智能小車控制系統設計

謝 檬， 郭 霞

(西安交通大學 城市學院，陜西 西安 710018)

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智能小車控制系統設計

謝 檬， 郭 霞

(西安交通大學 城市學院，陜西 西安 710018)

以16位低功耗單片機MSP430F5438為控制核心，以直流電機作為驅動的動力，設計了智能小車并采用脈寬調制(PWM)方式實現對車速的準確控制；使用灰度傳感器來檢測起點/終點標志線及轉彎/超車標志線；在超車區使用超聲波傳感器來測量兩輛小車之間的距離，并在軌道的超車區內進行超車；使用無線通信模塊來進行兩車之間的超車通信，有效避免兩車相撞并順利實現超車；用電子指南針模塊來對兩小車進行精確定位及轉彎控制和在行車道上方向的校正。通過對樣機進行了測試，結果表明：智能小車可以實現單車繞圈行駛、兩車防撞前后行駛、兩車在規定的區域完成超車等功能，且其性能穩定、抗干擾性強，在無人駕駛系統方面得到廣泛應用。

光電傳感器； 超聲波傳感器； 電子指南針； 無線通信

0 引 言

智能小車作為機器人的典型代表，相對于傳統的汽車有著更好的安全性、機動性和廣泛的適用性[1～3]，是一個集合環境感知、規劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統。智能小車主要應用領域為：軍事偵察與環境探測；探測危險與排除險情；安全檢測受損評估；智能家居等[4～6]。生活小區內路面情況簡單，行人多、機動車少，采用無人駕駛的電力通勤車最為合適。

1 智能小車的硬件電路設計

1.1 智能小車的結構框圖

智能小車的硬件結構采用MSP430F5438為微控制器，控制整個無人駕駛小車系統，對內部AD采集的數據進行處理，發出小車直走、轉彎、超車等控制指令，從而完成特定的功能。智能小車的硬件結構框圖如圖1所示，采用RPR220光電傳感器來檢測拐彎超車標志線；采用超聲波傳感器來控制兩車間距；采用GY—26電子指南針對小車進行定位和導航；采用SRWF—1021無線通信模塊實現甲乙兩輛小車車間的通信。

圖1 智能小車的硬件結構框圖Fig 1 Hardware structure of smart car

1.2 電機驅動模塊

采用專用芯片L298N作為電機驅動芯片。L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，且有控制使能端。用該芯片作為電機驅動，操作方便，穩定性好，性能優良,且由L298N結合單片機可實現對小車速度的精確控制。這種調速方式有調速特性優良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現頻繁的無級快速啟動、制動和反轉等優點。通過接口發送PWM波，控制電機轉速，實現速度可調，通過控制PWM波的相位控制電機的轉向。

1.3 光電傳感器模塊

五通道灰度值檢測傳感器模組以RPR220光電傳感器為探測傳感器，共分為5路，分為2行5列。通過對每個傳感器數據的檢測，可以實現對直線、丁字路線、十字路線進行跟蹤和檢測。

1.4 超聲波模塊電路

超聲波的發射與接收是獨立式的，采用超聲波發射換能器TCT40—16BT和超聲波接收換能器TCT40—16BR。可以向外界發出40 kHz左右的方波脈沖信號，輸出端上拉電阻既可以提高反向器MC14069UB輸出高電平的驅動能力，也可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。

初入寺院那陣子，風影一天到晚哭個不停，還滿地打滾，一刻也不曾消停過。他又哭又鬧，皆因他不能跟紅琴一起玩，一起過家家，還不能與那些小動物在一起，用各種怪誕的方法將它們殺死。后來，師父給了他一根竹笛，那竹孔中能發出各種奇妙的聲音來，還能模仿各式各樣動物的鳴叫，風影突然不哭不鬧了，他愛上了吹笛子。

1.5 電子指南針模塊

GY—26是一種低成本平面數字羅盤模塊，輸入電壓低，功耗小，體積小。其工作原理是通過磁傳感器中兩個相互垂直軸同時感應地球磁場的磁分量，從而得出方位角度，此羅盤以RS—232協議，及IIC協議與其他設備通信，具有重新標定的功能，能夠在任意位置得到準確的方位角，其輸出的波特率是9 600 bps，有連續輸出與詢問輸出兩種方式，具有磁偏角補償功能。當小車在行車道上運行時，設定一參考角度，即連續測量并記錄下每個轉彎標志線處超車標志線的角度，當小車行至轉彎標志線處，按預設的角度轉彎。

1.6 無線通信模塊

系統采用SRWF—1021無線數據傳輸模塊，能適應任何標準或非標準的用戶協議。且微功率發射，最大發射功率10 dBm(433/470 MHz)和5 dBm(868/915 MHz)，載波頻率可提供433,470,868,915 MHz 4種選擇，高抗干擾能力和低誤碼率。基于GFSK/FSK的調制方式，采用高效前向糾錯信道編碼技術，提高了數據抗突發干擾和隨機干擾的能力。傳輸距離遠，便于移動小車直接通信。

2 智能小車的軟件設計

2.1 智能小車的主程序

智能小車系統功能的執行由指令控制，控制指令既可以由傳感器送出下達，也可以由下位機面板上的按鍵控制，主程序軟件設計流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖Fig 2 Flow chart of the main program

