一種新型循跡小車的研制

王利平,黃 健

(西京學(xué)院，西安 710123)

0 引 言

智能小車是一個(gè)集傳感器技術(shù)、信息融合、自動(dòng)行駛等功能為一體的綜合體，可應(yīng)用在比較惡劣的工業(yè)環(huán)境中，例如在有毒、有害、潮濕等環(huán)境中作業(yè)。自動(dòng)循跡是智能車要解決的一個(gè)技術(shù)問題，近年來，人們關(guān)注更多的是如何實(shí)現(xiàn)黑白線循跡，即沿著兩邊貼有黑線，中心為白色的跑道行駛[1-3]。在黑白線循跡中采用的是光電傳感器，光電傳感器發(fā)射的紅外線遇到白色平面反射光強(qiáng)，而遇到黑色平面時(shí)光線更多的被吸收，反射光弱，據(jù)此原理區(qū)分黑白線。但這種方法受自然光的影響較大，當(dāng)自然光比較強(qiáng)時(shí)，很難區(qū)分黑白線。

基于此，本文采用細(xì)鐵絲為跑道，使小車沿著鐵絲行駛，因鐵絲受環(huán)境影響較小。而對(duì)鐵絲的檢測(cè)，就是對(duì)金屬的檢測(cè)。早期的金屬檢測(cè)采用模擬電路，檢測(cè)輸出的也是模擬信號(hào)，因此其抗干擾能力、精度都較低。本文采用數(shù)字電感傳感器LDC1612，LDC1612是雙通道金屬檢測(cè)傳感器，輸出28位的數(shù)字量，具有IIC接口，可方便地與各種微處理器相連。28位的數(shù)字量可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物高分辨率、高精度檢測(cè)，據(jù)此可設(shè)計(jì)沿細(xì)鐵絲行駛的智能小車。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1中主控采用STM32F103ZET6，該處理器共有3個(gè)硬件SPI接口、8個(gè)定時(shí)器、3個(gè)串口、144個(gè)引腳，是基于Cortex M3的32位微處理器，功能強(qiáng)大，資源豐富[4-5]。LDC1612將采集到的數(shù)據(jù)通過IIC串行總線傳送給STM32，STM32根據(jù)LDC1612雙通道傳感器A和B采集的數(shù)字量判斷鐵絲的位置，控制小車的行駛。用1.44寸TFT真彩屏作為顯示設(shè)備，用于顯示采集到的A，B傳感器的數(shù)字量和時(shí)間信息等。

圖1系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 LDC1612傳感器設(shè)計(jì)

LDC1612原理圖如圖2所示。圖2中LDC1612的1腳是SCL，是IIC總線中的時(shí)鐘信號(hào)線；2腳是SDA，是IIC總線中的數(shù)據(jù)線，分別連接到STM32的PE4和PE5引腳上，PE4和PE5作普通的IO口，采用模擬IIC的方式與LDC1612進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。為了保證傳輸?shù)目煽啃?，在該引腳上都接有10 kΩ的上拉電阻。LDC1612采用3.3 V供電。LDC1612的9腳IN0A和10腳IN0B是IN0輸入通道，11腳IN1A和12腳IN1B是IN1輸入通道；這兩個(gè)通道分別連接自制電感線圈和電容,構(gòu)成LC諧振電路，通過電渦流原理檢測(cè)金屬[6-7]。

圖2STM32與LDC1612連接圖

自制線圈如圖3所示，可通過手工繞制或者在Altium Design中繪制，然后加工而成。圖3中線圈是在PCB中繪制的，直徑達(dá)到了4 cm。圖中線圈相當(dāng)于電感，給該電感配置一個(gè)合適的電容。當(dāng)外部有金屬物體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生LC諧振。LC的諧振頻率通下式計(jì)算：

圖3PCB下繪制電感線圈

Fsen=13×FexFcnt×RT

(1)

式中：Fsen是LC諧振頻率；Fex是外部時(shí)鐘基準(zhǔn)頻率，LDC1612內(nèi)部晶振產(chǎn)生，取值為4 MHz；Fcnt是LDC1612內(nèi)部計(jì)數(shù)器值，RT是LDC1612內(nèi)部寄存器設(shè)置的響應(yīng)時(shí)間。對(duì)式(1)兩邊分別求倒數(shù)，并做適當(dāng)變化，可得到:

RT(1/Fsen)=3Fcnt(1/Fex)

(2)

