摘要 介紹了一種基于紅外激光二極管的智能循跡模型車(chē)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)以MC9S12XS128為控制核心，采用紅外激光二極管及紅外接收傳感器采集路徑信息，同時(shí)應(yīng)用內(nèi)部集成H橋電路的MC33886芯片進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并運(yùn)用LM331芯片來(lái)設(shè)計(jì)測(cè)速電路。此系統(tǒng)可對(duì)采集到的路徑信息及反饋的車(chē)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，能及時(shí)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向和調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)小車(chē)的自動(dòng)循跡功能。
關(guān)鍵詞 路徑識(shí)別；智能車(chē)；紅外激光二極管；MC33886；自動(dòng)循跡

    全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車(chē)競(jìng)賽是在規(guī)定的模型汽車(chē)平臺(tái)上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位微控制器作為核心控制模塊，通過(guò)增加道路傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及編寫(xiě)相應(yīng)軟件，制作一個(gè)可自主識(shí)別道路的模型汽車(chē)，按照規(guī)定路線行進(jìn)，完成時(shí)間最短者為優(yōu)勝。該競(jìng)賽涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)和機(jī)械等多個(gè)學(xué)科的內(nèi)容。文中基于此競(jìng)賽為背景，設(shè)計(jì)了一套智能車(chē)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)針對(duì)智能車(chē)的路徑檢測(cè)，提出了一種基于激光強(qiáng)反射原理的實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)現(xiàn)了高精度的路徑檢測(cè)效果。該系統(tǒng)利用MC9S 12XS128控制器，對(duì)紅外接收傳感器采集到的道路黑色引導(dǎo)線的信息與測(cè)速模塊反饋的車(chē)速信息進(jìn)行分析并處理，然后根據(jù)道路前方黑色引導(dǎo)線距車(chē)體中心線之間的偏差，分別送出控制信號(hào)給轉(zhuǎn)向舵機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而控制車(chē)輛實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的自主循跡行駛。

1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)方案
    該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由MC9S12XS128控制核心、電源管理模塊、激光發(fā)射及接收模塊、舵機(jī)控制模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、車(chē)速檢測(cè)模塊、串口及調(diào)試接口模塊、數(shù)碼開(kāi)關(guān)與LED指示模塊等組成，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，撥碼開(kāi)關(guān)及LED指示模塊主要用于選擇車(chē)輛的運(yùn)行模式，即可在程序中實(shí)現(xiàn)幾種運(yùn)行的算法，而通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)便可實(shí)現(xiàn)快速切換，以適應(yīng)不同的運(yùn)行環(huán)境。

2 核心控制主板設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的核心控制板是MC9S12XS128的最小硬件系統(tǒng)。其是由MC9S12XS128芯片、時(shí)鐘晶振電路、復(fù)位電路、BDM接口電路、RS232串口電路、濾波電容、電感及接插件等構(gòu)成。該S12XS系列單片機(jī)是在S12XE系列基礎(chǔ)上去掉XGate協(xié)處理器的單片機(jī)，采用了S12X V2 CPU內(nèi)核，可運(yùn)行在40 MHz總線頻率上，帶有ECC模塊、2個(gè)SPI模塊、2個(gè)CAN總線模塊。同時(shí)2個(gè)SCI串行通信模塊支持LIN總線，4路外部事件觸發(fā)中斷輸入端口，8路16位計(jì)數(shù)器，8路PWM及16路8位、10位、12位A／D，轉(zhuǎn)換時(shí)間為3μs。通過(guò)BDM接口可向目標(biāo)板下載程序，還可完成基本的調(diào)試功能，如設(shè)置斷點(diǎn)、讀寫(xiě)內(nèi)存、讀寫(xiě)寄存器、單步執(zhí)行程序、運(yùn)行程序、停止程序運(yùn)行等。另外，通過(guò)串口可向PC機(jī)上傳采集到的路徑數(shù)據(jù)及其他測(cè)試數(shù)據(jù)。

