基于坡道行駛電動智能小車系統(tǒng)設(shè)計與研究

凌旭，陳立，戴俊良

（湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖南株洲，412000）

0 引言

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注。智能小車設(shè)計與研究，成為一種新的發(fā)展趨勢，無論是在特殊行業(yè)，還是民生生活都發(fā)揮著重要作用[1-3]。本研究設(shè)計一款坡道行駛電動智能小車，能自動循跡，可程控行駛速度在規(guī)定時間內(nèi)完成任務(wù)，在停車點準(zhǔn)確定位停車。小車在行駛前，需要路段設(shè)計和坡道設(shè)計如圖1所示；路段設(shè)計：在木板表面鋪設(shè)一條寬，長各約為1cm線條作為路線指示；總長度設(shè)計為1m，路線開始為直線，垂直于木板底邊，在坡頂轉(zhuǎn)向90°，平行于木板頂邊與頂邊相隔距離為≤20cm，轉(zhuǎn)彎半徑為10cm～20cm，轉(zhuǎn)彎完成后路線在延長≥30cm；停車標(biāo)記設(shè)計為寬，長各為1cm，5cm。坡道設(shè)計：用長，寬各約為1m的木板搭建小車坡道，坡道角度可以任意調(diào)節(jié)。

圖1 小車坡道角示意及行駛線路頂視圖

1 小車方案選項

■1.1 理論分析

要求小車能夠在不同傾斜角的木板上完成循跡，行駛速度均勻并且行駛時間可控，并且能夠在終點穩(wěn)定停止。若需要完成以上要求，需要對位于木板上的小車進(jìn)行受力分析，小車的受力分析如圖2所示。

由牛頓第二定律公式 F=m×a可知：小車靜止在坡道時應(yīng)滿足：

mgsinθ≤μmgcosθ;摩擦系數(shù)應(yīng)滿足μ≥tanθ;

小車在坡道勻速行駛應(yīng)滿足：F車=mgsinθ+μmgcosθ;需小車電機(jī)產(chǎn)生作用力。

圖2 小車受力分析圖

由以上分析得：小車若要在循跡時要做到勻速行駛、運行時間可控，在終點穩(wěn)定停止，與小車的質(zhì)量、動摩擦因數(shù)以及電機(jī)的力矩大小都有關(guān)聯(lián)。

■1.2 系統(tǒng)方案選型

本系統(tǒng)采用超低功耗16位微控制器MSP430F5529作為系統(tǒng)設(shè)計的主控芯片[4-5]。

選用ST188反射式紅外光電傳感器進(jìn)行循線。ST188由高發(fā)射功率光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成。光電二極管由高電平觸發(fā)，發(fā)射出紅外線，若接收面為白色，則返回信號至接收管，若為黑色，則返回信號被吸收，接收管無信號。該傳感器價格低廉，且多個紅外傳感器配合使用，能做到基本的循跡。

選用DC3V-6V減速直流電機(jī)，減速直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，易于固定，且便于驅(qū)動，通過單片機(jī)輸出PWM至驅(qū)動電路即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電流小，不會燒壞電路。

選用編碼器型號為512線mini增量式編碼器作為測試模塊。該編碼器具有體積小、重量輕、精度高的特點，可讀取的最大轉(zhuǎn)速為10000rpm。使用簡單，輸出脈沖穩(wěn)定，誤差較小。

本系統(tǒng)采用6個ST188紅外光電傳感器對黑色紙條進(jìn)行信號采集，通過LM393電壓比較器讀取傳感器返回的電平，由MSP430單片機(jī)的IO口獲得比較后的電壓，根據(jù)不同的電平組合判斷小車狀態(tài)。主控芯片輸出PWM來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來矯正小車的姿態(tài)，使小車能夠沿標(biāo)記線平穩(wěn)行駛。同時通過編碼器讀取車輪轉(zhuǎn)速，引入位置式PID算法對車輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制。此外，系統(tǒng)還含有OLED顯示屏以及四個按鍵，以便于觀測實時數(shù)據(jù)以及設(shè)置參數(shù)，通過語音播報提示小車狀態(tài)。系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

