基于飛思卡爾智能車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬 巖，裴 林

(吉林化工學(xué)院，吉林吉林，132000)

1 引言

在21世紀(jì)智能化的發(fā)展或?qū)⒊蔀槲磥淼囊环N大趨勢(shì)，近年來，它提高了技術(shù)機(jī)構(gòu)的速度和微型計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)效率，在集成智能控制的條件下，傳感器系統(tǒng)是集成智能的，集成智能的機(jī)電產(chǎn)品能夠模仿人類的智能，具有一定的判斷力和智能能力。從技術(shù)上講，它取代了人腦的一部分。汽車的發(fā)展距今也有100多年了，從上個(gè)世紀(jì)80年代開始直到今天，在智能控制方面的應(yīng)用是越來越廣泛，社會(huì)發(fā)展的越來越快，汽車的智能化也越來越受人們的青睞。所謂智能就是用一些現(xiàn)代控制方法實(shí)現(xiàn)無人駕駛或者其它的動(dòng)作。

智能車輛(Intelligent Vehicle, 簡稱IV)，又稱輪式移動(dòng)機(jī)器人,也被人們稱為無人駕駛汽車。它是可以自主決定的一種機(jī)器人，也是一個(gè)自動(dòng)駕駛、自動(dòng)決策、自動(dòng)感知于一身的高級(jí)系統(tǒng)。除了一些特殊用途，還被一些西方國家的重點(diǎn)關(guān)注。很多的西方國家早在幾個(gè)世紀(jì)以前就已經(jīng)開始研究智能汽車而且也把他們當(dāng)成重點(diǎn)來研究，例如“智能車輛系統(tǒng)” (Intelligent Vehicle Highway Systems,簡稱 IVHS)、“智能運(yùn)輸系統(tǒng)”(Intelligent Transportation Systems,簡稱 ITS)。

在智能系統(tǒng)開發(fā)中，會(huì)徹底的改變?cè)衅嚨囊恍┗镜募夹g(shù)。隨著科學(xué)發(fā)展的速度，特別是在計(jì)算機(jī)、信息和現(xiàn)代科學(xué)的研究，所以目前的智能車系統(tǒng)終于取得了一定的成就。在轎車和重型汽車上主要應(yīng)用于碰撞預(yù)警系統(tǒng)、防撞及輔助駕駛系統(tǒng)、智能速度適應(yīng)、自動(dòng)操作等主要智能車輛技術(shù)，此技術(shù)的應(yīng)用在軍事上更為重要。

2 硬件設(shè)計(jì)

智能小車的設(shè)計(jì)分為五個(gè)模塊：單片機(jī)最小系統(tǒng)、紅外導(dǎo)航、胡須導(dǎo)航、驅(qū)動(dòng)電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

(1)驅(qū)動(dòng)電源模塊

電源模塊這里采用LM7805、5V電壓調(diào)節(jié)器。調(diào)壓器工作的前提條件，是鋰電池放出7.5V電壓。為了簡化電路，方便裝配，采用控制芯片LM7805輸出5V電壓，如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)電源接線圖

LM78系列穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電路在外面的一些器件中歸類于電壓較低的穩(wěn)定器，防止控制器過熱，運(yùn)行可靠、方便、經(jīng)濟(jì)。LM78系列集成穩(wěn)定器數(shù)值顯示后的輸出電壓。三種易用固定調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。

(2)伺服電機(jī)模塊

一種將大腦運(yùn)動(dòng)指令轉(zhuǎn)換成肌肉功能相應(yīng)部分的伺服機(jī)器人。伺服電機(jī)可以進(jìn)行速度和位置控制，而其他電機(jī)都控制不了速度，都以一個(gè)相同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就是由這個(gè)脈沖信號(hào)來決定的，電機(jī)轉(zhuǎn)速如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零

圖3 電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)

圖4 電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)

