基于16位單片機(jī)MC9S12DG128的智能車(chē) 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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)，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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)的轉(zhuǎn)向。另外，智能車(chē)后輪上裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，可用來(lái)采集車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)特點(diǎn)的分析，可以認(rèn)為，智能車(chē)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(chē)按照道路條件允許的最高速度行駛。在彎道應(yīng)將車(chē)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(chē)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(chē)速，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)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(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(chē)模轉(zhuǎn)向拉桿的橫向移動(dòng)，從而帶動(dòng)車(chē)模前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，以控制智能車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)速形成對(duì)智能車(chē)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(chē)速并消除靜態(tài)誤差之目的。