2 系統(tǒng)電路設(shè)計

■2.1 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用的電機(jī)驅(qū)動為TB6612FNG模塊，是一款直流電機(jī)驅(qū)動器件，它具有大電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)，雙通道電路輸出，可同時驅(qū)動2個電機(jī)。驅(qū)動控制邏輯如下：芯片VM直接接電池電源，VCC內(nèi)部邏輯供電，STBY置高后模塊才能正常工作，AN1和AN2不同電平組合控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，PWA接單片機(jī)PWM輸出口控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，原理圖如圖4所示。

圖5 MSP430F5529電路圖

圖4 TB6612FNG驅(qū)動模塊原理圖

■2.2 主控板電路設(shè)計

本系統(tǒng)選擇的主控為MSP430F5529，原理圖如圖5所示。對MSP430F5529 進(jìn)行資源拓展，板上搭載5.0V、3.3V穩(wěn)壓電路以及部分模塊接口，其中穩(wěn)壓電路為每個接口模塊進(jìn)行供電，OLED顯示屏用于顯示小車運行時的位置和速度信息，配合四個獨立按鍵可進(jìn)行小車的模式選擇以及參數(shù)設(shè)定，小車的運行每個模式以及最后停止時都由語音模塊實時播報，拓展板資源。

■2.3 系統(tǒng)電源電路設(shè)計

系統(tǒng)MCU和各種外設(shè)在正常供電的情況下才能正常工作，此時MCU才能正常接收信號和處理信息，整個系統(tǒng)的電源需要多種供電接口，電機(jī)驅(qū)動需要電池電源，MCU、OLED顯示屏需要3.3V供電，語音播報、編碼器、需要5V供電。3.3V、5.0V電源分別使用LM2596-3.3V、LM2596-5.0V對電池電壓進(jìn)行降壓，可調(diào)電源通過電位器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為 6～25V，由 LM2596-ADJ電源芯片來實現(xiàn)電壓輸出，每個電路輸出都外接五組排針，完全能滿足對電源的需求，同時每組電路都包含LED指示燈，能夠?qū)崟r觀測電路的狀態(tài)。電路原理圖如圖6所示。

■2.4 紅外循跡電路設(shè)計

本系統(tǒng)選用6個ST188紅外光電傳感器對標(biāo)記線進(jìn)行識別，ST188通過發(fā)射端的光電二極管發(fā)射紅外光線，接收端通過高靈敏度晶體管接收反射回來的光線輸出對應(yīng)的電平信號，再進(jìn)入LM393電壓比較器與其基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，使MCU的IO口能夠讀取到穩(wěn)定的電平。在電路設(shè)計中，將發(fā)射管處串聯(lián)的電阻選為100Ω，以便發(fā)射管能夠發(fā)射高強度的紅外信號。電壓比較器LM393的基準(zhǔn)電壓由一個10k的電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，在OUT輸出口處接上一個上拉電阻，用于保護(hù)MCU的IO口，同時再接一個LED指示燈，以便使用時能夠直觀的看到輸出電平。部分電路原理圖如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)電源模塊原理圖

圖7 紅外循跡電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

■3.1 位置式PID算法

通過編碼器讀取小車的速度，通過位置式PID算法對小車速度進(jìn)行閉環(huán)控制，PID控制是一種常見的反饋控制，由比例(P)、積分(I)、微分(D)組成。比例控制為基礎(chǔ)控制，積分控制為消除穩(wěn)態(tài)誤差，微分為加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。P、I、D分別對應(yīng)現(xiàn)在、過去、將來，分別對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)修正，減少系統(tǒng)誤差，理想連續(xù)控制的公式如下[6-8]：

其中Kp為比例系數(shù)、Ti為積分時間常數(shù)、Td為微分時間常數(shù)、e(t)為實際值與設(shè)定值的差、u(t)控制為輸出值。

經(jīng)過多次參數(shù)的整定，小車循線運行效果最優(yōu)的參數(shù)為：P=6.35；I=1.36；D=0.63。

■3.2 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)最重要的部分在于小車的自動循跡，MCU通過GPIO口讀取紅外光電傳感器所返回的電平來判斷自身在標(biāo)記線上的位置，輸出不同的PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)小車在標(biāo)記線上的自動循跡以及終點停車。對電機(jī)采用位置式PID算法進(jìn)行閉環(huán)控制。此外，采用模擬IIC控制OLED顯示一個菜單。菜單包括速度，紅外讀取的值以及小車的各種參數(shù)，其中菜單光標(biāo)的移動以及參數(shù)調(diào)整由四個普通按鍵完成。小車的語音播報由MCU的UART0控制，用于播報小車循跡時間以及運動狀態(tài)。

