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提出一種使用激光檢測白底黑色跑道的尋跡智能車的軟硬件設計方法，在硬件上設計了最小系統、主板、電機驅動、激光傳感器模塊、測速模塊等電路，采用8位freescale單片機MC9S08AC16作為控制核心，使用低成本的紅外傳感器測速方案，采用14發射、7接收“-”字型排開的激光傳感器檢測賽道信息，電機驅動采用“H”型雙極性驅動電路。硬件設計上使用了適合8位單片機的枚舉查表為主的舵機控制算法，而速度控制則為bang-bang控制與P算法控制相結合的方法。 智能車競速比賽以及多種智能車的應用場合中，需要智能車沿著某條軌跡快速前進，使用普通紅外傳感器、激光傳感器、攝像頭識別均可有效提取路面軌道信息而解決這一問題，現在常見使用16位單片機作為控制核心。普通紅外傳感器因為易受干擾、前瞻距離短等缺點已經較少使用，攝像頭有豐富的數據信息，但是低成本8位單片機不能很好的處理這些信息。激光傳感器成本適中，處理的信號便于8位單片機處理，能夠有效的節省硬件成本。針對尋跡智能車進行了軟硬件設計，采用3位freescale單片機MC9S08AC16作為控制核心，使用激光傳感器提取賽道信息，采用低成本的紅外測速方案，算法使用以PID為基礎的枚舉查表法，做到了處理快速高效。整個設計既滿足了競速小車的響應迅速的要求，又是一種較低成本的設計方案。 1 車模安裝 智能車的控制采用的是前輪轉向，B型車模采用的是國內廠商生產的1:16的電動越野遙控車的底盤部分，突出特點為四輪驅動，四輪獨立懸掛。反射式光電傳感器在小車前方一字形簡單排布，14個發射，7個接收，一個發射帶兩個接收，傳感器的前瞻可以達到40cm以上，兩個激光發射頭間距1.8cm.傳感器單元安裝圖如圖1所示。 
圖1 改裝后智能車 系統選用紅外傳感器作為測速傳感器把紅外傳感器安裝在后輪上，在后輪的內壁貼上黑白等距的膠帶，這樣子安裝就充分利用了空間，且完成了測速的要求。紅外傳感器測速安裝圖如圖2所示。車輪轉動時，紅外傳感器將會輸出脈沖電平，檢測脈沖頻率將得到小車速度。這種測速方法無法達到光電解碼器的精度，但是對于小車的速度處理并沒有太大影響，而光電解碼器價格昂貴，安裝在齒輪上，同等電源和PWM的輸出時，小車速度會變慢。
圖2 紅外傳感器測速的安裝 2 硬件設計 電源管理模塊采用7.2 V 2 000 mAh Ni-Cd蓄電池作為系統能源，并且通過降壓穩壓電路分出6 V，5 V分別給舵機和單片機等供電；使用H橋及其相關器件做了直流電機驅動模塊；轉向伺服舵機控制智能車轉向；用紅外傳感器測量模塊實時測量智能車車速；采用激光傳感器作為賽道的檢測；系統充分使用了M9S8AC16CG單片機的外圍模塊，具體使用到的模塊包括：定時器模塊、PWM脈沖寬度調制模塊、中斷模塊、I/O端口和實時時鐘模塊等。 2.1 最小系統及主板 系統采用的常規使用的最小系統板，以MC9S08AC16為核心的單片機系統的最小系統主要包括以下幾個部分：時鐘電路（外接的8 MHz的石英晶振）、電源電路（提供5 V直流電源）、復位電路、BDM接口（通過BDM頭向單片機下載和調試程序）。 主板上有組成本系統的主要電路，具體包括： 電源穩壓電路 7.2 V的電池電源將會通過3個集成穩壓電路處理成兩個5 V、一個約5~7.2 V的可調直流輸出，其中一個5 V直流電源供單片機和相關外設工作，另外一個5V直流單獨供激光傳感器工作，可調直流輸出供舵機工作，采用這種電源設計方式，可以提供所需不同大小的電源，同時在舵機、激光傳感器工作時不會影響單片機的工作電源. 接口電路 包括舵機接口、電機驅動接口、電源接口、調試用人機界面電路接口、單片機最小系統插座。 電機驅動板作為一個獨立的單元制作的直流電機“H”型雙極性驅動電路。 2.2 傳感器模塊 采用14個發射，7個接收，兩個發射一個接收為一組一字排開。每次選中不相鄰兩個發射管發射，由兩個接收譬分別接受。AC16單片機的IO端口進行控制，由74LD164驅動選擇要發射的傳感器，由一個555芯片發出100 kHz的頻率震蕩波，激光管發光。接受部分有一個相匹配的100 kHz的接收管接收返回的光，7路接收管的接收信號直接進單片機。傳感器原理如圖3所示。
圖3 激光傳感器原理圖 3 軟件設計 3.1 軟件設計概要 系統的主函數將執行圖4所示流程圖對應的程序。調試程序可以完成的功能有：檢驗傳感器故障、調試速度控制參數、舵機中點設置、舵機轉角參數控制等。傳感器數據的讀取特指激光傳感器的讀取，在定時器程序中，每5 ms開始新的一輪激光掃描，每125μs更換1組激光發射管，每組發射兩個不相鄰的激光信號，所有激光發射5遍之后，3次以上檢測到賽道軌跡信號才確認有效，此時才會設置傳感器數據讀取完成標志，所以系統每5 ms進入后續程序執行。小車舵機轉向控制、速度控制稍后詳細論述。對于小車馬達速度控制則為閉環控制，采用bang-bang控制與P算法控制相結合，小車的速度讀取采用了輸入捕捉功能完成，車子運動時，車輪轉動，每轉過1/5圈，紅外傳感器就會輸出一個完整的脈沖周期，通過讀取紅外傳感器的輸出脈沖頻率確定小車的速度。