3 各模塊電路設(shè)計(jì)
3．1 電源管理模塊
    電源模塊除了為單片機(jī)、傳感器、舵機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等供電外，還為運(yùn)算放大器提供正負(fù)雙電源。因此需提供多種電壓值以滿(mǎn)足各模塊的要求。另外，設(shè)計(jì)所使用的Ni—cd蓄電池在電量充足時(shí)，其空載電壓約有8 V，而且隨著電池的消耗，電壓逐漸降低。另外電機(jī)啟動(dòng)及反轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)的電流過(guò)大，也可能將電池電壓拉至更低。為避免由于電源電壓的不穩(wěn)定而影響單片機(jī)和傳感器及其信號(hào)放大電路的正常工作，本電源設(shè)計(jì)使用了DC—DC變換芯片MC34063以及低差壓穩(wěn)壓器LM2940和LM2990。通過(guò)MC34063輸出穩(wěn)定的+8 V電壓給激光發(fā)射二極管，再由LM2940將+8 V變壓為+5 V給運(yùn)算放大電路及測(cè)速電路提供正電源。而運(yùn)算放大器的負(fù)電源則通過(guò)一個(gè)自繞的變壓器L2感應(yīng)輸出一個(gè)-8 V電壓，再經(jīng)過(guò)LM2990穩(wěn)壓成-5 V電壓供給。MC9S12XS128單片機(jī)和紅外接收電路所需的+5 V電壓則由電池電壓直接串入LM2940穩(wěn)壓所得。在Ni—cd蓄電池與電源輸入之間還串入了一個(gè)共模電感L1作為隔離，由此電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路便可連接電池兩端，從而保證電機(jī)的動(dòng)力，并且有效抑制電機(jī)產(chǎn)生的高頻干擾串到電源模塊中，同時(shí)也確保了系統(tǒng)在各種速度下的穩(wěn)定運(yùn)行。其電源管理模塊電路原理如圖2所示。

3．2 紅外激光發(fā)射及接收模塊
    包括了紅外發(fā)射傳感器和紅外接收傳感器兩部分。為使小車(chē)擁有遠(yuǎn)瞻及高精度的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)選用紅外激光二極管HLD780060H7J作為紅外發(fā)射傳感器。此發(fā)射器是一種半導(dǎo)體激光二極管，發(fā)出的波長(zhǎng)為780 nm，工作電壓為DC=2 V，工作電流<125 mA，發(fā)射功率可達(dá)60 mW，反射效果可滿(mǎn)足要求，只需加裝一套可聚焦的透鏡，其發(fā)射能力不但會(huì)加強(qiáng)一倍，且還實(shí)現(xiàn)了精度可調(diào)的功能，需只要對(duì)透鏡稍作調(diào)節(jié)即可調(diào)整其聚焦精度。而接收器可采用一種高靈敏度硅光敏三極管。本智能車(chē)對(duì)路徑的檢測(cè)原理是通過(guò)紅外激光發(fā)射管發(fā)出的紅外光在遇到反光性較強(qiáng)的物體后被反射回來(lái)，并被光敏二極管接收，使得光敏二極管的光生電流增大，再將這一變化電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由處理器進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換及比較判斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)反光性不同的兩種物體的識(shí)別。

