段學(xué)濤 黃烽 楊梓怡 趙鍶婷 初明川

摘要：小車(chē)是由MSP430F5529板卡、穩(wěn)壓模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、紅外尋跡模塊以及小車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成的外形尺寸不大于25cm 25cm，重量小于1.5kg的四輪電動(dòng)小車(chē)，使小車(chē)能模擬汽車(chē)在坡道行駛時(shí)的狀態(tài)。它先由電池給驅(qū)動(dòng)模塊供電，并設(shè)有穩(wěn)壓模塊實(shí)現(xiàn)小車(chē)的穩(wěn)壓供電，有效提高了電能的利用率。ST188紅外模塊接收發(fā)送信號(hào)，MSP430F5529系統(tǒng)板對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算，輸出PWM波給電機(jī)，并由高精度編碼器進(jìn)行速度反饋，形成閉環(huán)系統(tǒng)，使電機(jī)輸出速度更加精準(zhǔn)，從而達(dá)到尋跡的目的。通過(guò)對(duì)坡道行駛小車(chē)的設(shè)計(jì)，為實(shí)際生活中汽車(chē)更好的上坡提供設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：四輪電動(dòng)小車(chē);MSP430F5529板卡;PWM驅(qū)動(dòng);紅外尋跡;坡道

0 引言

現(xiàn)階段，不論是出門(mén)旅行或是下鄉(xiāng)回家，汽車(chē)不可避免需要上坡，若上坡時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法提供足夠的動(dòng)力去抵消重力在水平方向的分力以及向上前進(jìn)的動(dòng)力，將會(huì)導(dǎo)致汽車(chē)下滑，而汽車(chē)下滑又將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損傷，減少汽車(chē)使用的壽命，因此研究如何讓汽車(chē)更好、更快、更穩(wěn)的上坡成為了一個(gè)值得思考的問(wèn)題。

為此設(shè)計(jì)出了一種基于MSP430F5529低功耗主控芯片，使用PID控制算法，以黑白線為上坡前進(jìn)的模擬道路，通過(guò)ST188紅外傳感器識(shí)別黑白線前進(jìn)行動(dòng)，并將行駛過(guò)程中所有的速度參數(shù)都顯示在OLED顯示屏上，并通過(guò)SYN6288對(duì)行駛的狀態(tài)進(jìn)行播報(bào)，方便用戶隨時(shí)得到坡道小車(chē)的行駛狀態(tài)。

1 系統(tǒng)模塊選擇

1.1MCU主控模塊選擇

選擇MSP430F5529微控制器。MSP430F5529是TI公司推出最新代的具有集成USB的MSP430器件。它的內(nèi)核是16位RISC的混合信號(hào)處理器，指令速度高達(dá)25MIPS。工作電流極小，并且超低功耗，僅需要1.8～3.6V電壓供電，常規(guī)模式耗電僅250μA/MIPS。強(qiáng)大的處理能力，高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外設(shè)，十分適用于坡道行駛電動(dòng)系統(tǒng)。

1.2電機(jī)選擇

采用直流減速電機(jī)TT馬達(dá)，此電機(jī)抗干擾能力強(qiáng)且?guī)?qiáng)磁，在6V電壓下，空載電流<200mA?？蛰d轉(zhuǎn)速為200+10%rpm。3V電壓下依然能有一定轉(zhuǎn)速，足以帶動(dòng)小車(chē)跑。機(jī)械結(jié)構(gòu)利于安裝，減速直流電機(jī)通過(guò)單片機(jī)控制差速進(jìn)行轉(zhuǎn)彎快捷方向性好;馬力足，在低功率下依然有一定的續(xù)航能力，配合配套的亞克力板底盤(pán)組裝起來(lái)十分穩(wěn)當(dāng)，且容易擴(kuò)展。

1.3驅(qū)動(dòng)模塊選擇

采用TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊。此驅(qū)動(dòng)相對(duì)于傳統(tǒng)的L298N效率上提高很多，體積也大幅減少，在額定范圍內(nèi)，芯片基本不發(fā)熱，且內(nèi)置過(guò)熱保護(hù)和低壓檢測(cè)關(guān)斷電路，PWM控制的頻率可達(dá)100kHz。TB6612采用的是雙H橋驅(qū)動(dòng)電路，體積小，效率高，穩(wěn)定性高，可以通過(guò)四個(gè)口控制兩路電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，性能比較高。

1.4循跡模塊選擇

使用ST188紅外傳感器。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，實(shí)現(xiàn)方便，成本低廉，可以時(shí)刻反應(yīng)識(shí)別的線段，其抗干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)到黑線時(shí)，紅外傳感器中的EC端不導(dǎo)通則不會(huì)電平輸出，當(dāng)檢測(cè)到白線時(shí)，紅外傳感器中的EC端導(dǎo)通有高電平輸出，測(cè)量精準(zhǔn)無(wú)誤。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

