MC9S12DG128的路徑識別的智能車系統設計

引言：隨著控制技術及計算機技術的發展，智能車系統將在未來工業生產和日常生活中扮演重要的角色。本文所述智能車尋跡系統采用紅外反射式光電管識別路徑上的黑線，并以最短的時間完成尋跡。通過加長轉臂的舵機驅動前輪轉向，使用符合PI算法的控制器實現直流電機的調速。為了使智能車快速、平穩地行駛，系統必須把路徑識別、相應的轉向伺服電機控制以及直流驅動電機控制準確地結合在一起。

1 硬件設計

本系統硬件部分以飛思卡爾公司的16位微處理器MC9S12DG128為控制核心，由電源模塊、主控制器模塊、路徑識別模塊、車速檢測模塊、舵機控制模塊和直流驅動電機控制模塊組成。系統硬件結構如圖1所示。

1.1 主控制器模塊

本系統主控制器模塊采用的MC9S12DG128主要特點是功能高度集中，易于擴展且支持C語言程序設計，從而降低了系統開發和調試的復雜度。

1.2 電源模塊

本系統由7.2V／2000mAh的Ni-cd蓄電池組直接供電。鑒于單片機系統的核心作用，主控制器模塊采用單獨的穩壓電路進行供電；為提高舵機響應速度，將電源正極串接一個二極管后直接加在舵機上；電機驅動芯片MC33886直接由電源供電。通過外圍電路整定，電源被分配給各個模塊。電源調節分配圖如圖2所示。

1.3 路徑識別模塊

路徑識別模塊采用收發一體的紅外反射式光電管JY043作為路徑的基本檢測元件。本系統選用11個JY043按“一”字形排列在20cm長的電路板上，相鄰兩個光電管之間間隔2cm。因為路徑軌跡由黑線指示，落在黑線區域內的光電二極管接收到的反射光線強度與白色的不同^[2]，所以根據檢測到黑線的光電管的位置可以判斷行車方向。光電傳感器尋跡的優點是電路簡單、信號處理速度快。在不受外部因素影響的前提下，光電管能夠感知的前方距離越遠，行駛效率越高，即智能車的預瞄性能越強^[3]。圖3為其硬件原理圖。

1.4 車速檢測模塊

車速檢測模塊采用韓國Autonics公司的E30S-360-3-2型旋轉編碼器作為車速檢測器件。該旋轉編碼器硬件電路簡單、信號采集速度快，360線的精度足以滿足PI控制算法調節的需要。旋轉編碼器與直流驅動電機通過齒數為1：1的兩齒輪連接在一起，所以智能車車輪轉動一圈即可以用360個脈沖表示。因此一定時間內單片機累加器獲得的脈沖數值可以用來表示車速，并可直接作為控制器參數。圖4為車速檢測模塊硬件電路圖。

1.5 舵機控制模塊

本系統使用SANWA SRM102型舵機完成智能車轉向。舵機屬于位置伺服電機，控制信號是MC9S12DG128單片機產生的PWM信號。舵機自身硬件特性決定：在給定電壓一定時，空載和帶載時的角速度ω分別保持恒值，而線速度υ=ω?R，正比于轉臂的長度R。當舵機所需轉動幅度一定時，長轉臂要比短轉臂轉動的角度小，即響應更快。如圖5所示，對于轉臂1和2，當R1θ2。因此對于相同的角速度ω，可得轉臂響應時間t1>t2。顯然利用舵機的轉距余量可以提高系統整體的響應速度^[4]。

智能車在行駛過程中，舵機的響應時間決定著系統的穩定性及快速性。為了減小舵機的時滯現象，充分利用舵機的轉矩余量，本系統采用了以下三種方法：

(1) 提高舵機工作電壓，使其工作在額定電壓之上，從而減小舵機的響應時間；

(2) 將舵機轉臂加長至3.5cm，充分利用轉矩余量；

(3) 將兩個8位PWM寄存器合并為一個16位PWM寄存器，將舵機的PWM控制周期放大至2000，從而細化PWM控制量，使轉臂變化更加靈活、均勻。

1.6 直流驅動電機控制模塊

本系統中，直流驅動電機控制模塊由RS-380SH型直流電機、功率驅動芯片ULN2003、電機驅動芯片MC33886及MC9S12DG128單片機組成。

功率驅動芯片ULN2003為單片高電流增益雙極型大功率高速集成電路，本系統采用了其中兩組用于增強單片機輸出的PWM信號的驅動能力。

圖6為直流驅動電機硬件控制電路圖。其中，電機驅動芯片MC33886是單片集成的H橋元件，它適用于驅動小馬力直流電機，并且有單橋和雙橋兩種控制方式。D1、D2為使能端，IN1、IN2為PWM信號控制輸入端，OUTl、OUT2為輸出端。由于智能車從直道高速進彎時需通過緊急降速來保證系統的穩定，所以電機正轉時必須能夠產生反向制動力矩。因此本系統選擇了MC233886的全橋工作方式。

當需要智能車減速時，PI控制器計算值為負，令PWM5輸出的PWM信號占空比為零，PWM3輸出的PWM信號占空比與計算值的絕對值相同，并且計算值越負，OUT2的電平高出OUT1越多，電機有反轉趨勢。反之，當需要智能車加速時，PI控制器計算值為正，PWM3輸出的PWM信號占空比為零，PWM5輸出的PWM信號占空比與計算值的絕對值相同，計算值越大，OUTl的電平高出OUT2越多，電機有正轉趨勢。

2 軟件設計

本系統的控制方案是根據路徑識別模塊和車速檢測模塊所獲得的當前路徑和車速信息，控制舵機和直流驅動電機動作，從而調整智能車的行駛方向和速度。圖7為系統程序流程圖。

智能模型車的路徑搜索算法(Line Searching Algorithm)是智能車設計中的關鍵部分。本系統路徑搜索算法采用簡單的switch語句，根據檢測到黑線的光電管的位置判斷舵機的偏轉角度，同時給出相應的速度控制信號。其程序流程圖如圖8所示。

3 實驗驗證

智能車路徑識別的關鍵在于快速地判斷彎道并快速、準確地響應。智能車行進過程中，從長直道進入連續彎道時，由于曲率變化很小，此時轉速的設定值較大，加之舵機響應時間的限制，智能車極易脫離軌跡。采用加長轉臂的舵機及合理的路徑搜索算法，可以增強智能車對軌跡的跟隨性能。圖9所示為智能車尋跡連續彎道試驗效果圖。其中，粗線為所尋跡的黑線，細線為智能車實際運行軌跡。

本文設計了一個基于飛思卡爾微處理器MC9S12DG128的智能車控制系統，實現了快速自動尋跡功能。在硬件上，該系統采用MC9S12DG128B單片機為控制核心，協調電源模塊、路徑識別模塊、車速檢測模塊、舵機控制模塊及直流驅動電機控制模塊的工作；在控制算法上，采用路徑搜索算法和類PI控制算法實現對智能車的舵機轉角和電機轉速的控制。此外，系統還完成了對加長轉臂舵機的控制，實現了轉向伺服電機與車速的配合控制。實驗結果表明，該智能車系統響應快，動態性能良好，整體控制性能良好。