1、 基于激光传感器寻迹智能车系统的设计和实现陈勇，张謇，张欢欢电子与信息学院杭州电子科技大学浙江省杭州市，中国C摘要：本文记叙了一种基于激光传感器路径识别的智能小车控制系统的设计与实现方法。智能小车的整个系统是实现在一个模型为 128 大小的汽车。该车是由后轮直流电机和前轮转向伺服驱动的。小车按设计配有接收波长 650 纳米的激光管作为其路径识别传感器，并采用飞思卡尔公司的高性能单片机 MC9S12XS128 作为控制电机的核心，通过伺服系统对采集跟踪信息和编码器的速度反馈。文中使用的控制方案命名为闭环控制系统，使用与速度反馈相结合的 PID 控制算法。整个系统的稳定运行通过软件和硬件的共同工作
2、来完成，达到对复杂的路径信息作出快速的反应。关键词：寻迹智能小车；激光传感器，微控制器，MC9S12XS128 单片机； PID 算法一、介绍寻迹智能车是一个传感器，机器视觉，信号处理，自动控制等技术为一体的新技术。它的背景是飞思卡尔杯智能大学汽车赛。根据比赛的要求，寻迹智能车需识用别跟踪，搜索和自动驱动来尽快的跑完一圈。寻迹智能车采用高电流的脉冲发射激光传感器检测引导线和收集跟踪信息。通过对传感器的数据收集和处理， MCU 控制前轮转向和直流电动机控制后轮驱动寻迹智能车，则车可以跟踪路径和驱动快。在没有外部因素的干扰的前提下，激光传感器的路径信息越远，对寻迹智能车的预测效果越好。一个简单的工
3、作框图如图 1所示。图 1 寻迹智能车的简单运行图二、寻迹智能车系统的组织结构和工作原理该系统的稳定运行是在飞思卡尔 16 单片机 MC9S12XS128 的控制之下。系统的结构图如图 2 所示的系统，主要包括激光发射和接收模块，速度编码器模块，电机驱动电路模块与伺服驱动模块。图 2 系统结构框图寻迹智能车的工作原理：单片机控制激光发射管发射激光，接收管接收来自轨道的激光反射。微芯片内的 AID 转换器收集接收管内的电压数据。由于从白色轨道和黑色引导线的反射激光的强度是完全不同的，在 MCU 可以根据这些数据判断智能车离中央导向线的距离多远。结合来自速度编码器的速度反馈，再由算法处理该信息，该
4、系统会提供一种新的速度和转向角度值。三、系统硬件电路设计A.激光传感器的选择和电路设计有两种类型的激光管中可以选择。一种为 780nm-lOmw 激光管，另一种是 650nm-lOmw激光管。因为 780nm 波长非常接近红光光谱的两端末尾，因此，它几乎是不可见的，只有在非常暗的环境可以让人看光线。而 650nm 波长在红光光谱的中间可以容易地看到。在考虑调试系统的便利性， 650nm -lOmw 激光管是更好的选择。对于 650nm 激光，相同的波长接收管具有的最高光谱感光度，会达到最大的效果。为了延长寻迹智能车可以预见的距离，该系统采用高电流和脉冲发射式发射激光。激光发射电路如图 3 所示
5、。本电路主要由 3 至 8 线译码器 74HC238 和八个达林顿阵列 ULN2803组成。作为电路的分配器，The74HC238 只有在输出为高电平是会被激活。MCV 分布数据（特定频率信号）由 PA36（ PAOI，PA02 ，PA03）输入，由 74HC238 解码器的引角（YO 至Y7）输入至 ULN2803 逐个点亮激光发射管。图 3 激光发射电路激光接收电路如图 4 所示。该电路包括激光接收管和运算放大器。接收管接收反射的激光通常会产生 10mv 的至 200mV 范围内的电压信号，噪声信号需放大处理才能被 MCV 接收处理。被放大的信号之前，RC 滤波器用于过滤直流信号和低频信号
