基于红外光电传感器的智能寻迹小车设计

摘要：寻迹小车可以看作是缩小化的智能汽车，对智能汽车的研究有一定的借鉴意义。采用飞思卡尔公司的MC9S12DG128B作为核心控制芯片，设计了通过红外光电传感器检测路径信息的智能寻迹小车。该系统由处理器模块、路径识别模块、电机驱动模块、舵机驱动模块、车速检测模块、液晶显示模块与电源模块等组成。实际应用表明，该小车可以在专门设计的跑道上快速平稳地实现寻迹功能。
关键词：红外光电；智能；寻迹；飞思卡尔；MC9S12DG128B

    智能汽车又称为轮式机器人，目前多用在科学探索、工业生产等场合，它是集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的智能化交通工具，是车辆工程、传感技术、人工智能、自动控制与通信导航等多个学科领域理论技术的交叉与综合，是未来汽车发展的方向。寻迹小车可以看做是缩小化的智能汽车，它的基本功能是自动识别白色场地中的任意黑色带状引导线并快速平稳地跟踪行驶。目前寻迹小车多使用CCD图像传感器路径识别方案，其优点是控制精细，前瞻距离远，缺点是成本较高且处理算法复杂。而红外反射式光电传感器具有控制简单、数据处理方便、成本低、安装灵活方便且不易受可见光的干扰等特点，且完全可以满足系统需求。本文所述的智能寻迹小车设计思路是由安装在智能车前端的红外光电传感器检测黑色引导线信息，并将检测到的路径信息送往智能小车的控制器，控制器智能分析外部环境，判断车身与引导线的相对位置，如有偏离则根据算法控制转向舵机进行方向调整，且处理器通过速度检测模块实时获取小车车速信息并给予驱动电机反馈信号使小车可以快速平稳地跟踪引导线行驶。本文主要从硬件电路方面对智能小车的设计方案进行分析，并简单介绍下部分模块的控制框图及软件流程图。

1 系统设计
    智能车系统以单片机作为处理核心，整个系统由路径识别模块、电机驱动模块、舵机驱动模块、车速检测模块、液晶显示模块与电源模块组成，如图1所示。

    其中，路径识别模块用来获取前方路况信息，以供单片机进行处理分析；电机驱动模块是智能车的动力来源；舵机驱动模块负责智能车的转向控制；车速检测模块与液晶显示模块分别用来检测与显示当前车速；电源模块负责给系统各个模块提供所需要的电压。

2 模块设计
2．1 控制器模块
    系统采用飞思卡尔公司的MC9S12DG128B作为智能小车系统的微处理器，MC9S12DG128B单片机使用16位HCS12内核，拥有丰富的片内资源，具有128 KB Flash、8 KB RAM、2 KB EEPROM，核心运算频率50 MHz，总线频率可达32 MHz。MC9S12DG128B有16路A／D转换，精度最高可设置为10位；有8路8位PWM并可两两级联为16位精度PWM，特别适合用于控制多电机系统，它还具有丰富的I／O接口，支持断点功能和背景调试模式，完全能够满足本设计的需要。
2．2 路径识别模块
    单片机通过路径识别模块对路径信息进行采集，以实现小车寻迹的功能。系统选用RPR220型红外反射式光电传感器设计了路径识别模块。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，接收器是一个高灵敏度硅平面光电三极管。红外发射管发出的红外光在遇到反光性较强的物体(表面为白色或近白色)后被折回，并被光电三极管接收到，引起光电三极管光生电流的增大，将这个变化转为电压信号，就可以被处理器接收并处理，进而实现反光性差别较大的两种颜色(如黑自两色)的识别。
    光电传感器检测电路原理图如图2所示，当发光二极管发出的光被反射回来被接收管接收时，三极管导通，此时构成电压比较器的LM324的同相输入端电压约为0，LM324的反相输入端电压取决于可调电阻R3的有效阻值，当同相输入端的电压低于反相输入端的电压时，LM324输出高电平，即Out为1，反之当发光二极管发出的光没被反射回来时，LM324输出低电平，即Out为0。电压比较器的灵敏度可以通过调节可调电阻R3来实现。

