摘要：尋跡小車可以看作是縮小化的智能汽車，對智能汽車的研究有一定的借鑒意義。采用飛思卡爾公司的MC9S12DG128B作為核心控制芯片，設(shè)計了通過紅外光電傳感器檢測路徑信息的智能尋跡小車。該系統(tǒng)由處理器模塊、路徑識別模塊、電機驅(qū)動模塊、舵機驅(qū)動模塊、車速檢測模塊、液晶顯示模塊與電源模塊等組成。實際應(yīng)用表明，該小車可以在專門設(shè)計的跑道上快速平穩(wěn)地實現(xiàn)尋跡功能。
關(guān)鍵詞：紅外光電；智能；尋跡；飛思卡爾；MC9S12DG128B

    智能汽車又稱為輪式機器人，目前多用在科學探索、工業(yè)生產(chǎn)等場合，它是集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能于一體的智能化交通工具，是車輛工程、傳感技術(shù)、人工智能、自動控制與通信導航等多個學科領(lǐng)域理論技術(shù)的交叉與綜合，是未來汽車發(fā)展的方向。尋跡小車可以看做是縮小化的智能汽車，它的基本功能是自動識別白色場地中的任意黑色帶狀引導線并快速平穩(wěn)地跟蹤行駛。目前尋跡小車多使用CCD圖像傳感器路徑識別方案，其優(yōu)點是控制精細，前瞻距離遠，缺點是成本較高且處理算法復雜。而紅外反射式光電傳感器具有控制簡單、數(shù)據(jù)處理方便、成本低、安裝靈活方便且不易受可見光的干擾等特點，且完全可以滿足系統(tǒng)需求。本文所述的智能尋跡小車設(shè)計思路是由安裝在智能車前端的紅外光電傳感器檢測黑色引導線信息，并將檢測到的路徑信息送往智能小車的控制器，控制器智能分析外部環(huán)境，判斷車身與引導線的相對位置，如有偏離則根據(jù)算法控制轉(zhuǎn)向舵機進行方向調(diào)整，且處理器通過速度檢測模塊實時獲取小車車速信息并給予驅(qū)動電機反饋信號使小車可以快速平穩(wěn)地跟蹤引導線行駛。本文主要從硬件電路方面對智能小車的設(shè)計方案進行分析，并簡單介紹下部分模塊的控制框圖及軟件流程圖。

1 系統(tǒng)設(shè)計
    智能車系統(tǒng)以單片機作為處理核心，整個系統(tǒng)由路徑識別模塊、電機驅(qū)動模塊、舵機驅(qū)動模塊、車速檢測模塊、液晶顯示模塊與電源模塊組成，如圖1所示。

    其中，路徑識別模塊用來獲取前方路況信息，以供單片機進行處理分析；電機驅(qū)動模塊是智能車的動力來源；舵機驅(qū)動模塊負責智能車的轉(zhuǎn)向控制；車速檢測模塊與液晶顯示模塊分別用來檢測與顯示當前車速；電源模塊負責給系統(tǒng)各個模塊提供所需要的電壓。

