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基于H83048F-one单片机的智能模型车设计与实现


基于 H8/3048F-one 单片机的智能模型车设计与实现

基于 H8/3048F-one 单片机的智能模型车设计与实现*
韩毅
1

甄娜

1

(1. 长安大学汽车学院,陕西省西安市 710064) 模型车利用红外传感器采集路面信息并以 摘 要: 介绍了一种基于 H8/3

048F-one 单片机的智能模型车的设计与实现方案。 H8/3048F-one 为核心控制单元,通过对舵机的开环比例控制以及对电机的闭环 PID 控制以实现自主寻迹。实践证明,本设 计方案合理有效,能够使模型车顺利通过直角弯、变线区域等特殊赛道,具有良好的动力性能和转向性能。 关键词: 关键词 H8/3048F-one;开环比例控制;闭环 PID 控制;直角弯;变线区域 中图法分类号: 文献标识码: 中图法分类号 文献标识码

Design and implementation of intelligent model car based on H8/3048-one SCM*
HAN Yi1 ZHEN Na1
(1. Automobile Institute, CHANG-AN University, Xi’an City Shaan’xi Province 710064, China) Abstract: Present a design and implementation of intelligent model car based on H8/3048-one single-chip microcomputer.The model car,with infrared sensors to obtain lane image information,uses the H8/3048-one as its control micro-processor.Though the open-loop proportional control on servo and the closed-loop PID control on motors,the model car can realize to track the lane automatically.Practic has proved that the design is reasonable and effective to make the model car pass the crank,lane change and other special lane smoothly,with good dynamic and steering performance. Key words: H8/3048F-one; open-loop proportional control; closed-loop PID control; crank; lane change

0 引言
智能汽车作为一种高新技术密集的新型产品, 涉及到微 电子技术、智能自动化技术、通信技术等各个领域,而智能 模型车便是未来智能汽车的缩影, 在基于单片机的自动控制 下,它能够沿着特定轨道自动识别道路运行。 本文所述的智能模型车是基于瑞萨 H8/3048F-one 单片 机开发实现的。 该系统采用红外传感器识别赛道中的白色引 导线并将采集信号传入单片机进行分析处理, 自动控制模型 车的前进、转向,并在此基础上采用合理的控制策略,从而 实现快速平稳的寻迹行驶。赛道示意图见图 1。

单片机则根据这些信息, 通过相应的控制策略算法对舵机和 直流驱动电机进行控制, 进而完成对模型车车方向与速度的 控制。 1.1 核心控制单元 模型车的主控制器为 H8/3048F—one 单片机。 其主要优 点为片内资源非常丰富,高速、低耗和大容量,易于扩展, 并且支持 C 语言编程,有利于系统的开发和调试[1]。 针对本模型车,单片机 I/O 资源分配如下:P7 口读取 红外传感器检测信号;PB0 用于启动开关信号输入;PB1~ PB4 控制模型车电机 PWM 输出;P60~P63 控制电机正反 转信号输出;PB5 控制伺服舵机 PWM 信号输出;PA5 用于 车速检测信号的输入[2]。
路径识别单 元 核心控制 单元 H8/3048F —one 舵机控制单 元

车速检测单 元

直流电机驱 动单元

电源管理单元

图 1 赛道示意图

图 2 模型车硬件系统结构图 1.2 电源管理单元 电源管理单元为系统其他各个单元提供所需要的电源。 模型车全部硬件电路的电源由 9.6V、2000mAh 可充电镍镉 电池提供。由于系统各单元所需要电压和电流容量不同,电 源管理单元应包含多个稳压电路以满足各个单元的需要。 电 源管理单元的框图如图 3 所示。 (1)使用 LM2940 作为 5V 电压的稳压芯片,将电压供 给单片机、路径识别单元以及车速检测单元。电路原理图如 图 4 所示[3]。

