虛擬編碼器在智能車上的應(yīng)用

1、 圖2 智能車上的虛擬光電編碼器 何金玉 合S 12D28B 單片的 輸 入 捕功 能 提 出一 種 機(jī) 械電原 理 簡(jiǎn) 潔測(cè) 量 精 度的 速 度 檢方 法 虛編 碼 器 測(cè)虛擬編碼器的設(shè)計(jì)是基于光電編碼器的 的輸入一方面, 虛擬光電編碼器是基于光電編碼 光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)它與電動(dòng)機(jī)同軸, 電動(dòng)機(jī) 光柵盤與電動(dòng)機(jī)按一定比例旋轉(zhuǎn), 經(jīng)通過計(jì)算每秒光電編碼器輸 另一方面,虛擬編碼器又充分利用單片 通過捕捉系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖來 因此,虛擬光電編碼器是一種通過光電 同時(shí)結(jié) 轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)時(shí) 通過計(jì)算單片機(jī)每秒輸入捕捉系 1所示。針對(duì) 2006年第一屆 “飛思卡爾” 杯全國(guó) 智能車邀請(qǐng)賽的模型車這一具體

2、應(yīng)用 對(duì)象, 由于智能車自身機(jī)械結(jié)構(gòu)與安 欄目編輯TechnologyCorridor技 術(shù) 長(zhǎng) 廊 裝方便的基點(diǎn)出發(fā), 同時(shí)考慮到盡可能不增加 智能車的機(jī)械負(fù)載, 放棄了使用光電編碼器采 取了使用虛擬光電編碼器的策略。在本智能車上,將與車輪同軸上的一黑 色塑料圈涂成1:1黑白相間的條紋, 如圖2所 示。根據(jù)紅外傳感器對(duì)黑白兩種材料的反射 率不同, 隨著直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng), 紅外傳感器的 輸出脈沖是一隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的脈沖序列, 如 圖3所示, 經(jīng)波形整定芯片進(jìn)行處理, 可得到 如圖 4所示波形,配合單片機(jī)的輸入捕捉功 能, 對(duì)如圖5所示的時(shí)鐘脈沖序列進(jìn)行捕捉計(jì) 數(shù), 從而完成速度檢測(cè)功能。 實(shí)現(xiàn)智

3、能車速度 檢測(cè)的電路原理圖如圖 6所示。全國(guó)智能車邀請(qǐng)賽指定的唯一微處理器 為 Freescale 公司的 HCS12DG128B16位單片 機(jī),128K 字節(jié)的 FlashEEPROM,8K 字節(jié)的 RAM ,2K 字節(jié)的 E E P R O M ,2個(gè)異步串行通 信接口(SCI,2個(gè)串行外圍接口(SPI, 1個(gè)8通 道的輸入捕捉/輸出比較(IC/OC增強(qiáng)型捕捉 定時(shí)器, 2個(gè) 8通道、 10位轉(zhuǎn)換精度的模數(shù)轉(zhuǎn) 換器(ADC,1個(gè) 8通道的脈沖調(diào)制器(PWM, 豐富的 I/O 資源, 內(nèi)部集成PLL 鎖相環(huán), 可以 提高系統(tǒng)時(shí)鐘工作頻率。H C S 12D G 128B 單片機(jī)的外部晶振為

4、16MHz, 由于視頻采集的需要, 使用單片機(jī)的 PLL鎖相功能進(jìn)行倍頻。 設(shè)經(jīng)倍頻后的系統(tǒng)時(shí) 鐘為 MHz,由于輸入捕捉寄存器為 16位,其 計(jì)數(shù)值最大為65535, 需要對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行分 頻處理, 設(shè)分配系數(shù)為, 其中a =2-n (n=0,1,2, 7 (1則分頻后的系統(tǒng)時(shí)鐘 MHz 可由式(2得 到 :f 1=f 0×a(2設(shè)紅外傳感器的輸出脈沖頻率為fHz, 當(dāng) 設(shè)置輸入捕捉的觸發(fā)方式為上升沿捕捉時(shí), 并 設(shè)當(dāng)捕捉發(fā)生時(shí)允許中斷, 則一次輸入捕捉中 斷時(shí)讀取輸入捕捉寄存器的計(jì)數(shù)值為N個(gè), 可 由式(3求得 :(3設(shè)虛擬編碼器的周期為 T,則(4又已知車輪直徑為Dcm,設(shè)根據(jù)

5、具體對(duì)象 的需求,車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周的周期為 mT,則車速 V 計(jì)算公式可由式(4求出。(5對(duì)于模型車來說, 由于圖2中的黑色塑料 圈固定有 12個(gè)凹凸槽, 在不改變其現(xiàn)有的形 狀與簡(jiǎn)單出發(fā), 把黑色塑料圈涂成黑白相間比 為1:1, 總共6對(duì), 相當(dāng)于6個(gè)高低電平為一個(gè) 周期。 如果將輸入捕捉設(shè)置為上升沿, 并且取 一個(gè)周期的輸入捕捉脈沖數(shù)進(jìn)行運(yùn)算, 按脈沖 周期 10ms進(jìn)行計(jì)算, 那么直流電機(jī)進(jìn)行一次 速度調(diào)節(jié)所需要的時(shí)間為6個(gè)脈沖周期時(shí)間, 也就是 60ms。 如果按車速 1m/s計(jì)算, 那么智 能車的行駛距離為 6cm, 而在實(shí)際應(yīng)用中, 可 能這個(gè)過程會(huì)更長(zhǎng)。 這就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題, 直 流

6、電機(jī)進(jìn)行PID速度調(diào)節(jié)的時(shí)間太長(zhǎng), 可能會(huì) 導(dǎo)致智能車測(cè)速不準(zhǔn)而沖出跑道。圖6智能車虛擬編碼 器的原理圖圖5系統(tǒng)理想時(shí)鐘脈 沖序列圖 3虛擬光電編碼器 輸出原始波形圖4經(jīng)波形整定處理 后的波形 1、表 2所示。表 1從應(yīng)用特性上 表2其中光 通過上表可以看出, 在同一設(shè)定速度下, 由于智能車行使過程中的變速度特性, 勢(shì)必會(huì)影響速度檢測(cè)的準(zhǔn)確性。 考慮 在不降低系統(tǒng)速度測(cè)量精度的前 通過使用軟件上的循環(huán)隊(duì)列算法, 保證 循環(huán)隊(duì)列的具體實(shí)現(xiàn)過程為:通過設(shè)置 每發(fā)生一次輸入捕捉中斷 由隊(duì)列 “先進(jìn)先出” 的即替換最先入隊(duì)數(shù)據(jù), 能夠保證將最新 提高了 該智能車系統(tǒng)虛擬編碼器的部分軟件流 7所示。根據(jù)以上討論與實(shí)際應(yīng)用表明,該虛擬 并且能夠 在第一屆 杯全國(guó)智能車邀請(qǐng)賽中,