楊佳義

（重慶移通學(xué)院智能工程學(xué)院，重慶 401520）

自動循跡小車是智能行走機(jī)器人的一個分支，其具備環(huán)境感知能力和對不同道路狀況的決策能力[1]，這使得循跡小車能夠應(yīng)用于各種道路場景。設(shè)計的難點在于循跡算法的可靠性和軌跡運行，循跡基于傳感器的數(shù)據(jù)，而軌跡調(diào)試需要精確行駛距離和時間[2]。智能汽車的自動循跡控制是自動駕駛系統(tǒng)研究的關(guān)鍵[3]，筆者基于全國大學(xué)生智能汽車競賽提供的B型小車模型設(shè)計自動循跡控制系統(tǒng)[4]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用MC9S12XS128MA單片機(jī)作為主控MCU，系統(tǒng)由單片機(jī)電路、電機(jī)驅(qū)動模塊、編碼器、開關(guān)電源電路、線性穩(wěn)壓電路和傳感器模塊組成[5]。采用編碼器對電機(jī)速度進(jìn)行檢測，結(jié)合增量式PID算法對車速實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)控制[6]，紅外傳感器檢測道路中的障礙信息[7]，利用攝像頭、電磁感應(yīng)和運放電路來檢測道路信息，依據(jù)傳感器信號特征完成對轉(zhuǎn)向舵機(jī)和電機(jī)的控制?？刂葡到y(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計圖

攝像頭采集道路信息傳送給單片機(jī)[8]，電磁傳感器處理斷路的道路情況，結(jié)合紅外傳感器識別障礙物，采用霍爾元件HAL145檢測起跑線，提高道路識別的可靠性。采用雙BTS7960構(gòu)成的全橋電路驅(qū)動電機(jī)RS540，編碼器測試電機(jī)的轉(zhuǎn)速把小車運行速度反饋給主控制器，實現(xiàn)智能車閉環(huán)控制。

1.2 供電電路設(shè)計

直接電源電壓供電紋波大，偶爾會出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象，這將會對單片機(jī)系統(tǒng)的工作造成不良的影響[9]，設(shè)計采用穩(wěn)壓芯片TPS7350，輸出固定且穩(wěn)定的5 V直流電源，為單片機(jī)、蜂鳴器、霍爾元件和編碼器供電，5 V穩(wěn)壓供電電路如圖2所示。舵機(jī)工作時電流相對較大，為了加大爬電距離，舵機(jī)供電在PCB上的走線與其他線路要有充分絕緣距離，且舵機(jī)電路可能會對傳感器等電路產(chǎn)生干擾，因此PCB布線充分考慮EMC（Electro Magnetic Compatibility）。舵機(jī)作為整車主要負(fù)載之一，供電電源需要穩(wěn)定高效，為避免舵機(jī)電流影響其他低壓傳感器的工作，綜合考慮采用MP1584EN開關(guān)電源產(chǎn)生5.5 V電源為舵機(jī)S-D5單獨供電，供電電路如圖3所示。

圖2 穩(wěn)壓5 V供電模塊

圖3 舵機(jī)MP1584EN開關(guān)電源電路

1.3 驅(qū)動控制設(shè)計

智能汽車系統(tǒng)中的電機(jī)是動力源，直流電機(jī)運行電流較大、干擾較多，小車采用調(diào)壓控制電機(jī)運行速度，因此選擇高效、可靠、可控的驅(qū)動電路及方式至關(guān)重要。設(shè)計采用74HC244D驅(qū)動放大，結(jié)合兩個BTS7960芯片，構(gòu)成全橋電機(jī)驅(qū)動電路，驅(qū)動電路如圖4所示。采用集成芯片，電路簡單，并且專用柵極驅(qū)動芯片所具有的硬件保護(hù)、過流保護(hù)等功能可以提高電路工作的可靠性。供電電壓應(yīng)用PWM（Pulse Width Modulation）技術(shù)調(diào)節(jié)占空比實現(xiàn)，可以降低功率損耗，提高效率。

