基于16位單片機(jī)MC9S12DG128的智能車 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言
    我國(guó)自2006年起舉辦的全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能汽車競(jìng)賽融科學(xué)性、趣味性和觀賞性為一體，是一項(xiàng)以迅猛發(fā)展、前景廣闊的汽車電子為背景，涵蓋了自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械與汽車等多個(gè)專業(yè)學(xué)科的科技創(chuàng)新比賽。參賽隊(duì)伍應(yīng)在車模平臺(tái)基礎(chǔ)上，制作一個(gè)能夠自主識(shí)別路線的智能車，然后在專門(mén)設(shè)計(jì)的賽道上自動(dòng)識(shí)別道路并行駛。本文所述的智能車就是根據(jù)比賽規(guī)則要求設(shè)計(jì)并制作而成的，該智能車控制系統(tǒng)采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的16位MC9S12DG128單片機(jī)作為數(shù)字控制器，由安裝在車前部的黑白CMOS攝像頭負(fù)責(zé)采集賽道信息，并將采集到的信號(hào)經(jīng)二值化處理后傳人單片機(jī)，在單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷處理后，由PWM發(fā)生模塊發(fā)出PWM波對(duì)轉(zhuǎn)向舵機(jī)進(jìn)行控制，從而完成智能車的轉(zhuǎn)向。另外，智能車后輪上裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，可用來(lái)采集車輪速度的脈沖信號(hào)，然后由單片機(jī)使用PID控制算法處理后的控制量去改變電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的PWM波占空比，從而控制智能車的行駛速度。

1 系統(tǒng)硬件電路組成
    設(shè)計(jì)有效的智能車控制系統(tǒng)必須首先掌握控制對(duì)象的特性。根據(jù)對(duì)智能車特點(diǎn)的分析，可以認(rèn)為，智能車轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)近似為一階積分加純滯后，速度控制對(duì)象的傳遞函數(shù)則近似為一階慣性加純滯后的結(jié)論。
    轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)主要是要求響應(yīng)速度快，但對(duì)穩(wěn)態(tài)控制精度要求不高。而且控制對(duì)象只有積分和滯后環(huán)節(jié)，沒(méi)有常見(jiàn)的慣性環(huán)節(jié)。根據(jù)以上特點(diǎn)，本轉(zhuǎn)向控制可采用PD控制器。
    對(duì)速度進(jìn)行檢測(cè)和控制的意義在于盡可能使智能車按照道路條件允許的最高速度行駛。在彎道應(yīng)將車速限制為不脫軌的最高速度，在直道則應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行急加速以縮短單圈運(yùn)行時(shí)間，提高比賽成績(jī)。同時(shí)，對(duì)速度信號(hào)進(jìn)行積分求和可以得到賽道長(zhǎng)度信息，以便為道路識(shí)別與記憶模塊提供數(shù)據(jù)。智能車速度控制系統(tǒng)的精度不需要太高，關(guān)鍵是如何快速響應(yīng)賽道的路況變化。因此，速度采用PID控制，以便針對(duì)不同的道路狀況可以迅速準(zhǔn)確地改變車速，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定過(guò)彎。智能車的硬件電路主要由視頻處理模塊、方向控制模塊和車速控制模塊組成。各模塊與單片機(jī)之間的硬件關(guān)系如圖1所示。

    本系統(tǒng)中的視頻處理模塊由CMOS攝像頭、二值化電路和同步分離電路構(gòu)成；轉(zhuǎn)向控制模塊主要由舵機(jī)完成。舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)化為車模轉(zhuǎn)向拉桿的橫向移動(dòng)，從而帶動(dòng)車模前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，以控制智能車的行駛方向。舵機(jī)的轉(zhuǎn)向控制采用PD控制，單片機(jī)可以根據(jù)賽道中央黑線的位置向舵機(jī)輸出相應(yīng)占空比的PWM信號(hào)。
    車速控制模塊主要由直流電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路和旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成。該模塊可根據(jù)CMOS攝像頭所檢測(cè)的路徑信息判斷智能車當(dāng)前所處的賽道狀況，并根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器所檢測(cè)的實(shí)際車速形成對(duì)智能車行駛速度的閉環(huán)控制，合理地調(diào)整數(shù)字PID控制算法的Kp，Ki、Kd三個(gè)參數(shù)，以達(dá)到迅速響應(yīng)車速并消除靜態(tài)誤差之目的。

