基于激光二极管的智能循迹小车的硬件设计

    全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件，制作一个可自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，完成时间最短者为优胜。该竞赛涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机和机械等多个学科的内容。文中基于此竞赛为背景，设计了一套智能车控制系统。本系统针对智能车的路径检测，提出了一种基于激光强反射原理的实现方案，实现了高精度的路径检测效果。该系统利用MC9S 12XS128控制器，对红外接收传感器采集到的道路黑色引导线的信息与测速模块反馈的车速信息进行分析并处理，然后根据道路前方黑色引导线距车体中心线之间的偏差，分别送出控制信号给转向舵机和电机驱动模块，进而控制车辆实现快速稳定的自主循迹行驶。

1 系统硬件总体设计方案
    该系统硬件设计主要由MC9S12XS128控制核心、电源管理模块、激光发射及接收模块、舵机控制模块、直流电机驱动模块、车速检测模块、串口及调试接口模块、数码开关与LED指示模块等组成，整个系统构成一个速度闭环控制系统，其结构如图1所示。图中，拨码开关及LED指示模块主要用于选择车辆的运行模式，即可在程序中实现几种运行的算法，而通过拨码开关便可实现快速切换，以适应不同的运行环境。

2 核心控制主板设计
    系统的核心控制板是MC9S12XS128的最小硬件系统。其是由MC9S12XS128芯片、时钟晶振电路、复位电路、BDM接口电路、RS232串口电路、滤波电容、电感及接插件等构成。该S12XS系列单片机是在S12XE系列基础上去掉XGate协处理器的单片机，采用了S12X V2 CPU内核，可运行在40 MHz总线频率上，带有ECC模块、2个SPI模块、2个CAN总线模块。同时2个SCI串行通信模块支持LIN总线，4路外部事件触发中断输入端口，8路16位计数器，8路PWM及16路8位、10位、12位A／D，转换时间为3μs。通过BDM接口可向目标板下载程序，还可完成基本的调试功能，如设置断点、读写内存、读写寄存器、单步执行程序、运行程序、停止程序运行等。另外，通过串口可向PC机上传采集到的路径数据及其他测试数据。

3 各模块电路设计
3．1 电源管理模块
    电源模块除了为单片机、传感器、舵机和电机驱动等供电外，还为运算放大器提供正负双电源。因此需提供多种电压值以满足各模块的要求。另外，设计所使用的Ni—cd蓄电池在电量充足时，其空载电压约有8 V，而且随着电池的消耗，电压逐渐降低。另外电机启动及反转制动时的电流过大，也可能将电池电压拉至更低。为避免由于电源电压的不稳定而影响单片机和传感器及其信号放大电路的正常工作，本电源设计使用了DC—DC变换芯片MC34063以及低差压稳压器LM2940和LM2990。通过MC34063输出稳定的+8 V电压给激光发射二极管，再由LM2940将+8 V变压为+5 V给运算放大电路及测速电路提供正电源。而运算放大器的负电源则通过一个自绕的变压器L2感应输出一个-8 V电压，再经过LM2990稳压成-5 V电压供给。MC9S12XS128单片机和红外接收电路所需的+5 V电压则由电池电压直接串入LM2940稳压所得。在Ni—cd蓄电池与电源输入之间还串入了一个共模电感L1作为隔离，由此电机驱动电路便可连接电池两端，从而保证电机的动力，并且有效抑制电机产生的高频干扰串到电源模块中，同时也确保了系统在各种速度下的稳定运行。其电源管理模块电路原理如图2所示。

3．2 红外激光发射及接收模块
    包括了红外发射传感器和红外接收传感器两部分。为使小车拥有远瞻及高精度的优势，系统选用红外激光二极管HLD780060H7J作为红外发射传感器。此发射器是一种半导体激光二极管，发出的波长为780 nm，工作电压为DC=2 V，工作电流<125 mA，发射功率可达60 mW，反射效果可满足要求，只需加装一套可聚焦的透镜，其发射能力不但会加强一倍，且还实现了精度可调的功能，需只要对透镜稍作调节即可调整其聚焦精度。而接收器可采用一种高灵敏度硅光敏三极管。本智能车对路径的检测原理是通过红外激光发射管发出的红外光在遇到反光性较强的物体后被反射回来，并被光敏二极管接收，使得光敏二极管的光生电流增大，再将这一变化电流转换为电压信号，由处理器进行A／D转换及比较判断，进而实现反光性不同的两种物体的识别。

