基于MC9S12DB128B的智能小车设计方案

王文龙　王元星　谢珺

摘 要：研究了智能小车的硬件系统、导航控制和多传感器数据融合等相关技术，设计了1个基于MC9S12DB128B处理器的智能小车运动控制硬件电路，详细介绍了利用模糊逻辑推理方法实现智能小车导航与多传感器数据的融合，并得出了仿真结果，为智能小车提供一个功能强大并具有一定扩展性的硬件平台。

关键词：智能小车；飞思卡尔单片机；传感器；PMW调速

中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）18-0005-02

智能小车又被称为轮式机器人，是移动机器人的一种。因为其适合在人类无法工作的环境中工作，所以，它被广泛应用于焊接、喷漆、检测、医疗应用、助残、水下、太空和远程等领域，且具有效率高和成本低等优点。另外，智能小车自动行驶功能的研究推动了智能车辆的研发。智能车辆驾驶任务自动化在很大程度上推动了人类社会的进步。

本文分别分析了目标识别和跟踪技术，并在此基础上结合智能小车目标跟踪系统的开发，详细讨论了特定目标跟踪系统的具体实现方法，以及红外传感器在目标识别中的应用和小车智能控制的软、硬件设计。该设计为机器智能系统提供了一个研究平台。

1 方案设计

根据题目的要求确定了如下方案：在现有玩具电动车的基础上加装光电检测器，实现对电动车速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至微控处理器处理，然后根据CPU检测到的各种数据实现对电动车的智能控制。这种方案能实时控制电动车的运动状态，控制灵活、可靠，精度高，可以满足系统的各项要求。该系统通过配置在智能小车上的红外传感器，能够识别特定的目标。在目标运动过程中，通过单片机接收计算机发出的命令控制智能小车跟踪目标，在没有人为因素干预的情况下，它能够自主运行，稳定地跟踪目标。

2 设计制作

设计就是根据题目的要求设计硬件和软件，并选择最合适的硬件电路和软件程序达到目的。设计机器人小车时先要做出

总体的设计方案，包括机械、电气、软件三部分，如图1所示。依据机械基础知识，从整体情况看，机械结构设计必须与机器人所具备的功能相适应。

图1 智能小车总体制作过程

机械部分的设计主要包括底盘设计、尺寸选择、驱动方式设计和电机选择等。电气是机器人最重要的组成部分，要求必须实现全自动控制，并将单片机作为控制核心。它类似于机器人的大脑，可以接收和处理所有的外界信息，指挥并控制小车的所有动作。自动寻迹等功能是制作机器人硬件的难点之一，它要求机器人具有一定的感觉系统，机器人感觉系统的设置通过各种各样相应的传感器技术即可实现。传感器把接收到的外部信息输入到单片机，再通过软件进行控制，进而由单片机发出命令指挥机器人动作。软件编程可以丰富机器人的功能，使机器人动作更加完善。

3 方案论证

3.1 单片机的选择

单片机对行进中自动小车的平衡稳定性和整体行进速度起着非常重要的作用。因此，选择一款高速度、高处理能力的单片机对整个自动行进机器人性能的提升有非常重要的作用。

单片机选择方案有以下三种：

方案一：采用51单片机。

使用此种单片机的优点是内部资源少、开发费用低、开发工具齐全、使用简单；缺点是低速度限制了自动小车性能的发挥和数据处理能力，尤其是对导引线提取的能力，而且其内存小，不适合处理数据量大的图像信息。

方案二：采用ARM9作为处理芯片。

采用此芯片的优势有两点：①ARM处理速度较快，对提取赛场白色引导线有很大的帮助，而且其控制能力强。丰富的IO资源对控制系统来说非常重要，它使得外围电路更加简单，降低了制作成本，缩短了研制周期。②采用ARM操作系统会降低编写程序的难度，减少程序的调试时间，尤其在后期的调试中可以把精力都集中在算法的调试上。使用该芯片的缺点是：ARM单片机会涉及到操作系统的问题、入门门槛高，而且开发成本比普通的单片机高很多。

