李晨，宓超

(1.上海海事大學(xué) 集裝箱供應(yīng)鏈技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201306;2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201804)

0 引言

為加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，教育部高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦“飛思卡爾全國大學(xué)生智能車競(jìng)賽”.該競(jìng)賽要求在標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)平臺(tái)下完成軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，制作一輛能在規(guī)定的賽道上自動(dòng)識(shí)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(xué)參與此競(jìng)賽的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，討論智能車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件平臺(tái)搭建以及軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn).

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 競(jìng)賽規(guī)則

智能車必須采用競(jìng)賽委員會(huì)規(guī)定的技術(shù)平臺(tái)，包括賽車模型、電機(jī)、舵機(jī)、電池以及由飛思卡爾公司提供的單片機(jī);按道路傳感器分為光電組和攝像頭組兩個(gè)組別進(jìn)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(gè).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(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制賽車速度，由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制運(yùn)行方向，由人機(jī)交互系統(tǒng)完成系統(tǒng)設(shè)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(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)MC9S12XS128 擁有128 K 的Flash 程序空間，8 通道24 位中斷定時(shí)器，8 通道16 位定時(shí)器，8 通道PWM 波輸出和8 通道12 位精度的AD 轉(zhuǎn)換器;同時(shí)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(fù)位電路及BDM 調(diào)試接口電路等.［2-3］

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)是決定賽車速度的關(guān)鍵.小車使用RS380 型直流電機(jī)，7.2 V 供電，采用PWM 脈寬調(diào)制的方法進(jìn)行電機(jī)調(diào)速.在電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案中有專用電機(jī)控制芯片、場(chǎng)效應(yīng)管、達(dá)林頓管等供選擇使用.［4］前期設(shè)計(jì)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(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定.［3］最終選用場(chǎng)效應(yīng)管自搭驅(qū)動(dòng)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(dòng)能力，同時(shí)電機(jī)回路串入大功率電阻進(jìn)行能耗制動(dòng).

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.3 速度傳感器

設(shè)計(jì)初期，為了降低調(diào)試難度，采用開環(huán)控制模式，賽車運(yùn)行平穩(wěn)但速度無法提高，所以賽車控制須建立速度檢測(cè)環(huán)節(jié)，進(jìn)行閉環(huán)控制.速度檢測(cè)同樣有多種方案，對(duì)射光耦或槽型光耦、霍爾元件、測(cè)速電機(jī)、高精度編碼器等各具特點(diǎn).綜合分析后選擇槽型光耦作為測(cè)速元件.將槽型光耦安裝在傳動(dòng)軸上方，使穿過光耦間隙的齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)觸發(fā)脈沖，由單片機(jī)高速脈沖計(jì)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(cè)傳感器

賽道檢測(cè)用的傳感器相當(dāng)于賽車的眼睛，通過它自動(dòng)檢測(cè)賽道上的黑色軌跡線，可以通過光電傳感器和攝像頭實(shí)現(xiàn).光電傳感器掃描速度快、控制簡(jiǎn)單，但探測(cè)距離近;攝像頭則具有探測(cè)范圍廣、精度高等優(yōu)勢(shì)，前瞻性好，利于速度控制，同時(shí)也存在易受干擾、處理信息量大等缺陷.［4］本設(shè)計(jì)綜合兩種方案的優(yōu)勢(shì)，采用攝像頭作為主要檢測(cè)元件，并由安裝在賽車前方的光電傳感器輔助檢測(cè)近處道路，鎖定黑線，識(shí)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(chǎng)同步信號(hào)和行同步信號(hào).

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 主程序算法

采取模塊化設(shè)計(jì)思想先分別設(shè)計(jì)出各單元的底層驅(qū)動(dòng)程序，再設(shè)計(jì)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(cè)、鍵盤掃描、數(shù)據(jù)通信、功能顯示與設(shè)定等功能模塊.控制算法主要包括以下3個(gè)方面的內(nèi)容:攝像頭循線控制算法，光電管識(shí)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(jī)的轉(zhuǎn)向，光電管控制算法主要用來解決起跑線識(shí)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(jiǎn)單，易于調(diào)整參數(shù)，適應(yīng)性強(qiáng);對(duì)于控制模型不準(zhǔn)確、參數(shù)變化大的控制對(duì)象，采用此方法可以得到滿意的結(jié)果.［5］本設(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)用中，采樣的反饋值y(t)即為單片機(jī)脈沖累加器中的脈沖數(shù)，預(yù)設(shè)門限值在參數(shù)整定時(shí)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)，輸出u(n)并不能直接控制電機(jī)，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(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的加減速控制.［6］換言之，在求偏差量時(shí)，實(shí)際是將每20 ms 電機(jī)轉(zhuǎn)過的齒輪數(shù)和期望電機(jī)轉(zhuǎn)過的齒輪數(shù)的差值乘以相應(yīng)的系數(shù)，即KP，KI，KD的協(xié)調(diào)控制，計(jì)算出相應(yīng)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(shí)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(shí)間必須控制在64 ×5=320 μs 內(nèi).另外，圖像采集只是采集奇場(chǎng)中的行數(shù)，在偶場(chǎng)中沒有采集，因此PID 子程序的執(zhí)行不均勻，并沒有達(dá)到預(yù)期效果，還可能會(huì)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(jìn)行一次場(chǎng)采集后進(jìn)行一次PID 調(diào)節(jié).經(jīng)過最終檢驗(yàn)，這樣能夠滿足對(duì)速度控制的需要.

4 總結(jié)與展望

設(shè)計(jì)使用MC9S12XS128 單片機(jī)的大多數(shù)模塊，充分利用單片機(jī)資源，小車運(yùn)行穩(wěn)定，比賽過程中未出現(xiàn)沖出賽道的情況.通過整個(gè)設(shè)計(jì)過程，大學(xué)生們的科研能力和動(dòng)手能力得到鍛煉，項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)有所積累.該技術(shù)方案還可推廣到智能機(jī)器人、自動(dòng)導(dǎo)向車等方面，具有較廣泛的應(yīng)用價(jià)值.

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

［2］吳斌華，黃衛(wèi)華，程磊，等.基于路徑識(shí)別的智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2007(3):80-82.

［3］彭建學(xué)，馬永軍，湯天浩.一種微弱電流測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，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(shè)計(jì)［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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)和實(shí)現(xiàn)［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27(3):77-81.

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