CN205068159U - 一种基于32位mcu智能光电小车控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于32位MCU智能光电小车控制系统，包括MCU控制器、稳压电源单元、整车结构、光电传感器单元、舵机控制单元、速度控制单元、数据通讯单元、转向舵机、扭转舵机、驱动单元、电机、编码器单元、上位机单元、蓝牙单元、外围接口单元、按键输入单元和拨码开关单元；MCU控制器同时与稳压单元、光电传感单元、速度控制单元、舵机控制单元、数据通讯单元以及外围接口单元连接，速度控制单元与驱动单元、编码器单元连接，驱动单元与电机连接，舵机控制单元与转向舵机、扭转舵机连接，数据通讯单元与上位机单元、蓝牙单元连接，外围接口单元与按键输入单元、拨码开关单元连接。本实用新型功能完善、高度集成、模块化设计、智能化程度较高。

Description

一种基于32位MCU智能光电小车控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种智能小车控制系统，尤其涉及的是一种基于32位MCU智能光电小车控制系统。

背景技术

随着自动驾驶的应用领域不断扩展，人们希望智能车辆能自动适应各种复杂的路面，并根据预定轨迹运行。近年来，随着计算机技术、企业生产工艺和人工智能的快速发展，智能控制在汽车行业的应用越来越广泛。如2005年，首辆城市无人驾驶汽车在上海交通大学成功研制；2015年，谷歌的无人驾驶车辆在德州奥斯汀市的道路上继续测试，同年5月，我国在文件《中国制造2025》中指出了要加快汽车行业智能化改造的任务。由此可见传统汽车行业必将逐步走向智能汽车行业的转变。

发明内容

为了克服现有的小车的智能化程度较低、控制精度较低、集成度较小的不足，本实用新型提供一种智能化程度较高、控制精度较高、集成度较大的基于32位MCU智能光电小车控制系统。

为了解决上述技术问题提供的技术方案为：

一种基于32位MCU智能光电小车控制系统，包括MCU控制器(1)、稳压电源单元(2)、整车结构(3)、光电传感器单元(4)、舵机控制单元(5)、速度控制单元(6)、数据通讯单元(7)、转向舵机(8)、扭转舵机(9)、驱动单元(10)、电机(11)、编码器单元(12)、上位机单元(13)、蓝牙单元(14)、外围接口单元(15)、按键输入单元(16)和拨码开关单元(17)；

所述MCU控制器安装在整车结构内，所述MCU控制器同时与稳压单元、光电传感单元、速度控制单元、舵机控制单元、数据通讯单元以及外围接口单元连接，所述速度控制单元与驱动单元、编码器单元连接，所述驱动单元与所述电机连接，所述舵机控制单元与所述转向舵机、扭转舵机连接，所述数据通讯单元与所述上位机单元、蓝牙单元连接，所述外围接口单元与所述按键输入单元、拨码开关单元连接。

进一步，所述控制系统还包括液晶显示单元(18)和蜂鸣器单元(19)，所述外围接口单元与所述液晶显示单元、蜂鸣器单元连接。

再进一步，所述稳压电源单元包括线性电源和开关电源，线性电源含3.3V、5V、5.5V、6.5V四种类电源，其中3.3V、5V电源各有三路不同的输出，开关电源为一路12V电源。

所述MCU控制器为MKL26Z256VLL4。

所述光电传感器单元由上、中、下三个CCD组成，各前瞻分别为80cm、60cm和40cm。

所述编码器单元中的编码器为500线编码器。

所述上位机以PYTHON+QT4为核心编写的上位机。

所述按键输入单元、拨码开关单元、液晶单元形成人机交互界面组件。

所述驱动单元为H全桥驱动电路，由两片双路光耦芯片HCPL2630、两片半桥驱动芯片IR2104和四片MOSFET芯片LR7843组成。

本实用新型的有益效果为：功能完善、高度集成、模块化设计，智能化程度较高。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种基于32位MCU智能光电小车控制系统的示意图。

图2为本实用新型提供的一种基于32位MCU智能光电小车控制系统的控制模块流程图，其中，图2(a)为控制主程序的流程，图2(b)所示为定时器中断服务程序的流程。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1和图2，一种基于32位MCU智能光电小车控制系统，包括MCU控制器(1)、稳压电源单元(2)、整车结构(3)、光电传感器单元(4)、舵机控制单元(5)、速度控制单元(6)、数据通讯单元(7)、转向舵机(8)、扭转舵机(9)、驱动单元(10)、电机(11)、编码器单元(12)、上位机单元(13)、蓝牙单元(14)、外围接口单元(15)、按键输入单元(16)和拨码开关单元(17)；

所述MCU控制器安装在整车结构内，所述MCU控制器同时与稳压单元、光电传感单元、速度控制单元、舵机控制单元、数据通讯单元以及外围接口单元连接，所述速度控制单元与驱动单元、编码器单元连接，所述驱动单元与所述电机连接，所述舵机控制单元与所述转向舵机、扭转舵机连接，所述数据通讯单元与所述上位机单元、蓝牙单元连接，所述外围接口单元与所述按键输入单元、拨码开关单元连接。