    具體的紅外發(fā)射及接收電路原理圖如圖3所示，圖中左半部分為紅外激光發(fā)射電路。從發(fā)射電路圖可見(jiàn)，只需一個(gè)三極管Q1(N5551)即可直接驅(qū)動(dòng)紅外激光二極管HLD780060H7J，其控制信號(hào)則是一個(gè)頻率為40 kHz的調(diào)制信號(hào)，由控制器產(chǎn)生。圖中右邊部分為紅外接收電路，其紅外接收的光敏二極管是一個(gè)PN結(jié)，需提供一個(gè)反偏電壓，所以反向連接在電路中。三極管Q1、Q2構(gòu)成的電路并未起到信號(hào)放大的作用，而是使得光敏傳感器的工作點(diǎn)因環(huán)境光線的變化而變化，從而保證了傳感器接收的靈敏度。在一定程度上，起到了對(duì)環(huán)境光線的自適應(yīng)作用。在調(diào)試過(guò)程中，可通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻PR1使得傳感器的信號(hào)輸出最大。放大電路則可采用低噪聲的運(yùn)算放大器TL064來(lái)設(shè)計(jì)，此芯片內(nèi)部集成了4個(gè)運(yùn)放，可方便地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波及多級(jí)放大。將已放大的信號(hào)再通過(guò)RC積分電路便可產(chǎn)生A／D所要采集的電壓。由于飛思卡爾智能車(chē)比賽的賽道是由白色泡沫材料及其中心的黑色引導(dǎo)線組成，通過(guò)將兩者的A／D采樣值進(jìn)行比較，就可識(shí)別出黑色引導(dǎo)線。
3．3 RS380直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
    直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用飛思卡爾公司的5 A集成H橋的芯片MC33886。此芯片內(nèi)置有控制邏輯、電荷泵、門(mén)驅(qū)動(dòng)電路以及低導(dǎo)通電阻的MOSFET輸出電路，適用于控制感性直流負(fù)載。該芯片可提供連續(xù)的5 A電流，并集成有過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)和欠壓保護(hù)電路。通過(guò)控制MC33886的4根輸入腳(IN1、IN2、D1、D2)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、能耗制動(dòng)及反接制動(dòng)。在此應(yīng)用中，MC33886的作用是將恒定的直流電壓調(diào)制成頻率同定而脈寬可變的PWM脈沖電壓序列，從而改變輸出的平均電壓大小來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。為提高對(duì)直流電機(jī)的控制精度，可將MC9S12XS128單片機(jī)內(nèi)部的PWM2和PWM3兩個(gè)通道8位寄存器級(jí)聯(lián)成16位寄存器，并從PWM3通道輸出接到MC33886的IN1。同理，可將PWM4和PWM5兩個(gè)通道8位寄存器也級(jí)聯(lián)成16位寄存器，從PWM5通道輸出接到MC33886的IN2。通過(guò)PWM對(duì)MC33886的IN1和IN2的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的四象限運(yùn)行的控制。而直流電機(jī)RS380則直接接入MC33886的輸出端OUT1和OUT2。本驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)采用了兩片MC33886并聯(lián)使用，一方面減小導(dǎo)通電阻對(duì)直流電機(jī)特性的影響，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能力；另一方面可減小MC33886內(nèi)部過(guò)流保護(hù)電路對(duì)電機(jī)啟動(dòng)及制動(dòng)的影響，且共同分擔(dān)了發(fā)熱量，進(jìn)一步提高了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的性能。

