基于16位單片機MC9S12DG128的智能車(chē) 控制系統設計與實(shí)現

0 引言
我國自2006年起舉辦的全國大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能汽車(chē)競賽融科學(xué)性、趣味性和觀(guān)賞性為一體，是一項以迅猛發(fā)展、前景廣闊的汽車(chē)電子為背景，涵蓋了自動(dòng)控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機、機械與汽車(chē)等多個(gè)專(zhuān)業(yè)學(xué)科的科技創(chuàng )新比賽。參賽隊伍應在車(chē)模平臺基礎上，制作一個(gè)能夠自主識別路線(xiàn)的智能車(chē)，然后在專(zhuān)門(mén)設計的賽道上自動(dòng)識別道路并行駛。本文所述的智能車(chē)就是根據比賽規則要求設計并制作而成的，該智能車(chē)控制系統采用飛思卡爾半導體公司生產(chǎn)的16位MC9S12DG128單片機作為數字控制器，由安裝在車(chē)前部的黑白CMOS攝像頭負責采集賽道信息，并將采集到的信號經(jīng)二值化處理后傳人單片機，在單片機對信號進(jìn)行判斷處理后，由PWM發(fā)生模塊發(fā)出PWM波對轉向舵機進(jìn)行控制，從而完成智能車(chē)的轉向。另外，智能車(chē)后輪上裝有旋轉編碼器，可用來(lái)采集車(chē)輪速度的脈沖信號，然后由單片機使用PID控制算法處理后的控制量去改變電機驅動(dòng)模塊的PWM波占空比，從而控制智能車(chē)的行駛速度。

1 系統硬件電路組成
設計有效的智能車(chē)控制系統必須首先掌握控制對象的特性。根據對智能車(chē)特點(diǎn)的分析，可以認為，智能車(chē)轉向控制系統的傳遞函數近似為一階積分加純滯后，速度控制對象的傳遞函數則近似為一階慣性加純滯后的結論。
轉向控制系統主要是要求響應速度快，但對穩態(tài)控制精度要求不高。而且控制對象只有積分和滯后環(huán)節，沒(méi)有常見(jiàn)的慣性環(huán)節。根據以上特點(diǎn)，本轉向控制可采用PD控制器。
對速度進(jìn)行檢測和控制的意義在于盡可能使智能車(chē)按照道路條件允許的最高速度行駛。在彎道應將車(chē)速限制為不脫軌的最高速度，在直道則應適當進(jìn)行急加速以縮短單圈運行時(shí)間，提高比賽成績(jì)。同時(shí)，對速度信號進(jìn)行積分求和可以得到賽道長(cháng)度信息，以便為道路識別與記憶模塊提供數據。智能車(chē)速度控制系統的精度不需要太高，關(guān)鍵是如何快速響應賽道的路況變化。因此，速度采用PID控制，以便針對不同的道路狀況可以迅速準確地改變車(chē)速，實(shí)現穩定過(guò)彎。智能車(chē)的硬件電路主要由視頻處理模塊、方向控制模塊和車(chē)速控制模塊組成。各模塊與單片機之間的硬件關(guān)系如圖1所示。

本系統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成；轉向控制模塊主要由舵機完成。舵機的轉動(dòng)會(huì )轉化為車(chē)模轉向拉桿的橫向移動(dòng)，從而帶動(dòng)車(chē)模前輪的轉動(dòng)，以控制智能車(chē)的行駛方向。舵機的轉向控制采用PD控制，單片機可以根據賽道中央黑線(xiàn)的位置向舵機輸出相應占空比的PWM信號。
車(chē)速控制模塊主要由直流電機、驅動(dòng)電路和旋轉編碼器構成。該模塊可根據CMOS攝像頭所檢測的路徑信息判斷智能車(chē)當前所處的賽道狀況，并根據旋轉編碼器所檢測的實(shí)際車(chē)速形成對智能車(chē)行駛速度的閉環(huán)控制，合理地調整數字PID控制算法的Kp，Ki、Kd三個(gè)參數，以達到迅速響應車(chē)速并消除靜態(tài)誤差之目的。