吳祥飛，何恩節(jié)，鄭磊，陳宏茂

（安徽科技學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，鳳陽 233100）

0 引言

智能汽車是一個(gè)集物聯(lián)網(wǎng)信息處理、外界環(huán)境感知、行駛決策、路線規(guī)劃等功能于一體的綜合智能控制系統(tǒng)[1]。汽車智能技術(shù)以信息技術(shù)為核心，綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能以及自動控制等方面的技術(shù)，是現(xiàn)代尤為典型的高新技術(shù)綜合體[2]。“飛思卡爾”智能車競賽使用的智能車模作為智能汽車的縮微模型，要求智能車在預(yù)先未知路況的情況下，能夠利用其本身的各種傳感器判別復(fù)雜路況，并將所獲取的路況信息做智能化處理，得以實(shí)現(xiàn)沿引導(dǎo)黑線以較高速度穩(wěn)定行駛。路徑識別和路況信息處理在智能車系統(tǒng)中起著尤為關(guān)鍵的作用，路況識別和行駛方案選取的好壞，直接關(guān)系到智能車性能的優(yōu)劣。因此光電傳感器的布局和電路設(shè)計(jì)，路徑規(guī)劃算法的優(yōu)化是智能車總體設(shè)計(jì)方案的兩大重點(diǎn)。

1 光電智能車整體結(jié)構(gòu)

光電技術(shù)智能車按照功能可分為五個(gè)部分：主控模塊、光電傳感器模塊、電源模塊、速度檢測模塊、舵機(jī)驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動模塊。光電智能車整體結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 光電智能車整體結(jié)構(gòu)

1.1 主控模塊

主控模塊采用的中央控制單元為混合信號ARM Cortex-M4系列32位單片機(jī)MK60N256VLQ100，此單片機(jī)具有256KB的Flash，128KB的RAM，高精度16位ADC、12位DAC和100MHz的工作頻率，其各性能都滿足智能車對主控制器資源的要求[3]。K60最小系統(tǒng)見圖2。

1.2 光電傳感器模塊

光電智能車通過加裝各類光電傳感器實(shí)現(xiàn)路徑檢測、路況判別、路線優(yōu)化等功能。光電智能車使用的光電傳感器有：紅外光電傳感器、光電編碼器、紅外遙控、光敏電阻。

圖2 K60最小系統(tǒng)

1.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

1.4 電源管理模塊

電源模塊采用LM1117-5V、LM117ADJ、LM1117-3.3V、MC34063等穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)對光電智能車各模塊供電，電源管理模塊將供電電源（7.2V）經(jīng)多路DC-DC轉(zhuǎn)換后，為中央控制器（5V）、舵機(jī)（6V）、光電傳感器（3.3V）、電機(jī)驅(qū)動（5V）等模塊供電。另外，電源模塊設(shè)

電機(jī)驅(qū)動模塊是由大功率驅(qū)動芯片BTS7960搭建的全H橋驅(qū)動電路，BTS7960組成的全H橋電路具有過熱過流保護(hù)、有效隔離電機(jī)驅(qū)動模塊和其他模塊和強(qiáng)勁的驅(qū)動和剎車效果等優(yōu)良的性能。主控制器通過輸出兩路PWM控制信號來驅(qū)動BTS796芯片，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)正反轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動模塊見圖3。計(jì)有防反接和靜電保護(hù)的功能，可有效保護(hù)整個(gè)電路系統(tǒng)。電源模塊見圖4。

2 光電傳感器

光電傳感器通過把變化的光強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)換成變化的電信號實(shí)現(xiàn)探測。絕大多數(shù)的光電傳感器由發(fā)送器、接收器和檢測電路這三部分構(gòu)成[4]。

發(fā)射端（半導(dǎo)體光源）通過對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射連續(xù)或變光脈沖寬度的光束，給接收器傳輸持續(xù)或間斷的光信號。接收端（半導(dǎo)體接收器）通過接收發(fā)射器發(fā)送來的光信號并將光信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，有LED、LD及IR LED；而接收器則有 Photo-Diode、Phototriode、Photocell。通常，為了能夠最大限度地提高光電傳感器信噪比（SNR），在接收器的前面會裝有透鏡和光圈等光學(xué)元件，在接收器的后端則配有耦合、濾波、還原、放大功能的檢測電路。

按光電傳感器的工作方式可以將光電傳感器分為槽型光電傳感器、對射型光電傳感器、反光板型光電開關(guān)和擴(kuò)散反射型光電開關(guān)四種類型[5]。

2.1 紅外遙控

紅外遙控屬于對射型光電傳感器，其在光電智能車調(diào)試環(huán)節(jié)起到關(guān)鍵的作用，可為智能車的調(diào)試帶來極大的便利[6]。為了提高光電智能車的調(diào)試效率、尋求最優(yōu)算法和路線，在經(jīng)過十字、環(huán)形、S彎、斜坡等復(fù)雜路況時(shí)，可利用紅外遙控設(shè)置智能車的過道速度、內(nèi)外輪差速、調(diào)速PID參數(shù)和舵機(jī)打角PID參數(shù)。

