基于ARM7+μC/OS-II的智能循跡小車設計

張 霖，張 桐

1.中南大學，湖南長沙 410086

2.廈門大學嘉庚學院，福建廈門 363105

汽車是改變?nèi)祟惿畹囊豁椫匾l(fā)明，其產(chǎn)生和發(fā)展已有百年，從福特的福特汽車到現(xiàn)在的奔馳，汽車的每一次進步都標志著整個人類社會的巨大飛躍。時至如今，智能化已成為時代的潮流，所以開發(fā)車輛自動駕駛系統(tǒng)也成為大勢所趨。

在本文中，設計了一種能夠在鋪有引導線的跑道上自動循跡的小車，小車的控制核心采用荷蘭NXP 公司生產(chǎn)的LPC2131 芯片，并采用電磁引導的方式進行循跡，即通過在跑道中心線鋪設一條通有200mA、20KHz 電流的導線產(chǎn)生磁場來進行導航，并在賽車后輪軸傳動齒輪上加裝脈沖編碼器來測量后輪轉(zhuǎn)速。鑒于傳統(tǒng)的“裸機編程”形式實時性較差且不穩(wěn)定，故而本設計中將實施操作系統(tǒng)μC/OS-II 應用到車輛的自動控制之中，并且應用了PID 控制算法以期獲得更好的結(jié)果。

1 系統(tǒng)硬件設計

智能車的設計由采用ARM7 核的LPC2131 芯片作為核心控制器.如圖1 所示，系統(tǒng)硬件分為五個模塊：核心控制單元、路徑識別、微控制器、電機驅(qū)動、電源管理和人機交互等模塊。其中，系統(tǒng)模塊圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體模塊圖

1.1 核心控制模塊

核心控制模塊采用LPC2131，其特點是片內(nèi)資源豐富，有PWM、AD、SPI、I2C、CAN 等多種通信接口，且封裝小、功耗低，適合智能車系統(tǒng)的使用。系統(tǒng)引腳的分配如下：P0[27:30]為AD 輸入模塊，接收從傳感器得到的信號，P0.21、P0.9 為PWM 信號輸出口，用于控制智能車的轉(zhuǎn)向和行駛，P0.10 口作為智能車測速輸入口，用于接收脈沖編碼器采集到的信號。

1.2 電源管理模塊

智能車供電采用7.2V 鋰電池供電，其中，小車電機直接由鋰電池通過電機驅(qū)動電路供電，而其他部分則經(jīng)過降壓和穩(wěn)壓后供電。賽車的電機驅(qū)動電路必須和核心控制電路分離，因為在電機運行的時候會產(chǎn)生很大的電流，不過不合控制電路分開的話，過大的電流通過地線回流會損壞控制芯片。

核心控制電路中，由LM7806 穩(wěn)壓芯片將電源電壓轉(zhuǎn)化至6V 供舵機使用，由LM2940 將電源電壓穩(wěn)至5V 供除LPC2131外的集成電路芯片使用，由LM1117 將電源電壓穩(wěn)至3.3V 供LPC2131 芯片使用。

1.3 路徑識別模塊

在路徑檢測上，使用通有100mA，20kHz 的導線作為引導線，根據(jù)麥克斯韋理論，變換的電場會產(chǎn)生變化的磁場，所以智能車可以通過處理由安裝在賽車前部的4 個電感在切割磁感線時產(chǎn)生的感應電動勢來判斷當前位置。

圖2 賽道周圍磁場分布

圖3 長直導線磁場分析

由于賽道寬度遠小于電磁波波長，故而賽道可視為緩變磁場。所以，我們可以使用分析靜態(tài)電磁場的方法來分析導線附近的電磁場分布，進而檢測位置。根據(jù)畢奧-薩伐爾定律可知：在通有恒定電流I，長度為 L 的通電直導線周圍存在電磁場，距離導線r 處P 點 （如圖3 所示）電磁感應強度為：

可得：

由于賽道的導線很長，可近似視為無限長，故而，上式中θ1=0,θ2=π?？傻茫?/p>

如圖4 所示：

圖 4 無限長直導線電磁分析

根據(jù)電感線圈在磁場中感應電動勢計算公式：

可知，在傳感器靠近電磁線的地方，傳感器獲得的電壓信號越大，反之則越小，如圖5 所示。

圖5 感應電動勢E 與距離x 之間的關系

由此，我們可以較容易地獲取賽道中心線的位置。首先，對所有的傳感獲得的數(shù)據(jù)進行處理，找出得到最大數(shù)據(jù)傳感器的位置，實現(xiàn)對賽道信息的粗定位，然后再以最大值傳感器位置為中心，借助其左右傳感器獲取的信號的大小來確定是偏左還是偏右，以實現(xiàn)更加精確的定位。

經(jīng)過多次的研究和實驗發(fā)現(xiàn)， 運用分段處理和歸一化運算可以有效的解決上述問題。分段處理就是把相鄰傳感器之間的中心位置作為運算的分界點，分別處理各段的數(shù)據(jù)信息；歸一化運算就是將得到的數(shù)據(jù)與曲線最大值之間的比值來計位置偏移量，這樣將比值控制在0-1 之間，用一個常量乘以這個比值就可以相應的位置。這樣獲得的比例位置關系非常的接近直線關系，可以近似為一次函數(shù)來處理。其仿真關系如圖 6 所示。

