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1、作者简介 : 陈鸿 ,男, 仰恩大学计算机与信息学院副教授。研究方向: 嵌入式系统开发与应用 、 电子信息工程 、 单片机应用技术 。嵌入式系统在瑞萨智能寻迹模型车的应用陈鸿(仰恩大学福建 泉州362014)摘要 : 系统采用一种基于瑞萨H 8单片机的智能寻迹模型车的设计与实现,其核心控制单元为瑞萨公司 H 8系列 8位单片机H 8 /3048F- ONE,采用红外传感器检测赛道白线。 通过对智能车运动模型的建立与分析 , 该设计详述了方向控制系统与速度控制系统等重要控制系统的实现方法,设计的智能电动小车能实现按轨迹前进、右转 、左转、入库倒车等功能; 通过编程控制小车的行驶速度, 转弯角度等
2、 。关键词 : 瑞萨 H 8单片机 ; 寻迹 ;控制系统 ;直角转弯中图分类号 : TP39文献标识码 : A文章编号 : 0000129/K ( 2009) 02- 0075- 06电动智能小车控制系统可以分为两个大的子控制系统 ,他们分别是方向控制系统和速度控制系统。方向控制系统能使车沿着白色引线行驶而不偏移 ; 速度控制能使智能车在直道上加速行驶,而在转弯时刹车减速以尽量提高行驶速度和避免因转弯速度过快而造成的冲出跑道。为保证智能车在行驶的过程中具有良好的操纵稳定性和平顺性 , 对智能车运动系统进行了建模与分析, 针对赛道特点对智能车的方向控制和速度控制提出了较为理想的解决方案。1 瑞萨
3、 H8 /3048 系列概况H 8/3048系列是一个以日立公司的H 8/300HCPU为核心 ,且又集成了若干重要的系统支持功能部件的高档微控制器系列。该芯片已在全国大学生瑞萨超级MCU 模型车大赛中广泛应用,并取得很好的实验效果。H 8 /300H CP U 内部体系结构为 32位 , 它有十六个16位通用寄存器,以及一个简明、优化的指令系统。该CPU 可寻址 16 M 字节性地址空间。其指令系统与 H 8 /300 CPU在目的码一级上向上兼容,因而可使H 8 /300系列的软件很容易就移植过来。片内系统支持功能部件有:ROM、 RAM、 16位 集 成 定 时 单元( I TU )、可
4、编程 定 时 式 样 控 制 器( TPC)、监 视 定 时 器(WDT) 、串行通讯接口( SCI)、A /D转换器、I /O口、存储器直接访问控制器( DMAC )、刷新控制器以及其他配件等等。2系统硬件设计与安装智能车的控制核心为瑞萨公司的8位单片机H 8 /3048F-ONE为核心控制器,主要包括主控制、电源管理、路径识别、转向舵机、电机驱动、车速检测六大模块组成。智能车控制总体结构如图 1所示:智能车安装包括电池部分、舵机、传感器以及车速检测模块的安装。2 1主控制模块。智能小车的控制核心为日本瑞萨公司的8位单片机H 8/3048F-ONE其主要特点是片内硬件资源非常丰富、高速、低耗
5、、75学 术 问 题 研 究 (综 合 版 )2009年第 2期A cadem ic R esearch( Integratededition)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 大容量、易于拓展、支持C语言编 程,H 8/3048系列特别适合电池供电设备的使用。同时可以利用 P WM 模块产生P WM 调制信号来控制电机和舵机 , 通过 A /D 转换器获取位置传感器的信息和车速传感器的信息。图 1智能小车总体结构
6、2 2电源管理模块。电源是一个系统正常工作的基础 ,因此电源的设计至关重要。智能车中接受供电的部分包括:路径识别模块、转向舵机模块、电机驱动模块、车速检测模块。寻迹智能小车使用8节 5号 2000mAh充电电池作为系统主要电源。为防止电机和舵机等大功率器件在反复启动状态下系统产生干扰,主要功能模块均采用单独供电。2 3路径识别模块。智能小车路径识别模块的作用相当于人的眼睛和耳朵。考虑到要使车辆的行驶过程稳定,寻迹智能车采用8对反射式红外传感器作为路径识别元件。每对传感器由红外发射管和红外接收管组成,水平均匀分布在智能车前部的传感 器板 上,传 感器间 距约 为 20mm ,系统针对红外路径识别