1 硬件系统设计
智能模型车硬件系统主要由核心控制单元、 电源管理单 元、路径识别单元、车速检测单元、直流电机驱动单元、舵 机控制单元六部分组成。硬件系统结构图如图 2 所示。 核心控制单元以瑞萨 H8/3048F—one 单片机为主控制 器;路径识别单元将采集到的路面引线与车体位置的信息、 车速检测单元测得的车速信息通过各自的接口送到单片机。 ---------------------------------

*基金项目: 基金项目: 基金项目 作者简介: 作者简介 韩毅(1975-) ,男,汉,陕西三原人,副教授,博士后,CCF 会员,主要研究领域为机电一体化与公路检测仪器开发(hanhany@gmail.com) 甄娜(1985-),女,汉山东滕州人,硕士研究生(zhenna0817@163.com)

LM2940 5V

基于 H8/3048F-one 单片机的智能模型车设计与实现 模型车采用 8 对反射式红外传感器,采用一字型、均匀 9.6V 2000mAh 可充电镍镉电池 分布的安装方式, 每相邻两个传感器的间距为 20mm,保证当 模型车压着白线的时候,总是有传感器能检测到白线,这样 可以提高模型车稳定运行时的精度[5]。同时,为了加大检测 LM338P 前瞻距离,采用机械结构,将传感器板前伸至距车头 30cm 6V 处。红外传感器的布局图如 7 所示。
主电源

赛道
单片机 路径识别单 元 车速检测单 元 舵机控制单 元 直流电机驱 动单元

图 3 电源管理单元框图
LM2940 1 2 3 VBAT L1 4.7uH J1 1 2 C 2 1000u/16V C 15 0.1u D1 10DDA10 C 4 0.1u 1000u/10V C 6 C 5 0.1u VCC (+5V)

图 7 红外传感器的布局图 1.4 舵机控制单元 舵机本身是一个随动系统,通过内部的位置反馈,使它 的舵盘输出转角正比于给定的控制信号, 进而控制模型车的 转向。具体的过程为:单片机首先通过 A/D 转换器将红外 传感器采集到得路面信息进行处理, 然后利用满足一定占空 比的 PWM 波对模型车的舵机进行实时的控制。 本模型车选取了HS-425BB型舵机作为转向控制元件以 单片机的PB5作为信号输出端,采用PWM信号开环控制可 以满足PWM信号与角度相对应得要求,控制电路简单且能 满足控制要求。该舵机拉力可达4.2kg.cm,能够满足系统负 载,同时响应速度非常快,舵机输出60°转角仅需0.16s,极 大的提高了智能车转向的灵敏度。 1.5 直流电机控制单元 直流电机控制单元 直流电机驱动单元主要用来控制直流电机的转动方向 和转动速度。 改变直流电机两端的电压可以控制电机的转动 方向,利用PWM控制可以改变直流电动机的转速。 模型车采用四轮驱动方式,由4个RC.260型直流电机 分别对每个车轮进行独立驱动。在赛车行驶的过程中,由于 4个车轮能够同时提供抓地力,因此赛车的动力性和行驶稳 定性得到有效提升[6]。对于直流电机的控制采用了基于“H” 桥驱动电路的PWM控制。“H”桥驱动电路原理图如图8所示。
9.6V 9.6V

图 4 5V 稳压电路原理图 (2)使用 LM338P 作为 6V 电压的稳压芯片,将电压供 给舵机控制单元。电路原理图如图 5 所示。 U5
LM338P VBAT 1 2 3 4 PB5 R 4 10K 6 5 74HC 32 R 6 240 C 8 0.1u C 11 0.1u C 12 100u/16V

