射管的光線照射在白色的底板上，光電晶體管能夠接收到反射紅外光；紅外發(fā)射管的光線照射在黑色中心線條上被吸收，光電晶體管不能接收到反射的紅外光。

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是由分離元器件IRF4905和IRFZ48N搭建的H橋，主控制器輸出兩路PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)IR4427芯片，控制H橋以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

1.4 速度檢測(cè)

采用光電編碼器YZ30D-(4S)-2NA-200，脈沖數(shù)200，具有功耗低，抗沖擊，重量輕的特點(diǎn)。

1.5 電源管理

電源管理模塊將車(chē)載輸入主電源(7.2V)經(jīng)多路并聯(lián)的DC-DC轉(zhuǎn)換后，為主控制器(5V)，舵機(jī)(6V)，光電傳感器(5V)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)(5V)等模塊供電。

2 光電傳感器設(shè)計(jì)

2.1 光電傳感器電路設(shè)計(jì)

光電傳感器的接收電路圖如圖2所示， 反射式紅外光電傳感器ST188接收晶體管的輸出信號(hào)，經(jīng)放大器LM324組成的比較電路輸出。ST188的發(fā)射管一直處于工作狀態(tài)，且工作電流恒定。光電傳感器的工作原理是，當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線垂直的照射到白色底板上，經(jīng)反射的紅外光線被接收管接收，光敏三極管將導(dǎo)通，比較器輸出低電平，實(shí)際測(cè)量值為0V；當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線垂直的照射到黑色導(dǎo)航線上，紅外光線未被反射，光敏三極管截至，比較器輸出高電平，實(shí)際測(cè)量值3.4V，因此，光電傳感器的輸出信號(hào)不需要經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換，直接可以通過(guò)主控制器的通用I/O口讀取。

圖1 智能車(chē)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 圖2 光電傳感器接收電路

2.2 光電傳感器布局

光電傳感器布局如圖3所示，分為兩排安裝，黑色圓圈代表光電傳感器的位置，前排13個(gè)光電傳感器，從左至右依次標(biāo)號(hào)為-6～6，后排7個(gè)傳感器，從左至右依次標(biāo)號(hào)-3～3.前后排距離9cm，前排總長(zhǎng)18cm，后排總長(zhǎng)9cm，相鄰兩光電傳感器的間距為1.5cm，這樣能夠保證任意時(shí)刻，路徑中心黑線都能被光電傳感器檢測(cè)到，而不會(huì)因?yàn)閭鞲衅鞯拈g距過(guò)大，漏掉黑線。整個(gè)傳感器模塊安裝在車(chē)身前端，與路徑水平面的距離為5cm.

3 信號(hào)采集與處理

光電傳感器采集的賽道信息，輸出信號(hào)為高電平或低電平，通過(guò)主控制器MC9S12XS128的通用I/O口直接讀取該信號(hào)，獲取光電傳感器的信號(hào)后，需要搜索是哪個(gè)傳感器檢測(cè)到了黑線。本智能車(chē)系統(tǒng)采用重心法搜索檢測(cè)到黑線的光電傳感器，重心法計(jì)算公式如下：

(1)

在該公式中，位值為光電電傳感器輸出的信號(hào)值取反，當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到黑線其位值為0，否則為1.權(quán)位值是每個(gè)光電傳感器區(qū)別于其他光電傳感器的編號(hào)，如圖3所示，每個(gè)黑色圓圈內(nèi)部數(shù)字就是該光電傳感器的權(quán)位值。對(duì)于不同的光電傳感器檢測(cè)到黑線，其重心值是不同的，也是獨(dú)一無(wú)二的。因此重心法能夠準(zhǔn)確的確定是哪個(gè)傳感器檢測(cè)到了黑線。在光電傳感器模塊的前排和后排使用重心法，可以分別找到檢測(cè)到黑線的光電管的重心值。通過(guò)重心值，查表得到舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)角。當(dāng)智能車(chē)沿直線路徑行駛時(shí)，智能車(chē)的中心軸與賽道中心黑線平行或重合，此時(shí)檢測(cè)到黑線的前排和后排光電傳感器的連線與智能車(chē)的中心軸平行或重合，智能車(chē)的運(yùn)行方向無(wú)需偏轉(zhuǎn)，智能車(chē)可以快速行駛。

圖3 光電傳感器布局圖 圖4 智能車(chē)運(yùn)行示意圖

當(dāng)智能車(chē)沿彎道路徑行駛時(shí)，如圖4所示為光電智能車(chē)沿彎道運(yùn)行的示意圖，圖中底部的黑色橢圓表示智能車(chē)的前輪。通的前、后排標(biāo)號(hào)為0的黑色虛直線表示智能車(chē)的中心軸。黑色彎曲的實(shí)線表示智能車(chē)路徑上的導(dǎo)航黑線，前排標(biāo)號(hào)為-4，后排標(biāo)號(hào)為-1的光電管能檢測(cè)到賽道中心黑線。為了順利通過(guò)彎道，智能車(chē)需要偏轉(zhuǎn)一定的角度θ，θ為圖4中兩條黑色虛直線的夾角，計(jì)算夾角θ的公式可表示為：

(2)