7、前瞻能力较弱的缺点,将传感器板前伸至距车头25cm 处,使 得智能车的预判性能大大增强。这样不仅能保证车有足够的前瞻性 ,还可以牢牢锁定白线,使车在跑直线时快速平稳 ,不会摇晃。2 4转向舵机模块。转向控制系统中最重要的部分就是舵机。舵机的主要作用是控制智能车的转向 , 其过程是单片机首先通过A /D转换器将传感器采集的路面信 息进行处理,再通 过 P WM技术对智能车的舵机进行适时的控制。本文所述的智能小车采用较为独特的前轴转向方式,将舵机输出盘固定在智能车前轴的中点上,利用舵机转动带动智能车转向。智能车舵机的转向是由P WM 来控制的 ,8个红外传感器在智能车前对称排开。舵机对每个传感器做
8、出的反应也是不一样的,中间的起到正舵的作用是使智能车沿着跑道行驶,越靠近对称轴的传感器要求智能车的转向角度越小,越远离对称轴的传感器要求智能车的转向角度越大。2 5电机驱动模块。寻迹智能小车采用四轮驱动方式 ,由 4个直流电机分别对每个车轮进行独立驱动。在智能车行驶的过程中,由于四轮车轮能够同时提供抓地力,因此智能车的动力性和行驶稳定性得到大大增强。2 6车速检测模块。车速的检测是对车速进行闭环控制的基础,直接影响到将来控制的效果。本设计采用的是在后轴中点位置再增设一个均匀分布有黑白条纹的编码盘的测速轮的方法,根据光电反射原理 ,在车轮转动时, 红外接收管接收到反射光强弱高低变化,通过 A /
9、D传感器将车速信息传递到单片机相应接口。3电路设计部分3 1电动机P WM 驱动电路。小车控制的主电路采用H 型 P WM 电路。用单片机进行控制 ,使驱动电路工作在占空比可调的开关状态,精确调整电动机转速。在这种电路中,管子始终工作在饱和与截止模式下 ,转 换速度快 ,效 率高。 H型电路可以实现转速和方向的控制,是一种广泛采用的 PWM 调速技术。具体电路图如图2所示 :图 2驱动电路图3 2路面白线检测电路。采用红外传感器组成检测电路。探测路面白线的大致原理是:光线照射到路面并反射,由于黑线和白纸的反射系数不同 , 根据接收到的反射光强弱判断是否沿白线前进。在车底前部安装了8个红外传感器
10、,将红外传感器探头置于运行轨迹中间,其间距调整为大于白线的宽度。红外传感器接受到不同的颜色后会有不同的电平输出。红外传感器组工作电流大,抗干扰能力强 ,检测精度高 ,在白色引导线76陈鸿: 嵌入式系统在瑞萨智能寻迹模型车的应用2009年第 2期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 两侧检测 ,可使小车沿运行轨迹精确行驶。4 软件算法部分控制系统中的软件需要完成系统初始化以及控制过程的实现等功能, 是一个控制系统的核心部
11、分。单片机系统需要接收路径识别电路的信号及车速传感器的信号, 并采用某种路径搜素算法进行寻迹判断 ,进而控制转向伺服电机和直流驱动电机的工作。这些功能的实现都是通过软件实现的算法设计主要包括数学建模、方向控制算法和速度控制算法。智能车的软件设计基于ResenasH i-perfor manceEmbeddedW orkshop编程 环境 开发 和调 试,使用 C语言实现。此部分起着控制小车所有运行状态的作用 ,控制方法有很多,大部分都采用软件算法控制 , 其程序控制流程图如图3所示。图 3系统的程序流程图小车进入寻迹模式后,即开始不停地扫描与探测器连接的单片机I/O口,一旦检测到某个I/O口有
12、信号变化, 程序就进入判断程序,把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的运动状态。从而实现前进、右转、左转、入库倒车等功能。4 1智能车的数学模型及其控制算法的实现目标。智能车传感器采用一字形布置,这种布置形式使输入信号简单明确,抗干扰信号能力强 ,但是由于硬件条件的限制,智能车只能看到脚下的道路。我们对智能车进行数学建模时并不需要过多的计算 ,将智能车与现实世界结合起来,通过传感器的信息采集我们就可以知道,智能车告诉我们的不是其处于弯道还是直道,是左转还是右转 ,将要走直线还是转弯,而是说明的智能车当前的位置与白线的关系,所以我们可以建立一个以原点对称的坐标轴来描述智能车的数学模型。数学模型如
13、图4所示 :图 4智能车的数学模型! ! ! 坐标轴模型4 2方向计算算法。智能车采用的8个红外传感器能够很好的检测到地面白线的信息,同时充分利用了片上8路 A /D 转换器的资源。智能车上 8个红外 传感器能够检测到 8个 精确的位置,加上相邻两个传感器同时检测到白线和没有传感器检测到白线的情况, 一共有16种检测状态 , 这样就可以将智能车的水平偏移量求出来了。将每种检测状态下白线距智能车中心线的水平偏移量e标定出来作为智能车的控制参数。针对不同检测状态输出不同智能车的舵机控制量以及目标车速,从而实现智能车寻迹行驶。4 3方向控制算法。智能车方向控制的作用好比是驾驶员和他所控制的方向盘。在
