基于MC9S12DB128B的智能小車設計方案

王文龍　王元星　謝珺

摘 要：研究了智能小車的硬件系統(tǒng)、導航控制和多傳感器數(shù)據(jù)融合等相關(guān)技術(shù)，設計了1個基于MC9S12DB128B處理器的智能小車運動控制硬件電路，詳細介紹了利用模糊邏輯推理方法實現(xiàn)智能小車導航與多傳感器數(shù)據(jù)的融合，并得出了仿真結(jié)果，為智能小車提供一個功能強大并具有一定擴展性的硬件平臺。

關(guān)鍵詞：智能小車；飛思卡爾單片機；傳感器；PMW調(diào)速

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）18-0005-02

智能小車又被稱為輪式機器人，是移動機器人的一種。因為其適合在人類無法工作的環(huán)境中工作，所以，它被廣泛應用于焊接、噴漆、檢測、醫(yī)療應用、助殘、水下、太空和遠程等領(lǐng)域，且具有效率高和成本低等優(yōu)點。另外，智能小車自動行駛功能的研究推動了智能車輛的研發(fā)。智能車輛駕駛?cè)蝿兆詣踊诤艽蟪潭壬贤苿恿巳祟惿鐣倪M步。

本文分別分析了目標識別和跟蹤技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合智能小車目標跟蹤系統(tǒng)的開發(fā)，詳細討論了特定目標跟蹤系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方法，以及紅外傳感器在目標識別中的應用和小車智能控制的軟、硬件設計。該設計為機器智能系統(tǒng)提供了一個研究平臺。

1 方案設計

根據(jù)題目的要求確定了如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上加裝光電檢測器，實現(xiàn)對電動車速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至微控處理器處理，然后根據(jù)CPU檢測到的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。這種方案能實時控制電動車的運動狀態(tài)，控制靈活、可靠，精度高，可以滿足系統(tǒng)的各項要求。該系統(tǒng)通過配置在智能小車上的紅外傳感器，能夠識別特定的目標。在目標運動過程中，通過單片機接收計算機發(fā)出的命令控制智能小車跟蹤目標，在沒有人為因素干預的情況下，它能夠自主運行，穩(wěn)定地跟蹤目標。

2 設計制作

設計就是根據(jù)題目的要求設計硬件和軟件，并選擇最合適的硬件電路和軟件程序達到目的。設計機器人小車時先要做出

總體的設計方案，包括機械、電氣、軟件三部分，如圖1所示。依據(jù)機械基礎(chǔ)知識，從整體情況看，機械結(jié)構(gòu)設計必須與機器人所具備的功能相適應。

圖1 智能小車總體制作過程

機械部分的設計主要包括底盤設計、尺寸選擇、驅(qū)動方式設計和電機選擇等。電氣是機器人最重要的組成部分，要求必須實現(xiàn)全自動控制，并將單片機作為控制核心。它類似于機器人的大腦，可以接收和處理所有的外界信息，指揮并控制小車的所有動作。自動尋跡等功能是制作機器人硬件的難點之一，它要求機器人具有一定的感覺系統(tǒng)，機器人感覺系統(tǒng)的設置通過各種各樣相應的傳感器技術(shù)即可實現(xiàn)。傳感器把接收到的外部信息輸入到單片機，再通過軟件進行控制，進而由單片機發(fā)出命令指揮機器人動作。軟件編程可以豐富機器人的功能，使機器人動作更加完善。

3 方案論證

3.1 單片機的選擇

單片機對行進中自動小車的平衡穩(wěn)定性和整體行進速度起著非常重要的作用。因此，選擇一款高速度、高處理能力的單片機對整個自動行進機器人性能的提升有非常重要的作用。

單片機選擇方案有以下三種：

方案一：采用51單片機。

使用此種單片機的優(yōu)點是內(nèi)部資源少、開發(fā)費用低、開發(fā)工具齊全、使用簡單；缺點是低速度限制了自動小車性能的發(fā)揮和數(shù)據(jù)處理能力，尤其是對導引線提取的能力，而且其內(nèi)存小，不適合處理數(shù)據(jù)量大的圖像信息。

方案二：采用ARM9作為處理芯片。

采用此芯片的優(yōu)勢有兩點：①ARM處理速度較快，對提取賽場白色引導線有很大的幫助，而且其控制能力強。豐富的IO資源對控制系統(tǒng)來說非常重要，它使得外圍電路更加簡單，降低了制作成本，縮短了研制周期。②采用ARM操作系統(tǒng)會降低編寫程序的難度，減少程序的調(diào)試時間，尤其在后期的調(diào)試中可以把精力都集中在算法的調(diào)試上。使用該芯片的缺點是：ARM單片機會涉及到操作系統(tǒng)的問題、入門門檻高，而且開發(fā)成本比普通的單片機高很多。

