K64和MQXLite的直立智能循迹小车设计

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(苏州大学 计算机科学与技术学院，苏州215006)

引　言

随着现代计算机、电子、自动化等技术的发展，越来越多的智能设备进入人们的生活。智能汽车作为近些年来的研究热点，其无人驾驶技术具有良好的应用前景。而直立智能车由于具有灵活、占地面积小等特点，在拥挤的地方有较大用途。

小车设计遵循第十二届全国大学生智能汽车竞赛技术规范，使用E型车模作为基础机械结构，完成硬件电路设计，并基于实时操作系统MQXLite设计了控制算法，实现小车直立行驶，自动循迹功能。

1　系统硬件设计

系统硬件架构图如图1所示，小车硬件系统由输入部分、微控制器、输出部分和供电模块组成。输入部分的陀螺仪和加速度传感器、编码器、摄像头作为信息采集设备，实时采集小车状态信息，经微控制器处理后，微控制器输出PWM波至电机驱动模块，控制电机转速，实现自动循迹。而迷你键盘和OLED显示屏作为人机交互设备，方便调试和获取信息。

图1　系统硬件架构图

1.1　微控制器

微控制器选用恩智浦半导体公司生产的MK64FX512VLL12(K64)，其特点为高性能，主频可达120 MHz，且有FTM、ADC、SPI、I2C、UART等丰富接口。作为智能车的核心控制模块，微控制器需要获取各传感器的输入信息，转换为可处理的数字量，并由控制算法计算出PWM占空比，输出PWM波至电机驱动模块。一款高性能的微控制器可以快速完成控制任务，使系统更加稳定。

1.2　供电模块

小车使用7.2 V、2 000 mAh的镍镉电池供电，而陀螺仪、加速度传感器、摄像头的工作电压为3.3 V，编码器的工作电压为5 V，因此需要设计降压电路，获得各设备的工作电压。

TPS系列低压差线性稳压芯片的工作压降较低，静态工作电流较小，且具有过载保护功能[1]。利用TPS7333和TPS7350两款芯片，完成了电路设计，具有较高的稳定性。其中，TPS7350电路原理图如图2所示，TPS7333电路原理图与其类似。

图2　TPS7350电路原理图

1.3　输入部分

输入部分包含陀螺仪和加速度传感器、编码器、摄像头和迷你键盘。它们为整个系统采集信息，是一切控制的基础。

我们选用的陀螺仪型号为ENC-03，加速度传感器型号为MMA7361，它们集成在一个模块上，通过两个ADC接口与微控制器连接，将采集到的角速度和加速度模拟量传输至微控制器处理。

对于编码器，选用了欧姆龙公司生产的500线编码器，通过齿轮与电机连接，这样电机旋转时，编码器便会产生脉冲，脉冲数与电机转速成正比。K64的FTM模块有正交解码功能，可以利用该模块捕获编码器脉冲。

OV7725是由Omnivision公司生产的图像感光器件，与OV7620、OV7670这些型号相比，OV7725信噪比更高、速度更快、稳定性更好、微光灵敏度更高[2]。我们选用的鹰眼摄像头既使用了OV7725芯片，又设计了硬件二值化电路，可直接将摄像头采集到的二值化图像传输至微控制器。

迷你键盘为人机交互设备的一部分，它是一个4×4的矩阵键盘，可以自定义按键功能，完成参数的录入与修改。

1.4　输出部分

输出部分包含电机驱动模块和OLED显示屏。

在设计电机驱动模块时，我们使用两片IR2104S芯片和4个MOSFET组成全桥驱动电路，利用MOSFET的通断来控制两个电机的转动方向与转速。其中，IR2104S芯片为IR公司生产的半桥驱动芯片。

OLED显示屏为人机交互设备的另一部分，其分辨率为128×64，可以显示摄像头拍摄的图像、采集到的数据等，方便调试。

2　控制算法设计

直立小车运动控制任务可以分解成以下三个基本任务[3]：

① 直立控制。根据小车当前的角度和角速度，控制电机正反转，使小车保持平衡。

② 速度控制。根据小车当前的速度，调整小车倾角，使小车按设定速度行驶。

③ 方向控制。根据摄像头采集到的图像，计算离中心线的偏离程度，控制两个电机之间的转动差速，使小车转向。

这三个控制会分别输出对电机转向和转速的控制量，通过线性叠加，得到PWM占空比，最终输出PWM波至电机驱动模块。

2.1　直立控制

可以将直立小车看成一个倒立的单摆，当它往一个方向倾倒时，在它的底部提供一个同向的加速度，便可以使它回到平衡位置，如图3所示。

图3　直立控制原理

加速度传感器采集到小车加速度a后，由下式可以得到小车当前角度θ1：

(1)

其中，g为重力加速度单位。另外，将陀螺仪采集到的角速度ω积分，可以得到角度θ2。通过卡尔曼滤波，可以将θ1和θ2融合为变化平滑的角度θ。

利用PD控制，得到直立控制的控制量Ca：

Ca=Kpa×(θ-θ0)+Kda×ω

(2)

其中，Kpa为直立控制比例系数，Kda为直立控制微分系数，θ0为小车平衡时的角度。Kpa和Kda均需通过实验得到。

2.2　速度控制

为了使系统更加稳定，我们希望小车匀速行驶。完成直立控制后，若想让小车加速，则仅需使其前倾。通过不断调整倾角，便可以使其按设定速度行驶。

利用编码器获得左右轮的速度后，先由式(3)得到速度差值ve：

(3)

其中，vl为左轮速度，vr为右轮速度，v0为设定速度。再将ve积分，得到总的距离偏差d。最后利用PI控制，由式(4)得到速度控制的控制量Cs：

Cs=Kps×ve+Kis×d

(4)

其中，Kps为速度控制比例系数，Kis为速度控制积分系数，它们均需通过实验得到。这样，当小车速度低于设定速度时，Cs为负，小车前倾，而直立控制为了使小车保持平衡，便会给小车一个向前的加速度，使小车加速。

2.3　方向控制

为了使小车能够沿指定道路行驶，还需要进行方向控制，根据道路情况及时调整小车的前进方向。

图4　中线提取效果

中线提取效果如图4所示，在摄像头采集到的二值化图像上，道路中间为白色，边缘为黑色。使用中线提取算法，找出图像上每行的左右边线，进而求出道路中心线的位置。对每行中点位置进行加权平均，得到表示小车位置的量，用这个量减去小车目标位置，得到小车离中心线的偏离度me。再计算me的微分量Δme，Δme表示小车方向的变化率。利用PD控制，由式(5)得到方向控制的控制量Ct：

Ct=Kpt×me+Kdt×Δme

(5)

其中，Kpt为方向控制比例系数，Kdt为方向控制微分系数，它们均需通过实验得到。当小车在道路左侧时，拍摄到的图像向右移动，me为正，因而Ct为正。线性叠加控制量时，左轮加Ct，而右轮减Ct，这样，小车会向右转向，恢复至道路中心位置。

2.4　控制融合

在完成了直立、速度和方向控制后，线性叠加Ca、Cs和Ct，为了使小车能够转向，在叠加Ct时，左轮加Ct，而右轮减Ct。线性叠加的结果即为PWM占空比，根据这个占空比，微控制器输出PWM波至电机驱动模块，控制小车行驶。

3　基于MQXLite的软件设计

为了使系统获得更好的实时性和稳定性，我们使用了实时操作系统MQXLite。与无操作系统时不同，操作系统下的编程是以任务为单位的，每一个任务完成一个特定功能，各个任务之间相互独立。编写完各个任务后，交由操作系统调度运行，降低了程序设计的难度。

3.1　MQXLite简介

MQXLite是标准MQX(Message Queue eXecutive)嵌入式实时操作系统的轻量级版本，它支持多任务、优先级调度、同步访问资源、任务间通信、中断处理，具有实时性高、内核精简、资源占用低等特点[4]。

3.2　任务划分

MQXLite中，任务的基本形式按其执行方式分为单次执行任务、周期执行任务，以及资源驱动任务[5]。

单次执行任务在创建后，只执行一次，之后便被销毁或阻塞；周期执行任务按照一定周期执行一次；资源驱动任务仅在它等待的资源可用时，才可能被执行。

根据设计的控制算法，我们划分了5个任务：task_main、task_angle、task_speed、task_turn和task_comm。

task_main为单次执行任务，它是MQXLite启动后执行的第一个任务，用于初始化全局变量、初始化外设、创建其他任务和安装用户中断服务例程。

task_angle为5 ms执行一次的周期性任务，该任务用于直立控制。首先，它获取陀螺仪和加速度传感器采集到的角速度和加速度，再通过直立控制算法，计算得到直立控制的控制量。最后，在该任务中还完成控制量的线性叠加，更新左右电机PWM占空比，以变更小车行驶状态。

task_speed为20 ms执行一次的周期性任务，该任务用于速度控制。在获取左右轮速度后，根据速度控制算法，更新速度控制的控制量。

task_turn为资源驱动任务，用于方向控制。摄像头采集完毕图像后，会触发一个中断，在该中断的中断服务例程中，置轻量级事件位，触发task_turn任务。该任务中，对采集到的图像使用方向控制算法，更新方向控制的控制量。

task_comm为资源驱动任务，主要用于与上位机的通信，进行调试。在收到上位机的命令后，该任务被触发，将小车的参数发送至上位机，用于调试与分析。

另外，由于各控制量被多个任务使用，在更新控制量时，还需要使用互斥体来保证对它们的同步访问。

各任务优先级从高到低依次为：task_main、task_turn、task_speed、task_angle和task_comm。由于图像采集的时间较长，在图像采集完毕后，我们希望能够尽快更新方向信息，所以task_turn优先级较高。task_speed和task_angle同理。而task_comm并不是特别重要，优先级最低。这样设置任务优先级后，对方向、速度控制的响应会比无操作系统时快，使整个系统获得了更好的实时性和稳定性。

结　语

[1] Texas Instruments. Low-Dropout Voltage Regulators With Integrated Delayed Reset Function (Rev. F)[EB/OL]. (1999-01-01) [2018-01-31].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps73.pdf.

[2] Omnivision. OV7725 datasheet[EB/OL]. (2007-12-17) [2018-01-31].http://www.zhopper.narod.ru/mobile/ov7725_full.pdf.

[3] 刘明，王洪军，李永科．直立行走的智能车设计方案[J]．科技信息，2012，29(20)：122.

[4] Freesca1e Semiconductor. MQXLite Real-Time Operating System User Guide. Rev 1.1[EB/OL]. (2014-02-01) [2018-01-31].http://cache.freescale.com/files/soft_dev_tools/doc/user_guide/MQXLITEUG.pdf.

[5] 王宜怀，朱仕浪，姚望舒．嵌入式实时操作系统MQX应用开发技术—ARM Cortex-M微处理器[M]. 北京：电子工业出版社，2014.

[6] 卓晴，黄开胜，邵贝贝．学做智能车：挑战“飞思卡尔”杯[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007.

赵俊杰、高晓雅(本科)，物联网工程专业；张建(讲师)，主要研究方向为MIS系统开发、嵌入式系统应用。