基于單片機(jī)的電磁循跡智能車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

秦磊 王佳宇 黃名揚(yáng) 吳定會(huì)

摘 要：以MC9S12XS128單片機(jī)作為核心控制單元，設(shè)計(jì)一種電磁循跡智能車系統(tǒng)。重點(diǎn)闡述硬件電路的設(shè)計(jì)，包括微型處理器控制模塊、電源模塊、電磁傳感模塊、舵機(jī)控制模塊、電機(jī)控制模塊、速度檢測(cè)模塊和調(diào)試模塊。針對(duì)電磁循跡智能車系統(tǒng)的特點(diǎn)，分別采用開環(huán)控制算法和PID控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)和電機(jī)的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該智能車系統(tǒng)自主尋跡能力穩(wěn)定且可靠。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；智能車；自動(dòng)循跡；電磁傳感

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）07-0-03

0 引 言

工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要人員沿著規(guī)定的路線日復(fù)一日的流水式工作，這種工作會(huì)使人產(chǎn)生厭煩心理，導(dǎo)致其在作業(yè)過(guò)程中不專心，存在隱藏的危險(xiǎn)；其次則是一些環(huán)境較惡劣的工作場(chǎng)所易導(dǎo)致工人反感[1]。如今市場(chǎng)上已經(jīng)有一些用來(lái)替代人工的車型機(jī)器人，通過(guò)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，在預(yù)設(shè)的線路上進(jìn)行附加作業(yè)，可以解放人力物力。這些工作都可以依附于電磁線和電磁循跡智能車來(lái)實(shí)施。

隨著科技的發(fā)展，智能出行、智能電器、智能交通[2]等智能技術(shù)的應(yīng)用大大促進(jìn)了中國(guó)的飛速發(fā)展[3]。相對(duì)現(xiàn)有其他基于光線或影像的循跡技術(shù)，電磁循跡的最大優(yōu)勢(shì)在于受到晝夜以及天氣等因素影響較小，對(duì)外界因素的抗干擾能力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于基于光線或影像的循跡方式[4]。因此傳統(tǒng)基于光線或影像的循跡智能車已經(jīng)不能滿足客戶的需求，憑借電磁技術(shù)的優(yōu)勢(shì)研發(fā)出一種節(jié)能環(huán)保、硬件簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)流量小且更加穩(wěn)定的循跡智能車，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)模式[5]已是大勢(shì)所趨。

如何用更智能的小車代替人工完成流水式工作成為一個(gè)重要課題，設(shè)計(jì)涉及電磁感應(yīng)、計(jì)算機(jī)控制、機(jī)械及車輛工程等領(lǐng)域。本文綜合考慮成本和精確控制，設(shè)計(jì)一種電磁循跡智能車系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MC9S12XS128單片機(jī)作為微處理器，硬件部分主要包括微型處理器控制模塊、電磁傳感模塊、電源模塊、舵機(jī)控制模塊、電機(jī)控制模塊、速度檢測(cè)模塊和調(diào)試模塊，算法程序主要包括運(yùn)用開環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制，運(yùn)用PID算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制，最終實(shí)現(xiàn)在電磁線路上自動(dòng)循跡，完成人工危險(xiǎn)度高或可靠性較弱的附加作業(yè)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電磁循跡智能車是在電磁循跡的基礎(chǔ)上，依靠算法控制的一種循跡車。根據(jù)設(shè)計(jì)與功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括七個(gè)模塊，即微型處理器控制模塊、電源模塊、電磁傳感模塊、舵機(jī)控制模塊、電機(jī)控制模塊、速度檢測(cè)模塊和調(diào)試模塊。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)電磁傳感模塊對(duì)通電閉合銅導(dǎo)線產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)時(shí)，通過(guò)運(yùn)放芯片將放大后的電平信號(hào)輸入給微型處理器控制模塊。經(jīng)過(guò)處理后形成PWM波輸入給舵機(jī)控制模塊，進(jìn)而控制舵機(jī)帶動(dòng)前輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向；同時(shí)微型處理器控制模塊形成的另兩路PWM波輸入給電機(jī)控制模塊，進(jìn)而控制電機(jī)帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)。微型處理器控制模塊還另有接口連接速度檢測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)速度PID閉環(huán)控制。調(diào)試模塊能實(shí)時(shí)顯示并調(diào)整智能車的各項(xiàng)參數(shù)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所述，該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要分為微型處理器控制模塊、電磁傳感模塊、電源模塊、舵機(jī)控制模塊、電機(jī)控制模塊、速度檢測(cè)模塊和調(diào)試模塊。

