基于激光传感器的自主寻径智能车设计

摘要：设计了一种基于激光传感器的自主寻径智能模型车系统，以飞思卡尔公司1 6位单片机MC9S12XS128为核心控制器；系统采用激光传感器阵列检测路径信息，得到智能车与路径的横向偏差，采用比例控制算法控制舵机转向，并对直流驱动电机进行增量式PID闭环调节控制，从而实现智能模型车快速稳定地自主寻径行驶。
关键词：智能车；激光传感器；MC9S12XS128；比例控制；PID控制

0 引言
    智能车技术涵盖了车辆工程、传感器、人工智能、自动控制、汽车电子、计算机等多个学科领域，智能车的研究在智能交通领域已成为研究热点。飞思卡尔智能汽车竞赛要求参赛车模沿着仟意给定的黑色带状路径，通过控制转向和车速，在稳定的前提下以最快的速度完成自主寻径。
    本文以此为背景，设计了基于MC9S12XS128微控制器的智能车系统，采用激光传感器阵列识别路径信息，得到智能车中心线与路径中轴线的横向偏差，采用比例控制算法控制舵机转向，并对直流驱动电机进行增量式PID闭环调节控制，从而实现智能模型车快速稳定地自主寻径行驶。

1 智能车系统总体结构
    智能车系统以飞思卡尔16位单片机MC9S12XS128为核心控制器，该款处理器标称40 MHz总线频率，片内集成128 KB的FLASH，8KB的RAM，集成8信道脉宽调制模块(PWM)，10位模／数转换器(ADC)，周期性中断定时器(PIT)，增强型捕捉定时器(ECT)以及SCI、SPI等多种通信接口，工作温度范围大．为-40～125℃，核心控制器性能优越，能够满足本设计的需求。

    智能车系统主要包括单片机最小系统、路径识别模块(激光传感器阵列)、舵机控制模块、电机驱动模块、测速模块、电源管理模块等，硬件总体设计方案如图1所示。其中MC9S12XS128控制器是智能车的核心部件，负责接收激光传感器阵列获取的路径信息、小车速度、拨码开关等输入信息，进行数据处理后依据控制策略，输出相应控制量对舵机和直流驱动电机进行控制，完成智能车的转向、前进、减速等功能。

2 电源管理模块
    电源模块是系统各部件正常工作的基础，本系统采用7．2 V／2000 mAh Ni-cd充电电池供电，为满足激光传感器阵列、控制器、舵机、直流电机、光电编码器各器件电源不同需求且避免它们供电系统之间的互相干扰，各功能模块均采用单独供电。电源调节分配如图2所示，系统采用稳压芯片TPS7350将电源电压稳压至5 V为控制器供电；采用带载能力大、转换效率高的稳压芯片LM2596-5．0给传感器和编码器供电；通过LM2596-ADJ将电压稳压至6．5V为舵机供电，保证在舵机正常承受电压范围内，尽量提高响应速度；将电源7．2 V直接为驱动电机供电。

3 路径识别模块
    激光传感器较红外光电传感器有高定向性、高亮度，强单色性等优点，抗外界干扰强，前瞻性强，因此系统的路径识别模块采用了激光传感器。11个激光传感器，呈“一”字型间隔23 mm均匀排布在传感器阵列上检测赛道路径信息。

    激光传感器由发射部分和接收部分组成，发射部分的振荡管发出160～200kHz频率的振荡波，经三极管放大，激光管发光；接收部分由相匹配160～200 kHz的接收管接收反射的光强，接入XS128处理器的PA与PM口，检测返回电压的高低，激光传感器电路图如图3所示。为减少激光传感器相互之间的干扰，采用74LS154作为分时控制器分时点亮激光传感器，由XS128的4个PA0～PA3针脚来控制11路激光管的开断。

4 舵机控制模块及控制策略
    智能车采用Futaba公司的3010型舵机，属于位置伺服型电机，在负载力矩小于最大输出力矩的情况下，其输出转角与控制信号脉宽成线性关系，通过XS128控制器输出不同占空比的PWM信号进行舵机转角控制，采用有效的控制策略获取PWM占空比控制量。

    舵机控制策略采用基于模型车中心线与路径中轴线偏差de的开环比例控制，原理如图4所示。假设前瞻距离为H，A点踩到路径，de为路径横向偏差，则车轮转角θ应为：
   

    在车轮转向传动系统中，车轮转角θ与舵机转角成线性关系，因此PWM占空比目标值可采用下式获得。
    PWM=Kp×θ+PWM0
    式中：PWM为XS128输出的PWM信号占空比目标值；PWM0为舵机正位时占空比值；Kp为比例控制系数。

5 电机驱动模块及控制策略
    车速的控制是智能车稳定运行的关键因素，智能车采用RS380-ST型直流驱动电机，对电机转速控制选用英飞凌公司的BTS7960B驱动芯片，通过改变输入芯片的PWM波的占空比控制驱动芯片对电机的供电电压，进而控制电机的转速。在设计过程中采用两片BTS7960B并联驱动，减小导通电阻，分流，减小芯片的发热，提高驱动能力，驱动电路如图5所示。

    反馈控制是基于偏差的控制，PID控制是将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。偏差一旦形成，比例环节立即产生控制作用以减小偏差；积分环节主要用来消除静差，提高系统的无差度；微分环节能反应偏差的变化趋势，并能在偏差值变得太大之前，引入一个有效早期信号，加快系统的动作速度一减少调节时间。
    智能车系统根据激光传感阵列检测的赛道信息由速度判决器输出速度期望值，然后由期望值和速度反馈值(编码器检测获得)运算得到速度偏差，作为控制器的输入量，构建增量式PID控制器对小车的速度进行闭环控制，调速系统构成如图6所示，速度判决器根据舵机控制量的大小调整速度期望值，直道上提高期望值，转弯时适当减小期望值，避免冲出赛道，保证智能车运行的稳定性。

6 结语
    设计的自主寻径智能模型车系统以MC9S12XS128为核心控制器，电源分别对各个模块单独供电，避免了各模块供电系统的干扰；路径识别模块采用激光传感阵列检测赛道信息，得到智能车与路径的横向偏差de，通过比例控制算法控制舵机转向；驱动电机采用两片BTS7960B并联驱动，提高了驱动能力，并对直流驱动电机进行增量式PID闭环调节控制，实现了智能模型车快速稳定地自主寻径行驶。