基于32位微控制器與線性CCD避障的智能車設(shè)計(jì)

汪玉珍

【摘要】 智能車是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策和多等級輔助駕駛等功能于一身的綜合系統(tǒng)。本文以“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車大賽為研究背景，采用飛思卡爾32 位微控制器MK60DN512ZVLL10作為核心控制單元。系統(tǒng)通過微控制器的控制在硬件條件完整的情況下實(shí)現(xiàn)智能小車的循跡運(yùn)動，硬件方面應(yīng)自行設(shè)計(jì)包括電源模塊、單片機(jī)模塊、液晶模塊、驅(qū)動模塊等硬件電路，以完成速度控制、轉(zhuǎn)向控制的任務(wù)?？刂扑惴ㄉ希瑥腜ID到Bang-Bang都進(jìn)行了研究。通過硬件的合理布局，電路的合理規(guī)劃，機(jī)械的合理配置，軟件算法的合理可行，智能小車的設(shè)計(jì)才最終成功的跑起來。

【關(guān)鍵詞】 智能小車 線性CCD MK60DN512ZVLL10 循跡 避障

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及方案的選定

在設(shè)計(jì)上考慮系統(tǒng)機(jī)械性能、電氣性能、系統(tǒng)軟件、可靠性，外型、安裝維護(hù)等諸多方面。該系統(tǒng)采用飛思卡爾MK60DN512ZVLL10單片機(jī)為檢測和控制核心，以線陣CCD為路徑檢測傳感器，根據(jù)CCD檢測到的賽道信息和小車速度以及平衡信息，通過軟件對小車進(jìn)行轉(zhuǎn)向和速度的控制。

二、系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

智能汽車系統(tǒng)采用飛思卡爾的32位微控制器MK60DN512ZVLL10單片機(jī)作為核心控制單元用于智能汽車系統(tǒng)的控制。選擇線性CCD以及LED作為光電車的傳感器，線性CCD采集賽道明暗信息，返回到單片機(jī)作為轉(zhuǎn)向控制的依據(jù)。為了使小車在規(guī)定的賽道上行駛，主控輸出PWM波，通過調(diào)整PWM波占空比，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的轉(zhuǎn)向以鎖定賽道。讓小車盡量平穩(wěn)的行駛在賽道的中央。為了控制的準(zhǔn)確性和快速性，我們使用編碼器作為速度傳感器。編碼器返回的信號可以形成閉環(huán)，使用PID控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速。整個調(diào)試過程就是要保證車身穩(wěn)定循跡的前提下不斷提高車模前進(jìn)的平均速度。

在硬件電路設(shè)計(jì)上將整個系統(tǒng)分為最小系統(tǒng)板、信號采集模塊、信號初步處理模塊等若干模塊。每個模塊只負(fù)責(zé)完成特定的功能，與其他模塊之間相對獨(dú)立。賽車共包括六大模塊：MK60DN512ZVLL10主控模塊、傳感器模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、速度檢測模塊和輔助調(diào)試模塊。如圖2所示。

各模塊的作用如下：

（1）MK60DN512ZVLL10主控模塊，作為整個智能汽車的“大腦”，將采集CCD傳感器和光電編碼器等傳感器的信號，根據(jù)控制算法做出控制決策，驅(qū)動舵機(jī)和直流電機(jī)完成對智能汽車的控制。（2）傳感器模塊可通過一定的前瞻性，提前感知前方的賽道信息，為智能汽車的“大腦”做出決策提供必要的依據(jù)和充足的反應(yīng)時間，用以保持車模穩(wěn)定行進(jìn)。由于賽道信息比較復(fù)雜，一個傳感器不能精確的采集到所需信息，決定至少采用兩個CCD。（3）電源模塊，為整個系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源。智能車系統(tǒng)的模塊比較多，需要分別供電。對于傳感器來說，需要穩(wěn)定的3.3V電源，而智能車的電池提供的電源為7.2V，直接降到3.3V壓差過大，需要進(jìn)行二級降壓，主控模塊也需要一個穩(wěn)定的3.3V電源，需要把它和傳感器的電源分開供電，加上輔助調(diào)試模塊也需要3.3V供電，一共需要3個3.3V的穩(wěn)壓模塊；電機(jī)驅(qū)動模塊和速度檢測模塊分別需要一個5V的電源進(jìn)行供電。除了需要用多個穩(wěn)壓芯片之外，還要考慮他們相互之間的干擾，所以要在數(shù)字地和模擬地之間添加一個0電阻進(jìn)行隔離，以確保CCD采集到的信息更加穩(wěn)定。（4）電機(jī)驅(qū)動模塊，驅(qū)動直流電機(jī)完成智能汽車的加減速控制。小車最終的目的是要沿著固定的路徑行進(jìn)，驅(qū)動電路直接決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，需要電機(jī)反映迅速。由于集成驅(qū)動芯片散熱差，這里決定采用N溝道的MOS管搭建H橋驅(qū)動電路，以防止熱量過高，燒毀電路板，并且加隔離芯片防止反向燒毀控制芯片。（5）速度檢測模塊，檢測反饋智能汽車輪的轉(zhuǎn)速，用于速度的閉環(huán)控制。賽車行進(jìn)過程中的信息需要收集，以便于根據(jù)實(shí)時狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。速度檢測在小車行進(jìn)中的閉環(huán)控制是必不可少的。（6）輔助調(diào)試模塊，主要用于智能汽車系統(tǒng)的功能調(diào)試、賽車狀態(tài)監(jiān)控。K60芯片自帶Flash存儲，加入輔助調(diào)試模塊可以實(shí)時改變其中參數(shù)，讓調(diào)試過程變得更加方便。其中液晶顯示模塊用來顯示小車各項(xiàng)參數(shù)，鍵盤和撥碼開關(guān)用來調(diào)節(jié)需要改變的參數(shù)。

K60將CCD采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過簡單計(jì)算，可以確定小車當(dāng)前的位置，然后根據(jù)光電編碼器傳回來的數(shù)值計(jì)算出小車當(dāng)前的速度，根據(jù)以上兩個值算出小車位置偏差以及速度變化。

通過小車位置偏差以及速度變化，用舵機(jī)PID控制小車轉(zhuǎn)向，速度PD控制電機(jī)速度，使小車平穩(wěn)正確的在賽道上行駛。