圖6 分段處理和歸一化運算

1.4 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊包括兩個部分：電機驅(qū)動部分和測速部分。

電機驅(qū)動部分采用了全橋驅(qū)動的原理，如圖7 所示，通過4 個組成H 狀的MOS 管的通斷來控制電機的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)。

圖7 H 橋驅(qū)動原理圖

在具體實現(xiàn)上，電源模塊采用了兩塊BTS7960 構(gòu)成一個全橋驅(qū)動電路。BTS7960 是一塊集成的電機驅(qū)動芯片，每塊BTS7960 芯片內(nèi)部集成了一個半橋電路，將兩個BTS7960 連接，便能夠組成一個全橋驅(qū)動電路。

測速部分使用了光電編碼器來實現(xiàn)。光電編碼器內(nèi)部有一與電動機同軸轉(zhuǎn)動的光柵，有一發(fā)光二級管照射在光柵之上，當光柵隨電機轉(zhuǎn)動的時候，發(fā)光二級管的光線透過光柵周期性的照射到另一側(cè)的光電二極管上，便產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)輸出裝置傳送至微處理器中，系統(tǒng)通過對脈沖進行計數(shù)來確定當前電機轉(zhuǎn)速。

1.5 賽道電源模塊

賽道電源旨在驅(qū)動賽道中心線下鋪設的0.1mm～0.3mm直徑的漆包線，如圖8 所示，其頻率范圍為頻率范圍：20K±2KHz，其電流范圍為電流范圍：50mA～150mA。

圖8 線圈驅(qū)動電壓與電流示意圖

賽道電源模塊由振蕩電路、功率輸出、恒流控制電路和電源4 個部分組成，如圖9 所示。其中，振蕩電路由555 時基電路組成，用于產(chǎn)生脈沖信號；功率輸出電路由L298 電機驅(qū)動芯片組成，用于提高輸出信號的功率使之能夠使用；恒流電路運用三極管恒流特性，將輸出電流穩(wěn)定在50mA ～150mA 范圍內(nèi)。

2 控制策略

2.1 PID 控制理論介紹

智能車的控制采用PID 控制理論。PID 控制分為3 個部分：即比例（P）控制 、積分（I）控制和微分（D）控制。比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系，這樣可以通過積分項的增加而消除穩(wěn)態(tài)誤差。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系，這樣就可以通過當前和以前的誤差預測誤差變化的趨勢。

2.2 智能車速度控制

由于智能車電機的供電直接由7.2V 電池完成，而電池的電量卻是時時刻刻在下降，所以選用絕對的PWM 占空比來控制電機轉(zhuǎn)速時不現(xiàn)實的。只能通過每次輸出占空比的增量來控制電機，才能保證控制的有效性。

由以上分析可知，智能車的速度控制需要采用增量式的PID 控制，即：

其中e(k)即為每次速度檢測所得速度值與偏差值之間的誤差。

但是，當此控制系統(tǒng)遇到較大的偏差時，由于PID 算法固有的特性，就會造成魯棒性不足的問題。

所謂魯棒性，魯棒是Robust 的音譯，也就是健壯和強壯的意思，指標稱系統(tǒng)所具有的某一種性能品質(zhì)對于具有不確定性的系統(tǒng)集的所有成員均成立，如果所關心的是系統(tǒng)的穩(wěn)定性，那么就稱該系統(tǒng)具有魯棒穩(wěn)定性；如果所關心的是用干擾抑制性能或用其他性能準則來描述的品質(zhì)，那么就稱該系統(tǒng)具有魯棒性能。

為了彌補這一缺點，本設計在算法設計中為PID 的調(diào)節(jié)設定了邊界，當系統(tǒng)誤差過大的時候，便直接輸出最大或最小值以期快速改變減小誤差，防止超調(diào)。

圖9 為智能車速度控制流程圖。

圖9 賽道電源模塊圖

2.3 智能車轉(zhuǎn)向控制

智能車的轉(zhuǎn)向主要由控制舵機完成，而舵機會嚴格地按照單片機輸出的PWM 信號占空比來轉(zhuǎn)向相應的角度，因此，不同于電機，舵機可以使用PWM 占空比的絕對值來控制。

而舵機是一個延遲很大的機械機構(gòu)，如果使用PID 算法中的I 項會造成很大的機械延遲，并且I 項對于過去數(shù)據(jù)的依存度很高，累加運算量大，如果中間出現(xiàn)故障，會極大地影響智能車轉(zhuǎn)向的控制，所以，在舵機控制中只使用了PD 控制，去掉了I 項，即：

與電機相同，舵機控制中也存在著魯棒性的問題，所以，也要為PID 的調(diào)節(jié)設定了邊界，當系統(tǒng)誤差過大的時候，便直接輸出最大或最小值以期快速改變減小誤差，防止超調(diào)。

