基于單片機的智能風動力尋跡小車

高文博

（山東諸城繁華中學，山東諸城，262200）

0 引言

智能車內部設有的綜合系統能夠進行自動控制，是現代科學成果中的一項高新技術綜合體。本文中論述的智能風動力尋跡小車的設計研究中，采用瑞薩32位單片機R8C/38A作為智能車的控制核心，采用閉環PID控制以及紅外線傳感器等技術，實現對路線的自動識別控制，通過控制舵機開環比例，讓模型車能夠自主尋跡行駛。

1 單片機的智能風動力尋跡小車總體設計方案

■1.1 單片機的智能風動力尋跡小車系統設計

單片機的智能風力尋跡小車系統設計中，將單片機控制模塊、路徑識別模塊、電機驅動模塊、通信及調試模塊等模塊組成MCU智能車系統，其中，控制模塊利用瑞薩單片機R8C/38A進行核心控制，采用八個紅外傳感器構成路徑識別模塊進行路況信息采集，并將所采集到的信息輸送至單片機內進行信號分析處理，處理完成后發出PWM波，對轉向舵機以及驅動電機進行分別控制，這一控制能夠實現智能車的基本行進運動。模型車的車架后方裝有OMRON E6A2-CS3E/200P旋轉編碼器采集車輪轉速，通過該裝置可更加精準的對模型車車速進行精準控制，由控制單元進行脈沖信號的接收處理工作，并通過PID控制算法計算出PWM占空比，能夠提升智能車的車速，并進行精準控制。采用四輪驅動以及無線收發模塊，加裝LED指示燈。圖1為模型車控制系統結構示意圖。

圖1 模型車控制系統結構示意圖

■1.2 單片機的智能風動力尋跡小車的電源模板設計

單片機的智能風動力尋跡小車電源設計中，采用八塊5號2000 mAh充電電池進行供電，電池可進行充電，滿足模型車斷電狀態下的工作需要。在單片機的智能風動力尋跡小車電源模塊設計中，滿足自行調節電壓的電源模塊設置，驅動電路能夠直接對電機進行供電，單片機的智能風動力尋跡小車運行電壓在4.8～6 V的范圍區間，通過對單片機的智能風動力尋跡小車電源模板的設計，能夠實現模型車的電能供應，蓄電電池可作為模型車的主要動力來源，單片機的智能風動力尋跡小車能夠將電能良好轉化。

■1.3 單片機的智能風動力尋跡小車的路徑控制

在對單片機的智能風動力尋跡小車進行路徑識別模塊的設計時，采用八組紅外線傳感器組成整套傳感器板。首先設置一組紅外線傳感器進行閘門的檢測，通過該項傳感器控制閘門的開關，控制智能車是否啟動。余下七組紅外線傳感器皆用于進行路徑檢測工作。傳感器進行路況感應，并將路況信息傳達到單片機，對模型車行使的速度與轉向舵機轉動角度進行智能控制，安裝紅外線發光二極管TLN119作為白色發射光線，而發射在賽道的為紅外線；安裝光傳感器S7136作為黑色吸收光線。當有光線被反射到其接受面上時，則轉化數字信息“1”輸出到單片機，證明有光線被反射到其接受面上，反之則證明沒有光線被反射到其接受面上。單片機的智能風動力尋跡小車采用單片機PWM信號進行電機驅動，在這一設計中利用脈寬控制進行驅動信息處理，保證對模擬量的電壓處理的簡便性，利用CPU能夠更好的處理數字量“1”和“0”，能夠對其進行有利控制。在模型車頂端安裝有一個螺旋槳，通過遇風情況下螺旋槳的高速旋轉，能夠使風能轉化成為電能，作為部分能源供應。與此同時，模型車 H橋電路能夠實現電機的旋轉以及速度控制，將電機設置在電橋的中心位置，在電機兩側分別設置四個場效應管，將之構成一個H形橋，通過改變H形橋的位置形狀，改變四個場效應管的狀態，便能夠進行對電機的正、反轉控制[1]。

