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自平衡载物小车系统设计,平衡,小车,系统,设计
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自平衡载物小车张定思 朱园园 吴毅彬摘要本文介绍了我们准备第五届华南理工大学智能控制大赛高级组自平衡载物小车的工作情况。本小车硬件平台采用MC9S12DG128处理器，软件平台为CodeWarrior IDE开发环境，车模采用大赛组委会统一的规格：150mm*100mm，底板采用厚实的木板，然后在把其余各部分逐步安装上去。本文着重介绍小车控制系统的软件硬件结构和开发流程。本自平衡载物小车具有自动寻路、自平衡载物台、屏幕实时输出、IC卡开启等功能，具有操作简单、运行平稳、人性化设计、功能强大的特点。本例使用Freescale company的33886作为电机驱动芯片，使用1个舵机驱动前轮换向，再用1个舵机驱动自平衡载物台。基于LM2596芯片制作成直流减压系统供电动机运行，还有TX125系列读写模块，供ID卡开启功能。关键字：智能车，自平衡，自寻路，舵机，MC9S12DG128一、 方案论证与比较11 控制器部分方案一：使用MC9S12DG128作为控制器。MC9S12DG128微控制器是Motorola公司M68HC12系列16位单片机中的一种，其内部结构主要有单片机基本部分和CAN功能块部 分组成，基本结构包括：中央处理器单元 HCS12（CPU）、2个异步串行通信口SCI、2个同步串行通信口SPI，8通道输入捕捉/输出比较定时器，1个8通道脉宽调制模块以及49个独立数 字I/O口（其中20个具有外部中断及唤醒功能），在片内还拥有128KB的Flash ROM，8KB的RAM和2KB的EEPROM，CAN功能块包括两个兼容CAN2.0A/B协议的msCAN控制器组成，这些丰富的内部资源和外部接口 资源可以满足ECU对各种数据的处理、CAN网络数据的发送和接收要求，芯片集成了两个msCAN12模块，能够实现高低速CAN网络的网关节点功能。 方案二： 采用ATMEGA16作为控制器。ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。本系统是一个标准的嵌入式运动系统，对控制器要求高，而且数据采集量大，处理量也大，控制器的好坏对小车的运行稳定有重要影响。综合考虑各方面条件后，决定使用MC9S12DG128作为本系统的控制器。12 换向部分方案一：使用舵机作为换向驱动。舵机安装方便，直接对前轮输出控制信号，直接方便，较容易实现，而且节省材料。方案二：使用2个电机，分别控制左右边轮子。换向时一边轮子正转，另一边轮子反转。使用这种方法，需要2个电机，增加控制难度，2个左右轮子不同向时，对小车平稳性影响较大。本系统小车有自平衡载物台，对小车不仅要求走得快，而且走得稳定。综合考虑各方面条件，选用舵机方案作为换向驱动。13 自平衡部分方案一：采用水银开关作为检测器。安装方便，调节方便，效果不明显。方案二：采用加速度传感器作为检测器。检测不稳定，输出误差较大。方案三：在车底安装两片金属片，上下坡两片金属片相接触，引起电压变化，通过检测这电压变化，调节载物台角度。 本系统使用加速度成本高而且输出不稳定，使用水银开关具有取材方便，实时调节等优势，但效果不明显。在车底加装金属片简单可行，效果好。故选用方案三为最佳方案。二、 系统的具体设计及实现21 系统总框图MC9S12DG128芯片 道路信息采集上下坡信息采集换向舵机自平衡载物液晶实时显示IC卡启动33886电机驱动电机电源驱动根据以上系统方案设计，自平衡载物小车共9个模块：MC9S12DG128主控模块、道路信息采集模块、上下坡检测模块、电源模块、电机驱动模块、自平衡载物模块、换向舵机模块、液晶实时显示模块，IC卡启动模块。各模块的作用如下：MC9S12DG128主控模块，作为整个自平衡载物小车的“大脑”，将采集光电传感器、光电编码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机完成对小车的控制。道路信息采集模块，是智能车的“眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛道信息，为小车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。上下坡信息采集模块，为自平衡载物台改变输出角度输入采集数据。电源模块，为整个系统提供合适而又稳定的电源。电机驱动模块，驱动直流电机完成小车的加减速控制和转向控制。自平衡载物模块，根据速度信息，改变载物台角度使台上物体平稳安放。换向舵机模块，作为小车前轮换向角度驱动。液晶实时显示模块，实时显示小车运行情况。IC卡启动模块，小车经过刷卡才可以启动。2.2硬件设计2.2.1 电源模块电源模块为系统其它各个模块提供所需要的电源，设计中，除了要考虑到电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。整个系统需要为以下模块供电：l 为单片机供电（5V）；l 为传感器供电（5V）；l 为电机驱动供电（7.2V）；l 为舵机供电（转向舵机和自平衡舵机）（6V）；2.2.2道路信息采集模块红外传感器利用红外传感器对赛道黑线光线反射特点，确定车的位置定位，研究最优算法使小车不偏离轨道并且以最大速度完成比赛。采用红外传感器，红外传感器分为发射和接收两部分，其中发射管发射红外光或者激光等特定光线，当照射在白板上，由于光的反射使接收管能够接收到反射光信号，此时接收管的信号端会有相应的电平变化，当照射在黑线上，由于光被黑线几乎吸收，接收管基本上接收不到光信号，此时接收管的信号端会发生相反的电平跳变，这样就能够将黑白线区分开了。