第２９卷第２期 德州学院学报 Ｖｏ１．２９，ＮＯ．２ ２０１３年４月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｄｅｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ａｐｒ．，２Ｏ１３ 基于单片机的光电式智能赛车控制研究 王超群，王万新 （德州学院 机电工程系，山东 德州 ２５３０２３） 摘要：光电式智能赛车是利用道路检测模块，在设有黑色引导线的赛道上自主寻迹行驶的汽车．在确保稳定 性的情况下，速度最快者获胜．本文以ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ １２８单片机作为控制器，主要研究了光电式智能赛车的测速算法 和速度控制方法． 关键词：路径识别；红外传感器；单片机控制；智能模型车；速度控制算法 中图分类号： １＂Ｐ２４２．６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—９４４４（２０１３）０２—００６９—０３ 理器ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ１２８为控制核心，电源管理模块为 ０ 引言 各部分提供动力，全部硬件电路的电源由７．２ Ｖ镍 镉蓄电池提供，采用芯片ＬＭ２９４０将７．２ ｖ蓄电池 智能车是近年来发展起来的一门新兴的综合技 转换为５ Ｖ电源给单片机系统、路径识别的光电传 术，它的设计集机械、电子、检测技术与智能控制于 感器、光电码编码器等供电，由芯片ＬＭ２９４１提供６ 一体，在社会生活中有着广泛的应用，例如自动化生 Ｖ为舵机提供电源，而为了提高伺服电机响应速度， 产线的物料陪送机器人，医院的机器人护士，商场的 电机模块直接由７。２ Ｖ蓄电池提供电源，驱动则采 导游机器人等口］．全国“飞思卡尔”智能模型车大赛 用两片ＭＣ３３８８６控制，以提高效率，降低硬件故障 在这样的背景下产生，光电式智能模型车比赛要求 发生机率． 利用车上的视觉装置，使智能小车在设有黑色中心 线的封闭白色赛道上自主寻迹行驶，在确保稳定性 的情况下，速度最快者获胜． １ 整体设计思想 智能模型车的设计涵盖了智能控制、模式识别、 传感器、计算机、机械与汽车工程等多个学科，根据 比赛规定，本设计以飞思卡尔公司提供的比赛专用 车模为载体，采用较为前轴转向后轴驱动方式，整个 智能车的设计可分为电路硬件平台设计与软件平台 图１总体结构 设计两部分Ｉ２］． １．２软件平台 １．１ 电路硬件平台 智能车开发环境采用飞思卡尔ＨＣＳ１２系列单 根据比赛规定，车体采用飞思卡尔公司的比赛 片机开发软件ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ．ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ ｆｏｒ Ｓ１ ２ 专用车模为载体，为完成智能车自主寻迹行驶，硬件 是面向以ＨＣ１２或Ｓ１２为ＣＰＵ的单片机嵌入式应 系统应包括主控制器模块、电源管理模块、寻迹传感 用开发的软件包，包括集成开发环境ＩＤＥ、处理器专 器模块、测速传感器模块、舵机控制模块以及电机驱 家、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管 动模块．总体结构如图１所示．本设计以１６位微处 理器、Ｃ交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器等． 收稿日期：２０１１—１２—３Ｏ 通讯作者简介：王万新（１９７１一），男，山东平原人，讲师，硕士，主要从事机械制造自动化的研究 ７Ｏ 德州学院学报 第２９卷 在ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ界面完成编译后，通过ＢＤＭ ＦＯＲ Ｓ１２工具，在ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ环境下向ＭＣ９Ｓ１２模块 下载程序． ２ 速度控制系统总体设计 智能车比赛最终以速度作为评判依据，智能车 速度控制算法是研究的重点．光电式智能赛车通过 光电传感器进行轨迹检测，采集赛道信息，处理 器根据采集模块的采集信息进行判断处理，再根据 设定好的控制算法产生不同占空比的ＰＷＭ控制信 号，以此来控制电机和舵机，使智能车能以设定速度 沿封闭赛道自主寻迹行驶．好的控制算法对智能车 的整体性能有决定性的影响． ２．１寻迹传感器模块设计 单片机通过寻迹传感器对路径信息进行采集， 以实现小车寻迹的功能．