智能小車的設(shè)計(jì)與制作

張凱杰

【摘 要】智能小車以freescale半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的16位HCS12單片機(jī)為核心控制器，采用紅外式光電管對(duì)比賽賽道進(jìn)行掃描和檢測(cè)，提取出賽道上黑線位置的信息。同時(shí)，智能小車通過測(cè)速裝置獲取當(dāng)前速度，并利用PID反饋對(duì)舵機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終使小車達(dá)到可以自動(dòng)尋跡的效果，提高小車的行駛速度和穩(wěn)定性。

【關(guān) 鍵 詞】智能車，HCS12單片機(jī)， PID控制

【中圖分類號(hào)】F407.471【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）07-0205-02

一 前言

智能運(yùn)輸系統(tǒng)作為未來交通發(fā)展趨勢(shì)之一，為解決城市交通擁擠和堵塞問題提供了有效途徑。從八十年代以來，美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)競(jìng)相投入巨額資金和大量人力，開始大規(guī)模的進(jìn)行交通運(yùn)輸智能化的研究，取得了許多重要成果。而作為智能車——路系統(tǒng)（Intelligent Vehicle—Highway Systems，簡(jiǎn)稱IVHS）的重要一部份，智能車在世界各國的研究也隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)的飛速發(fā)展而不斷深入。

本文以“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽為背景，對(duì)智能車控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入的討論，以作者參與制作的智能模型車為例簡(jiǎn)要介紹了智能模型車的設(shè)計(jì)制作全過程，主要涉及到機(jī)械電子、傳感器技術(shù)、驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、自動(dòng)控制、人工智能等多個(gè)領(lǐng)域的研究及技術(shù)融合。

本設(shè)計(jì)通過采用HCS12單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的智能控制。該控制系統(tǒng)不僅在現(xiàn)代汽車產(chǎn)業(yè)中有很大使用價(jià)值，在智能機(jī)器人領(lǐng)域亦有很大用途，尤其是當(dāng)今時(shí)代機(jī)器人研究方面具有很好的發(fā)展前景，故本設(shè)計(jì)與實(shí)際聯(lián)系緊密，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二 總體設(shè)計(jì)分析

（1） 設(shè)計(jì)要求：

在本次競(jìng)賽中，要求所設(shè)計(jì)的小車具有自動(dòng)尋跡的功能，能在指跑道上高速，穩(wěn)定地運(yùn)行。跑道為黑白兩色。其背景色為白色，跑道中央有一條黑線作為小車行進(jìn)的依據(jù)。很明顯，我們要設(shè)計(jì)的小車是要能沿黑線的正常行駛，并在此基礎(chǔ)上，盡量提高小車行駛速度。

（2）傳感器部分：在傳感器方案的選擇中， 智能小車采用光電傳感器來采集路面信息。使用紅外傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，實(shí)現(xiàn)方便，成本低廉，免去了繁復(fù)的圖像處理工作，反應(yīng)靈敏，響應(yīng)時(shí)間低，便于近距離路面情況的檢測(cè)。但紅外傳感器的缺點(diǎn)是，它所獲取的信息是不完全的，只能對(duì)路面情況作簡(jiǎn)單的黑白判別，檢測(cè)距離有限，而且容易受到諸多擾動(dòng)的影響，抗干擾能力較差，背景光源，器件之間的差異，傳感器高度位置的差異等都將對(duì)其造成干擾。在本次比賽中，賽道只有黑白兩種顏色，小車只要能區(qū)分黑白兩色就可以。采集到準(zhǔn)確的路面信息。經(jīng)過綜合考慮，在本項(xiàng)目中采用紅外光電傳感器作為信息采集元件。

（3） 控制算法部分：

在小車的運(yùn)行中，主要有方向和速度的控制，即舵機(jī)和電機(jī)的控制，這兩個(gè)控制是系統(tǒng)軟件的核心操作，對(duì)小車的性能有著決定性的作用。對(duì)舵機(jī)的控制，要達(dá)到的目的就是：在任何情況下，總能給舵機(jī)一個(gè)合適的偏移量，保證小車能始終連貫地沿黑線以最少距離行駛。小車在比賽中采用了PID控制技術(shù)。PID控制在比例控制的基礎(chǔ)上加入了積分和微分控制，可以抑制振蕩，加快收斂速度，調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膮?shù)可以有效地解決方案一的不足。不過，P，I，D三個(gè)參數(shù)的設(shè)定較難，需要不斷進(jìn)行調(diào)試，憑經(jīng)驗(yàn)來設(shè)定，因此其適應(yīng)性較差。在我們的選擇中，根據(jù)比賽規(guī)則，賽道模型與相關(guān)參數(shù)已給定，即小車運(yùn)行的環(huán)境基本上已經(jīng)確定，可通過不斷調(diào)試來獲得最優(yōu)的參數(shù)。因此我們選用的是PID算法來對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制。對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制（即速度控制），要達(dá)到的目的就是在行駛過程中，小車要有最有效的加速和減速機(jī)制。高效的加速算法使小車能在直道上高速行駛，而快速減速則保證了小車運(yùn)行的穩(wěn)定，流暢。為了精確控制速度，時(shí)時(shí)對(duì)速度進(jìn)行監(jiān)控，我們還引入了閉環(huán)控制的思想，在硬件設(shè)計(jì)，增加了速度傳感器實(shí)時(shí)采集速度信息。