其中，L4、L1表示標(biāo)號(hào)為4和1的光電傳感器到智能車(chē)中心軸的距離，它們分別為6cm和1.5cm，L表示前排傳感器與后排傳感器的距離，為9cm.實(shí)際控制中，并不需要計(jì)算夾角θ的值。只需要建立tanθ的值與控制舵機(jī)偏轉(zhuǎn)角度θ的PWM值之間的關(guān)系表，通過(guò)查表控制智能車(chē)舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)。

4 速度控制

智能車(chē)速度控制決定了智能車(chē)系統(tǒng)性能，賽道千變?nèi)f化的智能車(chē)運(yùn)行系統(tǒng)是典型的非線性系統(tǒng)，很難找到最佳的智能車(chē)速度控制的方法，PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)易于調(diào)整，可以應(yīng)用于任何可控制對(duì)象。數(shù)字PID算法易于軟件實(shí)現(xiàn)，參數(shù)易于調(diào)整，在智能車(chē)系統(tǒng)中能夠取得較好的控制效果。速度控制的目標(biāo)是使智能車(chē)能夠穩(wěn)定、快速的行駛，并能在不同的路徑上實(shí)現(xiàn)不同速度的迅速切換。

圖5 智能車(chē)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖

如圖5所示為智能車(chē)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖，該閉環(huán)系統(tǒng)由數(shù)字PID控制器、智能車(chē)電機(jī)、數(shù)字編碼器測(cè)速反饋環(huán)節(jié)等組成。位置式數(shù)字PID控制算法離散化為：

(3)

智能車(chē)調(diào)速控制系統(tǒng)使用位置式數(shù)值PID控制算法，存在速度超調(diào)過(guò)大，易震蕩劇烈，速度切換調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，由于光電技術(shù)智能車(chē)信號(hào)檢測(cè)前瞻性一般，對(duì)車(chē)速的提高有一定的制約，通過(guò)對(duì)位置式數(shù)字PID算法的改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試比較，最終確定采用積分分離PID控制算法，積分分離PID控制算法離散化公式為：

(4)

其中，KL為控制系數(shù)，當(dāng)|e(k)|≤e0時(shí)，KL=1；當(dāng) |e(k)|>e0時(shí)，KL=0.e0為積分分離閥值當(dāng)系。積分分離PID算法的控制原理是，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)的偏差較大時(shí)，取消積分項(xiàng)的作用，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)偏差減小到某一特定值e0時(shí) ，積分項(xiàng)的起作用，這種方法有效的減小了智能車(chē)系統(tǒng)因行駛過(guò)程中的干擾引起的超調(diào)，并改善了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。

5 系統(tǒng)仿真測(cè)試

使用MATLAB仿真軟件，建立光電傳感器智能車(chē)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制模型，將智能車(chē)運(yùn)動(dòng)模型等效為一階慣性環(huán)節(jié)，在單位階躍信號(hào)輸入的情況下，使用位置式PID控制算法的速度輸出曲線如圖6所示，其中Kp=1.2，Ki=0.3，KD=0.03.該圖顯示位置式PID控制的速度輸出超調(diào)過(guò)大，振蕩劇烈，尤其在車(chē)速快速切換的情況下，會(huì)給智能車(chē)運(yùn)行造成過(guò)大的震蕩。

在單位階躍輸入的情況下，使用積分分離式PID控制算法的速度輸出曲線如圖7所示，其中e0=0.5，Kp、Ki、KD三個(gè)參數(shù)保持不變。該圖顯示積分分離式PID控制的速度輸出超調(diào)小，震蕩小。速度變化平緩。

圖6 位置式PID控制速度輸出曲線 圖7 積分分離式PID控制速度輸出曲線

光電傳感器檢測(cè)到不同的路徑，決定智能車(chē)的速度給定值各不相同，對(duì)不同的彎、直道，使之能夠在保證穩(wěn)定性的前提下，運(yùn)行在其最佳速度上，能充分發(fā)揮智能車(chē)的速度潛能。

6 小結(jié)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，基于光電傳感器的智能車(chē)系統(tǒng)，采用雙排光電傳感器檢測(cè)路徑信號(hào)，采用積分分離數(shù)字PID控制算法，實(shí)現(xiàn)智能車(chē)車(chē)速的閉環(huán)控制，具有很好的穩(wěn)定性和靈敏性，極大地發(fā)揮了智能車(chē)的運(yùn)行潛力。

本光電傳感器智能車(chē)，在第五屆全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)競(jìng)賽華南賽區(qū)的比賽中，在復(fù)雜多變的賽場(chǎng)賽道上，跑出了1.5m/s的平均速度，獲得了三等獎(jiǎng)。

[1]祝亞峰，李書(shū)剛.基于紅外激光管的智能車(chē)設(shè)計(jì)[J]. 信息技術(shù)，2010，(6)：109～111.

[2]胡長(zhǎng)暉，葉夢(mèng)君.基于電磁技術(shù)的智能車(chē)路徑設(shè)別的研究[J]. 湖北師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，(2)：54～58.

[3]吳建平，殷戰(zhàn)國(guó).紅外反射式傳感器在自尋跡小車(chē)導(dǎo)航中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2001，14(3)：96～100.