基于飛思卡爾芯片的智能車設(shè)計(jì)

陳定光 吳德林

摘要：本文所設(shè)計(jì)的智能車，主要選擇32位飛思卡爾芯片為控制平臺(tái)，運(yùn)用陀螺儀和三軸加速度傳感器檢測(cè)小車直立的狀態(tài)，在此信息上進(jìn)一步處理以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度，通過實(shí)時(shí)比較控制算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。測(cè)試表明，該智能車能夠很好地進(jìn)行站立、加減速和過障礙，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于不同形狀的道路予以相應(yīng)的控制策略，能夠快速穩(wěn)定地完成整個(gè)跑道的行程。

關(guān)鍵詞：32位飛思卡爾芯片;自動(dòng)尋跡;自動(dòng)避障;閉環(huán)反饋控制

引言

智能車的研究始于20世紀(jì)50年代初美國(guó) Barrett Electric 公司開發(fā)出的世界上第一臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)車輛系統(tǒng)（Automated Guided Vehicle System，AGVS）。1974年，瑞典的Volvo Kalmar轎車裝配工廠與Schiinder-Digitron公司合作，研制出一種可裝載轎車車體的AGVS，并由多臺(tái)該種AGVS組成了汽車裝配線，從而取消了傳統(tǒng)應(yīng)用的拖車及叉車等運(yùn)輸工具。20世紀(jì)80年代，伴隨著與機(jī)器人技術(shù)密集相關(guān)的計(jì)算機(jī)、電子通信技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)外掀起了智能機(jī)器人研究熱潮，其中各種具有廣泛應(yīng)用前景和軍用價(jià)值的移動(dòng)式機(jī)器人受到西方各國(guó)的普遍關(guān)注^【1】。智能車的性能主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件和軟件三部分決定。機(jī)械結(jié)構(gòu)是智能車能夠行駛的根本，智能車車有了一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，再加上相應(yīng)的硬件和軟件，就構(gòu)成了一個(gè)完整的系統(tǒng)。

1.硬件設(shè)計(jì)

（1）核心板的設(shè)計(jì)

32位Kinetis系列列單片機(jī)MK60是硬件系統(tǒng)的核心部分^【2】，用于智能車的整體控制，包括信息的采集處理和輸出，其最小系統(tǒng)板如圖1所示。

（2）電源模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的正常工作要有穩(wěn)定可靠的電源保障。系統(tǒng)中需要的電壓值主要有：7V，5V，3.3三種。7V電壓主要為電池接入口處，一路為直接為電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電，另一路經(jīng)過兩片LM2940芯片分別產(chǎn)生兩個(gè)5V電壓值。5V電壓有兩路，其中一路為光電碼盤供電，另一路為穩(wěn)壓器1117供電，為主控、CCD、三軸加速度陀螺儀提供3.3V電壓。這種兩路5V供電的設(shè)計(jì)，可以減小直流電機(jī)開啟瞬間電壓變化影響，避免了單片機(jī)因電壓值減小引起的復(fù)位及CCD接受電壓變化。

（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用BTS7970和H橋配合：74HC244驅(qū)動(dòng)MOS管，MOS管驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這樣不但滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求，而且驅(qū)動(dòng)散熱好，避免了溫漂帶來的影響。電機(jī)驅(qū)動(dòng)通過IN1和IN2引腳輸入PWM波形，以此調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)OUT1，OUT2引腳輸出電壓，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，以及正反轉(zhuǎn)和拐彎，達(dá)到不同的控制效果

（4）編碼器

光電編碼器，作用是反饋當(dāng)前速度，使整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。我們應(yīng)用的是龍邱的光電編碼器，由于兩路電機(jī)分別控制，所以要用兩個(gè)光電編碼器。該編碼器電源電壓為3.3V-5V。

2、軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)部分主要包括：系統(tǒng)初始化、圖像采集、圖像處理、車道判斷、舵機(jī)打角、電機(jī)控制以及速度反饋處理等。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

3、結(jié)論

本智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)以32位微控制器MK60為核心，通過一個(gè)CMOS攝像頭檢測(cè)模型車的運(yùn)動(dòng)位置和運(yùn)動(dòng)方向，用歐姆龍編碼器檢測(cè)模型車的速度并使用PID控制算法調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的方向，完成對(duì)模型車運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的閉環(huán)控制。為了提高智能車的行駛速度和可靠性，采用了自制的電路板，在性能和重量上有了更大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)比了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行，結(jié)論正確。

參考文獻(xiàn)

[1]卓晴、黃開勝、邵貝貝等編.學(xué)做智能車—挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007。

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[3]孫同景，F(xiàn)reescale 9S12 十六位單片機(jī)原理及嵌入式開發(fā)技術(shù)。機(jī)械工業(yè)出版社，2008。

[4]王名發(fā)，江智軍，郭鵬，基于OV7620攝像頭智能車道路信息視頻采集及處理研究，南昌：南昌大學(xué)。

作者簡(jiǎn)介：陳定光，男，2017年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目主要負(fù)責(zé)人。

吳德林，男，講師，2017年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目指導(dǎo)老師。

（作者單位：廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院）