基于單片機的智能車(chē)控制系統設計

1 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)學(xué)科專(zhuān)業(yè)的科技創(chuàng )新比賽。參賽隊伍在車(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)，在專(zhuān)門(mén)設計的賽道上自動(dòng)識別道路行駛 [1]。

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)二值化處理后傳入單片機,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,完成智能車(chē)的 轉向。另外，智能車(chē)后輪上裝旋轉編碼器,用來(lái)采集車(chē)輪速度的脈沖信號,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。

2 控制方案設計和硬件電路組成

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，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)，轉向控制采用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，在直道應當適當進(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， 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。因此速度控制采用PID控制器。針對不同的道路 狀況迅速準確地改變車(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關(guān)系如圖1所示。

3 模塊功能

（1）視頻處理模塊。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。

（2）轉向控制模塊。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),控制智能車(chē)的行駛方向。舵機的轉向控制采用PD控制，根據賽道中央黑線(xiàn)的位置,單片機向舵機輸出相應占空比的PWM信號。

（3） 車(chē)速控制模塊。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。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,達到車(chē)速響應迅速并消除靜態(tài)誤差的目的。