圖4 電機(jī)全橋驅(qū)動原理圖

為防止BTS7960存在高溫?zé)龤У娘L(fēng)險，本次驅(qū)動設(shè)計采用直插封裝的芯片，同時外加大散熱片，散熱片以鋁合金制成，降低材料重量的同時增強(qiáng)了散熱效率，再以硅脂填充芯片與散熱器的間隙進(jìn)一步增加散熱效率。小車運行時，流動的空氣經(jīng)過散熱片帶走部分熱量，降低發(fā)熱的程度。

小車運行速度通過編碼器檢測反饋，編碼器在電機(jī)的帶動下輸出連續(xù)的脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，編碼器輸出脈沖頻率越高，通過在固定的時間段內(nèi)對脈沖進(jìn)行計數(shù)，計算判斷當(dāng)前的車速，編碼器接線電路如圖5所示。

圖5 編碼器電路

1.4 輔助調(diào)試電路設(shè)計

輔助調(diào)試電路能方便觀察智能車參數(shù)，實時了解小車狀態(tài)，配合使用調(diào)試開關(guān)、撥碼開關(guān)切換調(diào)試功能。采用LED顯示屏顯示PWM占空比、運行電流等，設(shè)計采用撥碼開關(guān)來開啟或屏蔽系統(tǒng)某些功能，如開啟或屏蔽起跑線，設(shè)置系統(tǒng)速度基值及對應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)，是否屏蔽環(huán)島，是否開啟碰撞停車以及是否屏蔽測距傳感器等相關(guān)功能。調(diào)試按鍵電路實現(xiàn)某些功能，如系統(tǒng)部分運行參數(shù)設(shè)置，相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)顯示，相關(guān)變量數(shù)值設(shè)定，賽道元素設(shè)置等功能。本系統(tǒng)設(shè)計了8個撥碼開關(guān)和5個調(diào)試按鍵用于系統(tǒng)調(diào)試。無論是硬件設(shè)計、軟件編寫，還是在實際場合的應(yīng)用，往往會出現(xiàn)沒有考慮到的錯誤，因此設(shè)計了蜂鳴器報警電路，方便出現(xiàn)異常情況時排查故障。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)控制設(shè)計

系統(tǒng)控制在MCU上電之后初始化芯片內(nèi)核和所需的外設(shè)模塊，循環(huán)采集傳感器數(shù)據(jù)并執(zhí)行循跡任務(wù)，軟件控制流程如圖6所示。初始化模塊包括系統(tǒng)時鐘、定時器、中斷優(yōu)先級、IO口、PWM控制和A/D轉(zhuǎn)換的初始化，為了提高處理速度，使用XS128單片機(jī)鎖相環(huán)倍頻設(shè)置系統(tǒng)時鐘為80 MHz，設(shè)計定時器1為5 ms中斷，作為速度控制、碰撞停車、起跑線檢測的中斷控制。執(zhí)行循跡任務(wù)首先判斷是否偏離道路，通過攝像頭采集道路左右邊線計算左右偏差，由偏差值識別道路元素，判斷是直道、彎道、環(huán)島、十字路口或者斷路情況，不同的道路元素設(shè)定不同的轉(zhuǎn)向速度和角度，結(jié)合紅外傳感器檢測障礙物執(zhí)行避障程序。應(yīng)用PWM技術(shù)調(diào)節(jié)占空比控制電機(jī)的運行速度，反饋計算前進(jìn)速度和左右電機(jī)轉(zhuǎn)彎前進(jìn)的差速值，使用PID算法實時控制調(diào)節(jié)，提高控制精度。當(dāng)霍爾元件檢測到終點線磁鐵時，執(zhí)行外部中斷停車控制。

