一款LPC54606單片機(jī)的智能自動循線小車

青島恒星科技學(xué)院 夏 杰 魏書偉

智能自動循線小車采用32位單片機(jī)LPC54606為核心控制器，通過智能車上搭載的傳感器識別賽道中間的電磁線，以最快的速度完成巡線行駛，采用工字電感完成對賽道信息的采集檢測，通過算法提取中線，使用PID控制算法調(diào)節(jié)舵機(jī)的打角，實(shí)現(xiàn)智能車運(yùn)動過程中的方向閉環(huán)控制，同時，車上搭載TFT顯示模塊和按鍵，可以對車內(nèi)參數(shù)實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，并通過上位機(jī)對采集信息進(jìn)行分析。經(jīng)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，智能小車可以精確并迅速完成巡線行駛。

1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)采用32位微控制LPC54606型號芯片作為核心控制單元對整個智能小車系統(tǒng)進(jìn)行控制。賽道信息由車體前方架設(shè)的幾個工字型電感進(jìn)行采集，經(jīng)LPC54606的ADC口接收信號后，同時內(nèi)部發(fā)出PWM波，用于智能小車的運(yùn)動控制反應(yīng)和驅(qū)動直流電機(jī)對智能小車進(jìn)行速度控制，同時通過控制智能小車兩個輪子的速度差來實(shí)現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向，使智能小車在賽道上能夠自主循跡行駛。此外，智能小車上增加按鍵和撥碼開關(guān)作為輸入設(shè)備，便于智能小車的速度控制和策略的選擇。

通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)速度控制和方向控制，保證車模沿著競賽道路行駛。智能小車行駛的道路中心鋪設(shè)有一根金屬漆包線，通有100mA的20kHz交變電流，道路中心線周圍產(chǎn)生一個交變磁場通過傳感器采集道路電磁信息數(shù)據(jù)，經(jīng)過算法處理實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制和方向控制，從而保證智能小車在賽道上的高效行駛。

圖1 智能巡線小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 智能巡線小車系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，本設(shè)計(jì)共四大模塊：LPC54606主控模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電源模塊、輔助模塊。主控模塊將傳感器采集信號處理后，根據(jù)控制算法對應(yīng)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對智能車的最優(yōu)速度控制。傳感器模塊，通過25cm長的前瞻放置四個對稱電感，使小車提前判斷賽道信息，做出決策提供充足的反應(yīng)時間。電源模塊，為整個系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源。電機(jī)驅(qū)動模塊，驅(qū)動直流電機(jī)完成智能小車的加減速控制和舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制。輔助模塊主要用于智能小車的各傳感器的功能調(diào)試、賽車在賽道上的狀態(tài)監(jiān)測等。

2.1 LPC54606單片機(jī)

LPC54606單片機(jī)將高級計(jì)時器和模擬功能結(jié)合在一起，其中的DSP功能使單片機(jī)能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)密集型應(yīng)用中的復(fù)雜算法，且LPC54606單片機(jī)具有高達(dá)512KB的閃存和外部存儲器接口，靈活性強(qiáng)，閃存選項(xiàng)支持大型內(nèi)部和外部存儲器配置，可根據(jù)需求變化進(jìn)行調(diào)整。LPC54xxx系列之間的兼容性強(qiáng)，能夠提供無縫的遷移路徑，并提高處理能力。LPC54606單片機(jī)實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 LPC54606單片機(jī)實(shí)物圖

2.2 電磁采集模塊

在交變的磁場中，智能巡線小車通過電磁引導(dǎo)判斷行駛路徑，傳感器模塊根據(jù)RC諧振公式計(jì)算得出外部頻率為20KHz，信號調(diào)理與傳輸采用四路10mH的電感和6.8uF的電容組成諧振電路，布局通過左右兩路電感平放、中間兩路電感傾斜的方式來進(jìn)行電磁信號的采集。在電磁自主循跡狀態(tài)下，智能小車不受光線、溫度和濕度的影響，適應(yīng)性強(qiáng)，相對光電或攝像頭引導(dǎo)的小車有巨大優(yōu)勢。

2.3 電機(jī)驅(qū)動電路

驅(qū)動電路本方案采用了集成度更高的BNT7971B驅(qū)動芯片，同時使用兩個驅(qū)動芯片，IN1給PWM高電平信號的同時IN2給低電平信號，左邊芯片高邊MOSFET會在PWM控制下快速打開，而低邊MOSFET則一直處于關(guān)閉狀態(tài)；右邊芯片高邊MOSFET一直關(guān)閉而低邊MOSFET一直處于打開的狀態(tài)，這樣就同時實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制和對輸出電流的PWM控制，達(dá)到電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和調(diào)速目的。經(jīng)過多次試驗(yàn)測試，雙BTN7971搭建的H橋驅(qū)動電路PWM工作頻率最佳為17kHz，此時輸出的方波波紋較小，控制精度較高，BTN驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3 BTN驅(qū)動電路圖

