基于路径识别的智能车系统设计
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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
基于路径识别的智能车系统设计
吴斌华, 黄卫华, 程 磊, 杨 明
( 武汉科技大学 信息科学与工程学院, 湖北 武汉 430081)
摘 要: 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。
关键词: 路径识别 智能车 舵机 光电 管
测控技术与仪器仪表 Measurement Control Technology and Instruments
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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 SANWA SRM102 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 v=!·R, 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
转 动 相 同 的 位 移 时 , 转 角 "1>"2。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 。
当 需 要 智 能 车 减 速 时 , PI 控 制 器 计 算 值 为 负 , 令
PWM5 输 出 的 PWM 信 号 占 空 比 为 零 , PWM3 输 出 的
PWM 信 号 占 空 比 与 计 算 值 的 绝 对 值 相 同 , 并 且 计 算 值
越 负 , OUT2 的 电 平 高 出 OUT1 越 多 , 电 机 有 反 转 趋 势 。
反 之 , 当 需 要 智 能 车 加 速 时 , PI 控 制 器 计 算 值 为 正 ,
PWM3 输 出 的 PWM 信 号 占 空 比 为 零 , PWM5 输 出 的
PWM 信 号 占 空 比 与 计 算 值 的 绝 对 值 相 同 , 计 算 值 越 大 ,
OUT1 的 电 平 高 出 OUT2 越 多 , 电 机 有 正 转 趋 势 。
2 软件设计
本系统 的控 制方案 是 根 据 路 径 识 别 模 块 和 车 速 检 测
模块所获得的当前路径和车速信息, 控制舵机和直流驱动
电机动作, 从而调整智能车的行驶方向和速度。图 7 为 系
统 程 序 流 程 图 。
智能模型车的路径搜索算法( Line Searching Algorithm)
是 智 能 车 设 计 中 的 关 键 部 分 。本 系 统 路 径 搜 索 算 法 采 用
简 单 的 switch 语 句 , 根 据 检 测 到 黑 线 的 光 电 管 的 位 置 判
断 舵 机 的 偏 转 角 度 , 同 时 给 出 相 应 的 速 度 控 制 信 号 。 其
程 序 流 程 图 如 图 8 所 示 。
3 实验验证
智 能 车 路 径 识 别 的 关 键 在 于 快 速 地 判 断 弯 道 并 快
速 、准 确 地 响 应 。智 能 车 行 进 过 程 中 , 从 长 直 道 进 入 连 续
弯 道 时 , 由 于 曲 率 变 化 很 小 , 此 时 转 速 的 设 定 值 较 大 , 加
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之 舵 机 响 应 时 间 的 限 制 , 智 能 车 极 易 脱 离 轨 迹 。 采 用 加
长 转 臂 的 舵 机 及 合 理 的 路 径 搜 索 算 法 , 可 以 增 强 智 能 车
对 轨 迹 的 跟 随 性 能 。图 9 所 示 为 智 能 车 寻 迹 连 续 弯 道 试
验 效 果 图 。其 中 , 粗 线 为 所 寻 迹 的 黑 线 , 细 线 为 智 能 车 实
际 运 行 轨 迹 。
本 文 设 计 了 一 个 智 能 车 控 制 系 统 , 实 现 了 快 速 自 动
寻 迹 功 能 。 在 硬 件 上 , 该 系 统 采 用 MC9S12DG128B 单 片
机 为 控 制 核 心 , 协 调 电 源 模 块 、路 径 识 别 模 块 、车 速 检 测
模 块 、 舵 机 控 制 模 块 及 直 流 驱 动 电 机 控 制 模 块 的 工 作 ;
在 控 制 算 法 上 , 采 用 路 径 搜 索 算 法 和
类 PI 控 制 算 法 实 现 对 智 能 车 的 舵 机
转 角 和 电 机 转 速 的 控 制 。 此 外 , 系 统
还 完 成 了 对 加 长 转 臂 舵 机 的 控 制 , 实
现 了 转 向 伺 服 电 机 与 车 速 的 配 合 控
制 。 实 验 结 果 表 明 , 该 智 能 车 系 统 响
应 快 , 动 态 性 能 良 好 , 整 体 控 制 性 能
良 好 。
参 考 文 献
[1] 谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].
