1 引言
我國自2006年起舉辦的全國大學生“飛思卡爾杯”智能汽車競賽融科學性、趣味性和觀賞性為一體，是一項以迅猛發(fā)展、前 景廣闊的汽車電子為背景，涵蓋了自動控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械與汽車等多個學科專業(yè)的科技創(chuàng)新比賽。參賽隊伍在車模平臺基礎 上，制作一個能夠自主識別路線的智能車，在專門設計的賽道上自動識別道路行駛 [1]。
本文所述的智能車就是根據(jù)比賽規(guī)則要求設計并 制作而成的，該智能車控制系統(tǒng)采用飛思卡爾半導體公司生產(chǎn)的16位MC9S12DG128單片機作為數(shù)字控制器,由安裝在車前部的黑白CMOS攝像頭負責 采集賽道信息,并將采集到的信號經(jīng)二值化處理后傳入單片機,單片機對信號進行判斷處理后,由PWM發(fā)生模塊發(fā)出PWM波對轉(zhuǎn)向舵機進行控制,完成智能車的 轉(zhuǎn)向。另外，智能車后輪上裝旋轉(zhuǎn)編碼器,用來采集車輪速度的脈沖信號,單片機使用PID控制算法處理后的控制量去改變電機驅(qū)動模塊的PWM波占空比,從而 控制智能車的行駛速度。
2 控制方案設計和硬件電路組成
設計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)對智能車特點的分析，可以認為智能車轉(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)近似為一階慣性加純滯后的結(jié)論。 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)主要是要求響應速度快，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，轉(zhuǎn)向控制采用PD控制器。
對速度進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 彎道應將車速限制為不脫軌的最高速度，在直道應當適當進行急加速以縮短單圈運行時間，提高比賽成績。同時，對速度信號進行積分求和可以得到賽道長度信息， 為道路識別與記憶模塊提供數(shù)據(jù)。智能車速度控制系統(tǒng)的精度不需要太高，關鍵是如何快速響應賽道的路況變化。因此速度控制采用PID控制器。針對不同的道路 狀況迅速準確地改變車速，實現(xiàn)穩(wěn)定過彎。 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。各模塊與單片機之間的關系如圖1所示。
3 模塊功能
（1）視頻處理模塊。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。
（2）轉(zhuǎn)向控制模塊。轉(zhuǎn)向控制模塊主要由舵機完成。舵機的轉(zhuǎn)動會轉(zhuǎn)化為車模轉(zhuǎn)向拉桿的橫向移動,從而帶動車模前輪的轉(zhuǎn)動,控制智能車的行駛方向。舵機的轉(zhuǎn)向控制采用PD控制，根據(jù)賽道中央黑線的位置,單片機向舵機輸出相應占空比的PWM信號。
（3） 車速控制模塊。車速控制模塊主要由直流電機、驅(qū)動電路和旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成。根據(jù)CMOS攝像頭所檢測的路徑信息判斷智能車當前所處的賽道狀況,并根據(jù)旋轉(zhuǎn)編 碼器所檢測的實際車速形成對智能車行駛速度的閉環(huán)控制，合理地調(diào)整數(shù)字PID控制算法的Kp、Ki、Kd三個參數(shù),達到車速響應迅速并消除靜態(tài)誤差的目的。
4 電路設計
（1）電源模塊設計。電源模塊要為單片機、傳感器、舵機和驅(qū)動電機供電。因此需要提供多種電源滿足各個模塊 的要求。電池在完全充滿之后空載電壓只有8v左右，并隨著電池的消耗，電壓逐漸降低。電機啟動及反接制動時電流很大，也有可能將電池電壓拉得比較低。為了 避免電源電壓不穩(wěn)定，影響攝像頭視頻處理電路和單片機工作不正常，在本設計方案中使用了DC-DC變換芯片MC34063以及低差壓穩(wěn)壓器LM2940。 MC34063輸出穩(wěn)定的8伏電壓提供給CMOS攝像頭，LM2940為16位MC9S12DG128單片機、視頻放大及二值化電路提供穩(wěn)定的5伏電源， 保證了系統(tǒng)在各種情況下的穩(wěn)定運行。電源模塊原理圖如圖2所示。
（2）直流電機驅(qū)動模塊設計。直流電機驅(qū)動采用飛思卡爾公司的5A 集成H橋芯片MC33886。MC33886芯片內(nèi)置了控制邏輯、電荷泵、門驅(qū) 動電路以及低導通電阻的MOSFET輸出電路，適合用來控制感性直流負載（例如直流電機）。可以提供連續(xù)的5A電流，并且集成了過流保護、過熱保護、欠壓 保護。通過控制MC33886 的四根輸入線可以方便地實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)、能耗制動及反接制動。