基于單片機(jī)和射頻收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)智能車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在智能車競賽中，參賽隊(duì)伍應(yīng)在車模平臺(tái)基礎(chǔ)上，制作一個(gè)能夠自主識(shí)別路線的智能車，然后在專門設(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，采用16位MC9S12DG128單片機(jī)作為數(shù)字控制器，由安裝在車前部的黑白CMOS攝像頭負(fù)責(zé)采集賽道信息，在單片機(jī)對信號(hào)進(jìn)行判斷處理后，由PWM發(fā)生模塊發(fā)出PWM波對轉(zhuǎn)向舵機(jī)進(jìn)行控制，從而完成智能車的轉(zhuǎn)向。智能車后輪上裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，可用來采集車輪速度的脈沖信號(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)有效的智能車控制系統(tǒng)必須首先掌握控制對象的特性。根據(jù)對智能車特點(diǎn)的分析，可以認(rèn)為，智能車轉(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，但對穩(wěn)態(tài)控制精度要求不高。而且控制對象只有積分和滯后環(huán)節(jié)，沒有常見的慣性環(huán)節(jié)。根據(jù)以上特點(diǎn)，本轉(zhuǎn)向控制可采用PD控制器。

對速度進(jìn)行檢測和控制的意義在于盡可能使智能車按照道路條件允許的最高速度行駛。在彎道應(yīng)將車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。智能車的硬件電路主要由視頻處理模塊、方向控制模塊和車速控制模塊組成。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)化為車模轉(zhuǎn)向拉桿的橫向移動(dòng)，從而帶動(dòng)車模前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，以控制智能車的行駛方向。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攝像頭所檢測的路徑信息判斷智能車當(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、門驅(qū)動(dòng)電路以及低導(dǎo)通電阻的MOSFET輸出電路。適合用來控制感性直流負(fù)載（如直流電機(jī)）。通過控制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)過簡化的H橋電路，圖中，當(dāng)S1、S4導(dǎo)通且S2、S3截止時(shí)，電流正向流過直流電機(jī)，智能車前進(jìn)；當(dāng)S2、S3導(dǎo)通且S1、S4截止時(shí)，電流反向流過直流電機(jī)，利用這個(gè)過程可以使車模處于反接制動(dòng)狀態(tài)，從而迅速降低車速；當(dāng)S3、S4導(dǎo)通且S1、S2截止時(shí)，沒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（分為偶場和奇場）。

2．4 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

該智能車加裝了基于射頻收發(fā)芯片nRF403的無線數(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，這對測試智能車參數(shù)及程序調(diào)試很有幫助。在運(yùn)行的過程中，可以將智能車的各項(xiàng)參數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送上來，而分析智能車的運(yùn)行狀態(tài)可以更有針對性地對控制程序進(jìn)行改進(jìn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

本智能車控制系統(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“車速控制系統(tǒng)”，上層主控程序則可通過改變底層控制系統(tǒng)的設(shè)定值、控制參數(shù)和約束條件，來對整個(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)通過接收旋轉(zhuǎn)編碼器來檢測智能車后輪轉(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CMOS攝像頭來檢測路徑信息，然后采用不完全微分PD控制算法來控制舵機(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控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。通過大量實(shí)驗(yàn)測試證明，該智能車能快速平穩(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)。