基于紅外傳感器的智能車自動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

1、第23卷第1期湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)Vol. 23No. 1Mar . 20092009年3月Journal of Hubei Automotive Industries Institute基于紅外傳感器的智能車自動(dòng)控制器設(shè)計(jì)柴旺興，趙文兵（湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北十堰442002）摘要：介紹一種基于紅外光電傳感器的智能車自動(dòng)控制器設(shè)計(jì)方案。以飛思卡爾16位單片機(jī)為核心控制單元，使用紅外光電傳感器采集路徑信息，控制智能車的舵機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)智能車的自主尋跡行駛。關(guān)鍵詞：智能車；紅外傳感器；PID ；尋跡中圖分類號(hào)：U46979文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10085483（2009）

2、01001904Design of Smart Car Control System Based on Infrared SensorChai Wangxing ，Zhao Wenbin（School of Electric and Information Engineering ，Hubei Automotive Industries Institute ，Shiyan 442002，China ）Abstract ：A smart car control system based on infrared sensor was introducedThe Freescale 16bit MC

3、U was served as the central control unit in this system ，which controlled smart car s steering mo-tor and driving motor according to the road information from the infrared sensorIt can make smart car automatic drive along the runwayKey words:smart car ；infrared sensor ；PID ；search track隨著智能交通系統(tǒng)（ITS

4、）的研究在各國(guó)越來(lái)越被重視，智能車的控制技術(shù)也成為一項(xiàng)新興技術(shù)。智能車控制系統(tǒng)綜合了傳感器技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，信號(hào)處理技術(shù)，單片機(jī)技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，智能車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以為智能搬運(yùn)小車，無(wú)人駕駛汽車等技術(shù)領(lǐng)域的研究提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。本設(shè)計(jì)以電動(dòng)小車為控制對(duì)象，搭建了一個(gè)基于MC9S12DG128B 單片機(jī)的智能車控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了大電流、脈沖驅(qū)動(dòng)的紅外光電傳感器檢測(cè)路徑，可以預(yù)測(cè)較遠(yuǎn)距離的道路情況，并采用可靠的算法對(duì)檢測(cè)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、做出決策，由此對(duì)舵機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了較精確的轉(zhuǎn)向控制和快速的行駛，顯示了高度的智能化、人性化，并且具備良好的抗干擾性和穩(wěn)定性。采集、分析、

5、決策、執(zhí)行4個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行的。1）采集路徑信息道路信息采集工作的核心是選擇合適的采樣頻率，找到一種前瞻距離遠(yuǎn)、分辨率高的數(shù)據(jù)采集方法。使用光電對(duì)管尋跡的智能車前瞻距離是決定智能車速度最重要的因素之一，但隨著前瞻距離的增加，路徑信號(hào)的干擾也隨之增加，要保證智能車行駛的可靠性也越來(lái)越困難，因此，如何采集到盡量遠(yuǎn)的道路信息及采集到的信息準(zhǔn)確程度直接決定了后續(xù)工作能否順利進(jìn)行。2）分析數(shù)據(jù)模擬信號(hào)包含更多的路徑信息，因此把采集到的路徑信號(hào)以模擬量的方式送入單片機(jī)，使用多個(gè)紅外接收管，按特定方式排列，通過(guò)分析輸出電平的高低就能夠計(jì)算出智能車相對(duì)于黑色引導(dǎo)線的偏離程度。1智能車控制的主要步驟智能車控制主要是

6、按照道路及行駛信息進(jìn)行3）制定控制策略在獲取正確的引導(dǎo)線信息的基礎(chǔ)上，根據(jù)道路收稿日期：20081113作者簡(jiǎn)介：柴旺興（1973），湖北棗陽(yáng)人，男，工程師，從事電工電子實(shí)踐教學(xué)。湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)2009年3月的變化趨勢(shì)和智能車本身的狀態(tài)來(lái)完成對(duì)智能車控制指令的輸出，調(diào)節(jié)智能車的方向和行駛速度。優(yōu)化控制策略的主要方法是在不違規(guī)的前提下縮短行駛距離，提高穩(wěn)定行駛速度，消除車體產(chǎn)生的振蕩現(xiàn)象，加快調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度等。4）驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不但涉及一些電路問(wèn)題，而且還涉及了一些機(jī)械傳動(dòng)問(wèn)題。它保證控制系統(tǒng)發(fā)出的指令被正確可靠執(zhí)行。實(shí)踐證明：執(zhí)行部件對(duì)發(fā)熱，對(duì)大電流的較強(qiáng)的承受能力和各連接部位之間

