基于HCSl2的小車智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能車系統(tǒng)以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科；主要由路徑識(shí)別、角度控制及車速控制等功能模塊組成。一般而言，智能車系統(tǒng)要求小車在白色的場地上，通過控制小車的轉(zhuǎn)向角和車速，使小車能自動(dòng)地沿著一條任意給定的黑色帶狀引導(dǎo)線行駛。
筆者基于HCSl2單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種智能車系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)中的路徑識(shí)別功能由紅外光電傳感器實(shí)現(xiàn)，車速控制由模糊控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。軟件設(shè)計(jì)中實(shí)時(shí)檢測路況，并定時(shí)中斷采集速度反饋值。

1 系統(tǒng)分析及控制方案
1．1 智能車系統(tǒng)分析
智能車系統(tǒng)根據(jù)檢測到的路況和車速的當(dāng)前信息，控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，相應(yīng)地調(diào)整小車的行駛方向和速度；最終的目的是使智能車能快速、穩(wěn)定地按給定的黑色引導(dǎo)線行駛。
小車在行駛過程中會(huì)遇到以下兩種路況：①當(dāng)小車由直道高速進(jìn)入彎道時(shí)，轉(zhuǎn)角方向和車速應(yīng)根據(jù)彎道的曲率迅速做出相應(yīng)的改變，原則是彎道曲率越大則方向變化角度越大，車速越低。②當(dāng)小車遇到_卜字交叉路段或是脫離軌跡等特殊情況時(shí)，智能車應(yīng)當(dāng)保持與上次正常情況一致的方向行駛，速度則相應(yīng)降低。因此，對(duì)智能車的設(shè)計(jì)，要求具有實(shí)時(shí)路徑檢測功能和良好的調(diào)速功能。
1．2 控制方案的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的控制分為小車轉(zhuǎn)向角控制和速度控制兩部分。
小車轉(zhuǎn)向角的控制通過輸入PWM信號(hào)進(jìn)行開環(huán)控制。根據(jù)檢測的不同路徑，判斷出小車所在位置，按不同的區(qū)間給出不同的舵機(jī)PWM控制信號(hào)。小車轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度?？紤]到實(shí)際舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角與所給PWM信號(hào)的占空比基本成線性關(guān)系，所以舵機(jī)的控制方案采用查表法。在程序中預(yù)先創(chuàng)建控制表，路徑識(shí)別單元檢測當(dāng)前的路況，單片機(jī)通過查表可知當(dāng)前的賽道，然后給出相應(yīng)的PWM信號(hào)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向。
本設(shè)計(jì)采用了一種參數(shù)自整定的模糊控制算法對(duì)小車速度進(jìn)行閉環(huán)控制。小車在前進(jìn)過程中，根據(jù)不同的路況給出不同的速度給定值，通過模糊控制器進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，以縮短小車的速度控制響應(yīng)時(shí)間，減小穩(wěn)態(tài)誤差。系統(tǒng)將小車的角度變化率反饋給模糊控制器，通過修正規(guī)則進(jìn)行模糊參數(shù)的自整定。智能車自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，圖中dt表示小車角度的微分環(huán)節(jié)，θ表示輸出的轉(zhuǎn)角，n’表示速度的設(shè)定值，n表示實(shí)際速度反饋值。

2 硬件結(jié)構(gòu)與方案設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件主要由HCSl2控制核心、電源管理單元、路徑識(shí)別單元、角度控制單元和車速控制單元組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2．1 HCSl2控制核心
系統(tǒng)的核心控制采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的16位HCSl2系列單片機(jī)MC9S12DGl28。其主要特點(diǎn)是高度的功能集成，易于擴(kuò)展，低電壓檢測復(fù)位功能，看門狗計(jì)數(shù)器，低電壓低功耗，自帶PWM輸出功能等。系統(tǒng)I／O口具體分配如下：PORTAO、PTH0～PTH7共9位用于小車前面路徑識(shí)別的輸入口；PACNO用于車速檢測的輸入口；PORTB0～PORTB7用于顯示小車的各種性能參數(shù)；PWM01用于伺服舵機(jī)的PWM控制信號(hào)輸出；PWM23、PWM45用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM控制信號(hào)輸出。
2．2 電源管理單元
電源管理單元是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成單元。本系統(tǒng)采用7．2V、2000mAh、Ni-Cd蓄電池供電。為滿足系統(tǒng)各單元正常工作的需要，系統(tǒng)將電壓值分為5V、6.5V和7.2V三個(gè)檔。三個(gè)電壓檔的具體實(shí)現(xiàn)及其功能如下：
①采用穩(wěn)壓管芯片L7805CV將電源電壓穩(wěn)壓到5V，穩(wěn)壓電路如圖3所示，給單片機(jī)系統(tǒng)電路、路徑識(shí)別的光電傳感器電路、車速檢測的旋轉(zhuǎn)編碼器電路和驅(qū)動(dòng)芯片MC33886電路供電；
②將電源電壓7．2V經(jīng)過一個(gè)二極管降至6．5V左右后給舵機(jī)供電；
③將電源電壓7．2V直接供給直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2．3 路徑識(shí)別單元
為提高小車轉(zhuǎn)向角的控制精度，系統(tǒng)路徑識(shí)別單元采用9個(gè)發(fā)射和接收一體的反射式紅外光電傳感器JY043作為路徑檢測元件。紅外線具有極強(qiáng)的反射能力，應(yīng)用廣泛，采用專用的紅外發(fā)射管和接收管可以有效地防止周圍可見光的干擾，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
對(duì)于小車循跡場地的黑白兩種顏色，發(fā)射管發(fā)出同樣的光強(qiáng)，接收管接收到的光強(qiáng)不同，因此輸出的電壓值也不同；給定一個(gè)基準(zhǔn)電壓，通過對(duì)不同輸出電壓值進(jìn)行比較，則電路的輸出為高低電平。當(dāng)檢測到黑自線時(shí)分別輸出為高低電平，這樣不僅系統(tǒng)硬件電路簡單，而且信號(hào)處理速度快。其路徑檢測硬件電路如圖4所示。

