一款LPC54606單片機的智能自動循線小車

青島恒星科技學院 夏 杰 魏書偉

智能自動循線小車采用32位單片機LPC54606為核心控制器，通過智能車上搭載的傳感器識別賽道中間的電磁線，以最快的速度完成巡線行駛，采用工字電感完成對賽道信息的采集檢測，通過算法提取中線，使用PID控制算法調節舵機的打角，實現智能車運動過程中的方向閉環控制，同時，車上搭載TFT顯示模塊和按鍵，可以對車內參數實現快速調節，并通過上位機對采集信息進行分析。經多次重復實驗，結果表明，智能小車可以精確并迅速完成巡線行駛。

1 系統工作原理

本系統采用32位微控制LPC54606型號芯片作為核心控制單元對整個智能小車系統進行控制。賽道信息由車體前方架設的幾個工字型電感進行采集，經LPC54606的ADC口接收信號后，同時內部發出PWM波，用于智能小車的運動控制反應和驅動直流電機對智能小車進行速度控制，同時通過控制智能小車兩個輪子的速度差來實現車體的轉向，使智能小車在賽道上能夠自主循跡行駛。此外，智能小車上增加按鍵和撥碼開關作為輸入設備，便于智能小車的速度控制和策略的選擇。

通過改變電機轉速來實現速度控制和方向控制，保證車模沿著競賽道路行駛。智能小車行駛的道路中心鋪設有一根金屬漆包線，通有100mA的20kHz交變電流，道路中心線周圍產生一個交變磁場通過傳感器采集道路電磁信息數據，經過算法處理實現電機控制和方向控制，從而保證智能小車在賽道上的高效行駛。

圖1 智能巡線小車系統結構框圖

2 智能巡線小車系統整體結構設計

如圖1所示，本設計共四大模塊：LPC54606主控模塊、電機驅動模塊、電源模塊、輔助模塊。主控模塊將傳感器采集信號處理后，根據控制算法對應控制直流電機轉速，實現對智能車的最優速度控制。傳感器模塊，通過25cm長的前瞻放置四個對稱電感，使小車提前判斷賽道信息，做出決策提供充足的反應時間。電源模塊，為整個系統提供合適而又穩定的電源。電機驅動模塊，驅動直流電機完成智能小車的加減速控制和舵機轉向控制。輔助模塊主要用于智能小車的各傳感器的功能調試、賽車在賽道上的狀態監測等。

2.1 LPC54606單片機

LPC54606單片機將高級計時器和模擬功能結合在一起，其中的DSP功能使單片機能夠支持數據密集型應用中的復雜算法，且LPC54606單片機具有高達512KB的閃存和外部存儲器接口，靈活性強，閃存選項支持大型內部和外部存儲器配置，可根據需求變化進行調整。LPC54xxx系列之間的兼容性強，能夠提供無縫的遷移路徑，并提高處理能力。LPC54606單片機實物圖如圖2所示。

圖2 LPC54606單片機實物圖

2.2 電磁采集模塊

在交變的磁場中，智能巡線小車通過電磁引導判斷行駛路徑，傳感器模塊根據RC諧振公式計算得出外部頻率為20KHz，信號調理與傳輸采用四路10mH的電感和6.8uF的電容組成諧振電路，布局通過左右兩路電感平放、中間兩路電感傾斜的方式來進行電磁信號的采集。在電磁自主循跡狀態下，智能小車不受光線、溫度和濕度的影響，適應性強，相對光電或攝像頭引導的小車有巨大優勢。

2.3 電機驅動電路

驅動電路本方案采用了集成度更高的BNT7971B驅動芯片，同時使用兩個驅動芯片，IN1給PWM高電平信號的同時IN2給低電平信號，左邊芯片高邊MOSFET會在PWM控制下快速打開，而低邊MOSFET則一直處于關閉狀態；右邊芯片高邊MOSFET一直關閉而低邊MOSFET一直處于打開的狀態，這樣就同時實現電機的正反轉控制和對輸出電流的PWM控制，達到電機的正反轉和調速目的。經過多次試驗測試，雙BTN7971搭建的H橋驅動電路PWM工作頻率最佳為17kHz，此時輸出的方波波紋較小，控制精度較高，BTN驅動電路如圖3所示。

