低成本光电寻迹智能车设计与实现

　　智能车竞速比赛以及多种智能车的应用场合中，需要智能车沿着某条轨迹快速前进，使用普通红外传感器、激光传感器、摄像头识别均可有效提取路面轨道信息而解决这一问题，现在常见使用16位单片机作为控制核心。普通红外传感器因为易受干扰、前瞻距离短等缺点已经较少使用，摄像头有丰富的数据信息，但是低成本8位单片机不能很好的处理这些信息。激光传感器成本适中，处理的信号便于8位单片机处理，能够有效的节省硬件成本。针对寻迹智能车进行了软硬件设计，采用3位freescale单片机MC9S08AC16作为控制核心，使用激光传感器提取赛道信息，采用低成本的红外测速方案，算法使用以PID为基础的枚举查表法，做到了处理快速高效。整个设计既满足了竞速小车的响应迅速的要求，又是一种较低成本的设计方案。

　　1 车模安装

　　智能车的控制采用的是前轮转向，B型车模采用的是国内厂商生产的1:16的电动越野遥控车的底盘部分，突出特点为四轮驱动，四轮独立悬挂。反射式光电传感器在小车前方一字形简单排布，14个发射，7个接收，一个发射带两个接收，传感器的前瞻可以达到40cm以上，两个激光发射头间距1.8cm.传感器单元安装图如图1所示。

　　图1 改装后智能车

　　系统选用红外传感器作为测速传感器把红外传感器安装在后轮上，在后轮的内壁贴上黑白等距的胶带，这样子安装就充分利用了空间，且完成了测速的要求。红外传感器测速安装图如图2所示。车轮转动时，红外传感器将会输出脉冲电平，检测脉冲频率将得到小车速度。这种测速方法无法达到光电解码器的精度，但是对于小车的速度处理并没有太大影响，而光电解码器价格昂贵，安装在齿轮上，同等电源和PWM的输出时，小车速度会变慢。

　　图2 红外传感器测速的安装

　　2 硬件设计

　　电源管理模块采用7.2 V 2 000 mAh Ni-Cd蓄电池作为系统能源，并且通过降压稳压电路分出6 V，5 V分别给舵机和单片机等供电；使用H桥及其相关器件做了直流电机驱动模块；转向伺服舵机控制智能车转向；用红外传感器测量模块实时测量智能车车速；采用激光传感器作为赛道的检测；系统充分使用了M9S8AC16CG单片机的外围模块，具体使用到的模块包括：定时器模块、PWM脉冲宽度调制模块、中断模块、I/O端口和实时时钟模块等。

　　2.1 最小系统及主板

　　系统采用的常规使用的最小系统板，以MC9S08AC16为核心的单片机系统的最小系统主要包括以下几个部分：时钟电路（外接的8 MHz的石英晶振）、电源电路（提供5 V直流电源）、复位电路、BDM接口（通过BDM头向单片机下载和调试程序）。

　　主板上有组成本系统的主要电路，具体包括：

　　电源稳压电路 7.2 V的电池电源将会通过3个集成稳压电路处理成两个5 V、一个约5~7.2 V的可调直流输出，其中一个5 V直流电源供单片机和相关外设工作，另外一个5V直流单独供激光传感器工作，可调直流输出供舵机工作，采用这种电源设计方式，可以提供所需不同大小的电源，同时在舵机、激光传感器工作时不会影响单片机的工作电源。

　　接口电路 包括舵机接口、电机驱动接口、电源接口、调试用人机界面电路接口、单片机最小系统插座。

　　电机驱动板作为一个独立的单元制作的直流电机“H”型双极性驱动电路。

　　2.2 传感器模块

　　采用14个发射，7个接收，两个发射一个接收为一组一字排开。每次选中不相邻两个发射管发射，由两个接收譬分别接受。AC16单片机的IO端口进行控制，由74LD164驱动选择要发射的传感器，由一个555芯片发出100 kHz的频率震荡波，激光管发光。接受部分有一个相匹配的100 kHz的接收管接收返回的光，7路接收管的接收信号直接进单片机。传感器原理如图3所示。

　　图3 激光传感器原理图

　　3 软件设计

　　3.1 软件设计概要

　　系统的主函数将执行图4所示流程图对应的程序。调试程序可以完成的功能有：检验传感器故障、调试速度控制参数、舵机中点设置、舵机转角参数控制等。传感器数据的读取特指激光传感器的读取，在定时器程序中，每5 ms开始新的一轮激光扫描，每125μs更换1组激光发射管，每组发射两个不相邻的激光信号，所有激光发射5遍之后，3次以上检测到赛道轨迹信号才确认有效，此时才会设置传感器数据读取完成标志，所以系统每5 ms进入后续程序执行。小车舵机转向控制、速度控制稍后详细论述。对于小车马达速度控制则为闭环控制，采用bang-bang控制与P算法控制相结合，小车的速度读取采用了输入捕捉功能完成，车子运动时，车轮转动，每转过1/5圈，红外传感器就会输出一个完整的脉冲周期，通过读取红外传感器的输出脉冲频率确定小车的速度。

　　图4 软件设计流程图