基于激光传感器的智能循迹小车设计

摘 要

本文介绍了基于激光传感器作为路径识别装置的智能循迹小车的设计，本系统选取激光传感器作为路径信息采集装置，以飞思卡尔两片8位单片机MC9S08DZ60作为系统的控制核心，介绍了基于激光传感器的数据处理与算法设计，并在CodeWarrior6.0开发环境上采用C语言进行了软件编程和仿真，最后经过实际场地调试和多次系统的改进，提高了小车识别系统的前瞻性和准确度，从而达到了提高小车运行速度和稳定性的目的。

【关键词】智能循迹小车 激光传感器 数据处理

随着自动化水平的不断提高以及工厂自动化的普及，人们对对智能化的要求也越来越高，智能化涵盖的区域也在不断的扩大，特别是在汽车的应用上。

1 系统整体设计

智能小车系统主要包括MCU控制模块、路径采集模块、速度控制模块、电源模块等。系统以2片freescale公司的8位单片机MC9S08DZ60为控制核心，使用激光传感器作为路径识别模块的核心，为小车提供路径的实时信息，第一片单片机对采集到的路径信息进行分析后，控制舵机让小车转向；第二片单片机通过对已收集到的赛道信息进行分析，通过PID算法对小车速度进行调整，以实现直道加速，弯道减速的效果，使小车的速度达到最快。

2 系统硬件设计

智能小车系统使用的微控制器是Freescale公司推出的HCS08系列单片机中具有增强型的8位单片机MC9S08DZ60，该系列单片机在汽车电子领域有着广泛的应用。HCS08系列单片机的中央处理器CPU08由以下三个部分组成：算术逻辑单元ALU，控制单元和寄存器组。CPU外部总线频率为4MHZ或者8MHZ，通过内部锁相环（PLL），可以使内部时钟频率达到20MHZ。它有 12种寻址方式，64KB flash，4KRAM，外围包括24通道12位精度的ADC，8通道的PWM模块，2个SPI模块和2个SCI模块，性能优越，完全可以满足小车系统的运行。

智能小车使用7.2V 2000mAh Ni-cd电池供电，而单片机系统、路径识别的光电传感器等模块均需要5V电源。故采用降压型开关稳压芯片LM2576-5V将7.2V供电稳压为5V，具有转换效率高，带载能力大的优点，满足多数目传感器功耗要求。

智能小车使用了15个激光发射管和7个激光接收管对路径信息进行采集，两个激光管的间距为1.5cm。为了避免两个发射管由于相邻太近对接收管产生干扰，故对激光管采用分时开断的策略，即同一时刻每次只打开一个发射管，如果所有接收管都接收不到信号，那说明此刻发射管照在黑线上，如果有一个接收管接收到了信号，那说明此刻发射管照在白色区域。

由于激光接收管对180KHz频率的信号非常敏感，所以需要将发射管调制成180KHz的信号，使接收管能够最大可能检测到信号；同时又为了实现对各个发射管分时开断，所以可以采用译码芯片，将发射管位选和调制功能结合起来，以简化电路。74HC238是选通输出为高电平的38译码器，可通过将2个38译码器级联起来，将180KHz的信号连接在译码器的使能端，这样在选通后，就可以直接输出180KHz的信号，打开发射管。

H桥是电机驱动常用电路，因其电路形状酷似字母“H”而得名。四个三极管/MOSFET组成“H”的四个桥臂，电机则是“H”的负载，可通过导通不同对角线上的三极管/MOSFET来控制电机的正反转。

在实际使用中，通常集成H桥电路控制电机正反转。

智能小车在运动过程中，采用编码器进行测速。编码器会在小车运动时产生一系列数字脉冲，MCU通过输入捕捉获取一定时间内脉冲信号的个数，通过编码器线数与电机传动比的关系，可以计算出小车的实际运行速度。在计算到智能小车的实际运行速度后，可采用PID算法对小车速度进行实时调节。

3 软件设计

算法主要采用加权处理的方法，依据每个激光管距离车中心的位置远近不同，给予它们不同的权重，再根据每个激光管的实际照射路径的信息，计算应转的角度。

采用加权处理的方法，能够得到更细化的角度值，流畅的控制系统的转向。加权处理方法是依据不同的激光管距离车中心的位置，计算出当前黑线相对于小车的位置，权重值的大小因不同的排列距离而不同，具体的值需要在试验中根据不同的安装而定，适当的值会使整个控制系统灵活，连续，而如果权重值取值不恰当的话，将会导致转向的滞后和机械。

本系统采用算术平均法进行滤波。每次将采集的信号进行加权，判断等处理方法进行单次滤波，保留数据；等待采集满二十个采样值后进行算术平均运算，给出一次转角。这种方法适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。需要注意的是：运用算术平均滤波需充分考虑程序的执行时间和舵机的延迟时间，要经过反复的实践来计算N值，否则会使系统转角滞后。

实践证明，加权和算术平均滤波法能够准确的反应路面的情况，做出正确的转向判断。

4 结论

系统设计完后，在实际跑道中还存在一些问题，比如小车过不了小圆、大S滞后、小S小车舵机转的太厉害等。这些问题需要现场调试，修改路径识别算法。本系统直接用CodeWarrior6.0开发环境编程和调试，可以在线查看当前路径信息和各个寄存器的值，还可以在线修改程序和设置参数，但是这种方式看的数据不多，不能更全面的掌握路径信息。系统采用了上位机辅助调试方式来解决不足，通过无线模块，将路径信息传送到上位机的串口程序，并用MATLAB进行仿真，研究算法控制，实现仿真条件下的最优控制。

本文对基于激光传感器的智能小车循迹系统进行了较为全面的研究。结合了智能车跑道的特点，进行了硬件和软件的设计。重点讨论了信号的采集、处理。通过智能车实践及竞赛证明，本系统各模块工作稳定，响应速度快。

参考文献

[1]卓晴，黄开胜，邵贝贝.学做智能车[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2]蓝信钜.激光技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.

[3]张国范，顾树生，王明顺.计算机控制系统[M].北京：冶金工业出版社，2004.

作者简介

朱丹（1990-），女，陕西省咸阳市人。现为陕西能源职业技术学院教师。研究方向为电气自动化。

作者单位

陕西能源职业技术学院 陕西省咸阳市 712000