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(mǎn)足各個(gè)模塊的要求。電池在完全充滿(mǎn)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。

本方案采用了兩片MC33886并聯(lián)，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理圖如圖4所示。

2．3 傳感器電路設(shè)計(jì)

本智能車(chē)采用CMOS攝像頭作為圖像傳感器，以保證賽道信息采集的準(zhǔn)確有效。CMOS攝像頭的輸出信號(hào)是PAL制式的復(fù)合全電視信號(hào)，每秒輸出50幀（分為偶場(chǎng)和奇場(chǎng)）。

2．4 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

該智能車(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，并可在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)MOD－BUS通信協(xié)議，這對(duì)測(cè)試智能車(chē)參數(shù)及程序調(diào)試很有幫助。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)發(fā)送上來(lái)，而分析智能車(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)。

3 軟件設(shè)計(jì)

本智能車(chē)控制系統(tǒng)的程序結(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)”，上層主控程序則可通過(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，來(lái)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)。

本系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是初始化、數(shù)據(jù)采集和濾波處理、道路識(shí)別、電機(jī)控制和舵機(jī)控制等。其中初始化主要是設(shè)置系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)。其次是數(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)具創(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)。

至于電機(jī)控制。本系統(tǒng)是用單片機(jī)通過(guò)接收旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)檢測(cè)智能車(chē)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，然后采用位置式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(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)。舵機(jī)控制也是用單片機(jī)通過(guò)CMOS攝像頭來(lái)檢測(cè)路徑信息，然后采用不完全微分PD控制算法來(lái)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤。

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)方法。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)線并行駛，而且尋跡效果良好，控制響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能良好，穩(wěn)態(tài)誤差小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力強(qiáng)。