3．4 車(chē)速測(cè)速模塊
    為實(shí)現(xiàn)遁跡小車(chē)的智能加減速，使車(chē)輛高速而平穩(wěn)地跟蹤引導(dǎo)線行駛，則必須對(duì)其進(jìn)行速度檢測(cè)，使車(chē)輛的速度構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制關(guān)系。系統(tǒng)的車(chē)速檢測(cè)采用了低成本的槽型光電開(kāi)關(guān)H206與光柵圓盤(pán)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。其是一種透光式的檢測(cè)方法，原理如圖5所示，當(dāng)光柵圓盤(pán)跟隨被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，U1中左邊的發(fā)光二極管的光線只能通過(guò)光柵盤(pán)上孔照射到其右邊的光電管上；當(dāng)光電管被照射時(shí)，其電阻較小，于是輸山一個(gè)低電平信號(hào)；當(dāng)光源被圓盤(pán)擋住時(shí)，則光電管電阻較大，輸出端就形成一個(gè)高電平信號(hào)輸出。隨后再經(jīng)過(guò)一個(gè)南U2構(gòu)成的電壓比較器，便可產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的矩形脈沖。然而，圓盤(pán)上的小孔數(shù)目是同定的，即轉(zhuǎn)一周的脈沖個(gè)數(shù)是同定的。若轉(zhuǎn)速變化則輸出的脈沖個(gè)數(shù)也將發(fā)生變化，且該變化是線性的。然后根據(jù)v=(N／M)／T(v是轉(zhuǎn)速；N為單位時(shí)間T內(nèi)所產(chǎn)生脈沖個(gè)數(shù)；M為光柵圓盤(pán)上孔的個(gè)數(shù)；T為單位時(shí)間)便可算出被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速。但為提高測(cè)速的效率，系統(tǒng)采用另一種換算方法，就是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)再由單片機(jī)A／D采樣獲得相應(yīng)的速度值。網(wǎng)中LM331芯片構(gòu)成一個(gè)F／V轉(zhuǎn)換電路。檢測(cè)脈沖從LM331芯片的6腳輸入，由引腳1輸出一個(gè)電壓信號(hào)，然后送入單片機(jī)A／D采樣，不同的采樣值對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速。

3．5 舵機(jī)模塊及小車(chē)的組裝
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Futaba S3010型舵機(jī)，只有3根引接線，分別為地線、電源線和PWM控制線。該舵機(jī)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，其由舵盤(pán)、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)和控制電路組成，通過(guò)內(nèi)部位置反饋，可使舵盤(pán)輸出轉(zhuǎn)角正比于其給定的控制信號(hào)。即在負(fù)載力矩小于其最大輸出力矩的情況下，其輸出轉(zhuǎn)角將會(huì)正比于給定的脈沖寬度。為提高舵機(jī)的響應(yīng)速度，將其工作電壓直接連接電池電壓7．2 V，并將單片機(jī)內(nèi)部的PWM0和PWM1兩路8位輸出級(jí)聯(lián)成一個(gè)16位的PWM，再由PWM1通道輸出給舵機(jī)。在實(shí)踐中，還可通過(guò)采取加長(zhǎng)舵機(jī)力臂增大擺幅的方法進(jìn)一步提高舵機(jī)的響應(yīng)速度。

    圖6為本設(shè)計(jì)智能循跡小車(chē)的組裝實(shí)物圖。由于傳感器對(duì)賽道信息捕獲的效果將直接影響智能車(chē)的控制策略及其速度。為獲得盡量大的前瞻，如圖6所示，設(shè)計(jì)將15個(gè)均等間隔排列的激光傳感器固定在一個(gè)離地面約25 cm的位置，并以58°角射向前方路面，使得小車(chē)的前瞻可達(dá)40 cm。同時(shí)將舵機(jī)通過(guò)墊板墊高，加長(zhǎng)了前輪控制力臂的長(zhǎng)度，從而提高了前輪轉(zhuǎn)向的響應(yīng)速度。并在電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)MC33886表面均加裝了散熱器，來(lái)提高電機(jī)運(yùn)行的性能。通過(guò)科學(xué)的硬件設(shè)計(jì)，與合理的算法，便可讓系統(tǒng)對(duì)賽道信息進(jìn)行提前獲取并做出即時(shí)、正確的決策，從而使車(chē)輛做到彎道提前減速，直道提前加速跑出更加節(jié)省路程的路徑。

4 結(jié)束語(yǔ)
    文中對(duì)基于紅外激光二極管的智能循跡小車(chē)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)。介紹了智能車(chē)的控制器模塊、電源管理模塊、路徑識(shí)別模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、車(chē)速測(cè)速模塊以及舵機(jī)模塊等6部分的硬件電路設(shè)計(jì)，并給出了部分模塊的實(shí)際電路圖。最終展示了智能循跡小車(chē)的實(shí)物圖。實(shí)踐證明，該車(chē)可快速平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)循跡功能。