基于MSP430F5529單片機(jī)的坡面行駛小車(chē)設(shè)計(jì)

李青蔚， 朱宇， 趙晟楠， 李玉杰

(南開(kāi)大學(xué)濱海學(xué)院，電子科學(xué)系， 天津 300270)

0 引言

當(dāng)前的智能小車(chē)具有的多是基于水平面上的控制功能，如遙控行駛、循跡、避障等基礎(chǔ)功能[1]，由于車(chē)體重量的豎直與水平分量、車(chē)胎的抓地力、電機(jī)的扭力限制等原因，其不足之處在于當(dāng)行駛平面不再與地面水平，隨著坡度的加大，極易發(fā)生車(chē)體打滑難以控制、爬坡困難甚至翻車(chē)的問(wèn)題。

因此，為解決智能小車(chē)在坡面行駛困難的問(wèn)題，本文介紹了一套具有良好坡面行駛能力且兼具智能尋跡、速度監(jiān)測(cè)功能的軟硬件結(jié)合的小車(chē)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)現(xiàn)有智能小車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、軟硬件結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)與調(diào)整，改善了在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中智能小車(chē)坡面行駛的表現(xiàn)，結(jié)合對(duì)單片機(jī)的具體控制完善了智能小車(chē)的尋跡與測(cè)速功能。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要完成的是智能小車(chē)的坡面行駛、實(shí)時(shí)測(cè)速與智能循跡功能。系統(tǒng)采用了MSP430F5529單片機(jī)作為主控芯片，通過(guò)光電傳感器監(jiān)測(cè)黑白路線,利用PID算法達(dá)到較為精確的路線選擇，直射式光電傳感器監(jiān)測(cè)車(chē)輪前輪轉(zhuǎn)速以便于對(duì)后車(chē)輪的轉(zhuǎn)速的控制[2]，使用較為輕便的OLED屏顯示車(chē)速。同時(shí)通過(guò)一個(gè)單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)模塊帶動(dòng)安裝有扇葉的電機(jī)構(gòu)成負(fù)壓系統(tǒng)，產(chǎn)生下壓風(fēng)力，確保小車(chē)在具有一定坡度的場(chǎng)地的行駛過(guò)程中可以獲得足夠的抓地能力，從而保證小車(chē)在坡面上行駛時(shí)的車(chē)體狀態(tài)，進(jìn)而使小車(chē)的循跡功能正常執(zhí)行[3]。當(dāng)紅外對(duì)管檢測(cè)到停車(chē)標(biāo)記線后停車(chē)并觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出停車(chē)警報(bào)。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 齒輪式差速器

本系統(tǒng)于小車(chē)前輪仿照二驅(qū)汽車(chē)采用齒輪式差速器[4]來(lái)保證車(chē)體可以進(jìn)行流暢的轉(zhuǎn)向，且這樣的設(shè)計(jì)可以減小小車(chē)的轉(zhuǎn)向半徑。

直行時(shí)，左右車(chē)輪所受阻力相當(dāng)，行星齒輪只進(jìn)行公轉(zhuǎn),不會(huì)自轉(zhuǎn)；當(dāng)車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)側(cè)車(chē)輪會(huì)受到更大的阻力，由于兩側(cè)半軸受力不同，中間的行星齒輪將開(kāi)始自轉(zhuǎn)，使兩側(cè)半軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，即外側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速大于內(nèi)側(cè)[5-6]。這樣一來(lái)小車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)由于兩側(cè)速度差造成的轉(zhuǎn)向困難問(wèn)題就得到了較好的解決。齒輪式差速器結(jié)構(gòu)[7]原理如圖2所示。

圖2 齒輪式差速器結(jié)構(gòu)

輸出給轉(zhuǎn)的快慢不同的左右兩側(cè)半軸齒輪的轉(zhuǎn)矩為

M1=0.5M0(1-K)

M2=0.5M0(1+K)

(1)