方案三：采用飛思卡爾單片機。

采用這種單片機的優(yōu)勢是：①處理速度比較快，總線時鐘周期可達到25 MHz，內(nèi)部集成高速AD轉(zhuǎn)換對提取引導線十分有利；②可以利用豐富的IO資源，因為它具有很強的控制能力；③飛思卡爾單片機的應用對象是汽車電子，因此，將其應用在自動機器人上可以充分發(fā)揮其優(yōu)點；④飛思卡爾單片機入門不難，使用者可以在較短的時間內(nèi)掌握其要點。它的缺點是沒有現(xiàn)成的操作系統(tǒng)可以移植，雖然可以自己寫，但是可靠度不高且開發(fā)周期長。

3.2 導引線的選擇方案

導引線信息的提取要求是要有較高的精度和速度，要有一定的前瞻距離。識別導引線有以下兩種方案。

3.2.1 利用光電發(fā)射和接收管

原理：利用場地和導引線對光的吸收程度不同的原理提取導引線的信息。

優(yōu)點：電路簡單、成本低、程序簡單。

缺點：對導引線的分辨率不高，探測距離有限，不能提前預測賽道情況。

3.2.2 采用灰度攝像頭

灰度攝像頭的分辨率為240×360，25幀/s。雖然只能提取灰度信息，但用來提取導引線已經(jīng)足夠了。

優(yōu)點：攝像頭視野廣，可以提前預測道路情況，提高控制精度和難度，提高分辨率，一行可以提取到40個采樣點，因此，與光電管相比，它的精度已經(jīng)提高了很多，能精確地提取引導線的位置。

缺點：受攝像頭25幀/s的速度所限，每幅圖像有20 ms的固定時間間隔?；叶葦z像頭的驅(qū)動程序與光電驅(qū)動程序相比，程序比較復雜，調(diào)試起來有一定的難度。

3.3 驅(qū)動電路選擇方案

方案一：采用三極管驅(qū)動電機。其濾波效果好，單片機和電機共用1個電源，在電流較高的情況下，單片機仍能不受干擾正常工作。

此方案的優(yōu)點是電路壓降較小、在電流較大的情況下發(fā)熱量較?。蝗秉c是電路連接較為復雜、驅(qū)動功率較小、不適于大功率驅(qū)動。

該驅(qū)動電路的功率不能滿足實際要求，所以放棄此方案。

方案二：使用專用芯片L298所組成的電機驅(qū)動電路。驅(qū)動芯片L298是驅(qū)動步進電機的專用芯片，可以利用它內(nèi)部的橋式電路來驅(qū)動直流電機。

此方案的優(yōu)點是控制比較簡單、電路簡單，集成芯片簡化了電路的復雜性，驅(qū)動功率大；缺點是電路發(fā)熱較大、成本略高。

根據(jù)作品的實際需求，決定采用此方案。

3.4 行車距離檢測

由于紅外檢測具有反應速度快、定位精度高、可靠性強等可見光傳感器所不能比擬的優(yōu)點，所以，決定采用紅外光電碼盤測速方案。具體電路如圖2行車距離檢測電路所示。

紅外測距儀是由測距輪、遮光盤、紅外光電耦合器和凹槽型支架組成的。

測距原理：將光柵安裝在電機軸上，當電機轉(zhuǎn)動時，光柵也隨之轉(zhuǎn)動。同時，將其安裝在光柵一側(cè)的紅外發(fā)光二極管上，在光柵的另一側(cè)設有紅外三極管，用于接收紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線信號。由于光柵隨電機高速轉(zhuǎn)動，所以，紅外線三極管接收到的就是一系列的脈沖信號。將該信號傳輸?shù)紺PU的內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)時，根據(jù)預先實測的數(shù)據(jù)換算關(guān)系即可計算出電動機車的行車距離。

圖2 行車距離檢測電路

4 結(jié)束語

本文結(jié)合智能小車目標跟蹤系統(tǒng)的開發(fā)，讓系統(tǒng)通過配置在智能小車上的紅外傳感器識別特定的目標，使智能小車能夠自主運行，穩(wěn)定地跟蹤目標。

參考文獻

[1]何立民.單片機應用系統(tǒng)設計[M].北京：航天航空大學出版社，2004.

[2]李廣弟.單片機基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[3]張華杰.單片機應用開發(fā)從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[4]張毅剛.單片機原理及接口技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[5]隋金雪，楊莉，張巖.“飛思卡爾”杯智能汽車設計與實例教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[6]坂本正文.步進電機應用技術(shù)[M].北京：科學出版社，2014.