圖6 軟件控制流程圖

2.2 小車PWM寬度調(diào)制控制

小車行進(jìn)的動力采用RS540型號的有刷直流電機(jī)，電機(jī)兩端的平均電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，設(shè)計采用脈沖寬度調(diào)制供電電壓實現(xiàn)小車的速度控制。通過改變PWM占空比控制電機(jī)端平均電壓，達(dá)到調(diào)速的目的[10]，PWM初始化程序如下：

四個時鐘源A、SA、B、SB中選擇SA、SB作為PWM輸出通道的時鐘源，將PWM輸出通道設(shè)置為左對齊先輸出高電平然后翻轉(zhuǎn)的模式。通過PWMSCLA寄存器設(shè)置時鐘SA，其計算公式為：Clock SA=Clock A/（2*PWMSCLA），時鐘Clock A的頻率為80 MHz，可得Clock SA=40 MHz，同理可得Clock SB=2 MHz。由于電機(jī)PWM工作頻率為20 kHz，舵機(jī)PWM工作頻率為100 Hz，所以需將兩個PWM通道級聯(lián)，設(shè)置PWMCTL寄存器將所有PWM輸出通道兩兩串聯(lián)，令周期寄存器的值分別為PWMPER45=2 000、PWMPER67=20 000。PWMxx頻率計算公式為：PWMxx頻率=通道時鐘/PWMPERxx。小車的初始速度為0，將小車初始化占空比為0，測得舵機(jī)位于中點處的占空比為2 970，最后使能PWM通道。在控制系統(tǒng)中對PWMDTYxx占空比寄存器直接賦值，就能控制小車的速度與轉(zhuǎn)向。

3 系統(tǒng)調(diào)試和參數(shù)驗證

算法程序中的參數(shù)受小車結(jié)構(gòu)、傳感器和控制精度的影響，通過仿真得到的參數(shù)只能作為參考值?？刂葡到y(tǒng)通過現(xiàn)場調(diào)試獲得優(yōu)化參數(shù)。采集實際參數(shù)配合上位機(jī)串口監(jiān)控程序，實時顯示程序運行過程中各個數(shù)據(jù)變化過程，輔助計算待定參數(shù)，確定參數(shù)的優(yōu)化數(shù)值。

舵機(jī)參數(shù)調(diào)試通過實際小車的運行姿態(tài)來判斷參數(shù)的范圍。小車舵機(jī)控制算法采用PD控制，逐漸增大比例增益P，直至小車運行過程中出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，再反過來，逐步減小比例增益P，直至振蕩消失，記錄此時的比例增益P，設(shè)定PD的比例增益P為當(dāng)前值的60%~70%。微分控制可以提高小車的預(yù)調(diào)節(jié)能力，將參數(shù)D的調(diào)節(jié)與循跡小車的彎道處理能力結(jié)合起來優(yōu)化微分參數(shù)D。

避障軌跡調(diào)試通過對距離的精準(zhǔn)采集，保證小車無論以何種速度執(zhí)行避障程序，都能夠恰好越過障礙物，回到設(shè)定軌跡。通過推動小車行駛10 cm記錄編碼器反饋脈沖數(shù)，多次測試后確定小車行駛10 cm脈沖計數(shù)650次，將舵機(jī)擺動幅度與小車運動軌跡結(jié)合確定舵機(jī)PWM脈沖寬度輸出。

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計了基于單片機(jī)MC9S12XS128MA的自動循跡小車的控制系統(tǒng)，應(yīng)用code warrior開發(fā)調(diào)試，結(jié)合路況實現(xiàn)穩(wěn)定車速、環(huán)島處理、避障軌跡設(shè)計和數(shù)據(jù)濾波，能夠保證小車穩(wěn)定快速地跑完全程。通過對小車進(jìn)行多次運行調(diào)試，優(yōu)化算法和整定參數(shù)，應(yīng)對不同外部環(huán)境小車能作出相應(yīng)的控制決策，實現(xiàn)小車的自動循跡控制。