1.前言

本文以飛思卡爾的小車模型為對象，設(shè)計了以飛思卡爾單片機MC9S12XS128為核心，自主循跡的兩輪車自平衡控制系統(tǒng)。

實驗證明該方案在攝像頭導(dǎo)航的兩輪車系統(tǒng)中具有準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定的自主尋跡效果。

2.系統(tǒng)設(shè)計與原理

本系統(tǒng)以飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC9S12XS128單片機為控制核心，主要由電源管理模塊、路徑檢測模塊、車速檢測塊、加速度檢測模塊、角速度檢測模塊、直流電機驅(qū)動模塊、液晶顯示模塊、串口調(diào)試等功能模塊構(gòu)成。在電源管理模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源的基礎(chǔ)上，單片機把加速度和角速度檢測模塊獲得的小車姿態(tài)信息、路徑信息檢測模塊獲得的小車前進方向信息、車速檢測模塊返回的車速信息通過PID算法控制直流電機驅(qū)動模塊，以使得小車在保持直立的前提下快速地行駛。

液晶顯示模塊可以實時地顯示系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，串口調(diào)試模塊把接收到單片機的數(shù)據(jù)送往上位機，方便相關(guān)參數(shù)及波形的實時觀察和調(diào)試。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 主控制器模塊

本系統(tǒng)的主控制器是飛思卡爾公司生產(chǎn)的16位MC9S12XS128單片機，它負責(zé)對智能車所采集到的信號進行處理并向各個功能模塊發(fā)送控制信號。MC9S12XS128單片機最高總線頻率可達40MHz,片內(nèi)資源包括8KRAM、8K EEPROM和128K Flash,擁有4路8位或2路16位脈寬調(diào)制模塊(PWM)、2個8路10位A/D轉(zhuǎn)換器和帶有16位計數(shù)器的8通道定時器、UART、PIT、I2C、FTM等外部接口模塊。

3.2 電源管理模塊

可靠的電源是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提。

本系統(tǒng)采用額定電壓7 . 2 V 、額定容量2000mAh的鎳鎘電池作為動力 源。為減小電源紋波，獲得更穩(wěn)定的供電電壓，本系統(tǒng)選用串聯(lián)線性穩(wěn)壓芯片LM2940搭建5V穩(wěn)壓電路，并分別向主控制器模塊、路徑信息檢測模塊、車速檢測模塊、加速度檢測模塊、角速度檢測模塊、液晶顯示模塊和串?？谡{(diào)試模塊供電，再經(jīng)過AMS1117穩(wěn)壓到3.3V,向無線傳輸模塊供電。直流電機驅(qū)動模塊則直接由電池供電。系統(tǒng)電源管理模塊框圖如圖2示。

3.3 路徑信息檢測模塊

由C O M S攝像頭和硬件二值化電路組成的路徑信息檢測模塊通過檢測跑道兩邊2.5cm寬的黑線來擬合賽道中心以實現(xiàn)路徑信息檢測。COMS攝像頭是按固定分辨率以隔行掃描的方式采集圖像上的點，并將這些點的灰度值通過圖像傳感芯片轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，然后采用二值化電路把此信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過單片機I/O口采集獲得賽道信息。硬件二值化檢測電路如圖3所示。

硬件二值化電路的工作原理是通過圖像傳感芯片獲得的模擬信號經(jīng)R1、R2限流后輸出到三極管Q1,使三極管Q1始終處于不飽和放大狀態(tài)。R3上的電流大小隨此模擬信號的變化而成反比變化，從R3采樣出來的電壓信號即為通過圖像傳感芯片獲得模擬信號的鏡像信號，最后通過比較器輸出表征賽道信息的數(shù)字信號。

3.4 車速及運動方向檢測模塊

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，在車模運行過程中需要實時監(jiān)控其速度。本系統(tǒng)在左右電機上各安裝一個500線兩相光電編碼器。在固定周期內(nèi)，利用單片機內(nèi)部計數(shù)器測量由編碼器返回的脈沖信號個數(shù)以獲得車模的運動速度大小;由于編碼器A、B兩相相位差為90°，可通過比較A、B兩相信號先后順序來判斷電機的正反轉(zhuǎn)，便可知道小車的運動方向。

3.5 加速度檢測模塊

加速度計可以測量由地球引力作用或者物體運動所產(chǎn)生的加速度。本系統(tǒng)選用MMA7260作為加速度檢測器件，MMA7260是一款低成本單芯片三軸高靈敏度加速度傳感器，可以同時輸出三個方向上的加速度模擬信號，具有功耗低、工作范圍寬等特點，并且具有4種不同的高靈敏度選擇模式以適應(yīng)不同的加速度的測量要求。