7、的良好的潤(rùn)滑應(yīng)該是這部分所要考慮的主要問(wèn)題，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定可靠是智能車控制策略得以充分體現(xiàn)的基礎(chǔ)。成。紅外發(fā)射管用場(chǎng)效應(yīng)管IRF120驅(qū)動(dòng)，來(lái)自單片機(jī)的控制信號(hào)接在場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，控制場(chǎng)效應(yīng)管的通斷，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加在紅外發(fā)射管上，發(fā)射管發(fā)射紅外線；場(chǎng)效應(yīng)管截至?xí)r，發(fā)射管停止發(fā)射紅外線。紅外接收管和電阻串聯(lián)，接收管吸收的光線較多時(shí)，導(dǎo)通程度比較大，電阻上的分壓大；接收管吸收的光線較少時(shí)，導(dǎo)通程度很小，電阻上的分壓小。紅外光電傳感器組成的路徑檢測(cè)電路如圖2智能車控制系統(tǒng)主要包括以下模塊：S12單片機(jī)模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵機(jī)、轉(zhuǎn)速反饋和紅外路徑檢測(cè)模塊。整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。所示。2智能車

8、硬件設(shè)計(jì)方案2）電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路是由安裝在智能車電機(jī)主軸上的一個(gè)直徑為15mm 的齒輪、直射式光電傳感器ST135及電壓比較器電路組成的，如圖3所示 。1）紅外路徑檢測(cè)電路路徑檢測(cè)電路由紅外發(fā)射管和紅外接收管組第23卷第1期記錄一定時(shí)間的脈沖數(shù)，得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速。MC33886驅(qū)動(dòng)，單片MC33886在工作時(shí)發(fā)熱較嚴(yán)重，為了減小驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通電阻，提高工作效率，采用2片MC33886并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電路如圖4所示。3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主電機(jī)采用電池直接供電，集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片4）電源系統(tǒng)紅外發(fā)射管導(dǎo)通瞬間電流在3A 以上，為了避免對(duì)單片機(jī)造成影響，使用LM2576-5組成5V 穩(wěn)壓電路

9、給系統(tǒng)供電，LM2576是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓集成電路，工作時(shí)要么是大電流流過(guò)低導(dǎo)通電壓的開(kāi)關(guān)管、要么是完全截止無(wú)電流流過(guò)。因此, 功耗極低, 效率高，能夠滿足紅外發(fā)射管瞬間大電流的要求。LM2576構(gòu)成的電源電路如圖5所示。智能車舵機(jī)可以承受7.2V 的電池電壓，因此，直接采用電池給舵機(jī)供電。不僅能夠提高舵機(jī)的響應(yīng)速度，還簡(jiǎn)化電路，提高了電源的效率。的想法運(yùn)行；接著，紅外傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)AD 轉(zhuǎn)換和相應(yīng)處理，得出當(dāng)前路徑信息；同時(shí)，電機(jī)測(cè)速模塊測(cè)得模型車當(dāng)前的運(yùn)行速度，反饋給系統(tǒng)；最后，路徑識(shí)別系統(tǒng)綜合利用當(dāng)前路徑信息和當(dāng)前速度值作出相應(yīng)的處理，控制電機(jī)和舵機(jī)以合適的方式運(yùn)行。1）信息采集與數(shù)據(jù)分析

10、對(duì)于單個(gè)紅外接收管，它的輸出電壓大小和離黑色引導(dǎo)線的距離有關(guān)，距離越近，輸出電壓越低；距離越遠(yuǎn)，輸出電壓越高，但是每個(gè)紅外接收管輸出電壓特性不同，所以，需要對(duì)它們進(jìn)行歸一化處圖5LM25765穩(wěn)壓電路理得到各個(gè)傳感器相對(duì)的電壓值，從而消除傳感器之間的差異。每個(gè)傳感器相對(duì)電壓值公式為3智能車軟件控制策略該系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要分為系統(tǒng)初始化模塊、v v v ×100v max v min式中，v max 為紅外接收管輸出信號(hào)的最大值；v min 為紅外接收管輸出信號(hào)的最小值；v 為當(dāng)前紅外接收管輸出的絕對(duì)電壓值；v 為當(dāng)前紅外接收管輸出的相對(duì)電壓值。智能車出發(fā)前，讓每個(gè)傳感器在跑道上進(jìn)行掃

11、描，分別記錄每個(gè)傳感器的v max 和v min ，存入單片機(jī)的EEPROM 中，這樣，當(dāng)環(huán)境改變時(shí)，v max對(duì)紅外傳感器采集數(shù)據(jù)的處理模塊、速度控制和反饋處理模塊、路徑識(shí)別模塊（對(duì)電機(jī)和舵機(jī)的控制）等，圖6是本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。由圖6可知，本程序運(yùn)行的開(kāi)始，須進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)的初始化。通過(guò)初始化的設(shè)置，系統(tǒng)才能按照預(yù)先22湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)2009年3月和v min 都可以很方便的及時(shí)更新，保證采集信息準(zhǔn)確無(wú)誤。通過(guò)每個(gè)傳感器的相對(duì)值與傳感器位置作加權(quán)平均就可以計(jì)算出車模相對(duì)于黑色引導(dǎo)線的橫向偏移位置。公式為nn3）驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制策略為了達(dá)到好的速度控制效果，對(duì)速度進(jìn)行閉環(huán)控制是必須的。這里所說(shuō)

