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一种寻迹小车中分布式控制系统的设计分析
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2017-11-21
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本文将介绍一种应用于寻迹小车的分布式控制系统的设计方法，该系统可对电机模块、传感器模块和灯控模块进行分布式控制。这样设计是为该系统将来从寻迹小车到真车进行移植提供方便。
此寻迹小车模型采用7.5V电池驱动，通过改变PWM占空比调速。小车可以在不完全确定的道路环境下，通过自我判断，对周围环境进行探测，并做出相应的反应（如左拐弯、右拐弯和改变速度等）。目前用在机器人上的多为价格较贵的超声波传感器和红外传感器等，本设计采用价格便宜的反射式光耦传感器来完成对周围环境的感知。此外，小车还具有良好的导航系统。
系统结构
本系统采用分布式结构，如图1所示。因为在车身控制系统中控制对象多而且分散，若采用点对点的集中控制方式，控制模块与被控对象之间就需要大量连接电缆，会导致车内布线复杂且制造和安装困难，并存在故障隐患。分布式系统结构可以根据控制对象的位置来设计控制模块，从而缩短了控制对象与控制模块之间的距离。各模块间通过LIN总线来通信，该方式仅需要一根线作为通信线。此外，分布式系统结构还可降低单板的静态电流，增加单板的稳定性。
图1分布式车身控制系统结构图1主控制模块的设计
根据系统功能要求和结构特点，本控制系统被分成主控模块和三个子模块（传感器模块、电机控制模块和灯控模块）。其中主控模块主要检测车身主体部分控制开关的状态，并根据这些控制开关的状态实现相应的控制策略，然后将控制命令通过CAN总线和LIN总线发送给相应的子模块，之后根据各子模块反馈的负载状态判断是否存在故障，若有故障则报警显示。同时，CAN总线接收上层CAN网络的某些信息。主控制模块的微控制器采用了可靠性高、抗干扰能力强的汽车专用芯片XC164CS，其内部集成了CAN的控制器。图2是主控制模块的硬件原理图。
图2主控制器模块硬件原理图2直流电机驱动与控制模块的设计
电机控制模块中的微控制器采用的也是XC164CS，这是由于该系列微控制器中都有相应的单元可以实现对电机的控制，相当方便。本设计使用了两路电机控制小车的后轮驱动和前轮转向。对直流电机的驱动和控制采用了电机控制接口芯片TLE6209，它的内部集成了一个H型桥式电路，用来驱动电机，实现电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转和反转制动。16位微控制器XC164CS通过内部的CAPCOM模块产生一个10kHz的PWM信号给TLE6209，触发H桥电路。
此寻迹小车模型采用7.5V电池驱动，通过改变PWM占空比调速。小车可以在不完全确定的道路环境下，通过自我判断，对周围环境进行探测，并做出相应的反应（如左拐弯、右拐弯和改变速度等）。目前用在机器人上的多为价格较贵的超声波传感器和红外传感器等，本设计采用价格便宜的反射式光耦传感器来完成对周围环境的感知。此外，小车还具有良好的导航系统。
系统结构
本系统采用分布式结构，如图1所示。因为在车身控制系统中控制对象多而且分散，若采用点对点的集中控制方式，控制模块与被控对象之间就需要大量连接电缆，会导致车内布线复杂且制造和安装困难，并存在故障隐患。分布式系统结构可以根据控制对象的位置来设计控制模块，从而缩短了控制对象与控制模块之间的距离。各模块间通过LIN总线来通信，该方式仅需要一根线作为通信线。此外，分布式系统结构还可降低单板的静态电流，增加单板的稳定性。
图1分布式车身控制系统结构图1主控制模块的设计
根据系统功能要求和结构特点，本控制系统被分成主控模块和三个子模块（传感器模块、电机控制模块和灯控模块）。其中主控模块主要检测车身主体部分控制开关的状态，并根据这些控制开关的状态实现相应的控制策略，然后将控制命令通过CAN总线和LIN总线发送给相应的子模块，之后根据各子模块反馈的负载状态判断是否存在故障，若有故障则报警显示。同时，CAN总线接收上层CAN网络的某些信息。主控制模块的微控制器采用了可靠性高、抗干扰能力强的汽车专用芯片XC164CS，其内部集成了CAN的控制器。图2是主控制模块的硬件原理图。
图2主控制器模块硬件原理图2直流电机驱动与控制模块的设计
电机控制模块中的微控制器采用的也是XC164CS，这是由于该系列微控制器中都有相应的单元可以实现对电机的控制，相当方便。本设计使用了两路电机控制小车的后轮驱动和前轮转向。对直流电机的驱动和控制采用了电机控制接口芯片TLE6209，它的内部集成了一个H型桥式电路，用来驱动电机，实现电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转和反转制动。16位微控制器XC164CS通过内部的CAPCOM模块产生一个10kHz的PWM信号给TLE6209，触发H桥电路。
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