14、这里我们采用基于白线偏差e的开环P控制(比例控制)的算法就能很好的控制小车的转向,且这种方法具有实时性好 ,传输速度高等优点。所谓P控制就是输出方向和测得的白线位置成分段比例关系。比例关系的确定依据如图5所示 , 设为舵机转角, 偏移量为e , 前轴到传感器间距为b。据几何知识可以得出舵机转角公式:= arctan ( e/b) 。图 5方向控制的实现智能车看到的路面情况一共有16 种状态,其中每一种状态都有一个相应舵机转角值与之对应。这样就可以在程序中创建出每种传感器状态对应的白线偏差e与舵机转角之间的二维映射表 ,如表 1所示。这样单片机就可以在传感器 A /D 信号解读后查表确定舵机的转
15、角大小,从而可以牢牢钳住白线 ,使车在跑直线时快速平稳 , 不会摇晃。考虑到智能车中控制的惰性,以及简化控制系统的要求。方向控制系统除认为第1种情况为77学 术 问 题 研 究 (综 合 版 )2009年第 2期A cadem ic R esearch( Integratededition)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 表 1传感器状态二维映射表序号传感器状态白线偏差e (mm) 舵机转角?1# # # ? ?
16、 # # #002# # ? ? # # # #- 20- 3 43# # # # ? ? # #203 44# # # ? # # # #005# # # # ? # # #006# # # # # ? # #203 47# # # # # # ? #407 48# # # # # # # ?6011 39# # ? # # # # #- 20- 3 410# ? # # # # # #- 40- 7 411? # # # # # # #- 60- 11 312? ? # # # # # #- 60- 11 313# # # # # # ? ?6011 314# ? ? # # # # #-
17、 40- 7 415# # # # # ? ? #40- 7 416# # # # # # # #00( ? 代表检测到白色引导线# 代表检 测到黑色赛道)中间状态外 , 同时也认为第4、 5种情况为智能车处于跑道中间的状态,舵机不输出转角。这样简化了控制系统,同时减少了舵机工作状态, 很好的提高了效率。在这里介绍两个特别点:第一,表中的第16 种状态 ,8个传感器全部检测到黑色赛道, 没有检测到白色引导线, 这说明智能车冲出跑道,为了保护智能车,系统中的电机驱动系统将自动停止对电机供电来达到制动的目的 , 同时舵机输出转角为0 ,智能车不转向,从而达到保护智能车的目的。第二,直角转弯时 ,直
18、角转弯是比赛特定的难点所在,其赛道为距弯道 前500mm 处 有 两 条 宽 度 为 20mm 、 间 隔 为30mm的垂直于赛道的白线。也就是说在直角转弯前 500mm处传感器将经历两次全为? 的状态 ,经过这两个状态后智能车开始减速,这时舵机并不输出角度 ,智能车保持直线行驶。当智能车检测到直角弯时 ,即 8个检测器中以智能车中心线为对称轴的一边4个检测器同时检测到白线,这时舵机输出转角为 90? ,智能车车速进一步降低,方向控制系统和速度控制系统相互协同的通过直角弯。前面已经 介绍 了单片 机 对舵 机的 控制 采用P WM 技术 , 舵机为伺服电机, 在正常情况下 ,其输出转角与给定的
19、P WM 脉宽成线性关系。其转向公式为 :SERVO_P WM = SERVO_ CENTER +*HANDLE_STEP式中,SERVO _P WM 为舵机控制脉宽 ;SERVO _CENTER 为对应舵机转角为0?时的 P WM 值;HANDLE_STEP为比例系数, 表示舵机每转动 1 度对应的P WM 控制量。4 4速度控制算法。速度控制能使智能车在直道上加速行驶而在入弯时刹车减速,以避免速度过快而造成的冲出跑道。4 4 1赛道分析。表 2赛道分析序号赛道特点行驶特点要求1直线赛道稳定性好尽量高速290? 直角转弯稳定性一般低速入弯 ,转弯 过 程可提高车速3一般弯道稳定性一般中低速保