为获得稳定的检测信号，系 统选用ＲＰＲ２２０型红外反射式光电传感器进行路径 识别，ＲＰＲ２２０是一种一体化反射型光电探测器，其 发射器是一个砷化镓红外发光二极管，接收器是 一个高灵敏度硅平面光电三极管，可进行反光性 差别较大的两种颜色（如黑白两色）的识别，从而 判别赛道的方向．本设计共采用８个ＲＰＲ２２０型 红外传感器，水平均布在赛车前部的传感器板 上，如图２所式．传感器间距为２０ ｎｌｍ，小于赛道 黑线宽度，保证当赛车在赛道上行驶时始终有传 感器能检测到黑线＿＿３］．赛车８个传感器可以检测 到８个精确的位置，加上相邻两个传感器同时检 测到黑线和没有传感器检测到黑线的情况，一共 有１ ６种检测状态，这样的横向检测精度可以基 本满足寻迹要求． 红外路径识别方案具有电路简单，信号处理速 度快，且不易受干扰的优点．但红外路径识别前瞻能 力较弱，为此，将传感器板前伸至距车头一段距离 Ｙ，使得赛车的“预判”性能大大增强． ２．２ 测速传感器模块设计 测速模块硬件的主要功能是将频率随转速变化 的模拟信号送人信号处理电路，最终转换成数字脉 冲信号．为了精确控制车模运动，采用的是单片机控 制编码器的方法来检测小车的电机转速．编码器选 用ＯＭＲＯＮ公司生产的一款１００线旋转编码器 Ｅ６Ａ２型光电编码器，按１：１传动比采用一对齿轮 与驱动轴连接，驱动轴旋转一周，编码器可获得１００ 个脉冲，单片机通过对脉冲计数就可以得到转速的 具体数值． 赛 图２ 车体结构和传感器布局及编码 ２．３舵机与驱动电机控制方案 智能模型车的速度控制是一项复杂的工作，是 研究的重点所在．在行驶中，不仅要求驱动车轮有合 理的瞬时速度，也要求速度变化细致平滑，尽量减少 速度波动的幅度，不出现在某段时间内速度频繁波 动的情况． 驱动电机选用工作电压为直流７．２ Ｖ的ＲＳ一 ３８０直流电机提供动力，电机驱动驱动芯片选择飞 思卡尔公司的ＭＣ３３８８６集成Ｈ桥驱动芯片．将单 片机的两路ＰＷＭ输出接到ＭＣ３３８８６芯片的ＩＮ１、 ＩＮ２脚，通过改变两路ＰＷＭ波的占空比控制电机 两端电压，调节直流电机转速的快慢，从而实现正 转、正转制动、反转、反转制动［４］． 智能车采用前轴转向方式转向，即将舵机输出 盘固定在赛车前轴的中点上，利用舵机转动带动智 能车转向，舵机的控制信由ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ１２８的 ＰｗＭ１口的ＰＷＭ通道接在舵机控制线上，即能使 舵机在±４５。范围内转动＿５］． ２．４ ＭＣ９８１２Ｘ５１２８单片机主要Ｉ／０口的分配 主要Ｉ／Ｏ口的分配如下：ＰＡ０～ＰＡ７共８位用 于小车前面路径识别的输入口，ＰＴ７用于速度传感 器检测的输人口；ＰＷＭ１用于伺服舵机的ＰＷＭ控 制信号输出；ＰＷＭ３、ＰＷＭ５用于驱动电机的ＰＷＭ 控制信号输出． ３ 软件设计 在小车的运行中，主要有方向和速度的控制，即 舵机和电机的控制，这两个控制是系统软件的核心 操作，对小车的性能有着决定性的作用．控制算法相 当于人的思维，是其最核心的部分，负责按预定的流 程处理传感器所采集的数据．软件流程图见图３．其 中，ＦＯＲ循环包含了检测黑线位置，更新舵机输出 等子程序（见图４）． 第２期 王超群，等：基于单片机的光电式智能赛车控制研究 ７１ ＭＣＵ初始化，舵机初始化 Ｉ ｌ开中断，进入ＦｏＲ循环 图３控制主程序 Ｊ 、 ～—／ ■ ［ 蕉 ｔ ［ 匦 ［ 围 ］Ｔ Ｔ ［ 亟 ］ ⑧ 图４ ＦＯＲ循环子程序 ３．１赛车速度的选取 赛车速度的选取基于驾驶经验，即当赛车位于 直道时设置较高的车速，保证赛车有充足的加速空 间；赛车在弯道行驶过程中，应该随着赛道曲率半径 的不同改变车速，避免冲出赛道．当赛车偏离赛道偏 移量ｅ值越大，表明赛道曲率半径越大，赛车舵机的 转角应越大，车速应越低，以防止赛车因为车速过快 冲出跑道，同时保证赛车能够实现良好的速度控制． 赛车车速计算公式设计如下 Ｓｅｔ—ｓｐｅｅｄ＝ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ－－ｅ＊Ｋｐ 式中：Ｓｅｔ—ｓｐｅｅｄ——赛车车速，ｈｉｇｈｓｐｅｅｄ—— —直道设定最高车速，ｅ一——赛车偏离赛道偏移量， Ｋｐ——比例系数． ３．２赛车的方向控制 赛车的方向控制主要取决于对赛道检测，为准 确判断黑色中心线的位置，数据的采集使用循环检 测的方法，即从左边的光电管开始，检测其是否在 黑线上．如果在，那么接着检测其右边的光电管是否 亦如此，依次向右推进．小车自主寻迹过程中，光电 传感器会受外界光线、车体抖动、交叉线、上下坡、路 径黑斑等环境因素的干扰，使得传感器检测路径信 息存在偏差而影响小车寻迹的稳定性．