基于单片机的智能风动力寻迹小车

2019-02-14高文博

电子制作 2019年2期

高文博

（山东诸城繁华中学，山东诸城，262200）

0 引言

智能车内部设有的综合系统能够进行自动控制，是现代科学成果中的一项高新技术综合体。本文中论述的智能风动力寻迹小车的设计研究中，采用瑞萨32位单片机R8C/38A作为智能车的控制核心，采用闭环PID控制以及红外线传感器等技术，实现对路线的自动识别控制，通过控制舵机开环比例，让模型车能够自主寻迹行驶。

1 单片机的智能风动力寻迹小车总体设计方案

■1.1 单片机的智能风动力寻迹小车系统设计

单片机的智能风力寻迹小车系统设计中，将单片机控制模块、路径识别模块、电机驱动模块、通信及调试模块等模块组成MCU智能车系统，其中，控制模块利用瑞萨单片机R8C/38A进行核心控制，采用八个红外传感器构成路径识别模块进行路况信息采集，并将所采集到的信息输送至单片机内进行信号分析处理，处理完成后发出PWM波，对转向舵机以及驱动电机进行分别控制，这一控制能够实现智能车的基本行进运动。模型车的车架后方装有OMRON E6A2-CS3E/200P旋转编码器采集车轮转速，通过该装置可更加精准的对模型车车速进行精准控制，由控制单元进行脉冲信号的接收处理工作，并通过PID控制算法计算出PWM占空比，能够提升智能车的车速，并进行精准控制。采用四轮驱动以及无线收发模块，加装LED指示灯。图1为模型车控制系统结构示意图。

图1 模型车控制系统结构示意图

■1.2 单片机的智能风动力寻迹小车的电源模板设计

单片机的智能风动力寻迹小车电源设计中，采用八块5号2000 mAh充电电池进行供电，电池可进行充电，满足模型车断电状态下的工作需要。在单片机的智能风动力寻迹小车电源模块设计中，满足自行调节电压的电源模块设置，驱动电路能够直接对电机进行供电，单片机的智能风动力寻迹小车运行电压在4.8～6 V的范围区间，通过对单片机的智能风动力寻迹小车电源模板的设计，能够实现模型车的电能供应，蓄电电池可作为模型车的主要动力来源，单片机的智能风动力寻迹小车能够将电能良好转化。

■1.3 单片机的智能风动力寻迹小车的路径控制

在对单片机的智能风动力寻迹小车进行路径识别模块的设计时，采用八组红外线传感器组成整套传感器板。首先设置一组红外线传感器进行闸门的检测，通过该项传感器控制闸门的开关，控制智能车是否启动。余下七组红外线传感器皆用于进行路径检测工作。传感器进行路况感应，并将路况信息传达到单片机，对模型车行使的速度与转向舵机转动角度进行智能控制，安装红外线发光二极管TLN119作为白色发射光线，而发射在赛道的为红外线；安装光传感器S7136作为黑色吸收光线。当有光线被反射到其接受面上时，则转化数字信息“1”输出到单片机，证明有光线被反射到其接受面上，反之则证明没有光线被反射到其接受面上。单片机的智能风动力寻迹小车采用单片机PWM信号进行电机驱动，在这一设计中利用脉宽控制进行驱动信息处理，保证对模拟量的电压处理的简便性，利用CPU能够更好的处理数字量“1”和“0”，能够对其进行有利控制。在模型车顶端安装有一个螺旋桨，通过遇风情况下螺旋桨的高速旋转，能够使风能转化成为电能，作为部分能源供应。与此同时，模型车 H桥电路能够实现电机的旋转以及速度控制，将电机设置在电桥的中心位置，在电机两侧分别设置四个场效应管，将之构成一个H形桥，通过改变H形桥的位置形状，改变四个场效应管的状态，便能够进行对电机的正、反转控制[1]。

2 基于单片机的智能风动力寻迹小车研究

■2.1 模型车控制系统研究分析

模型车控制系统中的控制模块主要运用瑞萨32位单片机R8C/38A作为CPU板。将HEW软件作为编译软件。HEW软件是利用嵌入式系统设计而成，该设计作为后台系统，能够保证整个应用程序的循环作用，利用循环作用中的函数规律完成相应指示。通过HEW软件进行工程窗口、编辑窗口等内容的设置，工程建立完成后通过编译与修改，从而生成二进制目标文件，而后利用 fl ash 编译工具固化至单片机的Flashrom中。程序服务的中断级可以处理在正常工作时遇到的异常事件，此项操作的处理时间的相关性很强，也是作为系统处理中一项关键操作。前后台系统在实际应用中占据优势，系统成本低且任务较为单一，具有执行效率高且资源分配灵活的显著优势。在此基础上，除了对模型车设置了紧凑的硬件资源，还配备了模式切换、信号处理、信号采样等等附加功能，满足模型车的基本工作需要。模型车控制系统主要利用C语言进行编程，这一技术具有汇编功能强、信号处理能力强以及灵活性强的特点，容易移植。在对智能车进行方向控制时，利用单片机发出的PWM信号传输至舵机，对舵机转向角度进行控制。对模型车进行方向控制时应综合考虑，选取控制简单安全、且一旦出现偏差能够及时挽回的比例控制技术[2]。

■2.2 模型车速度控制研究分析

对模型车速度控制的研究分析可知，为实现模型车能够快速且平稳的在赛道上行使，则需利用电能作为源动力，采用四个直流电机对模型车的四轮进行驱动，在进行初期调试时，测出模型车的平均速度超出2.2m/s，一旦模型车的四轮同时进行直流电机的驱动，则会严重影响转向效果，所以应把控好模型车的速度，采用合理差速控制策略。差速值的计算比较简单，首先利用模型车的自身结构以及赛道形式进行计算，得出每一个轮子的速度比，由此进行差速表的绘制。计算每一直流电机在实际输出时的PWM占空比，保证每个轮子能够在转弯时进行不同速度的转动。根据差数值的不同，大致可以分为三种：阿克曼式、中轴式、传感器相关式[3]。本文中所研究的单片机智能风动力寻迹小车模型采用的是中轴式差速值，智能车在进行转向时先由前两轮受到舵机控制，后两轮不变动，始终保持同一轴心。一般来说，当模型车处于行使时，先由内部的红外线传感器进行赛道状况的分析，将对赛道状况的分析结果作为智能车是否加速或者减速的一句。采取一定策略，将控制程序中的模式进行转化，使之变更为速度设定值模式，并利用闭环反馈系统的方法以及PID控制算法进行车速控制，其目的能够使模型车保持稳定行使，并在弯道转弯时更好的控制车速，防止由于模型车转弯不够灵敏，造成冲出赛道等情况的发生。

■2.3 模型车设计方案检测研究

模型车设计方案完成后，通过安装操作将模型车组装完整后，还需进行模型车的调试。首先，应检查供电电路是否正常供电、编码器与传感器是否能够正常开启。在进行电路检测时，可利用万用表对各组供电模块进行电压测试，通过测试结果查看电压与供电是否正常。之后，使车轮处于悬空状态并启动模型车，查看电机驱动能否正常工作，传感器的测试可将传感器板放置在地面，以检测传感器的信号接收是否正常无阻，这一项检测结束后便完成了模型车的基本静态检测。进行动态检测时，应将模型车放置到赛道上进行检测，首先应对不同赛道进行单独的测试，综合对模型车进行弯道、直道、换道等具有针对性的赛道测试，记录在实际行驶过程中出现的问题，并对其进行相应调整。直到模型车行使在赛道上能够稳定且快速的行驶过不同赛道，才能够进行最后的整圈行使测试[4]。