基于MC9S12xS128單片機和傳感器技術(shù)實現(xiàn)智能車系統(tǒng)的設(shè)計

智能車輛是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動駕駛等多種功能于一體的綜合控制系統(tǒng)。“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，是涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機、機械以及車輛工程等多個學科交叉的科技創(chuàng)意性比賽。本文以此為背景，基于MC9S12xS128單片機設(shè)計了一種智能車系統(tǒng)。

1、系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

1．1 系統(tǒng)的總體構(gòu)架

系統(tǒng)的硬件框架如圖1所示。系統(tǒng)以飛思卡爾公司的16位單片機MC9S12XS128為控制核心，由電源管理模塊、賽道信息采集模塊、車速檢測模塊、電機驅(qū)動模塊、舵機控制模塊和調(diào)試模塊組成。單片機通過電磁傳感器采集道路信息，根據(jù)算法分析得出此時的智能車與賽道的偏離狀況，然后再據(jù)此采用一定的控制算法控制智能車的舵機轉(zhuǎn)向和直流電機的速度，從而實現(xiàn)智能車對路徑的自動識別和尋跡。

1．2 MC9S12XS128芯片介紹

MC9S12XS128單片機的特點有：采用增強型的16位S12XCPUV2，片內(nèi)總線時鐘可達40MHz；具有128 k的Flash，8 k的RAM以及8 k的EEPROM存儲器，具有2個SCI，1個SPI，1個8通道定時器，2個8通道可調(diào)轉(zhuǎn)換精度的A／D口，1個8通道的PWM模塊，91個離散數(shù)字I／O口，1個MSCAN模塊。該芯片具有速度快、功能強、成本低、功耗低等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)控制電機轉(zhuǎn)速、舵機響應、速度采集、路徑識別等功能。

2 、系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計

2．1 電源管理模塊

電源管理模塊的功能是對電池進行電壓調(diào)節(jié)，為各個模塊正常工作提供可靠的工作電壓。設(shè)計中除了考慮電壓范圍和電流容量外，還要在電源轉(zhuǎn)化效率、降低噪音、防止干擾等方面進行優(yōu)化。本系統(tǒng)小車全部硬件電路的電源采用7．2 V、2000mAh鎳鎘蓄電池提供。由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成3．3 V、5 V和7．2 V三個檔，各模塊和電源的關(guān)系圖如圖2所示。其中采用LM2596—5．0作為5 V的穩(wěn)壓芯片，采用LM2596—3.3作為3．3V的穩(wěn)壓芯片，電路圖如圖3所示。

2．2 賽道信息采集模塊

賽路信息采集模塊是系統(tǒng)信息輸入的重要來源，相當于智能小車的“眼睛”，主要負責將小車當前或前面位置的賽道信息輸出給主控芯片處理；本系統(tǒng)使用4個電磁傳感器采集賽道信息。

2．2．1 元件選擇

電磁傳感器檢測賽道信息的原理是通過電感和電容組成的LC諧振電路檢測賽道的信號，然后將檢測到的信號通過運算放大器LM358進行放大，由于小車需要識別的頻率為20 kHz，所以在諧振電路中，選取10mH的細繞組電感、6．8 nF的低頻瓷介電容。

2．2．2 電磁傳感器的排列方式

電磁傳感器在小車前方一字形均勻布局簡單排布。這種信息檢測方法相對連貫、準確，使控制程序算法簡單，小車運行穩(wěn)定。傳感器電路圖如圖4所示。

2．2．3 起跑識別裝置

電磁組起跑線安裝的是永久磁鐵，永久磁鐵的數(shù)據(jù)：直徑：7．5-15mm；高度：1-3mm；表面磁場強度：3000-5000Gs。磁場檢測電路尚不能夠直接用于檢測起跑線的永磁鐵，所以選擇干簧管檢測起跑線。當干簧管置于磁場中時，兩極吸合，干簧管導通。如果在其兩端加上限流電阻和電極，就可以實現(xiàn)脈沖輸出到單片機進行中斷控制，在程序中控制小車的延時、起跑和停止。干簧管電路如圖5所示。

