系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

　　競(jìng)賽規(guī)則規(guī)定，智能車系統(tǒng)采用飛思卡爾的16 位微控制器MC9S12XS128 單片機(jī)作為核心控制單元用于智能車系統(tǒng)的控制。在選定智能車系統(tǒng)采用光電傳感器方案后，賽車的位置信號(hào)由車體前方的光電傳感器采集，經(jīng)XS12 MCU 的I/O 口處理后，用于賽車的運(yùn)動(dòng)控制決策，同時(shí)內(nèi)部Pulse-Width 模塊發(fā)出PWM 波，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)對(duì)智能車進(jìn)行加速和減速控制，以及多個(gè)伺服電機(jī)對(duì)賽車各個(gè)部位的轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，使賽車在賽道上能夠自主行駛，并以最短的時(shí)間最快的速度跑完全程。為了對(duì)賽車的速度進(jìn)行精確的控制，在智能車后軸上安裝光電編碼器，采集車輪轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)，經(jīng)MCU 捕獲后進(jìn)行模糊PID 自動(dòng)控制，完成智能車速度的閉環(huán)控制。此外，還增加了鍵盤作為輸入輸出設(shè)備，用于智能車的角度和方位控制。系統(tǒng)總體方框圖如圖1。

　　根據(jù)以上系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，賽車共包括七大模塊：MC9S12XS128 主控模塊、傳感器模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測(cè)模塊、輔助調(diào)試模塊。各模塊的作用如下。

　　MC9S12XS128 主控模塊，作為整個(gè)智能車的“大腦”，將采集光電傳感器、光電編碼器等傳感器的信號(hào)，根據(jù)控制算法做出控制決策，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和伺服電機(jī)完成對(duì)智能車的控制。

　　傳感器模塊，是智能車的“眼睛”，可以通過一定的前瞻性，提前感知前方的賽道信息，為智能車的“大腦”做出決策提供必要的依據(jù)和充足的反應(yīng)時(shí)間。

　　電源模塊，為整個(gè)系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和伺服電機(jī)完成智能車的加減速控制和轉(zhuǎn)向控制。

　　速度檢測(cè)模塊，檢測(cè)反饋智能車后輪的轉(zhuǎn)速，用于速度的閉環(huán)控制。

　　輔助調(diào)試模塊主要用于智能車系統(tǒng)的功能調(diào)試、賽車狀態(tài)監(jiān)控等方面。

　　智能車傳感器模塊設(shè)計(jì)

　　在確定智能車總體方案時(shí)，我們選擇光電傳感器的方案。為了獲得更大前瞻距離，為控制系統(tǒng)后續(xù)處理贏得更多的時(shí)間，在從眾多光電傳感器中選擇了大前瞻的激光傳感器，前瞻距離可以達(dá)到普通光電傳感器的數(shù)倍甚至十幾倍，完全滿足競(jìng)賽的要求。

　　1 光電傳感器的原理

　　光電傳感器檢測(cè)路面信息的原理是由發(fā)射管發(fā)射一定波長(zhǎng)的紅外線，經(jīng)地面反射到接收管。由于在黑色和白色上反射系數(shù)不同，在黑色上大部分光線被吸收，而白色上可以反射回大部分光線，所以接收到的反射光強(qiáng)是不一樣，進(jìn)而導(dǎo)致接收管的特性曲線發(fā)生變化程度不同，而從外部觀測(cè)可以近似認(rèn)為接收管兩端輸出電阻不同，進(jìn)而經(jīng)分壓后的電壓就不一樣，就可以將黑白路面區(qū)分開來。

　　2 激光傳感器的設(shè)計(jì)

　　激光傳感器與普通的光電傳感器原理都是一樣，但是其前瞻能力遠(yuǎn)大于普通的光電傳感器，可以達(dá)到40~50 cm，對(duì)于智能車來說已經(jīng)足夠。在競(jìng)賽中，規(guī)則規(guī)定傳感器最多不能超過16 個(gè)，我們選用了15個(gè)激光傳感器，所有的傳感器呈“一”字排布。激光傳感器由兩部份構(gòu)成，一部份為發(fā)射部份，一部分為接收部份。發(fā)射部份由一個(gè)振蕩管發(fā)出180kHz 頻率的振蕩波后，經(jīng)三極管放大，激光管發(fā)光;接收部份由一個(gè)相匹配180KHz 的接收管接收返回的光強(qiáng)，經(jīng)過電容濾波后直接接入S12 單片機(jī)的PA 與PM口，檢測(cè)返回電壓的高低。由于激光傳感器使用了調(diào)制處理，接收管只能接受相同頻率的反射光，因而可以有效防止可見光對(duì)反射激光的影響。

　　為了簡(jiǎn)化15 路激光傳感器的控制，減少激光傳感器相互之間的干擾，傳感器的控制采用了分時(shí)發(fā)光的策略，使用74LS154 作為分時(shí)控制器，由S12 的3 個(gè)IO 口來控制7 組傳感器的開斷，同一時(shí)間控制每組相隔最遠(yuǎn)的兩路傳感器發(fā)光，這樣接收管就接收不到相鄰傳感器發(fā)射的激光了，因而達(dá)到了防止相互傳感器之間干擾的目的。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 邵貝貝. 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[LC/OS-Ⅱ(第2 版)[M]. 北京.清華大學(xué)出版社.2004

　　[2] 邵貝貝. 單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法[M].北京.清華大學(xué)出版社.2004

　　[3] 王曉明. 電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京. 北京航空航天大學(xué)出版社.2002

　　[4] 臧杰，閻巖. 汽車構(gòu)造[M]. 北京. 機(jī)械工業(yè)出版社.2005

　　[5] 安鵬，馬偉.S12 單片機(jī)模塊應(yīng)用及程序調(diào)試[J]. 電子產(chǎn)品世界. 2006.第211期. 162-163