曾堯

（西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，成都 610039）

0 引言

在計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)，智能UI技術(shù)的普及與開(kāi)發(fā)也已經(jīng)逐漸步入正軌，其應(yīng)用完善的速度也在快速提高。由于家庭乃至工作中智能化的程度越來(lái)越高，使得其應(yīng)用范圍也從以前的工業(yè)擴(kuò)展到當(dāng)今生活的每一個(gè)角落。

與此同時(shí)，汽車行業(yè)在人、路、環(huán)境各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中都出現(xiàn)了長(zhǎng)足的進(jìn)步，智能循跡小車簡(jiǎn)單來(lái)講就是汽車?yán)碚摻Y(jié)構(gòu)與智能UI控制技術(shù)同時(shí)應(yīng)用在一種機(jī)械設(shè)備上的產(chǎn)物，也是當(dāng)今社會(huì)中的一個(gè)熱門領(lǐng)域。簡(jiǎn)單來(lái)講，智能循跡小車就是智能UI的另一種形式，執(zhí)行器從一般運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)改變成了4個(gè)車輪，達(dá)到行駛時(shí)能控制方向與起停，相對(duì)于一些執(zhí)行復(fù)雜工作的機(jī)器人更加簡(jiǎn)單普遍，便于制作。其控制系統(tǒng)主要執(zhí)行器是電動(dòng)機(jī)與舵機(jī)[1]。

很多企業(yè)都不得不考慮智能替代人工，因?yàn)檫@將節(jié)約很大一部分成本。智能對(duì)于工業(yè)如此重要，本次的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是在學(xué)習(xí)了汽車構(gòu)造的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)芯片控制的理解，設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)循跡的智能小車，來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)行駛。在具備識(shí)別道路的前提下，為汽車安全行駛提供了較為科學(xué)的模型，具有一定的指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)的控制方案設(shè)計(jì)

采用STM32單片機(jī)為控制核心。使用了CCD線性傳感器對(duì)曝光度進(jìn)行采集（單片機(jī)芯片內(nèi)部會(huì)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換），通過(guò)單片機(jī)處理后去控制轉(zhuǎn)向與驅(qū)動(dòng)模塊，使其按照軌跡行駛[2]。STM32函數(shù)庫(kù)功能強(qiáng)大，調(diào)用方便。內(nèi)置時(shí)鐘控制，使系統(tǒng)能簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)循跡的控制及測(cè)速顯示，與一般單片機(jī)相同，都能使用C 語(yǔ)言編碼并且處理效率高、功率小，另外可附加電源模塊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

以單片機(jī)STM32為核心，通過(guò)CCD線性傳感器檢測(cè)路線曝光度，測(cè)量精準(zhǔn)可靠，送入單片機(jī)處理后輸出電壓信號(hào)，送入舵機(jī)與減速直流電動(dòng)機(jī)比較信號(hào)，采取轉(zhuǎn)向操作，動(dòng)力模塊由外部電源提供。采取SD測(cè)速模塊輸入顯示模塊顯示，電路相對(duì)簡(jiǎn)單，程序略微復(fù)雜，可操作性強(qiáng)，購(gòu)買L298N電動(dòng)機(jī)控制芯片價(jià)格便宜，且易制作。

2 線性光感傳感器優(yōu)化

TSL1401包含128個(gè)線性光電二極管，相關(guān)的電荷放大電路還能在積分開(kāi)始和結(jié)束時(shí)給所有像素提供數(shù)據(jù)保持功能。操作時(shí)可以提供數(shù)據(jù)保持功能?？刂贫丝诳梢允褂眠壿嬰娖?，只需要一個(gè)連續(xù)輸入信號(hào)和一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 TSL1401 PCB工作原理圖

此次設(shè)計(jì)采用定時(shí)器采樣，一個(gè)周期內(nèi)128個(gè)光感點(diǎn)位選擇其中20～110的位置，以防止數(shù)據(jù)突變點(diǎn)引起誤差。在1個(gè)周期內(nèi)，光感CCD傳感器發(fā)現(xiàn)blackline出現(xiàn)的線性數(shù)據(jù)組，并記錄該位置數(shù)據(jù)。通過(guò)定義中線midline=64，獲取差值err。從而采取PID模糊控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，直接提高直流電動(dòng)機(jī)占空比以跟隨轉(zhuǎn)向[3]。

計(jì)算公式：對(duì)于采集到的ADC_DR數(shù)據(jù)值，在3.3 V輸出電壓下對(duì)應(yīng)值應(yīng)是4096的碼值，ADC_DR/當(dāng)前電壓值=4096/3300。所以轉(zhuǎn)換關(guān)系為：Voltage=(ADC_DR×3300)/4096 mV。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 舵機(jī)PID控制算法設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)舵機(jī)采用MG995舵機(jī)，轉(zhuǎn)角范圍為±30°，舵機(jī)控制采用反饋調(diào)節(jié)，由程序控制PID反饋調(diào)節(jié)，不存在實(shí)際控制硬件進(jìn)行專門反饋調(diào)節(jié)，所以PID調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)測(cè)試后設(shè)置，只為符合實(shí)際情況，并不是所有PID控制都為此數(shù)據(jù)。曝光度由小車運(yùn)行初始采樣的曝光點(diǎn)強(qiáng)度決定，此誤差重新上電后可以恢復(fù)[4]。

