基于激光傳感器的智能循跡小車設計

摘 要

本文介紹了基于激光傳感器作為路徑識別裝置的智能循跡小車的設計，本系統選取激光傳感器作為路徑信息采集裝置，以飛思卡爾兩片8位單片機MC9S08DZ60作為系統的控制核心，介紹了基于激光傳感器的數據處理與算法設計，并在CodeWarrior6.0開發環境上采用C語言進行了軟件編程和仿真，最后經過實際場地調試和多次系統的改進，提高了小車識別系統的前瞻性和準確度，從而達到了提高小車運行速度和穩定性的目的。

【關鍵詞】智能循跡小車 激光傳感器 數據處理

隨著自動化水平的不斷提高以及工廠自動化的普及，人們對對智能化的要求也越來越高，智能化涵蓋的區域也在不斷的擴大，特別是在汽車的應用上。

1 系統整體設計

智能小車系統主要包括MCU控制模塊、路徑采集模塊、速度控制模塊、電源模塊等。系統以2片freescale公司的8位單片機MC9S08DZ60為控制核心，使用激光傳感器作為路徑識別模塊的核心，為小車提供路徑的實時信息，第一片單片機對采集到的路徑信息進行分析后，控制舵機讓小車轉向；第二片單片機通過對已收集到的賽道信息進行分析，通過PID算法對小車速度進行調整，以實現直道加速，彎道減速的效果，使小車的速度達到最快。

2 系統硬件設計

智能小車系統使用的微控制器是Freescale公司推出的HCS08系列單片機中具有增強型的8位單片機MC9S08DZ60，該系列單片機在汽車電子領域有著廣泛的應用。HCS08系列單片機的中央處理器CPU08由以下三個部分組成：算術邏輯單元ALU，控制單元和寄存器組。CPU外部總線頻率為4MHZ或者8MHZ，通過內部鎖相環（PLL），可以使內部時鐘頻率達到20MHZ。它有 12種尋址方式，64KB flash，4KRAM，外圍包括24通道12位精度的ADC，8通道的PWM模塊，2個SPI模塊和2個SCI模塊，性能優越，完全可以滿足小車系統的運行。

智能小車使用7.2V 2000mAh Ni-cd電池供電，而單片機系統、路徑識別的光電傳感器等模塊均需要5V電源。故采用降壓型開關穩壓芯片LM2576-5V將7.2V供電穩壓為5V，具有轉換效率高，帶載能力大的優點，滿足多數目傳感器功耗要求。

智能小車使用了15個激光發射管和7個激光接收管對路徑信息進行采集，兩個激光管的間距為1.5cm。為了避免兩個發射管由于相鄰太近對接收管產生干擾，故對激光管采用分時開斷的策略，即同一時刻每次只打開一個發射管，如果所有接收管都接收不到信號，那說明此刻發射管照在黑線上，如果有一個接收管接收到了信號，那說明此刻發射管照在白色區域。

由于激光接收管對180KHz頻率的信號非常敏感，所以需要將發射管調制成180KHz的信號，使接收管能夠最大可能檢測到信號；同時又為了實現對各個發射管分時開斷，所以可以采用譯碼芯片，將發射管位選和調制功能結合起來，以簡化電路。74HC238是選通輸出為高電平的38譯碼器，可通過將2個38譯碼器級聯起來，將180KHz的信號連接在譯碼器的使能端，這樣在選通后，就可以直接輸出180KHz的信號，打開發射管。

H橋是電機驅動常用電路，因其電路形狀酷似字母“H”而得名。四個三極管/MOSFET組成“H”的四個橋臂，電機則是“H”的負載，可通過導通不同對角線上的三極管/MOSFET來控制電機的正反轉。

在實際使用中，通常集成H橋電路控制電機正反轉。

智能小車在運動過程中，采用編碼器進行測速。編碼器會在小車運動時產生一系列數字脈沖，MCU通過輸入捕捉獲取一定時間內脈沖信號的個數，通過編碼器線數與電機傳動比的關系，可以計算出小車的實際運行速度。在計算到智能小車的實際運行速度后，可采用PID算法對小車速度進行實時調節。

3 軟件設計

算法主要采用加權處理的方法，依據每個激光管距離車中心的位置遠近不同，給予它們不同的權重，再根據每個激光管的實際照射路徑的信息，計算應轉的角度。

采用加權處理的方法，能夠得到更細化的角度值，流暢的控制系統的轉向。加權處理方法是依據不同的激光管距離車中心的位置，計算出當前黑線相對于小車的位置，權重值的大小因不同的排列距離而不同，具體的值需要在試驗中根據不同的安裝而定，適當的值會使整個控制系統靈活，連續，而如果權重值取值不恰當的話，將會導致轉向的滯后和機械。

本系統采用算術平均法進行濾波。每次將采集的信號進行加權，判斷等處理方法進行單次濾波，保留數據；等待采集滿二十個采樣值后進行算術平均運算，給出一次轉角。這種方法適用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波。需要注意的是：運用算術平均濾波需充分考慮程序的執行時間和舵機的延遲時間，要經過反復的實踐來計算N值，否則會使系統轉角滯后。

實踐證明，加權和算術平均濾波法能夠準確的反應路面的情況，做出正確的轉向判斷。

4 結論

系統設計完后，在實際跑道中還存在一些問題，比如小車過不了小圓、大S滯后、小S小車舵機轉的太厲害等。這些問題需要現場調試，修改路徑識別算法。本系統直接用CodeWarrior6.0開發環境編程和調試，可以在線查看當前路徑信息和各個寄存器的值，還可以在線修改程序和設置參數，但是這種方式看的數據不多，不能更全面的掌握路徑信息。系統采用了上位機輔助調試方式來解決不足，通過無線模塊，將路徑信息傳送到上位機的串口程序，并用MATLAB進行仿真，研究算法控制，實現仿真條件下的最優控制。

本文對基于激光傳感器的智能小車循跡系統進行了較為全面的研究。結合了智能車跑道的特點，進行了硬件和軟件的設計。重點討論了信號的采集、處理。通過智能車實踐及競賽證明，本系統各模塊工作穩定，響應速度快。

參考文獻

[1]卓晴，黃開勝，邵貝貝.學做智能車[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[2]藍信鉅.激光技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2005.

[3]張國范，顧樹生，王明順.計算機控制系統[M].北京：冶金工業出版社，2004.

作者簡介

朱丹（1990-），女，陜西省咸陽市人。現為陜西能源職業技術學院教師。研究方向為電氣自動化。

作者單位

陜西能源職業技術學院 陜西省咸陽市 712000