2.2 紅外光電傳感器

圖3 電機(jī)驅(qū)動模塊

圖4 電源模塊

為了能夠及時(shí)準(zhǔn)確獲取光電智能車的位置信息，需要在車前部加裝紅外光電傳感器。紅外光電傳感器屬于擴(kuò)散反射型光電開關(guān)，由一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏三極管組成。當(dāng)發(fā)射端發(fā)射的光信號照射到黑色物體時(shí)，光信號會極大的減弱，致使接收端的響應(yīng)電壓小于閾值電壓，則系統(tǒng)判別此時(shí)光電對管在黑線正上方。獲取位置信息后，將偏心距ek帶入舵機(jī)打角PID函數(shù)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定快速調(diào)整小車位置。

2.3 光敏電阻

紅外光電傳感器作為光電智能車最為關(guān)鍵的要素，其受外界光照強(qiáng)度的影響極大，在面對不同的路況和環(huán)境，給其設(shè)置固定的閾值是不能滿足智能車的要求的。然而，通過加裝光敏電阻則可實(shí)現(xiàn)閾值的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。光敏電阻將感知到的外界光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)化為電信號，這樣就可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)紅外對管的感光靈敏度。

2.4 光電編碼器

光電編碼器屬于對射型光電傳感器。想要實(shí)現(xiàn)智能車在不同路況按照設(shè)定速度穩(wěn)定運(yùn)行，則需要將其實(shí)際運(yùn)行速度帶入速度控制PID函數(shù)以實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制。因?yàn)橹悄苘囋谶\(yùn)行中存在機(jī)械損耗、道路摩擦、啟停慣性和轉(zhuǎn)向側(cè)移，其實(shí)際運(yùn)行速度不能始終嚴(yán)格按照設(shè)定速度運(yùn)行，這樣就需要通過加裝高精度的光電編碼器實(shí)時(shí)采集光電智能車實(shí)際運(yùn)行速度信息[7]。

3 光電傳感器硬件設(shè)計(jì)和布局

紅外光電傳感器采用TCRT5000反射式光電開關(guān)。當(dāng)光敏三極管接收到紅外信號后輸出電壓會發(fā)生變化，經(jīng)LM324比較器整形后得到處理后的輸出結(jié)果。比較電壓的大小由光敏電阻受光光強(qiáng)決定[5]。TCRT5000電路原理圖如圖5。

圖5 TCRT5000電路原理圖

位置信息采集方式采取雙排點(diǎn)陣采集方式。光電對管布局如圖6所示（黑圈內(nèi)數(shù)字為該光電對管的位權(quán)值 jk）。設(shè)定探測到黑線的光電對管位值m=1，未探測到的為零。前后排光電管偏心距為別為d1,d2，，小車重心與前排光電管距離為l1，舵機(jī)與后排光電管距離為l2，位置偏差Δ=d1+d2，小車重心偏離中心線偏心距。當(dāng)Δ≤1cm時(shí)，判定路況為直線，ek=d。Δ＞1cm時(shí)，判定路況為大彎，ek=d2。設(shè)定pwm0=1500為舵機(jī)舵盤轉(zhuǎn)到最中間值。舵機(jī)打角算法采用PD算法，算法為pwm=pwm0+kp*ek+kd*(ek-ek-1) ，（ kp、ki、kd、ek、ek-1分別為比例、積分、微分、本次偏心距、上次偏心距）[8-9]。

圖6 光電對管布局

圖7 控制系統(tǒng)流程圖

4 速度控制

賽道復(fù)雜多變的智能車運(yùn)行系統(tǒng)是典型的非線性系統(tǒng)，速度控制算法選取的是否合適直接影響到智能車運(yùn)行系統(tǒng)的性能。利用定時(shí)中斷模塊對電機(jī)調(diào)速進(jìn)行控制，每隔10ms對智能車速度進(jìn)行一次更新。此處速度控制算法選取增量式PID算法，這樣就需要光電編碼器實(shí)時(shí)測量光電智能車的實(shí)際運(yùn)行速度。光電智能車的設(shè)定速度為v，實(shí)際行駛速度v0。v=v0+kp*(ev-ev-1)+ki*ev+kd*(ev-2ev-1+ev-2)(kp、ki、kd、ev、ev-1、ev-2分別為比例、積分、微分、本次速度、上次速度、上上次速度）[8]。

5 結(jié)語

本文提出了一種基于光電傳感器尋跡的智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，采用MK60N256VLQ100單片機(jī)做主控制器。以CodeWarrior 10.7環(huán)境作為編程環(huán)境，在此環(huán)境下實(shí)現(xiàn)整個(gè)光電智能車系統(tǒng)開發(fā)、調(diào)試和優(yōu)化。在結(jié)構(gòu)方面，規(guī)劃了點(diǎn)陣光電對管的合理布局，提高了智能車尋跡性能。在控制算法方面，加入舵機(jī)打角參量，增加了穩(wěn)定性控制的因子；采用紅外路徑搜索算法和增量式PID控制算法，不僅保證了光電智能車在行駛過程中能夠快速、準(zhǔn)確地尋跡，而且使其可以在面對不同路況時(shí)采取不同的加減速策略?？刂葡到y(tǒng)流程圖見圖7。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光電智能車系統(tǒng)響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、動態(tài)性能好且整體控制性能良好。