    智能车采用8对RPR220型红外光电传感器作为路径识别元件，将其等间距安装在智能车前部的传感器板上，间距约为25 mm。在一定的对地垂直高度下，由于白色赛道和黑色引导线对于红外线的反射强度不同，不同位置处红外接收管接收到的红外光强会存在较大差异。因此通过单片机读取LM324的输出电平就能检测出黑线位置，从而判断行车方向。
2．3 电机驱动模块
    系统选用工作电压为直流7．2 V的RS-380直流电机提供动力，电机驱动模块是控制小车驱动电机加速运行与减速制动的核心，因此驱动芯片的选择十分重要。系统选择了飞思卡尔公司的MC33886集成H桥驱动芯片。作为一个单片电路H桥，MC33886是理想的功率分流直流电机和双向推力电磁铁控制器。它工作电压从5～40 V，能够控制连续感应直流负载上升到5．0 A，PWM信号频率可达10 kHz；内部集成短路保护、欠压保护、过温保护等模块，安全性高；两路独立输入控制两个半桥的推拉输出电路的输出，两个无效输入使H桥产生三态输出。
    MC33886驱动电路原理图如图3所示，将单片机的两路PWM输出接到MC33886芯片的IN1、IN2脚，通过改变两路PWM波的占空比控制电机两端电压，调节直流电机转速的快慢，从而实现正转、正转制动、反转、反转制动。

    驱动电机控制框图如图4所示。为了提高智能车运行的稳定性，采用PID算法实现直流电机的转速闭环调节，PID控制器的输入量为目标车速与实际车速的差值。

2．4 舵机驱动模块
    智能车的运行方向并不是一直不变的，它应跟随引导线方向的变化而变化，智能车采用前轴转向方式，即将舵机输出盘固定在赛车前轴的中点上，利用舵机转动带动智能车转向，因此转向舵机的控制在智能车控制系统中十分重要。
    系统采用的是日本双叶公司生产的Futaba S3010模拟电路控制舵机，该舵机的输入电压为4．8～6 V，舵机的控制信号是PWM信号，PWM控制信号的周期为10 ms，其高电平的宽度决定舵机输出舵盘的角度。如果只使用单个8位PWM通道，精度为1／255，舵机的转向角细分精度不能满足转向需要。而将两个8位的PWM通道合并为一个16位的PWM通道，舵机的转向精度就可达到1／655 36，控制精度得到大幅提高。舵机模块的硬件电路比较简单，由MC9S12DG128B的PWM0、PWM1两路8位PWM通道组成一路16位的PWM通道接在舵机控制线上，即能使舵机在±45°范围内转动。
    在小车运行过程中需不断调整转向舵机，在程序编写中，每10 ms对舵机进行一次控制，设置一个舵机控制标志位，在定时中断程序中置位(每10 ms置位1次)，在舵机控制程序中清零。舵机控制流程图如图5所示。

2．5 车速检测模块
    为了使智能车能够快速平稳地跟踪引导线运行，除了要控制前轮转向舵机外，还需要控制车速，以便调整智能车在直道和弯道上的行驶速度。微控制器通过车速检测模块获取智能车的实时速度并给予电机驱动模块反馈信号，以实现对智能车车速度的闭环控制。
    系统采用霍尔传感器进行车速检测，霍尔车速传感器由8级磁钢、UGN-3030T型霍尔开关传感器、LM2917及放大电路组成。将自制的沿圆周均匀嵌入8粒磁钢片的圆盘，固定在智能车后轮轴上，智能车运行时，车轮每转动一周，由于磁场变化使得霍尔传感器产生8个脉冲信号，经放大电路处理输出到频率／电压转换器LM2917，由MC9S12DG128B的A／D转换器根据LM2917输出电压即可计算出当前智能车车速。
2．6 液晶显示模块
    液晶显示模块用来实时显示当前车速。系统选用字符型液晶显示屏1602来显示数据，1602和单片机的接口十分简单，SD0～SD7为数据端，EN为使能端，RW为读／写选择端，RS为数据／命令选择端。
2．7 电源模块
    电源模块为智能车系统的其他电路模块提供稳定的直流电源，它的好坏关系到整个系统是否能够正常工作，因此电源模块的设计十分重要。系统采用7．2 V 2 000 mAh Ni-Cd电池进行供电，但由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压不同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。
    MC9S12DG128B的工作电压为5 V，光电传感器的工作电压为5 V，直流电机的工作电压为7．2 V，舵机的工作电压为6 V，速度检测模块的工作电压为5 V，液晶显示模块的工作电压为5 V。故需将7．2 V电压转换成6 V和5 V。
    系统选用LM2941稳压芯片将电压转换成6 V给舵机供电，选用低压差线性稳定器LM2940将电压转换成5 V给MC9S12DG128B单片机、光电传感器、速度检测模块、液晶检测模块供电，直流电机直接由电池供电，电源模块结构图如图6所示。

3 结语
    本文对基于红外光电传感器的智能寻迹小车系统进行了分析与设计。着重介绍了智能车的控制器模块、路径识别模块、电机驱动模块、舵机驱动模块、车速检测模块、液晶显示模块以及电源管理模块等七部分的硬件电路设计，并给出了部分模块的控制框图及软件流程图。实际结果表明，该小车可以快速平稳地实现寻迹功能。