2．3 車速檢測模塊

本系統(tǒng)選擇日本OMRON公司生產(chǎn)的E6A2CW3C增量式光電編碼器測速。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉(zhuǎn)速。該編碼器提供兩相輸出，體積小，質(zhì)量輕，線數(shù)多，能夠滿足需要。另外，專門選用了齒數(shù)較少的傳動齒輪，有利于提高編碼器與電機的轉(zhuǎn)速比，使相同速度下采到的脈沖數(shù)更多，有效提高了速度反饋的精度。

2．4 電機驅(qū)動模塊

本系統(tǒng)電機驅(qū)動選擇英飛凌公司的BTS7970B驅(qū)動芯片，由單片機的PWM模塊發(fā)出不同占空比的PWM信號來控制行進電機的轉(zhuǎn)速。BTS7970B芯片通過PWM信號開啟關(guān)閉通道，輸出不同電壓控制行進電機。由于BTS7970B是半橋芯片，驅(qū)動電路使用兩片BS7970組成一個全橋用以驅(qū)動電機，驅(qū)動電路原理圖如圖6所示。

2．5 舵機控制模塊

本系統(tǒng)舵機控制模塊的控制對象是比賽組委會提供的S-D5型數(shù)碼舵機，該舵機可以輸出力矩驅(qū)動智能車轉(zhuǎn)向。圖7為舵機硬件電路，其中控制信號線與MC9S12XS128的PWM5相連。

2．6 調(diào)試模塊

使用串行口通信是計算機與人對話最傳統(tǒng)、最基本的方法，異步通信（UART）接口也稱為通用異步接收器／發(fā)送器。電路圖如圖8所示。

3 、系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計

3．1 軟件流程設(shè)計

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計基于Metrowerks Code Warrior5．1編程環(huán)境，使用C語言實現(xiàn)。圖9為控制系統(tǒng)軟件流程圖。

3．2 賽道識別算法

智能車工作時首先通過4個“一”字形排列的電磁傳感器陣列檢測軌跡黑線的當前位置，然后根據(jù)檢測結(jié)果判斷智能車與軌跡偏離的情況。本系統(tǒng)采用模擬檢測法。具體算法為：首先，將AD值做歸一化處理，即根據(jù)各個傳感器接收賽道的最高電壓和最低電壓，計算出各個傳感器的相對值，最后來計算賽道中心位置。信號歸一化的方法如下：

求取電壓值最大的傳感器位置，然后和它周圍兩個傳感器采樣值進行加權(quán)計算即求得小車的偏差。這種算法空間分辨率可以達到2mm，而且受電流變化的影響比較少，適合小車穩(wěn)定的檢測要求。

3．3 車體控制算法

車體控制算法是整個系統(tǒng)的核心，它直接關(guān)系到小車的表現(xiàn)。在經(jīng)過對傳感器信息的處理后，利用電磁傳感器采集的路徑形狀信息來控制轉(zhuǎn)向舵機和行進電機的輸出量，其中轉(zhuǎn)向舵機采用PD控制算法，驅(qū)動電機的控制采用PID控制算法。車速采用閉環(huán)控制，由PID控制器調(diào)節(jié)，其輸入量為目標速度值與當前速度值的差值，目標速度根據(jù)當前的路況信息以及路況更迭信息確定，PID調(diào)節(jié)器的輸出即為與行進電機轉(zhuǎn)速成比例的數(shù)值，經(jīng)處理后，得到與所需速度相對應的PWM脈寬信號。根據(jù)賽道的不同路況信息，系統(tǒng)采用不同的速度給定值，并且在同一路況下，根據(jù)小車水平偏差量和水平偏差速度對速度給定值進行修正，保證其平穩(wěn)而快速地行駛。

4、 結(jié)束語

本文介紹了應用Freescale16位單片機MC9S12XS128實現(xiàn)自動巡線智能車的控制系統(tǒng)設(shè)計。經(jīng)多次調(diào)試運行，該智能車在正確尋跡的前提下，彎道速度可以達到1．5m／s，而在直道上，智能車的速度可以達到2m／s，表明系統(tǒng)設(shè)計可靠，智能車運行良好。

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