基于光電傳感器智能車系統(tǒng)的設(shè)計

葉夢君，胡長暉，張先鶴，王小威，袁亞軍，呂高強

(湖北師范學(xué)院 機電與控制工程學(xué)院，湖北 黃石 435002)

0 引言

傳感技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合是構(gòu)成智能系統(tǒng)的兩大支柱，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域，具有重要的研究和應(yīng)用價值。

光電技術(shù)智能車系統(tǒng)行駛的路徑為白色KT板，路徑中心有寬度為2.5cm的連續(xù)的黑色線條。該黑色線條作為智能車行駛的導(dǎo)航信息源。智能車采用反射式紅外光電傳感器檢測路徑黑線，并沿著黑線快速行駛。光電管照射到黑色線條和白色路面上，將產(chǎn)生不同反射情況，通過這種不同的反射情況，能找到接收管所在的位置，從而檢測智能車相對于路徑中心黑色線條的位置，控制智能車的行駛方向和行駛速度。

1 智能車系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

光電技術(shù)智能車根據(jù)功能可分為七個部分：以MC9S12XS128為主控制器的最小系統(tǒng)模塊、光電傳感器模塊、電源管理模塊、速度檢測模塊、舵機驅(qū)動模塊、電機驅(qū)動模塊、輔助調(diào)試模塊。如圖1所示為智能車系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。

1.1 主控制器

MC9S12XS128具有128KB的FLASH，12KB的RAM，4KB的EEPROM.片上集成有電壓調(diào)節(jié)、在線調(diào)試、時鐘產(chǎn)生、定時器、A/D轉(zhuǎn)換、PWM輸出等模塊，滿足智能車對主控制器資源的要求。

1.2 光電傳感器

光電傳感器采用反射式紅外光電傳感器ST188，ST188由一個高發(fā)射功率紅外光電二極管和一個高靈敏度光電晶體管組成。紅外發(fā)射管的光線照射在白色的底板上，光電晶體管能夠接收到反射紅外光；紅外發(fā)射管的光線照射在黑色中心線條上被吸收，光電晶體管不能接收到反射的紅外光。

1.3 電機驅(qū)動

電機驅(qū)動模塊是由分離元器件IRF4905和IRFZ48N搭建的H橋，主控制器輸出兩路PWM控制信號驅(qū)動IR4427芯片，控制H橋以驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)。

1.4 速度檢測

采用光電編碼器YZ30D-(4S)-2NA-200，脈沖數(shù)200，具有功耗低，抗沖擊，重量輕的特點。

1.5 電源管理

電源管理模塊將車載輸入主電源(7.2V)經(jīng)多路并聯(lián)的DC-DC轉(zhuǎn)換后，為主控制器(5V)，舵機(6V)，光電傳感器(5V)，電機驅(qū)動(5V)等模塊供電。

2 光電傳感器設(shè)計

2.1 光電傳感器電路設(shè)計

光電傳感器的接收電路圖如圖2所示， 反射式紅外光電傳感器ST188接收晶體管的輸出信號，經(jīng)放大器LM324組成的比較電路輸出。ST188的發(fā)射管一直處于工作狀態(tài)，且工作電流恒定。光電傳感器的工作原理是，當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線垂直的照射到白色底板上，經(jīng)反射的紅外光線被接收管接收，光敏三極管將導(dǎo)通，比較器輸出低電平，實際測量值為0V；當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線垂直的照射到黑色導(dǎo)航線上，紅外光線未被反射，光敏三極管截至，比較器輸出高電平，實際測量值3.4V，因此，光電傳感器的輸出信號不需要經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，直接可以通過主控制器的通用I/O口讀取。

圖1 智能車系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 圖2 光電傳感器接收電路

2.2 光電傳感器布局

光電傳感器布局如圖3所示，分為兩排安裝，黑色圓圈代表光電傳感器的位置，前排13個光電傳感器，從左至右依次標號為-6～6，后排7個傳感器，從左至右依次標號-3～3.前后排距離9cm，前排總長18cm，后排總長9cm，相鄰兩光電傳感器的間距為1.5cm，這樣能夠保證任意時刻，路徑中心黑線都能被光電傳感器檢測到，而不會因為傳感器的間距過大，漏掉黑線。整個傳感器模塊安裝在車身前端，與路徑水平面的距離為5cm.

3 信號采集與處理

光電傳感器采集的賽道信息，輸出信號為高電平或低電平，通過主控制器MC9S12XS128的通用I/O口直接讀取該信號，獲取光電傳感器的信號后，需要搜索是哪個傳感器檢測到了黑線。本智能車系統(tǒng)采用重心法搜索檢測到黑線的光電傳感器，重心法計算公式如下：

(1)

在該公式中，位值為光電電傳感器輸出的信號值取反，當(dāng)光電傳感器檢測到黑線其位值為0，否則為1.權(quán)位值是每個光電傳感器區(qū)別于其他光電傳感器的編號，如圖3所示，每個黑色圓圈內(nèi)部數(shù)字就是該光電傳感器的權(quán)位值。對于不同的光電傳感器檢測到黑線，其重心值是不同的，也是獨一無二的。因此重心法能夠準確的確定是哪個傳感器檢測到了黑線。在光電傳感器模塊的前排和后排使用重心法，可以分別找到檢測到黑線的光電管的重心值。通過重心值，查表得到舵機的偏轉(zhuǎn)角。當(dāng)智能車沿直線路徑行駛時，智能車的中心軸與賽道中心黑線平行或重合，此時檢測到黑線的前排和后排光電傳感器的連線與智能車的中心軸平行或重合，智能車的運行方向無需偏轉(zhuǎn)，智能車可以快速行駛。

