基于μCOS-Ⅱ系統(tǒng)的智能尋跡模型車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引 言
    智能車輛是當(dāng)今車輛工程領(lǐng)域研究的前沿，它體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域理論技術(shù)的交叉和綜合，是未來(lái)汽車發(fā)展的趨勢(shì)。以往智能小車在軟件設(shè)計(jì)上多采用單程序控制，不利于智能車在外部環(huán)境改變時(shí)做出快速反應(yīng)，為使智能車系統(tǒng)反應(yīng)更為快速，該智能車應(yīng)用μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合小型控制系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良等特點(diǎn)。且選用功耗較低、資源更為豐富的AVR系列ATmega16單片機(jī)作為核心控制單元。
    采用紅外探測(cè)法實(shí)現(xiàn)尋跡功能，即將紅外光電傳感器固定在底盤前沿，利用其在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置和小車的行走路線。并在后輪上粘上均勻分布的黑白條紋，根據(jù)光電反射原理，測(cè)量車速。為保證智能車在行駛過(guò)程具有良好的操穩(wěn)性和平順性，控制系統(tǒng)對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制提出了較為理想的解決方案。
 

1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
    智能車的硬件部分以AVR系列ATmega 16單片機(jī)為核心控制器，由核心控制單元、電源管理模塊、路徑識(shí)別模塊、轉(zhuǎn)向控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和速度及路程檢測(cè)模塊等組成。智能車控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．1 核心控制單元
    智能車采用ATmage 16型單片機(jī)作為主控CPU其主要特點(diǎn)為高性能、低功耗、高性價(jià)比，資源豐富，并且支持高級(jí)語(yǔ)言編程，在運(yùn)行速度。內(nèi)存容量，內(nèi)部功能模塊集成化等諸多方面比MCS-51系列先進(jìn)。在智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的I／O資源分配如下：PB3，PD7為伺服電動(dòng)機(jī)的PWM控制信號(hào)輸出引腳；PD0～PD3為驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)引腳；路徑識(shí)別系統(tǒng)經(jīng)排線由PA0～PA6輸入至單片機(jī)。
1．2 電源管理模塊
    為避免電機(jī)等器件對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，智能車的各功能模塊單獨(dú)供電。采用12 V蓄電池為直流電機(jī)供電，將12 V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。相對(duì)于其他類型的電源，蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。考慮到蓄電池的體積大，在車體設(shè)計(jì)時(shí)留出了足夠的空間。
    在穩(wěn)壓時(shí)，采用兩片7812芯片將電壓穩(wěn)壓至12 V后給直流電機(jī)供電，然后采用2576將電壓穩(wěn)至5 V。2576的輸出電流最大可到3 A，完全滿足系統(tǒng)要求。
1．3 路徑識(shí)別模塊
    智能車采用紅外探測(cè)法實(shí)現(xiàn)小車在黑色地板上循白線行走，為了提高控制精度，要求傳感器排列緊密，越近越好。但傳感器排列緊密，傳感器發(fā)射管的光線可能會(huì)從地面反射進(jìn)入臨近傳感器的接收管。為消除傳感器之間互相干擾，傳感器共分為7組，由PA0～PA6這7個(gè)I／O口直接供MCU讀取傳感器數(shù)據(jù)。利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在智能車行駛過(guò)程中傳感器不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光(原理圖為圖2所示)。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置和小車的行走路線。

