使用16位单片机和激光传感器实现寻迹智能车的软硬件设计

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

3.2 小车行驶状态确定

该系统采用的赛道为宽为50 cm,中心线为25 mm的赛道，传感器在黑色上读取为1,在白色上读取为0,赛道外地板使用传感器有可能读1,也有可能读0.激光传感器终采用"一"字型排布方式，相邻的两个传感器的距离为20 mm.赛道如图5所示。

图5 赛道示意

传感器在赛道上可能的状态可分为：在普通的赛道处、在十字交叉线处，还有跑出赛道。系统定义了变量Car_State来代表小车当前的状态，可能会出现的情况如下：

1）当小车在赛道上时，将会有1到2个传感器输出高电平，如果有两个传感器同时打到黑点，而两个传感器并不是相邻的则认为是干扰信号，不作特别处理，其他按照如图6的传感器排布方法计算坐标从左向右依次为-13到13,此时Car_State计为传感器打到的坐标；

2）打到10个以上黑点计为交叉线，Car_State计为20;

3）没有打到黑点则认为小车即将跑出赛道，Car_State计为30;

4）另外还有一种情况传感器已经打到了赛道之外，而打到赛道外的传感器可能输出高电平，也有可能输出低电平，此时有可能读出的情况可能会判定为第一种，如图5示意，此时小车本应继续左拐，但是判读位第一种情况，就可能右拐，这种情况的判定就不能仅仅依靠读传感器来判定，还应考虑小车前面行进的趋势加以判别。因为此种情况一般只出现在小车转大弯时，由于转角不够当小车的传感器会打到相反方向的赛道外，所以左转或者右转的角度超过某一特定值时（如60°），应当屏蔽另一侧的传感器，只读转向该侧的传感器，如图5小车现转左侧大弯，右侧传感器检测到错误黑点，此时只要将右侧的7个传感器屏蔽，只读左侧传感器数值即可，此种情况Car_State计为40。

图6 传感器排布

3.3 舵机控制

小车在赛道上：Car_State为-13到13间的整数，由于光电管数量少，造成传感器返回值离散度过大，不适合进行回控，故应加快采样速率，进行过采样，再进行一阶迭代滤波：

PVal=（（Car_State×1 000）+（Pvalx10））/11;

小车行使5 ms后位置的偏差进行迭代滤波：

Err=（（PVal-PVal1）+（Errx10））/11;//两次位置偏差

P_Offset=Err/P_err;           //负值左偏 正值右偏

if（P_Offset<-5）P_Offset=-5;    //左偏最大偏离为-5个单位

if（P_Offset>5）P_Offset=5;     //右偏最大偏离为5个单位

将Err进行采样划分得到P_Offset变量，P_Offset取值为-5到5的整数，负数表示向左偏，正数表示向右偏，绝对值越大代表偏转角度越大；采样分辨率为可调参数P_err,P_err偏大时，小车反应会较为迟钝，P_err偏小时，小车反应会较为灵敏，容易出现很小偏差就会引起小车较大的转向。

按照小车当前的位置以及P_Offset组织数据表Angle_Table[],该表共有27行11列，第n行m列元素j,表示小车位置Car_State为n-13偏差P_Offset为m-5时，j的值在-10到10之间，负值代表向左转，正值代表向右转，小车舵机应打的角度为jxAngle_C,可调参数Angle_C可以根据赛道状况舵机反应灵敏度等调节，其调节在调试程序中完成，其值愈大，同等情况下转角越大。

舵机的控制就是通过查数据表Angle_Table来实现，而不是通过公式求解，这种方法比较适用于8位单片机，通过检索表可以达到运算所达不到的系统速度。

小车在交叉线时Car_State=20不更改舵机的控制；当小车的传感器打不到黑点，即将跑出赛道活着已经打到赛道外时Car_State=30或40,此时按照小车转的方向，将舵机设置为最大转角，以达到尽快找到赛道黑线的目的。

舵机的输出PWM采用5 ms周期，与小车传感器采样的频率一致。

4 试验结果及总结

通过上述方法，小车取得了比较好的试验结果，在最小曲率半径不小于50 cm的赛道上，小车可以取得每秒2 m以上的速度。其速度比采用16位单片机的系统没有很大差异。要特别注意的是，运算时采用不同数据类型的变量将会带来不同的效果，经实验证明，如果可以使用字节存储类型的变量作双字节变量存储，将会严重影响小车的运行情况，这是由单片机编译环境进行数学运算引起的，应当尽量避免不恰当的变量定义及算数运算。

相较于当前流行的16位单片机控制的双舵机智能车，该系统在硬件上成本较低，而软件也根据8位单片机的特点，避开了较为复杂的运算，采用了查表的方式，只在小车位置及偏差运算以及速度P算法中涉及了少量的数学运算，以此达到系统的快速响应。