自循跡智能小車控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

毛祖光 楊潔

摘?要：自循跡智能小車屬于高新技術(shù)產(chǎn)品，將環(huán)境感知技術(shù)、采集規(guī)劃技術(shù)、判斷決策技術(shù)集中到一起的綜合載體，在無人的情況下完成制定任務(wù)。本文闡述了智能小車控制系統(tǒng)主要設(shè)計內(nèi)容、智能小車整體設(shè)計方案，并針對控制系統(tǒng)在直行、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎階段，硬件和軟件設(shè)計進行了探討。

關(guān)鍵詞：自循跡;智能小車;控制系統(tǒng);設(shè)計

自循跡智能小車研究和設(shè)計過程中，融合人工智能技術(shù)、機器視覺技術(shù)、傳感技術(shù)、自動化技術(shù)等，這也是智能小車的主要優(yōu)勢。小車在使用的過程中，是通過設(shè)定模式進行運行，小車按照設(shè)定路線行駛，通過傳感器自動判斷路徑，自主完成全部過程。自循跡智能小車具備自動躲避障礙、實時采集數(shù)據(jù)以及遠程傳輸?shù)淖饔?。智能小車行駛系統(tǒng)設(shè)計中，速度控制系統(tǒng)好壞直接關(guān)系這小車行駛的安全性。因此，進行智能小車控制系統(tǒng)研究可以為智能小車的發(fā)展和應(yīng)用帶來一定的思考。

1?智能小車整體設(shè)計方案

循跡智能小車系統(tǒng)主要包括供電電源、穩(wěn)壓電源模塊、電動機驅(qū)動模塊、單片機、循跡傳感器等部分。智能系統(tǒng)整體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示可知，智能系統(tǒng)在采集兩路信號以后，也會輸出這種信號，其中傳感器裝置具有導(dǎo)航系統(tǒng)的作用，速度檢測裝置及無線調(diào)控裝置可以作為電機獲取反饋信息的控制系統(tǒng)。輸出信號促使小車后輪電機驅(qū)動，由單片機輸出PWM調(diào)制信號控制后面兩個輪子的轉(zhuǎn)速，從而達到控制轉(zhuǎn)向的目的，前輪是萬向輪，起支撐作用，進而實現(xiàn)小車智能化行駛目的。為此，促使智能化系統(tǒng)運行的關(guān)鍵點在于傳感器，傳感器裝置獲取小車前方的道路通行信號以后，通過智能化系統(tǒng)對運動軌跡、速度等進行控制，實現(xiàn)智能化控制目標。單片機是智能化系統(tǒng)中最小的組成部門，系統(tǒng)電源電路、傳感器驅(qū)動電路、電機驅(qū)動電路均在一塊PCB板上，此板作為系統(tǒng)的主電路。激光傳感器裝置位于車輛上方位置，其中接收電路與激光發(fā)射裝置安裝在另一個PCB板上，作為傳感器電路，另外，配置鍵盤液晶人機交換模塊，起到參數(shù)設(shè)定的作用。

根據(jù)上述方案可知，小車智能化系統(tǒng)功能模塊可以劃分為傳感器模塊、電機模塊、MCU最小系統(tǒng)、電源模塊、速度檢測模塊、無線調(diào)試六大模塊。為了保證自循跡智能小車在軌道上正常運行，需要微控制器時刻接收數(shù)據(jù)信息，并對此進行快速的分析及判斷，在此基礎(chǔ)上通過控制算法快速對驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出指令，以此，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向或直行的目的，進而保證小車在行駛的過程中不會出現(xiàn)由于反應(yīng)不及時而發(fā)生失誤，為小車穩(wěn)定運行提供安全保障。

2?硬件設(shè)計

2.1?主要電路設(shè)計

小車智能化系統(tǒng)主要電路設(shè)計包括主電路設(shè)計、顯示電路設(shè)計、調(diào)速電路設(shè)計。主控制芯片選擇STC89C52單片機，此單片機運用了CMOS?8位微控制器，40引腳雙列直插封裝方式，具有低功率、高性能、在線編輯的優(yōu)勢。其工作電壓一般在3.3～5.5V范圍內(nèi)，其運作頻率最高可以到達35MHz，是性價比較高的一種良好方案。主電路板中是由晶振電路及復(fù)位電路兩種電路組成，按鍵電路主要被用來調(diào)整速度，而顯示電路主要作用是對小車行駛情況進行實時顯示，如圖2所示。

