劉詩恒 王 慧 廣東海洋大學 湛江 524000易陽威 深圳市長城開發(fā)科技股份公司 深圳 518000趙圣麟 珠海市泰德企業(yè)有限公司 珠海 519000

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激光自動尋跡智能車設計與改進

劉詩恒 王 慧 廣東海洋大學 湛江 524000
易陽威 深圳市長城開發(fā)科技股份公司 深圳 518000
趙圣麟 珠海市泰德企業(yè)有限公司 珠海 519000

廣東省高等教育學會實驗室研究基金項目（GDJ2012063）

廣東海洋大學強校工程項目（GDOU2014050240）

【文章摘要】

以一種模型汽車為硬件平臺,以單片機為核心控制單元,激光傳感器為檢測手段,設計制作一種自動尋跡智能車控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用雙排激光傳感器探測路徑,快速準確地提取賽道信息,并結(jié)合閉環(huán)PID算法,控制舵機的轉(zhuǎn)向和電機的轉(zhuǎn)速,使小車能夠沿著固定的跑道高速穩(wěn)定行駛。重點介紹了系統(tǒng)的硬件電路設計及傳感器的布局和控制策略。通過多次測試和試驗,相比于傳統(tǒng)的單舵機控制方案,靈敏的雙舵機控制系統(tǒng)能很好地滿足智能車對路徑自動識別功能和抗干擾能力的要求,速度調(diào)節(jié)響應時間快,穩(wěn)態(tài)誤差小,具有較好的動態(tài)性能和良好的魯棒性。

【關鍵詞】

激光傳感器；尋跡；智能車；PID控制算法

0 引言

飛思卡爾智能車競賽是高等學校自動化專業(yè)教學指導分委員負責主辦的全國大學生智能車競賽，該競賽以智能汽車為研究對象，是面向全國大學生的一種具有探索性工程實踐活動，以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多個學科。根據(jù)“飛思卡爾”智能車大賽規(guī)則要求：使用組委會指定車模，核心控制部件采用飛思卡爾MC9S12X128單片機，自主設計系統(tǒng)控制電路。系統(tǒng)控制電路包括：傳感器信號的采集、處理電路、驅(qū)動電機及轉(zhuǎn)向舵機控制電路以及各類接口電路。智能車設計、調(diào)試完成后，在規(guī)定的的比賽賽道上完成自動尋跡行駛，以速度最快用時最少者為優(yōu)勝。

本文主要針對目前的一些傳統(tǒng)方案進行改進設計及控制算法優(yōu)化的實現(xiàn)。

1 硬件系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1電源管理

智能車競賽所使用的供電設備為鎳鎘電池組，實測充滿電空載狀態(tài)下電壓約在8.2-8.6V左右，不過電池的實際輸出電壓會隨其所剩電量及后級負載的功耗變化而波動，最低可達到6V左右。單片機及各類邏輯芯片均需提供較為精準且穩(wěn)定的5V電壓以保證其正常工作。所以電源管理方案至關重要，是整個硬件系統(tǒng)可靠運行的基礎。傳統(tǒng)電源管理方案中常選用串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源LM7805，然而從其數(shù)據(jù)手冊中可以看到其要求電源輸入電壓為7V以上，故而當智能車電池仍有充足電量時，LM7805顯然已經(jīng)無法正常工作。雖然應用廣泛的開關型穩(wěn)壓電源具有轉(zhuǎn)換效率高，輸入輸出壓差低等等的優(yōu)點，但其電路結(jié)構(gòu)較為復雜、輸出電壓紋波較大且對外圍元件的參數(shù)匹配及可靠性要求較高。由此低壓差中等功率的線性穩(wěn)壓電源在此應用場合中極為受到注重，經(jīng)過長時間的對比及測試我們最終選用TI公司的低壓差線性穩(wěn)壓器TPS7350。在電池電量完全耗盡以前，均能可靠的保證其輸出電壓的穩(wěn)定性。其電源穩(wěn)壓電路參見圖1。

圖1　TPS7350電源穩(wěn)壓器電路

1.2電機驅(qū)動模塊

合理設計的分立元件H橋電機驅(qū)動電路具有出色的低導通電阻及大的輸出功率優(yōu)勢，但其電路設計及邏輯控制較為復雜，且較多的分立元件難以保證驅(qū)動系統(tǒng)的一致性及整體可靠性。

BTS7970為半橋式電機驅(qū)動IC，其性能優(yōu)良，允許最大負載電流高達68A，大封裝的設計便于散熱。其內(nèi)部MOS管完全導通電阻也僅有16mΩ，驅(qū)動效率高、發(fā)熱較小。通過兩片相同的IC組合成H橋式驅(qū)動電路（見圖2），使得驅(qū)動電路極為簡易。并且其內(nèi)部具有安全保護功能，可靠且穩(wěn)定。相比傳統(tǒng)的分立式設計，驅(qū)動能力雖稍弱，但卻具有總體積小，調(diào)試簡單，穩(wěn)定可靠，外圍電路簡單，成本低等優(yōu)點，故選為最終的使用方案。

1.3巡線傳感器模塊

激光傳感型電路已經(jīng)成為當前的主流模式，優(yōu)點是接收距離遠和抗干擾能力強。傳統(tǒng)方案里，激光發(fā)射器較多使用的是恒壓供電，并且為5mW的小功率激光發(fā)射器，因激光接收傳感器的響應敏感度直接受主動光源的功率而影響，故小功率激光發(fā)射器所提供的可靠檢測距離并不遠，且恒壓形式的驅(qū)動方式致使激光發(fā)射器的壽命較短。