2.1 微型處理器控制模塊

MC9S12XS128是16位單片機(jī)，其核心板I/O端口分配為：PB0～PB7連接給調(diào)試模塊中的矩陣鍵盤，PJ0，PJ1，PJ6，PJ7連接給調(diào)試模塊的OLED顯示屏，PB0～PB1連接至調(diào)試模塊的矩陣鍵盤，A1連接給速度檢測(cè)模塊，PP0與PP1經(jīng)過(guò)74LS244芯片形成兩路PWM波連接給電機(jī)控制模塊，PP5與PP6經(jīng)過(guò)74LS244芯片形成一路PWM波連接給舵機(jī)控制模塊，OUTPUT1～OUTPUT6連接給電磁傳感模塊[6]。

2.2 電磁傳感模塊

電磁傳感器模塊主要包括感應(yīng)、選頻、放大和檢波四部分。本文中，在智能車行進(jìn)路線中心通設(shè)一條引導(dǎo)線，導(dǎo)線中通100 mA，20 kHz 的交變電流。首先感應(yīng)環(huán)節(jié)選用8×10 mH 簡(jiǎn)單、成本低、體積小、靈敏度高且抗干擾能力強(qiáng)的工字電感，在100 mA直導(dǎo)線電路中，其在一定高度能檢測(cè)的峰峰值約為48 mV，能很好地滿足感應(yīng)交變電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的要求。其次選頻主要是為了過(guò)濾其他頻率的干擾信號(hào)，根據(jù)LC諧振并聯(lián)公式計(jì)算，本文采用6.8 nF的電容與電感組成 LC并聯(lián)諧振電路。再者由于電感感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的量級(jí)為毫伏級(jí)別，不能被單片機(jī)所識(shí)別，所以需要經(jīng)過(guò)放大處理，放大電路由運(yùn)放芯片TLV2772與電位器構(gòu)成。最后為了能檢出波動(dòng)信號(hào)中的有用信號(hào)，檢波電路采用小信號(hào)檢波的肖特基二極管SS14，便于獲得正比于交流線圈感應(yīng)電壓值的直流信號(hào)，也便于單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換[7]。

其中LC并聯(lián)電路分布采用四個(gè)對(duì)稱

“一”字電感與兩個(gè)對(duì)稱“八”字電感，分別與電容并聯(lián)，安裝于車體的前瞻，示意圖如圖2

所示。每一個(gè)LC并聯(lián)電路一頭連接地，一頭引出給選頻、放大與檢波電路作為INPUT。

與LC并聯(lián)電路相連的選頻、放大與檢波電路如圖3所示，共用到3組選頻、放大與檢波電路，6路信號(hào)每2路共用一個(gè)選頻、放大與檢波電路。

2.3 電源模塊

電源模塊貫穿于整個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)中需要有+5 V與+12 V電壓供給。電源模塊的設(shè)計(jì)直接能決定整個(gè)系統(tǒng)，因此不僅需要考慮電壓穩(wěn)伏、電流容量等參數(shù)，也要注意DC-DC轉(zhuǎn)換效率，降低噪聲防止干擾[8]。出于節(jié)能要求，本文選用4個(gè)串聯(lián)大電容作為電池。

首先，驅(qū)動(dòng)控制模塊需要+12 V電源供給，本文選用B0512S-1W的DC-DC電源模塊，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、效率高，無(wú)需外加電路，隔離性能好。

其次，處理器控制模塊、電磁傳感模塊、舵機(jī)控制模塊等需要+5 V電壓供給。因?yàn)槌?jí)電容充放電很快，我們采用TPS630701穩(wěn)壓芯片，其具有低靜態(tài)電流的高效降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，適用于輸入電壓可能高于或低于輸出電壓的應(yīng)用。在升壓或降壓模式下，輸出電流高達(dá)2 A，其穩(wěn)壓電路如圖4所示。

