K64和MQXLite的直立智能循跡小車設計

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(蘇州大學 計算機科學與技術學院，蘇州215006)

引　言

隨著現(xiàn)代計算機、電子、自動化等技術的發(fā)展，越來越多的智能設備進入人們的生活。智能汽車作為近些年來的研究熱點，其無人駕駛技術具有良好的應用前景。而直立智能車由于具有靈活、占地面積小等特點，在擁擠的地方有較大用途。

小車設計遵循第十二屆全國大學生智能汽車競賽技術規(guī)范，使用E型車模作為基礎機械結構，完成硬件電路設計，并基于實時操作系統(tǒng)MQXLite設計了控制算法，實現(xiàn)小車直立行駛，自動循跡功能。

1　系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件架構圖如圖1所示，小車硬件系統(tǒng)由輸入部分、微控制器、輸出部分和供電模塊組成。輸入部分的陀螺儀和加速度傳感器、編碼器、攝像頭作為信息采集設備，實時采集小車狀態(tài)信息，經(jīng)微控制器處理后，微控制器輸出PWM波至電機驅動模塊，控制電機轉速，實現(xiàn)自動循跡。而迷你鍵盤和OLED顯示屏作為人機交互設備，方便調(diào)試和獲取信息。

圖1　系統(tǒng)硬件架構圖

1.1　微控制器

微控制器選用恩智浦半導體公司生產(chǎn)的MK64FX512VLL12(K64)，其特點為高性能，主頻可達120 MHz，且有FTM、ADC、SPI、I2C、UART等豐富接口。作為智能車的核心控制模塊，微控制器需要獲取各傳感器的輸入信息，轉換為可處理的數(shù)字量，并由控制算法計算出PWM占空比，輸出PWM波至電機驅動模塊。一款高性能的微控制器可以快速完成控制任務，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

1.2　供電模塊

小車使用7.2 V、2 000 mAh的鎳鎘電池供電，而陀螺儀、加速度傳感器、攝像頭的工作電壓為3.3 V，編碼器的工作電壓為5 V，因此需要設計降壓電路，獲得各設備的工作電壓。

TPS系列低壓差線性穩(wěn)壓芯片的工作壓降較低，靜態(tài)工作電流較小，且具有過載保護功能[1]。利用TPS7333和TPS7350兩款芯片，完成了電路設計，具有較高的穩(wěn)定性。其中，TPS7350電路原理圖如圖2所示，TPS7333電路原理圖與其類似。

圖2　TPS7350電路原理圖

1.3　輸入部分

輸入部分包含陀螺儀和加速度傳感器、編碼器、攝像頭和迷你鍵盤。它們?yōu)檎麄€系統(tǒng)采集信息，是一切控制的基礎。

我們選用的陀螺儀型號為ENC-03，加速度傳感器型號為MMA7361，它們集成在一個模塊上，通過兩個ADC接口與微控制器連接，將采集到的角速度和加速度模擬量傳輸至微控制器處理。

對于編碼器，選用了歐姆龍公司生產(chǎn)的500線編碼器，通過齒輪與電機連接，這樣電機旋轉時，編碼器便會產(chǎn)生脈沖，脈沖數(shù)與電機轉速成正比。K64的FTM模塊有正交解碼功能，可以利用該模塊捕獲編碼器脈沖。

OV7725是由Omnivision公司生產(chǎn)的圖像感光器件，與OV7620、OV7670這些型號相比，OV7725信噪比更高、速度更快、穩(wěn)定性更好、微光靈敏度更高[2]。我們選用的鷹眼攝像頭既使用了OV7725芯片，又設計了硬件二值化電路，可直接將攝像頭采集到的二值化圖像傳輸至微控制器。

迷你鍵盤為人機交互設備的一部分，它是一個4×4的矩陣鍵盤，可以自定義按鍵功能，完成參數(shù)的錄入與修改。

1.4　輸出部分

輸出部分包含電機驅動模塊和OLED顯示屏。

在設計電機驅動模塊時，我們使用兩片IR2104S芯片和4個MOSFET組成全橋驅動電路，利用MOSFET的通斷來控制兩個電機的轉動方向與轉速。其中，IR2104S芯片為IR公司生產(chǎn)的半橋驅動芯片。