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2 電路設(shè)計(jì)
2．1 電源模塊設(shè)計(jì)
    電源模塊要為單片機(jī)、傳感器、舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電。因此需要提供多種電源以滿足各個(gè)模塊的要求。電池在完全充滿之后，其空載電壓只有8 V左右，而且隨著電池的消耗，電壓逐漸降低。此外，電機(jī)啟動(dòng)及反接制動(dòng)時(shí)的電流很大，也有可能將電池電壓拉得更低。為了避免電源電壓不穩(wěn)定，影響攝像頭視頻處理電路和單片機(jī)的正常工作，本設(shè)計(jì)使用了DC-DC變換芯片MC34063以及低差壓穩(wěn)壓器LM2940。MC34063可輸出穩(wěn)定的8V電壓給CMOS攝像頭，LM2940則可為16位MC9S12DG128單片機(jī)、視頻放大及二值化電路提供穩(wěn)定的5 V電源，從而保證了系統(tǒng)在各種情況下的穩(wěn)定運(yùn)行。其電源模塊電路原理圖如圖2所示。

2．2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)
    直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用飛思卡爾公司的5 A集成H橋芯片MC33886。MC33886芯片內(nèi)置有控制邏輯、電荷泵、門(mén)驅(qū)動(dòng)電路以及低導(dǎo)通電阻的MOSFET輸出電路。適合用來(lái)控制感性直流負(fù)載(如直流電機(jī))。該芯片可以提供連續(xù)的5 A電流，并集成有過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、欠壓保護(hù)電路。通過(guò)控制MC33886的四根輸入線可以方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、能耗制動(dòng)及反接制動(dòng)。圖3是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的H橋電路，圖中，當(dāng)S1、S4導(dǎo)通且S2、S3截止時(shí)，電流正向流過(guò)直流電機(jī)，智能車前進(jìn)；當(dāng)S2、S3導(dǎo)通且S1、S4截止時(shí)，電流反向流過(guò)直流電機(jī)，利用這個(gè)過(guò)程可以使車模處于反接制動(dòng)狀態(tài)，從而迅速降低車速；當(dāng)S3、S4導(dǎo)通且S1、S2截止時(shí)，沒(méi)有電源加在直流電機(jī)上，直流電機(jī)電樞兩端相當(dāng)于短接在一起。由于電機(jī)軸在外力作用下旋轉(zhuǎn)時(shí)。電機(jī)可以產(chǎn)生電能，此時(shí)可以把直流電動(dòng)機(jī)看作一個(gè)帶了很重負(fù)載的發(fā)電機(jī)，此時(shí)電機(jī)上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻礙輸出軸運(yùn)動(dòng)的力，這個(gè)力的大小與負(fù)荷的大小成正比，這時(shí)電機(jī)處于能耗制動(dòng)狀態(tài)。

    本方案采用了兩片MC33886并聯(lián)，一方面減小導(dǎo)通電阻對(duì)直流電機(jī)特性的影響，另一方面，可以減小MC33886內(nèi)部過(guò)流保護(hù)電路對(duì)電機(jī)啟動(dòng)及制動(dòng)的影響。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理圖如圖4所示。

2．3 傳感器電路設(shè)計(jì)
    本智能車采用CMOS攝像頭作為圖像傳感器，以保證賽道信息采集的準(zhǔn)確有效。CMOS攝像頭的輸出信號(hào)是PAL制式的復(fù)合全電視信號(hào)，每秒輸出50幀(分為偶場(chǎng)和奇場(chǎng))。由于CMOS攝像頭采集圖像時(shí)，偶場(chǎng)和奇場(chǎng)不是同時(shí)采集的。因此，可以在每場(chǎng)信號(hào)都對(duì)路徑進(jìn)行識(shí)別。
2．4 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)
    該智能車加裝了基于射頻收發(fā)芯片nRF403的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，并可在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)MOD－BUS通信協(xié)議，這對(duì)測(cè)試智能車參數(shù)及程序調(diào)試很有幫助。在運(yùn)行的過(guò)程中，可以將智能車的各項(xiàng)參數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送上來(lái)，而分析智能車的運(yùn)行狀態(tài)可以更有針對(duì)性地對(duì)控制程序進(jìn)行改進(jìn)。事實(shí)上，在調(diào)試運(yùn)動(dòng)參數(shù)的過(guò)程中，可以通過(guò)上位機(jī)軟件改變Kp、Ki、Kd等參數(shù)，而不用重新燒寫(xiě)程序，因而十分迅速而方便。

