基于PSoC的自主式模擬出租車的研究與實(shí)現(xiàn)

張文博，肖利梅，魏豪左

（蘭州理工大學(xué) 甘肅 蘭州730050）

基于PSoC的自主式模擬出租車的研究與實(shí)現(xiàn)

張文博，肖利梅，魏豪左

（蘭州理工大學(xué) 甘肅 蘭州730050）

文中設(shè)計了一種基于PSoC的自主式模擬出租車系統(tǒng)。本設(shè)計采用PSoC 4作為主控芯片，通過多個紅外光電傳感器對小車運(yùn)動方向進(jìn)行檢測，使其沿著引導(dǎo)線前進(jìn)，運(yùn)用PWM直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)，完成對小車運(yùn)動速度和方向的控制，同時利用槽型光電開關(guān)和碼盤實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動距離的測量，并用LCD以及語音提示實(shí)時顯示并播報小車的目標(biāo)坐標(biāo)和距程，2.4G無線通信實(shí)現(xiàn)行程登記傳送給上位機(jī)軟件。最終完成了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了具有自主駕駛能力的出租車模擬系統(tǒng)的打卡計價、無線行程登記、路徑選擇、語音提示等功能。

PSoC；無線行程登記；紅外檢測；超聲波壁障；射頻卡打卡

隨著人們生活水平的提高，人們對交通工具的要求越來越高，尤其是在城市出租車系統(tǒng)中要求越發(fā)嚴(yán)格，新軍事變革以來，對車輛的影響愈發(fā)突出，智能自主式出租車輛應(yīng)運(yùn)而生。相對于有人駕駛車輛，自主車輛能夠具有使駕駛行為規(guī)范化、減少因駕駛員精神和體力的原因而引起的交通事故、提高環(huán)境感知能力、提高反應(yīng)時間等優(yōu)點(diǎn)。出租車作為城市中重要的交通工具之一，是人們的重要代步工具。但由于出租車司機(jī)的高負(fù)荷工作，常出現(xiàn)疲勞駕駛等弊端，嚴(yán)重影響了人民群眾的生活安全［1］。本論文給出了一種可自主駕駛的模擬出租車解決方案，可為城市交通道路的自主式出租車研制提供有益的參考。

1 系統(tǒng)簡介

無人車開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)主要有兩個方面：車輛定位技術(shù)和車輛控制技術(shù)。車輛定位技術(shù)是無人車行駛的基礎(chǔ)，目前常用的技術(shù)包括磁導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航等。車輛控制技術(shù)是無人車的核心，主要包括速度控制和方向控制等幾個部分。無人駕駛汽車作為智能交通系統(tǒng)的一部分，還需要一些其它相關(guān)技術(shù)的支持，如車輛調(diào)度系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和人機(jī)交互系等，最終得以實(shí)現(xiàn)整個交通系統(tǒng)的高效、安全運(yùn)行［2］。

為此，本設(shè)計以PsoC 4為核心開發(fā)芯片，設(shè)計具有自主駕駛能力的出租車模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了以下主要功能：

1）小車能夠在行駛過程中沿各種路徑行走，包括直線、曲線，并能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)彎等功能。

2）小車能自動記錄、顯示行駛時間、行駛距離以及行駛速度。

3）小車能夠?qū)崟r無線進(jìn)行行程登記，將自己的坐標(biāo)位置傳輸給上位監(jiān)測系統(tǒng)。

4）小車系統(tǒng)能夠模擬將顧客的消費(fèi)情況寫入射頻卡，且能讀取期中信息，實(shí)現(xiàn)打卡式乘車。

5）能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的路徑規(guī)劃功能。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，可以劃分為兩部分，如圖1所示。分別為：小車系統(tǒng)，主要模擬出租車的控制系統(tǒng)；以PC機(jī)為主體和單片機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成的上位機(jī)系統(tǒng)，它主要是實(shí)現(xiàn)用LCD以及語音提示對小車行進(jìn)路線實(shí)時顯示并播報小車的目標(biāo)坐標(biāo)和距程，同時通過串口與無線接收單片機(jī)通信，將行程坐標(biāo)返回給上位機(jī)軟件，到達(dá)目標(biāo)坐標(biāo)后將里程數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)軟件。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