輸出到低速半軸的轉(zhuǎn)矩與輸出到高速半軸的轉(zhuǎn)矩之比Kb為

2.組內(nèi)教研。在備課組長(zhǎng)的引領(lǐng)和指導(dǎo)下，以小組為單位開(kāi)展組內(nèi)教研活動(dòng)，其間深入各組進(jìn)行分段培訓(xùn)，再在組內(nèi)上研討課。

(2)

據(jù)此為小車(chē)差速器選擇合適的齒輪與轉(zhuǎn)矩，以使整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)行更為流暢。

2.2 負(fù)壓系統(tǒng)

本系統(tǒng)于小車(chē)的中部安裝風(fēng)輪扇葉，為小車(chē)構(gòu)建簡(jiǎn)單的負(fù)壓系統(tǒng)。對(duì)小車(chē)在坡面的狀態(tài)進(jìn)行受力分析：

FN=Gcosθ+F扇f(wàn)=μFN

(3)

可知若欲使小車(chē)在坡面上的摩擦力加大，可以選擇增大葉片帶給整個(gè)系統(tǒng)的垂直于坡面的壓力F扇，小車(chē)爬坡時(shí)的側(cè)面重力分析示意圖如圖3所示。

圖3 小車(chē)在傾斜平面的受力分析

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理在風(fēng)扇軸向可產(chǎn)生推力F扇，對(duì)于F扇有如下推導(dǎo)[8]。

記V為流經(jīng)風(fēng)輪的風(fēng)速，V1為進(jìn)入風(fēng)輪前的風(fēng)速，V2為流出風(fēng)輪的風(fēng)速 ，ρ為空氣密度，a為軸向誘導(dǎo)因子，m為流經(jīng)風(fēng)輪的空氣質(zhì)量，A為風(fēng)輪平面面積：

(4)

由于

F扇=m(V1-V2)

(5)

可推出

(6)

根據(jù)動(dòng)量—葉素理論[9]，風(fēng)輪平面dr圓環(huán)上的軸向推力為

(7)

式中,B為葉片數(shù)，c為葉素剖面弦長(zhǎng)，Cn葉輪平面法向力系數(shù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分主要由主控單片機(jī)MSP430F5529、L298N驅(qū)動(dòng)模塊、減速電機(jī)、下壓風(fēng)扇、光電測(cè)速模塊和OLED顯示屏組成，并在車(chē)頭部位安裝三組光電對(duì)管來(lái)完成對(duì)循跡路線的校正。車(chē)體大致結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 車(chē)體結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 模塊選擇方案

在硬件模塊的具體選擇上以常用模塊、小尺寸、低功耗、低重量為標(biāo)準(zhǔn)，主控模塊選用具有超低功耗的由TI公司出品的MSP430F5529單片機(jī)。

在驅(qū)動(dòng)模塊的選擇上，采用現(xiàn)有智能小車(chē)中最常見(jiàn)的L298N模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)后輪的減速電機(jī)。L298N模塊是H橋集成電路，其輸入端可以直接與單片機(jī)相聯(lián)。通過(guò)改變輸入端的電平，直接控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。直流電機(jī)的兩端接在L298N模塊的OUT1和OUT2口，使能端ENA、ENB為高電平時(shí)有效。通過(guò)IN1、IN2與電機(jī)兩極的接法，確定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向；通過(guò)對(duì)使能端輸入不同的PWM脈沖，實(shí)現(xiàn)具體速度的調(diào)節(jié)。使能信號(hào)為0，使得電機(jī)處于自由停止?fàn)顟B(tài)；使能信號(hào)為1且IN1和IN2為00或者11，使得電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。L298N原理圖如圖5所示。

圖5 L298N驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

在前輪安裝直射式光電傳感器與碼盤(pán)結(jié)合測(cè)定小車(chē)左右輪的行進(jìn)速度，以便在OLED屏上進(jìn)行顯示。

碼盤(pán)位于電機(jī)的傳動(dòng)軸上，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)碼盤(pán)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。由于碼盤(pán)的過(guò)孔之間存在鋁盤(pán)的遮擋，光電管接收端將得到一系列的脈沖信號(hào)。通過(guò)單片機(jī)對(duì)脈沖信號(hào)間隔的計(jì)算處理，可得到小車(chē)的實(shí)時(shí)車(chē)速。記小車(chē)速度為V，時(shí)間間隔為T(mén)，小車(chē)前進(jìn)距離為S，碼盤(pán)過(guò)孔數(shù)為n，車(chē)輪半徑為r，車(chē)速的計(jì)算公式為

