線性CCD循跡智能車控制系統的設計

杜方鑫

摘要 本文設計了一種基于線性CCD的的智能車控制系統，該系統以單片機為主控芯片，采用線性CCD采集路況信息，最后采用伺服電機和直流電機驅動小車沿賽道行進。

【關鍵詞】單片機 線性 CCD 智能車 PID 控制

1 引言

隨著城鎮化進程的發展，到2020年，我將新增約80個百萬人口以上的地級市。隨著城市規模越來越大，城市交通越來越擁擠，發展軌道交通成為解決城市交通問題的重要途徑。傳統的軌道交通建設成本高，建設周期長，無法解決中小城市的交通問題。而智能軌道快運列車，就是為解決“城市病”量身訂做的，是一款為市場需求而生的良心之作。它將現代有軌電車和公共汽車的優勢融為一體，既不需要單獨建設軌道，可與其他車輛共享路權，又有運量大的優勢，將為城市出行帶來全新選擇和體驗。本文依據智能軌道快運列車的發展現狀，結合全國大學生智能汽車競賽規則，設計了一種能夠自主循跡的無人駕駛智能小車。實驗證明本方案能夠使小車在預定軌道上穩定、快速地行進。

2 系統總體設計

智能汽車系統采用恩智浦公司的32位微處理器MK60DN512ZVLQ10單片機作為核心控制單元;TSL1401CL線性CCD傳感器采集賽道信息，返回到單片機作為轉向控制的依據主控芯片輸出PWM波控制舵機轉向;編碼器作為速度傳感器，返回的信號可以形成閉環，通過PI算法控制電機的轉速;電機驅動模塊采用N溝道MOSFET組成的全橋，可以控制直流電機的轉速與方向;液晶顯示模塊、按鍵和撥碼開關組成人機交互系統，可以實時地顯示和設置系統相關參數;藍牙模塊通過串口把單片機接收到的數據送往上位機，方便相關參數及波形的實時觀察和調試;電源模塊由7.2V2000mAh Ni-Cd電池和穩壓電路組成，為整車提供電源。系統總體設計如圖l所示。

3 系統硬件設計

3.1 核心控制單元

本系統的主控制器是恩智浦公司生產的32位MK60DN512ZVLQ10單片機，它負責處理各個傳感器采集的信號并向各個模塊發送控制信號。單片機的最小系統是智能車系統的核心，它包括了晶振電路、復位電路，電源電路，并且已將所有引腳引出。

3.2 電源模塊

智能汽車競賽統一配發的標準車模采用7.2V 2000mAh Ni-Cd供電，而單片機系統和CCD傳感器均使用的是3.3V的電源，伺服電機工作電壓范圍為4V到6V，直流電機可以使用7.2V 2000mAh Ni-Cd蓄電池直接供電。

電路中，5V電源由2個穩壓芯片來提供，一個為H橋芯片IR2184S的升壓電路提供5V電源，另一個為邏輯轉換芯片提供電源。由于主控芯片和線性CCD傳感器均要求使用3.3V電源，所以3.3V電源也分為2個電源，一個為傳感器供電，另一個為主控芯片、鍵盤和撥碼開關供電。

3.3 電機驅動模塊

采用分立的N溝道MOSFET和IR2184S組成驅動電路。N溝道MOSFET導通電阻極低，大大減小了電樞回路總電阻。另外，專門設計的柵極驅動電路可以提高MOSFET的開關速度，使PWM控制方式的調制頻率得以提高，從而減少電樞電流脈動。并且專用柵極驅動芯片通常具有防同臂導通、硬件死區、欠電壓保護等功能，可以提高電路工作的可靠性。

3.4 CCD接口

CCD的外圍器件很少，輸出信號經過濾波等處理后就可以直接連接到主控芯片的AD端口上。

3.5 編碼器

為了實現閉環控制，系統中安裝了編碼器。編碼器內部無上拉電阻，因此編碼器接口處需要附加上拉電阻。主控芯片內部自帶脈沖技術功能，因此這里只需要將編碼器連接到主控芯片上相應的接口即可。

3.6 按鍵和撥碼開關

在小車運行過程中，需要實時的了解與掌握小車的運行狀態。通過液晶顯示模塊將這些狀態顯示出來，從而做出判斷，方便了對車的調試。有時候需要對參數進行修改，這時應用鍵盤和撥碼開關，從而實現人機交互。

4 智能車控制軟件設計

4.1 軟件總體設計

軟件程序采用模塊化編程，由初始化、參數設定、數據采集、數據處理、中斷處理等部分組成，實現對系統各模塊的驅動和控制。程序流程圖如圖2所示。

4.2 路徑識別

智能汽車競賽的賽道路面為寬度不小于45cm的白色面板，賽道兩側邊沿有寬為25mm的連續黑線作為引導線。路徑識別算法使用的是由CCD中心向兩側搜索提取跳變沿的算法，通過求取兩側跳變沿的平均值來得到小車前進所需要的中線值。

4.3 速度控制

PID控制策略結構簡單，穩定性好，可靠性高，并且易于實現。本方案中速度閉環控制采用了增量式PI控制，使用試湊法來確定控制器的比例、積分參數。

5 總結

本文設計了一種以線性CCD為傳感器的循跡智能車，通過對傳感器信息的采集和處理，使小車能夠沿預定路徑快速前進，實現了對智能軌道快運列車的初步硬件仿真。

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]童詩白，華成英，模擬電子技術基礎[M]，北京：高等教育出版社，2000.

[3]閻石，數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2000.

[4]譚浩強.C程序設計[M].北京：清華大學出版社，2003.