小車車體的設(shè)計與制作部分是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺。本設(shè)計利用玩具電動車組裝完整的車架車輪。在此基礎(chǔ)上保留左右兩輪轉(zhuǎn)動動軸，并改換轉(zhuǎn)軸力矩大的電機(jī)來精確調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)彎角度，采取保留后方向輪，并使用直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動的方案。

如圖2所示，小車系統(tǒng)硬件部分主要由七大功能模塊以及小車主控系統(tǒng)構(gòu)成，完成紅外循跡、超聲波壁障、測量里程、無線傳輸?shù)裙δ?，它們分別是：電源模塊、PSoC主控模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、循跡模塊、里程測量模塊、無線通信模塊、語言播報以及顯示模塊。

圖2 小車系統(tǒng)框圖

1）電源模塊：電源模塊由PSoC供電模塊及電機(jī)供電模塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的供電。系統(tǒng)中總共有3種電壓，直流電機(jī)的驅(qū)動電壓7.4 V，控制板及相關(guān)模塊的電壓5 V，無線傳輸模塊nRF24101的供電電壓為3.3 V，經(jīng)分析，系統(tǒng)采用兩塊3.7 V串聯(lián)的鋰電池供電，直接給電機(jī)供電，7.4 V電壓經(jīng)過ASM1117-5穩(wěn)壓芯片后，為控制電路提供5 V電壓，5 V電壓濾波后經(jīng)過ASM1117-3.3集成穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后，為系統(tǒng)提供3.3 V的電壓。

2）PSoC主控模塊：對小車的各個模塊及功能進(jìn)行控制管理。

PSoC4是一種混合信號可編程嵌入式系統(tǒng)控制器的可擴(kuò)展、可重構(gòu)的平臺架構(gòu)，其核心是 ARM Cortex-M0中央處理器 （CPU），該系列為嵌入式應(yīng)用提供可編程的平臺。它結(jié)合了靈活的可編程和可重新配置的模擬和數(shù)字模塊，以及芯片內(nèi)部的自動走線功能。基于這個平臺的 PSoC 4200系列產(chǎn)品，結(jié)合了微控制器和可編程數(shù)字邏輯、高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換、帶比較器模式的運(yùn)算放大器，以及標(biāo)準(zhǔn)的通信和定時外設(shè)。PSoC 4200系列可以向上兼容PSoC4平臺中的其他產(chǎn)品，以適應(yīng)不同的應(yīng)用和設(shè)計需求?？删幊痰臄?shù)字和模擬系統(tǒng)支持靈活的設(shè)計，可現(xiàn)場調(diào)整參數(shù)［3-4］。

3）電機(jī)驅(qū)動模塊：實(shí)現(xiàn)對小車的驅(qū)動功能。所用芯片為L298。

L298是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動電路。可以方便的驅(qū)動兩個直流電機(jī)，或一個兩相步進(jìn)電機(jī)。L298N芯片可以驅(qū)動兩個二相電機(jī)，也可以驅(qū)動一個四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50 V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。下圖3為小車驅(qū)動電路圖。

圖3 小車驅(qū)動電路圖

圖3中Vs為電機(jī)驅(qū)動的供電電壓，Vss為芯片工作的5 V電源電壓，D2～D9為保護(hù)二級管，D10～D13為指示發(fā)光二級管，IN1～I(xiàn)N4接PSoC的GPIO引腳，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，PSoC通過控制ENA、ENB可容易實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速［5-6］。