6、。我们选择精确，低噪声运算放大器 TLC2202 德州仪器。放大的信号由 MCV 内的 AID 转换器进一步处理收集。图 4 放大电路在该设计中，MCV 控制激光管一个接一个的发射激光，从而使接收管时分复用。因此一个接收管从两个激光管接收信号。此设计降低了成本，以及追踪智能汽车的重量。激光发射的布局和接收电路如图 5 所示。激光管的发射序列是根据布局的特殊顺序排列的。激光管需交叉而不能依次发射这样可以避免干扰。该系统采用高电流脉冲发射方式来控制激光管发射激光发射序列可以是 T1，TS-+ T2，T6-+ T3，T7-+ T4，T8-+T1 ，TS 。当激光通过 T1 或T2 发射， RI 将接
7、收到信号。当激光通过 T3 或 T4 发射，R2 将接收到信号。当激光通过 TS或 T6 发射，R3 将接收到信号。当激光通过 T7 或 T8 发射，R4 将接收到信号。交叉发射的方法提高了系统的可靠性和抗干扰能力。 图 5 激光发射和接收布局B.电机和伺服驱动电路和速度测量电路的设计电机 RS-380SH 被选择用于本文的寻迹智能车系统。为了电机能在高速中快速反应，电机需要回滚制动，这要求电机驱动电路具有双向驱动器的能力。本设计采用的是由四个MOSFET 的经典 H 桥驱动器设计。两个高电流半桥芯片 BTS7970B 组成全桥电路。该BTS7970B 是一个完全集成的大电流半桥电机驱动应用。
8、它具有快速反应，高电流，电阻小，外围电路简单的特性。 H 桥电路如图 6 所示。电机向前移动时，Q1 和 Q4 处于导通状态，Q2 和 Q3 处于截止状态，而电机反向时 Q2 和 Q3 处于导通状态，Q1 和 Q4 处于截止状态。电路需要双通道的 PWM 控制。图 6H 桥驱动电路。在 6 伏的工作电压下双叶 S3010 被选择用于寻迹智能车的前轮转向伺服。伺服是由一个开关电源芯片供应 LM2S76-ADJ 它能够驱动 3A 的负载。伺服驱动的 PWM 其频率为 20Hz。当占空比为 1.5/20，伺服角度停留在中间。当占空比变到 0.5/ 20，伺服变为最左边的角。当占空比变到 2.5/ 2
9、0，伺服变为最右边的角。角度范围从 0 到 180 度。电动机的齿轮与一个光电编码器的齿轮啮合，通过齿轮驱动车轮。当电机转动时，它会带动编码器产生脉冲。通过计算的脉冲数，MCV 可以测量寻迹智能汽车的速度。该系统采用的光电编码器 YZ30D4S-2NA-200，它在一个完整的旋转周期产生 200 个脉冲。多脉冲编码器可以产生更精确的速度测量，编码器的输出被连接到内部具有脉冲累加器计数数目的MCV 的输入捕捉引脚 PORT7。C.键盘和液晶显示电路设计当我们调试系统时，该部分的电路设计用于调整和显示参数。该电路主要由一个 4X4 矩阵键盘和一个 84x48 LCD 组成。该键盘连接到所述 MCV
10、 的 PORTB。数据被写入在 SPI 方式的 L CD。DMCU 的最低级系统及外围电路的设计飞思卡尔半导体的 16 位微控制器 MC9S12XSl28 被选择作为控制核心。该微控制器是一款高性能 MCV 它集成了多种模块，包括 16 通道 x12 位模拟到数字转换器， 4 通道 x24 位模数递减计数定时器，锁相回路时钟倍频器等。通过设置内部 PLL 滤波器的某些寄存器MCV 可以设置其频率为 80MHz。MCV 借助 AID 转换器的输入引脚（ AINOAIN7）被连接到在所述激光信号接收电路放大器的输出管脚。输入捕获的第七引脚被连接到速度测量电路的输出管脚。在激光发射电路中 MCV 的
11、 110 引脚（PORTAOPORTAO3 ）连接地址引脚和 74HC238 的使能引脚。 PWMI（通道 0 和通道 I 被连接创建一个 16 位 PWM 通道，通道 l 的输出管脚用作输出引脚）和 PWM3（通道 2 和通道 3 被连接以创建一个 16 位 PWM 通道，通道 3 输出管脚被用作输出端子）被连接到电动机驱动电路的控制端子。 PWM5（信道 4 和信道 5 被连接以创建一个 16 位 PWM 通道，通道 5 输出管脚用作输出引脚）连接到所述伺服驱动器电路的信号输入端子。E.系统电源电路设计该系统具有四组电源是 7.2 伏，6 伏，5 伏，3.3 伏的电压源。电源电路图如图 7