2.2?電機電路設(shè)計

在自動控制系統(tǒng)中電動機的作用尤為重要，電動機性能對小車運行具有直接性的影響。小車在運行過程中，為了保證其安全性和行駛速度，必然需要有入彎道減速和出彎道加速的過程，并且這是一個頻繁加速的過程，為此，電機驅(qū)動芯片應(yīng)當具備內(nèi)阻小、性能穩(wěn)定度高、操作簡單的特點，通常情況下會選擇以下兩種方案，一種是通過專用芯片來進行電機驅(qū)動;另一種是采用分離元件進行組合的方式實現(xiàn)驅(qū)動電路設(shè)計。本文采用第一種方案，是由于該方案具有較高的可靠性，采用PWM調(diào)速，通過L298N驅(qū)動裝置來對直流電動機進行驅(qū)動，通過控制單片機I/O口輸出高低電平控制電機的正反轉(zhuǎn)，L298N的OUT1、OUT2和OUT3、OUT4分別接兩個電動機。當ENA高電平時，IN1（IN2）、IN3（IN4）中有一方為高電平即可旋轉(zhuǎn)或制動，另外，L298N的驅(qū)動功率較大，能夠根據(jù)輸入電壓的大小輸出不同的電壓和功率，解決了負載能力不夠的問題。如圖3所示是直流電動機驅(qū)動示意圖，由圖可知，8個整流二極管功能是用來解決由負載電感而存在的反峰問題，進而起到保護IC的作用。

2.3?光電編碼器電路設(shè)計

為了能夠時刻觀察小車的運行情況，對小車行駛路程和速度進行觀察，這整個系統(tǒng)中，速度采集電路起到至關(guān)重要的作用。運用光電測速，是在電機軸上固定一個圓盤，并且圓盤的邊緣進行等分凹槽處理，如圖4所示，在圓盤上固定一個二極管，并且二極管的位置應(yīng)當對準凹槽，二極管會通過縫隙照進來的光線生成信號，并將信號傳給光敏三極管，這時三極管就會處于導(dǎo)通狀態(tài)，二極管若未產(chǎn)生信號傳遞給三極管，三極管便會處于截止狀態(tài)，其工作電路圖如圖4所示，由圖可知，電動機每轉(zhuǎn)一圈，單片機端隨即產(chǎn)生一個低電平。為此，速度采集器具有以下優(yōu)勢，通過捕捉單片機端脈沖信號來實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)動速度以及路程的計算，進而對電機運行進行控制。

3?軟件設(shè)計

3.1?軟件總體設(shè)計

自循跡小車設(shè)計中，控制策略是最主要的設(shè)計內(nèi)容，自循跡小車設(shè)計需要滿足一定的行駛速度，但也要保證其安全性，人們希望小車行駛越快越好，但是在行駛過程中遇到彎道若是不減速便會沖出彎道，造成安全事故。因此，對小車行駛進行控制很有必要，在設(shè)計中加入了速度控制系統(tǒng)，這就需要傳感器具備較高的性能，在遇到彎道的時候促使小車減速，在上坡的時候讓小車加速，等等，自循跡小車主要是利用激光發(fā)射機來實現(xiàn)信息傳播，通過激光發(fā)射器發(fā)射和接收信號，以此來對小車軌跡進行檢測，為小車行駛的安全性提供基礎(chǔ)保障。

自循跡小車在行駛的過程中，經(jīng)常會遇到直行、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎等過程，系統(tǒng)會進行自動判別嗎？詳細來說，檢測時當系統(tǒng)黑線處于小車正中間位置，小車則繼續(xù)前行，同時控制電機提速。但是當檢測黑線在位于小車左側(cè)或者右側(cè)的時候，就需要小車向左或者向右轉(zhuǎn)彎，這時就需要控制小車減速完成轉(zhuǎn)彎工作，并且需要小車根據(jù)反饋階段控制小車速度穩(wěn)定，控制電機使其降速，小車行駛速度越快，其下降速度就越快。起初程序會對系統(tǒng)進行初始化，需將小車的前后左右四個動作分別置于四個函數(shù)中以方便調(diào)用，同時將不同的模式固定在相應(yīng)的定時器中。將定時器1設(shè)計成計數(shù)模式，使其捕捉脈沖信號，將定時器0設(shè)計成定時模式，將傳感器測定時設(shè)置成1秒作為一個周期來處理數(shù)據(jù)，再通過定時器2產(chǎn)生PWM對小車形式速度進行調(diào)節(jié)。在對三個傳感器信息進行采集，明確黑白線的位置以后，小車便可以沿著黑線信息繼續(xù)前進，總體流程圖如圖5所示。6588E762-95A6-490F-8E00-665C647C93CE

3.2?系統(tǒng)速度控制程度設(shè)計

根據(jù)實際駕駛經(jīng)驗可知，車輛在行駛彎道和直行階段其速度控制相反，智能化系統(tǒng)小車設(shè)計應(yīng)當滿足這個需求，為此，就需要對智能化系統(tǒng)設(shè)計控制速度的功能，實現(xiàn)對小車速度的控制，相對于簡單的方式是對電機進行控制，當小車處于彎道時，便會存在一個彎道阻力，這個阻力自然減慢行駛速度。當小車駛出彎道時，其阻力就會變小，促使小車加速，然而這種開環(huán)控制方法很容易出現(xiàn)入彎減速、出彎道加速不及時的問題。針對這種情況，采用增加位置式的速度控制器方式來解決這個問題。系統(tǒng)中對電機速度檢查方式采用電編碼盤方式，是由光電傳感器和編碼盤相結(jié)合的方式組成的檢測設(shè)備，其計算公式如下：

