CN104049560A

CN104049560A - 智能小车

Info

Publication number: CN104049560A
Application number: CN201410275896.4A
Authority: CN
Inventors: 唐文涛
Original assignee: Jingchu University of Technology
Current assignee: Jingchu University of Technology
Priority date: 2014-06-19
Filing date: 2014-06-19
Publication date: 2014-09-17

Abstract

本发明提供一种智能小车，包括电池组、控制器，所述控制器与WIFI模块、电机驱动电路连接；所述WIFI模块与上位机连接；所述电机驱动电路通过不同端口分别与左侧电动机、右侧电动机连接，所述左侧电动机与左车轮测速模块连接，右侧电动机与右车轮测速模块连接，所述左车轮测速模块、右车轮测速模块均与控制器连接；所述电池与电压转换器连接，电压转换器与电机驱动电路、控制器、WIFI模块、控制器连接。本发明提供的智能小车，相比传统的智能小车在稳定性和可靠性方面均得到了提高。

Description

智能小车

技术领域

本发明涉及一种智能小车。

背景技术

近年来随着小车的智能化,多项技术在小车上得到了应用,对嵌入式软件的要求也随之提升，但是传统的小车其稳定性和可靠性较差。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种稳定性和可靠性优良的智能小车。

一种智能小车，包括电池组、控制器，所述控制器与WIFI模块、电机驱动电路连接；所述WIFI模块与上位机连接；所述电机驱动电路通过不同端口分别与左侧电动机、右侧电动机连接，所述左侧电动机与左车轮测速模块连接，右侧电动机与右车轮测速模块连接，所述左车轮测速模块、右车轮测速模块均与控制器连接；所述电池与电压转换器连接，电压转换器与电机驱动电路、控制器、WIFI模块连接。

进一步地，所述左车轮测速模块包括左码盘、设置有左红外对管的左测速电路，所述左码盘与左侧电动机的转动轴连接，所述左红外对管安装在左码盘的两侧，左测速电路与控制器连接；所述右车轮测速模块包括右码盘、设置有右红外对管的右测速电路，所述右码盘与右侧电动机的转动轴连接，所述右红外对管安装在右码盘的两侧，右测速电路与控制器连接。

进一步地，如上所述的智能小车，所述控制器采用MSP430F149单片机。

进一步地，如上所述的智能小车，所述WIFI模块型号为HLK-RM04。

进一步地，如上所述的智能小车，所述电动机驱动电路的驱动芯片采用L289N双H桥直流电机驱动芯片。

进一步地，如上所述的智能小车，所述左车轮测速模块、右车轮测速模块采用通过单位时间内采集透射式红外对管产生的脉冲数来实现车速测量。

进一步地，如上所述的智能小车，所述上位机为电脑、手机、IPAD。

进一步地，如上所述的智能小车，所述电池组选取12V镍氢电池组给系统提供电能。

本发明提供的智能小车，由于控制器MSP430F149搭载UCOS-II操作系统管理整个系统的运行状态和资源分配，从而使得本发明智能小车的可靠性得到提高；同时还采用PID算法控制小车左右车轮速度平衡，利用MSP430F149的timerB输出四路PWM波控制小车整体行进速度及运动方向，从而使得本发明小车的稳定性得到提高。

附图说明

图1为本发明智能小车的系统结构示意图；

图2为本发明控制器的电子器件管脚连接图；

图3为本发明3.3v电压转换器电路结构示意图；

图4为本发明5v电压转换器电路结构示意图；

图5为本发明8v电压转换器电路结构示意图；

图6为本发明电动机驱动电路结构示意图；

图7为本发明左车轮测速电路结构示意图；

图8为本发明右车轮测速电路结构示意图；

图9为本发明WIFI模块电路结构示意图；

图10为本发明UCOS-II任务状态切换图；

图11为本发明PID控制器原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明智能小车的系统结构示意图，如图1所示，本发明提供的智能小车，包括电池组16、控制器13，所述控制器13与WIFI模块12、电机驱动电路14连接；所述WIFI模块12与上位机11连接；所述电机驱动电路14通过不同端口分别与左侧电动机18、右侧电动机20连接，所述左侧电动机18与左车轮测速模块17连接，右侧电动机20与右车轮测速模块19连接，所述左车轮测速模块17、右车轮测速模块19均与控制器13连接；所述电池16与电压转换器15连接，电压转换器15与电机驱动电路14、控制器13、WIFI模块12、控制器13连接。

