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。
[0030] 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。
[0031] 图2为本发明的控制程序流程图，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。
[0032] ANGLE = kl*angle-ccd-l+k2*angle-ccd-2+k3*angle-ccd-3+ANGLE-MID ;
[0033] angle_ccd_l = kpl*now. error+kdl*(now. error-last, error)+kil*(before_ last, error+now. error_2*last· error)+ANGLE-MID ;
[0034] angle_ccd_2 = kp2*now.error+kd2*(now. error-last, error)+ki2*(before_ last, error+now. error-2*last. error)+ANGLE_MID ；
[0035] angle_ccd_3 = kp3*now.error+kd3*(now. error-last, error)+ki3*(before_ last, error+now. error-2*last. error)+ANGLE_MID ；
[0036] 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。
[0037] 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、(XD、 ADC和定时器中断的初始化；然后配置引脚ΡΤΒ0,用于蜂鸣器的设置；接着进行PffM配置， 即设置TPM模块，将TPMO和TPMl都设置为跳变沿计数模式，将TPMO的频率设置为300Hz， 用于转向舵机和扭转舵机的控制，TPMl的频率设置为IOkHz，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PITO中断；最后使 主程序进入死循环等待定时器中断。
[0038] 图2(b)所示为定时器中断服务程序，首先判断是否进入PITO定时器中断，如果没 有进PITO定时器中断，直接中断返回；如果进PITO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。
[0039]
[0040]
【主权项】
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； 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C⑶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PYTH0N+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。
【专利摘要】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；压电源单元用于为其他单元提供电压；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并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；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控制器用于实现对光电小车的智能控制；本发明功能完善、高度集成、模块化设计、智能化程度较高。
【IPC分类】G05D1/08, G05D1/02
【公开号】CN105159298
【申请号】CN201510606952
【发明人】俞立, 何胜权, 肖紫阳, 刘安东, 张文安
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年9月22日