基于S12的兩輪自平衡循跡小車的設(shè)計

【摘 要】本文介紹了基于MC9S12XS128MAL的兩輪自平衡循跡小車軟件和硬件設(shè)計，智能小車采用MMA8451加速度傳感器和ENC—03MB陀螺儀傳感器檢測智能小車的角度和角速度，采用TSL1401線性CCD傳感器采集道路路徑信息，利用左右兩側(cè)驅(qū)動電動機的差速實現(xiàn)智能小車的轉(zhuǎn)向，同時使用兩個光電編碼器分別對左右兩側(cè)的電動機的轉(zhuǎn)速進行實時精確測量。該兩輪自平衡小車系統(tǒng)還可以為自動駕駛汽車的研究提供實驗依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】智能小車；兩輪自平衡；PID；循跡

0 引言

兩輪自平衡小車系統(tǒng)目前已經(jīng)應(yīng)用到我們的生活中和各種行業(yè)領(lǐng)域中，其特點是運動靈活，體積小巧，運行穩(wěn)定，它可以作為我們?nèi)粘Ｉ钪械拇焦ぞ?，也可以用于大型工廠的巡檢等。該系統(tǒng)采用陀螺儀和加速度計互補來檢測車子在運行中的角速度和角度變化，運用PID控制技術(shù)控制兩個車輪的速度和轉(zhuǎn)動方向，從而使車子保持直立平衡狀態(tài)。而在車子保持平衡狀態(tài)后，它的前進和后退的速度控制以及左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的方向控制都是疊加在平衡控制里的。這些動作都可以視為對小車平衡控制的干擾量，該平衡系統(tǒng)的任務(wù)是執(zhí)行這些操作動作，克服干擾保持平衡。

1 智能小車系統(tǒng)設(shè)計

1.1 控制器模塊方案

控制器模塊采用飛思卡爾公司的MC9S12XS128MAL單片機，該單片機I/O口資源豐富，能夠產(chǎn)生8路8位PWM波、4路16位PWM波，足夠控制兩個電機使用，同時該單片機最高可以超頻到80MHZ，為小車的姿態(tài)計算，路徑檢測以及速度和方向控制提供足夠快的運行速度。本系統(tǒng)的核心控制板是MC9S12XS128MAL最小系統(tǒng)，包含有電源電路、JTAG接口電路、系統(tǒng)時鐘電路、復(fù)位電路、串口電路和LED指示電路等組成。

1.2 傾角傳感器模塊

檢測車子的角速度和角度采用ENC-03MB陀螺儀和MMA8451加速度計，該陀螺儀輸出的是模擬量，因此需要A/D端口對其進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，陀螺儀的輸出信號放大了10倍左右，并將零點偏置電壓調(diào)整到工作電源的一半（1.65V）左右。放大倍數(shù)需要根據(jù)傳感器選取的傳感器輸出靈敏度設(shè)計，可以選擇5至10倍范圍都可以滿足車?？刂菩枰?。加速度計輸出的是數(shù)字量，采用的是低g值的傳感器MMA8451，它的輸出信號很大，不需要再進行放大。

1.3 路徑檢測模塊

路徑檢測的傳感器采用TSL1401線性CCD，用來檢測白底黑線。TSL1401的線性傳感器陣列由一個128x1的光電二極管陣列、相關(guān)的電荷放大電路和一個內(nèi)部的像素數(shù)據(jù)保持功能。光電二極管的能量沖擊產(chǎn)生的光電流是由有源積分電路與該像素積分的集成。積分器的輸出和復(fù)位是由一個128位的移位寄存器和復(fù)位邏輯控制的。積分時間計算方法如下：Tint（min）=（128-18）*時鐘周期+20us，其中128是串聯(lián)的像素的數(shù)量，18是所需的邏輯設(shè)置時鐘，us是像素電荷轉(zhuǎn)移時間。

1.4 驅(qū)動模塊

小車的兩個電機的驅(qū)動采用4片BTS7960半橋驅(qū)動芯片驅(qū)動，該芯片驅(qū)動電流可達43A，同時具有過溫、過流、過壓、欠壓保護功能。兩片BTS7960可以構(gòu)成一個全橋驅(qū)動電路，驅(qū)動一個電機的正反轉(zhuǎn)，主控芯片產(chǎn)生的4路PWM信號分別控制4片BTS7960驅(qū)動芯片的使能，在控制的時候要注意防止全橋驅(qū)動的兩片驅(qū)動同時使能而燒壞電路。

1.5 速度檢測模塊

分別在兩個電機齒輪上加裝兩個增量式光電編碼器，該編碼器測速精度較高，車模在平穩(wěn)運行中是處于高速運行狀態(tài)的，而且編碼器測得的是電機的轉(zhuǎn)速，所以測速精度完全滿足所需精度，即使用普通的M法測速也滿足精度的要求。

1.6 電源模塊

該系統(tǒng)所需要的電源電壓為5V電壓和3.3V電壓，兩個直流電機需要的7.2V電壓由7.2V的鋰電池直接供電，所以電源模塊需要把7.2V的電壓轉(zhuǎn)換為5V的電壓和3.3V的電壓，因此需要的電源芯片為5V線性穩(wěn)壓電源芯片LM2940和3.3V穩(wěn)壓芯片LM1117。LM2940文波小、電路結(jié)構(gòu)簡單，線性度非常好，所以很適合用于對主控芯片的電源供電。LM1117是一個低壓差三端可調(diào)穩(wěn)壓集成電路電源芯片，用于對線性CCD模塊的供電非常適合。

2 智能小車系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)可分為三個部分：直立控制、方向控制和速度控制。其中直立控制系統(tǒng)采用PID控制器，把三個輸出的部分疊加后再輸出給兩個控制電機。直立控制、方向控制和速度控制都是分別放在1ms中斷里完成的，因為該控制芯片在1ms的時間內(nèi)可以完成這些任務(wù)，所以我們把中斷時間定為1ms。

3 總結(jié)

本設(shè)計以第八屆飛思卡爾杯全國智能車大賽為背景，以大賽組委會指定的D型車模為平臺，搭建了一個以飛思卡爾半導(dǎo)體公司的16位微控制器MC9S12XS128MAL為控制核心的智能車控制系統(tǒng)。以CodeWarrior6.0為開發(fā)環(huán)境，利用基于微機械工藝MEMS的陀螺儀和加速度計實現(xiàn)了兩輪小車穩(wěn)定地自平衡，自主地識別兩側(cè)鋪有黑色線的賽道，并沿著賽道以盡可能快的速度運行。該兩輪自平衡小車系統(tǒng)顯示了高度的智能化、人性化，并且具備良好的安全性、穩(wěn)定性，可以為無人駕駛汽車的后續(xù)研究提供經(jīng)驗。

【參考文獻】

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[責(zé)任編輯：湯靜]