基于激光二極管的智能循跡小車的硬件設(shè)計

摘要 介紹了一種基于紅外激光二極管的智能循跡模型車硬件系統(tǒng)的設(shè)計方法。該系統(tǒng)以MC9S12XS128為控制核心，采用紅外激光二極管及紅外接收傳感器采集路徑信息，同時應(yīng)用內(nèi)部集成H橋電路的MC33886芯片進(jìn)行電機驅(qū)動，并運用LM331芯片來設(shè)計測速電路。此系統(tǒng)可對采集到的路徑信息及反饋的車速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，能及時控制舵機轉(zhuǎn)向和調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)小車的自動循跡功能。
關(guān)鍵詞 路徑識別；智能車；紅外激光二極管；MC33886；自動循跡

    全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽是在規(guī)定的模型汽車平臺上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位微控制器作為核心控制模塊，通過增加道路傳感器、電機驅(qū)動電路以及編寫相應(yīng)軟件，制作一個可自主識別道路的模型汽車，按照規(guī)定路線行進(jìn)，完成時間最短者為優(yōu)勝。該競賽涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機和機械等多個學(xué)科的內(nèi)容。文中基于此競賽為背景，設(shè)計了一套智能車控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)針對智能車的路徑檢測，提出了一種基于激光強反射原理的實現(xiàn)方案，實現(xiàn)了高精度的路徑檢測效果。該系統(tǒng)利用MC9S 12XS128控制器，對紅外接收傳感器采集到的道路黑色引導(dǎo)線的信息與測速模塊反饋的車速信息進(jìn)行分析并處理，然后根據(jù)道路前方黑色引導(dǎo)線距車體中心線之間的偏差，分別送出控制信號給轉(zhuǎn)向舵機和電機驅(qū)動模塊，進(jìn)而控制車輛實現(xiàn)快速穩(wěn)定的自主循跡行駛。

1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計方案
    該系統(tǒng)硬件設(shè)計主要由MC9S12XS128控制核心、電源管理模塊、激光發(fā)射及接收模塊、舵機控制模塊、直流電機驅(qū)動模塊、車速檢測模塊、串口及調(diào)試接口模塊、數(shù)碼開關(guān)與LED指示模塊等組成，整個系統(tǒng)構(gòu)成一個速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，撥碼開關(guān)及LED指示模塊主要用于選擇車輛的運行模式，即可在程序中實現(xiàn)幾種運行的算法，而通過撥碼開關(guān)便可實現(xiàn)快速切換，以適應(yīng)不同的運行環(huán)境。

2 核心控制主板設(shè)計
    系統(tǒng)的核心控制板是MC9S12XS128的最小硬件系統(tǒng)。其是由MC9S12XS128芯片、時鐘晶振電路、復(fù)位電路、BDM接口電路、RS232串口電路、濾波電容、電感及接插件等構(gòu)成。該S12XS系列單片機是在S12XE系列基礎(chǔ)上去掉XGate協(xié)處理器的單片機，采用了S12X V2 CPU內(nèi)核，可運行在40 MHz總線頻率上，帶有ECC模塊、2個SPI模塊、2個CAN總線模塊。同時2個SCI串行通信模塊支持LIN總線，4路外部事件觸發(fā)中斷輸入端口，8路16位計數(shù)器，8路PWM及16路8位、10位、12位A／D，轉(zhuǎn)換時間為3μs。通過BDM接口可向目標(biāo)板下載程序，還可完成基本的調(diào)試功能，如設(shè)置斷點、讀寫內(nèi)存、讀寫寄存器、單步執(zhí)行程序、運行程序、停止程序運行等。另外，通過串口可向PC機上傳采集到的路徑數(shù)據(jù)及其他測試數(shù)據(jù)。

3 各模塊電路設(shè)計
3．1 電源管理模塊
    電源模塊除了為單片機、傳感器、舵機和電機驅(qū)動等供電外，還為運算放大器提供正負(fù)雙電源。因此需提供多種電壓值以滿足各模塊的要求。另外，設(shè)計所使用的Ni—cd蓄電池在電量充足時，其空載電壓約有8 V，而且隨著電池的消耗，電壓逐漸降低。另外電機啟動及反轉(zhuǎn)制動時的電流過大，也可能將電池電壓拉至更低。為避免由于電源電壓的不穩(wěn)定而影響單片機和傳感器及其信號放大電路的正常工作，本電源設(shè)計使用了DC—DC變換芯片MC34063以及低差壓穩(wěn)壓器LM2940和LM2990。通過MC34063輸出穩(wěn)定的+8 V電壓給激光發(fā)射二極管，再由LM2940將+8 V變壓為+5 V給運算放大電路及測速電路提供正電源。而運算放大器的負(fù)電源則通過一個自繞的變壓器L2感應(yīng)輸出一個-8 V電壓，再經(jīng)過LM2990穩(wěn)壓成-5 V電壓供給。MC9S12XS128單片機和紅外接收電路所需的+5 V電壓則由電池電壓直接串入LM2940穩(wěn)壓所得。在Ni—cd蓄電池與電源輸入之間還串入了一個共模電感L1作為隔離，由此電機驅(qū)動電路便可連接電池兩端，從而保證電機的動力，并且有效抑制電機產(chǎn)生的高頻干擾串到電源模塊中，同時也確保了系統(tǒng)在各種速度下的穩(wěn)定運行。其電源管理模塊電路原理如圖2所示。