C N3 1 2 3 +6V PWM GND

VR1 5K

图 5 6V 稳压电路原理图 (3)对于直流电机驱动单元,将电源电压 9.6V 直接用 于电机驱动。 1.3 路径控制单元 根据红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性 质的特点, 我们选用反射式红外传感器完成对路面信息的检 测。当发射管发射的红外线遇到白线时,会发生大量的漫反 射, 被反射回来的红外线被接受管接受, 输出一定的电压值; 当发射管发射的红外线遇到黑线时,则红外线被大量的吸 收,输出的电压很小。通过单片机的 A/D 转换器采样传感 器输出的电压值就能检测出引导线白线的位置, 从而判断出 模型车的位置[4]。红外路径识别电路原理图如图 6 所示。
V CC R 1 1K V R1 C T-6P 5K V CC V CC

PchF ET1

PchF ET2

2S J530 A M OTOR

2S J530 B

NchF ET1

NchF ET2

2S K2869

2S K2869

图8 “H”桥驱动电路原理图 电机驱动单元选用 2SJ530、2SK2869 作为 H 桥开关元 件。2SJ530、2SK2869 作为场效应管,具有输入阻抗高、噪 声低、热稳定性好、功耗小以及便于集成化等优点。同时, 电机采用全桥驱动,可以在模型车速度过快时实施反向制 动,从而迅速降低车速。 1.6 车速检测单元 为了对车速进行闭环控制, 模型车车速检测单元采用台 湾松野ES40光电旋转编码器作为车速检测元件,型号为 SY-ES40-RB360。其精度达到车轮每旋转一周,编码器产生 360个脉冲,不进硬件电路简单,而且信号采集速度快,精 度高。车速检测电路原理图见图9。本设计采用在后轴中点 位置再增设一个具有光电编码器的测速轮的装置, 所以只需

L 1 E 33385 ED BR

L 2 T 119 ED LN

2

S7 136

3

4

1

P71

图 6 红外路径识别电路原理图

基于 H8/3048F-one 单片机的智能模型车设计与实现 对于红外传感器接收管, 它的输出电压大小和离白线引 要测量一定时间内光电编码器输出的脉冲数就能准确计算 导线的距离有关,距离越近,输出电压越高,距离越远,输 出车速。车速的计算公式如下:

v=
冲数; T 为采样周期。

π dn
360T
图11 光电传感器坐标设定值 出电压越低。 但是每个红外接收管输出电压特性不同, 所以, 需要对它们进行归一化处理得到各个传感器相对的电压值, 从而消除传感器之间的差异[7]。每个传感器相对电压值公式 为

其中, d 为测速轮直径; n 为采样时间内编码器产生的脉

v=

V ? vmin × 100 vmax ? vmin

式中, vmax 为红外接收管输出信号的最大值; vmin 为红外 接收管输出信号的最小值; V 为当前红外接收管输出的绝 对电压值;v 为当前红外接收管输出的相对电压值。模型车 在行驶前,让每个传感器在赛道上进行扫描,分别记录每个 传感器的 vmax 和 vmin 存人单片机中,这样当环境改变时,

图9 车速检测电路原理图

2 软件控制策略
针对本模型车, 在基于Resenas High-performance Embedded Workshop编程环境下, 使用C语言进行软件的设计。 系 统程序流程图如图10所示。 具体的控制策略主要包括位置计 算策略、方向控制策略以及速度控制策略。 由图10可知,系统首先进行初始化,然后根据红外传感 器采集到得数据信息经过A/D转换和处理,得到目前模型车 的位置;同时,车速检测模块测得当前模型车的速度并反馈 给系统;最后,系统综合利用当前模型车的位置以及车速作 出相应的判断,控制电机的转速以及舵机的角度,以保证模 型车按照特定的赛道进行平稳的寻迹行驶。
系统初始化化

vmax 和 vmin 都可以很方便的就是更新,保证路面采集信息
的准确性。 通过每个传感器的相对输出电压值与传感器位置作加 权平均就可以计算出模型车中心线相对于白色引导线中轴 线的横向偏移值。公式为
8

pos =

∑v
i =1 8 i =1

n

pn
n

∑v
电压值;