2 模塊設(shè)計
2．1 控制器模塊
    系統(tǒng)采用飛思卡爾公司的MC9S12DG128B作為智能小車系統(tǒng)的微處理器，MC9S12DG128B單片機使用16位HCS12內(nèi)核，擁有豐富的片內(nèi)資源，具有128 KB Flash、8 KB RAM、2 KB EEPROM，核心運算頻率50 MHz，總線頻率可達32 MHz。MC9S12DG128B有16路A／D轉(zhuǎn)換，精度最高可設(shè)置為10位；有8路8位PWM并可兩兩級聯(lián)為16位精度PWM，特別適合用于控制多電機系統(tǒng)，它還具有豐富的I／O接口，支持斷點功能和背景調(diào)試模式，完全能夠滿足本設(shè)計的需要。
2．2 路徑識別模塊
    單片機通過路徑識別模塊對路徑信息進行采集，以實現(xiàn)小車尋跡的功能。系統(tǒng)選用RPR220型紅外反射式光電傳感器設(shè)計了路徑識別模塊。RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，接收器是一個高靈敏度硅平面光電三極管。紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光在遇到反光性較強的物體(表面為白色或近白色)后被折回，并被光電三極管接收到，引起光電三極管光生電流的增大，將這個變化轉(zhuǎn)為電壓信號，就可以被處理器接收并處理，進而實現(xiàn)反光性差別較大的兩種顏色(如黑自兩色)的識別。
    光電傳感器檢測電路原理圖如圖2所示，當發(fā)光二極管發(fā)出的光被反射回來被接收管接收時，三極管導通，此時構(gòu)成電壓比較器的LM324的同相輸入端電壓約為0，LM324的反相輸入端電壓取決于可調(diào)電阻R3的有效阻值，當同相輸入端的電壓低于反相輸入端的電壓時，LM324輸出高電平，即Out為1，反之當發(fā)光二極管發(fā)出的光沒被反射回來時，LM324輸出低電平，即Out為0。電壓比較器的靈敏度可以通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R3來實現(xiàn)。

    智能車采用8對RPR220型紅外光電傳感器作為路徑識別元件，將其等間距安裝在智能車前部的傳感器板上，間距約為25 mm。在一定的對地垂直高度下，由于白色賽道和黑色引導線對于紅外線的反射強度不同，不同位置處紅外接收管接收到的紅外光強會存在較大差異。因此通過單片機讀取LM324的輸出電平就能檢測出黑線位置，從而判斷行車方向。
2．3 電機驅(qū)動模塊
    系統(tǒng)選用工作電壓為直流7．2 V的RS-380直流電機提供動力，電機驅(qū)動模塊是控制小車驅(qū)動電機加速運行與減速制動的核心，因此驅(qū)動芯片的選擇十分重要。系統(tǒng)選擇了飛思卡爾公司的MC33886集成H橋驅(qū)動芯片。作為一個單片電路H橋，MC33886是理想的功率分流直流電機和雙向推力電磁鐵控制器。它工作電壓從5～40 V，能夠控制連續(xù)感應(yīng)直流負載上升到5．0 A，PWM信號頻率可達10 kHz；內(nèi)部集成短路保護、欠壓保護、過溫保護等模塊，安全性高；兩路獨立輸入控制兩個半橋的推拉輸出電路的輸出，兩個無效輸入使H橋產(chǎn)生三態(tài)輸出。
    MC33886驅(qū)動電路原理圖如圖3所示，將單片機的兩路PWM輸出接到MC33886芯片的IN1、IN2腳，通過改變兩路PWM波的占空比控制電機兩端電壓，調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速的快慢，從而實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。

    驅(qū)動電機控制框圖如圖4所示。為了提高智能車運行的穩(wěn)定性，采用PID算法實現(xiàn)直流電機的轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)，PID控制器的輸入量為目標車速與實際車速的差值。

2．4 舵機驅(qū)動模塊
    智能車的運行方向并不是一直不變的，它應(yīng)跟隨引導線方向的變化而變化，智能車采用前軸轉(zhuǎn)向方式，即將舵機輸出盤固定在賽車前軸的中點上，利用舵機轉(zhuǎn)動帶動智能車轉(zhuǎn)向，因此轉(zhuǎn)向舵機的控制在智能車控制系統(tǒng)中十分重要。
    系統(tǒng)采用的是日本雙葉公司生產(chǎn)的Futaba S3010模擬電路控制舵機，該舵機的輸入電壓為4．8～6 V，舵機的控制信號是PWM信號，PWM控制信號的周期為10 ms，其高電平的寬度決定舵機輸出舵盤的角度。如果只使用單個8位PWM通道，精度為1／255，舵機的轉(zhuǎn)向角細分精度不能滿足轉(zhuǎn)向需要。而將兩個8位的PWM通道合并為一個16位的PWM通道，舵機的轉(zhuǎn)向精度就可達到1／655 36，控制精度得到大幅提高。舵機模塊的硬件電路比較簡單，由MC9S12DG128B的PWM0、PWM1兩路8位PWM通道組成一路16位的PWM通道接在舵機控制線上，即能使舵機在±45°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。
    在小車運行過程中需不斷調(diào)整轉(zhuǎn)向舵機，在程序編寫中，每10 ms對舵機進行一次控制，設(shè)置一個舵機控制標志位，在定時中斷程序中置位(每10 ms置位1次)，在舵機控制程序中清零。舵機控制流程圖如圖5所示。