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3 軟件設(shè)計(jì)
    本智能車控制系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。這是一個(gè)兩層的分級(jí)控制系統(tǒng)。底層控制包括“轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)”和“車速控制系統(tǒng)”，上層主控程序則可通過(guò)改變底層控制系統(tǒng)的設(shè)定值、控制參數(shù)和約束條件，來(lái)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。設(shè)計(jì)這種分層結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)是參照了集散控制系統(tǒng)DCS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，程序各部分功能明確、結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試和維護(hù)。為了調(diào)試方便，同時(shí)在主控程序中添加了基于無(wú)線信道的MODBUS通訊協(xié)議，因而對(duì)智能車行駛參數(shù)的監(jiān)視和調(diào)整提供了很大的便利。

    本系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是初始化、數(shù)據(jù)采集和濾波處理、道路識(shí)別、電機(jī)控制和舵機(jī)控制等。其中初始化主要是設(shè)置系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)。其次是數(shù)據(jù)采集及濾波處理。為了盡量減少引入的純滯后時(shí)間，本文提出了一種獨(dú)具創(chuàng)新性的視頻信號(hào)采集方法。即用MC9S12DG128單片機(jī)提供的SPI口直接讀取經(jīng)過(guò)二值化處理的視頻信號(hào)。由于大賽規(guī)則中指定了賽道上黑色引導(dǎo)線的寬度為2．5厘米，故攝像頭中采集到的引導(dǎo)線寬度在正常情況下也應(yīng)當(dāng)落在一定范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)時(shí)可以用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)得引導(dǎo)線對(duì)應(yīng)的像素寬度，然后在濾波程序中對(duì)采集到的引導(dǎo)線線寬進(jìn)行控制，如果超出正常范圍即認(rèn)為是無(wú)效數(shù)據(jù)。
    實(shí)驗(yàn)證明，這種方法可以有效地濾除干擾。智能車分層控制系統(tǒng)的核心是賽道的識(shí)別。實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，由于CMOS攝像頭的可視范圍比較小而且視野范圍呈梯形，且在快速運(yùn)動(dòng)中經(jīng)常發(fā)生賽道部分可能全部脫離視野范圍的情況，給賽道識(shí)別帶來(lái)很大的困難，因此，完整賽道識(shí)別模式幾乎是不可能的。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，本方案只識(shí)別賽道中的直線段，并根據(jù)直線段的數(shù)量和長(zhǎng)度將賽道分割成不同的區(qū)域，然后在一個(gè)區(qū)域中對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
    至于電機(jī)控制。本系統(tǒng)是用單片機(jī)通過(guò)接收旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)檢測(cè)智能車后輪轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，然后采用位置式PID控制算法的遞推形式對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行快速準(zhǔn)確地控制。位置式PID控制算法的遞推形式如下：
    △u(k)=Kp[e(k)－e(k－1)]+Kixe(k)+Kd[e(k)－2e(k-1)+e(k-2)]，u(k)=u(k-1)+△u(k)
    式中：u(k)為k時(shí)刻控制器的輸出；e(k)為k時(shí)刻的偏差；Kp、Ki、Kd分別為位置式PID控制算法的比例系數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)。舵機(jī)控制也是用單片機(jī)通過(guò)CMOS攝像頭來(lái)檢測(cè)路徑信息，然后采用不完全微分PD控制算法來(lái)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文介紹了一種智能車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，該智能車能快速平穩(wěn)地在制作的賽道上跟蹤黑色引導(dǎo)線并行駛，而且尋跡效果良好，控制響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能良好，穩(wěn)態(tài)誤差小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力強(qiáng)。用本設(shè)計(jì)制作的智能車在2008年舉辦的全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能汽車競(jìng)賽中取得了華北賽區(qū)二等獎(jiǎng)，充分證明了該設(shè)計(jì)方案的有效性和穩(wěn)定性。