１ １０ 传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ） ２０１６年第３５卷第１２期 ＤＯＩ：１０．１３８７３／］．１０００－９７８７（２０１６）１２－０１１０－０３ 智能小车控制系统设计 谢檬，郭 霞 （西安交通大学城市学院。陕西西安７１００１８） 摘要：以１６位低功耗单片机ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８为控制核心，以直流电机作为驱动的动力，设计了智能小车 并采用脉宽调制（ＰＷＭ）方式实现对车速的准确控制；使用灰度传感器来检测起点／终点标志线及转弯／超 车标志线；在超车区使用超声波传感器来测量两辆小车之间的距离，并在轨道的超车区内进行超车；使用 无线通信模块来进行两车之间的超车通信，有效避免两车相撞并顺利实现超车；用电子指南针模块来对两 小车进行精确定位及转弯控制和在行车道上方向的校正。通过对样机进行了测试，结果表明：智能小车可 以实现单车绕圈行驶、两车防撞前后行驶、两车在规定的区域完成超车等功能，且其性能稳定、抗干扰性 强，在无人驾驶系统方面得到广泛应用。 关键词：光电传感器；超声波传感器；电子指南针；无线通信 中图分类号：ＴＰ２１２．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－－９７８７（２ｏ１６）１２－０１１０－０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓｍａｒｔ ｃａｒ ＸＩＥ Ｍｅｎｇ，ＧＵＯ Ｘｉａ （Ｘｉ’ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｃｉｔｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉ’ａｎ ７１００１８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｍａｒｔ ｅａｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ １６ ｂｉｔ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ＭＣＵ ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８ ａｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｒｅ， ＤＣ ｍｏｔｏｒ ａｓ ｄｒｉｖｉｎｇ ｐｏｗｅｒ，ａｎｄ ＵＳｅＳ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＰＷＭ）ｍｏｄｅ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｓｐｅｅｄ；ｕｓｅ ｇｒａｙ ｓｅｎｓｏｒ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｓｔａｒｔ／ｆｉｎｉｓｈ ｌｉｎｅ ａｎｄ ｔｕｒｎ／ｏｖｅｒｔａｋｉｎｇ ｓｉｇｎ ｌｉｎｅ；ｕｓｉｎｇ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｅｎｓｏｒ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｏｖｅｒｔａｋｉｎｇ ａｒｅａ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｗｏ ｃａｒｓ，ａｎｄ ｔｒａｃｋ ｏｖｅｒｔａｋｉｎｇ ａｒｅａ ｆｏｒ ｏｖｅｒｔａｋｉｎｇ；ｏｖｅｒｔａｋｉｎｇ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｗｏ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｕｓｉｎｇ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ，ｗｈｉｃｈ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｗｏ ｃａｒｓ ａｎｄ ｓｍｏｏｔｈｌｙ ｒｅａｌｉｚｅ ｏｖｅｒｔａｋｉｎｇ：ｗｉｔｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｍｐａｓｓ ｍｏｄｕｌｅ ｆｏｒ ｐｒｅｃｉｓｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｕｒｎｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ Ｃａｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｓｍａｒｔ ｃａｒ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｙｃｌｉｎｇ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｄｒｉｖｉｎｇ；ｄｒｉｖｉｎｇ ｔｗｏ ｃａｒ ｃｒａｓｈｅｓ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ，ｔｗｏ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｉｆｅｄ ａｒｅａ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｏｖｅｒｔａｋｉｎｇ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｓｔａｂｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｓｔｒｏｎｇ ａｎｔｉ—ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ．ｉｔ ｈａｓ ａ ｂｒｏａｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｄｒｉｖｅｒｌｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｅｎｓｏｒｓ；ｕｈｒａｓｏｎｉｃ ｓｅｎｓｏｒｓ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｍｐａｓｓ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ０引 言 利用电子指南针传感器进行对智能车转弯的控制。实现了 智能小车作为机器人的典型代表，相对于传统的汽车 单车绕圈行驶、两车防撞前后行驶、两车在规定的区域完成 有着更好的安全性、机动性和广泛的适用性 ，是一个集 超车等功能。 合环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系 １智能小车的硬件电路设计 统。智能小车主要应用领域为：军事侦察与环境探测；探测 １．１ 智能小车的结构框图 危险与排除险情；安全检测受损评估；智能家居等 。生 智能小车的硬件结构采用ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８为微控制器， 活小区内路面情况简单，行人多、机动车少，采用无人驾驶 控制整个无人驾驶小车系统，对内部ＡＤ采集的数据进行 的电力通勤车最为合适。 处理，发出小车直走、转弯、超车等控制指令，从而完成特定 本文所设计的智能小车以ＴＩ公司的单片机 的功能。智能小车的硬件结构框图如图１所示，采用 ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８作为控制核心 ，以直流电机作为驱动的动 ＲＰＲ２２０光电传感器来检测拐弯＼超车标志线；采用超声波 力，并采用脉宽调制（ＰＷＭ）方式实现对车速的准确控制； 传感器来控制两车间距；采用ＧＹ－２６电子指南针对小车进 采用了红外光电传感器对边界和标志线进行检测、设计了 行定位和导航；采用ＳＲＷＦ一１０２１无线通信模块实现甲乙两 超声波传感器和无线收发模块进行两车距和车位的检测、 辆小车车间的通信。 收稿日期：２０１６－１０—１９ 第ｌ２期 谢檬，等：智能小车控制系统设计 误码率。基于ＧＦＳ￣ＦＳＫ的调制方式，采用高效前向纠错 信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力。 光电传感器模块卜 ＿．｛ 显示模块 超声波模块 仁 ＭＳＰ４３０ 电子指南针模块仁 单片机 ．＿｛ 键盘模块 无线通信模块卜 ＿．４电机驱动模块 传输距离远，便于移动小车直接通信。 ２智能小车的软件设计 ２．１ 智能小车的主程序 智能小车系统功能的执行由指令控制，控制指令既可 以由传感器送出下达，也可以由下位机面板上的按键控制， 图１智能小车的硬件结构框图 １ Ｈａｒｄｗａｒｅ￣ｍｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｍａｒｔ ｃａｒ １．２电机驱动模块 采用专用芯片 ９８Ｎ作为电机驱动芯片。 ９８Ｎ是 一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，一片Ｌ２９８Ｎ可以 分别控制两个直流电机，且有控制使能端。用该芯片作为 电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良，且由Ｌ２９８Ｎ结 合单片机可实现对小车速度的精确控制。这种调速方式有 调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受 频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和 反转等优点。通过接口发送ＰＷＭ波，控制电机转速，实现 速度可调，通过控制ＰＷＭ波的相位控制电机的转向。 １．３光电传感器模块 五通道灰度值检测传感器模组以ＲＰ￣２０光电传感器 为探测传感器，共分为５路，分为２行５列。通过对每个传 感器数据的检测，可以实现对直线、丁字路线、十字路线进 行跟踪和检测。 １．４超声波模块电路 超声波的发射与接收是式的，采用超声波发射换 能器代Ｔ４Ｏ一１６ＢＴ和超声波接收换能器ＴＣＴ４０—１６ＢＲ。可 以向外界发出４０ｋＨｚ左右的方波脉冲信号，输出端上拉电 阻既可以提高反向器ＭＣ１４０６９ＵＢ输出高电平的驱动能力， 也可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时 间。 １．５电子指南针模块 ＧＹ－２６是一种低成本平面数字罗盘模块，输入电压低， 功耗小，体积小。其工作原理是通过磁传感器中两个相互 垂直轴同时感应地球磁场的磁分量，从而得出方位角度，此 罗盘以ＲＳ￣３２协议，及ＩＩＣ协议与其他设备通信，具有重 新标定的功能，能够在任意位置得到准确的方位角，其输出 的波特率是９６００ｂｐｓ，有连续输出与询问输出两种方式，具 有磁偏角补偿功能。当小车在行车道上运行时，设定一参 考角度，即连续测量并记录下每个转弯标志线处＼超车标志 线的角度，当小车行至转弯标志线处，按预设的角度转弯。 １．６无线通信模块 系统采用ＳＲＷ￣１０２１无线数据传输模块，能适应任何 标准或非标准的用户协议。且微功率发射，最大发射功率 １０ ｄＢｍ（４３３／４７０ ＭＨｚ）和５ ｄＢｍ（８６８／９１５ ＭＨｚ），载波频率 可提供４３３，４７０，８６８，９１５ＭＨｚ４种选择，高抗干扰能力和低 主程序软件设计流程图如图２所示。 图２主程序流程图 Ｆｉｇ ２ Ｆｌｏｗ ｃＩＩａｒｔ ０ｆｔｈｅｍａＩｎ ｐｒｏｇｒａｍ 通过无线通信模块使２辆智能车同时启动，当灰度传 感模块检测到黑色线时开始转弯，并计数，即检测到的黑线 个数为Ⅳ。转弯通过电子指南针来控制，边走边转，到转过 的角度为９Ｏ。时，直走，以后重复该过程。当乙车计到Ｎ＝８ 时，乙车通过无线通信模块给甲车发信号通知其要超车。 以后重复以上过程。 ２．２行车线路识别模块程序 小车识别转弯标志线后，沿行车道方向直行向前，并由 指南针校正方向，使得小车行驶方向与标志线成９Ｏ。。两 个红外收发对管放在灰度传感器两侧，用于检测行车道边 界线，避免行驶过程中超出边线。五灰度传感器放在小车 的前方，用于识别转弯线和超车线。行车线路识别模块流 程图如图３所示。 ２．３避障超车模块 灰度传感器检测行车道边线，两车在行驶过程中由超 声波传感器判断前方是否有障碍物，以防两车相撞。避障 超车模块流程图如图４所示，当两车运行一圈之后，在第二 圈要完成超车的功能。小车通过车头的红外传感器检测黑 线来确定自身位置，当在第二圈且检测到黑线数为１４时， 表明小车进入到超车区。前一辆小车转弯后停止２ ｓ，通过 定时器实现，后车通过超车道实现超车。同时在运行的过 程中，通过超声波系统来控制两车的车距，避免两车相撞。 １ｌ２ 传感器与微系统 第３５卷 图３行车线路识别模块流程图 Ｆｉｇ ３ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｌａｎｅ ｉｄｅｎｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｅ 检测到超车标志线＝≥＇ 不超车 ＼０到超车碲 。 — ．乙车给甲车发送超车信号 甲车停止，乙车前进２ ｓ，左转４５。 乙车在超车区前进１．５ｓ，右转４５。 转正后乙发信号给甲，两车同时前进 下一圈甲车超乙车，实现交替超车 （堡墨竺塞） 图４避障超车模块流程图 Ｆｉｇ ４ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｏｂｓｔａｃｌｅ ｖｏｉｄａｎｃｅ ｍｏｄｕｌｅ ３ 系统的测试与结果分析 测试时，将小车放置场地起跑线，保证车头方向与起跑 线平行，启动小车，按下小车电源按钮，红色指示灯点亮，系 统初始化成功，代表小车成功启动。 ３．１ 功能测试 １）第一组测试：甲车和乙车分别从起点标志线开始， 在行车道各正常行驶一圈，当检测到第一个转弯以后，两辆 小车可以顺利转动９０。，平稳跑完一圈。 ２）第二组测试：甲、乙两车按图５所示甲乙两辆各自的 起跑线位置同时起动，乙车通过超车标志线后在超车区内 实现超车功能，并先于甲车到达终点标志线，即第一圈实现 乙车超过甲车，最后停在起始的位置，行驶时间为１２．６ Ｓ， 完成设计的基本要求。 ３）第三组测试：甲、乙两车继续行驶第二圈，甲车通过 超车标志线后要实现超车功能，并先于乙车到达终点标志 线，即第二圈完成甲车超过乙车，实现了交替领跑。甲、乙 两车在第二圈行驶的时间要尽可能的短。甲、乙两车继续 行驶第三圈和第四圈，并交替领跑；两车行驶的时间要尽可 转弯标志线 ２０ｃｍ 超车标志区 图５智能小车行车道 Ｆｉｇ ５ Ｓｍａｒｔ ｃａｌ＂ｌａｎｅ 能的短。在完成上述功能后，重新设定甲车起始位置（在 离起点标志线前进方向４０ ｃｍ范围内任意设定），实现甲、 乙两车四圈交替领跑功能，行驶时间约５０ Ｓ。 ３．２测试结果分析 甲车和乙车分别从起点标志线开始，在行车道各正常 行驶一圈。当甲、乙两车从起点位置同时起动，乙车通过超 车标志线后在超车区内实现超车功能，并先于甲车到达终 点标志线，即第一圈实现乙车超过甲车，最后停在终点位 置。甲、乙两车继续行驶第二圈，完成甲车超过乙车，实现 了交替领跑。甲、乙两车继续行驶第三圈和第四圈，并交替 领跑，行驶时间约１２ Ｓ。在完成上述功能后，重新设定甲车 起始位置，实现甲、乙两车四圈交替领跑功能。小车只在超 车区进行超车，实现超车后能返回行车道。 ４结论 通过对样机进行了测试，结果表明：无人驾驶智能小车 可以实现单车绕圈行驶、两车防撞前后行驶、两车在规定区 域完成超车等功能，且其性能稳定、抗干扰性强，在无人驾 驶系统方面得到广泛应用。 参考文献： ［１］梁明亮，孙逸洁．嵌入式智能小车的设计与实现［Ｊ］．制造业 自动化，２０１２，３４（２２）：８７－８９，９４． ［２］赵津，朱三超．基于Ａｒｄｕｉｎｏ单片机的智能避障小车设 计［Ｊ］．自动化与仪表，２０１３，２８（５）：１－４． ［３］ 宁慧英．基于光电传感器的智能小车自动寻迹控制系统［Ｊ］． 仪表技术与传感器，２０１２（１）：１０８－－１１０． ［４］ 董宗祥，石红瑞，杨杰．嵌入式智能小车测控系统的设计与实 现［Ｊ］．计算机测量与控制，２０１０（２）：３５７－３５９，３６２． ［５］ 张洪，钱胜，陈路．多传感器在确定智能小车安全区域 中的应用［Ｊ］．传感器与微系统，２０１３，３２（１２）：１４５一ｌ４８，１５２， ［６］刘金强，聂诗良，潘泽友，等．基于多传感器数据融合的智能 小车避障的研究［Ｊ］．传感器与微系统，２０１０，２９（２）：６６－６８． ［７］李新科，高潮，郭永彩，等．基于语音识别和红外光电传感 器的自循迹智能小车设计［Ｊ］．传感器与微系统，２０１１， ３Ｏ（１２）：１０５－－１０８． 作者简介： 谢檬（１９８２一），女，陕西西安人，工学硕士，讲师，主要从事 测控技术与仪器及智能仪器的设计工作。