圖3 BTN驅動電路圖

2.4 智能巡線小車機械結構設計

智能巡線小車的驅動電機為S380電機，轉向舵機為S3010舵機，智能巡線小車的控制采用的是前輪轉向，后輪驅動方案。智能巡線小車機械結構創新有以下幾點：

（1）車模底盤降低，用來降低重心。

（2）舵機采用豎直姿態，方便控制。

（3）對前輪傾角進行調節，保證車直線行駛的穩定性。

（4）電池平放后移，使重心盡量位于車體中后方緊貼底盤，保證車在高速時入彎時的穩定性。

（5）用輕便碳素桿作為前瞻用來固定電磁干，前端的碳素桿采用“工”字形結構設計，更好的減輕了上下坡電磁干上下擺動的現象。車的機械結構實物圖如圖4所示。

圖4 機械結構實物圖

3 智能巡線小車的系統軟件設計

3.1 系統主程序

本系統控制部分包括方向PID控制和差速控制賽道信息檢測是由車體前方架設的四個工字型電感進行采集，經LPC54606的ADC口接收信號后，發出PWM波驅動直流電機對智能汽車進行加速和減速控制，通過控制智能小車兩個輪子的速度差和舵機打角來實現車體的轉向，使智能車在賽道上能夠自主循跡行駛。系統主程序流程圖如圖5所示。

3.2 PID算法控制

本方案采用增量式PID控制：

當加入積分項后，會導致系統控制滯后，因此決定只采用PD項，使用開方差比求和法來計算當前賽道中線的偏差值Erros_S，由比例系數Kp與Error_S的乘積得到比例項。其次加入微分項，該微分控制項可以克服單純比例控制帶來的滯后作用，使其更近目標值。

圖5 系統主程序流程圖

當比例P系數偏大時，直道行駛時小車晃動較大，舵機反應太過靈敏，彎道轉彎半徑減小；比例P系數偏小時，直道行駛晃動小，舵機反應太過遲鈍；微分D系數偏大時舵機反應靈敏，易高頻抖動，抗干擾能力差；微分D系數偏小時，抗干擾能力好，多級反應慢。所以只有采用適當的PD調節相結合，才可以使智能小車達到快速穩定的效果。

PID算法示意圖如圖6所示。

圖6 PID算法示意圖

3.3 數據采集與處理

主要算法思想：將采集的值進行排序，然后再用一變量來存儲每一路的平均值，對于滑動求和就是每次采樣一個新數據便存入暫存區，同時去掉一個老數據，始終保持最新數據。將濾波完后的值賦值給當前值。由于不同運放芯片的放大倍率可能不同，為了方便之后的PID算法處理，應對采集數據進行歸一化處理，歸一化是一種簡化計算的方式，即將有量綱的表達式，經過變換，化為無量綱的表達式，成為標量。

電感采集如表1所示。

表1 電感采集

結束語：本文以LPC54606單片機為控制核心，設計智能自動循線小車，經多次重復實驗，結果表明，智能小車可以精確并迅速完成巡線行駛，且具有以下幾個創新點：

（1）控制過程：電磁采集模塊利用工字電感和矯正電容組成的諧振電路來進行電磁信號采集然后經過運算放大模塊進行信號的放大和提取傳輸給單片機，經過運算以后輸出合適的舵機PWM值來進行舵機的打角控制；調速方面為給定速度和差速來進行電機的兩輪轉速控制實現小車的動力控制。

（2）軟件算法：首先采取電感信號，但電感歸一化也影響小車在中線的位置，歸一化之后偏差在中線為0，所以調好之后需進行PD調節，先P后D進行調節，提升速度，達到最大速度后，再進行差速調節。