李晨，宓超

(1.上海海事大學 集裝箱供應鏈技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201306;2.同濟大學 機械工程學院，上海 201804)

0 引言

為加強大學生實踐、創(chuàng)新能力和團隊精神的培養(yǎng)，教育部高等學校自動化專業(yè)教學指導分委員會主辦“飛思卡爾全國大學生智能車競賽”.該競賽要求在標準技術(shù)平臺下完成軟硬件系統(tǒng)的設計，制作一輛能在規(guī)定的賽道上自動識別路線的賽車，沒有沖出賽道及其他違規(guī)現(xiàn)象并最快完成全程為獲勝者.［1］論文結(jié)合上海海事大學參與此競賽的實際經(jīng)驗，討論智能車控制系統(tǒng)設計、硬件平臺搭建以及軟件系統(tǒng)的實現(xiàn).

1 系統(tǒng)設計

1.1 競賽規(guī)則

智能車必須采用競賽委員會規(guī)定的技術(shù)平臺，包括賽車模型、電機、舵機、電池以及由飛思卡爾公司提供的單片機;按道路傳感器分為光電組和攝像頭組兩個組別進行比賽，攝像頭組可使用光電傳感器，光電組不能使用攝像頭，賽車上的傳感器數(shù)量不得多于16個.賽道表面為白色，形式包括直道、交叉道、回頭彎、S 型等，彎道處賽道寬度為60 cm，直道處寬度為45 cm，中心有2.5 cm 寬黑色軌跡線.

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

選用飛思卡爾16 位單片機MC9S12XS128 作為核心控制單元，由傳感器系統(tǒng)采集道路信息和速度信息，由電機驅(qū)動系統(tǒng)控制賽車速度，由舵機驅(qū)動系統(tǒng)控制運行方向，由人機交互系統(tǒng)完成系統(tǒng)設定和信息顯示，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖見圖1.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設計

2.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機MC9S12XS128 擁有128 K 的Flash 程序空間，8 通道24 位中斷定時器，8 通道16 位定時器，8 通道PWM 波輸出和8 通道12 位精度的AD 轉(zhuǎn)換器;同時集成CAN，SPI，SCI和UART 等通信接口;使用16 M 外部晶振，通過鎖相環(huán)最高可倍頻至96 M;最小系統(tǒng)包括外部晶振、復位電路及BDM 調(diào)試接口電路等.［2-3］

2.2 電機驅(qū)動

電機驅(qū)動是決定賽車速度的關鍵.小車使用RS380 型直流電機，7.2 V 供電，采用PWM 脈寬調(diào)制的方法進行電機調(diào)速.在電機驅(qū)動方案中有專用電機控制芯片、場效應管、達林頓管等供選擇使用.［4］前期設計采用MC33886 控制芯片，集成有H橋，4 片MC33886 并聯(lián)可以減小內(nèi)阻，但匹配性差導致運行不穩(wěn)定.［3］最終選用場效應管自搭驅(qū)動電路，見圖2.采用半橋電路控制方式，MOSFET 采用IRF9540和IRF540，8 片并聯(lián)的形式，減小內(nèi)阻增加驅(qū)動能力，同時電機回路串入大功率電阻進行能耗制動.

圖2 電機驅(qū)動電路

2.3 速度傳感器

設計初期，為了降低調(diào)試難度，采用開環(huán)控制模式，賽車運行平穩(wěn)但速度無法提高，所以賽車控制須建立速度檢測環(huán)節(jié)，進行閉環(huán)控制.速度檢測同樣有多種方案，對射光耦或槽型光耦、霍爾元件、測速電機、高精度編碼器等各具特點.綜合分析后選擇槽型光耦作為測速元件.將槽型光耦安裝在傳動軸上方，使穿過光耦間隙的齒輪旋轉(zhuǎn)時觸發(fā)脈沖，由單片機高速脈沖計數(shù)器采樣，再根據(jù)車輪直徑和轉(zhuǎn)速等換算成近似速度值.

2.4 賽道檢測傳感器

賽道檢測用的傳感器相當于賽車的眼睛，通過它自動檢測賽道上的黑色軌跡線，可以通過光電傳感器和攝像頭實現(xiàn).光電傳感器掃描速度快、控制簡單，但探測距離近;攝像頭則具有探測范圍廣、精度高等優(yōu)勢，前瞻性好，利于速度控制，同時也存在易受干擾、處理信息量大等缺陷.［4］本設計綜合兩種方案的優(yōu)勢，采用攝像頭作為主要檢測元件，并由安裝在賽車前方的光電傳感器輔助檢測近處道路，鎖定黑線，識別起跑線.攝像頭選用380 線CMOS，采用LM1881 作為視頻同步分離芯片，提取場同步信號和行同步信號.