通過無線通信模塊使2輛智能車同時啟動，當灰度傳感模塊檢測到黑色線時開始轉彎，并計數，即檢測到的黑線個數為N。轉彎通過電子指南針來控制，邊走邊轉，到轉過的角度為90°時，直走，以后重復該過程。當乙車計到N=8時，乙車通過無線通信模塊給甲車發信號通知其要超車。以后重復以上過程。

2.2 行車線路識別模塊程序

小車識別轉彎標志線后，沿行車道方向直行向前，并由指南針校正方向，使得小車行駛方向與標志線成90°。兩個紅外收發對管放在灰度傳感器兩側，用于檢測行車道邊界線，避免行駛過程中超出邊線。五灰度傳感器放在小車的前方，用于識別轉彎線和超車線。行車線路識別模塊流程圖如圖3所示。

圖3 行車線路識別模塊流程圖Fig 3 Flow chart of lane identification modue

2.3 避障超車模塊

灰度傳感器檢測行車道邊線，兩車在行駛過程中由超聲波傳感器判斷前方是否有障礙物，以防兩車相撞。避障超車模塊流程圖如圖4所示，當兩車運行一圈之后，在第二圈要完成超車的功能。小車通過車頭的紅外傳感器檢測黑線來確定自身位置，當在第二圈且檢測到黑線數為14時，表明小車進入到超車區。前一輛小車轉彎后停止2 s，通過定時器實現，后車通過超車道實現超車。同時在運行的過程中，通過超聲波系統來控制兩車的車距，避免兩車相撞。

圖4 避障超車模塊流程圖Fig 4 Flow chart of obstacle voidance module

3 系統的測試與結果分析

測試時，將小車放置場地起跑線，保證車頭方向與起跑線平行，啟動小車，按下小車電源按鈕，紅色指示燈點亮，系統初始化成功，代表小車成功啟動。

3.1 功能測試

1)第一組測試：甲車和乙車分別從起點標志線開始，在行車道各正常行駛一圈，當檢測到第一個轉彎以后，兩輛小車可以順利轉動90°，平穩跑完一圈。

2)第二組測試：甲、乙兩車按圖5所示甲乙兩輛各自的起跑線位置同時起動，乙車通過超車標志線后在超車區內實現超車功能，并先于甲車到達終點標志線，即第一圈實現乙車超過甲車，最后停在起始的位置，行駛時間為12.6 s，完成設計的基本要求。

圖5 智能小車行車道Fig 5 Smart car lane

3)第三組測試：甲、乙兩車繼續行駛第二圈，甲車通過超車標志線后要實現超車功能，并先于乙車到達終點標志線，即第二圈完成甲車超過乙車，實現了交替領跑。甲、乙兩車在第二圈行駛的時間要盡可能的短。甲、乙兩車繼續行駛第三圈和第四圈，并交替領跑；兩車行駛的時間要盡可能的短。在完成上述功能后，重新設定甲車起始位置(在離起點標志線前進方向40 cm范圍內任意設定)，實現甲、乙兩車四圈交替領跑功能，行駛時間約50 s。

3.2 測試結果分析

甲車和乙車分別從起點標志線開始，在行車道各正常行駛一圈。當甲、乙兩車從起點位置同時起動，乙車通過超車標志線后在超車區內實現超車功能，并先于甲車到達終點標志線，即第一圈實現乙車超過甲車，最后停在終點位置。甲、乙兩車繼續行駛第二圈，完成甲車超過乙車，實現了交替領跑。甲、乙兩車繼續行駛第三圈和第四圈，并交替領跑，行駛時間約12 s。在完成上述功能后，重新設定甲車起始位置，實現甲、乙兩車四圈交替領跑功能。小車只在超車區進行超車，實現超車后能返回行車道。

4 結 論

通過對樣機進行了測試，結果表明：無人駕駛智能小車可以實現單車繞圈行駛、兩車防撞前后行駛、兩車在規定區域完成超車等功能，且其性能穩定、抗干擾性強，在無人駕駛系統方面得到廣泛應用。

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Design of control system for smart car

XIE Meng, GUO Xia

(Xi’an Jiaotong University City College,Xi’an 710018,China)

A smart car is designed based on 16 bit low power consumption MCU MSP430F5438 as control core,DC motor as driving power,and uses pulse width modulation(PWM)mode to achieve accurate control of speed;use gray sensor to detect the start/finish line and turn/overtaking sign line;using ultrasonic sensor to measure distance in the overtaking area between two cars,and track overtaking area for overtaking;overtaking communication between two vehicles using wireless communication module,which effectively avoid the collision between two cars and smoothly realize overtaking;with electronic compass module for precise positioning and turning control of the two car.The results show that smart car can achieve functions of cycling criterion driving;driving two car crashes before and after,two vehicles in the specified area complete overtaking.The control system has stable performance,strong anti-interference.It has a broad application in the field of driverless control system.

photoelectric sensors； ultrasonic sensors； electronic compass； wireless communication

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0110—03

2016—10—19

TP 212.9

A

1000—9787(2016)12—0110—03

謝 檬(1982-)，女，陜西西安人，工學碩士，講師，主要從事測控技術與儀器及智能儀器的設計工作。