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

在智能車(chē)競(jìng)賽中，參賽隊(duì)伍應(yīng)在車(chē)模平臺(tái)基礎(chǔ)上，制作一個(gè)能夠自主識(shí)別路線的智能車(chē)，然后在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的賽道上自動(dòng)識(shí)別道路并行駛。本文所設(shè)計(jì)的智能車(chē)，采用16位MC9S12DG128單片機(jī)作為數(shù)字控制器，由安裝在車(chē)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(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷處理后，由PWM發(fā)生模塊發(fā)出PWM波對(duì)轉(zhuǎn)向舵機(jī)進(jìn)行控制，從而完成智能車(chē)的轉(zhuǎn)向。智能車(chē)后輪上裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，可用來(lái)采集車(chē)輪速度的脈沖信號(hào)，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(dòng)模塊的PWM波占空比，從而控制智能車(chē)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(chē)控制系統(tǒng)必須首先掌握控制對(duì)象的特性。根據(jù)對(duì)智能車(chē)特點(diǎn)的分析，可以認(rèn)為，智能車(chē)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(duì)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(duì)穩(wěn)態(tài)控制精度要求不高。而且控制對(duì)象只有積分和滯后環(huán)節(jié)，沒(méi)有常見(jiàn)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(duì)速度進(jìn)行檢測(cè)和控制的意義在于盡可能使智能車(chē)按照道路條件允許的最高速度行駛。在彎道應(yīng)將車(chē)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(shí)間，提高比賽成績(jī)。智能車(chē)的硬件電路主要由視頻處理模塊、方向控制模塊和車(chē)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(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)化為車(chē)模轉(zhuǎn)向拉桿的橫向移動(dòng)，從而帶動(dòng)車(chē)模前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，以控制智能車(chē)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(hào)。

車(chē)速控制模塊主要由直流電機(jī)、驅(qū)動(dòng)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(cè)的路徑信息判斷智能車(chē)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(gè)參數(shù)，以達(dá)到迅速響應(yīng)車(chē)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(dòng)電機(jī)供電。因此需要提供多種電源以滿足各個(gè)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(dòng)模塊設(shè)計(jì)

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(mén)驅(qū)動(dòng)電路以及低導(dǎo)通電阻的MOSFET輸出電路。適合用來(lái)控制感性直流負(fù)載(如直流電機(jī))。通過(guò)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(dòng)及反接制動(dòng)。圖3是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的H橋電路，圖中，當(dāng)S1、S4導(dǎo)通且S2、S3截止時(shí)，電流正向流過(guò)直流電機(jī)，智能車(chē)前進(jìn)；當(dāng)S2、S3導(dǎo)通且S1、S4截止時(shí)，電流反向流過(guò)直流電機(jī)，利用這個(gè)過(guò)程可以使車(chē)模處于反接制動(dòng)狀態(tài)，從而迅速降低車(chē)速；當(dāng)S3、S4導(dǎo)通且S1、S2截止時(shí)，沒(méi)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。