式中：1/Fsen是LC諧振周期；1/Fex是基準(zhǔn)時(shí)鐘周期。式(2)表明在RT個(gè)LC諧振周期內(nèi)，使用LDC1612的Fcnt計(jì)數(shù)器記錄基準(zhǔn)時(shí)鐘的個(gè)數(shù)來推算LC的諧振頻率。

根據(jù)電渦流原理，要檢測(cè)細(xì)小的金屬，必須要產(chǎn)生足夠大的渦流，就必須增大電感量L，通過多次實(shí)驗(yàn)，繪制了直徑4cm的電感線圈，線的粗細(xì)為0.1 mm，電感量為0.250 mH，與其匹配的電容的大小為2.5 nF。對(duì)金屬的檢測(cè)距離達(dá)到3 cm。若要提高檢測(cè)距離，可適當(dāng)加大電感和電容。

2.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

TB6612是日本東芝公司出品的一款直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，性能優(yōu)于L298，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2路直流電機(jī)，最大電流可達(dá)1.5 A，TB6612與STM32的連接圖如圖4所示。

圖4TB6612與STM32的連接圖

圖4中AIN1，AIN2，PWMA分別控制一路電機(jī)，對(duì)應(yīng)電機(jī)連接端是AO1和AO2; BIN1，BIN2，PWMB分別控制另一路電機(jī)，對(duì)應(yīng)電機(jī)連接端是BO1和BO2; 可將AIN1，AIN2，PWMA連接到對(duì)應(yīng)的STM32的IO口，PWMA引腳產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的PWM波形，用于電機(jī)的調(diào)速。對(duì)應(yīng)的真值表如表1所示。

表1TB6612真值表

輸入輸出電機(jī)AIN1AIN2PWMAAO1AO2HHLLL制動(dòng)HLHHL正轉(zhuǎn)LHHLH反轉(zhuǎn)LLLLL制動(dòng)

表1中H代表高電平，L代表低電平。當(dāng)電機(jī)全速運(yùn)行時(shí)，PWMA輸出高電平；要調(diào)整速度時(shí)，PWMA輸出不同占空比的方波。另一路電機(jī)BIN1，BIN2，PWMB， BO1，BO2的控制邏輯與表1類似。

2.3 TFT顯示單元電路設(shè)計(jì)

TFT顯示單元采用1.44寸SPI接口真彩屏，顯示電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5TFT顯示電路設(shè)計(jì)原理圖

為提高1.44 TFT真彩屏的刷屏速度，采用STM32F103ZET6的硬件SPI1接口與1.44寸TFT真彩屏相連。因?yàn)閷?duì)TFT液晶屏，只有寫屏操作，沒有讀操作，所以硬件SPI只需要3根線。其中SCLK連接到PB3(SPI1_SCLK)，DI連接到PB5(SPI2_MOSI)，CS連接到PB12(SPI2_NSS)。其余RST為復(fù)位信號(hào)，GND要共地，VCC接3.3 V。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。首先對(duì)IIC接口、定時(shí)器、SPI接口進(jìn)行初始化，然后通過IIC接口循環(huán)采集LDC1612的金屬探測(cè)值。為了使檢測(cè)值穩(wěn)定、可靠，共循環(huán)采集50次，進(jìn)行冒泡排序，去掉最大值和最小值各10個(gè)，用剩下的30個(gè)求均值，并將結(jié)果送給1.44寸TFT屏顯示。因?yàn)長(zhǎng)DC1612是雙通道的，所以可以連接2個(gè)傳感器，假設(shè)左邊的傳感器為A，右邊的傳感器為B。小車行駛時(shí)，將鐵絲放在傳感器A和B的中間，當(dāng)鐵絲偏向左邊時(shí)，A傳感器的值增大，控制小車右轉(zhuǎn)；當(dāng)鐵絲偏向右邊時(shí)，B傳感器的值增大，控制小車左轉(zhuǎn)；當(dāng)鐵絲在A，B中間時(shí)，A，B傳感器的值相等，小車直走。小車的行駛通過TB6612直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。按照表1的真值表控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。

圖6軟件流程圖

3.2 IIC讀寫時(shí)序

圖7給出了ILC讀時(shí)序。圖7中SCL是時(shí)鐘信號(hào)，SDA是數(shù)據(jù)線。對(duì)LDC1612進(jìn)行讀操作時(shí)，首先發(fā)送所讀單元地址，然后分別讀出高8位和低8位數(shù)據(jù)[8-9]。LDC1612雙通道的地址寄存器的映射關(guān)系如表2所示。

圖7IIC讀時(shí)序

表2中，按照?qǐng)D7的時(shí)序，讀寫0x00和0x01的高16位數(shù)據(jù)和低16位數(shù)據(jù)，將其組合成通道0所對(duì)應(yīng)的32位數(shù)據(jù)，通過和0X0FFFFFFF做“與運(yùn)算”得到28位有效數(shù)據(jù)。同樣，通過讀寫0x02和0x03地址得到通道1的28位有效數(shù)據(jù)。初始化時(shí)，為了驗(yàn)證IIC時(shí)序的正確性，可通過讀寫設(shè)備ID號(hào)實(shí)現(xiàn)，若讀到的ID號(hào)是0x3055,則說明IIC讀寫時(shí)序正確，初始化成功，否則重新調(diào)試程序。

表2LDC1612寄存器映射表

地址功能描述0x00通道0高16位數(shù)據(jù)0x01通道0低16位數(shù)據(jù)0x02通道1高16位數(shù)據(jù)0x03通道1低16位數(shù)據(jù)0x7f設(shè)備ID號(hào)(默認(rèn)值0x3055)

4 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試時(shí)的跑道如圖8所示。測(cè)試時(shí)，為了增加難度，在轉(zhuǎn)彎處設(shè)置了彎道。小車起始位置放在2 m直道的正中心，途徑6個(gè)彎道，彎道圓弧的半徑均為20 cm，最后再回到起點(diǎn)處，順時(shí)針行駛一圈。表3、表4列出了細(xì)鐵絲位置與傳感器的測(cè)量值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖8測(cè)試場(chǎng)地

表3直道行駛時(shí)細(xì)鐵絲位置與傳感器測(cè)量值之間關(guān)系

細(xì)鐵絲位置l/cm傳感器A測(cè)量值傳感器B測(cè)量值直道直線中心 19300 19300左偏0．5 19293 19300左偏1．5 19288 19300左偏2．5 19285 19300中心 19300 19300右偏0．5 19300 19295右偏1．5 19300 19287右偏2．5 19300 19285

表4彎道行駛時(shí)細(xì)鐵絲位置與傳感器測(cè)量值之間關(guān)系

細(xì)鐵絲相對(duì)中心點(diǎn)偏移距離l/cm傳感器A測(cè)量值傳感器B測(cè)量值彎道彎道起點(diǎn)中心 19300 19300彎道直走5 19299 19293再直走5 19298 19290直走出彎道 19297 19288彎道右拐 19297 19295再右拐 19298 19296進(jìn)直道 19300 19300

表3中，測(cè)試時(shí)，首先將細(xì)鐵絲放置在傳感器A和B的自制線圈的正中心。假設(shè)通道0所對(duì)應(yīng)的傳感器為A，安裝在小車的左邊;通道1所對(duì)應(yīng)的傳感器為B，安裝在小車的右邊。當(dāng)小車按順時(shí)針方

向在直道上行駛時(shí)，當(dāng)細(xì)鐵絲靠近傳感器A時(shí)，傳感器A的測(cè)量值降低，傳感器B因?yàn)檫h(yuǎn)離鐵絲，所以其值不變，此時(shí)控制小車右轉(zhuǎn)，直至左、右傳感器采集值相同為止；反之，細(xì)鐵絲靠近傳感器B時(shí)，傳感器B的測(cè)量值降低，傳感器A因?yàn)檫h(yuǎn)離鐵絲，所以其值不變，此時(shí)控制小車左轉(zhuǎn)，直至左、右傳感器采集值相同為止。表4中，當(dāng)在彎道行駛時(shí)，情況比較復(fù)雜，細(xì)鐵絲靠近的一端的傳感器值降低得比較快，此時(shí)控制小車向傳感器值增大的一方旋轉(zhuǎn)，直至左右兩邊傳感器的測(cè)量值接近為止，然后控制小車直走。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種能夠沿著細(xì)鐵絲行駛的智能小車，采用LDC1612數(shù)字電感傳感器探測(cè)金屬，配置適當(dāng)?shù)碾娙?，可?shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)鐵絲的檢測(cè)，檢測(cè)距離接近3 cm。由于LDC1612是雙通道傳感器，恰好可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一根細(xì)鐵絲的檢測(cè)和循跡。加入適當(dāng)?shù)能浖V波算法，可使數(shù)據(jù)處理變得更加穩(wěn)定、可靠。本設(shè)計(jì)為智能小車的循跡增加了一種新的思路和方法，克服了光電傳感器受強(qiáng)光影響比較大的缺點(diǎn)，可應(yīng)用在灰塵、污垢、油和潮濕等惡劣環(huán)境中，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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