飞思卡尔智能车附录B一种基于多个红外传感器自动寻迹小车的设计与实现

一种基于多个红外传感器自动寻迹小车的设计与实现刘辉，王宜怀, 祝叶, 姚健东(苏州大学 计算机科学与技术学院，苏州 215006)摘 要：本文给出了一种基于多个红外传感器的自动寻迹小车的设计方案，文中对主要的硬件电路原理和软件设计流程做了详细的阐述，重点阐述了寻迹算法的设计流程；同时给出了本设计中遇到的主要问题及解决方法。关键词：红外传感器；自动寻迹；智能小车中图分类号：TP311A Design and Execution of Auto-searching for Track by Usage of the Reflected Infrared Sensor on the Smart CarLIU Hui,Wang Yihuai,ZHU Ye,YAO Jiandong(Computer Science and Technology college ，Soochow University，Suzhou 215006 China)Abstract: This article demonstrates the design scheme of auto-searching for track by usage of the infrared sensor on the smart car. It mainly introduces the principal hardware electric circuit schematic diagram and the software design flow chart in details, and introduces the design flow of the mark algorithm with emphasis, Meanwhile, it includes some problems and relevant resolving methods which we encountered in our design.Keywords: infrared sensors；auto-searching for track；smart car 第一届大学生智能模型车竞赛是清华大学在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以HCS12单片机为核心的大学生课外科技竞赛。组委会提供标准赛车底盘（赛车MATIZ，配备标准驱动电机、转向舵机和可充电蓄电池）；另外，提供FREESCALE的16位单片机MC68S912DG128开发评估板。主要的设计内容包括：自动识别路径（黑线）电路设计制作；电机的驱动电路设计制作；赛车转向舵机控制；赛车车速传感器设计制作；单片机控制软件的编程。其专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科。本文针对智能车竞赛要求的方案进行小车的设计，实现了一种基于多个红外传感器的自动寻迹小车。文中对电源管理、路径识别、电机驱动、转向控制等硬件结构及软件控制特点进行了分析，对智能小车的寻迹算法进行了重点介绍。1 自动寻迹小车系统方案自动寻迹小车选用MC68HC9S12DG128(112脚LQFP封装)作为主控制芯片，通过芯片的PWM模块来驱动一个直流电机和一个伺服电机，而AD模块则用于车身前部的红外传感器对赛道的检测。系统由7.2V 2000mAh Ni-cd电池直接供电，并通过电压转换芯片对7.2V的电压进行转换，可提供稳定的5V，6V直流电源。自动寻迹小车不仅要能够在规定的赛道上完成相应的动作，还要保证以最快的速度完成该动作。为了确保自动寻迹小车能够以最快的速度行驶，系统必须能对路径进行迅速判断，这就要求能够通过传感器准确和及时的采集赛道信息，精密的控制转向伺服电机以及快速的控制直流驱动电机的运作。任何一个环节的出错都会造成小车严重抖动甚至偏离赛道。系统主要由电源模块、红外传感器检测模块、电机驱动模块、LCD显示模块、写入及调试模块等组成。系统的框图如图1所示。图1 系统结构框图电源模块主控芯片MC9S12DG128及支撑电路直流电机驱动模块红外传感器检测模块LCD显示模块写入调试模块2 自动寻迹小车的硬件设计2.1电源模块系统的电源模块部分由7.2V 2000mAh Ni-cd电池供电，通过滤波电路及电压转换电路后可提供稳定的7.2V、6V、5V的直流电源供主控芯片和各种外围接口设备使用。系统的总电源通过一个总开关进行主控，由于直流电机也是7.2V驱动，所以另外提供了一路可控的7.2V给直流电机使用。系统由7.2V输入后，通过7806转换产生了一个6V的直流电源给舵机供电。5V直流电源直接用于给主控芯片供电，考虑到由驱动电机引起的电压瞬间下降的现象，为了使整个系统工作正常，本设计中采用了低压降的电压调节器LM2940。2.2 红外传感器检测模块图2小车实物图传感器检测模块是系统关键的模块之一，它的实现直接影响这小车寻迹的效果。图2中给出了一个基于多个红外传感器的小车实物图。