圖4 軟件設計流程圖 3.2 小車行駛狀態確定該系統采用的賽道為寬為50 cm，中心線為25 mm的賽道，傳感器在黑色上讀取為1，在白色上讀取為0，賽道外地板使用傳感器有可能讀1，也有可能讀0.激光傳感器終采用“一”字型排布方式，相鄰的兩個傳感器的距離為20 mm.賽道如圖5所示。
圖5 賽道示意 傳感器在賽道上可能的狀態可分為：在普通的賽道處、在十字交叉線處，還有跑出賽道。系統定義了變量Car_State來代表小車當前的狀態，可能會出現的情況如下： 1）當小車在賽道上時，將會有1到2個傳感器輸出高電平，如果有兩個傳感器同時打到黑點，而兩個傳感器并不是相鄰的則認為是干擾信號，不作特別處理，其他按照如圖6的傳感器排布方法計算坐標從左向右依次為-13到13，此時Car_State計為傳感器打到的坐標； 2）打到10個以上黑點計為交叉線，Car_State計為20; 3）沒有打到黑點則認為小車即將跑出賽道，Car_State計為30; 4）另外還有一種情況傳感器已經打到了賽道之外，而打到賽道外的傳感器可能輸出高電平，也有可能輸出低電平，此時有可能讀出的情況可能會判定為第一種，如圖5示意，此時小車本應繼續左拐，但是判讀位第一種情況，就可能右拐，這種情況的判定就不能僅僅依靠讀傳感器來判定，還應考慮小車前面行進的趨勢加以判別。因為此種情況一般只出現在小車轉大彎時，由于轉角不夠當小車的傳感器會打到相反方向的賽道外，所以左轉或者右轉的角度超過某一特定值時（如60°），應當屏蔽另一側的傳感器，只讀轉向該側的傳感器，如圖5小車現轉左側大彎，右側傳感器檢測到錯誤黑點，此時只要將右側的7個傳感器屏蔽，只讀左側傳感器數值即可，此種情況Car_State計為40。
圖6 傳感器排布 3.3 舵機控制 小車在賽道上：Car_State為-13到13間的整數，由于光電管數量少，造成傳感器返回值離散度過大，不適合進行回控，故應加快采樣速率，進行過采樣，再進行一階迭代濾波： PVal=（（Car_State×1 000）+（Pvalx10））/11; 小車行使5 ms后位置的偏差進行迭代濾波： Err=（（PVal-PVal1）+（Errx10））/11;//兩次位置偏差 P_Offset=Err/P_err; //負值左偏 正值右偏 if（P_Offset<-5）P_Offset=-5; //左偏最大偏離為-5個單位 if（P_Offset>5）P_Offset=5; //右偏最大偏離為5個單位 將Err進行采樣劃分得到P_Offset變量，P_Offset取值為-5到5的整數，負數表示向左偏，正數表示向右偏，絕對值越大代表偏轉角度越大；采樣分辨率為可調參數P_err，P_err偏大時，小車反應會較為遲鈍，P_err偏小時，小車反應會較為靈敏，容易出現很小偏差就會引起小車較大的轉向。 按照小車當前的位置以及P_Offset組織數據表Angle_Table［］，該表共有27行11列，第n行m列元素j，表示小車位置Car_State為n-13偏差P_Offset為m-5時，j的值在-10到10之間，負值代表向左轉，正值代表向右轉，小車舵機應打的角度為jxAngle_C，可調參數Angle_C可以根據賽道狀況舵機反應靈敏度等調節，其調節在調試程序中完成，其值愈大，同等情況下轉角越大。 舵機的控制就是通過查數據表Angle_Table來實現，而不是通過公式求解，這種方法比較適用于8位單片機，通過檢索表可以達到運算所達不到的系統速度。 小車在交叉線時Car_State=20不更改舵機的控制；當小車的傳感器打不到黑點，即將跑出賽道活著已經打到賽道外時Car_State=30或40，此時按照小車轉的方向，將舵機設置為最大轉角，以達到盡快找到賽道黑線的目的。 舵機的輸出PWM采用5 ms周期，與小車傳感器采樣的頻率一致。 4 試驗結果及總結 通過上述方法，小車取得了比較好的試驗結果，在最小曲率半徑不小于50 cm的賽道上，小車可以取得每秒2 m以上的速度。其速度比采用16位單片機的系統沒有很大差異。要特別注意的是，運算時采用不同數據類型的變量將會帶來不同的效果，經實驗證明，如果可以使用字節存儲類型的變量作雙字節變量存儲，將會嚴重影響小車的運行情況，這是由單片機編譯環境進行數學運算引起的，應當盡量避免不恰當的變量定義及算數運算。 相較于當前流行的16位單片機控制的雙舵機智能車，該系統在硬件上成本較低，而軟件也根據8位單片機的特點，避開了較為復雜的運算，采用了查表的方式，只在小車位置及偏差運算以及速度P算法中涉及了少量的數學運算，以此達到系統的快速響應。 來源：電子工程網 |
