在智能車競賽中，參賽隊伍應在車模平臺基礎上，制作一個能夠自主識別路線的智能車，然后在專門設計的賽道上自動識別道路并行駛。本文所設計的智能車，采用16位MC9S12DG128單片機作為數字控制器，由安裝在車前部的黑白CMOS攝像頭負責采集賽道信息，在單片機對信號進行判斷處理后，由PWM發生模塊發出PWM波對轉向舵機進行控制，從而完成智能車的轉向。智能車后輪上裝有旋轉編碼器，可用來采集車輪速度的脈沖信號，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模塊的PWM波占空比，從而控制智能車的行駛速度。

1 系統硬件電路組成

設計有效的智能車控制系統必須首先掌握控制對象的特性。根據對智能車特點的分析，可以認為，智能車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，但對穩態控制精度要求不高。而且控制對象只有積分和滯后環節，沒有常見的慣性環節。根據以上特點，本轉向控制可采用PD控制器。

對速度進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。在彎道應將車速限制為不脫軌的最高速度，在直道則應適當進行急加速以縮短單圈運行時間，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。各模塊與單片機之間的硬件關系如圖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。舵機的轉動會轉化為車模轉向拉桿的橫向移動，從而帶動車模前輪的轉動，以控制智能車的行駛方向。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的位置向舵機輸出相應占空比的PWM信號。

車速控制模塊主要由直流電機、驅動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當前所處的賽道狀況，調整數字PID控制算法的Kp，Ki、Kd三個參數，以達到迅速響應車速并消除靜態誤差之目的。

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、舵機和驅動電機供電。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 直流電機驅動模塊設計

直流電機驅動采用5 A集成H橋芯片MC33886。MC33886芯片內置有控制邏輯、電荷泵、門驅動電路以及低導通電阻的MOSFET輸出電路。適合用來控制感性直流負載（如直流電機）。通過控制MC33886的四根輸入線可以方便地實現電機正轉、能耗制動及反接制動。圖3是經過簡化的H橋電路，圖中，當S1、S4導通且S2、S3截止時，電流正向流過直流電機，智能車前進；當S2、S3導通且S1、S4截止時，電流反向流過直流電機，利用這個過程可以使車模處于反接制動狀態，從而迅速降低車速；當S3、S4導通且S1、S2截止時，沒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。

本方案采用了兩片MC33886并聯，直流電機驅動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（分為偶場和奇場）。

2．4 無線數據傳輸模塊設計

該智能車加裝了基于射頻收發芯片nRF403的無線數據傳輸模塊，并可在此基礎上實現MOD－BUS通信協議，這對測試智能車參數及程序調試很有幫助。在運行的過程中，可以將智能車的各項參數實時發送上來，而分析智能車的運行狀態可以更有針對性地對控制程序進行改進。

3 軟件設計

本智能車控制系統的程序結構如圖5所示。這是一個兩層的分級控制系統。底層控制包括“轉向控制系統”和“車速控制系統”，上層主控程序則可通過改變底層控制系統的設定值、控制參數和約束條件，來對整個控制系統進行調度。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，程序各部分功能明確、結構清晰，便于調試和維護。

本系統軟件所實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間，本文提出了一種獨具創新性的視頻信號采集方法。即用MC9S12DG128單片機提供的SPI口直接讀取經過二值化處理的視頻信號。

至于電機控制。本系統是用單片機通過接收旋轉編碼器來檢測智能車后輪轉動所產生的脈沖數，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、積分常數和微分常數。舵機控制也是用單片機通過CMOS攝像頭來檢測路徑信息，然后采用不完全微分PD控制算法來控制舵機的轉角，從而實現路徑跟蹤。

本文介紹了一種智能車控制系統的設計與實現方法。通過大量實驗測試證明，該智能車能快速平穩地在制作的賽道上跟蹤黑色引導線并行駛，而且尋跡效果良好，控制響應速度快，動態性能良好，穩態誤差小，系統的穩定性和抗干擾能力強。