智能小車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝 檬， 郭 霞

(西安交通大學(xué) 城市學(xué)院，陜西 西安 710018)

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智能小車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝 檬， 郭 霞

(西安交通大學(xué) 城市學(xué)院，陜西 西安 710018)

以16位低功耗單片機(jī)MSP430F5438為控制核心，以直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力，設(shè)計(jì)了智能小車(chē)并采用脈寬調(diào)制(PWM)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)速的準(zhǔn)確控制；使用灰度傳感器來(lái)檢測(cè)起點(diǎn)/終點(diǎn)標(biāo)志線(xiàn)及轉(zhuǎn)彎/超車(chē)標(biāo)志線(xiàn)；在超車(chē)區(qū)使用超聲波傳感器來(lái)測(cè)量?jī)奢v小車(chē)之間的距離，并在軌道的超車(chē)區(qū)內(nèi)進(jìn)行超車(chē)；使用無(wú)線(xiàn)通信模塊來(lái)進(jìn)行兩車(chē)之間的超車(chē)通信，有效避免兩車(chē)相撞并順利實(shí)現(xiàn)超車(chē)；用電子指南針模塊來(lái)對(duì)兩小車(chē)進(jìn)行精確定位及轉(zhuǎn)彎控制和在行車(chē)道上方向的校正。通過(guò)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：智能小車(chē)可以實(shí)現(xiàn)單車(chē)?yán)@圈行駛、兩車(chē)防撞前后行駛、兩車(chē)在規(guī)定的區(qū)域完成超車(chē)等功能，且其性能穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)，在無(wú)人駕駛系統(tǒng)方面得到廣泛應(yīng)用。

光電傳感器； 超聲波傳感器； 電子指南針； 無(wú)線(xiàn)通信

0 引 言

智能小車(chē)作為機(jī)器人的典型代表，相對(duì)于傳統(tǒng)的汽車(chē)有著更好的安全性、機(jī)動(dòng)性和廣泛的適用性[1～3]，是一個(gè)集合環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。智能小車(chē)主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋很娛聜刹炫c環(huán)境探測(cè)；探測(cè)危險(xiǎn)與排除險(xiǎn)情；安全檢測(cè)受損評(píng)估；智能家居等[4～6]。生活小區(qū)內(nèi)路面情況簡(jiǎn)單，行人多、機(jī)動(dòng)車(chē)少，采用無(wú)人駕駛的電力通勤車(chē)最為合適。

1 智能小車(chē)的硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 智能小車(chē)的結(jié)構(gòu)框圖

智能小車(chē)的硬件結(jié)構(gòu)采用MSP430F5438為微控制器，控制整個(gè)無(wú)人駕駛小車(chē)系統(tǒng)，對(duì)內(nèi)部AD采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)出小車(chē)直走、轉(zhuǎn)彎、超車(chē)等控制指令，從而完成特定的功能。智能小車(chē)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，采用RPR220光電傳感器來(lái)檢測(cè)拐彎超車(chē)標(biāo)志線(xiàn)；采用超聲波傳感器來(lái)控制兩車(chē)間距；采用GY—26電子指南針對(duì)小車(chē)進(jìn)行定位和導(dǎo)航；采用SRWF—1021無(wú)線(xiàn)通信模塊實(shí)現(xiàn)甲乙兩輛小車(chē)車(chē)間的通信。

圖1 智能小車(chē)的硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Hardware structure of smart car

1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用專(zhuān)用芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，且有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良,且由L298N結(jié)合單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)速度的精確控制。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性?xún)?yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)接口發(fā)送PWM波，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)速度可調(diào)，通過(guò)控制PWM波的相位控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

1.3 光電傳感器模塊

五通道灰度值檢測(cè)傳感器模組以RPR220光電傳感器為探測(cè)傳感器，共分為5路，分為2行5列。通過(guò)對(duì)每個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直線(xiàn)、丁字路線(xiàn)、十字路線(xiàn)進(jìn)行跟蹤和檢測(cè)。

1.4 超聲波模塊電路

超聲波的發(fā)射與接收是獨(dú)立式的，采用超聲波發(fā)射換能器TCT40—16BT和超聲波接收換能器TCT40—16BR?？梢韵蛲饨绨l(fā)出40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)，輸出端上拉電阻既可以提高反向器MC14069UB輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，也可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。

初入寺院那陣子，風(fēng)影一天到晚哭個(gè)不停，還滿(mǎn)地打滾，一刻也不曾消停過(guò)。他又哭又鬧，皆因他不能跟紅琴一起玩，一起過(guò)家家，還不能與那些小動(dòng)物在一起，用各種怪誕的方法將它們殺死。后來(lái)，師父給了他一根竹笛，那竹孔中能發(fā)出各種奇妙的聲音來(lái)，還能模仿各式各樣動(dòng)物的鳴叫，風(fēng)影突然不哭不鬧了，他愛(ài)上了吹笛子。

