高海沙，丁曉慧
?。ㄉ糖饘W(xué)院，河南 商丘 476000）
摘要：若要實(shí)現(xiàn)小車(chē)的直立行走，應(yīng)該構(gòu)建良好的硬件平臺(tái)。本文按照電磁車(chē)體系結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單介紹了智能小車(chē)的硬件設(shè)計(jì)模塊，主要包括電源、核心控制、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和人機(jī)接口等部分。各部分相互協(xié)調(diào)，最終使小車(chē)能夠在最短的時(shí)間內(nèi)沿著規(guī)定的軌跡快速穩(wěn)定地運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：MC9S12XS128單片機(jī)；傳感器；電機(jī)
0引言
圖1整體框架圖隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展［1］，能夠自動(dòng)進(jìn)行識(shí)別軌跡的智能小車(chē)得到了廣泛的應(yīng)用［2］。本文設(shè)計(jì)了這樣一種智能循跡小車(chē)，該智能車(chē)通過(guò)對(duì)道路傳感器和加速度傳感器、陀螺儀所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)車(chē)模驅(qū)動(dòng)輪上兩個(gè)編碼器所采集的數(shù)據(jù)，來(lái)判斷小車(chē)底盤(pán)的傾角、角加速度和小車(chē)的方位、速度、轉(zhuǎn)向角度等，進(jìn)而控制小車(chē)底盤(pán)的擺角和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度，使小車(chē)在最短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定、快速運(yùn)行。本文采用控制器 MC9S12XS128 作為系統(tǒng)的唯一核心控制單元，并進(jìn)行信號(hào)采樣、處理、傳輸數(shù)據(jù)等動(dòng)作，以及產(chǎn)生 PWM 波控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。
1系統(tǒng)硬件整體框架
電磁車(chē)體系整體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，大致包括五個(gè)部分。
1.1電源部分
向各部分提供電能，包括7.2 V電池和簡(jiǎn)單實(shí)用的穩(wěn)壓電路。
1.2核心控制部分
核心控制部分主體是飛思卡爾公司的16位單片機(jī)MC9S12XS128，包含核心控制電路板。通過(guò)分析傳感器數(shù)據(jù)，提取賽道和小車(chē)自身信息，運(yùn)行控制算法，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，控制賽車(chē)沿賽道行駛［3］。
1.3傳感器部分
通過(guò)感知外部世界的環(huán)境信息和車(chē)模自身的狀態(tài)信息，使小車(chē)完成賽道的檢測(cè)并獲得控制數(shù)據(jù)，從而使得各部分能夠協(xié)調(diào)工作。傳感器模塊包括兩個(gè)陀螺儀和一個(gè)加速度。
1.4執(zhí)行機(jī)構(gòu)
執(zhí)行動(dòng)作信號(hào)，實(shí)現(xiàn)車(chē)的直立、前進(jìn)、變速和轉(zhuǎn)向。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)。
1.5人機(jī)接口
實(shí)現(xiàn)模式和參數(shù)選擇、狀態(tài)指示、實(shí)時(shí)監(jiān)控以及數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)等人機(jī)交互功能，包括撥碼開(kāi)關(guān)、ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊、LED狀態(tài)燈等。
2各部分外圍電路的設(shè)計(jì)
2.1電源部分
電磁車(chē)的電機(jī)需要7.2 V或者較高的電壓，其他部分需要5 V的電壓，圖2電源分配圖由于該車(chē)模的電池提供7.2 V~8 V的電壓，因此只需要一片性能穩(wěn)定的穩(wěn)壓芯片即可。電源分配圖如圖2所示。
2.2核心控制部分
核心控制部分由單片機(jī)MC9S12XS128最小系統(tǒng)板和核心控制電路板組成。核心控制部分是關(guān)鍵。其中的單片機(jī)最小系統(tǒng)板MC9S12XS128主要包括時(shí)鐘、旁路電容、電源接口、燒錄和調(diào)試接口、I/O接口。
2.3傳感器部分
通過(guò)感知外部世界的環(huán)境信息和車(chē)模自身的狀態(tài)信息，為小車(chē)完成賽道的檢測(cè)與跟蹤以及實(shí)現(xiàn)小車(chē)的直立運(yùn)動(dòng)控制提供所需的信息。傳感器部分包括電磁傳感器、角度傳感器、速度傳感器三個(gè)模塊。其中，角速傳感器用于測(cè)量小車(chē)底盤(pán)的傾角和加速度，而速度傳感器用于感知車(chē)模車(chē)身本身的行駛速度，是速度閉環(huán)控制的一個(gè)必須環(huán)節(jié)。電磁車(chē)使用500線(xiàn)的歐姆龍光電編碼器作為速度傳感器，安裝在車(chē)尾與傳動(dòng)齒輪嚙合。
2.4執(zhí)行機(jī)構(gòu)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)。車(chē)模原裝配件中包括兩個(gè)電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路制作在核心控制板上，單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用H全橋電路，兩路H全橋電路驅(qū)動(dòng)兩路電機(jī)。如圖3H全橋電路原理圖 下圖3所示為H全橋電路原理圖。
2.5人機(jī)接口
人機(jī)接口主要用于單片機(jī)與調(diào)試者之間的交互，4位撥碼開(kāi)關(guān)可以用于調(diào)整速度和相關(guān)參數(shù)，8位LED用于顯示當(dāng)前車(chē)速狀態(tài)，無(wú)線(xiàn)模塊用于實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)［4］。
3結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了智能循跡小車(chē)硬件系統(tǒng)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電磁車(chē)的基本功能，但是要想進(jìn)一步提高電磁車(chē)的速度，在機(jī)械設(shè)計(jì)部分還需要注意很多細(xì)節(jié)，比如必須降低小車(chē)的重心，在小車(chē)直立行走穩(wěn)定性很高的情況下才能通過(guò)優(yōu)化軟件算法來(lái)最大限度地提升小車(chē)的速度。
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