0 引言
輪式小車是智能小車機(jī)械結(jié)構(gòu)的主體部分,由車身,、輪子,、速度傳感器、轉(zhuǎn)動(dòng)軸等結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成,。還包括提供動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)器,,采集環(huán)境信息的攝像頭等模塊,綜合實(shí)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(dòng)態(tài)調(diào)整小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),實(shí)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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,,圖像識(shí)別,,從而可以進(jìn)行路徑識(shí)別。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用的是PC33886,,使用直射型光電傳感器" title="光電傳感器">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(gè)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(jī)交互界面,。
1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)
整個(gè)車模系統(tǒng)可以分為三大部分:環(huán)境圖像采集" title="圖像采集">圖像采集部分,、電機(jī)和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)力部分使用的是常見的小型永磁式直流電機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路非常成熟,,既有分離元件組成的驅(qū)動(dòng)器,,也有一體化的功率集成驅(qū)動(dòng)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(jī)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào),,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(shí)現(xiàn),,前者的特點(diǎn)是價(jià)格低廉,、電路簡單、應(yīng)用方便,,缺點(diǎn)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(bǔ)陣列紅外探頭的各種缺點(diǎn),。
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(jì)中將采用輸出標(biāo)準(zhǔn)TV視頻信號(hào)的黑白監(jiān)控?cái)z像頭,。這種攝像頭可以配合行,、場同步信號(hào)" title="同步信號(hào)">同步信號(hào)分離電路和單片機(jī)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(jì)
LM1881視頻同步信號(hào)分離芯片可以從攝像頭信號(hào)中提取信號(hào)的時(shí)序信息,,LM1881的同步分離電路如圖2所示。
引腳2為視頻信號(hào)輸入端,,攝像頭信號(hào)即由此輸入LM1881,,引腳3為場同步信號(hào)輸出端,當(dāng)攝像頭信號(hào)的場同步脈沖到來時(shí),,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(hào)輸出端,,當(dāng)攝像頭信號(hào)處于奇場時(shí),該端為高電平,,當(dāng)處于偶場時(shí),,為低電平。奇一偶場的交替處與場同步信號(hào)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(diǎn):獲取信息準(zhǔn)確、體積小,、不增加后輪負(fù)載,。
缺點(diǎn):齒輪出靠近主驅(qū)動(dòng)電機(jī),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(diǎn):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(diǎn):精度受到光電管體積的限制。
(3)光電編碼器
優(yōu)點(diǎn):獲取信息準(zhǔn)確,、精度高,。
缺點(diǎn):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(dòng)齒輪為塑料質(zhì)地,,打孔比較危險(xiǎn),,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(jì)
傳感器電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,。
4 驅(qū)動(dòng)部分
4.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器" title="電機(jī)驅(qū)動(dòng)器">電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇
根據(jù)電機(jī)學(xué)和電力拖動(dòng)理論,,電機(jī)驅(qū)動(dòng)器要有足夠的電流輸出能力來保證驅(qū)動(dòng)力的充足。綜合考慮,,電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用一體化的專用功率驅(qū)動(dòng)集成電路進(jìn)行設(shè)計(jì)分離元件(場效應(yīng)管)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器,。
根據(jù)電機(jī)學(xué),直流電動(dòng)機(jī)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(jí)磁通量;K為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù),。
由式(1)可知,直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可以分為兩大類:對勵(lì)磁磁通進(jìn)行控制的勵(lì)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(jì)采用的是在保證勵(lì)磁恒定不變的情況下,采用PWM來實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法,。
電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值U,。為:
式中:占空比" title="占空比">占空比D表示在一個(gè)周期T里開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的,,即實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制,。
為了便于取材和設(shè)計(jì)方便,此次設(shè)計(jì)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(dòng)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(jī),。
4.2 舵機(jī)控制
舵機(jī)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(jì)算轉(zhuǎn)彎半徑。所有舵機(jī)標(biāo)準(zhǔn)PWM周期為20 ms,,轉(zhuǎn)動(dòng)角度最大為90°,,當(dāng)給舵機(jī)輸入脈寬為0.5 ms,即占空比為O.5/20=2.5%的調(diào)制波時(shí),,舵機(jī)右轉(zhuǎn)90°,。可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)動(dòng)角度與脈寬的關(guān)系計(jì)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(dòng)角度;當(dāng)左轉(zhuǎn)時(shí)取加法計(jì)算,,右轉(zhuǎn)時(shí)取減法計(jì)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(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng),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(yùn)行電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及舵機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)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(dòng)機(jī)在工作時(shí)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(gè)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(bǔ)償器、比較器,、動(dòng)態(tài)電流帶限占空比可控的振蕩器和一個(gè)高電流輸出驅(qū)動(dòng)器,。輸出電壓直接由兩個(gè)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(jì)
軟件結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。
整個(gè)小車自動(dòng)識(shí)別控制過程都是通過主控單片機(jī)芯片上的程序控制來完成整個(gè)智能控制過程,。小車開啟后將自動(dòng)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(jì)涉及控制,、模式識(shí)別,、傳感器技術(shù)、汽車電子,、電氣,、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等專業(yè)領(lǐng)域,。整個(gè)設(shè)計(jì)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(jì),,保證了高速直線行駛的無抖動(dòng),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,。