低碳越障小车控制系统设计

孙亚星 ，朱佳佳 ，孟 畅 ，张志强

(1.南京理工大学工程训练中心，江苏 南京 210094；2.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094；3.南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094)

0 引言

低碳越障小车作为一种简单的低能耗轮式机器人，能够实现环境信息感知(障碍识别)、路径规划(轨迹判断)及行为决策(自动转向、上下坡和制动)等功能[1]。同时，它涉及机械设计、传感器和自动控制等理论，以重力势能作为唯一的前进驱动力，是典型的智能化、绿色化机电产品[1]。

本文以低碳越障小车为研究对象，设计了一套以ATmega1284P单片机为核心的控制系统，包括电源转换模块、传感器模块和执行机构等；采用状态机的程序设计思想，针对不同的路况，设计了一套以沿边PID直行程序为核心的控制程序。该控制系统能够实现自动转向及制动等功能。

1 系统结构设计

1.1 系统整体结构

采用模块化设计思想，将低碳越障小车设计为机械系统和控制系统两部分。机械系统采用三轮结构(其中：左边小轮为转向轮，另外两轮为行进轮/驱动轮)[2-4]。低碳越障小车结构如图1所示。小车上方悬挂1 kg重物(砝码)，通过滑轮系传动，将重力势能转化为驱动力矩，作为小车行驶能量[2-4]。

图1 低碳越障小车结构图

1.2 控制系统原理

控制系统主要通过激光测距传感器GY-530来感知环境信息(障碍)、通过姿态传感器MPU-6050感知自身姿态，再由程序判断得到小车所处的环境，进而由执行机构舵机MG90s控制机械系统，实现障碍检测、上下坡控制和自动转向等功能。

本文所设计的控制系统主要包括：充电电池(或移动充电宝)、稳压电源模块(LM7805)、ATmega1284P单片机最小系统模块、传感器组合和舵机组合等。控制系统结构图如图2所示[5-6]。

图2 控制系统结构图

2 硬件方案设计

2.1 ATmega1284P单片机最小系统模块

单片机是整个控制系统的核心。因此，对单片机的选型，本文考虑的因素主要有以下几项。

①性能要求。需要对多种传感器进行定时信息采样；控制两个舵机的运动；对定时采样的传感器信息进行分析判断，根据控制算法给出控制命令。

②焊接要求。主控板(除驱动电路外的所有电路)必须方便现场焊接和调试，这是低碳越障小车走进课堂的必然要求。因此，单片机选型时，应结合学生的焊接技能水平，慎重选择。

③成本要求。在单片机选型时，应考虑成本的因素。当然，也不能因为考虑成本，而影响到系统的整体性能。

综合以上考虑，本文选用DIP-40封装的ATmega1284P单片机[7-8]。

2.2 稳压电源模块

在整个控制系统中，ATmega1284P 单片机、传感器组合和舵机组合均使用5 V工作电压。

本文选用7.2 V充电电池或移动充电宝作为供电电源，并通过降压模块LM7805稳定到5 V。LM7805稳压模块结构简单、稳定可靠，得到了广泛的应用，但输出电流小。经实测，本文控制系统需要选用两块LM7805模块进行稳压。

2.3 传感器模块

感知环境中的障碍物，需要使用距离传感器。通常使用超声波传感器。在实际测试中发现，超声波的发散角度偏大，容易造成误判断。考虑到激光的定向发光特性，本文选用激光测距传感器GY-530代替超声波传感器。实践证明，激光测距传感器的定位精度高、性能稳定可靠，在价格成本上也没有明显增加。

感知小车的姿态，需要使用到姿态传感器。在本文设计中，选用MPU-6050模块[1,9]。该模块又称三轴陀螺仪+三轴加速器，能够同时测量三个轴的角度、角速度和加速度，进而判断小车是否处于转向或上下坡阶段。

2.4 驱动模块

舵机是一种位置(角度)伺服的驱动器，精度高、控制使用灵活，适用于需要不断变化角度并可以保持的控制系统。因此，本文中的转向部分和刹车部分，均使用舵机来驱动，具体使用的舵机型号为MG90s。舵机采用脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)波进行控制，控制方法简单[1]。

3 软件设计

3.1 系统软件

控制系统采用前后台程序设计结构，其流程如图3所示。

图3 控制系统程序流程图

程序先进行系统初始化，配置相关的寄存器，在判断出发起始位置之后(采用I/O信息来判断出发起始位置)，进入循迹模式运行。

后台采用30 ms的定时中断程序采集(定时更新)传感器数据；前台则根据定时更新的传感器数据，对位置信息进行判断处理，单片机再将相应的PWM控制信号发送给舵机模块，以控制小车的运行状态，从而达到赛道障碍检测、自动转向和刹车的功能。