2．4 角度控制單元
系統(tǒng)角度控制單元采用Sanwa公司SRM-102型舵機(jī)作為小車方向控制元件。在實(shí)際運(yùn)行過程中，舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角與給定的PWM信號(hào)值成線性關(guān)系，以PWM信號(hào)為系統(tǒng)輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)開環(huán)控制。舵機(jī)響應(yīng)曲線和控制電路如圖5、圖6所示。由于舵機(jī)的開環(huán)轉(zhuǎn)向力矩足夠，單片機(jī)通過采集的當(dāng)前路況，給定PWM控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的轉(zhuǎn)向，具體的舵機(jī)轉(zhuǎn)向角與路徑識(shí)別單元輸出值的關(guān)系如表1所列。

2．5 車速控制單元
車速控制單元采用RS-380SH型直流電機(jī)對(duì)小車速度進(jìn)行閉環(huán)控制，并用MC33886電機(jī)驅(qū)動(dòng)H-橋芯片作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)元件。車速檢測元件則采用日本Nemaicon公司的E40S-600-3-3型旋轉(zhuǎn)編碼器，其精度達(dá)到車輪每旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生600個(gè)脈沖。
系統(tǒng)通過MC9S12DGl28輸出的PWM信號(hào)來控制直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)?？紤]到智能車由直道高速進(jìn)入彎道時(shí)需要急速降速。通過實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)采用MC33886的半橋驅(qū)動(dòng)時(shí)，在小車需要減速時(shí)只能通過自由停車實(shí)現(xiàn)。當(dāng)小車速度值由80降至50時(shí)(取旋轉(zhuǎn)編碼器在一定采樣時(shí)間內(nèi)檢測到的脈沖數(shù)作為系統(tǒng)速度的量綱)，響應(yīng)時(shí)間約為0．3s，調(diào)節(jié)效果不佳；當(dāng)采用MC33886的全橋驅(qū)動(dòng)時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間約為0．1s。因此系統(tǒng)利用MC33886的全橋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了小車的快速制動(dòng)。其電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。VCC為電源電壓7．2V，INl和IN2分別為MC33886的PWM信號(hào)輸入端口。MC33886的輸出端口OUTl和OUT2分別接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的兩端。Dl、D2為芯片的使能端。

3 軟件流程設(shè)計(jì)
本智能車系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于MetrowerksCodeWarrlor CWl2 V3．1編程環(huán)境，使用C語言實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)軟件開發(fā)、制作、安裝、調(diào)試都在此環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由以下幾個(gè)模塊組成：單片機(jī)初始化模塊，實(shí)時(shí)路徑檢測模塊，舵機(jī)控制模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊，中斷速度采集模塊和速度模糊控制模塊。系統(tǒng)軟件流程如圖8所示。

4 實(shí) 驗(yàn)
對(duì)小車循跡功能實(shí)驗(yàn)是通過控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角實(shí)現(xiàn)的，而對(duì)車速控制功能，則進(jìn)行了傳統(tǒng)模糊控制與參數(shù)自整定模糊控制的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
(1)小車循跡功能實(shí)驗(yàn)
系統(tǒng)通過采集到當(dāng)前路況，對(duì)舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角進(jìn)行控制米實(shí)現(xiàn)小車的循跡功能。在舵機(jī)工作電壓6．5V情況下，輸入的PWM信號(hào)與舵機(jī)輸出的轉(zhuǎn)角一一對(duì)應(yīng)。實(shí)驗(yàn)測得，舵機(jī)角度從左轉(zhuǎn)-45至右轉(zhuǎn)45對(duì)應(yīng)的輸入PWM信號(hào)范圍為131～165。具體的舵機(jī)轉(zhuǎn)角與PWM對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所列，實(shí)驗(yàn)測得小車運(yùn)行軌跡平滑，循跡圖如圖9所示。圖中細(xì)線為任意給定的黑色引導(dǎo)線，粗線為小車循跡所行駛的曲線。

(2)小車速度控制功能實(shí)驗(yàn)
在小車給定的三檔速度情況下，對(duì)小車速度進(jìn)行傳統(tǒng)模糊控制與參數(shù)自整定的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。具體車速控制曲線如圖10所示。圖中縱軸為采樣周期(T=O．0ls)的車速檢測元件檢測到的脈沖數(shù)，橫軸為采樣周期的整倍數(shù)。曲線1為速度設(shè)定值，曲線2為傳統(tǒng)模糊控制響應(yīng)曲線，曲線3為采用參數(shù)自整定模糊控制響應(yīng)曲線。由小車的速度控制曲線可知，采用傳統(tǒng)模糊控制用于智能車系統(tǒng)時(shí)，響應(yīng)時(shí)間太長，且調(diào)節(jié)過程中會(huì)產(chǎn)生較大幅度的振蕩；當(dāng)采用帶參數(shù)自整定的模糊控制算法后，小車在減速時(shí)能在較小的振幅范圍內(nèi)快速調(diào)節(jié)到設(shè)定值，從而保證了小車的平穩(wěn)過渡且不影響整體速度。

5 結(jié)論
通過對(duì)小車進(jìn)行轉(zhuǎn)向角度和車速控制實(shí)驗(yàn)證明：小車能平穩(wěn)地按照任意給定的黑色引導(dǎo)線行駛，循跡效果良好，速度控制響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)性能良好，穩(wěn)態(tài)誤差較小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力強(qiáng)。