4）循跡傳感器模塊，尋跡是指小車在白色地板上循黑線行走，本系統(tǒng)采取的是紅外探測法，用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對管尋跡傳感器，利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到則檢測出黑線繼而輸出高電平。由此過程來改變接收管的輸出電壓，經(jīng)過電壓比較器LM339轉(zhuǎn)換為邏輯電平的變化，PSoC以電平的變化為依據(jù)來執(zhí)行小車行走路線。

5）里程計量模塊，采用槽型對射式光電開關(guān)加碼盤方式。槽型對射式光電開關(guān)，是由紅外發(fā)射管和紅外接收管組成，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當(dāng)電機(jī)帶動碼盤經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時，光電開關(guān)就檢測到的并產(chǎn)生開關(guān)信號，形成脈沖計數(shù)信號，可測出電機(jī)轉(zhuǎn)速和行程。U型光電開關(guān)管比較安全可靠，反應(yīng)時間快，適合檢測高速變化的物體，且靈敏度可調(diào)，電路簡單。

6）無線傳輸模塊，采用2.4G無線模塊。2.4 GHz無線技術(shù)，是一種短距離無線傳輸技術(shù)，雙向傳播，抗干擾性強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)（短距離無線技術(shù)范圍），耗電少的優(yōu)點(diǎn)，中間還可以隔墻，是一項非常好的技術(shù)［7］。

本設(shè)計用到2個nRF2401芯片，一個作發(fā)射模塊，另一個作接收模塊。單片機(jī)控制這兩個收發(fā)模塊時，由于實(shí)現(xiàn)功能不同，單片機(jī)和收發(fā)模塊兩者引腳電壓不同，單片機(jī)引腳電壓為5 V，而nRF2401引腳電壓為3 V，導(dǎo)致兩者電路接法差異。當(dāng)作發(fā)射功能時，數(shù)據(jù)由單片機(jī)流向nRF2401，所以加入了穩(wěn)壓二極管電路，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。當(dāng)作接收功能時，數(shù)據(jù)由nRF2401流向單片機(jī)，所以加入了下拉電阻，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換［8］。

7）語音播報模塊，采用WT588D芯片，是可分段錄放音模塊，內(nèi)帶存儲器，容量大，錄放音時間長，與控制單元接口方便靈活，通過語音合成技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)各種語音提示，能夠給人以直觀的提示。

本設(shè)計采用一線串口模式。一線串口只通過一條數(shù)據(jù)通信線控制時序［9］，依照電平占空比不同來區(qū)分不同的數(shù)據(jù)位。先把數(shù)據(jù)信號拉低5ms，然后再發(fā)送數(shù)據(jù)位。高電平與低電平占空比為1:3即代表數(shù)據(jù)位0；高電平與低電平占空比為3:1即代表數(shù)據(jù)位1。高電平在前，低電平在后。數(shù)據(jù)信號先發(fā)高位再發(fā)低位［10］。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，無需先發(fā)送命令碼再發(fā)送指令，直接發(fā)送地址數(shù)據(jù)便可觸發(fā)播放語音。

8）顯示模塊，采用LCDl602液晶顯示，其驅(qū)動方便，具有使用簡單，容易掌握的特點(diǎn)，液晶顯示器具有功耗低，壽命長的特點(diǎn)，顯示內(nèi)容比較多，只需接電源和接地，可以直接接單片機(jī)數(shù)據(jù)端使用。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

如圖4為系統(tǒng)的主流程圖，系統(tǒng)開始后先關(guān)掉所有的中斷，然后初始化，檢測是否有乘客，有則開定時器0，開外部中斷0，進(jìn)行車輪碼盤的脈沖檢測［11］，進(jìn)行計數(shù)，定時器1進(jìn)行無線數(shù)據(jù)發(fā)送，進(jìn)行行程登記，乘客到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)進(jìn)行寫射頻卡，人機(jī)交互。