3．2 紅外激光發(fā)射及接收模塊
    包括了紅外發(fā)射傳感器和紅外接收傳感器兩部分。為使小車擁有遠(yuǎn)瞻及高精度的優(yōu)勢，系統(tǒng)選用紅外激光二極管HLD780060H7J作為紅外發(fā)射傳感器。此發(fā)射器是一種半導(dǎo)體激光二極管，發(fā)出的波長為780 nm，工作電壓為DC=2 V，工作電流<125 mA，發(fā)射功率可達(dá)60 mW，反射效果可滿足要求，只需加裝一套可聚焦的透鏡，其發(fā)射能力不但會加強一倍，且還實現(xiàn)了精度可調(diào)的功能，需只要對透鏡稍作調(diào)節(jié)即可調(diào)整其聚焦精度。而接收器可采用一種高靈敏度硅光敏三極管。本智能車對路徑的檢測原理是通過紅外激光發(fā)射管發(fā)出的紅外光在遇到反光性較強的物體后被反射回來，并被光敏二極管接收，使得光敏二極管的光生電流增大，再將這一變化電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，由處理器進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換及比較判斷，進(jìn)而實現(xiàn)反光性不同的兩種物體的識別。

    具體的紅外發(fā)射及接收電路原理圖如圖3所示，圖中左半部分為紅外激光發(fā)射電路。從發(fā)射電路圖可見，只需一個三極管Q1(N5551)即可直接驅(qū)動紅外激光二極管HLD780060H7J，其控制信號則是一個頻率為40 kHz的調(diào)制信號，由控制器產(chǎn)生。圖中右邊部分為紅外接收電路，其紅外接收的光敏二極管是一個PN結(jié)，需提供一個反偏電壓，所以反向連接在電路中。三極管Q1、Q2構(gòu)成的電路并未起到信號放大的作用，而是使得光敏傳感器的工作點因環(huán)境光線的變化而變化，從而保證了傳感器接收的靈敏度。在一定程度上，起到了對環(huán)境光線的自適應(yīng)作用。在調(diào)試過程中，可通過調(diào)節(jié)可變電阻PR1使得傳感器的信號輸出最大。放大電路則可采用低噪聲的運算放大器TL064來設(shè)計，此芯片內(nèi)部集成了4個運放，可方便地實現(xiàn)信號的濾波及多級放大。將已放大的信號再通過RC積分電路便可產(chǎn)生A／D所要采集的電壓。由于飛思卡爾智能車比賽的賽道是由白色泡沫材料及其中心的黑色引導(dǎo)線組成，通過將兩者的A／D采樣值進(jìn)行比較，就可識別出黑色引導(dǎo)線。
3．3 RS380直流電機驅(qū)動模塊
    直流電機驅(qū)動采用飛思卡爾公司的5 A集成H橋的芯片MC33886。此芯片內(nèi)置有控制邏輯、電荷泵、門驅(qū)動電路以及低導(dǎo)通電阻的MOSFET輸出電路，適用于控制感性直流負(fù)載。該芯片可提供連續(xù)的5 A電流，并集成有過流保護(hù)、過熱保護(hù)和欠壓保護(hù)電路。通過控制MC33886的4根輸入腳(IN1、IN2、D1、D2)可實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)、能耗制動及反接制動。在此應(yīng)用中，MC33886的作用是將恒定的直流電壓調(diào)制成頻率同定而脈寬可變的PWM脈沖電壓序列，從而改變輸出的平均電壓大小來控制電機轉(zhuǎn)速。為提高對直流電機的控制精度，可將MC9S12XS128單片機內(nèi)部的PWM2和PWM3兩個通道8位寄存器級聯(lián)成16位寄存器，并從PWM3通道輸出接到MC33886的IN1。同理，可將PWM4和PWM5兩個通道8位寄存器也級聯(lián)成16位寄存器，從PWM5通道輸出接到MC33886的IN2。通過PWM對MC33886的IN1和IN2的控制，從而實現(xiàn)對電機的四象限運行的控制。而直流電機RS380則直接接入MC33886的輸出端OUT1和OUT2。本驅(qū)動設(shè)計采用了兩片MC33886并聯(lián)使用，一方面減小導(dǎo)通電阻對直流電機特性的影響，增強驅(qū)動電機的能力；另一方面可減小MC33886內(nèi)部過流保護(hù)電路對電機啟動及制動的影響，且共同分擔(dān)了發(fā)熱量，進(jìn)一步提高了電機驅(qū)動的性能。