设计中采用三级寻迹方法，使用了9对红外传感器，分别在左右两侧各安置四对传感器，中间安置一对，每对传感器由一个红外接收和一个红外发射管组成。将它们固定在前方的板子上，用于检测前方的信息来控制小车的前进方向。红外传感器虽然占用了9路的AD通道，但为减少AD采样的时间，本设计中直接将AD通道设置为输入口使用，这样在寻迹过程中对黑白的判断就可以直接通过开关量0或1来加以判断了，但这样也势必影响判断的精确度，不过通过实验发现在本次比赛所规定的赛道上是完全可行的。2.3电机驱动模块系统的直流电机驱动电路分别采用了L298和MC33886两种直流电机驱动芯片设计。实际应用中可以根据两种芯片的驱动效果决定到底使用哪一种方案。直流电机驱动需要2路PWM信号，由于DG128共有8路8位的PWM，而且还可以合成为4路16位的PWM使用，所以L298采用了PWM1和PWM5，必要时可以将PWM0和PWM1，PWM4和PWM5合成为16位的PWM信号使用。又由于PWM0，PWM1，PWM4，PWM5共用同一个时钟源，便于对电机的联合控制。MC33886只能使用2路8位的PWM信号。但是MC33886这款芯片具有制动的功能，在行驶过程中可以通过单片机的控制使直流电机紧急制动。图3给出了MC33386的直流电机驱动电路。图3 MC33386直流电机驱动电路3 自动寻迹小车的控制方案及软件流程3.1程序主流程系统的程序主要由PWM电机驱动部分程序，红外传感器采样程序，寻迹控制程序等组成。系统首先接收红外传感器检测到的信号，然后采用某种路径搜索算法进行寻线判断，进而控制转向伺服电机和直流驱动电机的工作。3.2电机驱动程序电机驱动程序主要实现以PWM方式来驱动两个电机的运作，后轮驱动电机采用合并的2路PWM来驱动实现，系统根据前方不同的路况来输出相应的PWM值控制当前驱动电机的速度。前轮的转向伺服电机则使用一路PWM来精确控制它的转向。图4 控制流程是左偏全白右偏否开始小车沿直线跑右偏处理中间传感器处于黑线左偏右偏或者处于全白左偏处理全白处理结束3.3 控制软件的理论基础与算法说明本设计主要根据前方9对红外传感器的采集信息来控制小车的前进方向。相应的控制算法如图4所示，先判断当前中间传感器是否位于黑线上，如果位于黑线上，则小车沿直线前进；否则判断当前小车是左偏或右偏还是所有的传感器处于全白。如果当前小车是左偏，则按图5进行处理。首先，判断左边的三个传感器是否位于黑线上，若左1传感器位于黑线上，则左转10度，以一档前进；若左2传感器位于黑线上，图5 左转左3传感器位于黑线上左2传感器位于黑线上左1传感器位于黑线上左转45度一档前进左边传感器的位置左转25度一档前进左转10度一档前进则左转25度，以一档前进；若左3传感器位于黑线上，则左转45度，以一档前进，左偏情况处理完毕。如果当前小车是右偏，此时的处理与左偏类似。判断小车前一状态图6 偏离轨道后的处理前一状态为右偏前一状态为左偏左转45度一档前进右转45度一档前进如果当前小车的所有传感器均处于全白状态，则按图6进行处理。当小车当前的传感器处于全白状态时，表明小车已经脱离赛道，要根据小车的前一状态来进行返回赛道的处理，若前一状态小车为左偏，则左转45度，以一档前进；若前以状态小车为右偏，则右转45度，处理完毕。4 调试体会与总结在实现自动寻迹小车的过程中，对系统的调试也是至关重要的一个环节，以下列出了部分在调试中遇到的一些困难及解决方法。（1）红外传感器抖动对采样的影响起初小车前方红外传感器的安装上直接采用铁片来固定红外传感器组，但后来发现在运行时会导致传感器的抖动比较严重，造成采集的数据不稳定。为解决这一问题，队伍自行裁制了一块安装板用以固定红外传感器组。（2）车身重量的减轻整车重量的增加，对系统动力性有较大影响。因此，除了小车工作必须的电路之外，应尽可能减少车重。即使是必备部件，也应该采用轻量化的设计。比如为了通过前方7个传感器检测环境，需要板子来延伸固定7个传感器，设计中为了减轻重量，对延伸板中不需要固定传感器的部分都做了镂空处理，从而大大减轻了重量。（3）电机驱动芯片发热问题在系统调试中发现小车在跑完5至6圈赛道后速度变得很慢，开始严重影响小车正常运行，研究后发现电机驱动芯片MC33386发热非常大，直接导致能耗较大，系统电流变小直至无法驱动。为了解决驱动芯片发热量较大的问题，笔者首先在MC33386上加装了散热片以加快散热，同时对程序进行了改进，对PWM的占空比的赋值也改为通过定时器方式来慢慢递增或者递减，而不是使用突变的方式赋值。经调整后小车行走的效率有了明显的提高。（4）车身过度转向的避免由于是后轮驱动，在弯曲的路线上加速可能会出现过度转向现象，为了避免这种情况的发生，在小车寻迹过程中，检测到有弯道时将降低小车前进速度，弯道的弯度越大小车的前进速度越慢。参考文献1 Freescale.Technical MC9S12DG128 Device User Guide.20032 王宜怀.刘晓升.嵌入式应用技术基础教程.北京:清华大学出版社,20053 高宝生 程云霞. 步进电机在智能小车中的应用. 电子世界,20054 吴建平 殷战国 曹思榕 李坤垣. 红外反射式传感器在自主式寻迹小车导航中的应用. 中国测试技术，20045