OLED顯示屏為人機交互設備的另一部分，其分辨率為128×64，可以顯示攝像頭拍攝的圖像、采集到的數(shù)據(jù)等，方便調(diào)試。

2　控制算法設計

直立小車運動控制任務可以分解成以下三個基本任務[3]：

① 直立控制。根據(jù)小車當前的角度和角速度，控制電機正反轉，使小車保持平衡。

② 速度控制。根據(jù)小車當前的速度，調(diào)整小車傾角，使小車按設定速度行駛。

③ 方向控制。根據(jù)攝像頭采集到的圖像，計算離中心線的偏離程度，控制兩個電機之間的轉動差速，使小車轉向。

這三個控制會分別輸出對電機轉向和轉速的控制量，通過線性疊加，得到PWM占空比，最終輸出PWM波至電機驅動模塊。

2.1　直立控制

可以將直立小車看成一個倒立的單擺，當它往一個方向傾倒時，在它的底部提供一個同向的加速度，便可以使它回到平衡位置，如圖3所示。

圖3　直立控制原理

加速度傳感器采集到小車加速度a后，由下式可以得到小車當前角度θ1：

(1)

其中，g為重力加速度單位。另外，將陀螺儀采集到的角速度ω積分，可以得到角度θ2。通過卡爾曼濾波，可以將θ1和θ2融合為變化平滑的角度θ。

利用PD控制，得到直立控制的控制量Ca：

Ca=Kpa×(θ-θ0)+Kda×ω

(2)

其中，Kpa為直立控制比例系數(shù)，Kda為直立控制微分系數(shù)，θ0為小車平衡時的角度。Kpa和Kda均需通過實驗得到。

2.2　速度控制

為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，我們希望小車勻速行駛。完成直立控制后，若想讓小車加速，則僅需使其前傾。通過不斷調(diào)整傾角，便可以使其按設定速度行駛。

利用編碼器獲得左右輪的速度后，先由式(3)得到速度差值ve：

(3)

其中，vl為左輪速度，vr為右輪速度，v0為設定速度。再將ve積分，得到總的距離偏差d。最后利用PI控制，由式(4)得到速度控制的控制量Cs：

Cs=Kps×ve+Kis×d

(4)

其中，Kps為速度控制比例系數(shù)，Kis為速度控制積分系數(shù)，它們均需通過實驗得到。這樣，當小車速度低于設定速度時，Cs為負，小車前傾，而直立控制為了使小車保持平衡，便會給小車一個向前的加速度，使小車加速。

2.3　方向控制

為了使小車能夠沿指定道路行駛，還需要進行方向控制，根據(jù)道路情況及時調(diào)整小車的前進方向。

圖4　中線提取效果

中線提取效果如圖4所示，在攝像頭采集到的二值化圖像上，道路中間為白色，邊緣為黑色。使用中線提取算法，找出圖像上每行的左右邊線，進而求出道路中心線的位置。對每行中點位置進行加權平均，得到表示小車位置的量，用這個量減去小車目標位置，得到小車離中心線的偏離度me。再計算me的微分量Δme，Δme表示小車方向的變化率。利用PD控制，由式(5)得到方向控制的控制量Ct：

Ct=Kpt×me+Kdt×Δme

(5)

其中，Kpt為方向控制比例系數(shù)，Kdt為方向控制微分系數(shù)，它們均需通過實驗得到。當小車在道路左側時，拍攝到的圖像向右移動，me為正，因而Ct為正。線性疊加控制量時，左輪加Ct，而右輪減Ct，這樣，小車會向右轉向，恢復至道路中心位置。

2.4　控制融合

在完成了直立、速度和方向控制后，線性疊加Ca、Cs和Ct，為了使小車能夠轉向，在疊加Ct時，左輪加Ct，而右輪減Ct。線性疊加的結果即為PWM占空比，根據(jù)這個占空比，微控制器輸出PWM波至電機驅動模塊，控制小車行駛。

3　基于MQXLite的軟件設計

為了使系統(tǒng)獲得更好的實時性和穩(wěn)定性，我們使用了實時操作系統(tǒng)MQXLite。與無操作系統(tǒng)時不同，操作系統(tǒng)下的編程是以任務為單位的，每一個任務完成一個特定功能，各個任務之間相互獨立。編寫完各個任務后，交由操作系統(tǒng)調(diào)度運行，降低了程序設計的難度。

