智能車競速比賽以及多種智能車的應(yīng)用場合中,，需要智能車沿著某條軌跡快速前進(jìn)，使用普通紅外傳感器,、激光傳感器,、攝像頭識別均可有效提取路面軌道信息而解決這一問題，現(xiàn)在常見使用16位單片機作為控制核心,。普通紅外傳感器因為易受干擾,、前瞻距離短等缺點已經(jīng)較少使用，攝像頭有豐富的數(shù)據(jù)信息,，但是低成本8位單片機不能很好的處理這些信息,。激光傳感器成本適中，處理的信號便于8位單片機處理,，能夠有效的節(jié)省硬件成本,。針對尋跡智能車進(jìn)行了軟硬件設(shè)計，采用3位freescale單片機MC9S08AC16作為控制核心,，使用激光傳感器提取賽道信息，采用低成本的紅外測速方案,，算法使用以PID為基礎(chǔ)的枚舉查表法,，做到了處理快速高效。整個設(shè)計既滿足了競速小車的響應(yīng)迅速的要求,，又是一種較低成本的設(shè)計方案,。

　　1 車模安裝

　　智能車的控制采用的是前輪轉(zhuǎn)向，B型車模采用的是國內(nèi)廠商生產(chǎn)的1:16的電動越野遙控車的底盤部分,，突出特點為四輪驅(qū)動,，四輪獨立懸掛,。反射式光電傳感器在小車前方一字形簡單排布，14個發(fā)射,，7個接收,，一個發(fā)射帶兩個接收，傳感器的前瞻可以達(dá)到40cm以上,，兩個激光發(fā)射頭間距1.8cm.傳感器單元安裝圖如圖1所示,。

　　圖1 改裝后智能車

　　系統(tǒng)選用紅外傳感器作為測速傳感器把紅外傳感器安裝在后輪上，在后輪的內(nèi)壁貼上黑白等距的膠帶,，這樣子安裝就充分利用了空間,，且完成了測速的要求。紅外傳感器測速安裝圖如圖2所示,。車輪轉(zhuǎn)動時,，紅外傳感器將會輸出脈沖電平，檢測脈沖頻率將得到小車速度,。這種測速方法無法達(dá)到光電解碼器的精度,，但是對于小車的速度處理并沒有太大影響，而光電解碼器價格昂貴,，安裝在齒輪上,，同等電源和PWM的輸出時，小車速度會變慢,。

　　圖2 紅外傳感器測速的安裝

　　2 硬件設(shè)計

　　電源管理模塊采用7.2 V 2 000 mAh Ni-Cd蓄電池作為系統(tǒng)能源,，并且通過降壓穩(wěn)壓電路分出6 V，5 V分別給舵機和單片機等供電,；使用H橋及其相關(guān)器件做了直流電機驅(qū)動模塊,；轉(zhuǎn)向伺服舵機控制智能車轉(zhuǎn)向；用紅外傳感器測量模塊實時測量智能車車速,；采用激光傳感器作為賽道的檢測,；系統(tǒng)充分使用了M9S8AC16CG單片機的外圍模塊，具體使用到的模塊包括：定時器模塊,、PWM脈沖寬度調(diào)制模塊,、中斷模塊、I/O端口和實時時鐘模塊等,。

　　2.1 最小系統(tǒng)及主板

　　系統(tǒng)采用的常規(guī)使用的最小系統(tǒng)板,，以MC9S08AC16為核心的單片機系統(tǒng)的最小系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：時鐘電路（外接的8 MHz的石英晶振）、電源電路（提供5 V直流電源）,、復(fù)位電路,、BDM接口（通過BDM頭向單片機下載和調(diào)試程序）。

　　主板上有組成本系統(tǒng)的主要電路，具體包括：

　　電源穩(wěn)壓電路 7.2 V的電池電源將會通過3個集成穩(wěn)壓電路處理成兩個5 V,、一個約5~7.2 V的可調(diào)直流輸出,，其中一個5 V直流電源供單片機和相關(guān)外設(shè)工作，另外一個5V直流單獨供激光傳感器工作,，可調(diào)直流輸出供舵機工作,，采用這種電源設(shè)計方式，可以提供所需不同大小的電源,，同時在舵機,、激光傳感器工作時不會影響單片機的工作電源。