2.4 舵機(jī)控制模塊

由微型處理器控制模塊單片機(jī)生成PP5與PP6經(jīng)過(guò)74LS244芯片形成一路PWM波連接給舵機(jī)控制模塊，舵機(jī)三根線分別連接地、+5 V和PWM。

2.5 電機(jī)控制模塊

由微型處理器控制模塊單片機(jī)生成PP0與PP1經(jīng)過(guò)74LS244芯片形成兩路PWM波，與+12 V，+5 V和地一起連接給電機(jī)控制模塊，驅(qū)動(dòng)電路是由2片IR2104芯片構(gòu)成的H橋式驅(qū)動(dòng)電路[9]，其形成兩路驅(qū)動(dòng)電流給電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)。H橋式驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

2.6 速度檢測(cè)模塊

要實(shí)現(xiàn)對(duì)速度量的閉環(huán)控制，就需要實(shí)時(shí)采集并反饋智能車的速度信息。本系統(tǒng)選用E6A2-CW3C歐姆龍500線編碼器來(lái)測(cè)量車速，具有A，B雙相，編碼器轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生500個(gè)脈沖，其精度高、反應(yīng)快，且能正反測(cè)轉(zhuǎn)速[10]，接線圖如圖6所示。

2.7 調(diào)試模塊

調(diào)試模塊主要由參數(shù)顯示和參數(shù)調(diào)整部分組成[11]，其中參數(shù)顯示部分采用OLED顯示屏來(lái)顯示所要參數(shù)，參數(shù)調(diào)整部分采用矩陣鍵盤。OLED接線圖與矩陣鍵盤接線圖如圖7所示。

3 算法程序設(shè)計(jì)

從本文硬件電路設(shè)計(jì)來(lái)看，該系統(tǒng)通過(guò)MC9S12XS128單片機(jī)提供的PWM調(diào)制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)與電機(jī)的控制。因此算法程序的設(shè)計(jì)也主要包括舵機(jī)控制算法與電機(jī)控制算法兩部分[12]。

3.1 舵機(jī)控制算法

在該系統(tǒng)中，舵機(jī)采用開環(huán)控制。首先在鋪有交流電的跑道上，確定其中線與左右的極限位置，然后在行進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)判斷智能車與中線偏離的相對(duì)位置，來(lái)決定舵機(jī)轉(zhuǎn)向的角度。在電磁傳感算法設(shè)計(jì)中，“差比和”算法（即用2個(gè)電感數(shù)據(jù)的差除以它們的和）作為一種簡(jiǎn)單易用的定位算法，適合對(duì)歸一化的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在實(shí)際行進(jìn)中發(fā)現(xiàn)由于傳感器前瞻較長(zhǎng)，傳感器容易出現(xiàn)丟線的情況，所以對(duì)此類特殊情況要單獨(dú)處理[13]。舵機(jī)控制算法流程如圖8所示。

3.2 電機(jī)控制算法

在該系統(tǒng)中，本項(xiàng)目采用經(jīng)典的PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制。PID控制即比例、積分、微分控制，是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制方法。本文通過(guò)對(duì)編碼器測(cè)得的偏差計(jì)算其相應(yīng)的比例、積分、微分的值，并進(jìn)行線性組合實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制[14]。在實(shí)際調(diào)整中發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增大比例系數(shù)可以減小調(diào)節(jié)時(shí)間，但容易引起較大的震蕩，車速不穩(wěn)定；而適當(dāng)增大微分系數(shù)可以減小震蕩，但會(huì)使上升至穩(wěn)態(tài)的時(shí)間加長(zhǎng)。在經(jīng)過(guò)多次調(diào)整后，最后得出一套適合直道和彎道的PID參數(shù)。其算法流程如圖9所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要針對(duì)電磁循跡智能車的硬件電路設(shè)計(jì)和算法程序設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，以電磁傳感作為循跡方式，采用歸一化與“差比和”策略對(duì)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，采用傳統(tǒng)PID控制對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，最終使其能運(yùn)行在電磁線路上并參加各種作業(yè)。通過(guò)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，硬件電路設(shè)計(jì)配合相關(guān)算法程序能達(dá)到預(yù)期效果，智能車行駛平穩(wěn)，性能可靠。

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