其中N表示凹槽數(shù)量，n表示額脈沖數(shù)，t表示時間，V表示轉(zhuǎn)動速度，光電編碼器邊緣凹槽數(shù)量與其具有較大的聯(lián)系，可知凹槽對電機轉(zhuǎn)動速度會產(chǎn)生影響，導(dǎo)致誤差問題出現(xiàn)。為了降低誤差率，可以采用提高凹槽的數(shù)量方式減少誤差，選用凹槽數(shù)量為20，采集數(shù)據(jù)的時間設(shè)定位1秒，進而得出轉(zhuǎn)動速度過程，如圖6所示是測度流程示意圖。定時器1設(shè)置成統(tǒng)計數(shù)據(jù)模式，得到脈沖數(shù)為n，定時器0設(shè)計成計時模式，當處于1秒時，系統(tǒng)將會對得到的脈沖數(shù)進行處理，以后將數(shù)值進行計算，以此得到小車形式的速度和路程。

3.3?小車智能循跡算法

循跡指的是小車根據(jù)黑線指示條行駛，但是由于黑線、白板反射光線的系數(shù)存在一定差異，可以按照反射光線的強弱程度對“道路”進行判斷，一般采用紅外探測方法進行判斷。紅外探測法是充分利用了紅外線特殊性質(zhì)，紅外線對不同顏色反射出的性質(zhì)也不相同，小車在行駛的過程中，持續(xù)向地面發(fā)射紅外線，當紅外線與白板碰撞時會反射回來信號，由小車接收模塊對反射信號進行接收，如果發(fā)射的紅外線遇到黑線，紅外光就會被吸收，這樣小車就無法獲取反射的信息，此時單片機就會做出相應(yīng)的反應(yīng)，根據(jù)是否接收到反射信號來判斷黑線的位置，以此確定小車行走路線。本文利用三個傳感器開展小車黑線、白板的循跡工作，當三個傳感檢測結(jié)果同時為黑線時，小車便會停止行駛;如果三個傳感器都沒有檢測到黑線或者是中間傳感器檢測到黑線，那么小車繼續(xù)直行;同理，在其他兩個傳感器沒檢測到黑線的基礎(chǔ)上，左邊的傳感器檢測到黑線則小車向左轉(zhuǎn)，右側(cè)檢測到黑線小車右轉(zhuǎn)，其邏輯如下表所示。

4?小車行駛調(diào)試

自循跡小車行駛調(diào)試流程和內(nèi)容包括以下幾點：首先，需要檢測和調(diào)試的就是系統(tǒng)各個模塊機械性能，檢測各個環(huán)節(jié)設(shè)備之間的連接是否正常，特別注意接插部位的安裝是否正確、可靠。其次，通電檢測，觀察各個環(huán)節(jié)供電是否正常，重點檢測電機部位，觀察其驅(qū)動電流和電壓是否存在異常。然后，程序調(diào)試，調(diào)試系統(tǒng)中各項代碼是否正常運作，各個模塊運行能否正常運行，檢查自檢調(diào)試程序。最后，整機調(diào)試，目的是為了調(diào)整各模塊參數(shù)符合需求，這個過程首要驗證的就是激光掃描函數(shù)，之后鍵盤液晶顯示程序、彎道策略程序調(diào)試，并選擇合適的參數(shù)，基于此對小車速度程序進行調(diào)試，進一步調(diào)整優(yōu)化參數(shù)，進而保證小車速度的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進行完善和優(yōu)化，以此完成自循跡小車速度控制設(shè)計。自循跡小車測試過程中存在著無法沿著黑線行駛的問題，導(dǎo)致小車測試過程中跑出設(shè)計路線，導(dǎo)致這些問題存在的因素有以下幾點：（1）3個紅外傳感器安裝距離缺乏合理性，促使小車行駛過程中紅外探測滯后、不靈敏。（2）系統(tǒng)程序設(shè)計缺乏科學(xué)性，應(yīng)當技術(shù)優(yōu)化。（3）檢測裝置不夠靈敏，小車速度過快，導(dǎo)致系統(tǒng)不能夠及時做出判斷。

綜上所述，自循跡小車智能系統(tǒng)多個模塊組成整體構(gòu)架，其控制系統(tǒng)也是由多個模塊共同組成。自循跡小車控制速度系統(tǒng)受到多方面的影響，通過從硬件設(shè)計、軟件設(shè)計方面上著手，不斷改進優(yōu)化小車各個功能模塊的性能，促使小車循跡功能更加穩(wěn)定、可靠，進而實現(xiàn)智能小車循跡控制系統(tǒng)的目標。

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作者簡介：毛祖光（2000—?），男，漢族，河北任丘人，在讀本科，研究方向：機械電子工程（中外合作）;楊潔（1973—?），女，漢族，河南光山人，博士，副教授，研究方向：自動化控制與檢測、計算機視覺、模式識別。6588E762-95A6-490F-8E00-665C647C93CE