基于MC9S12DG128單片機(jī)的智能車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在智能車競賽中，參賽隊(duì)伍應(yīng)在車模平臺基礎(chǔ)上，制作一個能夠自主識別路線的智能車，然后在專門設(shè)計(jì)的賽道上自動識別道路并行駛。本文所設(shè)計(jì)的智能車，采用16位MC9S12DG128單片機(jī)作為數(shù)字控制器，由安裝在車前部的黑白CMOS攝像頭負(fù)責(zé)采集賽道信息，在單片機(jī)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(zhuǎn)向舵機(jī)進(jìn)行控制，從而完成智能車的轉(zhuǎn)向。智能車后輪上裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，可用來采集車輪速度的脈沖信號，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)動模塊的PWM波占空比，從而控制智能車的行駛速度。

1 系統(tǒng)硬件電路組成

設(shè)計(jì)有效的智能車控制系統(tǒng)必須首先掌握控制對象的特性。根據(jù)對智能車特點(diǎn)的分析，可以認(rèn)為，智能車轉(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，但對穩(wěn)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(jié)，沒有常見的慣性環(huán)節(jié)。根據(jù)以上特點(diǎn)，本轉(zhuǎn)向控制可采用PD控制器。

對速度進(jìn)行檢測和控制的意義在于盡可能使智能車按照道路條件允許的最高速度行駛。在彎道應(yīng)將車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)行時間，提高比賽成績。智能車的硬件電路主要由視頻處理模塊、方向控制模塊和車速控制模塊組成。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)動會轉(zhuǎn)化為車模轉(zhuǎn)向拉桿的橫向移動，從而帶動車模前輪的轉(zhuǎn)動，以控制智能車的行駛方向。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。

車速控制模塊主要由直流電機(jī)、驅(qū)動電路和旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成。該模塊可根據(jù)CMOS攝像頭所檢測的路徑信息判斷智能車當(dāng)前所處的賽道狀況，調(diào)整數(shù)字PID控制算法的Kp，Ki、Kd三個參數(shù)，以達(dá)到迅速響應(yīng)車速并消除靜態(tài)誤差之目的。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

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

2.2 直流電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)

直流電機(jī)驅(qū)動采用5 A集成H橋芯片MC33886。MC33886芯片內(nèi)置有控制邏輯、電荷泵、門驅(qū)動電路以及低導(dǎo)通電阻的MOSFET輸出電路。適合用來控制感性直流負(fù)載(如直流電機(jī))。通過控制MC33886的四根輸入線可以方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、能耗制動及反接制動。圖3是經(jīng)過簡化的H橋電路，圖中，當(dāng)S1、S4導(dǎo)通且S2、S3截止時，電流正向流過直流電機(jī)，智能車前進(jìn)；當(dāng)S2、S3導(dǎo)通且S1、S4截止時，電流反向流過直流電機(jī)，利用這個過程可以使車模處于反接制動狀態(tài)，從而迅速降低車速；當(dāng)S3、S4導(dǎo)通且S1、S2截止時，沒有電源加在直流電機(jī)上，直流電機(jī)電樞兩端相當(dāng)于短接在一起。