圖10 速度控制流程圖

舵機控制流程圖如圖11 所示。

圖11 轉(zhuǎn)向控制流程圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 μC/OS-II 系統(tǒng)簡介

在本設計中，選用了嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II。μC/OS-II 是由Labrosse 先生編寫的一個開放式內(nèi)核，最主要的特點就是內(nèi)核占用空間小，源碼公開。μC/OS-II 是一個占先式的內(nèi)核，即已經(jīng)準備就緒的高優(yōu)先級任務可以剝奪正在運行的低優(yōu)先級任務的CPU 使用權。這個特點使得它的實時性比非占先式的內(nèi)核要好。μC/OS-II 和大家所熟知的Linux 等分時操作系統(tǒng)不同，它不支持時間片輪轉(zhuǎn)法。μC/OS-II 是一個基于優(yōu)先級的實時操作系統(tǒng)，每個任務的優(yōu)先級必須不同，分析它的源碼會發(fā)現(xiàn)，μC/OS-II 把任務的優(yōu)先級當做任務的標識來使用，如果優(yōu)先級相同，任務將無法區(qū)分。進入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務首先得到CPU 的使用權，只有等它交出CPU 的使用權后，其他任務才可以被執(zhí)行。μC/OS-II 對共享資源提供了保護機制。正如上文所提到的，μC/OS-II 是一個支持多任務的操作系統(tǒng)。一個完整的程序可以劃分成幾個任務，不同的任務執(zhí)行不同的功能。

3.2 系統(tǒng)任務劃分

表1 任務劃分及說明表

圖12 任務控制關系圖

在本系統(tǒng)的設計中，共定義了4 個任務：系統(tǒng)啟動任務Task_Init()、路徑檢測任務Task_Location()、轉(zhuǎn)向控制任務Task_Turn()和速度控制任務Task_Speed()。調(diào)度工作可分為兩個部分：最高優(yōu)先級任務的尋找和任務切換。

在本系統(tǒng)中，任務劃分及說明如表1 所示。如圖12 所示，操作系統(tǒng)任務調(diào)度和通信流程如下：系統(tǒng)啟動后，執(zhí)行Task_Init()來進行系統(tǒng)的初始化，在初始化任務執(zhí)行完畢后，利用系統(tǒng)內(nèi)置的OSTaskDel()函數(shù)，使得該任務進入休眠狀態(tài)。此時，路徑檢測任務Task_Location()將成為優(yōu)先級最高的任務并一直執(zhí)行。當Task_Location()檢測到路徑發(fā)生變化的時候，會通過郵箱傳遞數(shù)據(jù)到Task_Turn()，并由Task_Turn()控制舵機PWM信號的輸出；同時，Task_Location()檢測到路徑發(fā)生變化的時候，也會通過郵箱將預期需要達到的速度發(fā)送到Task_Speed()，Task_Speed()根據(jù)在定時器中斷服務函數(shù)中得到的編碼器轉(zhuǎn)數(shù)來計算速度值，并決定PWM 輸出。任務優(yōu)先級較低，但是同樣會一直執(zhí)行，并且每次中斷都會向該任務發(fā)送信號量使其進入就緒態(tài)。

4 結(jié)論

智能車是一個自動行駛的智能控制系統(tǒng)，它從傳感器中采集信息，而后信息流入智能車的大腦，即是微處理器。處理器分析數(shù)據(jù)并運算后得出指令并傳輸給執(zhí)行機構(gòu)。這就是一個完整的智能系統(tǒng)，而本文的任務就是如何去完成這個系統(tǒng)并轉(zhuǎn)化到智能小車上。

本文設計的系統(tǒng)能夠較好地滿足智能車行駛的需要，并且有一定的擴展性。在本文中完成了智能車設計的軟件、硬件和機械3 個方面。

在軟件方面，本設計在嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II 開發(fā)了驅(qū)動程序并且設計了系統(tǒng)的整體程序，并運用了PID 控制算法，較好的完成了智能車行駛控制的任務，具有良好的實時性，對于小車行駛中可能遭遇到的各種問題都能很好的應對。

在硬件方面，本設計選擇了一款適合小車的ARM7 系列芯片，并以此為重心完成了小車各個模塊的硬件設計，并在此基礎上，又完成了各個部分的接口電路設計，使得整個小車能夠耦合成為一個有機的整體。

[1]基于交變磁場檢測的路徑識別智能車控制系統(tǒng)設計.

[2]張自友.樂山師范學院學報，2010，25(12).

[3]劉益民，等.轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)中高精度測速方法的研究與實現(xiàn)[J].科學技術與工程，2007(8).

[4]楊巍.基于內(nèi)模整定的PID算法應用與研究.華北電力大學(北京)，2010.

[4]司利云，等.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ及其應用[J].電子產(chǎn)品世界，2002.

[5]晏五一.基于ARM的新型遠程配變監(jiān)控終端研究與設計[D].湖南大學，2007.

[6]郭煒璜.PID控制在清梳聯(lián)系統(tǒng)中的應用[J].國際紡織導報，2009(2).