市场上的红外对管有比较好的性能，它可以有很高的灵敏度。为了对于赛车的有较大前瞻性，可以适当把红外传感器尽可能隔较宽宽度和离车头较远距离放置，实现前瞻性循线控制。而且红外对管由于光斑可见，对于安装调试能够提供很大方便，所以选择的是红外对管8个，在车前5cm的地方排成一字形。2.3电机驱动模块和舵机驱动模块-主电机及舵机驱动2.31电机驱动在本次比赛中，后轮电机驱动电路的MC33886驱动芯片允许的频率范围是5KHZ20KHZ,当频率低于5KHZ的时候，MC33886芯片会发出刺耳的尖叫声，而当频率大于30KHZ时，电机不转。因此采用了20KHZ的PWM输出频率供给MC33886，选择PWM01和PWM23通道作为后轮电机的驱动源。2.32舵机驱动在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。就象我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。3. 舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的： 0.5ms-0度； 1.0ms-45度； 1.5ms-90度； 2.0ms-135度； 2.5ms-180度；2.4串口模块在智能车的制作和调试过程中，需要将赛车检测到的路面信息以及速度等参数实时地发送给单片机，以便对算法进行有针对性的分析。由于小车在行驶时通过有线的方式获得其运行参数，就需串口方式。2.5.无线串口传送数据模块异步串行通讯（SCI）是单片机和外界进行通讯的最常用方式之一。SCI最常用的标准是EIA RS-232C，它是由美国电子工业协会正式公布的一种SCI标准，通常称为RS-232标准。在RS-232标准中电平采用负逻辑，即低电平-3-15V代表逻辑“1”，高电平+3+15V代表逻辑“0”。而单片机采用的CMOS标准则是正逻辑，即高电平35V代表逻辑“1”，低电平00.8V代表逻辑“0”。所以需要一个转换芯片把与TTL电平兼容的CMOS电平转换为RS-232电平。RS-232的接口信号有10个，除了发送（TXD）、接收（RXD）和地（GND）信号外，还有用于控制的通信应答信号。但在一般的数据通讯中可以只使用TXD、RXD和GND。计算机的串行口是按照数据终端设备（DTE）定义的，如果单片机的串行口按照数据通讯设备（DCE）定义，计算机的串行口可以和单片机的串行口直接对应相连；如果单片机的串行口也是按照DTE定义，则要把两个串行口的RXD和TXD交叉连接。异步串行通讯中“异步”的含义是没有共同的时钟用以同步，所以必须约定通讯数率，通常用波特率表示。波特率的含义是1秒中发送的数据位数。RS-232标准中波特率的范围是5011520bps。MC9S12DG128内集成两个SCI模块，分别称之为SCI0和SCI1。其特点是：l 半双工/全双工模式l 13位波特率寄存器l 8位/9位可编程数据位l 独立的发送和接收l 可编程的发送极性l 8中中断类型标志l 接受结构检测l 硬件极性检查l 1/16位时间噪声检测2.6 IC卡模块2.6.1简介2.6.2硬件描述2.3软件设计2.3.1道路信息采集策略采用的光电传感器信息采集方式流程图如图所示：判断黑线是在车的左侧，右侧和中间。 设中间2个传感器检测到黑线，则认为黑线在车的中间。检测车的位置是2.8ms一个周期，但只根据一个状态无法判断车是处在直道，弯道还是S道。我们可以把之前的状态和现在的状态进行存贮，计算处理，从而最终判断智能车是处在那一种路面情况，然后根据处理程序进行舵机和电机的调节。3.2速度控制策略当小车在直道行走的时候，可以给最高速度；当小车在弯道出直道时，速度相对高速；当小车直道入弯的时候，速度突然减下来；当智能车在弯道时，相对低速。速度的程序流程图如图所示3.3方向控制策略根据红外传感器采集回来的道路信息，进行存储、分析和计算。当不同位置的传感器检测到黑线，舵机的PWM模块就给不同的值，使舵机摆动不同的角度。由前面得到的道路状态信息，而增加相应权值不一样的摆动角度。当小车在直线上高速行走的时候，中间2个传感器检测到黑线的舵机摆角，比原来基数的舵机摆角更加小。当小车的舵机摆角不正，跑直道有振荡的时候，这样可以使小车在直道高速运行的时候，左右来回振荡变小。当刹车标志位置1的时候，表明小车正在过弯道，可以把传感器两端的6个传感器相应的摆动角度变大，更有利于转过弯。舵机函数的流程图如图所示。3.4自平衡控制策略根据采集到上下坡数据，通过分析、调试、运算，输出PWM电压供自平衡舵机改变角度，使物体平稳安放。自平衡函数控制流程图如下：程序开始上下坡检测启动舵机调节载物台退出三、测试、结果及分析31 基本功能 表3-1要求实现功能测试结果车上安装平板可根据路面自动调节角度。载物平板由舵机控制，可根据路面情况自动调节角度小车可根据黑线指引识别道路实现了自动寻路功能小车载物完成任务总耗时不超过25s进过测试，小车完成任务时间在8秒左右32 发挥功能部分 表3-2功能是否实现及描述具有液晶实时显示功能实现了小车无线发送信息到液晶上显示车底金属感应片检测上下坡情况ID卡模块小车刷卡启动车前防撞栏设计发生故障脱离跑道时，可以保护车前红外传感器四、总结本文详细介绍了为第五届智能控制大赛自平衡载物小车系统方案。该系统以Freescale16 位单片机MC9S12DG128 作为系统控制处理器，采用基于红外传感器采样获取赛道信息，通过检测
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