通過軟件設(shè)置讓加速度傳感器采用800mV/g的工作模式，使MMA7260各軸信號輸出靈敏度為800mv/g,這時信號不需要進行放大，可以直接送到單片機進行A/D轉(zhuǎn)換。同時由于MMA7260采用了開關(guān)電容濾波器，會有時鐘噪聲產(chǎn)生，所以需要在傳感器輸出端采用RC濾波電路，以改善信號的質(zhì)量。加速度傳感器在受外界振動時易帶來測量誤差，并且測量誤差的大小和傳感器在車模上安裝的高度成正比。為減小由于安裝高度帶來的測量誤差，加速度傳感器在小車上應(yīng)盡可能安裝得低一些，但是依然不能徹底消除由于小車振動帶來的誤差，因此需要角速度傳感器的輔助來獲得車模直立平衡控制所需要的傾角信息。

3.6 角速度檢測模塊

本系統(tǒng)選用陀螺儀ENC-03來測量物體在旋轉(zhuǎn)時的角速度。陀螺儀的輸出信號是相對靈敏軸的角速度，通過角速率對時間積分可得到圍繞靈敏軸旋轉(zhuǎn)過的角度值，即小車的傾斜角度。因為陀螺儀易受溫度和震動等因素的影響而產(chǎn)生微小的漂移和偏差，經(jīng)積分后形成累計誤差，最終導(dǎo)致電路飽和，無法得到準(zhǔn)確的角度信號。因此，本系統(tǒng)采用互補濾波算法把加速度傳感器獲得的角度信號與陀螺儀輸出經(jīng)積分后的角度進行融合，最后得到較準(zhǔn)確的車模傾角信息。

3.7 直流電機驅(qū)動模塊

車速控制單元采用脈寬調(diào)制技術(shù)( P W M )，加上P I D算法實現(xiàn)閉環(huán)控制。系統(tǒng)利用單片機輸出PWM信號通過隔離芯片LM244來控制直流電機驅(qū)動芯片BTS7960,通過改變PWM波的占空比調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，加上PID算法對電機轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)控制。直流電機驅(qū)動芯片BTS7960是大電流、半橋、低通態(tài)電阻的集成芯片，它帶有一個P溝道的高邊MOSFET、一個N溝道的低邊MOSFET和一個驅(qū)動IC.P溝道高邊開關(guān)省去了電荷泵的需求從而減小了EMI.集成驅(qū)動IC具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時間產(chǎn)生和欠壓、過壓、過溫、過電流及短路保護的功能。采用BTS7960搭建的電機驅(qū)動電路如圖4所示。[!--empirenews.page--]

3.8 串口調(diào)試模塊

調(diào)試模塊用于建立良好的人機交互界面，便于對系統(tǒng)相關(guān)波形及參數(shù)的觀察和調(diào)試。本系統(tǒng)的調(diào)試模塊采用RS-232串口通信，其最遠傳輸距離可達到50英尺，最高傳輸速率是20Kbps.能做到雙向傳輸，全雙工通信。因為RS-232上傳輸?shù)臄?shù)字量采用負邏輯，只與地對稱，所以與單片機連接時需要加入電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232.

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件使用C語言編寫而成，采用模塊化設(shè)計思想，以主程序為核心，設(shè)計了單片機初始化模塊、平衡控制模塊、速度控制模塊、轉(zhuǎn)向模塊、串口發(fā)送模塊、液晶顯示等模塊。

4.1 系統(tǒng)主函數(shù)

系統(tǒng)進入工作狀態(tài)時主函數(shù)首先進行系統(tǒng)初始化、發(fā)送系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)到上位機、液晶顯示、讀取小車傾角參數(shù)等功能。初始化工作結(jié)束后便等待各個中斷函數(shù)的執(zhí)行。主程序流程圖如圖5所示。

4.2 中斷函數(shù)

系統(tǒng)中斷函數(shù)利用主函數(shù)設(shè)置和通過傳感器檢測到的各項參數(shù)來控制小車的平衡、速度和轉(zhuǎn)向。程序進入總中斷后，首先通過加速度傳感器和陀螺儀檢測小車的傾角信息，以控制小車的平衡;在保證小車平衡的前提下給定小車前進速度，然后 通過路徑信息檢測模塊獲得小車轉(zhuǎn)向所需要的信息。這樣一來，在固定周期內(nèi)循環(huán)控制小車的平衡、速度和轉(zhuǎn)向，最終使得小車穩(wěn)定并且快速地在跑道上行駛。中斷函數(shù)流程圖如圖6所示。

