基于16位單片機(jī)的智能車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（4） 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)。智能車(chē)加裝了基于射頻收發(fā)芯片nRF403的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了MODBUS 通信協(xié)議，在測(cè)試智能車(chē)參數(shù)及程 序調(diào)試的過(guò)程中很有幫助。在運(yùn)行的過(guò)程中可以將智能車(chē)的各項(xiàng)參數(shù)實(shí)時(shí)地發(fā)送上來(lái)，分析智能車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)可以更有針對(duì)性地對(duì)控制程序進(jìn)行改進(jìn)。在調(diào)試運(yùn)動(dòng)參 數(shù)的過(guò)程中，可以通過(guò)上位機(jī)軟件改變?nèi)鏚p、Ki、Kd 等參數(shù)，而不用重新燒寫(xiě)程序，迅速而方便。

5 軟件設(shè)計(jì)

智能車(chē)控制 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)如圖5所示，這是一個(gè)兩層的分級(jí)控制系統(tǒng)。底層控制系統(tǒng)包括“轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)”和“車(chē)速控制系統(tǒng)” ，上層主控程序通過(guò)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(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。設(shè)計(jì)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(diǎn)，程序各部分功能明確、結(jié)構(gòu)清 晰，便于調(diào)試和維護(hù)。為了調(diào)試方便，主控程序中添加了基于無(wú)線信道的MODBUS通訊協(xié)議，對(duì)智能車(chē)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(shí)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(shí)間，本文提出 了一種獨(dú)特的具有創(chuàng)新性的視頻信號(hào)采集方法，即用MC9S12DG128 單片機(jī)提供的SPI 口直接讀取經(jīng)過(guò)二值化處理的視頻信號(hào)。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(dāng)落在一定范圍內(nèi)?？梢杂脤?shí)驗(yàn)的方法測(cè)得引導(dǎo)線對(duì)應(yīng)的像素寬度，然后 在濾波程序中對(duì)采集到的引導(dǎo)線線寬進(jìn)行控制，如果超出正常范圍即認(rèn)為是無(wú)效數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)證明，這種方法可以有效地將干擾濾除。

③道路識(shí) 別。智能車(chē)分層控制系統(tǒng)的核心是賽道的識(shí)別。實(shí)際測(cè)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(yùn)動(dòng)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(shí)別帶來(lái)很大的困難，因此完整識(shí)別賽道模式幾乎是不可能的。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，本方案只識(shí)別賽道中的直線段，根據(jù)直線段的數(shù)量和長(zhǎng) 度將賽道分割成不同的區(qū)域，在一個(gè)區(qū)域中對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

④電機(jī)控制。單片機(jī)通過(guò)接收旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)智能車(chē)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行快速準(zhǔn)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(shí)刻控制器的輸出; e（k）為k時(shí)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(jī)控制。單片機(jī)通過(guò)CMOS攝像頭檢測(cè)到的路徑信息,采用不完全微分PD控制算法控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角,實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種智能車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。圖5為已制作完成的智能車(chē)實(shí)物照片。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明該智能 車(chē)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(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)。在2008 舉辦的全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能汽車(chē)競(jìng)賽中取得了華北賽區(qū)二等獎(jiǎng)的好成績(jī)， 充分證明了設(shè)計(jì)方案的有效性和穩(wěn)定性。