所述稳压电源单元用于为其他单元提供稳定、高效的电压；光电传感器单元用于采集赛道信息并区分不同赛道类型；编码器单元用于采集小车速度信息，实现对小车的速度闭环控制；蓝牙单元和上位机单元用于实现小车与PC机的数据通讯并使各数据图形化显示；按键输入单元和拨码开关单元用于实现参数外部给定功能；MCU控制器用于通过采集的赛道信息和小车速度信息分别控制转向舵机、扭转舵机的打角和电机的转速以及实现对光电小车的智能控制。

进一步，所述控制系统还包括液晶显示单元(18)和蜂鸣器单元(19)，所述外围接口单元与所述液晶显示单元、蜂鸣器单元连接。

稳压电源单元作为整个系统的供电所在，尤为重要，常见的稳压电源分为线性电源和开关电源两类，线性电源的优点在于电压纹波小，但其电压输出效率低；开关电源的优点在于电压输出效率高，但由于其开关特性，输出电压的纹波较大，因此对于不同的模块，分别采用不同的电压供电。本实用新型专利的稳压电源单元包含3.3V、5V、5.5V、6.5V四种类电源，其中3.3V、5V电源各有三路不同的输出，开关电源为一路12V电源。其中线性3.3V电源分别给MCU控制器、光电传感器单元、按键输入单元、薄码开关单元、液晶显示单元供电；线性5V电源分别给编码器单元、蓝牙单元、蜂鸣器单元供电；线性5.5V电源给转向舵机供电；线性6.5V电源给扭转舵机供电；开关12V电源给驱动单元供电。

光电传感器单元由上、中、下三个CCD组成，各前瞻分别为80cm、60cm和40cm。CCD中文全称电荷耦合元件，可以把光学影像转化成数字信号，CCD上整齐排列的光电二极管能感应光线，并将其转化成电信号。通过三个CCD的协同工作，可以精确的识别各种赛道类型，能给出足够多的赛道信息。

编码器单元中的编码器为500线编码器，编码器能把角位移信号转换成电信号，再把电信号转换成计数脉冲，以此用计数脉冲的个数就能反映其位移大小。另外编码器的精度与其线数有关，500线的编码器足够保证测速精度。

上位机以PYTHON+QT4为核心编写，PYTHON为常用的脚本语言，被称为胶水语言，能把其他各类语言轻松的联结起来；QT4主要用于绘图应用和窗口设计。该上位机先使用PYTHON快速生成程序的原型，再把图形显示模块用QT4重写，然后封装为PYTHON的扩展库而成。通过上位机，可以把数据图像化，便于对数据的观察与分析。

按键输入单元、拨码开关单元、液晶单元共同实现了人机交互功能，能实现参数外部给定等功能。在实际操作中，往往需要调整部分控制参数，这是可以通过安检单元和液晶单元一起由外部输入任意的参数值，该参数值一般存储于控制芯片的RAM内，所以可以擦除并重写，当然也可以直接由拨码开关直接设置已给定的参数值。

驱动单元为H全桥驱动电路，由两片双路光耦芯片HCPL2630、两片半桥驱动芯片IR2104和四片MOSFET芯片LR7843组成。光耦芯片是为了隔离数字地和模拟地，可以进一步保证输入信号的稳定，提高其抗干扰性，另外也由于光耦芯片的隔离作用，对控制芯片也起到了保护作用。MOSFET芯片LR7843的导通电阻只有3.3毫欧，所以大大降低了功率损耗。该全桥电路最多可以输出150A的电流，适用于各类中大型直流电机。

MCU控制芯片为32位的MKL26Z256VLL4，保证了足够的控制精度。该控制芯片通过A/D口分别采集赛道信息和小车速度信号，然后通过PID控制器计算出各控制量，该控制量分别决定了转向舵机、扭转舵机和电机三个执行器的输出，由此实现对智能光电小车的双闭环控制。

图2为本实用新型的控制程序流程图，主要控制策略为通过三个CCD对赛道的两条黑色边缘进行自动巡迹，这样提高了巡线的精确度，而且适用于赛道元素复杂的情况。通过采集到的像素点数据来控制转角舵机和扭腰舵机的打角，进而来控制智能车的方向，再通过舵机打角的大小来调节智能车的速度，使智能车始终能够保持在赛道上，使智能车在不跑出赛道的情况下，在路径和速度上都达到最优的效果。在智能车的运行过程中，舵机的打角和电机的转速都采用闭环控制，通过调节占空比的大小来调节智能车的方向和速度，使智能车在路径和速度上都达到最优的效果。通过将CCD采集到的赛道的两个黑色边缘值的平均数与64作差，然后用位置式PID对舵机进行控制，进而控制智能车的方向，本文中使用了三个CCD，所以在控制舵机打角时，综合了三个CCD采到的数据。