　　接口電路 包括舵機接口,、電機驅(qū)動接口,、電源接口、調(diào)試用人機界面電路接口,、單片機最小系統(tǒng)插座,。

　　電機驅(qū)動板作為一個獨立的單元制作的直流電機“H”型雙極性驅(qū)動電路。

　　2.2 傳感器模塊

　　采用14個發(fā)射,，7個接收,，兩個發(fā)射一個接收為一組一字排開。每次選中不相鄰兩個發(fā)射管發(fā)射,，由兩個接收譬分別接受,。AC16單片機的IO端口進(jìn)行控制，由74LD164驅(qū)動選擇要發(fā)射的傳感器,，由一個555芯片發(fā)出100 kHz的頻率震蕩波,，激光管發(fā)光。接受部分有一個相匹配的100 kHz的接收管接收返回的光,，7路接收管的接收信號直接進(jìn)單片機,。傳感器原理如圖3所示。

　　圖3 激光傳感器原理圖

　　3 軟件設(shè)計

　　3.1 軟件設(shè)計概要

　　系統(tǒng)的主函數(shù)將執(zhí)行圖4所示流程圖對應(yīng)的程序,。調(diào)試程序可以完成的功能有：檢驗傳感器故障,、調(diào)試速度控制參數(shù)、舵機中點設(shè)置,、舵機轉(zhuǎn)角參數(shù)控制等,。傳感器數(shù)據(jù)的讀取特指激光傳感器的讀取，在定時器程序中,，每5 ms開始新的一輪激光掃描,，每125μs更換1組激光發(fā)射管，每組發(fā)射兩個不相鄰的激光信號,，所有激光發(fā)射5遍之后，3次以上檢測到賽道軌跡信號才確認(rèn)有效，此時才會設(shè)置傳感器數(shù)據(jù)讀取完成標(biāo)志,，所以系統(tǒng)每5 ms進(jìn)入后續(xù)程序執(zhí)行,。小車舵機轉(zhuǎn)向控制、速度控制稍后詳細(xì)論述,。對于小車馬達(dá)速度控制則為閉環(huán)控制,，采用bang-bang控制與P算法控制相結(jié)合，小車的速度讀取采用了輸入捕捉功能完成,，車子運動時,，車輪轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)過1/5圈,，紅外傳感器就會輸出一個完整的脈沖周期,，通過讀取紅外傳感器的輸出脈沖頻率確定小車的速度。

　　圖4 軟件設(shè)計流程圖

　　3.2 小車行駛狀態(tài)確定

　　該系統(tǒng)采用的賽道為寬為50 cm,，中心線為25 mm的賽道,，傳感器在黑色上讀取為1，在白色上讀取為0,，賽道外地板使用傳感器有可能讀1,，也有可能讀0.激光傳感器終采用“一”字型排布方式，相鄰的兩個傳感器的距離為20 mm.賽道如圖5所示,。

　　圖5 賽道示意

　　傳感器在賽道上可能的狀態(tài)可分為：在普通的賽道處,、在十字交叉線處，還有跑出賽道,。系統(tǒng)定義了變量Car_State來代表小車當(dāng)前的狀態(tài),，可能會出現(xiàn)的情況如下：

　　1）當(dāng)小車在賽道上時，將會有1到2個傳感器輸出高電平,，如果有兩個傳感器同時打到黑點,，而兩個傳感器并不是相鄰的則認(rèn)為是干擾信號，不作特別處理,，其他按照如圖6的傳感器排布方法計算坐標(biāo)從左向右依次為-13到13,，此時Car_State計為傳感器打到的坐標(biāo)；

　　2）打到10個以上黑點計為交叉線,，Car_State計為20;

　　3）沒有打到黑點則認(rèn)為小車即將跑出賽道,，Car_State計為30;

　　4）另外還有一種情況傳感器已經(jīng)打到了賽道之外，而打到賽道外的傳感器可能輸出高電平,，也有可能輸出低電平,，此時有可能讀出的情況可能會判定為第一種，如圖5示意,，此時小車本應(yīng)繼續(xù)左拐,，但是判讀位第一種情況,，就可能右拐，這種情況的判定就不能僅僅依靠讀傳感器來判定,，還應(yīng)考慮小車前面行進(jìn)的趨勢加以判別,。因為此種情況一般只出現(xiàn)在小車轉(zhuǎn)大彎時，由于轉(zhuǎn)角不夠當(dāng)小車的傳感器會打到相反方向的賽道外,，所以左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)的角度超過某一特定值時（如60°）,，應(yīng)當(dāng)屏蔽另一側(cè)的傳感器，只讀轉(zhuǎn)向該側(cè)的傳感器,，如圖5小車現(xiàn)轉(zhuǎn)左側(cè)大彎,，右側(cè)傳感器檢測到錯誤黑點，此時只要將右側(cè)的7個傳感器屏蔽,，只讀左側(cè)傳感器數(shù)值即可,，此種情況Car_State計為40。