所述左车轮测速模块17包括左码盘、设置有左红外对管的左测速电路，所述左码盘与左侧电动机18的转动轴连接，所述左红外对管安装在左码盘的两侧，左测速电路与控制器13连接；所述右车轮测速模块19包括右码盘、设置有右红外对管的右测速电路，所述右码盘与右侧电动机20的转动轴连接，所述右红外对管安装在右码盘的两侧，右测速电路与控制器13连接

工作原理：上位机11发出控制信号，该控制信号通过WIFI模块12发送给控制器13，控制器13根据接收的控制信息开启电压转换器15,电压转换器15将电池组16的电压转换为3.3v、5v、12v分别供给控制器13、WIFI模块12、电动机驱动电路14。电动机驱动电路14通过接口分别与左侧电动机18、右侧电动机20连接驱动其工作，在左侧电动机18、右侧电动机20上分别设置有码盘，码盘随着电动机的转动而转动，所述左车轮测速模块17、右车轮测速模块19分别采用其测速电路上设置的左、右透射式红外对管测量小车左、右车轮的速度(透射式红外对管测量码盘转动时脉冲(码盘上共有20个孔)，采集单位时间内脉冲个数，再由车轮的半径得知车轮的周长，从而计算出车速)；同时控制器13还可以通过控制左侧电动机18、右侧电动机20的正转与反转来控制左右车轮的正转与反转，从而控制器13就可以通过车轮的速度以及正转、反转方向来调整小车的运行速度与方向。

图2为本发明控制器的电子器件管脚连接图，如图2所示，控制器是智能小车的核心，该小车采用MSP430F149单片机作为核心控制系统。MSP430F149是MSP430系列超低功耗微控制器中的一种。它由2个16位定时器、8路快速12位A/D转换器、2个通用串行同步/异步通信信号接口(USART)和48个I/O引脚等构成的微控制器。尤其是具有2KB的片内RAM和60KB的FLASH，使其适合在上面挂载操作系统。

MSP430单片机最小系统外围电路主要由晶振电路和复位电路组成。MSP430单片机的时钟输入源可以提供辅助时钟(ACLK)、系统主时钟(MCLK)和子系统时钟(SMCLK)3种时钟信号。本系统晶振电路选用在XT2IN和XT2OUT管脚连接8MHz高速晶振的高频时钟源产生系统主时钟信号，外部32.768kHZ的精准晶振作为系统的子系统时钟源，提供了精准的时基。复位电路选用典型的阻容复位电路。MSP430单片机具有上电复位功能，即上电后保持RST/NMI端口为高电平。由此在RST/NMI管脚接10K上拉电阻，接0.1uF的电容可以使复位更可靠。系统低功耗运行时，若系统断电后立即上电，利用二极管可以使电容中的电荷通过二极管释放，加速电容放电，保证复位。单片机的数字电源与模拟电源由电源模块提供，都为3.3V。

图3为本发明3.3v电压转换器电路结构示意图，图4为本发明5v电压转换器电路结构示意图，图5为本发明8v电压转换器电路结构示意图，这3个电路的输入端均与12v的电池组连接，输出分别提供不同的电压，图3将12v的电压转换为3.3v的电压供控制器13使用，图4将12v的电压转换为5v的电压供WIFI模块12使用，图5将12v的电压转换为8v的电压供电动机驱动电路14使用。为给该小型嵌入式系统提供安全、高效、纯净、易控制的电源，充分考虑小车上各模块的运行环境，所述电池组16选取12V镍氢电池组给系统提供电能。所述各个电压转换器选取TI公司的TPS5430芯片作为电压转换器的核心芯片，可使电源的利用率及效率最大化。该芯片具有5.5V至36V的宽输入电压，上至3A的输出电流，固定500kHZ的开关频率，转换效率高达95％，极低的输出电压波纹，预留ENA控制引脚.。通过单片机软件控制该芯片上是否进行转换，从而达到了电源的高效、安全、纯净、易控的特点。电压转换器提供了8V、5V、3.3V的输出电压，分别给其它模块组供电。

