TOP4 智能汽車控制系統(tǒng)電路

　　智能車又稱為無(wú)人駕駛汽車，屬于輪式移動(dòng)機(jī)器人的一種，是一個(gè)集環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、自動(dòng)駕駛等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。智能汽車技術(shù)將許多領(lǐng)域聯(lián)系在一起，如計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、圖像處理、模式識(shí)別和控制理論等。智能汽車與一般所說(shuō)的自動(dòng)駕駛有所不同，它更多指的是利用GPS 和智能公路技術(shù)實(shí)現(xiàn)的汽車自動(dòng)駕駛。這種汽車不需要人去駕駛，因?yàn)樗b有相當(dāng)于人的“眼睛”、“大腦”和“腳”的電視攝像機(jī)、電子計(jì)算機(jī)和自動(dòng)操縱系統(tǒng)之類的裝置，這些置都裝有非常復(fù)雜的電腦程序，所以這種汽車能和人一樣會(huì)“思考”、“判斷”、“行走”，可以自動(dòng)啟動(dòng)、加速、剎車，可以自動(dòng)繞過地面障礙物在復(fù)雜多變的情況下，能隨機(jī)應(yīng)變，自動(dòng)選擇最佳方案，指揮汽車正常、順利地行駛。

　　電路系統(tǒng)是智能汽車硬件系統(tǒng)的核心，對(duì)于本硬件電路系統(tǒng)而言，穩(wěn)定性是需要優(yōu)先保證的性能指標(biāo)，畢竟跑完全程才是取得成績(jī)的前提。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)當(dāng)綜合考慮智能汽車的動(dòng)力性、重心及電路板的緊湊性等其他指標(biāo)。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為智能汽車的行駛提供動(dòng)力，它的性能直接影響到后輪電機(jī)的控制性能，包括加速、減速與制動(dòng)等性能。本文采用MOSFET 驅(qū)動(dòng)芯片加全橋驅(qū)動(dòng)方案，只需合理的選擇MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片和功率MOSFET 以保證性能即可。電路圖如圖6 所示。

　　舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

　　舵機(jī)負(fù)責(zé)智能汽車的轉(zhuǎn)向，舵機(jī)模塊能否穩(wěn)定工作直接影響到智能汽車在賽道上高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性以及轉(zhuǎn)向時(shí)的靈敏度和精確度。舵機(jī)工作原理為：舵盤角位由單片機(jī)發(fā)出的PWM 控制信號(hào)的脈寬決定，舵機(jī)內(nèi)部電路通過反饋控制調(diào)節(jié)舵盤角位。由于自身即為角度閉環(huán)控制，而且性能較好，故系統(tǒng)中就不必考慮外加舵機(jī)閉環(huán)。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖7 所示。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊同樣屬于功率部分，用6N137光耦進(jìn)行信號(hào)隔離。

　　智能車輛是一個(gè)涉及多領(lǐng)域的復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，要達(dá)到實(shí)用的目的，還要進(jìn)一步深入下研究去，還有許多工作要做。在硬件上還需要解決因攝像頭自身精度的差異或其因外部因素丟失數(shù)據(jù)導(dǎo)致影響智能車正常運(yùn)行的問題，增強(qiáng)抗干擾能力；在軟件上，還需要進(jìn)一步優(yōu)化算法，控制系統(tǒng)是智能汽車的核心內(nèi)容，針對(duì)智能汽車的功能需求，對(duì)智能汽車控制系統(tǒng)關(guān)鍵模塊進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)的各模塊被應(yīng)用于“飛思卡爾”智能汽車中，文中各圖對(duì)智能汽車的研究具有啟發(fā)作用。

　　采用MSP430行駛車輛檢測(cè)電路

　　車輛檢測(cè)器作為交通信息采集的重要前端部分，越來(lái)越受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。鑒于公路交通現(xiàn)代化管理和城市交通現(xiàn)代化管理的發(fā)展需要，對(duì)于行駛車輛的動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)——車輛檢測(cè)器的研制在國(guó)內(nèi)外均已引起較大重視。車輛檢測(cè)器以機(jī)動(dòng)車輛為檢測(cè)目標(biāo)，檢測(cè)車輛的通過或存在狀況，其作用是為智能交通控制系統(tǒng)提供足夠的信息以便進(jìn)行最優(yōu)的控制。

　　工作原理：本系統(tǒng)采用MSP430F1121A單片機(jī)與環(huán)形線圈相結(jié)合的方法對(duì)行駛車輛進(jìn)行檢測(cè)，是一種基于電磁感應(yīng)原理的檢測(cè)器。傳感器線圈為通過有一定電流的環(huán)形線圈，當(dāng)被檢測(cè)鐵質(zhì)物體通過線圈切割磁力線，引起線圈回路電感量的變化，檢測(cè)器通過檢測(cè)該電感變化量就可以檢測(cè)出被測(cè)物體的存在。本文利用由環(huán)形線圈構(gòu)成回路的耦合電路對(duì)其振蕩頻率進(jìn)行檢測(cè)。但線圈檢測(cè)易受車輛、濕度、溫度等外界環(huán)境的影響，基準(zhǔn)頻率會(huì)產(chǎn)生漂移，從而影響檢測(cè)效果。同時(shí)，由于車型、車體、車速的不同，亦會(huì)影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。針對(duì)這些情況，本文提出了一種軟件動(dòng)態(tài)刷新檢測(cè)基準(zhǔn)的方法，以及抗干擾的軟件數(shù)字濾波方法，充分利用MSP430 系列單片機(jī)的片上資源對(duì)線圈頻率進(jìn)行檢測(cè)，有效提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性與可靠性。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)以MSP430F1121A單片機(jī)為核心，由環(huán)形線圈傳感器模塊、LC振蕩電路、整形電路、頻率選擇模塊、電源模塊、電壓監(jiān)測(cè)模塊、工作方式設(shè)置模塊、信號(hào)輸出模塊及JTAG等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如1 所示。

　　各模塊原理及硬件實(shí)現(xiàn)

　　環(huán)形線圈傳感器是一只埋在路面下的矩形線圈，其兩端引線接車輛檢測(cè)器。環(huán)形線圈的作用相當(dāng)于LC振蕩回路中的電感L，當(dāng)有金屬物體靠近時(shí)，其電感量發(fā)生變化，從而引起振蕩頻率的改變。通過對(duì)頻率的檢測(cè)、比較，可以判斷車輛的駛?cè)牖蝰偝觥Ｓ伤M成的LC振蕩電路與整形電路一起構(gòu)成了信號(hào)輸入電路，如圖2所示。

　　環(huán)行線圈與行駛車輛之間是通過電磁場(chǎng)進(jìn)行耦合的。當(dāng)車通過環(huán)形線圈并處在一定的位置時(shí)，在車體中引起的渦流是一定，而渦流對(duì)環(huán)形線圈的影響也是一定的，車輛與環(huán)形線圈之間存在著一定的互感。于是，我們把車輛看作具有電感L1和電阻R1的短路環(huán)，它通過互感M與環(huán)形線圈相交鏈。由振蕩電路提供，電感為 L2，電阻為R2。其中第一項(xiàng)L2的變化幅度與車輛的導(dǎo)磁率有關(guān)，第二項(xiàng)與電渦流效應(yīng)有關(guān)。若工作頻率選擇適當(dāng)，當(dāng)有車輛通過環(huán)形線圈時(shí)，式第一項(xiàng)的變化量將小于第二項(xiàng)，即等效電感減小。顯然，當(dāng)車輛通過環(huán)形線圈時(shí)，L變小，則f增大，通過單片機(jī)檢測(cè)電路測(cè)得其頻率的變化，從而可判斷有無(wú)車輛通過。

　　電路中由三極管Q1和Q2組成共射極振蕩器，電阻R3是兩只三極管的公共射極電阻，并構(gòu)成正反饋。Tl為磁罐變壓器，起著阻抗變換和與外電路隔離的雙重作用。其繞組Ll通過引線外接環(huán)形線圈，環(huán)形線圈的感抗通過Tl反射到繞組L2，形成等效電感L，L與并聯(lián)的電容Cl形成振蕩回路，LC值決定了振蕩頻率。開關(guān)Sl閉合時(shí)，電容C2與Cl并聯(lián)，電容量增加，振蕩頻率降低，由此來(lái)設(shè)置高低兩種振蕩頻率是考慮到現(xiàn)場(chǎng)的不同情況，以便取得較好的檢測(cè)效果。LC 振蕩電路輸出的是帶毛刺的正弦波，不適合單片機(jī)做數(shù)字化處理，因此需要單向穩(wěn)壓二極管和單門限電壓比較器將其轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)輸出。

　　由于不同應(yīng)用場(chǎng)合中，LC振蕩電路的振蕩頻率不近相同，故輸出的方波信號(hào)通過一計(jì)數(shù)器進(jìn)行分頻，再由頻率選擇接口送入單片機(jī)的P2.5口，從而避免了單片機(jī)的計(jì)數(shù)溢出，增強(qiáng)了單片機(jī)對(duì)信號(hào)處理的靈活性。MSP430F1121A單片機(jī)為16位RISC指令結(jié)構(gòu)；內(nèi)置4kBFlash和256BRAM；一個(gè)l6 位定時(shí)器Timer-A和看門狗定時(shí)器；一個(gè)具有3種內(nèi)部參考電平和輸出帶RC濾波的比較器等。