為了更好的模擬汽車(chē)在坡道上的行駛，使四輪電動(dòng)小車(chē)在不同的坡道上，沿著指定路線自動(dòng)循跡騎線勻速行駛。整個(gè)系統(tǒng)分為檢測(cè)、控制、驅(qū)動(dòng)三個(gè)模塊。首先利用ST188紅外傳感器對(duì)路面信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，即利用紅外線發(fā)射在黑白顏色的物理表面具有不一樣的反射性質(zhì)的特點(diǎn)。在小車(chē)行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車(chē)上的接收管接收，輸出口產(chǎn)生一個(gè)高電平;如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車(chē)上的接收管接收不到信號(hào)，輸出口產(chǎn)生一個(gè)低電平。經(jīng)過(guò)比較器處理之后，發(fā)送給MSP430F5529主板進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，輸出PWM波，使用閉環(huán)系統(tǒng)，調(diào)試PID精確控制誤差，通過(guò)編碼器進(jìn)行反饋，相應(yīng)的信號(hào)給TB6612驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制整個(gè)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)。在軟件方面，編程實(shí)現(xiàn)小車(chē)前進(jìn)、停止的精確控制以及讓檢測(cè)數(shù)據(jù)在OLED12864顯示，并通過(guò)SYN6288進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。通過(guò)按鍵選擇不同的模式，對(duì)電路的優(yōu)化組合，使小車(chē)可以完成設(shè)定時(shí)間，不同坡度的自動(dòng)循跡行駛。

3 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

3.1爬坡受力分析

根據(jù)物理學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，如圖，當(dāng)小車(chē)沿斜面向下的分力F下=mg sin?θ 和沿斜面向上的靜摩擦力f靜相等時(shí)，小車(chē)平衡在斜坡。改變斜坡傾角θ的大小，得到能使小車(chē)平衡在斜坡的最大傾角θ_max，測(cè)量得θ_max。即對(duì)于普通小車(chē)所能上坡的最大角度為45°。

根據(jù)物理學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，當(dāng)電機(jī)上電時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)。小車(chē)沿斜面向下的分力F=mg sin?θ 小于沿斜面向上的靜摩擦力f靜。小車(chē)向上運(yùn)動(dòng)爬坡。由于采用主動(dòng)輪前驅(qū)的方式爬坡，當(dāng)普通車(chē)輪的靜摩擦力f靜不夠大，爬坡高度不理想時(shí)，通過(guò)對(duì)車(chē)身前段負(fù)重，讓小車(chē)整體重心前移，使靜摩擦力能夠充分大，達(dá)到更好的爬坡高度。

3.2 小車(chē)控制方法分析

小車(chē)的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)輸入連續(xù)變化量且輸出量連續(xù)的過(guò)程。在連續(xù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，按輸入偏差，輸出通過(guò)比列，微分，積分進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算控制的PID控制技術(shù)是一種應(yīng)用最廣泛的控制方式。它具有易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣等一系列優(yōu)點(diǎn)。連續(xù)PID控制器也稱比列—積分—微分指控器，即過(guò)程控制是按誤差的比列，積分和微分對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

PID算法的控制數(shù)學(xué)模型為：

本系統(tǒng)采用PID算法來(lái)控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。編碼器通過(guò)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)不斷采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速，與系統(tǒng)設(shè)定的速度進(jìn)行比較，得到偏差，通過(guò)PID閉環(huán)系統(tǒng)使得小車(chē)的速度達(dá)到設(shè)定的需求。PID算法由誤差放大響應(yīng)比例P、角度誤差積分I和角度微分D組成。使其小車(chē)筆直前行。

本程序采用PID控制，能夠加大系統(tǒng)的反應(yīng)速度，并精確控制電機(jī)的輸出速度。

4 系統(tǒng)總程序設(shè)計(jì)

打開(kāi)紐子開(kāi)關(guān)，各模塊進(jìn)行初始化，OLED顯示屏上顯示當(dāng)前需要上坡的角度以及相應(yīng)的速度輸出，按下啟動(dòng)鍵，小車(chē)立刻啟動(dòng)，開(kāi)始向上做爬坡運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，紅外不停將高電平與低電平信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行處理后，反饋相應(yīng)的信號(hào)給驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)處理后控制電機(jī)以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)在指定路徑上尋跡的功能。行駛的過(guò)程中，與電機(jī)聯(lián)動(dòng)的編碼器，不斷進(jìn)行速度的采集，將采集回來(lái)的速度與設(shè)定的速度進(jìn)行比較做差，得到一個(gè)偏差，送入程序中設(shè)定的閉環(huán)控速系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)前面所述的PID數(shù)學(xué)控制模型，得到一個(gè)快、準(zhǔn)、穩(wěn)且能夠保證小車(chē)順利上坡的速度。當(dāng)小車(chē)檢測(cè)到終點(diǎn)時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)發(fā)出“停止”的聲音，示意用戶到達(dá)目的地。

5 參考文獻(xiàn)

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