电路中相关值得计算，查找TPS5430数据手册，知该电路的输出电压与电阻R1、R2的关系式如下：

R 2 = \frac{R 1 \times 1.221}{V_{out} - 1.221}

系统设计中R1取定值为10K，

V_out＝8V时：

R 2 = \frac{10 \times 1.221}{8 - 1.221} kΩ = 1.80 kΩ

V_out＝5V时：

R 2 = \frac{10 \times 1.221}{5 - 1.221} kΩ = 3.24 kΩ

V_out＝3.3V时：

R 2 = \frac{10 \times 1.221}{3.3 - 1.221} kΩ = 5.9 Ω

电容C3大于100UF即可，C2固定为0.01UF，系统采用12V镍氢电池组供电，电感选取15uH到22uH之间为宜。由此，根据R1及R2的不同取值，可搭建出输出电压值为8V、5V、3.3V的电路。

图9为本发明WIFI模块电路结构示意图，如图9所示，WIFI模块选取海凌科电子推出的HLK-RM04型号，低成本嵌入式USART-ETH-WIFI(串口—以太网—无线网)无线网模块。该模块是基于通用串行接口的符合网络标准的嵌入式模块，内置TCP/IP协议栈，能够实现用户串口、以太网、无线网(WIFI)3个接口之间的转换。通过HLK-RM04模块，传统的串口设备在不需要更改任何配置的情况下，即可通过Internet网络传输自己的数据。该模块支持IEEE8021.11n、IEEE802.11g、IEEE802.11b无线标准以及IEEE802.3、IEEE802.3u有线标准，无线传输速率最高可达150Mbps，因其数据传输速度快、传输量大、传送距离远的特点，为控制的实时性和以后拓展视频或音频数据提供了极其便利的条件，智能小车采用该模块作为数据传输工具，同时该模块与电脑、手机等终端设备连接，可轻松实现网络远程监控。小车与无线终端的连接是利用了HLK-RM04的串口转WIFICLIENT模式。该模式下，WIFI使能，工作在CLIENT模式下，通过适当的设置，COM1的数据与WIFI网络数据相互转换。

图6为本发明电动机驱动电路结构示意图，如图6所示，L298N电机驱动模块的驱动芯片采用L289N双H桥直流电机驱动芯片。该模块可驱动2路直流电机，使能端ENA，ENB为高电平时有效，控制方式及直流电机状态表如表1所示。利用msp430f149的timerB输出不同占空比的PWM信号，实现电机正反转及速度调节。图中M1为左侧电动机18，M2为右侧电动机20。

表1 控制方式及直流电机状态表

ENA	IN1	IN2	直流电机状态
				0	X	X	停止
1	0	0	制动
				1	0	1	正转
1	1	0	反转
				1	1	1	制动

电机的额定电压为5V到8V，系统分配给L298N的驱动电压为8V，PWM波占空比为62.5％到100％时电机才能正常工作。

图7为本发明左车轮测速电路结构示意图，图8为本发明右车轮测速电路结构示意图，测速模块采用了透射式红外对管(图7中U1为所述透射式红外对管，图8中U3为所述透射式红外对管)，利用MSP430F149的片内外设timerA对测速模块采集的脉冲进行统计，分别计算出两边车轮的转速，然后送入系统。车轮直径6.5CM，测速码盘一圈20个孔，设单位时间t内，单片机采集到N个脉冲，则小车实际车速为：

v = \frac{N \times 6.5 π}{20 t}

(单位：cm/s)

核心控制器MSP430F149搭载UCOS-II操作系统管理整个系统的运行状态和资源分配，从而使得本发明智能小车的可靠性得到提高；同时还采用PID算法控制小车左右车轮速度平衡，利用MSP430F149的timerB输出四路PWM波控制小车整体行进速度及运动方向，从而使得本发明小车的稳定性得到提高。

操作系统UCOS-II

本发明控制器运用了小型嵌入式操作系统UCOS-II。UCOS-II是一个占先式的内核，该核能从已经准备就绪的高优先级任务剥夺正在运行的低优先级任务的CPU使用权。这个特点使得它的实时性比非占先式的内核要好。UCOS-II的任务有就绪、阻塞、退出和运行四种状态，从微观的角度看，某一时刻只有一个任务处于运行状态。操作系统根据每个任务自身的属性，通过系统调度算法决定这些任务在什么时候、哪种状态下进行任务切换。UCOS-II任务状态切换图如图10所示。

