智能車的設(shè)計

0 引言

輪式小車是智能小車機械結(jié)構(gòu)的主體部分，由車身、輪子、速度傳感器、轉(zhuǎn)動軸等結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成。還包括提供動力的驅(qū)動器，采集環(huán)境信息的攝像頭等模塊，綜合實現(xiàn)收集小車的自身狀態(tài)信息或外部環(huán)境信息，并對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、融合，動態(tài)調(diào)整小車的運動狀態(tài)，實現(xiàn)在一定條件下的自主尋跡行駛。

本智能車采用PID控制算法，使用CCD線型攝像頭作為黑色引導(dǎo)線的檢測設(shè)備，經(jīng)LM393比較后供單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，圖像識別，從而可以進(jìn)行路徑識別。電機驅(qū)動采用的是PC33886，使用直射型光電傳感器來測量速度，并將相關(guān)信息顯示在LCD液晶顯示屏上，并采用4個按鈕按鍵進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，為現(xiàn)場調(diào)試提供了友好的人機交互界面。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計

整個車模系統(tǒng)可以分為三大部分：環(huán)境圖像采集部分、電機和舵機驅(qū)動部分、中央數(shù)據(jù)處理部分，且采用16位微控器MC9S12DGl28B作為核心控制單元，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

智能車的動力部分使用的是常見的小型永磁式直流電機。這種電動機的驅(qū)動電路非常成熟，既有分離元件組成的驅(qū)動器，也有一體化的功率集成驅(qū)動芯片可供選用。

智能汽車最重要的部件，也就是智能汽車的大腦——中央處理系統(tǒng)。它不僅負(fù)責(zé)將環(huán)境圖像采集部分送來的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，還要將這些信息轉(zhuǎn)化成為電機的驅(qū)動控制信號，使整車按照預(yù)定的規(guī)則前行，這就要求該系統(tǒng)具有龐大的數(shù)據(jù)處理能力。

2 路面檢測模塊

2.1 路面檢測方案比較及可行性分析

環(huán)境圖像采集部分可以采用陣列紅外探頭和CCD或CMOS圖像傳感器來實現(xiàn)，前者的特點是價格低廉、電路簡單、應(yīng)用方便，缺點是性能有限，對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力較弱，效果較差。而CCD或COMS圖像傳感器(攝像頭)就能彌補陣列紅外探頭的各種缺點。

為了能快速采集圖像數(shù)據(jù)并且兼顧開發(fā)的難易程度，在此次設(shè)計中將采用輸出標(biāo)準(zhǔn)TV視頻信號的黑白監(jiān)控攝像頭。這種攝像頭可以配合行、場同步信號分離電路和單片機自身的A/D轉(zhuǎn)換電路，可以將圖像方便地采集進(jìn)來，從而回避數(shù)字型攝像頭復(fù)雜的總線協(xié)議和數(shù)據(jù)處理過程。

2.2 硬件設(shè)計

LM1881視頻同步信號分離芯片可以從攝像頭信號中提取信號的時序信息，LM1881的同步分離電路如圖2所示。

引腳2為視頻信號輸入端，攝像頭信號即由此輸入LM1881，引腳3為場同步信號輸出端，當(dāng)攝像頭信號的場同步脈沖到來時，該端將變?yōu)榈碗娖?，一般維持 230μs，然后重新變回高電平，引腳7為奇一偶場同步信號輸出端，當(dāng)攝像頭信號處于奇場時，該端為高電平，當(dāng)處于偶場時，為低電平。奇一偶場的交替處與場同步信號的下降沿同步，也就是和場同步脈沖后的上升沿同步。

3 速度傳感器

3.1 方案選擇

(1)霍爾傳感器配合稀土磁鋼

優(yōu)點：獲取信息準(zhǔn)確、體積小、不增加后輪負(fù)載。

缺點：齒輪出靠近主驅(qū)動電機，容易受磁場干擾，對齒輪打孔容易順壞齒輪。

(2)光電傳感器

優(yōu)點：體積小、不增加后輪負(fù)載、反射型方案對原有器件不需要再加工。

缺點：精度受到光電管體積的限制。

(3)光電編碼器

優(yōu)點：獲取信息準(zhǔn)確、精度高。

缺點：增加后輪負(fù)載、體積大。

比較以上三種方案，考慮到系統(tǒng)的可靠性，主后輪轉(zhuǎn)動齒輪為塑料質(zhì)地，打孔比較危險，而且車重的任何增加都有可能影響到車速，最終決定采用直射型光電傳感器。

3.2 硬件電路設(shè)計

傳感器電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4 驅(qū)動部分

4.1 電機驅(qū)動器選擇

根據(jù)電機學(xué)和電力拖動理論，電機驅(qū)動器要有足夠的電流輸出能力來保證驅(qū)動力的充足。綜合考慮，電機驅(qū)動器采用一體化的專用功率驅(qū)動集成電路進(jìn)行設(shè)計分離元件(場效應(yīng)管)構(gòu)成的驅(qū)動器。