武 汉 : 华 中 科 技 大 学 出 版 社 , 2000.
[2] 吴 建 平 , 殷 战 国 . 红 外 反 射 式 传 感 器
再 自 主 式 寻 迹 小车导航中的应用[J]. 中国测试技术,
2004, 30( 6) : 21- 23.
[3] 陈 懂.智 能 小 车 的 多 传 感 器 数 据 融 合[J].现 代 电 子 技 术 ,
2005, (6): 3- 5.
[4] 吴 卫 国 , 蒋 平 , 陈 辉 堂 , 等 .移 动 小 车 轨 迹 跟 踪 的 力 矩 控
制 [J].控 制 与 决 策 , 1999, 14( 2) : 177- 180.
[5] 程 启 明 , 黄 林 .船 舶 操 纵 的 自 整 定 PID 参 数 模 糊 控 制 器
研 究 [J].船 舶 工 程 , 1997, (4): 45- 47.
( 收 稿 日 期 : 2006- 10- 20)
测控技术与仪器仪表 Measurement Control Technology and Instruments
携手 Intel, 研祥 07 新品绚丽登场
2007 年 1 月 30 日 , 研 祥 公 司 携 手 Intel( 中 国 ) 有 限 公 司 , 在 北 京 举 办 “2007 年 研 祥 新 产 品 发 布 暨 媒 体 联 谊
沙 龙 ”活 动 。
自 2005 年 12 月 研 祥 公 司 与 Intel 结 成 战 略 合 作 伙 伴 之 后 , 研 祥 公 司 所 推 出 一 系 列 基 于 Intel 技 术 的 嵌 入 式
智 能 产 品 , 均 以 其 稳 定 的 性 能 和 卓 越 的 性 价 比 在 业 内 深 受 好 评 。
在 本 次 新 产 品 发 布 会 中 , 研 祥 公 司 首 次 公 开 发 布 了 12 款 基 于 Intel 双 核 处 理 技 术 的 最 新 产 品 。其 中 包 括 了
全 不 锈 钢 设 计 、抗 干 扰 和 防 电 磁 辐 射 功 能 卓 越 , 完 全 适 应 高 污 染 环 境 作 业 的 MEC- 9001 小 型 嵌 入 式 工 控 机 。该
产 品 采 用 最 新 Intel 酷 睿!双 核 处 理 技 术 的 研 祥 FSC- 1719VNA 工 业 级 全 长 主 板 , 是 研 祥 面 对 高 性 能 系 统 用 户
推 出 的 一 款 高 端 嵌 入 式 产 品 , 它 主 要 服 务 于 医 疗 设 备 、仪 器 仪 表 、监 控 等 要 求 高 清 晰 显 示 效 果 的 特 殊 行 业 。 此
外 同 期 发 布 的 还 有 多 款 研 祥 嵌 入 式 主 板 和 一 体 化 工 作 站 , 这 些 新 产 品 再 一 次 体 现 了 双 方 在 嵌 入 式 领 域 中 战 略
合 作 的 良 好 态 势 , 同 时 也 将 是 研 祥 面 对 2007 年 中 国 工 控 市 场 的 一 记 重 拳 出 击 。
另外, 在 新产 品发布 的形 式上 , 研祥公 司也 一改往 日严 肃正 统的工 控 产 品 展 示 套 路 , 取 而 代 之 的 是 风 趣 幽 默
的相声、小品和动感的歌舞表演。通过这些新颖活泼的舞台表演形式来诠释研祥新产品的主要技术特点 , 带给现
场观众一种耳目一新的感觉, 这也成为本次新品发布会的一大亮点。
(研 祥 公 司 供 稿)
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行 业 聚 集
Focus on Industry
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