12、 所示。图 7 系统电源图7.2 伏的电压源是直接驱动电机电池。 6 伏的电压源供应伺服。MCV 和其它芯片以及光电编码器是由 5 伏电压源提供。 3.3 伏电源供应 LCD 电路。参考相关文献，电源电路如图 8 所示。图 8 系统电源电路四、系统软件设计A、系统软件的总体思路主程序流程图如图 9 所示。软件的主要任务是完成用时分方式控制激光管的发射，接收管的信号采集和处理，测量电流的速度和控制电机和伺服。图 9 主程序流程图B.系统控制算法设计该系统具有实时速度反馈，形成一个闭环速度控制，这意味着它具有硬件基础。软件设计采用广泛使用的 PID 控制算法。当我们用 PID 算法来控制它的速度和
13、转向角度值时，寻迹智能车能快速，稳定的运行。PID 速度控制图如图 10 所示。图 10= + ( ) ()()110()+()其中 Kp 是乘以 Kp 的错误比例因子，所以这个比例控制可以立即反映错误，从而减小稳态误差。Kp 的增大会引起剧烈的震动甚至系统的不稳定。当 Kp 为小，这意味着调整每一次调整的范围很小，调整后的变化将是顺利的，甚至无超调，但需要更多的时间。 TI 表示积分时间。集中控制器只要存在累积误差和出口控制量，就可以消除系统误差。因此，如果有足够的时间，积分控制器将消除系统误差，并把稳态误差变为零。当 TI 减小是积分控制的能力得到增强，但是它会增加系统的过冲，并可能导致系
14、统的振动。 TD 表示微分时间。差分控制是一种能减小超调、消除振动、提高动态响应速度、缩短调整时间、提高其速度的一种超前调节系统动态性能。差分调整是对整个 PID 控制的一个补充。对 KP，TI和 TD 调整适当，可以获得更好的性能。只有数值逼近采用 PID 算法可在 MVC 实现。当采样周期是比较短的，我们用求和来代替积分，计算公式如下：110()=1=0()我们使用差商代替差动商数的和的计算公式如下：= e(k)-e(k-1)1()离散 PID 算法，我们把连续时间微分方程放到离散时间差分方程，结果如下：u(k)= e(k)+ + (e(k)-e(k-1)+ =0() 0u(k)= e(k
15、)+ + e(k)-e(k-1)+ =0() 0其中 Kp，KI，KD 分别为比例系数，积分时间和微分时间因素= = 在正确选择三个参数的情况下，寻迹智能小车的实际速度将在几个周期后达到目标速度。五、结论本文介绍了一种寻迹智能小车控制系统的设计与实现方法。设计的寻迹智能车的特点如下：1） 采用激光传感器，与其它光电传感器相比，具有走得更远的路径信息的优点，使智能小车的寻迹更快速、更稳定。2） 采用光电编码器作为速度测量传感器，具有较高的精度。结合闭环控制策略，可精确控制智能小车的速度。3） 在闭环控制中采用了 PID 控制算法，使响应时间缩短，并根据各种复杂路径信息对转速进行了优化。另外，我们
16、考虑由 AID 转换器以相对值转换的值，以实现所述路径识别的精度，从而可以提高系统的抗干扰能力。定位的精度可通过增加激光发射管的数目和接收管得到改善。在一个真正的轨道跟踪测试，追踪智能汽车能快速响应，并且可以很好地控制。在各种复杂的轨道可以自动寻迹和自动驾驶。速度为 2.7 到 3.5mls，取决于轨道的难度范围。参考文献1蔡龚华; 洪奈罡， “基于智能寻迹汽车导航的研究” ，电子科学与技术， voI22，N6 ，第1O -13，六月。 2009 年。2 吴金城 ;王雪峰， “电气自动导引车的设计” ，机电工程技术，voI37，N6，PS4-S5,200S。3 张洪涛;赵尚书;韩建海， “基于
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