根據(jù)電機學(xué)，直流電動機轉(zhuǎn)速，n的表達(dá)式為：

式中：U為電樞端電壓;I為電樞電流;R為電樞電路中電阻;φ為每級磁通量;K為電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)。

由式(1)可知，直流電動機的轉(zhuǎn)速控制方法可以分為兩大類：對勵磁磁通進(jìn)行控制的勵磁控制法和對電樞電壓進(jìn)行控制的電樞控制法?，F(xiàn)在大多數(shù)應(yīng)用場合都使用電樞電壓控制法，本設(shè)計采用的是在保證勵磁恒定不變的情況下，采用PWM來實現(xiàn)直流電動機的調(diào)速方法。

電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值U。為：

式中：占空比D表示在一個周期T里開關(guān)導(dǎo)通的時間與周期的比值，D的變化范圍為0≤D≤1。由式(2)可知，當(dāng)電源電壓Us不變的情況下，電樞兩端電壓的平均值Uo取決于占空比D的大小，改變D值也就改變了電樞兩端電壓的平均值，從而達(dá)到控制電動機轉(zhuǎn)速的目的，即實現(xiàn)PWM調(diào)制。

為了便于取材和設(shè)計方便，此次設(shè)計選擇了飛思卡爾半導(dǎo)體公司的PC33886。PC33886在PWM調(diào)速模式驅(qū)動下可以接受20 kHz的工作頻率;具有過熱、過流、短路保護(hù)，并且通過一條反饋線將器件的工作狀態(tài)反饋給單片機。

4.2 舵機控制

舵機控制程序流程圖如圖4所示。

車模在行駛過程中不斷采樣路況信息，并通過分析車模與賽道相對位置判斷車模所處路況，計算轉(zhuǎn)彎半徑。所有舵機標(biāo)準(zhǔn)PWM周期為20 ms，轉(zhuǎn)動角度最大為90°，當(dāng)給舵機輸入脈寬為0.5 ms，即占空比為O.5/20=2.5%的調(diào)制波時，舵機右轉(zhuǎn)90°。可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)動角度與脈寬的關(guān)系計算公式為：

t=1.5±θ/90

式中：t為正脈沖寬度，單位：ms;θ為轉(zhuǎn)動角度;當(dāng)左轉(zhuǎn)時取加法計算，右轉(zhuǎn)時取減法計算。

在具體操作中PWM調(diào)制波的周期可以設(shè)置在20 ms左右一定范圍內(nèi)均可以使舵機正常轉(zhuǎn)動，經(jīng)反復(fù)測試最終把輸出PWM調(diào)制波周期設(shè)為13 ms。

運行電機的轉(zhuǎn)速以及舵機的轉(zhuǎn)角，在軟件上都是通過對PWM波占空比進(jìn)行設(shè)置來相應(yīng)控制的。

5 電源模塊

電機驅(qū)動系統(tǒng)要求大功率的電源供應(yīng)：低內(nèi)阻、大電流、對電源的紋波不敏感;單片機和圖像采集系統(tǒng)對電源質(zhì)量要求較高：低內(nèi)阻、波紋小、自身功耗不大，但要嚴(yán)防電動機在工作時產(chǎn)生的干擾。供電系統(tǒng)框圖如圖5所示。

由于攝像頭需要一個9～12 V的電壓才能正常工作，而充電電池的電壓只有6～7.2 V。所以DC-DC升壓電路便成為必須。

DC-DC電壓變換采用MC34063A集成電路，該器件內(nèi)部集成了溫度補償器、比較器、動態(tài)電流帶限占空比可控的振蕩器和一個高電流輸出驅(qū)動器。輸出電壓直接由兩個外接的誤差為2%的電阻控制。該電路可以方便地應(yīng)用于升壓和降壓兩種場合，電路原理圖如圖6所示。

6 軟件設(shè)計

軟件結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

整個小車自動識別控制過程都是通過主控單片機芯片上的程序控制來完成整個智能控制過程。小車開啟后將自動沿著有一定寬度的黑線軌道行駛，行駛中將連續(xù)檢測到的黑線位置信息反饋給主控芯片，通過主控芯片處理后將執(zhí)行結(jié)果反饋給控制器，進(jìn)而控制小車前行方向，并通過軟件檢測小車速度及按鍵的更改信息最終將結(jié)果通過LCD顯示屏顯示。

7 結(jié)語

智能車設(shè)計涉及控制、模式識別、傳感器技術(shù)、汽車電子、電氣、計算機、機械等專業(yè)領(lǐng)域。整個設(shè)計沒有采用過于復(fù)雜的檢測方法或控制算法，而是采用了攝像頭圖像處理技術(shù)和經(jīng)典PID控制算法，這樣不但能保證系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性與快速性，而且節(jié)省了成本與工作量。在控制算法上，PID控制保證了系統(tǒng)的快速和穩(wěn)定;在檢測方法上，攝像頭連續(xù)檢測的設(shè)計，保證了高速直線行駛的無抖動，以及光電管測速方法的應(yīng)用，保證了測速系統(tǒng)的簡單可靠。