本系統(tǒng)是通過(guò)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)小車前輪轉(zhuǎn)向，小車行駛時(shí)，具有一定的行駛速度，因此需要采取一定的誤差控制，即整個(gè)小車的轉(zhuǎn)角不能過(guò)大，影響小車正常行駛軌跡。小車的行駛軌跡由高處CCD光感采樣獲取，這樣可能導(dǎo)致整個(gè)轉(zhuǎn)角過(guò)程有著明顯的滯后特征。對(duì)行駛過(guò)程詳細(xì)分析可知，系統(tǒng)有慣性特征，小車既定速度會(huì)使采樣延遲?？梢愿鶕?jù)系統(tǒng)設(shè)置傳遞函數(shù)。

慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為G（s）=K/TIS。純滯后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為G（s）=e-τs。所以整個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G（s）=(Ke1+ts)/(1+T1s)。式中：K為放大系數(shù)；τ為純滯后時(shí)間；T1為慣性時(shí)間常數(shù)。

表1 SL1401CCD終端功能

圖3 舵機(jī)控制PCB原理圖

TS是系統(tǒng)采樣得到的blackline值，可以從CCD傳感器AO口獲取。程序DTS（S）將TS轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)據(jù)類型。采樣過(guò)程中，e（k）是第k次blackline與設(shè)定值midline之差。STM32在執(zhí)行完編好的運(yùn)算程序后，通過(guò)線路送給執(zhí)行器。電動(dòng)機(jī)控制齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而齒輪轉(zhuǎn)過(guò)角度則由舵機(jī)運(yùn)算得到，Δu(k)是第k次blackline數(shù)據(jù)比第k+1次blackline數(shù)據(jù)的增量。

圖4 Simulink轉(zhuǎn)向滯后仿真

圖5 轉(zhuǎn)角線性圖

具體小車參數(shù)采用m文件編寫，其中：m為小車質(zhì)量，1818.2 g；Iz為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，3885 g·cm2；L為小車的初始轉(zhuǎn)角（采用弧度制），3.048（即174°）；a為前輪輪心到小車?yán)碚撡|(zhì)心的距離，14.63 cm；b為后輪輪心到小車?yán)碚撡|(zhì)心的距離，15.85 cm；k1為前輪轉(zhuǎn)向側(cè)偏剛度，62.618 N/rad；k2為后輪轉(zhuǎn)向側(cè)偏剛度，-110.185 N/rad；v是小車的行駛速度，22.35 cm/s。

3.2 主程序設(shè)計(jì)

該程序由CCD線性傳感器采集信號(hào)開(kāi)始，把輸入的曝光度信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)部處理由AO口輸入STM32進(jìn)行記錄。主程序如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

經(jīng)過(guò)處理后的blackline差值，作為PWM占空比值送入左右直流減速電動(dòng)機(jī)，跟隨舵機(jī)轉(zhuǎn)向，定時(shí)采樣SD車速傳感器采樣數(shù)據(jù)后送入OLED顯示。同時(shí)外部電源通過(guò)穩(wěn)壓電路為整個(gè)電動(dòng)機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)智能小車的循跡控制。

4 系統(tǒng)測(cè)試

如圖7所示，傳感器采用紅外柵欄式光電測(cè)速傳感器，模式為傳統(tǒng)的脈沖計(jì)數(shù)，通過(guò)記錄中斷次數(shù)，判斷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，從而得到車輪轉(zhuǎn)過(guò)的距離。測(cè)速模塊的OUT 口鏈接MCU 的外部中斷口，每當(dāng)有紅外射線導(dǎo)通就是一個(gè)外部緩沖。實(shí)際測(cè)試速度由OLED 屏幕顯示，SSD1306驅(qū)動(dòng)電路包含128個(gè)字節(jié)可寫入寄存器。實(shí)測(cè)結(jié)果表明誤差為0.1 cm/s，符合設(shè)計(jì)要求。小車循跡運(yùn)行照片如圖8所示。

圖7 運(yùn)行時(shí)顯示車速

圖8 小車循跡運(yùn)行照片

5 結(jié)論

本系統(tǒng)是通過(guò)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)小車前輪轉(zhuǎn)向，小車行駛時(shí)具有一定的行駛速度，這就需要誤差控制，即整個(gè)小車的轉(zhuǎn)角不能過(guò)大，影響小車正常行駛軌跡，小車的行駛軌跡由高處CCD光感采樣獲取，這樣導(dǎo)致整個(gè)轉(zhuǎn)角過(guò)程有著明顯的滯后特征[5]。對(duì)行駛過(guò)程詳細(xì)分析可知，系統(tǒng)還有一個(gè)慣性特征。

改進(jìn)方案首先將測(cè)量值提前，使用預(yù)估型PID調(diào)節(jié)，偏差值向后調(diào)節(jié)2個(gè)單位曝光值。其次，使用MG995驅(qū)動(dòng)芯片根據(jù)采樣中線與黑線差值，差速調(diào)節(jié)左右后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，根據(jù)轉(zhuǎn)向的方向調(diào)整小車后輪轉(zhuǎn)速，進(jìn)行直線、左右轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)基本能夠達(dá)到不脫離軌道邊緣線，提高了智能循跡小車的安全行駛可靠性能。