(8)

同時(shí)本系統(tǒng)選用光電對(duì)管讀取返回值以便利用PID算法對(duì)小車(chē)行進(jìn)路線進(jìn)行較為精確地矯正。將3對(duì)光電對(duì)管，對(duì)照規(guī)定路線的寬度安裝于車(chē)頭部位(注意盡量避免光電對(duì)管間的相互干擾)，調(diào)整光電對(duì)管的安裝高度保證測(cè)量的精度。光電對(duì)管接受路面反射的光產(chǎn)生參數(shù)，同時(shí)測(cè)量并設(shè)定路徑中心參考值以便于對(duì)后輪電機(jī)速度調(diào)控，即時(shí)修正行進(jìn)路線。光電傳感器與碼盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 光電傳感器與碼盤(pán)結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

小車(chē)開(kāi)始運(yùn)行前，根據(jù)坡度大小以不同的次數(shù)按下調(diào)節(jié)按鍵，設(shè)定負(fù)壓系統(tǒng)以不同的轉(zhuǎn)速啟動(dòng)，為小車(chē)提供適當(dāng)?shù)膲毫?。按下啟?dòng)按鍵，小車(chē)開(kāi)始執(zhí)行尋跡程序。位于小車(chē)前端的光電對(duì)管對(duì)地進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，給單片機(jī)提供返回值，通過(guò)PID計(jì)算判斷小車(chē)行進(jìn)路線是否偏差。進(jìn)而由單片機(jī)產(chǎn)生占空比不同的PWM波輸入L298N來(lái)對(duì)小車(chē)后輪速度進(jìn)行即時(shí)調(diào)整，改變小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡，不斷重復(fù)以上步驟直到前端光電對(duì)管檢測(cè)到停車(chē)標(biāo)記線后停車(chē)并觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出停車(chē)警報(bào)。在小車(chē)運(yùn)行的同時(shí)，根據(jù)前輪讀取到的脈沖信號(hào)計(jì)算實(shí)時(shí)車(chē)速并反饋給LCD屏進(jìn)行顯示。系統(tǒng)邏輯示意圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)邏輯示意圖

5 測(cè)試結(jié)果

在具有穩(wěn)定光源的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，我們通過(guò)對(duì)其他變量的控制，對(duì)系統(tǒng)的具體性能進(jìn)行了檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)一 當(dāng)坡面角度改變時(shí)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 小車(chē)在不同坡度行駛測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)二 對(duì)差速器使用前后的效果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 有無(wú)使用差速器測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)三 對(duì)PID算法的使用效果進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 使用不同算法在不同坡度誤差測(cè)試結(jié)果

6 總結(jié)

本文根據(jù)當(dāng)前傳統(tǒng)智能小車(chē)在坡面行駛時(shí)車(chē)體打滑、爬坡困難等問(wèn)題，基于MSP430F5529單片機(jī)提出了一套具有良好坡面行駛能力且兼具智能尋跡、速度監(jiān)測(cè)功能的軟硬件結(jié)合的小車(chē)控制系統(tǒng)。我們采用了負(fù)壓裝置、齒輪差速器等技術(shù)，改善了其坡面行駛能力。通過(guò)光電傳感器、PID算法對(duì)小車(chē)行進(jìn)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，與此同時(shí)由于齒輪差速器技術(shù)的使用使得小車(chē)能夠進(jìn)行更為流暢的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。最終，小車(chē)可以實(shí)現(xiàn)在不同坡度上的循線行駛，擁有較強(qiáng)的爬坡能力，在高坡度平面也能穩(wěn)定行駛及制動(dòng)，同時(shí)具有循跡與OLED顯示車(chē)速的功能。

圖8 不同占空比的波形圖