（4） 車模外觀（見圖1）

三 硬件設(shè)計(jì)

（1）電源管理電路：

系統(tǒng)由6節(jié)1.2V鎳鎘充電電池組成電池組。穩(wěn)定的電源是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，所以在電源設(shè)計(jì)的時(shí)候必須考慮穩(wěn)壓芯片的效率以及各個(gè)模塊之間的影響，采取必要的隔離措施處理互相干擾。本系統(tǒng)采用了2片5V穩(wěn)壓芯片L M2575分別給系統(tǒng)芯片和紅外探測(cè)器供電。一片6 V穩(wěn)壓芯片L M1117給舵機(jī)供電，7.2 V電源可以直接給電機(jī)供電。

（2）紅外探測(cè)電路：

10對(duì)反射式紅外傳感器探測(cè)到的信息直接輸入到MC9 S12D G128B的10個(gè)A/D 通道。該紅外測(cè)試電路的有效測(cè)試距離可達(dá)20cm。小車在運(yùn)動(dòng)中不斷的掃描跑道，當(dāng)發(fā)射管D1掃描到黑線的時(shí)候 ，發(fā)出的信號(hào)幾乎全被黑線吸收，幾乎沒有反射信號(hào)，接收管 D2接收不到信號(hào)，此時(shí)D2不導(dǎo)通 ，輸出端輸出高電平發(fā)光管D3不發(fā)光；當(dāng)發(fā)射管 D1 掃描到白色跑道的時(shí)候，發(fā)出的信號(hào)幾乎全被反射回來，接收管 D2接收到發(fā)射管D1發(fā)射出經(jīng)反射物反射的信號(hào)，輸出端OUT（L M576 的第8腳） 輸出低電平使發(fā)光管D3發(fā)光 。通過發(fā)光二極管的熄滅可以確定小車是否在跑道上，為調(diào)試帶來很大的方便 。本電路的最大持點(diǎn)是紅外線發(fā)射部分不設(shè)專門的信號(hào)發(fā)生電路，而是直接從接收部分的檢測(cè)電路LM576的5 腳引入信號(hào)，這樣既簡(jiǎn)化了線路和調(diào)試工作 ，又防止了周圍環(huán)境變化和元件參數(shù)變化對(duì)收發(fā)頻率造成的差異 ，實(shí)現(xiàn)了紅外線發(fā)射與接收工作頻率的同步自動(dòng)跟蹤，使電路的穩(wěn)定性和抗干擾能力大大加強(qiáng) 。 輸出信號(hào)通過數(shù)字濾波后進(jìn)入MCU中的14路A/D通道采集路況信息。

在實(shí)際的測(cè)試中，可以在獨(dú)立的的紅外接收管上安裝黑色套管可以完全避免相鄰發(fā)光管的影響 。由于紅外探測(cè)部分耗電量比較大 ，可以利用紅外接收管響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，讓紅外發(fā)射管只在檢測(cè)瞬間發(fā)射紅外線即可 。 紅外發(fā)射管工作在周期窄脈沖方式下，大大降低了平均工作電流，從而降低了整個(gè)發(fā)射電路的電量消耗。

（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：（見圖2）

電路圖我們（見圖3）可以看出，它具有兩個(gè)半橋構(gòu)成：

由于在實(shí)際的比賽過程中，我們已經(jīng)利用剎車裝置進(jìn)行減速，并不需要通過給電機(jī)加反向電壓來減速（在調(diào)試過程中，曾經(jīng)試過用這種的方法進(jìn)行減速，但是弊大于利，有時(shí)會(huì)由于電機(jī)反轉(zhuǎn)，出現(xiàn)倒車現(xiàn)象）因此，可以只使用其半橋，并將兩個(gè)半橋并聯(lián)，以增大其驅(qū)動(dòng)能力。

