1.前言

本文以飛思卡爾的小車(chē)模型為對(duì)象，設(shè)計(jì)了以飛思卡爾單片機(jī)MC9S12XS128為核心，自主循跡的兩輪車(chē)自平衡控制系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)證明該方案在攝像頭導(dǎo)航的兩輪車(chē)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(jì)與原理

本系統(tǒng)以飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC9S12XS128單片機(jī)為控制核心，主要由電源管理模塊、路徑檢測(cè)模塊、車(chē)速檢測(cè)塊、加速度檢測(cè)模塊、角速度檢測(cè)模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)把加速度和角速度檢測(cè)模塊獲得的小車(chē)姿態(tài)信息、路徑信息檢測(cè)模塊獲得的小車(chē)前進(jìn)方向信息、車(chē)速檢測(cè)模塊返回的車(chē)速信息通過(guò)PID算法控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，以使得小車(chē)在保持直立的前提下快速地行駛。

液晶顯示模塊可以實(shí)時(shí)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(jī)的數(shù)據(jù)送往上位機(jī)，方便相關(guān)參數(shù)及波形的實(shí)時(shí)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(jì)

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(jī)，它負(fù)責(zé)對(duì)智能車(chē)所采集到的信號(hào)進(jìn)行處理并向各個(gè)功能模塊發(fā)送控制信號(hào)。MC9S12XS128單片機(jī)最高總線頻率可達(dá)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(gè)8路10位A/D轉(zhuǎn)換器和帶有16位計(jì)數(shù)器的8通道定時(shí)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(yùn)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(dòng)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(cè)模塊、車(chē)速檢測(cè)模塊、加速度檢測(cè)模塊、角速度檢測(cè)模塊、液晶顯示模塊和串?？谡{(diào)試模塊供電，再經(jīng)過(guò)AMS1117穩(wěn)壓到3.3V,向無(wú)線傳輸模塊供電。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(cè)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(cè)模塊通過(guò)檢測(cè)跑道兩邊2.5cm寬的黑線來(lái)擬合賽道中心以實(shí)現(xiàn)路徑信息檢測(cè)。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(diǎn)，并將這些點(diǎn)的灰度值通過(guò)圖像傳感芯片轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，然后采用二值化電路把此信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)I/O口采集獲得賽道信息。硬件二值化檢測(cè)電路如圖3所示。

硬件二值化電路的工作原理是通過(guò)圖像傳感芯片獲得的模擬信號(hào)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(hào)的變化而成反比變化，從R3采樣出來(lái)的電壓信號(hào)即為通過(guò)圖像傳感芯片獲得模擬信號(hào)的鏡像信號(hào)，最后通過(guò)比較器輸出表征賽道信息的數(shù)字信號(hào)。

3.4 車(chē)速及運(yùn)動(dòng)方向檢測(cè)模塊

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，在車(chē)模運(yùn)行過(guò)程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)控其速度。本系統(tǒng)在左右電機(jī)上各安裝一個(gè)500線兩相光電編碼器。在固定周期內(nèi)，利用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器測(cè)量由編碼器返回的脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)以獲得車(chē)模的運(yùn)動(dòng)速度大小;由于編碼器A、B兩相相位差為90°，可通過(guò)比較A、B兩相信號(hào)先后順序來(lái)判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，便可知道小車(chē)的運(yùn)動(dòng)方向。

3.5 加速度檢測(cè)模塊

加速度計(jì)可以測(cè)量由地球引力作用或者物體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的加速度。本系統(tǒng)選用MMA7260作為加速度檢測(cè)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(shí)輸出三個(gè)方向上的加速度模擬信號(hào)，具有功耗低、工作范圍寬等特點(diǎn)，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(cè)量要求。

通過(guò)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(hào)輸出靈敏度為800mv/g,這時(shí)信號(hào)不需要進(jìn)行放大，可以直接送到單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。同時(shí)由于MMA7260采用了開(kāi)關(guān)電容濾波器，會(huì)有時(shí)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(hào)的質(zhì)量。加速度傳感器在受外界振動(dòng)時(shí)易帶來(lái)測(cè)量誤差，并且測(cè)量誤差的大小和傳感器在車(chē)模上安裝的高度成正比。為減小由于安裝高度帶來(lái)的測(cè)量誤差，加速度傳感器在小車(chē)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(chē)振動(dòng)帶來(lái)的誤差，因此需要角速度傳感器的輔助來(lái)獲得車(chē)模直立平衡控制所需要的傾角信息。

3.6 角速度檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)選用陀螺儀ENC-03來(lái)測(cè)量物體在旋轉(zhuǎn)時(shí)的角速度。陀螺儀的輸出信號(hào)是相對(duì)靈敏軸的角速度，通過(guò)角速率對(duì)時(shí)間積分可得到圍繞靈敏軸旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度值，即小車(chē)的傾斜角度。因?yàn)橥勇輧x易受溫度和震動(dòng)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(jì)誤差，最終導(dǎo)致電路飽和，無(wú)法得到準(zhǔn)確的角度信號(hào)。因此，本系統(tǒng)采用互補(bǔ)濾波算法把加速度傳感器獲得的角度信號(hào)與陀螺儀輸出經(jīng)積分后的角度進(jìn)行融合，最后得到較準(zhǔn)確的車(chē)模傾角信息。