2 基于單片機的智能風動力尋跡小車研究

■2.1 模型車控制系統研究分析

模型車控制系統中的控制模塊主要運用瑞薩32位單片機R8C/38A作為CPU板。將HEW軟件作為編譯軟件。HEW軟件是利用嵌入式系統設計而成，該設計作為后臺系統，能夠保證整個應用程序的循環作用，利用循環作用中的函數規律完成相應指示。通過HEW軟件進行工程窗口、編輯窗口等內容的設置，工程建立完成后通過編譯與修改，從而生成二進制目標文件，而后利用 fl ash 編譯工具固化至單片機的Flashrom中。程序服務的中斷級可以處理在正常工作時遇到的異常事件，此項操作的處理時間的相關性很強，也是作為系統處理中一項關鍵操作。前后臺系統在實際應用中占據優勢，系統成本低且任務較為單一，具有執行效率高且資源分配靈活的顯著優勢。在此基礎上，除了對模型車設置了緊湊的硬件資源，還配備了模式切換、信號處理、信號采樣等等附加功能，滿足模型車的基本工作需要。模型車控制系統主要利用C語言進行編程，這一技術具有匯編功能強、信號處理能力強以及靈活性強的特點，容易移植。在對智能車進行方向控制時，利用單片機發出的PWM信號傳輸至舵機，對舵機轉向角度進行控制。對模型車進行方向控制時應綜合考慮，選取控制簡單安全、且一旦出現偏差能夠及時挽回的比例控制技術[2]。

■2.2 模型車速度控制研究分析

對模型車速度控制的研究分析可知，為實現模型車能夠快速且平穩的在賽道上行使，則需利用電能作為源動力，采用四個直流電機對模型車的四輪進行驅動，在進行初期調試時，測出模型車的平均速度超出2.2m/s，一旦模型車的四輪同時進行直流電機的驅動，則會嚴重影響轉向效果，所以應把控好模型車的速度，采用合理差速控制策略。差速值的計算比較簡單，首先利用模型車的自身結構以及賽道形式進行計算，得出每一個輪子的速度比，由此進行差速表的繪制。計算每一直流電機在實際輸出時的PWM占空比，保證每個輪子能夠在轉彎時進行不同速度的轉動。根據差數值的不同，大致可以分為三種：阿克曼式、中軸式、傳感器相關式[3]。本文中所研究的單片機智能風動力尋跡小車模型采用的是中軸式差速值，智能車在進行轉向時先由前兩輪受到舵機控制，后兩輪不變動，始終保持同一軸心。一般來說，當模型車處于行使時，先由內部的紅外線傳感器進行賽道狀況的分析，將對賽道狀況的分析結果作為智能車是否加速或者減速的一句。采取一定策略，將控制程序中的模式進行轉化，使之變更為速度設定值模式，并利用閉環反饋系統的方法以及PID控制算法進行車速控制，其目的能夠使模型車保持穩定行使，并在彎道轉彎時更好的控制車速，防止由于模型車轉彎不夠靈敏，造成沖出賽道等情況的發生。

■2.3 模型車設計方案檢測研究

模型車設計方案完成后，通過安裝操作將模型車組裝完整后，還需進行模型車的調試。首先，應檢查供電電路是否正常供電、編碼器與傳感器是否能夠正常開啟。在進行電路檢測時，可利用萬用表對各組供電模塊進行電壓測試，通過測試結果查看電壓與供電是否正常。之后，使車輪處于懸空狀態并啟動模型車，查看電機驅動能否正常工作，傳感器的測試可將傳感器板放置在地面，以檢測傳感器的信號接收是否正常無阻，這一項檢測結束后便完成了模型車的基本靜態檢測。進行動態檢測時，應將模型車放置到賽道上進行檢測，首先應對不同賽道進行單獨的測試，綜合對模型車進行彎道、直道、換道等具有針對性的賽道測試，記錄在實際行駛過程中出現的問題，并對其進行相應調整。直到模型車行使在賽道上能夠穩定且快速的行駛過不同賽道，才能夠進行最后的整圈行使測試[4]。

3 結論

現階段，單片機智能風動力循跡小車的應用越來越廣泛，這項技術也在向著更加高速度化和高智能化的方向不斷邁進。上述單片機智能風動力尋跡小車方案中，利用螺旋槳的高速旋轉，能夠將風能轉化成為供應能源，通過紅外線感應等技術，實現智能尋跡小車的快速行駛。