3 軟件實現(xiàn)

3.1 主程序算法

采取模塊化設計思想先分別設計出各單元的底層驅(qū)動程序，再設計出各功能模塊子程序.主要包括各模塊初始化、攝像頭數(shù)據(jù)提取、賽道數(shù)據(jù)分析、速度與方向控制、速度檢測、鍵盤掃描、數(shù)據(jù)通信、功能顯示與設定等功能模塊.控制算法主要包括以下3個方面的內(nèi)容:攝像頭循線控制算法，光電管識別控制算法和PID 速度控制(即比例、積分、微分控制)算法，其中:循線控制算法用來控制舵機的轉(zhuǎn)向，光電管控制算法主要用來解決起跑線識別，PID 控制算法主要用來控制智能車的快速加速、減速和速度的平穩(wěn).圖3為主程序算法流程.

圖3 主程序算法流程

3.2 PID 控制算法

采用基于反饋控制的PID 控制算法.它結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)整參數(shù)，適應性強;對于控制模型不準確、參數(shù)變化大的控制對象，采用此方法可以得到滿意的結(jié)果.［5］本設計中采用增量式PID 控制，控制方法如下

式中:Δu(n)為第n 次輸出增量，則u(n+1)=u(n)+Δu(n);KP，KI和KD分別為比例、積分和微分的調(diào)節(jié)參數(shù);e(n)代表位置偏差.

圖4為PID 控制器原理圖.在實際應用中，采樣的反饋值y(t)即為單片機脈沖累加器中的脈沖數(shù)，預設門限值在參數(shù)整定時根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)，輸出u(n)并不能直接控制電機，需要將其轉(zhuǎn)換為控制PWM 占空比，然后用增大或減小PWM 占空比的方法實現(xiàn)對電機的加減速控制.［6］換言之，在求偏差量時，實際是將每20 ms 電機轉(zhuǎn)過的齒輪數(shù)和期望電機轉(zhuǎn)過的齒輪數(shù)的差值乘以相應的系數(shù)，即KP，KI，KD的協(xié)調(diào)控制，計算出相應的PWM 占空比.

圖4 PID 控制器原理圖

由于在程序中使用中斷程序采集圖像，PID 采樣周期的選擇受限制于圖像采集.每行的掃描周期為64 μs，有效掃描時間為52 μs，每隔6 行采集一行圖像，如果在每行加入PID 調(diào)節(jié)，那么處理PID 子程序的時間必須控制在64 ×5=320 μs 內(nèi).另外，圖像采集只是采集奇場中的行數(shù)，在偶場中沒有采集，因此PID 子程序的執(zhí)行不均勻，并沒有達到預期效果，還可能會影響視頻采集.經(jīng)過分析，最終決定將PID的采樣周期定為20 ms，即每進行一次場采集后進行一次PID 調(diào)節(jié).經(jīng)過最終檢驗，這樣能夠滿足對速度控制的需要.

4 總結(jié)與展望

設計使用MC9S12XS128 單片機的大多數(shù)模塊，充分利用單片機資源，小車運行穩(wěn)定，比賽過程中未出現(xiàn)沖出賽道的情況.通過整個設計過程，大學生們的科研能力和動手能力得到鍛煉，項目開發(fā)經(jīng)驗有所積累.該技術(shù)方案還可推廣到智能機器人、自動導向車等方面，具有較廣泛的應用價值.

［1］邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發(fā)方法［M］.北京:清華大學出版社，2004:16-22.

［2］吳斌華，黃衛(wèi)華，程磊，等.基于路徑識別的智能車系統(tǒng)設計［J］.電子技術(shù)應用，2007(3):80-82.

［3］彭建學，馬永軍，湯天浩.一種微弱電流測量儀的設計［J］.上海海事大學學報，2008，29(4):55-59.

［4］唐紅雨，陳迅.高速圖像數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的硬件設計［J］.電子技術(shù)，2006，33(12):56-60.

［5］施慶華，沈愛弟，褚建新.基于GPIB和局域網(wǎng)的分布式自動測試系統(tǒng)開發(fā)和實現(xiàn)［J］.上海海事大學學報，2006，27(3):77-81.

［6］吳衛(wèi)國，蔣平，陳輝堂，等.移動小車軌跡跟蹤的力矩控制［J］.控制與決策，1999，14(2):177-180.