12、的速度控制策略是指設(shè)定速度的確定方法設(shè)定速度主要由道路與直道的偏差來(lái)決定，道路越接近直道，設(shè)定速度越高，反之越低。智能車行駛中的最低速度是這樣確定的：令智能車以較低的速度勻速行駛，在保證無(wú)犯規(guī)行為出現(xiàn)的前提下，逐漸提高勻速行駛的速度，直到車模出現(xiàn)犯規(guī)行為，此速度再減去一個(gè)安全量，即為所需的最低速度。簡(jiǎn)單的說(shuō)，變速行使的最低速度等于勻速行使的最高速度。車模行駛中的最高速度是這樣確定的：在確定最低速度以后，加入變速策略，不斷提高最高速度的設(shè)定值，直到智能車出現(xiàn)犯規(guī)行為，此速度再減去一個(gè)安全量，即為所需的最高速度。智能車行駛過(guò)程中難免出現(xiàn)“失去道路”的情況，對(duì)此需要采取一定的安全策略，防止賽車“盲跑

13、”而導(dǎo)致犯規(guī)。pos （v n p n ）（v n ）i 1i 1式中，pos 為位置；v n 為第n 個(gè)傳感器的相對(duì)輸出值；p n 為第n 個(gè)傳感器的位置。由于智能車在行駛的過(guò)程中，環(huán)境光線不斷變化，傳感器支架上下晃動(dòng)，電機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)都會(huì)對(duì)紅外接收管的輸出電壓和A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果產(chǎn)生影響，給計(jì)算帶來(lái)偏差，甚至造成無(wú)法正常尋跡，因此需要?jiǎng)討B(tài)的進(jìn)行補(bǔ)償。這些干擾的一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)每個(gè)紅外接收管的影響趨勢(shì)是相同的，會(huì)使每一路紅外接收管對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果同時(shí)增加或者同時(shí)減小，是“共模信號(hào)”，因此，在計(jì)算時(shí)需要減去所有紅外傳感器對(duì)應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果中的“共?！辈糠?，通過(guò)這樣的補(bǔ)償取得了比較好的效果，在碰到

14、坡道，十字交叉時(shí)都能夠正常尋跡。2）舵機(jī)控制策略對(duì)舵機(jī)的控制根據(jù)PID 控制優(yōu)化得到。PID 控制又稱PID 調(diào)節(jié)，是根據(jù)輸入偏差，按比例、積分和微分的函數(shù)關(guān)系運(yùn)算得到控制輸出。設(shè)u （k ）為第k 次采樣時(shí)刻控制器的輸出值，可得離散PID 算式k4結(jié)束語(yǔ)本控制系統(tǒng)中，在硬件上使用大電流脈沖供電，并且通過(guò)軟件的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，較好地克服了基于紅外傳感器的智能車前瞻距離近的缺點(diǎn)，同時(shí)，保證了采集路徑信息的準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了路徑的連續(xù)識(shí)別。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，可以在任意黑色引導(dǎo)線上穩(wěn)定、可靠的自主尋跡行駛，具有尋跡路線優(yōu)，抗干擾性強(qiáng)、速度調(diào)節(jié)響應(yīng)快等特點(diǎn)，在彎道較多的情況下，也能達(dá)到2.5m/s的平均速度。u （k

15、）K p e （k ）K i e （j ）K d e （k ）e （k 1）j 0式中：K p 為比例放大系數(shù)；K i 為積分系數(shù)；K d 為微分系數(shù)；e （k ）為輸入偏差；u （k ）為控制輸出。在PID 控制中，積分調(diào)節(jié)使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度，但會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，智能車控制器要求有好的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差只要求不沖出跑道即可，因此，只使用包含比例和微分環(huán)節(jié)的PD 調(diào)節(jié)方式。對(duì)智能車的舵機(jī)采用分段比例控制的策略比簡(jiǎn)單的使用統(tǒng)一系數(shù)的比例控制能得到更好的控制效果，在車模偏離黑色引導(dǎo)線較小時(shí)，舵機(jī)的轉(zhuǎn)角變化率較小，在車模偏離黑色引導(dǎo)線較大時(shí)，舵機(jī)的轉(zhuǎn)角變化率較大，具體參數(shù)值為多組數(shù)據(jù)測(cè)量取較優(yōu)參數(shù)得到，使得舵機(jī)的控制達(dá)到最佳狀態(tài)。參考文獻(xiàn)：1卓晴，黃開(kāi)勝，邵貝貝學(xué)做智能車M 北京：北京航天航空