1.5 電子指南針模塊

GY—26是一種低成本平面數(shù)字羅盤(pán)模塊，輸入電壓低，功耗小，體積小。其工作原理是通過(guò)磁傳感器中兩個(gè)相互垂直軸同時(shí)感應(yīng)地球磁場(chǎng)的磁分量，從而得出方位角度，此羅盤(pán)以RS—232協(xié)議，及IIC協(xié)議與其他設(shè)備通信，具有重新標(biāo)定的功能，能夠在任意位置得到準(zhǔn)確的方位角，其輸出的波特率是9 600 bps，有連續(xù)輸出與詢(xún)問(wèn)輸出兩種方式，具有磁偏角補(bǔ)償功能。當(dāng)小車(chē)在行車(chē)道上運(yùn)行時(shí)，設(shè)定一參考角度，即連續(xù)測(cè)量并記錄下每個(gè)轉(zhuǎn)彎標(biāo)志線(xiàn)處超車(chē)標(biāo)志線(xiàn)的角度，當(dāng)小車(chē)行至轉(zhuǎn)彎標(biāo)志線(xiàn)處，按預(yù)設(shè)的角度轉(zhuǎn)彎。

1.6 無(wú)線(xiàn)通信模塊

系統(tǒng)采用SRWF—1021無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊，能適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶(hù)協(xié)議。且微功率發(fā)射，最大發(fā)射功率10 dBm(433/470 MHz)和5 dBm(868/915 MHz)，載波頻率可提供433,470,868,915 MHz 4種選擇，高抗干擾能力和低誤碼率。基于GFSK/FSK的調(diào)制方式，采用高效前向糾錯(cuò)信道編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾的能力。傳輸距離遠(yuǎn)，便于移動(dòng)小車(chē)直接通信。

2 智能小車(chē)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 智能小車(chē)的主程序

智能小車(chē)系統(tǒng)功能的執(zhí)行由指令控制，控制指令既可以由傳感器送出下達(dá)，也可以由下位機(jī)面板上的按鍵控制，主程序軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖Fig 2 Flow chart of the main program

通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊使2輛智能車(chē)同時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)灰度傳感模塊檢測(cè)到黑色線(xiàn)時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)彎，并計(jì)數(shù)，即檢測(cè)到的黑線(xiàn)個(gè)數(shù)為N。轉(zhuǎn)彎通過(guò)電子指南針來(lái)控制，邊走邊轉(zhuǎn)，到轉(zhuǎn)過(guò)的角度為90°時(shí)，直走，以后重復(fù)該過(guò)程。當(dāng)乙車(chē)計(jì)到N=8時(shí)，乙車(chē)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊給甲車(chē)發(fā)信號(hào)通知其要超車(chē)。以后重復(fù)以上過(guò)程。

2.2 行車(chē)線(xiàn)路識(shí)別模塊程序

小車(chē)識(shí)別轉(zhuǎn)彎標(biāo)志線(xiàn)后，沿行車(chē)道方向直行向前，并由指南針校正方向，使得小車(chē)行駛方向與標(biāo)志線(xiàn)成90°。兩個(gè)紅外收發(fā)對(duì)管放在灰度傳感器兩側(cè)，用于檢測(cè)行車(chē)道邊界線(xiàn)，避免行駛過(guò)程中超出邊線(xiàn)。五灰度傳感器放在小車(chē)的前方，用于識(shí)別轉(zhuǎn)彎線(xiàn)和超車(chē)線(xiàn)。行車(chē)線(xiàn)路識(shí)別模塊流程圖如圖3所示。

圖3 行車(chē)線(xiàn)路識(shí)別模塊流程圖Fig 3 Flow chart of lane identification modue

2.3 避障超車(chē)模塊

灰度傳感器檢測(cè)行車(chē)道邊線(xiàn)，兩車(chē)在行駛過(guò)程中由超聲波傳感器判斷前方是否有障礙物，以防兩車(chē)相撞。避障超車(chē)模塊流程圖如圖4所示，當(dāng)兩車(chē)運(yùn)行一圈之后，在第二圈要完成超車(chē)的功能。小車(chē)通過(guò)車(chē)頭的紅外傳感器檢測(cè)黑線(xiàn)來(lái)確定自身位置，當(dāng)在第二圈且檢測(cè)到黑線(xiàn)數(shù)為14時(shí)，表明小車(chē)進(jìn)入到超車(chē)區(qū)。前一輛小車(chē)轉(zhuǎn)彎后停止2 s，通過(guò)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，后車(chē)通過(guò)超車(chē)道實(shí)現(xiàn)超車(chē)。同時(shí)在運(yùn)行的過(guò)程中，通過(guò)超聲波系統(tǒng)來(lái)控制兩車(chē)的車(chē)距，避免兩車(chē)相撞。

圖4 避障超車(chē)模塊流程圖Fig 4 Flow chart of obstacle voidance module

3 系統(tǒng)的測(cè)試與結(jié)果分析

測(cè)試時(shí)，將小車(chē)放置場(chǎng)地起跑線(xiàn)，保證車(chē)頭方向與起跑線(xiàn)平行，啟動(dòng)小車(chē)，按下小車(chē)電源按鈕，紅色指示燈點(diǎn)亮，系統(tǒng)初始化成功，代表小車(chē)成功啟動(dòng)。