1．4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
    在電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面，采用運(yùn)用L298作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，A，B兩個(gè)電機(jī)分別控制左面和右面各兩個(gè)輪。通過(guò)調(diào)節(jié)兩輪的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)智能車的轉(zhuǎn)向，即由單片機(jī)控制進(jìn)行PWM變頻調(diào)速，通過(guò)程序設(shè)計(jì)改變脈沖調(diào)寬波形的占空比，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。轉(zhuǎn)向角度不同，則兩電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速差異不同。當(dāng)小車處于較大的偏離狀態(tài)時(shí)，需把一個(gè)電機(jī)的速度調(diào)至極低，另一電機(jī)全速運(yùn)行，從而在較短時(shí)間內(nèi)完成路線的調(diào)整。
    通過(guò)設(shè)定電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來(lái)控制智能車的前進(jìn)和后退。這種電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易高效，并能確保前后兩輪同步。
1．5 車速檢測(cè)模塊
    智能車系統(tǒng)通過(guò)車速檢測(cè)模塊來(lái)讀取實(shí)時(shí)車速。采用在后輪上粘貼均勻分布有黑白條紋的方法。利用圖3的檢測(cè)電路來(lái)對(duì)車輪上的黑白條紋進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)光電反射原理，在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，紅外接收管接收到反射光強(qiáng)弱高低變化，就會(huì)產(chǎn)生與車輪轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，將該脈沖信號(hào)進(jìn)行放大整形后輸入單片機(jī)的輸入捕獲引腳PA7，記錄單位時(shí)間內(nèi)所得到的脈沖數(shù)，就能夠表示出當(dāng)前車速，同時(shí)通過(guò)累加可以計(jì)算出小車所行走的路程。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    為使智能車在環(huán)境改變時(shí)做出更為及時(shí)準(zhǔn)確的響應(yīng)，在程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)。μC／OS-Ⅱ適合小型控制系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，最小內(nèi)核可編譯至2 KB。μC／OS-Ⅱ的代碼是用C語(yǔ)言編寫，可以直接移植到有C語(yǔ)言編譯器的處理器上。移植主要都集中在多任務(wù)切換的實(shí)現(xiàn)上，由于這部分代碼用于保存和恢復(fù)CPU現(xiàn)場(chǎng)(即寫／讀相關(guān)寄存器)，不能用C語(yǔ)言，只能使用匯編語(yǔ)言完成，即編寫OS CPU A．S文件。另外還需要修改體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的OS CPU．H文件和用戶規(guī)定任務(wù)棧初始化結(jié)構(gòu)的OS CPU C．C文件。
    μC／OS-Ⅱ是采用的可剝奪型實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核?？蓜儕Z型的實(shí)時(shí)內(nèi)核在任何時(shí)候都運(yùn)行就緒了的最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。μC／OS-Ⅱ中最多可以支持64個(gè)任務(wù)，分別對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)0～63，其中0為最高優(yōu)先級(jí)。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，共應(yīng)用了7個(gè)優(yōu)先級(jí)，其中，操作系統(tǒng)建立任務(wù)，即Task Start()的優(yōu)先級(jí)最高。調(diào)度工作可以分為兩部分：最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的尋找和任務(wù)切換。
    在該系統(tǒng)中，共定義了路徑識(shí)別、光電轉(zhuǎn)盤檢測(cè)等7個(gè)任務(wù)，控制器任務(wù)劃分及說(shuō)明如表1所示。其調(diào)度和通信實(shí)現(xiàn)流程如下：系統(tǒng)執(zhí)行Task Start()，在初始化任務(wù)執(zhí)行完成后，利用μC／OS-Ⅱ的OSTaskDel()函數(shù)將這個(gè)任務(wù)返回并處于休眠狀態(tài)。此時(shí)，Task Po-sition Check()成為優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，將會(huì)一直執(zhí)行。當(dāng)Task Position Check()檢測(cè)到路徑有所改變，通過(guò)郵箱傳送數(shù)據(jù)到Task Control()，并由TaskControl()控制PWM波輸出的改變。任務(wù)Task Op-tical_Wheel()的優(yōu)先級(jí)稍低，同樣會(huì)一直執(zhí)行，即當(dāng)任務(wù)Task_Optical_Wheel()檢測(cè)到黑白跳變時(shí)，任務(wù)中的變量加1，Task_Optical_Wheel()每隔1 s向任務(wù)Task_Path_Calculate()和Task_Speed_Calculate()發(fā)送1次消息，分別計(jì)算速度和已走的累加路程，控制器任務(wù)關(guān)系圖如圖4所示。

2．1 路徑黑線的識(shí)別
    路徑黑線的識(shí)別的準(zhǔn)確程度決定智能車能否完成快速、穩(wěn)定的尋線。識(shí)別裝置由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，以非接觸檢測(cè)方式，檢測(cè)距離可調(diào)整達(dá)4～20 mm。為了精確測(cè)定智能車的相對(duì)位置，將7對(duì)ST178并排安放在車底盤下部的前端，其分布垂直于智能車行走的方向。當(dāng)車行走時(shí)，保持7個(gè)發(fā)光管發(fā)光，當(dāng)某一個(gè)光電對(duì)管的下方為黑色軌跡時(shí)，相應(yīng)的接收管輸出為高電平，而下方為白色路面的接收管輸出為低電平。再經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，控制系統(tǒng)就可以分析出當(dāng)前車行走的位置，從而達(dá)到調(diào)整智能車運(yùn)行狀態(tài)的目的。例如，假設(shè)路面黑線的寬度為三組紅外線對(duì)管的寬度，當(dāng)黑線在車體中間時(shí)，7個(gè)輸入引腳為28H(0011100)；當(dāng)車體左或右偏時(shí)，接收到的數(shù)據(jù)會(huì)改變，即“1”會(huì)相應(yīng)的左移或右移，如0001110(右偏)、0111000(左偏)，偏移幅度不同，“1”的移動(dòng)位數(shù)便不同。
2．2 轉(zhuǎn)向控制模塊
    采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制，配用L298驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速，方法簡(jiǎn)單且調(diào)速范圍大，它利用的是直流斬波原理，假定高電平導(dǎo)通，在一個(gè)周期T內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間為t，那么一個(gè)周期T內(nèi)的平均電壓U=(t／T)VCC=qVCC，其中占空比q=t／T。
    電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成正比，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的速度與占空比成正比，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)的越快，當(dāng)占空比q=1時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大。該智能車系統(tǒng)采用8 MHz的晶體振蕩器，PWM信號(hào)引腳OCRO／2的頻率為：
   
式中：變量N代表分頻因子：1．8，32，64，128，256或1 024。占空比計(jì)算公式為：
    t／T=(OCR0／1／256)
2．3 車速及路程測(cè)量模塊
    在智能車車后輪上粘貼均勻分布有黑白條紋。在輪轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，紅外傳感器會(huì)不斷檢測(cè)到黑、白條紋的出現(xiàn)。當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到的為黑條紋時(shí)，輸入電壓為高電平，當(dāng)檢測(cè)到的為白條紋時(shí)輸入電壓為低電平。若傳感器檢測(cè)到電平跳變，則計(jì)數(shù)變量加1。時(shí)鐘每秒產(chǎn)生一次中斷，Task_Clock()進(jìn)程通過(guò)郵箱向Task Speed_Calculate()進(jìn)程發(fā)送數(shù)據(jù)，由此可算出小車速度：速度=數(shù)據(jù)／每圈條紋數(shù)。如圖5，圖6所示。

3 結(jié) 語(yǔ)
    本文介紹了一種智能尋跡模型車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐證明，該智能車定位準(zhǔn)確，系統(tǒng)響應(yīng)快且穩(wěn)定，具備良好的動(dòng)力性能和精確的轉(zhuǎn)向性能，證明了μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性。相比同類智能車，該模型車還具有高性能、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。