2.4 智能巡線小車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能巡線小車的驅(qū)動電機(jī)為S380電機(jī)，轉(zhuǎn)向舵機(jī)為S3010舵機(jī)，智能巡線小車的控制采用的是前輪轉(zhuǎn)向，后輪驅(qū)動方案。智能巡線小車機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新有以下幾點(diǎn)：

（1）車模底盤降低，用來降低重心。

（2）舵機(jī)采用豎直姿態(tài)，方便控制。

（3）對前輪傾角進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證車直線行駛的穩(wěn)定性。

（4）電池平放后移，使重心盡量位于車體中后方緊貼底盤，保證車在高速時入彎時的穩(wěn)定性。

（5）用輕便碳素桿作為前瞻用來固定電磁干，前端的碳素桿采用“工”字形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更好的減輕了上下坡電磁干上下擺動的現(xiàn)象。車的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

3 智能巡線小車的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序

本系統(tǒng)控制部分包括方向PID控制和差速控制賽道信息檢測是由車體前方架設(shè)的四個工字型電感進(jìn)行采集，經(jīng)LPC54606的ADC口接收信號后，發(fā)出PWM波驅(qū)動直流電機(jī)對智能汽車進(jìn)行加速和減速控制，通過控制智能小車兩個輪子的速度差和舵機(jī)打角來實(shí)現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向，使智能車在賽道上能夠自主循跡行駛。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

3.2 PID算法控制

本方案采用增量式PID控制：

當(dāng)加入積分項(xiàng)后，會導(dǎo)致系統(tǒng)控制滯后，因此決定只采用PD項(xiàng)，使用開方差比求和法來計(jì)算當(dāng)前賽道中線的偏差值Erros_S，由比例系數(shù)Kp與Error_S的乘積得到比例項(xiàng)。其次加入微分項(xiàng)，該微分控制項(xiàng)可以克服單純比例控制帶來的滯后作用，使其更近目標(biāo)值。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

當(dāng)比例P系數(shù)偏大時，直道行駛時小車晃動較大，舵機(jī)反應(yīng)太過靈敏，彎道轉(zhuǎn)彎半徑減小；比例P系數(shù)偏小時，直道行駛晃動小，舵機(jī)反應(yīng)太過遲鈍；微分D系數(shù)偏大時舵機(jī)反應(yīng)靈敏，易高頻抖動，抗干擾能力差；微分D系數(shù)偏小時，抗干擾能力好，多級反應(yīng)慢。所以只有采用適當(dāng)?shù)腜D調(diào)節(jié)相結(jié)合，才可以使智能小車達(dá)到快速穩(wěn)定的效果。

PID算法示意圖如圖6所示。

圖6 PID算法示意圖

3.3 數(shù)據(jù)采集與處理

主要算法思想：將采集的值進(jìn)行排序，然后再用一變量來存儲每一路的平均值，對于滑動求和就是每次采樣一個新數(shù)據(jù)便存入暫存區(qū)，同時去掉一個老數(shù)據(jù)，始終保持最新數(shù)據(jù)。將濾波完后的值賦值給當(dāng)前值。由于不同運(yùn)放芯片的放大倍率可能不同，為了方便之后的PID算法處理，應(yīng)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，歸一化是一種簡化計(jì)算的方式，即將有量綱的表達(dá)式，經(jīng)過變換，化為無量綱的表達(dá)式，成為標(biāo)量。

電感采集如表1所示。

表1 電感采集

結(jié)束語：本文以LPC54606單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)智能自動循線小車，經(jīng)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，智能小車可以精確并迅速完成巡線行駛，且具有以下幾個創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）控制過程：電磁采集模塊利用工字電感和矯正電容組成的諧振電路來進(jìn)行電磁信號采集然后經(jīng)過運(yùn)算放大模塊進(jìn)行信號的放大和提取傳輸給單片機(jī)，經(jīng)過運(yùn)算以后輸出合適的舵機(jī)PWM值來進(jìn)行舵機(jī)的打角控制；調(diào)速方面為給定速度和差速來進(jìn)行電機(jī)的兩輪轉(zhuǎn)速控制實(shí)現(xiàn)小車的動力控制。

（2）軟件算法：首先采取電感信號，但電感歸一化也影響小車在中線的位置，歸一化之后偏差在中線為0，所以調(diào)好之后需進(jìn)行PD調(diào)節(jié)，先P后D進(jìn)行調(diào)節(jié)，提升速度，達(dá)到最大速度后，再進(jìn)行差速調(diào)節(jié)。