式中, pos 为横向偏移值;vn 为第 n 个传感器的相对输出

pn 为第 n 个传感器的位置坐标值 pos 的开环P控制[8]。

读取 AD 值

中断初始化

2.2 方向控制策略 方向控制策略采用基于横向偏移值 所谓的开环P控制就是舵机输出的方向和测得的模型车中心 线相对于白色引导线中轴线的横向偏移值成比例关系。 具体 的实现方法为图12所示。

计算模型车位 置

中断发生

控制模型车车 速

中断函数,测 量模型车速度

控制模型车方 向

图10 系统程序流程图 2.1 位置计算策略 由于我们使用光电传感器来获取模型车具体的位置, 因 此要获得模型车的准确位置需要将光电传感器的输入作为 模拟量来进行处理,这样才能获得足够的精度。 本设计中,我们采用了8个光电传感器均匀排成一字型 进行路面信息的采集。由于赛道的引导线为白线,当模型车 处于直道或弯道、左转或右转时,这只是说明模型车当前位 置相对于白线的偏移距离发生了变化。所以,根据红外传感 器的布局图图7,我们可以建立一个以原点对称的坐标轴来 详细描述模型车的位置并对每一个传感器来进行具体的坐 标值设定。光电传感器坐标设定值如图11所示。小车给定前 进的方向为前方直线方向,即给定值为坐标原点0,因此偏 移距离即为白线位置的坐标值。 图12 横向偏移值与舵机转角关系示意图 设θ为舵机转角; pos 为模型车中心线相对于白色引导 线中轴线的横向偏移值;y为传感器距模型车前轴间距。由 几何关系得出:舵机转角θ与探测到的白线位置之间应满足

θ = arctan( pos / y )

并由前面叙述可知, 传感器的每一种检测状态都对应着一个 偏差值 pos 。 在基于上述的条件下,对舵机转角进行PWM控制。舵 机属于位置伺服电机,正常工作状态下,其输出转角θ与给 定的PWM脉宽成线性关系,舵机转角公式为: SERVO _ PWM = SERVO _ CENTER + q ? HANDLE _ STEP 式中: SERVO _ PWM 为舵机控制脉宽; SERVO _ CENTER

基于 H8/3048F-one 单片机的智能模型车设计与实现 为舵机转角为0时的PWM值; HANDLE _ STEP 为比例系 增量式数字PID控制算法,实现速度反馈,并通过PWM波来 对电机进行调速。速度控制的具体过程如图15所示。 数,代表舵机每转动1°对应的PWM控制量。 当模型车在特定的赛道上行驶时, 控制器通过控制每种 传感器状态对应的偏差值 pos 与舵机转角θ之间的关系就 可算出当前舵机PWM控制脉宽来控制舵机的转向。 针对本赛道的独特性,在方向控制策略时,需注意直角 弯和变线区域的通过。 直角弯和变线区域的赛道示意图分别 如图13、14所示。 式数字PID控制算法的公式为:

设 ?un 为第 n 次采样时刻控制器输出值增量,则增量

?un = un ? un?1 = kp [(en ? en?1 ) +

T 1 en + D (en ? en?1 + en?2 )] TI T

式中, k p 为比例常数; TI 为积分时间常数; TD 为微分时 间常数, T 为采样周期;控制输入量 en 为第 n 次采样时刻 模型车的速度。 PID控制中,积分调节的稳定作用差,并且会降低整个 系统的响应速度, 在对动态特性要求较高的模型车控制系统 中不适合使用,因此,本模型车的控制策略中没有积分环节 的控制,整个控制系统采用PD控制[9]。比例控制中,比例常 数减小将加快控制速度, 从而提高小车队白色引导线的动态 跟随特性, 但比例常数过小将使模型车产生振荡甚至跑出赛 道。对PID控制参数的选定方法是在小车行驶时,将实测的 转速记录在单片机中,然后通过串口将数据读入PC,可画 出相应的速度控制曲线,经过多次试验便可得较理想的PID 参数值。