圖8 主函數(shù)程序流程圖

圖9 中斷服務(wù)函數(shù)流程圖

4 試驗系統(tǒng)測試

■4.1 測試方案

對該系統(tǒng)進(jìn)行測試時，需要用直尺對賽道各部分長度進(jìn)行測量，檢查賽道是否符合標(biāo)準(zhǔn)。小車在不同的模式運行時，通過秒表記錄小車循跡時間。在小車穩(wěn)定停在終點時，使用直尺測量小車上的標(biāo)記點到停車標(biāo)記中線的距離。測試小車在不同高度下的數(shù)據(jù)時，需要使用手機(jī)上的“指南針”APP對斜坡進(jìn)行角度設(shè)定。

■4.2 測試結(jié)果

試驗一：設(shè)定木板坡度角θ=0°，要求智能小車在12s、15s、18s設(shè)定時間循跡自動行駛不能脫離標(biāo)記線且準(zhǔn)確停在停車標(biāo)記點處誤差≤2cm（即小車上標(biāo)記點到停車標(biāo)記中心線的垂直距離誤差），試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 距離誤差

試驗二:設(shè)定木板坡度角θ=0°，將循跡線長度設(shè)定為1m長，時間設(shè)定為13s、16s、19s時間內(nèi)循跡自動行駛不能脫離標(biāo)記線且準(zhǔn)確停在停車標(biāo)記點處時間誤差≤1s，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 時間誤差

試驗三:設(shè)定木板坡度角θ=0°～42°，將循跡線長度設(shè)定為1m長，時間設(shè)定15s，循跡自動行駛不能脫離標(biāo)記線且準(zhǔn)確停在停車標(biāo)記點處誤差≤2cm，時間誤差≤1s，試驗數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

表3 15°～25°坡度數(shù)據(jù)表格

表4 30°以上坡度數(shù)據(jù)表格

通過在不同角度下記錄小車的碾壓或脫離標(biāo)記線次數(shù)、卡頓次數(shù)、行駛時間的偏差、以及在終點穩(wěn)定停車次數(shù)可知，隨著坡道高度的增加，小車停頓的次數(shù)逐漸增加，其行駛時間與設(shè)定時間的偏差也隨之增加。由于小車加入閉環(huán)控制，其碾壓或偏離標(biāo)記線的次數(shù)一直在可控范圍內(nèi)，經(jīng)過多次的測試，小車能完成循跡要求的最大角度為42°。

■4.3 試驗分析

（1）小車出現(xiàn)碾壓或脫離標(biāo)記線主要是因為在拐角處轉(zhuǎn)彎時紅外傳感器出現(xiàn)誤判或者漏判，導(dǎo)致小車沒有做出正確的姿態(tài)調(diào)整，出現(xiàn)碾壓甚至脫離標(biāo)記線的情況。

（2）小車在行駛時的卡頓現(xiàn)象：一是因為在轉(zhuǎn)彎時車輪的重心不穩(wěn)，導(dǎo)致小車左方輪子出現(xiàn)懸空現(xiàn)象，無法實現(xiàn)小車的差速轉(zhuǎn)彎而停在拐點；二是小車紅外傳感器精度不高，再加上循跡線僅為1cm的黑白標(biāo)記線，小車無法完全實現(xiàn)無卡頓的循跡。

（3）小車實際行駛時間與設(shè)定時間出現(xiàn)偏差：一是因為小車在拐彎處的卡頓，增加了小車行駛時間；二是隨著高度增大，小車運行時所受到的反作用力也隨之增大。

5 總結(jié)

通過采用MSP430/MSP432平臺設(shè)計智能小車電機(jī)驅(qū)動電機(jī)電路、主控板控制電路、電源電路、紅外循跡電路等相關(guān)硬件設(shè)計。利用位置式PID算法，進(jìn)行智能小車運動控制。測試智能小車在不同坡度、不同時間坡道平穩(wěn)運行、標(biāo)記線上循跡效果良好，偏離誤差≤1cm,且運動時間可控，能夠在終點穩(wěn)定停車，最大行駛傾斜角可達(dá)42°。該系統(tǒng)設(shè)計具有響應(yīng)速度快，控制精度高等有點。