4.3 互補濾波算法

陀螺儀的動態(tài)響應(yīng)較好，可以檢測瞬態(tài)角度變化，但由于其本身存在累計漂移誤差，不適合長時間單獨工作;加速度計的靜態(tài)性能較好，能夠準(zhǔn)確地檢測靜態(tài)角度，但受動態(tài)加速度影響較大，不適合測量動態(tài)變化角度。因此本文采用互補濾波算法將陀螺儀和加速度計測量到的角度信息進行融合，得到準(zhǔn)確的車模傾角信息。

互補濾波算法公式為：

上式中θ_new是第n次濾波后的角度值，θ_old是第n次濾波前的角度值，α_gyro是陀螺儀濾波權(quán)重系數(shù)，在本系統(tǒng)中取值為0.97,β_acc是加速度計濾波權(quán)重系數(shù)，在本系統(tǒng)中取值為0.03,ω_gyro是第n次陀螺儀采樣測量的角速度值，θ_acc時第n次加速度計采樣測量的角度值。其中陀螺儀濾波權(quán)重系數(shù)和加速度計濾波權(quán)重系數(shù)純在如下關(guān)系：

4.4 小車平衡控制算法

本系統(tǒng)在小車平衡控制上采用了PD算法，小車平衡控制算法公式為：

上式中ν_temp是控制小車平衡的電機控制變量，θ_new是當(dāng)前小車傾斜角度，ν_gyro是當(dāng)前小車的角速度。通過上位機觀察在不同P、D參數(shù)情況下的響應(yīng)曲線來確定具體的P、D參數(shù)。具體調(diào)節(jié)方法是首先改變P參數(shù)，得到一個超調(diào)量最小的響應(yīng)曲線;然后改變D參數(shù)，使得響應(yīng)曲線的反應(yīng)速度快并且超調(diào)量小。

4.5 電機速度及轉(zhuǎn)向控制算法

由于本系統(tǒng)采用了兩個獨立的直流電機，并且在每個電機的齒輪上組裝了一只雙相編碼器作為速度反饋器件。因此兩個電機在控制上均是獨立的，這樣便可實現(xiàn)小車的前進、后退及轉(zhuǎn)向。在轉(zhuǎn)向控制上，是通過控制左右電機差速的方法來實現(xiàn)。利用攝像頭采集賽道邊線位置信息，并通過賽道邊線位置信息來擬合賽道中心線的位置信息。由于賽道寬度是已知并且固定的，所以當(dāng)攝像頭采集到左右兩邊賽道邊線時，采用中值法獲取賽道中心線;當(dāng)攝像頭只能采集到左右一邊賽道邊線時，給當(dāng)前賽道信息補上賽道寬度一半的量來獲取賽道中心線。最后通過計算，獲得小車所需的轉(zhuǎn)向比例。本系統(tǒng)在電機控制上采用了PI算法，左右電機控制算法公式為：

上式中Speed_New_Left是左電機速度，Speed_New_Right是右電機速度。K是小車轉(zhuǎn)向比例，即當(dāng)小車在直道上時K=0,當(dāng)小車需要左轉(zhuǎn)時K<0,當(dāng)小車需要右轉(zhuǎn)時K>0,K的取值由小車偏離賽道中心線的程度決定。Speed_Dev是上一次期望速度與實際速度的偏差。Speed_Dev_Add是速度偏差的累積。其中P、I參數(shù)的確定方法是首先調(diào)節(jié)P參數(shù)，通過上位機觀察響應(yīng)曲線，直至得到反應(yīng)快且超調(diào)量最小的響應(yīng)曲線;然后調(diào)節(jié)I參數(shù)，以獲得滿意的響應(yīng)曲線。

5.結(jié)語

本文介紹了一種自主循跡兩輪智能車的設(shè)計與實現(xiàn)。在動態(tài)數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，主要研究了對由加速度傳感器和陀螺儀采集的角度信號進行融合的互補濾波算法，在路徑識別上對由攝像頭采集路徑信息的二值化處理方法。經(jīng)過實驗驗證，該系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、循跡準(zhǔn)確和運行速度快的特點。本系統(tǒng)方案也能擴展到類似的機器人系統(tǒng)中，應(yīng)用前景廣闊。