圖2　BTS7970電機驅(qū)動電路

目前普遍應用的激光發(fā)射器大多數(shù)為激光二極管，因其為電流敏感器件，故電流穩(wěn)定程度將直接影響到其使用壽命。因此這里我們采用可控精密穩(wěn)壓電源TL431來為激光二極管搭建恒流源驅(qū)動電路，參見圖3，另外我們選用了50mw的相對功率較大的激光二極管，并提高供電電流，增加有效發(fā)射功率。在實際測試中，激光二極管峰值工作電流可達20mA左右，巡線檢測距離可高達1m以上，近距離盲區(qū)也可控制在十幾厘米以內(nèi)，并且激光的光強基本一致。

圖3　TL431恒流源驅(qū)動電路

1.4人機交互界面

為了在不同場合下方便瀏覽及調(diào)整小車內(nèi)部參數(shù)，需要配備簡易快捷的人機交互部分，輸入環(huán)節(jié)我們設計了使用8個獨立貼片按鍵和8位的撥碼開關以方便調(diào)整。

圖4　人機交互效果圖

圖5　控制系統(tǒng)框圖

圖6　PID 控制框圖

傳統(tǒng)顯示環(huán)節(jié)多采用LCD顯示屏，其顯示單元重量及體積通常均比較大。故從縮小占用面積及簡易性方面考慮我們使用了體積小的0.96寸OLED屏，其占用的面積相對非常小，僅有7.8cm2，分辨率也可達128*64，并且OLED為主動發(fā)光，故其對比度相當高，可視角度可達160°。效果圖參見圖4。

3 車?？刂葡到y(tǒng)圖

智能車要能在規(guī)定賽道上高速穩(wěn)定的行駛，除了可靠的硬件、機械保障，剩下的則更多依賴于獨到的控制思想及程序執(zhí)行效率，同樣傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理，舵機、電機間的耦合性，同樣也是至關重要的因素?？刂葡到y(tǒng)方圖參見圖5和圖6。

3.1轉(zhuǎn)向舵機控制算法

轉(zhuǎn)向算法是智能車控制的核心，良好的轉(zhuǎn)向算法應該能使賽車轉(zhuǎn)向快速，準確而靈敏。本次設計使用PD 控制算法。PID 解決了自動控制理論所要解決的最基本問題(系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性)。調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，可實現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，兼顧系統(tǒng)的帶負載能力和抗干擾能力，同時，在 PID 調(diào)節(jié)器中引入積分項，系統(tǒng)增加了一個零積點，使之成為一階或一階以上的系統(tǒng)，讓系統(tǒng)階躍響應的穩(wěn)態(tài)誤差為零。在 PID 控制中，比例項用于糾正偏差，積分項用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，微分項用于減小系統(tǒng)的超調(diào)量，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。PID 控制器的性能就決定于Kp、Ki 和 Kd 這 3 個系數(shù)，PID 控制的核心在于調(diào)整這3個系數(shù)。PID 調(diào)節(jié)器中有比例微分（PD）、比例積分（PI）和比例積分微分（PID）三種類型。由 PD 調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并獲得理想的快速，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由 PI 調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的；用 PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的滯后-超前校正則兼有二者的優(yōu)點，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但參數(shù)調(diào)整復雜。一般調(diào)速系統(tǒng)要求是以動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性的要求可以低一些，所以主要采用 PI 調(diào)節(jié)器；在隨動系統(tǒng)中，快速性是主要的要求，須用 PD 或 PID 調(diào)節(jié)器。

3.2電機速度控制算法

在智能車的控制策略中，控制目標是在滿足一定巡線精度的前提下，盡可能提高車速。

進入直道后，直接控制 PWM 占空比，使加到驅(qū)動電機兩端的平均電壓為最大值，使電機迅速加速；速度超過直線段預設的速度限定值后，PWM 占空比調(diào)為 0，電機無阻尼自轉(zhuǎn)；速度一旦小于給定值，則立即將PWM 占空比調(diào)到最大。判斷進入彎道時，立即調(diào)整 PWM 輸出，使加到電動機兩端的電壓為負的最大值，電機迅速制動；隨后，根據(jù)彎道曲率情況，改變速度給定值，同樣采用上述方式，使賽車在彎道內(nèi)的速度始終接近給定值。

4 結(jié)語

通過多次測試和試驗,改進后的傳感器檢測距離精確度提高且穩(wěn)定，小車的工作時間得到延長，配合PID控制算法，能很好地滿足智能車對路徑識別性能和抗干擾能力的要求,速度調(diào)節(jié)響應時間快,穩(wěn)態(tài)誤差小,具有較好的動態(tài)性能和良好的魯棒性。

【參考文獻】

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[2]王曉明.電動機的單片機控制[M].北京:北京航空航天大學出版社2008.

[3]丹尼斯?克拉克(Clark Dennis),邁克爾?歐文斯(Owings Michael),宗光華(譯者),張慧慧(譯者).機器人設計與控制[M].北京:科學出版社.2004.

[4]來清民.傳感器與單片機接口及實例[M].北京:北京航空航天大學出版社.2008.

劉詩恒（1991-），籍貫：新疆，本科生，主要研究方向：嵌入式硬件；

通訊作者：王慧（1963-），籍貫：湖南，副教授，主要從事物理學的教學與傳感器的研究。

【作者簡介】