基于9S12DG128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。

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。此外，電機啟動(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定，影響攝像頭視頻處理電路和單片機的正常工作，本設計使用了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)采用飛思卡爾公司的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)。該芯片可以提供連續的5 A電流，并集成有過(guò)流保護、過(guò)熱保護、欠壓保護電路。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。由于電機軸在外力作用下旋轉時(shí)。電機可以產(chǎn)生電能，此時(shí)可以把直流電動(dòng)機看作一個(gè)帶了很重負載的發(fā)電機，此時(shí)電機上會(huì )產(chǎn)生一個(gè)阻礙輸出軸運動(dòng)的力，這個(gè)力的大小與負荷的大小成正比，這時(shí)電機處于能耗制動(dòng)狀態(tài)。

本方案采用了兩片MC33886并聯(lián)，一方面減小導通電阻對直流電機特性的影響，另一方面，可以減小MC33886內部過(guò)流保護電路對電機啟動(dòng)及制動(dòng)的影響。直流電機驅動(dòng)模塊的電路原理圖如圖4所示。

2．3 傳感器電路設計

本智能車(chē)采用CMOS攝像頭作為圖像傳感器，以保證賽道信息采集的準確有效。CMOS攝像頭的輸出信號是PAL制式的復合全電視信號，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)信號都對路徑進(jìn)行識別。

2．4 無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊設計

該智能車(chē)加裝了基于射頻收發(fā)芯片nRF403的無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊，并可在此基礎上實(shí)現MOD－BUS通信協(xié)議，這對測試智能車(chē)參數及程序調試很有幫助。在運行的過(guò)程中，可以將智能車(chē)的各項參數實(shí)時(shí)發(fā)送上來(lái)，而分析智能車(chē)的運行狀態(tài)可以更有針對性地對控制程序進(jìn)行改進(jìn)。事實(shí)上，在調試運動(dòng)參數的過(guò)程中，可以通過(guò)上位機軟件改變Kp、Ki、Kd等參數，而不用重新燒寫(xiě)程序，因而十分迅速而方便。

3 軟件設計

本智能車(chē)控制系統的程序結構如圖5所示。這是一個(gè)兩層的分級控制系統。底層控制包括“轉向控制系統”和“車(chē)速控制系統”，上層主控程序則可通過(guò)改變底層控制系統的設定值、控制參數和約束條件，來(lái)對整個(gè)控制系統進(jìn)行調度。設計這種分層結構的控制系統是參照了集散控制系統DCS的結構特點(diǎn)，程序各部分功能明確、結構清晰，便于調試和維護。為了調試方便，同時(shí)在主控程序中添加了基于無(wú)線(xiàn)信道的MODBUS通訊協(xié)議，因而對智能車(chē)行駛參數的監視和調整提供了很大的便利。

本系統軟件所實(shí)現的功能主要是初始化、數據采集和濾波處理、道路識別、電機控制和舵機控制等。其中初始化主要是設置系統默認參數。其次是數據采集及濾波處理。為了盡量減少引入的純滯后時(shí)間，本文提出了一種獨具創(chuàng )新性的視頻信號采集方法。即用MC9S12DG128單片機提供的SPI口直接讀取經(jīng)過(guò)二值化處理的視頻信號。由于大賽規則中指定了賽道上黑色引導線(xiàn)的寬度為2．5厘米，故攝像頭中采集到的引導線(xiàn)寬度在正常情況下也應當落在一定范圍內。設計時(shí)可以用實(shí)驗的方法測得引導線(xiàn)對應的像素寬度，然后在濾波程序中對采集到的引導線(xiàn)線(xiàn)寬進(jìn)行控制，如果超出正常范圍即認為是無(wú)效數據。

實(shí)驗證明，這種方法可以有效地濾除干擾。智能車(chē)分層控制系統的核心是賽道的識別。實(shí)際測試發(fā)現，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，給賽道識別帶來(lái)很大的困難，因此，完整賽道識別模式幾乎是不可能的。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，本方案只識別賽道中的直線(xiàn)段，并根據直線(xiàn)段的數量和長(cháng)度將賽道分割成不同的區域，然后在一個(gè)區域中對控制參數進(jìn)行優(yōu)化。

至于電機控制。本系統是用單片機通過(guò)接收旋轉編碼器來(lái)檢測智能車(chē)后輪轉動(dòng)所產(chǎn)生的脈沖數，然后采用位置式PID控制算法的遞推形式對直流電機的轉速進(jìn)行快速準確地控制。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、積分常數和微分常數。舵機控制也是用單片機通過(guò)CMOS攝像頭來(lái)檢測路徑信息，然后采用不完全微分PD控制算法來(lái)控制舵機的轉角，從而實(shí)現路徑跟蹤。

4 結束語(yǔ)

本文介紹了一種智能車(chē)控制系統的設計與實(shí)現方法。通過(guò)大量實(shí)驗測試證明，該智能車(chē)能快速平穩地在制作的賽道上跟蹤黑色引導線(xiàn)并行駛，而且尋跡效果良好，控制響應速度快，動(dòng)態(tài)性能良好，穩態(tài)誤差小，系統的穩定性和抗干擾能力強。用本設計制作的智能車(chē)在2008年舉辦的全國大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能汽車(chē)競賽中取得了華北賽區二等獎，充分證明了該設計方案的有效性和穩定性。