圖3 光電傳感器布局圖 圖4 智能車運行示意圖

當(dāng)智能車沿彎道路徑行駛時，如圖4所示為光電智能車沿彎道運行的示意圖，圖中底部的黑色橢圓表示智能車的前輪。通的前、后排標號為0的黑色虛直線表示智能車的中心軸。黑色彎曲的實線表示智能車路徑上的導(dǎo)航黑線，前排標號為-4，后排標號為-1的光電管能檢測到賽道中心黑線。為了順利通過彎道，智能車需要偏轉(zhuǎn)一定的角度θ，θ為圖4中兩條黑色虛直線的夾角，計算夾角θ的公式可表示為：

(2)

其中，L4、L1表示標號為4和1的光電傳感器到智能車中心軸的距離，它們分別為6cm和1.5cm，L表示前排傳感器與后排傳感器的距離，為9cm.實際控制中，并不需要計算夾角θ的值。只需要建立tanθ的值與控制舵機偏轉(zhuǎn)角度θ的PWM值之間的關(guān)系表，通過查表控制智能車舵機的偏轉(zhuǎn)。

4 速度控制

智能車速度控制決定了智能車系統(tǒng)性能，賽道千變?nèi)f化的智能車運行系統(tǒng)是典型的非線性系統(tǒng)，很難找到最佳的智能車速度控制的方法，PID控制結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易于調(diào)整，可以應(yīng)用于任何可控制對象。數(shù)字PID算法易于軟件實現(xiàn)，參數(shù)易于調(diào)整，在智能車系統(tǒng)中能夠取得較好的控制效果。速度控制的目標是使智能車能夠穩(wěn)定、快速的行駛，并能在不同的路徑上實現(xiàn)不同速度的迅速切換。

圖5 智能車閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖

如圖5所示為智能車閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖，該閉環(huán)系統(tǒng)由數(shù)字PID控制器、智能車電機、數(shù)字編碼器測速反饋環(huán)節(jié)等組成。位置式數(shù)字PID控制算法離散化為：

(3)

智能車調(diào)速控制系統(tǒng)使用位置式數(shù)值PID控制算法，存在速度超調(diào)過大，易震蕩劇烈，速度切換調(diào)整時間長等缺點，由于光電技術(shù)智能車信號檢測前瞻性一般，對車速的提高有一定的制約，通過對位置式數(shù)字PID算法的改進和實驗測試比較，最終確定采用積分分離PID控制算法，積分分離PID控制算法離散化公式為：

(4)

其中，KL為控制系數(shù)，當(dāng)|e(k)|≤e0時，KL=1；當(dāng) |e(k)|>e0時，KL=0.e0為積分分離閥值當(dāng)系。積分分離PID算法的控制原理是，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)的偏差較大時，取消積分項的作用，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)偏差減小到某一特定值e0時 ，積分項的起作用，這種方法有效的減小了智能車系統(tǒng)因行駛過程中的干擾引起的超調(diào)，并改善了系統(tǒng)動態(tài)特性。

5 系統(tǒng)仿真測試

使用MATLAB仿真軟件，建立光電傳感器智能車系統(tǒng)的運動控制模型，將智能車運動模型等效為一階慣性環(huán)節(jié)，在單位階躍信號輸入的情況下，使用位置式PID控制算法的速度輸出曲線如圖6所示，其中Kp=1.2，Ki=0.3，KD=0.03.該圖顯示位置式PID控制的速度輸出超調(diào)過大，振蕩劇烈，尤其在車速快速切換的情況下，會給智能車運行造成過大的震蕩。

在單位階躍輸入的情況下，使用積分分離式PID控制算法的速度輸出曲線如圖7所示，其中e0=0.5，Kp、Ki、KD三個參數(shù)保持不變。該圖顯示積分分離式PID控制的速度輸出超調(diào)小，震蕩小。速度變化平緩。

圖6 位置式PID控制速度輸出曲線 圖7 積分分離式PID控制速度輸出曲線

光電傳感器檢測到不同的路徑，決定智能車的速度給定值各不相同，對不同的彎、直道，使之能夠在保證穩(wěn)定性的前提下，運行在其最佳速度上，能充分發(fā)揮智能車的速度潛能。

6 小結(jié)

實驗測試表明，基于光電傳感器的智能車系統(tǒng)，采用雙排光電傳感器檢測路徑信號，采用積分分離數(shù)字PID控制算法，實現(xiàn)智能車車速的閉環(huán)控制，具有很好的穩(wěn)定性和靈敏性，極大地發(fā)揮了智能車的運行潛力。

本光電傳感器智能車，在第五屆全國大學(xué)生智能車競賽華南賽區(qū)的比賽中，在復(fù)雜多變的賽場賽道上，跑出了1.5m/s的平均速度，獲得了三等獎。

[1]祝亞峰，李書剛.基于紅外激光管的智能車設(shè)計[J]. 信息技術(shù)，2010，(6)：109～111.

[2]胡長暉，葉夢君.基于電磁技術(shù)的智能車路徑設(shè)別的研究[J]. 湖北師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，(2)：54～58.

[3]吳建平，殷戰(zhàn)國.紅外反射式傳感器在自尋跡小車導(dǎo)航中的應(yīng)用[J]. 中國公路學(xué)報，2001，14(3)：96～100.