20、证稳定4 4 2行驶策略。要使智能车沿着白色引导线行驶 , 最主要的就是保证舵机有足够的灵敏度同时速度控制要足够稳定,即智能车在中间状态时,速度控制能很好的加速,短时间内使速度达到最大,在传感器发现偏离中间位置时能减速调整车的位置 , 在调整结束后用最短的时间加速。4 5速度给定算法。速度给定算法由赛道分析及行驶策略可以看出其大致分为以下两类:4 5 1目标车速算法。对于目标车速的选择问题 , 目前还没有比较可靠的公式,只能根据驾驶经验确定。在直线赛道上设置其为较高车速,在弯道时应该根据转弯半径的大小决定车速大小,即应该随着赛道曲率半径的变化改变车速。目标车速的控制函数可以定为:setted_
21、 speed= high_ speed- e * Kp-Kc /count其中 :setted_speed为 给 定 速 度;high _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78陈鸿: 嵌入式系统在瑞萨智能寻迹模型车的应用2009年第 2期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 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
22、越慢;K c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, 将此比例值运用到直角转弯时会很快地降低车速。4 5 2弯道车速算法。由于智能车四个车轮由四个单独的电机驱动, 所以在弯道时由于四个车轮所在的位置不同而有不同的车速,计算出弯道时每个车轮的速度 , 对智能车实现精确控制有着重要的意义 , 这样可以防止车轮打滑和发生跑偏这样影响行驶稳定性的情况发生。智能车转弯时运动模型大致可以简化为:如图 6 所示。其中 , W 为智能车轮距 ,L为轴距 ,舵机输出转角为,各车轮车速分别设为V1,V2,V3,V4; 由车速检测模块
23、可以知道此时智能车的速度V, 根据三角函数关系式可以得出V,V1 4 之间的比值 ,即:V1= VE( 1/BSIN- W /2BL);V2= VE( 1/BSIN+ W /2BL);V 3= V( 1- WE /2BL);V4= V( 1+W E /2BL)图 6智能车转弯时的运动模型通过上面的函数关系式,我们可以将各车轮车速 V1 4 和传感器 检测到的偏移量e 结合起来 , 从而达到如方向控制一样的结果,能够对转弯状态下的各个车轮车速进行比例控制。这种控制简单有效 ,但在精确度上表现并不是太理想 ,智能车在弯道处速度还是不能太高,否则会出现冲出跑道的情况,主要原因可能是智能车车速过快车轮
24、出现一定程度的侧滑所致。4 6速度闭环。通过分析我们知道,智能车在一个封闭的赛道上行驶,赛道由直道和形式不同的弯道组成 ,智能车在弯道处必须减速行驶而在直道处应该以最高车速行驶,那么智能车的车速就会发生不断的变化, 下面就来具体的介绍智能车速度不断变化时的控制算法。我们对智能车车速的控制采用bang- bang控制策略 , 前面已经介绍了智能车的速度检测模块,该模块的作用就是实时的给单片机提供智能车行驶速度,智能车通过传感器感应到的路面信息经过单片机处理后就能判断出此时智能车所处的状态,通过对赛道的分析我们知道所处的状态不同,智能车所要求达到的车速也是不同的,这就要求智能车在判断完状态后检测当
25、前车速,看车速是否符合当前状态, 如速度值小于给定车速,则将驱动电机P WM输入的占空比置为100%,若速度大于给定车速则将电机的P WM 占空比置为0 ,以达到控制车速的目的。智能车在行驶中的状态是实时变化的,这就要求速度控制系统也要不断变化,变化完毕后还要进行检查。我们把这个检测系统称为速度闭环 , 如图 7所示。图 7 速 度控制框图5编译下载工具与调试H 8/3048 单片机的编译工具采用的是H igh-perfor m anceEmbeddedW orkshop (HEW ) 软件。它主要由工程窗口、编辑窗口等组成,建立好工程以后 ,通过编译 ,修改后生成二进制目标文件,然后由fla
26、sh编程工具通过串口下载固化至单片机的FLASHROM 中。本文设计并实现了一种基于瑞萨H 8/3048F- ONE 单片机为核心的智能车,将调试好的程序嵌入到瑞萨H 8/3048F-ONE 单片机芯片的主控制模块中 , 智能车通过8 个红外传感器接收赛道信息 , 通过 A /D 转换器将信息传给主控制模块,主控模块根据当前智能车所处的状况运用方向控制算法和速度控制算法分别对智能车方向和速度进行分析 ,通过改变舵机和电机P WM 占空比的方法来改变智能车的方向和速度。实践证明, 该智能车的嵌入式系统运行稳定,能够快速稳定的寻白线行驶 , 且 速度响应时间快,稳态 误差小 ,抗干扰能力强。79学
