孫弋婷

（杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江杭州，310018）

0 引言

智能小車又稱輪式移動(dòng)機(jī)器人，是近年來發(fā)展起來的新興技術(shù)，能夠按預(yù)設(shè)模式在特定環(huán)境中自動(dòng)移動(dòng)，無需人工干預(yù)，現(xiàn)廣泛用于線路巡檢，科學(xué)勘測、安全監(jiān)測、現(xiàn)代物流等方面。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)正是基于這樣的背景下, 結(jié)合全國大學(xué)生智能汽車競賽與科研應(yīng)用, 以MSP430單片機(jī)為核心控制單元，通過紅外傳感器進(jìn)行信息采集，利用增量式PID 算法控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了小車的自動(dòng)實(shí)現(xiàn)尋跡、車速控制和停車等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

坡道行駛電動(dòng)小車系統(tǒng)架構(gòu)圖1所示，由MSP430F5529單片機(jī)最小系統(tǒng)，電源模塊，紅外模塊，舵機(jī)模塊、直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成。系統(tǒng)采用紅外傳感器檢測路面上所做的黑色標(biāo)記線，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的位置信息判斷當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，輸出PWM波對舵機(jī)進(jìn)行控制，舵機(jī)的左右擺動(dòng)控制車身轉(zhuǎn)向，達(dá)到循跡的目的。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)控速要求還需要將目標(biāo)時(shí)間作為輸入，通過查表法獲得固定時(shí)間目標(biāo)脈沖數(shù)，由PID計(jì)算得精確的PWM波進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，使到小車在設(shè)定時(shí)間內(nèi)完成坡道行駛的任務(wù)。

圖1 坡道行駛電動(dòng)小車系統(tǒng)架構(gòu)

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 系統(tǒng)主控電路

主控模塊選用MSP430F5529芯片，該單片機(jī)是16位精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)的混合信號處理器，具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址），簡潔的內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；有63個(gè)可編程的I/O口線，為用戶提供了豐富的I/O口資源、4個(gè)16位定時(shí)器，8+2^KB字節(jié)RAM，128KB的Flash，12位ADC，支持 UART 通信，最高主頻可達(dá)25MHz。

■2.2 電源電路

給線性 CCD 和紅外模塊以及 OLED 屏幕供以3.3V電壓，采用 TI 公司的一款 LDO—TPS7333，使用 5V 電壓給芯片供電，RESET引腳和輸出引腳要加一個(gè) 250kΩ的上拉電阻，輸出端和地之間放一個(gè)鉭電容和一個(gè) 1Ω電阻使輸出電壓更穩(wěn)定。如圖2所示。

圖2 3.3V 系統(tǒng)電源

舵機(jī)使用 6V 電壓供電，采用 TI 公司的 TPS565201降壓芯片，輸出電壓Vout = 0.760＊(1+R7/R8)，取R7=6.9k，R9=1k，輸出電壓為 6V。如圖3所示。

圖3 小車系統(tǒng)舵機(jī)電源

■2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

采用直流減速電機(jī)。通過控制電流改變小車行駛速度，其內(nèi)部集成減速齒輪箱，提供較低的轉(zhuǎn)速，較大的力矩，速度較步進(jìn)電機(jī)快。減速器效率高達(dá)95%以上，且其具有能耗低、噪音小保護(hù)性能好，對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，為小車的行駛提供了保障。如圖4所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電動(dòng)小車系統(tǒng)工作流程如圖5所示，系統(tǒng)主要任務(wù)是根據(jù)當(dāng)前路線與預(yù)期路線的偏差實(shí)現(xiàn)小車循跡的控制，通過編碼器配合速度環(huán)，進(jìn)行勻速控制，提前測試賽道脈沖個(gè)數(shù)，通過時(shí)間與剩余脈沖與當(dāng)前速度做差值當(dāng)作誤差，進(jìn)行增量式PID控制。

圖5 坡道行駛電動(dòng)小車系統(tǒng)總流程圖

■3.1 路徑識別模塊

采用紅外對管傳感器和CCD傳感器聯(lián)合使用，有效防止紅外檢測不到或者CCD 丟線誤判的情況。工作時(shí)，CCD返回一條線（128 個(gè)ad 值）的模擬量灰度值，可以對舵機(jī)進(jìn)行精確控制。由于木板顏色趨于黃色，灰度值介于黑白之前，所以黑色小格在 CCD 上呈現(xiàn)波谷的圖像，白色小格呈現(xiàn)波峰的圖像，通過找波峰波谷中間值，與鏡頭中心坐標(biāo)進(jìn)行做差當(dāng)作循跡的誤差，以此進(jìn)行位置式PID控制，停車線所采圖像平均值明顯小于其他位置，可用此判斷停車線，通過紅外二次判斷，其中任意兩個(gè)紅外檢測到黑色即為停車，兩次判斷達(dá)到精準(zhǔn)停車。其中紅外用于 CCD 丟線處理，當(dāng)在彎道行駛時(shí)，CCD 采集灰度值并非垂直彎道，導(dǎo)致誤差值較小，容易丟線，通過紅外檢測到黑線適當(dāng)增大CCD循跡 PID 參數(shù)，使得 CCD 能夠完美循跡。如圖6-9所示。

圖6 直道黑色小格圖像

圖7 直道黑色小格圖像

圖8 停車線圖像

圖9 彎道黑色小格圖像

■3.2 勻速時(shí)間控制算法

PID 控制器1[5]是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差。將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器，原理框圖10所示。

圖10 PID控制器原理圖

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用數(shù)字 PID 控制器，控制規(guī)律如式 (1)。

式中KP為比例系數(shù)；TI為積分系數(shù)；TD為微分系數(shù)；T 為采樣周期；e(k )為第k 次偏差；e(k-1)為第k-1 次偏差。

當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量，可以采用增量式PID，由上述公式推導(dǎo)可得：

可以看出由于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了Kp、Ti、DT，只要使用前后三次測量值的偏差，即可由公式求出控制增量。

4 系統(tǒng)測試與誤差分析

根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求已完成硬件電路的組裝，控制制定的木板傾斜不同的角度（0°～35°），并手動(dòng)設(shè)置不同的行駛時(shí)間，小車沿標(biāo)記線自動(dòng)騎線行駛，在停車點(diǎn)停車。最后通過秒表和刻度尺得出實(shí)際行駛的時(shí)間和小車上標(biāo)記點(diǎn)到停車標(biāo)記中心線的垂直距離誤差。板設(shè)置在 30°以內(nèi)時(shí)，小車的實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)間與設(shè)定時(shí)間的誤差絕對值皆小于等于1s，且小車上標(biāo)記點(diǎn)到停車標(biāo)記中心線的垂直距離誤差小于等于2cm。誤差絕對值如圖11所示。

圖11 誤差絕對值

5 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的坡道行駛電動(dòng)小車，通過MSP430核心的控制以及位置式 PID 調(diào)節(jié)，較成功的實(shí)現(xiàn)了不同坡度下小車的自動(dòng)行駛，創(chuàng)新性的使用了線性CCD和紅外模塊結(jié)合尋跡，利用增量式PID控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了較為準(zhǔn)確的行駛時(shí)間設(shè)定，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊密，完成了坡道小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有比較可靠的可行性。