3.1 功能測(cè)試

1)第一組測(cè)試：甲車(chē)和乙車(chē)分別從起點(diǎn)標(biāo)志線(xiàn)開(kāi)始，在行車(chē)道各正常行駛一圈，當(dāng)檢測(cè)到第一個(gè)轉(zhuǎn)彎以后，兩輛小車(chē)可以順利轉(zhuǎn)動(dòng)90°，平穩(wěn)跑完一圈。

2)第二組測(cè)試：甲、乙兩車(chē)按圖5所示甲乙兩輛各自的起跑線(xiàn)位置同時(shí)起動(dòng)，乙車(chē)通過(guò)超車(chē)標(biāo)志線(xiàn)后在超車(chē)區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)超車(chē)功能，并先于甲車(chē)到達(dá)終點(diǎn)標(biāo)志線(xiàn)，即第一圈實(shí)現(xiàn)乙車(chē)超過(guò)甲車(chē)，最后停在起始的位置，行駛時(shí)間為12.6 s，完成設(shè)計(jì)的基本要求。

圖5 智能小車(chē)行車(chē)道Fig 5 Smart car lane

3)第三組測(cè)試：甲、乙兩車(chē)?yán)^續(xù)行駛第二圈，甲車(chē)通過(guò)超車(chē)標(biāo)志線(xiàn)后要實(shí)現(xiàn)超車(chē)功能，并先于乙車(chē)到達(dá)終點(diǎn)標(biāo)志線(xiàn)，即第二圈完成甲車(chē)超過(guò)乙車(chē)，實(shí)現(xiàn)了交替領(lǐng)跑。甲、乙兩車(chē)在第二圈行駛的時(shí)間要盡可能的短。甲、乙兩車(chē)?yán)^續(xù)行駛第三圈和第四圈，并交替領(lǐng)跑；兩車(chē)行駛的時(shí)間要盡可能的短。在完成上述功能后，重新設(shè)定甲車(chē)起始位置(在離起點(diǎn)標(biāo)志線(xiàn)前進(jìn)方向40 cm范圍內(nèi)任意設(shè)定)，實(shí)現(xiàn)甲、乙兩車(chē)四圈交替領(lǐng)跑功能，行駛時(shí)間約50 s。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

甲車(chē)和乙車(chē)分別從起點(diǎn)標(biāo)志線(xiàn)開(kāi)始，在行車(chē)道各正常行駛一圈。當(dāng)甲、乙兩車(chē)從起點(diǎn)位置同時(shí)起動(dòng)，乙車(chē)通過(guò)超車(chē)標(biāo)志線(xiàn)后在超車(chē)區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)超車(chē)功能，并先于甲車(chē)到達(dá)終點(diǎn)標(biāo)志線(xiàn)，即第一圈實(shí)現(xiàn)乙車(chē)超過(guò)甲車(chē)，最后停在終點(diǎn)位置。甲、乙兩車(chē)?yán)^續(xù)行駛第二圈，完成甲車(chē)超過(guò)乙車(chē)，實(shí)現(xiàn)了交替領(lǐng)跑。甲、乙兩車(chē)?yán)^續(xù)行駛第三圈和第四圈，并交替領(lǐng)跑，行駛時(shí)間約12 s。在完成上述功能后，重新設(shè)定甲車(chē)起始位置，實(shí)現(xiàn)甲、乙兩車(chē)四圈交替領(lǐng)跑功能。小車(chē)只在超車(chē)區(qū)進(jìn)行超車(chē)，實(shí)現(xiàn)超車(chē)后能返回行車(chē)道。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：無(wú)人駕駛智能小車(chē)可以實(shí)現(xiàn)單車(chē)?yán)@圈行駛、兩車(chē)防撞前后行駛、兩車(chē)在規(guī)定區(qū)域完成超車(chē)等功能，且其性能穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)，在無(wú)人駕駛系統(tǒng)方面得到廣泛應(yīng)用。

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Design of control system for smart car

XIE Meng, GUO Xia

(Xi’an Jiaotong University City College,Xi’an 710018,China)

A smart car is designed based on 16 bit low power consumption MCU MSP430F5438 as control core,DC motor as driving power,and uses pulse width modulation(PWM)mode to achieve accurate control of speed;use gray sensor to detect the start/finish line and turn/overtaking sign line;using ultrasonic sensor to measure distance in the overtaking area between two cars,and track overtaking area for overtaking;overtaking communication between two vehicles using wireless communication module,which effectively avoid the collision between two cars and smoothly realize overtaking;with electronic compass module for precise positioning and turning control of the two car.The results show that smart car can achieve functions of cycling criterion driving;driving two car crashes before and after,two vehicles in the specified area complete overtaking.The control system has stable performance,strong anti-interference.It has a broad application in the field of driverless control system.

photoelectric sensors； ultrasonic sensors； electronic compass； wireless communication

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0110—03

2016—10—19

TP 212.9

A

1000—9787(2016)12—0110—03

謝 檬(1982-)，女，陜西西安人，工學(xué)碩士，講師，主要從事測(cè)控技術(shù)與儀器及智能儀器的設(shè)計(jì)工作。