3.1　MQXLite簡介

MQXLite是標準MQX(Message Queue eXecutive)嵌入式實時操作系統(tǒng)的輕量級版本，它支持多任務、優(yōu)先級調(diào)度、同步訪問資源、任務間通信、中斷處理，具有實時性高、內(nèi)核精簡、資源占用低等特點[4]。

3.2　任務劃分

MQXLite中，任務的基本形式按其執(zhí)行方式分為單次執(zhí)行任務、周期執(zhí)行任務，以及資源驅動任務[5]。

單次執(zhí)行任務在創(chuàng)建后，只執(zhí)行一次，之后便被銷毀或阻塞；周期執(zhí)行任務按照一定周期執(zhí)行一次；資源驅動任務僅在它等待的資源可用時，才可能被執(zhí)行。

根據(jù)設計的控制算法，我們劃分了5個任務：task_main、task_angle、task_speed、task_turn和task_comm。

task_main為單次執(zhí)行任務，它是MQXLite啟動后執(zhí)行的第一個任務，用于初始化全局變量、初始化外設、創(chuàng)建其他任務和安裝用戶中斷服務例程。

task_angle為5 ms執(zhí)行一次的周期性任務，該任務用于直立控制。首先，它獲取陀螺儀和加速度傳感器采集到的角速度和加速度，再通過直立控制算法，計算得到直立控制的控制量。最后，在該任務中還完成控制量的線性疊加，更新左右電機PWM占空比，以變更小車行駛狀態(tài)。

task_speed為20 ms執(zhí)行一次的周期性任務，該任務用于速度控制。在獲取左右輪速度后，根據(jù)速度控制算法，更新速度控制的控制量。

task_turn為資源驅動任務，用于方向控制。攝像頭采集完畢圖像后，會觸發(fā)一個中斷，在該中斷的中斷服務例程中，置輕量級事件位，觸發(fā)task_turn任務。該任務中，對采集到的圖像使用方向控制算法，更新方向控制的控制量。

task_comm為資源驅動任務，主要用于與上位機的通信，進行調(diào)試。在收到上位機的命令后，該任務被觸發(fā)，將小車的參數(shù)發(fā)送至上位機，用于調(diào)試與分析。

另外，由于各控制量被多個任務使用，在更新控制量時，還需要使用互斥體來保證對它們的同步訪問。

各任務優(yōu)先級從高到低依次為：task_main、task_turn、task_speed、task_angle和task_comm。由于圖像采集的時間較長，在圖像采集完畢后，我們希望能夠盡快更新方向信息，所以task_turn優(yōu)先級較高。task_speed和task_angle同理。而task_comm并不是特別重要，優(yōu)先級最低。這樣設置任務優(yōu)先級后，對方向、速度控制的響應會比無操作系統(tǒng)時快，使整個系統(tǒng)獲得了更好的實時性和穩(wěn)定性。

結　語

[1] Texas Instruments. Low-Dropout Voltage Regulators With Integrated Delayed Reset Function (Rev. F)[EB/OL]. (1999-01-01) [2018-01-31].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps73.pdf.

[2] Omnivision. OV7725 datasheet[EB/OL]. (2007-12-17) [2018-01-31].http://www.zhopper.narod.ru/mobile/ov7725_full.pdf.

[3] 劉明，王洪軍，李永科．直立行走的智能車設計方案[J]．科技信息，2012，29(20)：122.

[4] Freesca1e Semiconductor. MQXLite Real-Time Operating System User Guide. Rev 1.1[EB/OL]. (2014-02-01) [2018-01-31].http://cache.freescale.com/files/soft_dev_tools/doc/user_guide/MQXLITEUG.pdf.

[5] 王宜懷，朱仕浪，姚望舒．嵌入式實時操作系統(tǒng)MQX應用開發(fā)技術—ARM Cortex-M微處理器[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[6] 卓晴，黃開勝，邵貝貝．學做智能車：挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2007.

趙俊杰、高曉雅(本科)，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)；張建(講師)，主要研究方向為MIS系統(tǒng)開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)應用。