方案三：采用飞思卡尔单片机。

采用这种单片机的优势是：①处理速度比较快，总线时钟周期可达到25 MHz，内部集成高速AD转换对提取引导线十分有利；②可以利用丰富的IO资源，因为它具有很强的控制能力；③飞思卡尔单片机的应用对象是汽车电子，因此，将其应用在自动机器人上可以充分发挥其优点；④飞思卡尔单片机入门不难，使用者可以在较短的时间内掌握其要点。它的缺点是没有现成的操作系统可以移植，虽然可以自己写，但是可靠度不高且开发周期长。

3.2 导引线的选择方案

导引线信息的提取要求是要有较高的精度和速度，要有一定的前瞻距离。识别导引线有以下两种方案。

3.2.1 利用光电发射和接收管

原理：利用场地和导引线对光的吸收程度不同的原理提取导引线的信息。

优点：电路简单、成本低、程序简单。

缺点：对导引线的分辨率不高，探测距离有限，不能提前预测赛道情况。

3.2.2 采用灰度摄像头

灰度摄像头的分辨率为240×360，25帧/s。虽然只能提取灰度信息，但用来提取导引线已经足够了。

优点：摄像头视野广，可以提前预测道路情况，提高控制精度和难度，提高分辨率，一行可以提取到40个采样点，因此，与光电管相比，它的精度已经提高了很多，能精确地提取引导线的位置。

缺点：受摄像头25帧/s的速度所限，每幅图像有20 ms的固定时间间隔。灰度摄像头的驱动程序与光电驱动程序相比，程序比较复杂，调试起来有一定的难度。

3.3 驱动电路选择方案

方案一：采用三极管驱动电机。其滤波效果好，单片机和电机共用1个电源，在电流较高的情况下，单片机仍能不受干扰正常工作。

此方案的优点是电路压降较小、在电流较大的情况下发热量较小；缺点是电路连接较为复杂、驱动功率较小、不适于大功率驱动。

该驱动电路的功率不能满足实际要求，所以放弃此方案。

方案二：使用专用芯片L298所组成的电机驱动电路。驱动芯片L298是驱动步进电机的专用芯片，可以利用它内部的桥式电路来驱动直流电机。

此方案的优点是控制比较简单、电路简单，集成芯片简化了电路的复杂性，驱动功率大；缺点是电路发热较大、成本略高。

根据作品的实际需求，决定采用此方案。

3.4 行车距离检测

由于红外检测具有反应速度快、定位精度高、可靠性强等可见光传感器所不能比拟的优点，所以，决定采用红外光电码盘测速方案。具体电路如图2行车距离检测电路所示。

红外测距仪是由测距轮、遮光盘、红外光电耦合器和凹槽型支架组成的。

测距原理：将光栅安装在电机轴上，当电机转动时，光栅也随之转动。同时，将其安装在光栅一侧的红外发光二极管上，在光栅的另一侧设有红外三极管，用于接收红外发光二极管发出的红外线信号。由于光栅随电机高速转动，所以，红外线三极管接收到的就是一系列的脉冲信号。将该信号传输到CPU的内部计数器计数时，根据预先实测的数据换算关系即可计算出电动机车的行车距离。

图2 行车距离检测电路

4 结束语

本文结合智能小车目标跟踪系统的开发，让系统通过配置在智能小车上的红外传感器识别特定的目标，使智能小车能够自主运行，稳定地跟踪目标。

参考文献

[1]何立民.单片机应用系统设计[M].北京：航天航空大学出版社，2004.

[2]李广弟.单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[3]张华杰.单片机应用开发从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2014.

[4]张毅刚.单片机原理及接口技术[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[5]隋金雪，杨莉，张岩.“飞思卡尔”杯智能汽车设计与实例教程[M].北京：电子工业出版社，2014.

[6]坂本正文.步进电机应用技术[M].北京：科学出版社，2014.