主流程圖主要包括如下3個部分，循跡子程序部分、里程測量子程序部分、中斷服務(wù)程序部分，各個部分具體如下：

1）循跡子程序，其主要功能是實(shí)現(xiàn)小車在行進(jìn)的過程中，始終沿著黑色的導(dǎo)線行走，并且對坐標(biāo)十字的檢測，最終到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)。

小車的開始狀態(tài)為行走狀態(tài)，并不斷檢測四路紅外傳感器的端口，若偏右，則調(diào)整向左，偏左，則調(diào)整向右。

2）里程測量子程序，該子程序完成對小車行進(jìn)的里程進(jìn)行測量，并計算顧客所消費(fèi)的金額，及計算小車行駛的平均速度。

進(jìn)入子程序后，先關(guān)掉所有的中斷［12］，然后分別讀取全局變量脈沖的計數(shù)值和花費(fèi)的時間計數(shù)值，并進(jìn)行計算處理，最后將顧客消費(fèi)情況寫入射頻卡，LCD顯示。

3）中斷服務(wù)程序

圖4 主流程圖

圖5 中斷處理程序流程圖

如圖5中，（a）為定時器中斷服務(wù)程序，其主要完成每20ms中斷一次，中斷50次，將全局時間變量子加一次，完成對小車開始行駛到停止運(yùn)動的時間的記錄；（b）為外部中斷0服務(wù)程序，是對槽型光電開關(guān)管中碼盤的脈沖進(jìn)行計數(shù)，它主要是對小車行駛了多少周進(jìn)行測量，最終測量行進(jìn)的里程。

3 實(shí)現(xiàn)效果

為實(shí)現(xiàn)自主式出租車的打卡計價、無線行程登記、路徑選擇、語音提示等功能，本文所設(shè)計的基于PSoC的自主式模擬出租車系統(tǒng)。其實(shí)物圖如圖6所示，其中（a）為小車安裝完成實(shí)物圖；（b）為小車沿各種路徑行走，包括直線、曲線，并能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)彎等功能圖；（c）和（d）表示小車能夠?qū)崟r無線進(jìn)行行程登記，將自己的坐標(biāo)位置傳輸給上位機(jī)系統(tǒng)。

圖6 系統(tǒng)實(shí)物及實(shí)驗結(jié)果

4 結(jié) 論

文中主要是基于PSoC的自主式模擬出租車系統(tǒng)的設(shè)計。實(shí)驗測試表明，該系統(tǒng)能夠良好的在行駛過程中沿各種路徑行走，完成簡單的路徑規(guī)劃功能，同時實(shí)現(xiàn)必要的人機(jī)交互功能，能夠?qū)崟r無線進(jìn)行行程登記，將自己的坐標(biāo)位置傳輸給上位機(jī)系統(tǒng)。目前小車系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)單車行進(jìn)，更近一步的話，會涉及對小車的信息反饋和對多輛小車的調(diào)度算法研究。

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Research and im plementation of autonomous simulated taxibased on PSoC

ZHANGWen-bo，XIAO Li-mei，WEIHao-zuo
（Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

This paper presents a simulation-based PSoC autonomous taxi system.This design uses PSoC 4 as the master control，throughmultiple infrared photoelectric sensor to detect the direction ofmotion of the car，making it forward along the guidewire，the use of PWM DCmotor control technology，complete the car velocity and direction ofmotion control，and also the use of slotted optical switch and encoder achieve ameasure of themovement distance and target coordinates with LCD display and real-time voice prompts and broadcast target coordinates from the car and drive away，2.4G wireless communications to achieve itinerary sent to the host computer to register the software.Completed the system hardware and software design，realized the cab capable of autonomous driving simulation system，wireless clock in valuation of stroke register，path selection，voice prompt，and other functions.

PSoC；wireless travel registration；infrared detectors；ultrasonic barrier；RF card

TN409

A

1674－6236（2016）20-0150-04

2015-10-28 稿件編號：201510217

張文博（1991—），男，陜西咸陽人。研究方向：智能電子信息。