自動循跡小車控制系統設計*

楊佳義

（重慶移通學院智能工程學院，重慶 401520）

自動循跡小車是智能行走機器人的一個分支，其具備環境感知能力和對不同道路狀況的決策能力[1]，這使得循跡小車能夠應用于各種道路場景。設計的難點在于循跡算法的可靠性和軌跡運行，循跡基于傳感器的數據，而軌跡調試需要精確行駛距離和時間[2]。智能汽車的自動循跡控制是自動駕駛系統研究的關鍵[3]，筆者基于全國大學生智能汽車競賽提供的B型小車模型設計自動循跡控制系統[4]。

1 系統硬件設計

1.1 系統總體結構設計

采用MC9S12XS128MA單片機作為主控MCU，系統由單片機電路、電機驅動模塊、編碼器、開關電源電路、線性穩壓電路和傳感器模塊組成[5]。采用編碼器對電機速度進行檢測，結合增量式PID算法對車速實現閉環調節控制[6]，紅外傳感器檢測道路中的障礙信息[7]，利用攝像頭、電磁感應和運放電路來檢測道路信息，依據傳感器信號特征完成對轉向舵機和電機的控制。控制系統硬件框圖如圖1所示。

圖1 硬件設計圖

攝像頭采集道路信息傳送給單片機[8]，電磁傳感器處理斷路的道路情況，結合紅外傳感器識別障礙物，采用霍爾元件HAL145檢測起跑線，提高道路識別的可靠性。采用雙BTS7960構成的全橋電路驅動電機RS540，編碼器測試電機的轉速把小車運行速度反饋給主控制器，實現智能車閉環控制。

1.2 供電電路設計

直接電源電壓供電紋波大，偶爾會出現毛刺現象，這將會對單片機系統的工作造成不良的影響[9]，設計采用穩壓芯片TPS7350，輸出固定且穩定的5 V直流電源，為單片機、蜂鳴器、霍爾元件和編碼器供電，5 V穩壓供電電路如圖2所示。舵機工作時電流相對較大，為了加大爬電距離，舵機供電在PCB上的走線與其他線路要有充分絕緣距離，且舵機電路可能會對傳感器等電路產生干擾，因此PCB布線充分考慮EMC（Electro Magnetic Compatibility）。舵機作為整車主要負載之一，供電電源需要穩定高效，為避免舵機電流影響其他低壓傳感器的工作，綜合考慮采用MP1584EN開關電源產生5.5 V電源為舵機S-D5單獨供電，供電電路如圖3所示。

圖2 穩壓5 V供電模塊

圖3 舵機MP1584EN開關電源電路

1.3 驅動控制設計

智能汽車系統中的電機是動力源，直流電機運行電流較大、干擾較多，小車采用調壓控制電機運行速度，因此選擇高效、可靠、可控的驅動電路及方式至關重要。設計采用74HC244D驅動放大，結合兩個BTS7960芯片，構成全橋電機驅動電路，驅動電路如圖4所示。采用集成芯片，電路簡單，并且專用柵極驅動芯片所具有的硬件保護、過流保護等功能可以提高電路工作的可靠性。供電電壓應用PWM（Pulse Width Modulation）技術調節占空比實現，可以降低功率損耗，提高效率。

圖4 電機全橋驅動原理圖

為防止BTS7960存在高溫燒毀的風險，本次驅動設計采用直插封裝的芯片，同時外加大散熱片，散熱片以鋁合金制成，降低材料重量的同時增強了散熱效率，再以硅脂填充芯片與散熱器的間隙進一步增加散熱效率。小車運行時，流動的空氣經過散熱片帶走部分熱量，降低發熱的程度。

小車運行速度通過編碼器檢測反饋，編碼器在電機的帶動下輸出連續的脈沖，電機轉速越高，編碼器輸出脈沖頻率越高，通過在固定的時間段內對脈沖進行計數，計算判斷當前的車速，編碼器接線電路如圖5所示。

圖5 編碼器電路

1.4 輔助調試電路設計

輔助調試電路能方便觀察智能車參數，實時了解小車狀態，配合使用調試開關、撥碼開關切換調試功能。采用LED顯示屏顯示PWM占空比、運行電流等，設計采用撥碼開關來開啟或屏蔽系統某些功能，如開啟或屏蔽起跑線，設置系統速度基值及對應的關鍵參數，是否屏蔽環島，是否開啟碰撞停車以及是否屏蔽測距傳感器等相關功能。調試按鍵電路實現某些功能，如系統部分運行參數設置，相關傳感器數據顯示，相關變量數值設定，賽道元素設置等功能。本系統設計了8個撥碼開關和5個調試按鍵用于系統調試。無論是硬件設計、軟件編寫，還是在實際場合的應用，往往會出現沒有考慮到的錯誤，因此設計了蜂鳴器報警電路，方便出現異常情況時排查故障。