[7]周立功.单片机实验与实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

〔编辑：白洁〕

此方案的优点是电路压降较小、在电流较大的情况下发热量较小；缺点是电路连接较为复杂、驱动功率较小、不适于大功率驱动。

该驱动电路的功率不能满足实际要求，所以放弃此方案。

方案二：使用专用芯片L298所组成的电机驱动电路。驱动芯片L298是驱动步进电机的专用芯片，可以利用它内部的桥式电路来驱动直流电机。

此方案的优点是控制比较简单、电路简单，集成芯片简化了电路的复杂性，驱动功率大；缺点是电路发热较大、成本略高。

根据作品的实际需求，决定采用此方案。

3.4 行车距离检测

由于红外检测具有反应速度快、定位精度高、可靠性强等可见光传感器所不能比拟的优点，所以，决定采用红外光电码盘测速方案。具体电路如图2行车距离检测电路所示。

红外测距仪是由测距轮、遮光盘、红外光电耦合器和凹槽型支架组成的。

测距原理：将光栅安装在电机轴上，当电机转动时，光栅也随之转动。同时，将其安装在光栅一侧的红外发光二极管上，在光栅的另一侧设有红外三极管，用于接收红外发光二极管发出的红外线信号。由于光栅随电机高速转动，所以，红外线三极管接收到的就是一系列的脉冲信号。将该信号传输到CPU的内部计数器计数时，根据预先实测的数据换算关系即可计算出电动机车的行车距离。

图2 行车距离检测电路

4 结束语

本文结合智能小车目标跟踪系统的开发，让系统通过配置在智能小车上的红外传感器识别特定的目标，使智能小车能够自主运行，稳定地跟踪目标。

参考文献

[1]何立民.单片机应用系统设计[M].北京：航天航空大学出版社，2004.

[2]李广弟.单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[3]张华杰.单片机应用开发从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2014.

[4]张毅刚.单片机原理及接口技术[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[5]隋金雪，杨莉，张岩.“飞思卡尔”杯智能汽车设计与实例教程[M].北京：电子工业出版社，2014.

[6]坂本正文.步进电机应用技术[M].北京：科学出版社，2014.

[7]周立功.单片机实验与实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

〔编辑：白洁〕

此方案的优点是电路压降较小、在电流较大的情况下发热量较小；缺点是电路连接较为复杂、驱动功率较小、不适于大功率驱动。

该驱动电路的功率不能满足实际要求，所以放弃此方案。

方案二：使用专用芯片L298所组成的电机驱动电路。驱动芯片L298是驱动步进电机的专用芯片，可以利用它内部的桥式电路来驱动直流电机。

此方案的优点是控制比较简单、电路简单，集成芯片简化了电路的复杂性，驱动功率大；缺点是电路发热较大、成本略高。

根据作品的实际需求，决定采用此方案。

3.4 行车距离检测

由于红外检测具有反应速度快、定位精度高、可靠性强等可见光传感器所不能比拟的优点，所以，决定采用红外光电码盘测速方案。具体电路如图2行车距离检测电路所示。

红外测距仪是由测距轮、遮光盘、红外光电耦合器和凹槽型支架组成的。

测距原理：将光栅安装在电机轴上，当电机转动时，光栅也随之转动。同时，将其安装在光栅一侧的红外发光二极管上，在光栅的另一侧设有红外三极管，用于接收红外发光二极管发出的红外线信号。由于光栅随电机高速转动，所以，红外线三极管接收到的就是一系列的脉冲信号。将该信号传输到CPU的内部计数器计数时，根据预先实测的数据换算关系即可计算出电动机车的行车距离。

图2 行车距离检测电路

4 结束语

本文结合智能小车目标跟踪系统的开发，让系统通过配置在智能小车上的红外传感器识别特定的目标，使智能小车能够自主运行，稳定地跟踪目标。

参考文献

[1]何立民.单片机应用系统设计[M].北京：航天航空大学出版社，2004.

[2]李广弟.单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[3]张华杰.单片机应用开发从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2014.

[4]张毅刚.单片机原理及接口技术[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[5]隋金雪，杨莉，张岩.“飞思卡尔”杯智能汽车设计与实例教程[M].北京：电子工业出版社，2014.

[6]坂本正文.步进电机应用技术[M].北京：科学出版社，2014.

[7]周立功.单片机实验与实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

〔编辑：白洁〕