基于單片機的智能車控制系統(tǒng)設(shè)計

（4） 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計。智能車加裝了基于射頻收發(fā)芯片nRF403的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了MODBUS 通信協(xié)議，在測試智能車參數(shù)及程 序調(diào)試的過程中很有幫助。在運行的過程中可以將智能車的各項參數(shù)實時地發(fā)送上來，分析智能車的運行狀態(tài)可以更有針對性地對控制程序進行改進。在調(diào)試運動參 數(shù)的過程中，可以通過上位機軟件改變?nèi)鏚p、Ki、Kd 等參數(shù)，而不用重新燒寫程序，迅速而方便。

5 軟件設(shè)計

智能車控制 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)如圖5所示，這是一個兩層的分級控制系統(tǒng)。底層控制系統(tǒng)包括“轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)”和“車速控制系統(tǒng)” ，上層主控程序通過改變底層控制系統(tǒng)的設(shè)定 值、控制參數(shù)和約束條件的方法，對整個控制系統(tǒng)進行調(diào)度。設(shè)計這種分層結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)是參照了集散控制系統(tǒng)DCS的結(jié)構(gòu)特點，程序各部分功能明確、結(jié)構(gòu)清 晰，便于調(diào)試和維護。為了調(diào)試方便，主控程序中添加了基于無線信道的MODBUS通訊協(xié)議，對智能車行駛參數(shù)的監(jiān)視和調(diào)整提供了很大的便利。

軟件所實現(xiàn)的功能有：

①初始化。

②數(shù)據(jù)采集及濾波處理。為了盡量減少引入的純滯后時間，本文提出 了一種獨特的具有創(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)過二值化處理的視頻信號。大賽規(guī)則中指定了賽 道上黑色引導(dǎo)線的寬度為2.5 厘米，故攝像頭中采集到的引導(dǎo)線寬度在正常情況下也應(yīng)當落在一定范圍內(nèi)?？梢杂脤嶒灥姆椒y得引導(dǎo)線對應(yīng)的像素寬度，然后 在濾波程序中對采集到的引導(dǎo)線線寬進行控制，如果超出正常范圍即認為是無效數(shù)據(jù)。實驗證明，這種方法可以有效地將干擾濾除。

③道路識 別。智能車分層控制系統(tǒng)的核心是賽道的識別。實際測試發(fā)現(xiàn)由于CMOS攝像頭的可視范圍比較小而且視野范圍呈梯形，在快速運動中經(jīng)常發(fā)生賽道部分甚至全部 脫離視野范圍的情況，給賽道識別帶來很大的困難，因此完整識別賽道模式幾乎是不可能的。為了簡化問題，本方案只識別賽道中的直線段，根據(jù)直線段的數(shù)量和長 度將賽道分割成不同的區(qū)域，在一個區(qū)域中對控制參數(shù)進行優(yōu)化。

④電機控制。單片機通過接收旋轉(zhuǎn)編碼器檢測智能車后輪轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的脈沖數(shù),采用位置式PID控制算法的遞推形式對直流電機的轉(zhuǎn)速進行快速準確地控制。

位置式PID控制算法的遞推形式： Δu（k） =Kp[e（k） -e（k-1）] +Ki×e（k） +Kd[e（k） -2e（k-1） +e（k-2）]，u（k） =u（k-1） +Δu（k） 式中：u（k）為k時刻控制器的輸出; e（k）為k時刻的偏差;Kp、Ki、Kd分別為位置式PID控制算法的比例系數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)[7]。

⑤舵機控制。單片機通過CMOS攝像頭檢測到的路徑信息,采用不完全微分PD控制算法控制舵機的轉(zhuǎn)角,實現(xiàn)路徑跟蹤。

6 結(jié)語

本文介紹了一種智能車控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。圖5為已制作完成的智能車實物照片。通過大量實驗測試證明該智能 車能快速平穩(wěn)地在制作的賽道上跟蹤黑色引導(dǎo)線行駛,尋跡效果良好,速度控制響應(yīng)快,動態(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。在2008 舉辦的全國大學生“飛思卡爾杯”智能汽車競賽中取得了華北賽區(qū)二等獎的好成績， 充分證明了設(shè)計方案的有效性和穩(wěn)定性。