图13 直角弯赛道示意图

图14 变线区域赛道示意图 1.直角转弯时,距弯道前500-1000mm有两条宽20mm、间 隔为30mm 的垂直于赛道的白线。 这表明在直角转弯前处传 感器将经历两次全检测到白线的状态。 当传感器检测到第一 条白线时,舵机不转向,这时我们忽略第二条白线,模型车 减速行驶,当以模型车中心线为对称轴的一边4个传感器同 时检测到白线时,控制舵机输出转角θ为45°,顺利通过直角 弯。 2.变线区域时,距变线区域前200-1000mm有两条宽20mm、 间隔为30mm的垂直于赛道的单侧白线。这表明变线区域前 传感器将经历两次4个全检测到单侧白线的状态。当传感器 检测到第一条半侧白线时,舵机不转向,这时我们忽略第二 条单侧白线,模型车减速行驶,当8个检测器全检测到黑线 时,控制舵机输出转角θ为20°使模型车通过变线区域。 2.3 速度控制策略 速度控制策略就是保证模型车能够在直道上加速行驶 并且能够低速入弯, 在稳定行驶的前提下尽可能通过灵活的 速度变化提高平均速度。 2.3.1 速度给定算法 对于不同的赛道,小车给定的速度是不一样的,一般情 况下,其速度给定值的计算公式为:

位置输入

速度给定算法

PID 控制算法

速度测量

图15 速度控制的具体过程示意图

3 结束语
本文设计并实现了一种基于 H8/3048F-one 单片机的智 能模型车。通过 8 对反射式红外传感器采集路面信息,利用 位置计算策略求得模型车中心线相对于白色引导线的横向 偏移值并将此值作为方向控制和速度控制的控制参数, 从而 实现模型车方向的开环 P 控制和速度的闭环 PID 控制。实 践证明, 本模型车能够按照指定的赛道进行快速平稳的自主 寻迹行驶,具有寻迹路线优、速度调节相应快、抗干扰性强 以及稳态误差小等特点,具备良好的动力性能和转向性能。 参考文献: 参考文献 [1]Renesas Technology Corp.H8/3048B group hardware manual3.0[R].2006. [2]李勋,卢景山,李新民,等.日立 H8/3048 系列单片机应用 技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1997. [3]Renesas Technology Corp.Micom car rally kit program explanation manual kit07 version[R].2009. [4]卓晴,黄开胜,邵贝贝.学做智能车:挑战“飞思卡尔” 杯[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007. [5]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(11):2687-2690. [6]余志生.汽车理论[M].4 版.北京:清华大学出版社, 2005. [7]吴怀宇,程磊,章政.大学生智能汽车设计基础与实践 [M].北京:电子工业出版社,2008. [8]吴斌华,黄卫华,程磊,等.基于路径识别的智能车系统 设计[J].电子技术应用,2007(3):80-83. [9]柴旺兴,赵文兵.基于红外传感器的智能车自动控制器 设计[J].湖北汽车工业学院学报,2009,23(1):19-22.

setted _ speed = command _ speed ? e ? Kp ? Kc / count
其中:setted _ speed 为给定速度;command _ speed 为设定 的最高车速, e 为白线偏移量, Kp 为比例系数, count 为 定时器测得的时间值,表明白线偏离的快慢程度,count 值 越小表示白线位置变化的越快反之变化得越慢; Kc 为偏差 变化率系数, 当路线变化剧烈时,count 值较小,Kc / count 值越大,此时速度可降低很多,将此比例值运用到变线区域 时会很快速的降低车速。 2.3.2 电机 电机PID控制 控制 在控制系统中, 按偏差的比例 (P) 积分 、 (I) 微分 、 (D) 进行控制的PID控制策略具有结构简单、参数易于调整以及 适应性强等优点,因此其得到了广泛的应用。 通过速度给定算法给定模型车的速度之后, 本设计采用


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