3.7 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

車(chē)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(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。系統(tǒng)利用單片機(jī)輸出PWM信號(hào)通過(guò)隔離芯片LM244來(lái)控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960,通過(guò)改變PWM波的占空比調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，加上PID算法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)P溝道的高邊MOSFET、一個(gè)N溝道的低邊MOSFET和一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC.P溝道高邊開(kāi)關(guān)省去了電荷泵的需求從而減小了EMI.集成驅(qū)動(dòng)IC具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生和欠壓、過(guò)壓、過(guò)溫、過(guò)電流及短路保護(hù)的功能。采用BTS7960搭建的電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)交互界面，便于對(duì)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(yuǎn)傳輸距離可達(dá)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?yàn)镽S-232上傳輸?shù)臄?shù)字量采用負(fù)邏輯，只與地對(duì)稱(chēng)，所以與單片機(jī)連接時(shí)需要加入電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232.

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件使用C語(yǔ)言編寫(xiě)而成，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以主程序?yàn)楹诵?，設(shè)計(jì)了單片機(jī)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(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)主函數(shù)首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化、發(fā)送系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)到上位機(jī)、液晶顯示、讀取小車(chē)傾角參數(shù)等功能。初始化工作結(jié)束后便等待各個(gè)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(guò)傳感器檢測(cè)到的各項(xiàng)參數(shù)來(lái)控制小車(chē)的平衡、速度和轉(zhuǎn)向。程序進(jìn)入總中斷后，首先通過(guò)加速度傳感器和陀螺儀檢測(cè)小車(chē)的傾角信息，以控制小車(chē)的平衡;在保證小車(chē)平衡的前提下給定小車(chē)前進(jìn)速度，然后 通過(guò)路徑信息檢測(cè)模塊獲得小車(chē)轉(zhuǎn)向所需要的信息。這樣一來(lái)，在固定周期內(nèi)循環(huán)控制小車(chē)的平衡、速度和轉(zhuǎn)向，最終使得小車(chē)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(bǔ)濾波算法

陀螺儀的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好，可以檢測(cè)瞬態(tài)角度變化，但由于其本身存在累計(jì)漂移誤差，不適合長(zhǎng)時(shí)間單獨(dú)工作;加速度計(jì)的靜態(tài)性能較好，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)靜態(tài)角度，但受動(dòng)態(tài)加速度影響較大，不適合測(cè)量動(dòng)態(tài)變化角度。因此本文采用互補(bǔ)濾波算法將陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量到的角度信息進(jìn)行融合，得到準(zhǔn)確的車(chē)模傾角信息。

互補(bǔ)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(jì)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(cè)量的角速度值，θ_acc時(shí)第n次加速度計(jì)采樣測(cè)量的角度值。其中陀螺儀濾波權(quán)重系數(shù)和加速度計(jì)濾波權(quán)重系數(shù)純?cè)谌缦玛P(guān)系：

4.4 小車(chē)平衡控制算法

本系統(tǒng)在小車(chē)平衡控制上采用了PD算法，小車(chē)平衡控制算法公式為：

上式中ν_temp是控制小車(chē)平衡的電機(jī)控制變量，θ_new是當(dāng)前小車(chē)傾斜角度，ν_gyro是當(dāng)前小車(chē)的角速度。通過(guò)上位機(jī)觀察在不同P、D參數(shù)情況下的響應(yīng)曲線來(lái)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(gè)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(jī)速度及轉(zhuǎn)向控制算法

由于本系統(tǒng)采用了兩個(gè)獨(dú)立的直流電機(jī)，并且在每個(gè)電機(jī)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(gè)電機(jī)在控制上均是獨(dú)立的，這樣便可實(shí)現(xiàn)小車(chē)的前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)向。在轉(zhuǎn)向控制上，是通過(guò)控制左右電機(jī)差速的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用攝像頭采集賽道邊線位置信息，并通過(guò)賽道邊線位置信息來(lái)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(shí)，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(shí)，給當(dāng)前賽道信息補(bǔ)上賽道寬度一半的量來(lái)獲取賽道中心線。最后通過(guò)計(jì)算，獲得小車(chē)所需的轉(zhuǎn)向比例。本系統(tǒng)在電機(jī)控制上采用了PI算法，左右電機(jī)控制算法公式為：

上式中Speed_New_Left是左電機(jī)速度，Speed_New_Right是右電機(jī)速度。K是小車(chē)轉(zhuǎn)向比例，即當(dāng)小車(chē)在直道上時(shí)K=0,當(dāng)小車(chē)需要左轉(zhuǎn)時(shí)K<0,當(dāng)小車(chē)需要右轉(zhuǎn)時(shí)K>0,K的取值由小車(chē)偏離賽道中心線的程度決定。Speed_Dev是上一次期望速度與實(shí)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(guò)上位機(jī)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(yǔ)

本文介紹了一種自主循跡兩輪智能車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，主要研究了對(duì)由加速度傳感器和陀螺儀采集的角度信號(hào)進(jìn)行融合的互補(bǔ)濾波算法，在路徑識(shí)別上對(duì)由攝像頭采集路徑信息的二值化處理方法。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、循跡準(zhǔn)確和運(yùn)行速度快的特點(diǎn)。本系統(tǒng)方案也能擴(kuò)展到類(lèi)似的機(jī)器人系統(tǒng)中，應(yīng)用前景廣闊。