激光测距传感器GY-530、姿态传感器MPU-6050与微程序控制器(microprogram controller,MCU)的通信均支持I2C协议。而ATmega1284P也支持I2C。因此，本文采用I2C协议作为通信方式。

根据不同的环境路况，在循环模式中，主要完成直线道避障、半圆道避障和直线道上下坡控制等功能。

通常，直线道上的障碍墙是随机摆放的。考虑到小车自身的尺寸大小，只要求两个相邻障碍墙之间的最小距离不小于1 m，因此，障碍墙摆放方式有很多种。为此，本文考虑了直线道上障碍墙摆放的极限情况，即两个相邻障碍墙交错摆放，且两者之间的距离为1 m，如图4所示。这种障碍墙的极限摆放方式，能够适应障碍墙随机摆放的要求。因此，极限直线段赛道避障模块是整个控制程序设计的关键。

图4 直线段赛道障碍墙摆放的极限情况图

3.2 直线道避障模块

本文采用状态机编程思想来设计直线道避障模块的程序。

整个避障过程如下：假设小车从左下起点出发，首先是左PID直行；当检测到小车正前方60 cm处有障碍物时，即2号障碍墙，小车右转90°，通过MPU-6050模块判断动作是否完成；动作完成后，小车进入沿障碍墙的左PID，这个过程比较短暂；当检测到小车正前方60 cm处有障碍物时，即右直线挡板，小车左转90°；MPU-6050模块判断动作完成后，小车进入右PID直行操作。当然，若小车从右下起点出发，这个过程是类似的。以左赛道启动为例，直线道避障程序流程如图5所示。

图5 直线道避障程序流程图

整个避障过程所涉及的状态有：左/右PID直行、左/右转90°这四种状态。所涉及的转移条件分别是：小车正前方60 cm处检测到障碍、左/右转90°动作完成。由图5可知，整个程序的基本模块是沿边PID直行(左/右PID直行)程序。也就是说，沿边PID直行程序是整个控制程序设计的基础。

需要说明的是，半圆道避障可以通过执行右PID直行程序来实现。

3.3 直线道上下坡模块

直线道上下坡模块，主要用于控制小车从坡道上冲下的速度，并防止翻车。首先需要判断小车是否位于有坡道的直线段赛道，然后判断小车是否已经经历了上坡并正处于下坡的过程中，进而输出PWM波来控制刹车舵机。这些都是基于姿态传感器MPU-6050模块实现的。

3.4 PID控制

在实际控制系统中，PID控制得到了广泛应用[10-12]。本文设计中，采用PID控制实现小车沿左/右直线边直行功能。

程序设计的具体思路是：将小车离直线道边沿的距离作为控制目标，使用PID算法，控制舵机运动的PWM波作为输出，实现小车沿赛道边沿直行。

4 实际测试

在测试跑道一侧直线道上间隔不等(随机)地交错设置多个障碍墙，相邻障碍墙之间最小间距为1 m。另一侧直线道上设置有一段坡道，坡道由上坡道、坡顶平道和下坡道组成。两端则为半圆道。

经过实测，在机械系统配合下，本文设计的控制系统能够很好地满足设计要求。

所设计的低碳越障小车，分别在距离边沿20 cm、30 cm和40 cm三种情况下，均能正常完成沿左/右边PID直行操作；在距离坡道1 m、3 m和5 m等条件下启动小车，均能够正常上下坡，没有发生翻车的现象，充分说明了刹车模块的可靠性。在随机摆放10个障碍墙的情况下，小车可以跑35 m左右，经历了直线道避障、半圆道避障和直线道上下坡等阶段。

5 结束语

低碳越障小车作为典型的智能化、绿色化机电产品，越来越受到全社会的关注。本文所设计的控制系统，使用ATmega1284P单片机作为核心，采用激光测距传感器GY-530和姿态传感器MPU-6050模块来感知跑道环境，并以舵机MG90s作为执行机构。根据不同路况，应用状态机程序设计思想，设计了一套以沿边PID直行模块为基础的控制程序。经过测试，该控制系统能够实现直线道与半圆道避障以及直线道上下坡等功能。

作为低碳环保型产品，该小车的控制系统还有进一步开发的空间。比如，实现能量管理策略以提高重力势能的利用率，减轻整个控制系统的质量以提高整个小车的续航能力等。