(3)胡須導(dǎo)航模塊

圖5 胡須電路原理圖

現(xiàn)在的很多機(jī)器上都使用不同的觸覺開關(guān)。例如，機(jī)器人配備幾根觸覺開關(guān)，如果觸覺開關(guān)知道前面有物體擋住，就發(fā)送信號(hào)來進(jìn)行一系列的動(dòng)作。比如測(cè)量生產(chǎn)線的產(chǎn)品數(shù)量，工業(yè)加工訂購物品等。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，智能機(jī)器配備了一個(gè)叫做"小胡子"的戰(zhàn)術(shù)開關(guān)，如圖5所示。觸覺開關(guān)由智能機(jī)器程序控制，當(dāng)遇到障礙時(shí)，它會(huì)決定如何采取行動(dòng)。最后的結(jié)果是智能自動(dòng)駕駛。

(4)紅外導(dǎo)航模塊

許多智能汽車使用雷達(dá)或聲納探測(cè)物體而不接觸它們，而紅外反射檢測(cè)可以檢測(cè)出物體是否在前方，以及其對(duì)導(dǎo)航的影響。

當(dāng)智能車發(fā)生故障時(shí)，紅燈將返回被檢測(cè)到的物體并發(fā)送信號(hào)。紅外接收器/探測(cè)器有內(nèi)置的光學(xué)濾光片，但除紅外980nm幾乎是不透明的。還有一個(gè)電子濾波器，它能夠檢測(cè)過濾大概38.5khz電磁波。探測(cè)器每秒僅探測(cè)38500次，以防止太陽和內(nèi)部光線等普通光源的紅外干擾，電子濾波器的頻率范圍為38.5khz，紅外探頭容易把他忽略。

紅外設(shè)備搭建的電路圖，如圖6所示。P1.2為左側(cè)的探測(cè)器，P3.5是右側(cè)的探測(cè)器。如果P1-3(P3-6)安裝在較低的水平，電路將再次斷開，紅外LED將停止工作。

圖6 左側(cè)和右側(cè)探測(cè)器原理圖

(5)單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)是為最小的AT89S52系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，作為一個(gè)通用的管理系統(tǒng)，他獨(dú)立負(fù)責(zé)各個(gè)部位的信息的采集，以及對(duì)數(shù)據(jù)的處理。

AT89S52有功能強(qiáng)大的CMOS8微控制器，可編程8KB系統(tǒng)。完全符合80C51工業(yè)產(chǎn)品指令和結(jié)論。

AT89S52分別支持兩種不同的模式，一個(gè)叫節(jié)電模式，另一個(gè)叫空閑模式。在空閑模式，CPU停下所有工作，串口、計(jì)數(shù)器都停止一切的工作。斷電保護(hù)過程中，來自RAM的數(shù)據(jù)都被保存下來，振蕩器也隨之被凍結(jié)。單片機(jī)中的動(dòng)作都停掉，到下一個(gè)硬件復(fù)位或者中斷的產(chǎn)生再繼續(xù)，最小系統(tǒng)電路原理圖如圖7所示。

圖7 AT89S52最小系統(tǒng)電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用AT89S52單片機(jī)，通過軟件控制，實(shí)現(xiàn)智能車輛的紅外和胡須避障，使智能車能夠能自動(dòng)駕駛，避免道路事故，軟件設(shè)計(jì)流程圖如8所示。

圖8 智能小車“日”字流程

上述流程圖主要完成讓小車先靜止3秒，之后前進(jìn)3秒，進(jìn)行左轉(zhuǎn)90°，在繼續(xù)前進(jìn)行駛3秒鐘，往右90°，往前3秒，往左90°，往前3秒，再往后3秒，最后一步原地右轉(zhuǎn)90°，最后智能車能自己走“日”字軌跡。

4 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)所研究的智能車在很多方面都可以作為未來智能機(jī)器發(fā)展的原型。在車體上加一根桿子，改裝成運(yùn)煤車，在車體上加一個(gè)攝像頭，使其成為探險(xiǎn)車等。同時(shí)隨著中國航天事業(yè)的發(fā)展，太空探索、昆蟲采集、氣候溫度探測(cè)將成為未來的課題，此次設(shè)計(jì)的小車實(shí)現(xiàn)的主要功能就是避障和導(dǎo)航，相信它可以成為星球探測(cè)車的原型。未來，智能機(jī)器將以巨大的實(shí)用價(jià)值和巨大的應(yīng)用潛力改變我們的生活。