基于瑞萨单片机自动寻迹智能车的设计

摘要 以瑞萨超级MCU模型车大赛为背景，设计并实现了一种智能车自动寻迹系统。采用瑞萨16位微控制器H8／3048F作为核心控制单元，使用光电对管RPR220采集路面信息，自动控制舵机转向，并对直流电机转速进行PID调节，从而实现智能车稳定、快速的行驶。实验结果表明，该套设计方案简单可靠，具有良好的控制性，满足设计要求。
关键词 瑞萨；自动寻迹；智能车；PID控制

随着计算机、通信、传感器等技术的发展，智能车成为汽车发展的趋势。传感器技术在智能车的应用中越来越广泛，如在夜间、雾天、高危高污染等环境下的行驶。智能车将成为人们生活的一部分。文中以瑞萨智能车大赛为背景，设计了一种以16位微控制器H8／3048F作为小车的控制核心，采用红外反射传感器检测路面引导线，能根据给定参数行驶的电动车。文中从硬件和软件方面详细阐述了智能车工作原理和设计方法，设计的小车具有电路设计简单、软件控制高效等优点。

1 系统总体设计方案
本智能车利用车体前方的光电传感器采集赛道信息、后轴上的光电编码器采集车轮转速的脉冲信号。这些信号经单片机调理后，用于控制小车的运动。同时，内部模块产生的PWM波驱动直流电机，对智能车进行速度及转角控制，使赛车在赛道上能够自动、平稳行驶，并以最短的时间和最快的速度跑完全程。此外，本系统还增加了按键和显示设备，以便于调试。智能车系统总体模块图如图1所示。

2 硬件设计
硬件设计是设计的基础，包括整车供电的电源管理电路设计、电机的驱动电路设计，以及单片机的各个接口电路的连接设计等。
2．1 控制器模块
H8／3048F单片机是的日立公司生产的16位高性能微控制器。H8／3048F内部有16个16位通用寄存器。其最高时钟频率可达18 MHz，寻址空间为16 MByte。芯片内部包括：9个I／O口、32 kByte Flash、2 kByte RAM、16位的集成定时单元(ITU)、可编程定时式样控制器(TPC)、j监视定时器(WDT)、串行通信接口(SCI)以及A／D、D／A转换器等。控制器I／O口分配如下：P70～P77光电传感器信号的输入；PB用于车速检测信号的输入；PA用于启动传感器板信号的输入。控制器根据检测到的路况和车速信息，控制转向舵机和直流驱动电机，相应地调整小车行驶方向和速度，最终使智能车按给定路线稳定、快速地行驶。
2．2 电源模块
选用8节1．2 V镍氢电池为直流电机供电，并经降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能，且性价比高。电源部分采用LM2940CT芯片。该芯片最大能提供3 A的电流输出，完全满足系统要求。模块采用两片2940芯片，一片单独给MCU供电，一片给其他部件供电。
2．3 寻迹传感器模块
模块采用一体化反射型光电对管RPR22D。其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，接收器是一个高灵敏度的硅平面光电三极管。RPR220具有如下特点：结构紧凑、抗干扰能力强、反应速度快。内置可见光过滤器能减小离散光的影响。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。传感器检测与调理电路如图2所示。经示波器观察，输出波形规则，可以直接供单片机查询使用。

小车对白线的检测使用了9个等距排列的红外管采集路径识别路面信息。从左边的光电管开始循环采集数据，检测其是否在白钱上，如果在白线上，则接着检测其右边的光电管是否亦如此，依次向右推进，当出现3个以上光电管同时处于白线上方，则过滤掉当前采样数据，采用历史值。
2．4 电机驱动模块
电机驱动板为一个由分立元件制作的可逆双极型桥式驱动器，其功率元件由4支n沟道功率MOSFET管组成，大幅提高了电动机的工作转矩和转速。该驱动器主要由以下部分组成：PWM信号输入接口、逻辑换向电路、死区控制电路、电源电路、上桥臂功率MOSFET管栅极驱动电压泵升电路、功率MOSFET管栅极驱动电路、桥式功率驱动电路、缓冲保护电路等。通过设置HS／3048F输出的PWM波的盼占空比可以实现控制电机正反转。当输出的占空比为50％时，电机不转，当占空比>50％时，电机正转；50％则反转。
2．5 测速模块
为提高检测精度，本模块最后确定为使用精度较高的光电编码器。光电编码器使用5 V电源，输出方波信号，具有质量轻、可靠性高、安装简单等优点。

3 算法及软件设计
3．1 方向控制算法
智能车方向的控制采用对预定轨道的闭环控制，即输出方向和测得的白线位置成分段比例关系。舵机的转角公式为
θ=arctan(e／b) (1)
式(1)中，θ为舵机的转角；e为偏移量；b为前轴到传感器间距。
通过实验可得舵机的转角与PWM脉宽呈线性关系，转向公式为
PWM=θ×K+M (2)
式中，K为比例系数；M对应于舵机位没有发生偏转时的PWM控制脉宽。实验证明，在一定范围调节K，可以起到良好的控制效果。
智能车检测到的路面情况有16种状态，其中每种状态都有一个舵机转角与之对应。这样就可以在程序中创建出每种传感器状态中对应的白线偏差e与舵机转角θ之间的关系，如表1所示。