基于路径识别的智能车系统设计

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        介绍了一种基于光电管路径识别的智能车系统。该智能车使用光电管作为路径识别装置,依靠舵机辅助智能车转向,使用直流电机驱动智能车前进。系统采用符合PI控制算法的控制器进行调速,并通过加长舵机转臂提高舵机响应速度,从而解决了系统的滞后问题。

  随着控制技术及计算机技术的发展,智能车系统将在未来工业生产和日常生活中扮演重要的角色。本文所述智能车寻迹系统采用红外反射式光电管识别路径上的黑线,并以最短的时间完成寻迹。通过加长转臂的舵机驱动前轮转向,使用符合PI算法的控制器实现直流电机的调速。为了使智能车快速、平稳地行驶,系统必须把路径识别、相应的转向伺服电机控制以及直流驱动电机控制准确地结合在一起。

  1硬件设计

  本系统硬件部分以飞思卡尔公司的16位微处理器MC9S12DG128为控制核心,由电源模块、主控制器模块、路径识别模块、车速检测模块、舵机控制模块和直流驱动电机控制模块组成。系统硬件结构如图1所示。

 

  1.1主控制器模块

  本系统主控制器模块采用的MC9S12DG128主要特点是功能高度集中,易于扩展且支持C语言程序设计,从而降低了系统开发和调试的复杂度。

  1.2电源模块

  本系统由7.2V/2000mAh的Ni-cd蓄电池组直接供电。鉴于单片机系统的核心作用,主控制器模块采用单独的稳压电路进行供电;为提高舵机响应速度,将电源正极串接一个二极管后直接加在舵机上;电机驱动芯片MC33886直接由电源供电。通过外围电路整定,电源被分配给各个模块。电源调节分配图如图2所示。

 

  1.3路径识别模块

  路径识别模块采用收发一体的红外反射式光电管JY043作为路径的基本检测元件。本系统选用11个JY043按“一”字形排列在20cm长的电路板上,相邻两个光电管之间间隔2cm。因为路径轨迹由黑线指示,落在黑线区域内的光电二极管接收到的反射光线强度与白色的不同[2],所以根据检测到黑线的光电管的位置可以判断行车方向。光电传感器寻迹的优点是电路简单、信号处理速度快。在不受外部因素影响的前提下,光电管能够感知的前方距离越远,行驶效率越高,即智能车的预瞄性能越强[3]。图3为其硬件原理图。

 

  1.4车速检测模块

  车速检测模块采用韩国Autonics公司的E30S-360-3-2型旋转编码器作为车速检测器件。该旋转编码器硬件电路简单、信号采集速度快,360线的精度足以满足PI控制算法调节的需要。旋转编码器与直流驱动电机通过齿数为1:1的两齿轮连接在一起,所以智能车车轮转动一圈即可以用360个脉冲表示。因此一定时间内单片机累加器获得的脉冲数值可以用来表示车速,并可直接作为控制器参数。图4为车速检测模块硬件电路图。

 

  1.5舵机控制模块

  本系统使用SANWASRM102型舵机完成智能车转向。舵机属于位置伺服电机,控制信号是MC9S12DG128单片机产生的PWM信号。舵机自身硬件特性决定:在给定电压一定时,空载和带载时的角速度分别保持恒值,而线速度,正比于转臂的长度R。当舵机所需转动幅度一定时,长转臂要比短转臂转动的角度小,即响应更快。如图5所示,对于转臂1和2,当R1。因此对于相同的角速度,可得转臂响应时间t1>t2。显然利用舵机的转距余量可以提高系统整体的响应速度[4]。

 

  智能车在行驶过程中,舵机的响应时间决定着系统的稳定性及快速性。为了减小舵机的时滞现象,充分利用舵机的转矩余量,本系统采用了以下三种方法:

(1)提高舵机工作电压,使其工作在额定电压之上,从而减小舵机的响应时间;
(2)将舵机转臂加长至3.5cm,充分利用转矩余量;
(3)将两个8位PWM寄存器合并为一个16位PWM寄存器,将舵机的PWM控制周期放大至2000,从而细化PWM控制量,使转臂变化更加灵活、均匀。

  1.6直流驱动电机控制模块

  本系统中,直流驱动电机控制模块由RS-380SH型直流电机、功率驱动芯片ULN2003、电机驱动芯片MC33886及MC9S12DG128微处理器组成。

  功率驱动芯片ULN2003为单片高电流增益双极型大功率高速集成电路,本系统采用了其中两组用于增强单片机输出的PWM信号的驱动能力。

  图6为直流驱动电机硬件控制电路图。其中,电机驱动芯片MC33886是单片集成的H桥元件,它适用于驱动小马力直流电机,并且有单桥和双桥两种控制方式。D1、D2为使能端,IN1、IN2为PWM信号控制输入端,OUT1、OUT2为输出端。由于智能车从直道高速进弯时需通过紧急降速来保证系统的稳定,所以电机正转时必须能够产生反向制动力矩。因此本系统选择了MC33886的全桥工作方式。

 

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