为此，采用对 传感器连续检测进行滤波消除干扰的方式：即传感 器对路径连续检测５次并将采集到的信息存于数组 Ｌｉｎｅ［５］［８］，检测到黑线存值１，否则存值０．若 一４ ∑ｌｉｎｅ［－ｉ］［ｎ￣ ３，则ｌｉｎｅ［５］［８］的第ｎ列检测到 Ｉ＝０ 黑线，ＬｉｎｅＥｎ］一１；否则为干扰，ＬｉｎｅＥｎ］一０，将数组 Ｌｉｎｅ［５］Ｅ２ｏ］转为数组Ｌｉｎｅ［２０］． 由图２可知，设０为舵机转角；ｅ为检测到的黑 线位置距赛车中心线的水平偏移量；Ｙ为传感器距 赛车前轴间距．则塞车的前进方向转角应为０ ＝＝＝ａｒｃｔａｎ（ｅ／ｙ）．由于舵机采用位置伺服电动机，其 输出转角与给定的ＰＷＭ脉宽成线性关系． 在整个系统设计中，用到了４个单片机基本功 能模块：时钟模块、ＰＷＭ输出模块、ＥＣＴ模块、ＡＤ 转换模块．通过编写程序先对所用到的模块进行初 始化，并通过对相应数据寄存器或状态寄存器的读 写，实现期望的功能． ３ 结束语 提出了一种基于红外线光电传感器寻迹的智能 车系统设计方法，系统采用ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ １２８单片机 做主控制器，直流电机作执行元件，对智能车进行了 软、硬件关键设计与分析．完成后在中间粘贴黑色引 导线的白色ＫＴ板制成的车道上对智能车进行了测 试，表明智能车在直道上可以达到很高的速度和稳 定性，在弯道上控制好车速，智能车也能平稳地运 行． 参考文献： Ｅｌｉ韩毅，秦绪鑫，赵轩．基于反射式黑白码盘的模型车测速 装置［Ｊ］．计算机工程与设计，２００９，３０（２４）：５７９３— ５７９５． Ｅ２］韩毅，杨天．基于红外传感器的智能寻迹赛车的设计与 实现［Ｊ］．计算机工程与设计，２００９，３０（２４）：２６８９— ２６９３． ［３］尹洁，徐耀良，盛海明，等．基于飞思卡尔的自主寻迹智 能车的设计［Ｊ］．机电一体化，２００８，１２：７３—７９． ［４］王瀛洲．智能车自主寻迹系统硬件的设计分析ｌ－Ｊ１．仪器 仪表用户，２Ｏ１１，０１：６０—６２． ［５］邓岳，周辉，谈英姿．基于ＭＣ９Ｓ１２ＤＧ１２８单片机智能车 设计与实现［Ｊ］．实验室研究与探索，２００８．２６（１）：６７ —６９． （下转７４页） ７４ 始构重鬟袭 ¨● ■ 舶 嘣 德州学院学报 姥褥 曩疲簦 第２９卷 静电），Ｘ （使用铁制工具）也是引起焦炉设备火灾 爆炸事故的重要条件，结构重要度较大． 总结上述分析结果，在进行炼焦作业时，要严格 按照炼焦作业规程进行操作，保持设备线路不老化、 防爆性能良好，操作正确规范，确保作业区内无点火 源，从而杜绝焦炉火灾爆炸事故的发生． Ｏ∞ 奠 矗∞ 能 ● 套以 ｘｌ 搿 辩静 Ｉ１１韵 挪 ｌ Ｘ醛 瘩 辩 图３焦炉爆炸基本因素的结构重要度图 参考文献 ［１］傅智敏．工业企业防火ＥＭ］．北京：中国人民大 学，２００８：１３９—１７２． 动未及时调节）是焦炉火灾爆炸的最重要条件，结构 重要度最大，这就要求在进行炼焦作业时，要严格控 ［２］生产监督管理总局．安全评价ＥＭ］．北京：煤 炭工业出版社，２００５：４７７～５２９． 制好煤气管道设备的压力，保持正压操作，避免空气 进入煤气系统，形成爆炸性混合物，在遇到点火源 时，引起爆炸．同时，可以看到，基本事件Ｘ 。（车间 违规动火作业），Ｘ （人员吸烟），Ｘ 。（电器开关和电 动机不防爆），Ｘ 。（线路老化），Ｘ （人员作业服产生 ｒ３］张维刚，徐立恒，崔晓君．焦化企业生产过程中危险性 分析及控制研究ＥＪ］．工业安全与环保，２００７，（３３）：５１ ５３． Ｔｈｅ Ａｃｃｉｅｎｄｅｎｔ Ｔｒｅｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｋｅ Ｏｖｅｎ Ｆｉｒｅ ａｎｄ Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ＧＡＯ Ｗｅｉ （Ｔｈｅ Ｂａｔｔａｔｉｏｎ ｉｎ Ｃａｎａｎ１ Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｚｏｎｅ，Ｄｅｚｈｏｕ Ｐｕｂｌｉｃ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅａｍ，Ｄｅｚｈｏｕ Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２５３０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｔｈａｔ ｃｏｋｅ ｏｖｅｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｈａｖｅ ｆｉｒｅ ａｎｄ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｆｏｕｎｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｄａｎｇｅｒｏｕｓ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｋｅ ｏｖｅｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｎ ｃｏｋｉｎｇ ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｆ ｃｏｋｉｎｇ ｐｌａｎｔ ｕｓｉｎｇ ａｃｃｉｄｅｎｔ ｔｒｅｅ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｐｒｅｖｅｎｔ ｃｏｋｅ ｏｖｅｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｔｏ ｔａｋｅ ｐｌａｃｅ ｆｉｒｅ ａｎｄ ｅｘｐｌｏｄｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｋｅ ｏｖｅｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｆｉｒｅ ａｎｄ ｅａｐｌｏｓｉｏｎ ａｃｃｉｄｅｎｔ；ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ａｃｃｉｄｅｎｔ ｔｒｅｅ ａｎａｌｙｓｉｓ （上接第７１页） Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ－－ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ－－ｒａｃｉｎｇ Ｃａｒ Ｓｐｅｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｈｉｐ Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ＷＡＮＧ Ｃｈａｏ～ｑｕｎ，ＷＡＮＧ Ｗａｎ—ｘｉｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃ，Ｄｅｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄｅｚｈｏｕ Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２５３０２３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒａｃｉｎｇ ｉｓ ａ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｔｒａｃｉｎｇ ｃａｒ ｉｎ ａ ｂｌａｃｋ ｇｕｉｄｅ ｌｉｎｅ ｔｒａｃｋ，ｕｓｅ ｏｆ ｒｏａｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ．Ｉｎ ｅｎｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｆａｓｔｅｓｔ ｉｓ ｗｉｎｎｅｒ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔａｋｅｓ ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ １２８ ＭＣＵ ａｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｍａｉｎｌｙ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒａｃｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐａｔｈ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ；ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ；ｓｉｎｇｌｅ～ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏ— ｒｉｔｈｍ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ
