基于激光二極管的智能循跡小車的硬件設計
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
具體的紅外發(fā)射及接收電路原理圖如圖3所示，圖中左半部分為紅外激光發(fā)射電路。從發(fā)射電路圖可見，只需一個三極管Q1(N5551)即可直接驅動紅外激光二極管HLD780060H7J，其控制信號則是一個頻率為40 kHz的調制信號，由控制器產生。圖中右邊部分為紅外接收電路，其紅外接收的光敏二極管是一個PN結，需提供一個反偏電壓，所以反向連接在電路中。三極管Q1、Q2構成的電路并未起到信號放大的作用，而是使得光敏傳感器的工作點因環(huán)境光線的變化而變化，從而保證了傳感器接收的靈敏度。在一定程度上，起到了對環(huán)境光線的自適應作用。在調試過程中，可通過調節(jié)可變電阻PR1使得傳感器的信號輸出最大。放大電路則可采用低噪聲的運算放大器TL064來設計，此芯片內部集成了4個運放，可方便地實現信號的濾波及多級放大。將已放大的信號再通過RC積分電路便可產生A／D所要采集的電壓。由于飛思卡爾智能車比賽的賽道是由白色泡沫材料及其中心的黑色引導線組成，通過將兩者的A／D采樣值進行比較，就可識別出黑色引導線。
3．3 RS380直流電機驅動模塊
直流電機驅動采用飛思卡爾公司的5 A集成H橋的芯片MC33886。此芯片內置有控制邏輯、電荷泵、門驅動電路以及低導通電阻的MOSFET輸出電路，適用于控制感性直流負載。該芯片可提供連續(xù)的5 A電流，并集成有過流保護、過熱保護和欠壓保護電路。通過控制MC33886的4根輸入腳(IN1、IN2、D1、D2)可實現電機正轉、能耗制動及反接制動。在此應用中，MC33886的作用是將恒定的直流電壓調制成頻率同定而脈寬可變的PWM脈沖電壓序列，從而改變輸出的平均電壓大小來控制電機轉速。為提高對直流電機的控制精度，可將MC9S12XS128單片機內部的PWM2和PWM3兩個通道8位寄存器級聯成16位寄存器，并從PWM3通道輸出接到MC33886的IN1。同理，可將PWM4和PWM5兩個通道8位寄存器也級聯成16位寄存器，從PWM5通道輸出接到MC33886的IN2。通過PWM對MC33886的IN1和IN2的控制，從而實現對電機的四象限運行的控制。而直流電機RS380則直接接入MC33886的輸出端OUT1和OUT2。本驅動設計采用了兩片MC33886并聯使用，一方面減小導通電阻對直流電機特性的影響，增強驅動電機的能力；另一方面可減小MC33886內部過流保護電路對電機啟動及制動的影響，且共同分擔了發(fā)熱量，進一步提高了電機驅動的性能。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/196140.htm
3．4 車速測速模塊
為實現遁跡小車的智能加減速，使車輛高速而平穩(wěn)地跟蹤引導線行駛，則必須對其進行速度檢測，使車輛的速度構成一個閉環(huán)控制關系。系統(tǒng)的車速檢測采用了低成本的槽型光電開關H206與光柵圓盤的組合來實現。其是一種透光式的檢測方法，原理如圖5所示，當光柵圓盤跟隨被測軸旋轉時，U1中左邊的發(fā)光二極管的光線只能通過光柵盤上孔照射到其右邊的光電管上；當光電管被照射時，其電阻較小，于是輸山一個低電平信號；當光源被圓盤擋住時，則光電管電阻較大，輸出端就形成一個高電平信號輸出。隨后再經過一個南U2構成的電壓比較器，便可產生一個標準的矩形脈沖。然而，圓盤上的小孔數目是同定的，即轉一周的脈沖個數是同定的。若轉速變化則輸出的脈沖個數也將發(fā)生變化，且該變化是線性的。然后根據v=(N／M)／T(v是轉速；N為單位時間T內所產生脈沖個數；M為光柵圓盤上孔的個數；T為單位時間)便可算出被測軸的轉速。但為提高測速的效率，系統(tǒng)采用另一種換算方法，就是將脈沖信號轉換成電平信號再由單片機A／D采樣獲得相應的速度值。網中LM331芯片構成一個F／V轉換電路。檢測脈沖從LM331芯片的6腳輸入，由引腳1輸出一個電壓信號，然后送入單片機A／D采樣，不同的采樣值對應不同的轉速。
3．5 舵機模塊及小車的組裝
系統(tǒng)設計采用Futaba S3010型舵機，只有3根引接線，分別為地線、電源線和PWM控制線。該舵機的實質是一個位置隨動系統(tǒng)，其由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機和控制電路組成，通過內部位置反饋，可使舵盤輸出轉角正比于其給定的控制信號。即在負載力矩小于其最大輸出力矩的情況下，其輸出轉角將會正比于給定的脈沖寬度。為提高舵機的響應速度，將其工作電壓直接連接電池電壓7．2 V，并將單片機內部的PWM0和PWM1兩路8位輸出級聯成一個16位的PWM，再由PWM1通道輸出給舵機。在實踐中，還可通過采取加長舵機力臂增大擺幅的方法進一步提高舵機的響應速度。
圖6為本設計智能循跡小車的組裝實物圖。由于傳感器對賽道信息捕獲的效果將直接影響智能車的控制策略及其速度。為獲得盡量大的前瞻，如圖6所示，設計將15個均等間隔排列的激光傳感器固定在一個離地面約25 cm的位置，并以58°角射向前方路面，使得小車的前瞻可達40 cm。同時將舵機通過墊板墊高，加長了前輪控制力臂的長度，從而提高了前輪轉向的響應速度。并在電機及其驅動MC33886表面均加裝了散熱器，來提高電機運行的性能。通過科學的硬件設計，與合理的算法，便可讓系統(tǒng)對賽道信息進行提前獲取并做出即時、正確的決策，從而使車輛做到彎道提前減速，直道提前加速跑出更加節(jié)省路程的路徑。
4 結束語
文中對基于紅外激光二極管的智能循跡小車的硬件系統(tǒng)進行了分析與設計。介紹了智能車的控制器模塊、電源管理模塊、路徑識別模塊、電機驅動模塊、車速測速模塊以及舵機模塊等6部分的硬件電路設計，并給出了部分模塊的實際電路圖。最終展示了智能循跡小車的實物圖。實踐證明，該車可快速平穩(wěn)地實現循跡功能。
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