2 系統軟件設計

2.1 系統控制設計

系統控制在MCU上電之后初始化芯片內核和所需的外設模塊，循環采集傳感器數據并執行循跡任務，軟件控制流程如圖6所示。初始化模塊包括系統時鐘、定時器、中斷優先級、IO口、PWM控制和A/D轉換的初始化，為了提高處理速度，使用XS128單片機鎖相環倍頻設置系統時鐘為80 MHz，設計定時器1為5 ms中斷，作為速度控制、碰撞停車、起跑線檢測的中斷控制。執行循跡任務首先判斷是否偏離道路，通過攝像頭采集道路左右邊線計算左右偏差，由偏差值識別道路元素，判斷是直道、彎道、環島、十字路口或者斷路情況，不同的道路元素設定不同的轉向速度和角度，結合紅外傳感器檢測障礙物執行避障程序。應用PWM技術調節占空比控制電機的運行速度，反饋計算前進速度和左右電機轉彎前進的差速值，使用PID算法實時控制調節，提高控制精度。當霍爾元件檢測到終點線磁鐵時，執行外部中斷停車控制。

圖6 軟件控制流程圖

2.2 小車PWM寬度調制控制

小車行進的動力采用RS540型號的有刷直流電機，電機兩端的平均電壓與電機轉速成正比，設計采用脈沖寬度調制供電電壓實現小車的速度控制。通過改變PWM占空比控制電機端平均電壓，達到調速的目的[10]，PWM初始化程序如下：

四個時鐘源A、SA、B、SB中選擇SA、SB作為PWM輸出通道的時鐘源，將PWM輸出通道設置為左對齊先輸出高電平然后翻轉的模式。通過PWMSCLA寄存器設置時鐘SA，其計算公式為：Clock SA=Clock A/（2*PWMSCLA），時鐘Clock A的頻率為80 MHz，可得Clock SA=40 MHz，同理可得Clock SB=2 MHz。由于電機PWM工作頻率為20 kHz，舵機PWM工作頻率為100 Hz，所以需將兩個PWM通道級聯，設置PWMCTL寄存器將所有PWM輸出通道兩兩串聯，令周期寄存器的值分別為PWMPER45=2 000、PWMPER67=20 000。PWMxx頻率計算公式為：PWMxx頻率=通道時鐘/PWMPERxx。小車的初始速度為0，將小車初始化占空比為0，測得舵機位于中點處的占空比為2 970，最后使能PWM通道。在控制系統中對PWMDTYxx占空比寄存器直接賦值，就能控制小車的速度與轉向。

3 系統調試和參數驗證

算法程序中的參數受小車結構、傳感器和控制精度的影響，通過仿真得到的參數只能作為參考值。控制系統通過現場調試獲得優化參數。采集實際參數配合上位機串口監控程序，實時顯示程序運行過程中各個數據變化過程，輔助計算待定參數，確定參數的優化數值。

舵機參數調試通過實際小車的運行姿態來判斷參數的范圍。小車舵機控制算法采用PD控制，逐漸增大比例增益P，直至小車運行過程中出現振蕩現象，再反過來，逐步減小比例增益P，直至振蕩消失，記錄此時的比例增益P，設定PD的比例增益P為當前值的60%~70%。微分控制可以提高小車的預調節能力，將參數D的調節與循跡小車的彎道處理能力結合起來優化微分參數D。

避障軌跡調試通過對距離的精準采集，保證小車無論以何種速度執行避障程序，都能夠恰好越過障礙物，回到設定軌跡。通過推動小車行駛10 cm記錄編碼器反饋脈沖數，多次測試后確定小車行駛10 cm脈沖計數650次，將舵機擺動幅度與小車運動軌跡結合確定舵機PWM脈沖寬度輸出。

4 結束語

筆者設計了基于單片機MC9S12XS128MA的自動循跡小車的控制系統，應用code warrior開發調試，結合路況實現穩定車速、環島處理、避障軌跡設計和數據濾波，能夠保證小車穩定快速地跑完全程。通過對小車進行多次運行調試，優化算法和整定參數，應對不同外部環境小車能作出相應的控制決策，實現小車的自動循跡控制。