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    具体的红外发射及接收电路原理图如图3所示，图中左半部分为红外激光发射电路。从发射电路图可见，只需一个三极管Q1(N5551)即可直接驱动红外激光二极管HLD780060H7J，其控制信号则是一个频率为40 kHz的调制信号，由控制器产生。图中右边部分为红外接收电路，其红外接收的光敏二极管是一个PN结，需提供一个反偏电压，所以反向连接在电路中。三极管Q1、Q2构成的电路并未起到信号放大的作用，而是使得光敏传感器的工作点因环境光线的变化而变化，从而保证了传感器接收的灵敏度。在一定程度上，起到了对环境光线的自适应作用。在调试过程中，可通过调节可变电阻PR1使得传感器的信号输出最大。放大电路则可采用低噪声的运算放大器TL064来设计，此芯片内部集成了4个运放，可方便地实现信号的滤波及多级放大。将已放大的信号再通过RC积分电路便可产生A／D所要采集的电压。由于飞思卡尔智能车比赛的赛道是由白色泡沫材料及其中心的黑色引导线组成，通过将两者的A／D采样值进行比较，就可识别出黑色引导线。
3．3 RS380直流电机驱动模块
    直流电机驱动采用飞思卡尔公司的5 A集成H桥的芯片MC33886。此芯片内置有控制逻辑、电荷泵、门驱动电路以及低导通电阻的MOSFET输出电路，适用于控制感性直流负载。该芯片可提供连续的5 A电流，并集成有过流保护、过热保护和欠压保护电路。通过控制MC33886的4根输入脚(IN1、IN2、D1、D2)可实现电机正转、能耗制动及反接制动。在此应用中，MC33886的作用是将恒定的直流电压调制成频率同定而脉宽可变的PWM脉冲电压序列，从而改变输出的平均电压大小来控制电机转速。为提高对直流电机的控制精度，可将MC9S12XS128单片机内部的PWM2和PWM3两个通道8位寄存器级联成16位寄存器，并从PWM3通道输出接到MC33886的IN1。同理，可将PWM4和PWM5两个通道8位寄存器也级联成16位寄存器，从PWM5通道输出接到MC33886的IN2。通过PWM对MC33886的IN1和IN2的控制，从而实现对电机的四象限运行的控制。而直流电机RS380则直接接入MC33886的输出端OUT1和OUT2。本驱动设计采用了两片MC33886并联使用，一方面减小导通电阻对直流电机特性的影响，增强驱动电机的能力；另一方面可减小MC33886内部过流保护电路对电机启动及制动的影响，且共同分担了发热量，进一步提高了电机驱动的性能。

3．4 车速测速模块
    为实现遁迹小车的智能加减速，使车辆高速而平稳地跟踪引导线行驶，则必须对其进行速度检测，使车辆的速度构成一个闭环控制关系。系统的车速检测采用了低成本的槽型光电开关H206与光栅圆盘的组合来实现。其是一种透光式的检测方法，原理如图5所示，当光栅圆盘跟随被测轴旋转时，U1中左边的发光二极管的光线只能通过光栅盘上孔照射到其右边的光电管上；当光电管被照射时，其电阻较小，于是输山一个低电平信号；当光源被圆盘挡住时，则光电管电阻较大，输出端就形成一个高电平信号输出。随后再经过一个南U2构成的电压比较器，便可产生一个标准的矩形脉冲。然而，圆盘上的小孔数目是同定的，即转一周的脉冲个数是同定的。若转速变化则输出的脉冲个数也将发生变化，且该变化是线性的。然后根据v=(N／M)／T(v是转速；N为单位时间T内所产生脉冲个数；M为光栅圆盘上孔的个数；T为单位时间)便可算出被测轴的转速。但为提高测速的效率，系统采用另一种换算方法，就是将脉冲信号转换成电平信号再由单片机A／D采样获得相应的速度值。网中LM331芯片构成一个F／V转换电路。检测脉冲从LM331芯片的6脚输入，由引脚1输出一个电压信号，然后送入单片机A／D采样，不同的采样值对应不同的转速。

3．5 舵机模块及小车的组装
    系统设计采用Futaba S3010型舵机，只有3根引接线，分别为地线、电源线和PWM控制线。该舵机的实质是一个位置随动系统，其由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电路组成，通过内部位置反馈，可使舵盘输出转角正比于其给定的控制信号。即在负载力矩小于其最大输出力矩的情况下，其输出转角将会正比于给定的脉冲宽度。为提高舵机的响应速度，将其工作电压直接连接电池电压7．2 V，并将单片机内部的PWM0和PWM1两路8位输出级联成一个16位的PWM，再由PWM1通道输出给舵机。在实践中，还可通过采取加长舵机力臂增大摆幅的方法进一步提高舵机的响应速度。

    图6为本设计智能循迹小车的组装实物图。由于传感器对赛道信息捕获的效果将直接影响智能车的控制策略及其速度。为获得尽量大的前瞻，如图6所示，设计将15个均等间隔排列的激光传感器固定在一个离地面约25 cm的位置，并以58°角射向前方路面，使得小车的前瞻可达40 cm。同时将舵机通过垫板垫高，加长了前轮控制力臂的长度，从而提高了前轮转向的响应速度。并在电机及其驱动MC33886表面均加装了散热器，来提高电机运行的性能。通过科学的硬件设计，与合理的算法，便可让系统对赛道信息进行提前获取并做出即时、正确的决策，从而使车辆做到弯道提前减速，直道提前加速跑出更加节省路程的路径。

4 结束语
    文中对基于红外激光二极管的智能循迹小车的硬件系统进行了分析与设计。介绍了智能车的控制器模块、电源管理模块、路径识别模块、电机驱动模块、车速测速模块以及舵机模块等6部分的硬件电路设计，并给出了部分模块的实际电路图。最终展示了智能循迹小车的实物图。实践证明，该车可快速平稳地实现循迹功能。