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　　在智能車競賽中，參賽隊(duì)伍應(yīng)在車模平臺基礎(chǔ)上，制作一個能夠自主識別路線的智能車，然后在專門設(shè)計的賽道上自動識別道路并行駛。本文所設(shè)計的智能車，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，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zui高速度行駛。在彎道應(yīng)將車速限制為不脫軌的zui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，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。
　　
　　車速控制模塊主要由直流電機(jī)、驅(qū)動電路和旋轉(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
　　
　　2.1電源模塊設(shè)計
　　
　　電源模塊要為單片機(jī)、傳感器、舵機(jī)和驅(qū)動電機(jī)供電。因此需要提供多種電源以滿足各個模塊的要求。電池在*充滿之后，其空載電壓只有8V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5V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)動模塊設(shè)計
　　
　　直流電機(jī)驅(qū)動采用集成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)、能耗制動及反接制動。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，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，電流反向流過直流電機(jī)，利用這個過程可以使車模處于反接制動狀態(tài)，從而迅速降低車速；當(dāng)S3、S4導(dǎo)通且S1、S2截止時，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)動模塊的電路原理圖如圖4所示。　　
　　2.3傳感器電路設(shè)計
　　
　　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攝像頭的輸出信號是PAL制式的復(fù)合全電視信號，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
　　
　　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
　　
　　本智能車控制系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。這是一個兩層的分級控制系統(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，來對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。設(shè)計這種分層結(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間，本文提出了一種*創(chuàng)新性的視頻信號采集方法。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。
　　
　　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時刻控制器的輸出；e（k）為k時刻的偏差；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*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，動態(tài)性能良好，穩(wěn)態(tài)誤差小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗*力強(qiáng)。