基于MC9S12DG128單片機的智能車(chē)控制系統設計

在智能車(chē)競賽中，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。本文所設計的智能車(chē)，采用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，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。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)。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，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。

2 電路設計

2.1 電源模塊設計

電源模塊要為單片機、傳感器、舵機和驅動(dòng)電機供電。因此需要提供多種電源以滿(mǎn)足各個(gè)模塊的要求。電池在完全充滿(mǎn)之后，其空載電壓只有8 V左右，而且隨著(zhù)電池的消耗，電壓逐漸降低。使用了DC-DC變換芯片MC34063以及低差壓穩壓器LM2940。MC34063可輸出穩定的8V電壓給CMOS攝像頭，LM2940則可為16位MC9S12DG128單片機、視頻放大及二值化電路提供穩定的5 V電源，從而保證了系統在各種情況下的穩定運行。其電源模塊電路原理圖如圖2所示。

2.2 直流電機驅動(dòng)模塊設計

直流電機驅動(dòng)采用5 A集成H橋芯片MC33886。MC33886芯片內置有控制邏輯、電荷泵、門(mén)驅動(dòng)電路以及低導通電阻的MOSFET輸出電路。適合用來(lái)控制感性直流負載(如直流電機)。通過(guò)控制MC33886的四根輸入線(xiàn)可以方便地實(shí)現電機正轉、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S1、S4導通且S2、S3截止時(shí)，電流正向流過(guò)直流電機，智能車(chē)前進(jìn)；當S2、S3導通且S1、S4截止時(shí)，電流反向流過(guò)直流電機，利用這個(gè)過(guò)程可以使車(chē)模處于反接制動(dòng)狀態(tài)，從而迅速降低車(chē)速；當S3、S4導通且S1、S2截止時(shí)，沒(méi)有電源加在直流電機上，直流電機電樞兩端相當于短接在一起。