[7]周立功.單片機實驗與實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

〔編輯：白潔〕

此方案的優(yōu)點是電路壓降較小、在電流較大的情況下發(fā)熱量較?。蝗秉c是電路連接較為復雜、驅(qū)動功率較小、不適于大功率驅(qū)動。

該驅(qū)動電路的功率不能滿足實際要求，所以放棄此方案。

方案二：使用專用芯片L298所組成的電機驅(qū)動電路。驅(qū)動芯片L298是驅(qū)動步進電機的專用芯片，可以利用它內(nèi)部的橋式電路來驅(qū)動直流電機。

此方案的優(yōu)點是控制比較簡單、電路簡單，集成芯片簡化了電路的復雜性，驅(qū)動功率大；缺點是電路發(fā)熱較大、成本略高。

根據(jù)作品的實際需求，決定采用此方案。

3.4 行車距離檢測

由于紅外檢測具有反應速度快、定位精度高、可靠性強等可見光傳感器所不能比擬的優(yōu)點，所以，決定采用紅外光電碼盤測速方案。具體電路如圖2行車距離檢測電路所示。

紅外測距儀是由測距輪、遮光盤、紅外光電耦合器和凹槽型支架組成的。

測距原理：將光柵安裝在電機軸上，當電機轉(zhuǎn)動時，光柵也隨之轉(zhuǎn)動。同時，將其安裝在光柵一側(cè)的紅外發(fā)光二極管上，在光柵的另一側(cè)設有紅外三極管，用于接收紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線信號。由于光柵隨電機高速轉(zhuǎn)動，所以，紅外線三極管接收到的就是一系列的脈沖信號。將該信號傳輸?shù)紺PU的內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)時，根據(jù)預先實測的數(shù)據(jù)換算關(guān)系即可計算出電動機車的行車距離。

圖2 行車距離檢測電路

4 結(jié)束語

本文結(jié)合智能小車目標跟蹤系統(tǒng)的開發(fā)，讓系統(tǒng)通過配置在智能小車上的紅外傳感器識別特定的目標，使智能小車能夠自主運行，穩(wěn)定地跟蹤目標。

參考文獻

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[5]隋金雪，楊莉，張巖.“飛思卡爾”杯智能汽車設計與實例教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[6]坂本正文.步進電機應用技術(shù)[M].北京：科學出版社，2014.

[7]周立功.單片機實驗與實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

〔編輯：白潔〕

此方案的優(yōu)點是電路壓降較小、在電流較大的情況下發(fā)熱量較小；缺點是電路連接較為復雜、驅(qū)動功率較小、不適于大功率驅(qū)動。

該驅(qū)動電路的功率不能滿足實際要求，所以放棄此方案。

方案二：使用專用芯片L298所組成的電機驅(qū)動電路。驅(qū)動芯片L298是驅(qū)動步進電機的專用芯片，可以利用它內(nèi)部的橋式電路來驅(qū)動直流電機。

此方案的優(yōu)點是控制比較簡單、電路簡單，集成芯片簡化了電路的復雜性，驅(qū)動功率大；缺點是電路發(fā)熱較大、成本略高。

根據(jù)作品的實際需求，決定采用此方案。

3.4 行車距離檢測

由于紅外檢測具有反應速度快、定位精度高、可靠性強等可見光傳感器所不能比擬的優(yōu)點，所以，決定采用紅外光電碼盤測速方案。具體電路如圖2行車距離檢測電路所示。

紅外測距儀是由測距輪、遮光盤、紅外光電耦合器和凹槽型支架組成的。

測距原理：將光柵安裝在電機軸上，當電機轉(zhuǎn)動時，光柵也隨之轉(zhuǎn)動。同時，將其安裝在光柵一側(cè)的紅外發(fā)光二極管上，在光柵的另一側(cè)設有紅外三極管，用于接收紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線信號。由于光柵隨電機高速轉(zhuǎn)動，所以，紅外線三極管接收到的就是一系列的脈沖信號。將該信號傳輸?shù)紺PU的內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)時，根據(jù)預先實測的數(shù)據(jù)換算關(guān)系即可計算出電動機車的行車距離。

圖2 行車距離檢測電路

4 結(jié)束語

本文結(jié)合智能小車目標跟蹤系統(tǒng)的開發(fā)，讓系統(tǒng)通過配置在智能小車上的紅外傳感器識別特定的目標，使智能小車能夠自主運行，穩(wěn)定地跟蹤目標。

參考文獻

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[2]李廣弟.單片機基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

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[5]隋金雪，楊莉，張巖.“飛思卡爾”杯智能汽車設計與實例教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[6]坂本正文.步進電機應用技術(shù)[M].北京：科學出版社，2014.

[7]周立功.單片機實驗與實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

〔編輯：白潔〕