无人值守空间巡逻车的控制设计

摘 要随着远程控制能力的不断提升，机房无人值守大势所趋，但机房全方位动态监控必不可少。巡逻车是一个能进行自我路径规划，通过传感器感知周围环境变化及能进行自我决策为一体的多功能系统。通过搭载Wi-Fi摄像头的巡逻车，中心维护人员可以通过查看多辆巡逻车回传的实时图像和数据掌握无人值守机房的情况，大幅降低人工成本，提升机房安全系数。

【关键词】Wi-Fi 巡逻车 数据 无人值守

1 巡逻车改造构思

首先选购一辆具有自行行驶和遥控转向的大型玩具车， 设计一款以单片机为核心的控制器，取代原来的行驶功能，实现利用无线控制小车前进、后退、转向等功能。

在车顶搭建能搭载Wi-Fi摄像头的平台，实现图像回传。

2 智能小车控制系统硬件设计

2.1 主控制器模块

主控制器是整个巡逻车循迹功能的命令决策单元，一是用于接收采集到的信息，包括速度和路径信息；另一个是输出相应的控制直流电机的信号。在接收到输出的过程中，主控制器需要进行大量的数据分析、处理、判断和决策。所以主控制器模块性能的好坏决定了巡逻车循迹功能的性能好坏。

选择K60为主控模块，K60是属于 Kinetis微控制器系列、基于M4内核的控制器，K60的Flex可以实现PWM和电机控制功能。该芯片有32位的处理器内核以及各种外部接口。

K60的最小系统硬件电路包括晶振、复位、JTAG仿真接口、电源及滤波电路等。

2.2 电源稳压模块

电源是巡逻车稳定运行的基础，循迹系统对于供电有严格的要求。由于巡逻车的循迹功能的各个硬件模块所需要的电流和电压都有所不同，因而电源稳压模块应该包含多个稳压电路以满足各个单元需要：

（1）使用LM2596作为5V的稳压芯片，将电压供给LM117、路径识别模块。

（2）用LM117芯片将5V转化为3.3V，并支持K60正常运作。

2.3 循迹模块

循迹模块是巡逻车的“眼睛”，它为K60提供预设路径的情况下，使巡逻车能够识别更多的道路轨迹信息，并且有助于巡逻车做出相应的快速反应。

经综合考虑采用灰度传感器应用循迹，采用灰度传感器电路简洁，且易于安装制作。

循迹模块首先要考虑传感器布局合理，能采集更多的路径信息，又要保证路径信息的准确性。其次，还要考虑灰度传感器的布局间隔，如果过于密集，那么巡逻车对路线的变化反应会变得十分的灵敏，进而导致电机的调节频率会十分的快，同时也会造成电功率变大，过多的电量消耗。再者，还要考虑安装高度，考虑到外界光照对传感器中的光敏电阻阻值的影响，传感器距离预定路线越近对预定线路的识别度越高，传感器距离预定线路越远，外界光亮会影响传感器的信息获取，从而导致传感器的灵敏度下降，进而导致传感器对预定线路识别不准确。

2.4 电机控制

在循迹系统中，驱动电机和转向电机为两个具有不同功能的动力系统，只有把两者完美地结合起来，才能实现巡逻车准确、快速地沿着既定的线路前行。

2.4.1 驱动电机

在巡逻车上，衡量响应速度、转矩、负载能力、噪音等纬度，采用直流电机。通过采用L9110S电机驱动芯片来实现自动巡线的功能，特别是在转弯的地方，通过调节电机的转速来实现平滑的速度转换。改变直流电机的转动方向需要通过改变加载在直流电机两端的电压极性来实现。

2.4.2 转速控制

选择开关电枢控制来控制电机的转速，优点是输出稳定、干扰小。通过频率固定输出可调占空比的PWM方波实现调速的功能。

K60带有PWM模块，可以实现对电机的转速控制。

3 巡逻车控制软件

3.1 控制软件

采用Code Warrior软件进行开发，为了编写代码，首先我们应该建立一个新的工程，点击file->New->project，然后给新建的工程命名以及设置新建工程的保存路径，之后选择芯片的型号，本项采用MK60DN512，其他的选项按照默认直到完成新建工程的设置。Code Warrior的编程环境如图1所示，打开main.c就可以对程序进行编写和修改。

3.2 软件系统模块

图2是系统软件流程图，主程序中包含了PWM、时钟初始化以及算法控制。利用灰度传感器接收的路径信息，和相应的程序判断小车偏离跑道的距离。

4 系统测试

在系统测试的过程中，综合考虑了以下因素：

（1）转向效果

（2）算法设计成本

（3）巡逻车控制系统的外部干扰

（4）行驶时巡逻车的稳定性

首先，对系统环境适应性进行测试，经过灰度传感器的测试显示传感器接收信号的能力与外界光照强度的变化有显著的关联。

其次，对循迹功能进行测试，根据实际的路径测试，发现巡逻车在直角折线段、直线段以及曲线段的循迹的偏差不同，其中在直线上的行进最好，在通过直角折线时车会发生较大的转向角度，之后进入直线路径后循迹的误差会进行调整并减小。通过以上的测试和分析，巡逻车基本实现了基本的循迹功能，巡逻车不仅能够适应不同的背景色，而且能够有效排除周围环境光照的影响。同时通过搭载Wi-Fi摄像头的巡逻车，中心维护人员可以通过查看实时回传的图像和数据掌握无人值守机房的情况，大幅降低人工成本，提升机房安全系数。

作者单位

中国电信股份有限公司湖州分公司 浙江省湖州市 313000