基于MSP430单片机的坡道行驶电动小车设计

2021-07-20孙弋婷

电子制作 2021年13期

孙弋婷

（杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州，310018）

0 引言

智能小车又称轮式移动机器人，是近年来发展起来的新兴技术，能够按预设模式在特定环境中自动移动，无需人工干预，现广泛用于线路巡检，科学勘测、安全监测、现代物流等方面。本文所设计的系统正是基于这样的背景下, 结合全国大学生智能汽车竞赛与科研应用, 以MSP430单片机为核心控制单元，通过红外传感器进行信息采集，利用增量式PID 算法控制电机，实现了小车的自动实现寻迹、车速控制和停车等功能。

1 系统总体设计

坡道行驶电动小车系统架构图1所示，由MSP430F5529单片机最小系统，电源模块，红外模块，舵机模块、直流减速电机驱动模块构成。系统采用红外传感器检测路面上所做的黑色标记线，根据预先设定的位置信息判断当前运行状态，输出PWM波对舵机进行控制，舵机的左右摆动控制车身转向，达到循迹的目的。同时，为实现控速要求还需要将目标时间作为输入，通过查表法获得固定时间目标脉冲数，由PID计算得精确的PWM波进行电机转速的控制，使到小车在设定时间内完成坡道行驶的任务。

图1 坡道行驶电动小车系统架构

2 硬件系统设计

■2.1 系统主控电路

主控模块选用MSP430F5529芯片，该单片机是16位精简指令集（RISC）结构的混合信号处理器，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址），简洁的内核指令以及大量的模拟指令；有63个可编程的I/O口线，为用户提供了丰富的I/O口资源、4个16位定时器，8+2^KB字节RAM，128KB的Flash，12位ADC，支持 UART 通信，最高主频可达25MHz。

■2.2 电源电路

给线性 CCD 和红外模块以及 OLED 屏幕供以3.3V电压，采用 TI 公司的一款 LDO—TPS7333，使用 5V 电压给芯片供电，RESET引脚和输出引脚要加一个 250kΩ的上拉电阻，输出端和地之间放一个钽电容和一个 1Ω电阻使输出电压更稳定。如图2所示。

图2 3.3V 系统电源

舵机使用 6V 电压供电，采用 TI 公司的 TPS565201降压芯片，输出电压Vout = 0.760＊(1+R7/R8)，取R7=6.9k，R9=1k，输出电压为 6V。如图3所示。

图3 小车系统舵机电源

■2.3 电机驱动电路

采用直流减速电机。通过控制电流改变小车行驶速度，其内部集成减速齿轮箱，提供较低的转速，较大的力矩，速度较步进电机快。减速器效率高达95%以上，且其具有能耗低、噪音小保护性能好，对环境适应性强等特点，为小车的行驶提供了保障。如图4所示。

图4 电机驱动电路

3 系统软件设计

电动小车系统工作流程如图5所示，系统主要任务是根据当前路线与预期路线的偏差实现小车循迹的控制，通过编码器配合速度环，进行匀速控制，提前测试赛道脉冲个数，通过时间与剩余脉冲与当前速度做差值当作误差，进行增量式PID控制。

图5 坡道行驶电动小车系统总流程图

■3.1 路径识别模块

采用红外对管传感器和CCD传感器联合使用，有效防止红外检测不到或者CCD 丢线误判的情况。工作时，CCD返回一条线（128 个ad 值）的模拟量灰度值，可以对舵机进行精确控制。由于木板颜色趋于黄色，灰度值介于黑白之前，所以黑色小格在 CCD 上呈现波谷的图像，白色小格呈现波峰的图像，通过找波峰波谷中间值，与镜头中心坐标进行做差当作循迹的误差，以此进行位置式PID控制，停车线所采图像平均值明显小于其他位置，可用此判断停车线，通过红外二次判断，其中任意两个红外检测到黑色即为停车，两次判断达到精准停车。其中红外用于 CCD 丢线处理，当在弯道行驶时，CCD 采集灰度值并非垂直弯道，导致误差值较小，容易丢线，通过红外检测到黑线适当增大CCD循迹 PID 参数，使得 CCD 能够完美循迹。如图6-9所示。

图6 直道黑色小格图像

图7 直道黑色小格图像

图8 停车线图像

图9 弯道黑色小格图像

■3.2 匀速时间控制算法

PID 控制器1[5]是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差。将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 PID 控制器，原理框图10所示。

图10 PID控制器原理图

在计算机控制系统中，使用数字 PID 控制器，控制规律如式 (1)。

式中KP为比例系数；TI为积分系数；TD为微分系数；T 为采样周期；e(k )为第k 次偏差；e(k-1)为第k-1 次偏差。

当执行机构需要的是控制量的增量，可以采用增量式PID，由上述公式推导可得：

可以看出由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了Kp、Ti、DT，只要使用前后三次测量值的偏差，即可由公式求出控制增量。

4 系统测试与误差分析

根据本系统的设计要求已完成硬件电路的组装，控制制定的木板倾斜不同的角度（0°～35°），并手动设置不同的行驶时间，小车沿标记线自动骑线行驶，在停车点停车。最后通过秒表和刻度尺得出实际行驶的时间和小车上标记点到停车标记中心线的垂直距离误差。板设置在 30°以内时，小车的实际运动时间与设定时间的误差绝对值皆小于等于1s，且小车上标记点到停车标记中心线的垂直距离误差小于等于2cm。误差绝对值如图11所示。