2．5 車速檢測模塊
    為了使智能車能夠快速平穩(wěn)地跟蹤引導線運行，除了要控制前輪轉(zhuǎn)向舵機外，還需要控制車速，以便調(diào)整智能車在直道和彎道上的行駛速度。微控制器通過車速檢測模塊獲取智能車的實時速度并給予電機驅(qū)動模塊反饋信號，以實現(xiàn)對智能車車速度的閉環(huán)控制。
    系統(tǒng)采用霍爾傳感器進行車速檢測，霍爾車速傳感器由8級磁鋼、UGN-3030T型霍爾開關(guān)傳感器、LM2917及放大電路組成。將自制的沿圓周均勻嵌入8粒磁鋼片的圓盤，固定在智能車后輪軸上，智能車運行時，車輪每轉(zhuǎn)動一周，由于磁場變化使得霍爾傳感器產(chǎn)生8個脈沖信號，經(jīng)放大電路處理輸出到頻率／電壓轉(zhuǎn)換器LM2917，由MC9S12DG128B的A／D轉(zhuǎn)換器根據(jù)LM2917輸出電壓即可計算出當前智能車車速。
2．6 液晶顯示模塊
    液晶顯示模塊用來實時顯示當前車速。系統(tǒng)選用字符型液晶顯示屏1602來顯示數(shù)據(jù)，1602和單片機的接口十分簡單，SD0～SD7為數(shù)據(jù)端，EN為使能端，RW為讀／寫選擇端，RS為數(shù)據(jù)／命令選擇端。
2．7 電源模塊
    電源模塊為智能車系統(tǒng)的其他電路模塊提供穩(wěn)定的直流電源，它的好壞關(guān)系到整個系統(tǒng)是否能夠正常工作，因此電源模塊的設(shè)計十分重要。系統(tǒng)采用7．2 V 2 000 mAh Ni-Cd電池進行供電，但由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓不同，因此電源模塊應(yīng)該包含多個穩(wěn)壓電路，將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個模塊所需要的電壓。
    MC9S12DG128B的工作電壓為5 V，光電傳感器的工作電壓為5 V，直流電機的工作電壓為7．2 V，舵機的工作電壓為6 V，速度檢測模塊的工作電壓為5 V，液晶顯示模塊的工作電壓為5 V。故需將7．2 V電壓轉(zhuǎn)換成6 V和5 V。
    系統(tǒng)選用LM2941穩(wěn)壓芯片將電壓轉(zhuǎn)換成6 V給舵機供電，選用低壓差線性穩(wěn)定器LM2940將電壓轉(zhuǎn)換成5 V給MC9S12DG128B單片機、光電傳感器、速度檢測模塊、液晶檢測模塊供電，直流電機直接由電池供電，電源模塊結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

3 結(jié)語
    本文對基于紅外光電傳感器的智能尋跡小車系統(tǒng)進行了分析與設(shè)計。著重介紹了智能車的控制器模塊、路徑識別模塊、電機驅(qū)動模塊、舵機驅(qū)動模塊、車速檢測模塊、液晶顯示模塊以及電源管理模塊等七部分的硬件電路設(shè)計，并給出了部分模塊的控制框圖及軟件流程圖。實際結(jié)果表明，該小車可以快速平穩(wěn)地實現(xiàn)尋跡功能。