　　圖6 傳感器排布

　　3.3 舵機控制

　　小車在賽道上：Car_State為-13到13間的整數(shù),，由于光電管數(shù)量少,，造成傳感器返回值離散度過大，不適合進(jìn)行回控,，故應(yīng)加快采樣速率,，進(jìn)行過采樣，再進(jìn)行一階迭代濾波：

　　PVal=（（Car_State×1 000）+（Pvalx10））/11;

　　小車行使5 ms后位置的偏差進(jìn)行迭代濾波：

　　Err=（（PVal-PVal1）+（Errx10））/11;//兩次位置偏差

　　P_Offset=Err/P_err; //負(fù)值左偏 正值右偏

　　if（P_Offset<-5）P_Offset=-5; //左偏最大偏離為-5個單位

　　if（P_Offset>5）P_Offset=5; //右偏最大偏離為5個單位

　　將Err進(jìn)行采樣劃分得到P_Offset變量,，P_Offset取值為-5到5的整數(shù),，負(fù)數(shù)表示向左偏，正數(shù)表示向右偏,，絕對值越大代表偏轉(zhuǎn)角度越大,；采樣分辨率為可調(diào)參數(shù)P_err，P_err偏大時,，小車反應(yīng)會較為遲鈍,，P_err偏小時，小車反應(yīng)會較為靈敏,，容易出現(xiàn)很小偏差就會引起小車較大的轉(zhuǎn)向,。

　　按照小車當(dāng)前的位置以及P_Offset組織數(shù)據(jù)表Angle_Table［］，該表共有27行11列,，第n行m列元素j,，表示小車位置Car_State為n-13偏差P_Offset為m-5時，j的值在-10到10之間,，負(fù)值代表向左轉(zhuǎn),，正值代表向右轉(zhuǎn)，小車舵機應(yīng)打的角度為jxAngle_C,，可調(diào)參數(shù)Angle_C可以根據(jù)賽道狀況舵機反應(yīng)靈敏度等調(diào)節(jié),，其調(diào)節(jié)在調(diào)試程序中完成,，其值愈大，同等情況下轉(zhuǎn)角越大,。

　　舵機的控制就是通過查數(shù)據(jù)表Angle_Table來實現(xiàn),，而不是通過公式求解，這種方法比較適用于8位單片機,，通過檢索表可以達(dá)到運算所達(dá)不到的系統(tǒng)速度。

　　小車在交叉線時Car_State=20不更改舵機的控制,；當(dāng)小車的傳感器打不到黑點,，即將跑出賽道活著已經(jīng)打到賽道外時Car_State=30或40，此時按照小車轉(zhuǎn)的方向,，將舵機設(shè)置為最大轉(zhuǎn)角,，以達(dá)到盡快找到賽道黑線的目的。

　　舵機的輸出PWM采用5 ms周期,，與小車傳感器采樣的頻率一致,。

　　4 試驗結(jié)果及總結(jié)

　　通過上述方法，小車取得了比較好的試驗結(jié)果,，在最小曲率半徑不小于50 cm的賽道上,，小車可以取得每秒2 m以上的速度。其速度比采用16位單片機的系統(tǒng)沒有很大差異,。要特別注意的是,，運算時采用不同數(shù)據(jù)類型的變量將會帶來不同的效果，經(jīng)實驗證明,，如果可以使用字節(jié)存儲類型的變量作雙字節(jié)變量存儲,，將會嚴(yán)重影響小車的運行情況，這是由單片機編譯環(huán)境進(jìn)行數(shù)學(xué)運算引起的,，應(yīng)當(dāng)盡量避免不恰當(dāng)?shù)淖兞慷x及算數(shù)運算,。

　　相較于當(dāng)前流行的16位單片機控制的雙舵機智能車，該系統(tǒng)在硬件上成本較低,，而軟件也根據(jù)8位單片機的特點,，避開了較為復(fù)雜的運算，采用了查表的方式,，只在小車位置及偏差運算以及速度P算法中涉及了少量的數(shù)學(xué)運算,，以此達(dá)到系統(tǒng)的快速響應(yīng)。