27、 术 问 题 研 究 (综 合 版 )2009年第 2期A cadem ic R esearch( Integratededition)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 参考文献 : 1李广弟单片机基础M 北京 :北 京航空航天 大学出版社 , 2001 2李全 利, 仲 伟峰 , 徐 军单片 机原 理及应 用 M 北京 : 清华大学出版社 , 2006 3赵负图传 感器 集 成电 路手 册, 第 一版 M 北京:
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29、 mp lementationof the intelligent tracingmodel car basedon a single- chip ofR enesasH8,ofwhich the coreof the control unit is a single- chip ofH 8 /3048F- ONE ofR enesasH8 seriesw ith infrared sensorsdetectingtrackwhite lines Through the establishing and analysis of the intelligentmotionmode, lthe d
30、esign elaboratesthe i mple mentationmethodsof i mportant control system ,includ ing t he control syste m of d irection and speedcontrol syste mGoing forward ,turningright ,turning left ,reversing andw arehousing and other f unctions accordi ng to t he track canbe achievedby the designed intelligente
31、lectric carThroughprogramming the speedcontrol of the car and turning angle can alsobe achievedK eyword s : RenesasH8MCU;tracing ;control system ;r ight- angle turn% 责任编辑彭瑞财 &(上接第74页 ) 3 A L ipton , HFujiyoshi and RPati. l Moving Targe tClassification and tracking fro m Real- T i meV ideo C. Proc .O
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34、362014Quanz hou ,Fujian ,China)Abstrac t : An approachto detect and trackmoving objects basedon ca meramove ment control ispresented in this paper The d irection ofmoving object is detectedby background differencemet hod Then a fast targetmoving direction is ascertained formotionobject basedon grayp
35、rojection in a plane coordi nate syste m, so that ca mera is rotatedby preset angles to trackmoving objects Th isapproachis provedw idely accepted in a specail situationw ith a static ca meraK eyword s : moving object detection and tracking; background difference ; cameramovementcontrol% 责任编辑谢晓芹 &80陈鸿: 嵌入式系统在瑞萨智能寻迹模型车的应用2009年第 2期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -