虚拟编码器在智能车上的应用

1、 图2 智能车上的虚拟光电编码器 何金玉 合S 12D28B 单片的 输 入 捕功 能 提 出一 种 机 械电原 理 简 洁测 量 精 度的 速 度 检方 法 虚编 码 器 测虚拟编码器的设计是基于光电编码器的 的输入一方面, 虚拟光电编码器是基于光电编码 光电编码器是一种通过光电转它与电动机同轴, 电动机 光栅盘与电动机按一定比例旋转, 经通过计算每秒光电编码器输 另一方面,虚拟编码器又充分利用单片 通过捕捉系统时钟脉冲来 因此,虚拟光电编码器是一种通过光电 同时结 转换成系统时 通过计算单片机每秒输入捕捉系 1所示。针对 2006年第一届 “飞思卡尔” 杯全国 智能车邀请赛的模型车这一具体

2、应用 对象, 由于智能车自身机械结构与安 栏目编辑TechnologyCorridor技 术 长 廊 装方便的基点出发, 同时考虑到尽可能不增加 智能车的机械负载, 放弃了使用光电编码器采 取了使用虚拟光电编码器的策略。在本智能车上,将与车轮同轴上的一黑 色塑料圈涂成1:1黑白相间的条纹, 如图2所 示。根据红外传感器对黑白两种材料的反射 率不同, 随着直流电机的转动, 红外传感器的 输出脉冲是一随电机转速变化的脉冲序列, 如 图3所示, 经波形整定芯片进行处理, 可得到 如图 4所示波形,配合单片机的输入捕捉功 能, 对如图5所示的时钟脉冲序列进行捕捉计 数, 从而完成速度检测功能。 实现智

3、能车速度 检测的电路原理图如图 6所示。全国智能车邀请赛指定的唯一微处理器 为 Freescale 公司的 HCS12DG128B16位单片 机,128K 字节的 FlashEEPROM,8K 字节的 RAM ,2K 字节的 E E P R O M ,2个异步串行通 信接口(SCI,2个串行外围接口(SPI, 1个8通 道的输入捕捉/输出比较(IC/OC增强型捕捉 定时器, 2个 8通道、 10位转换精度的模数转 换器(ADC,1个 8通道的脉冲调制器(PWM, 丰富的 I/O 资源, 内部集成PLL 锁相环, 可以 提高系统时钟工作频率。H C S 12D G 128B 单片机的外部晶振为

4、16MHz, 由于视频采集的需要, 使用单片机的 PLL锁相功能进行倍频。 设经倍频后的系统时 钟为 MHz,由于输入捕捉寄存器为 16位,其 计数值最大为65535, 需要对系统时钟进行分 频处理, 设分配系数为, 其中a =2-n (n=0,1,2, 7 (1则分频后的系统时钟 MHz 可由式(2得 到 :f 1=f 0×a(2设红外传感器的输出脉冲频率为fHz, 当 设置输入捕捉的触发方式为上升沿捕捉时, 并 设当捕捉发生时允许中断, 则一次输入捕捉中 断时读取输入捕捉寄存器的计数值为N个, 可 由式(3求得 :(3设虚拟编码器的周期为 T,则(4又已知车轮直径为Dcm,设根据

5、具体对象 的需求,车轮转动一周的周期为 mT,则车速 V 计算公式可由式(4求出。(5对于模型车来说, 由于图2中的黑色塑料 圈固定有 12个凹凸槽, 在不改变其现有的形 状与简单出发, 把黑色塑料圈涂成黑白相间比 为1:1, 总共6对, 相当于6个高低电平为一个 周期。 如果将输入捕捉设置为上升沿, 并且取 一个周期的输入捕捉脉冲数进行运算, 按脉冲 周期 10ms进行计算, 那么直流电机进行一次 速度调节所需要的时间为6个脉冲周期时间, 也就是 60ms。 如果按车速 1m/s计算, 那么智 能车的行驶距离为 6cm, 而在实际应用中, 可 能这个过程会更长。 这就会出现一个问题, 直 流

6、电机进行PID速度调节的时间太长, 可能会 导致智能车测速不准而冲出跑道。图6智能车虚拟编码 器的原理图图5系统理想时钟脉 冲序列图 3虚拟光电编码器 输出原始波形图4经波形整定处理 后的波形 1、表 2所示。表 1从应用特性上 表2其中光 通过上表可以看出, 在同一设定速度下, 由于智能车行使过程中的变速度特性, 势必会影响速度检测的准确性。 考虑 在不降低系统速度测量精度的前 通过使用软件上的循环队列算法, 保证 循环队列的具体实现过程为:通过设置 每发生一次输入捕捉中断 由队列 “先进先出” 的即替换最先入队数据, 能够保证将最新 提高了 该智能车系统虚拟编码器的部分软件流 7所示。根据以上讨论与实际应用表明,该虚拟 并且能够 在第一届 杯全国智能车邀请赛中,