传统单片机软件设计方法单一，程序只能逐一执行，随着软件程序功能增多而变得极其复杂，难以保证各个模块的实时性，模块之间的相互干扰性较大，难以设计出功能多样的系统。UCOS-II克服了以上所有缺点，从而保证了程序执行的实时性，同时极大地提高了CPU的利用率，从而提高了小车的可靠性。

3.2PID算法

PID控制器，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。小车左右转轮速度由PID控制器控制，本系统由PID算法软件模拟PID控制器以完成控制。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统，PID控制器中的校正环节作用分别如下：

(1)比例环节，及时成比例地反映系统的偏差量，并且快速的调整系统偏差，使偏差迅速减小。

(2)积分环节，反映系统累积产生的误差，并且通过系统的负反馈作用减小偏差。

(3)微分环节，反映了系统偏差的变化速度，有助于减小超调和调整时间，改善系统的动态性能，具有超前控制作用。

PID控制器原理框图如图10所示。图10所示的模拟PID控制器的控制表达式为：

u (t) = K_{p} [e (t) + \frac{1}{T_{i}} {&Integral;}_{0}^{t} e (t) dt + T_{d} \frac{de (t)}{dt}]

(式一)

式一中，e(t)为系统偏差，若设r(t)为输入值，c(t)为输出值，则有：e(t)＝r(t)–c(t)；

K_p为比例系数；T_i为积分时间常数；T_d为微分时间常数。

该系统中采用的数字PID算法表达式：

u (k) = K_{p} e (k) + K_{i} Σ_{j = 0}^{k} e (j) + K_{d} [e (k) - e (k - 1)]

(式二）

式二中，K_p为比例系数；K_i为积分系数，K_i＝K_p/T_i；K_d为微分系数，K_d＝K_pT_d。

用k-1替代式二中k得到新的等式并与式二相减，得式三如下：

u(k)＝u(k-1)+K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)+K_d[e(k)-2e(k-1)-e(k-2)] (式三)

根据实际系统环境，通过K_p，K_i和K_d三个参数的设定，确定出PID实际控制算法。

根据实际系统环境，确定比例常数Proportional，微分常数Derivative，积分常数Integral，不同的系统和环境下参数有差异。

本发明智能小车，通过内挂UCOS-II操作系统的单片机核心处理单元、上位机软件设计实现了用WIFI无线遥控小车的功能，经过实验测试，空旷地区遥控距离大于100米。在该控制系统下，无线遥控小车具有良好的稳定性、操控性、扩展性、实用性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种智能小车，其特征在于，包括电池组(16)、控制器(13)，所述控制器(13)与WIFI模块(12)、电机驱动电路(14)连接；所述WIFI模块(12)与上位机(11)连接；所述电机驱动电路(14)通过不同端口分别与左侧电动机(18)、右侧电动机(20)连接，所述左侧电动机(18)与左车轮测速模块(17)连接，右侧电动机(20)与右车轮测速模块(19)连接，所述左车轮测速模块(17)、右车轮测速模块(19)均与控制器(13)连接；所述电池(16)与电压转换器(15)连接，电压转换器(15)与电机驱动电路(14)、控制器(13)、WIFI模块(12)、控制器(13)连接。

2.根据权利要求1所述的智能小车，其特征在于，所述左车轮测速模块(17)包括左码盘、设置有左红外对管的左测速电路，所述左码盘与左侧电动机(18)的转动轴连接，所述左红外对管安装在左码盘的两侧，左测速电路与控制器(13)连接；所述右车轮测速模块(19)包括右码盘、设置有右红外对管的右测速电路，所述右码盘与右侧电动机(20)的转动轴连接，所述右红外对管安装在右码盘的两侧，右测速电路与控制器(13)连接。

3.根据权利要求1所述的智能小车，其特征在于，所述控制器为MSP430F149单片机。

4.根据权利要求1所述的智能小车，其特征在于，所述WIFI模块型号为HLK-RM04。

5.根据权利要求1所述的智能小车，其特征在于，所述电动机驱动电路的驱动芯片采用L289N双H桥直流电机驱动芯片。

6.根据权利要求1所述的智能小车，其特征在于，所述左车轮测速模块(17)、右车轮测速模块(19)通过单位时间内采集所述左、右红外对管产生的脉冲数来实现车速测量。

7.根据权利要求1所述的智能小车，其特征在于，所述上位机为电脑、手机、IPAD。

8.根据权利要求1所述的智能小车，其特征在于，所述电池组(16)选取12V镍氢电池组给系统提供电能。