ANGLE＝k1*angle_ccd_1+k2*angle_ccd_2+k3*angle_ccd_3+ANGLE_MID；

angle_ccd_1＝kp1*now.error+kd1*(now.error-last.error)+ki1*(before_last.error+now.error-2*last.error)+ANGLE_MID；

angle_ccd_2＝kp2*now.error+kd2*(now.error-last.error)+ki2*(before_last.error+now.error-2*last.error)+ANGLE_MID；

angle_ccd_3＝kp3*now.error+kd3*(now.error-last.error)+ki3*(before_last.error+now.error-2*last.error)+ANGLE_MID；

控制模块采用主程序+定时器中断的程序结构，在主程序中主要进行资源的初始化和配置，在定时器中断服务程序中进行数据处理以及舵机与电机控制信号的调整。

图2(a)所示为控制主程序。在主程序中，在主程序中首先进行液晶、编码器、CCD、ADC和定时器中断的初始化；然后配置引脚PTB0，用于蜂鸣器的设置；接着进行PWM配置，即设置TPM模块，将TPM0和TPM1都设置为跳变沿计数模式，将TPM0的频率设置为300Hz，用于转向舵机和扭转舵机的控制，TPM1的频率设置为10kHz，用于驱动单元的控制；接着配置ADC模块，分别用于采集赛道信息和小车速度信息；其次配置定时器PIT0中断；最后使主程序进入死循环等待定时器中断。

图2(b)所示为定时器中断服务程序，首先判断是否进入PIT0定时器中断，如果没有进PIT0定时器中断，直接中断返回；如果进PIT0定时器中断，则采集和保存128个像素点数据，接着进行数据处理，进而对方向和速度进行控制，最后，中断返回。定时器中断服务程序中主要的变量如表1所示。

变量名	变量含义	变量类型
			gPixel_1[128]	像素点数据	uint8
gPixel_2[128]	像素点数据	uint8
			gPixel_3[128]	像素点数据	uint8
ANGLE	控制舵机的占空比	float
			speed_PWM_temp	控制电机的占空比	float
angle_ccd_1	通过CCD1采集到的数据计算出的打角值	float
			angle_ccd_2	通过CCD2采集到的数据计算出的打角值	float
angle_ccd_3	通过CCD3采集到的数据计算出的打角值	float

表1。

Claims (9)

1.一种基于32位MCU智能光电小车控制系统，其特征在于：包括MCU控制器(1)、稳压电源单元(2)、整车结构(3)、光电传感器单元(4)、舵机控制单元(5)、速度控制单元(6)、数据通讯单元(7)、转向舵机(8)、扭转舵机(9)、驱动单元(10)、电机(11)、编码器单元(12)、上位机单元(13)、蓝牙单元(14)、外围接口单元(15)、按键输入单元(16)和拨码开关单元(17)；

所述MCU控制器安装在整车结构内，所述MCU控制器同时与稳压单元、光电传感单元、速度控制单元、舵机控制单元、数据通讯单元以及外围接口单元连接，所述速度控制单元与驱动单元、编码器单元连接，所述驱动单元与所述电机连接，所述舵机控制单元与所述转向舵机、扭转舵机连接，所述数据通讯单元与所述上位机单元、蓝牙单元连接，所述外围接口单元与所述按键输入单元、拨码开关单元连接。

2.如权利要求1所述的一种基于32位MCU智能光电小车控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括液晶显示单元(18)和蜂鸣器单元(19)，所述外围接口单元与所述液晶显示单元、蜂鸣器单元连接。

3.如权利要求1或2所述的一种基于32位MCU智能光电小车控制系统，其特征在于：所述稳压电源单元包括线性电源和开关电源，线性电源含3.3V、5V、5.5V、6.5V四种类电源，其中3.3V、5V电源各有三路不同的输出，开关电源为一路12V电源。

4.如权利要求1或2所述的一种基于32位MCU智能光电小车控制系统，其特征在于：所述MCU控制器为MKL26Z256VLL4。

5.如权利要求1或2所述的一种基于32位MCU智能光电小车控制系统，其特征在于：所述光电传感器单元由上、中、下三个CCD组成，各前瞻分别为80cm、60cm和40cm。

6.如权利要求1或2所述的一种基于32位MCU智能光电小车控制系统，其特征在于：所述编码器单元中的编码器为500线编码器。

7.如权利要求1或2所述的一种基于32位MCU智能光电小车控制系统，其特征在于：所述上位机以PYTHON+QT4为核心编写的上位机。

8.如权利要求1或2所述的一种基于32位MCU智能光电小车控制系统，其特征在于：所述按键输入单元、拨码开关单元、液晶单元形成人机交互界面组件。

9.如权利要求1或2所述的一种基于32位MCU智能光电小车控制系统，其特征在于：所述驱动单元为H全桥驱动电路，由两片双路光耦芯片HCPL2630、两片半桥驱动芯片IR2104和四片MOSFET芯片LR7843组成。