3．4 車速測速模塊
    為實現(xiàn)遁跡小車的智能加減速，使車輛高速而平穩(wěn)地跟蹤引導(dǎo)線行駛，則必須對其進(jìn)行速度檢測，使車輛的速度構(gòu)成一個閉環(huán)控制關(guān)系。系統(tǒng)的車速檢測采用了低成本的槽型光電開關(guān)H206與光柵圓盤的組合來實現(xiàn)。其是一種透光式的檢測方法，原理如圖5所示，當(dāng)光柵圓盤跟隨被測軸旋轉(zhuǎn)時，U1中左邊的發(fā)光二極管的光線只能通過光柵盤上孔照射到其右邊的光電管上；當(dāng)光電管被照射時，其電阻較小，于是輸山一個低電平信號；當(dāng)光源被圓盤擋住時，則光電管電阻較大，輸出端就形成一個高電平信號輸出。隨后再經(jīng)過一個南U2構(gòu)成的電壓比較器，便可產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)的矩形脈沖。然而，圓盤上的小孔數(shù)目是同定的，即轉(zhuǎn)一周的脈沖個數(shù)是同定的。若轉(zhuǎn)速變化則輸出的脈沖個數(shù)也將發(fā)生變化，且該變化是線性的。然后根據(jù)v=(N／M)／T(v是轉(zhuǎn)速；N為單位時間T內(nèi)所產(chǎn)生脈沖個數(shù)；M為光柵圓盤上孔的個數(shù)；T為單位時間)便可算出被測軸的轉(zhuǎn)速。但為提高測速的效率，系統(tǒng)采用另一種換算方法，就是將脈沖信號轉(zhuǎn)換成電平信號再由單片機A／D采樣獲得相應(yīng)的速度值。網(wǎng)中LM331芯片構(gòu)成一個F／V轉(zhuǎn)換電路。檢測脈沖從LM331芯片的6腳輸入，由引腳1輸出一個電壓信號，然后送入單片機A／D采樣，不同的采樣值對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速。

3．5 舵機模塊及小車的組裝
    系統(tǒng)設(shè)計采用Futaba S3010型舵機，只有3根引接線，分別為地線、電源線和PWM控制線。該舵機的實質(zhì)是一個位置隨動系統(tǒng)，其由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機和控制電路組成，通過內(nèi)部位置反饋，可使舵盤輸出轉(zhuǎn)角正比于其給定的控制信號。即在負(fù)載力矩小于其最大輸出力矩的情況下，其輸出轉(zhuǎn)角將會正比于給定的脈沖寬度。為提高舵機的響應(yīng)速度，將其工作電壓直接連接電池電壓7．2 V，并將單片機內(nèi)部的PWM0和PWM1兩路8位輸出級聯(lián)成一個16位的PWM，再由PWM1通道輸出給舵機。在實踐中，還可通過采取加長舵機力臂增大擺幅的方法進(jìn)一步提高舵機的響應(yīng)速度。

    圖6為本設(shè)計智能循跡小車的組裝實物圖。由于傳感器對賽道信息捕獲的效果將直接影響智能車的控制策略及其速度。為獲得盡量大的前瞻，如圖6所示，設(shè)計將15個均等間隔排列的激光傳感器固定在一個離地面約25 cm的位置，并以58°角射向前方路面，使得小車的前瞻可達(dá)40 cm。同時將舵機通過墊板墊高，加長了前輪控制力臂的長度，從而提高了前輪轉(zhuǎn)向的響應(yīng)速度。并在電機及其驅(qū)動MC33886表面均加裝了散熱器，來提高電機運行的性能。通過科學(xué)的硬件設(shè)計，與合理的算法，便可讓系統(tǒng)對賽道信息進(jìn)行提前獲取并做出即時、正確的決策，從而使車輛做到彎道提前減速，直道提前加速跑出更加節(jié)省路程的路徑。

4 結(jié)束語
    文中對基于紅外激光二極管的智能循跡小車的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了分析與設(shè)計。介紹了智能車的控制器模塊、電源管理模塊、路徑識別模塊、電機驅(qū)動模塊、車速測速模塊以及舵機模塊等6部分的硬件電路設(shè)計，并給出了部分模塊的實際電路圖。最終展示了智能循跡小車的實物圖。實踐證明，該車可快速平穩(wěn)地實現(xiàn)循跡功能。