（4）傳感器電路：

接收發(fā)射部份（見圖4）

傳感器由兩部份構(gòu)成，一部份為發(fā)射部份，一部分為接收部份。發(fā)射部份由一個(gè)振蕩管（J1_1）發(fā)出180KHz頻率的振蕩波后，經(jīng)三級(jí)管（Q1_1NPN）放大，激光管（D1_1）放射。接收部份由一個(gè)相匹配180KHz的接收管（J1_2）接收返回的光強(qiáng)，經(jīng)過電容（C1_1）濾波后直接接入單片機(jī)用以判別電壓高低。由于接收的波屬于較高頻段的波，因此電容（C1_1）是必須的，否則的話電磁干擾會(huì)非常的嚴(yán)重，指示燈（D1_1）會(huì)常亮，實(shí)際過程中要不斷試電容（C1_1）的大小，選擇合適的值以使接收管正常工作。

控制部份：（見圖5）

由于采用了數(shù)字傳感器的防干擾算法，因此必須分時(shí)控制傳感器的開斷，實(shí)際中我們使用74LS138作為控制器，由主控模塊的3根線來控制傳感器的開斷。

（5）PCB設(shè)計(jì)圖：

傳感器PCB圖；（見圖6） 主控板PCB圖：（見圖7）

四 軟件設(shè)計(jì)

（1）開發(fā)環(huán)境介紹：

本系統(tǒng)使用了 Metrowerks 公司提供的 CodeWarrior for HCS12教學(xué)用版本，它是面向以 HC12 或 S12 為 CPU 的單片機(jī)嵌入式應(yīng)用開發(fā)的軟件包，包括集成開發(fā)環(huán)境 IDE、處理專家?guī)欤酒抡?、C 交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及 BDM 調(diào)試器。

（2）軟件結(jié)構(gòu)

軟件主要包括：路徑識(shí)別、方向控制、速度測(cè)量、速度控制等四個(gè)模塊。軟件流程可分為以下幾部分：初始化、得到 AD 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為角度偏差、根據(jù)角度偏差控制舵機(jī)、根據(jù)角度偏差和當(dāng)前速度控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和制動(dòng)。軟件結(jié)構(gòu)框圖見圖8。

（3）PID控制：

PID控制器是控制系統(tǒng)中技術(shù)比較成熟，而且應(yīng)用最廣泛的一種控制器。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易調(diào)整，因此在工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中都有應(yīng)用。PID最先出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的模擬PID控制器是通過硬件（電子元件、氣動(dòng)和液壓元件）來實(shí)現(xiàn)它的功能的。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，把它移植到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中來，將原來的硬件實(shí)現(xiàn)的功能用軟件代替，從而形成數(shù)字PID控制器，其算法則稱為數(shù)字PID算法。數(shù)字PID控制器具有非常強(qiáng)的靈活性，可以根據(jù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)在線調(diào)整參數(shù)，因此可以得到更好的控制性能。由于幾乎所有的單片機(jī)都擁有硬件PWM，因此基于軟件PID和硬件PWM技術(shù)的直流電機(jī)測(cè)控技術(shù)正向數(shù)字化、高可靠性發(fā)展，本文所述的舵機(jī)控制就是采用該控制方法。數(shù)字PID分為位置式控制算法和增量式控制算法。為了降低計(jì)算量及得到穩(wěn)定的結(jié)果，舵機(jī)控制采用增量式控制算法。其公式如下： △Uk=Kp*[ek-ek-1]+Ki*ek+Kd*[ek-2ek-1+ek-2]

輸出增量△Uk只與本次偏差ek、上次偏差ek上上次偏差ek-2有關(guān)，因此CPU只要知道每一時(shí)刻的ek、ek-1、ek-2的值就能執(zhí)行PID算式，并輸出舵機(jī)控制量，從而有效地控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向。

由于PID控制器是用軟件來實(shí)現(xiàn)的，靈活性很大，因此能夠根據(jù)具體要求相應(yīng)地改進(jìn)部分PID控制算法。在電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，控制量的輸出值要受到元器件或執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能的約束（如電源電壓的限制、放大器飽和等），因此它的變化應(yīng)在有限的范圍內(nèi)，如果控制量的計(jì)算結(jié)果超出該范圍，那么實(shí)際執(zhí)行的控制量就不再是計(jì)算值了，產(chǎn)生的結(jié)果與預(yù)期的不相符，稱為飽和效應(yīng)。PID控制中的積分環(huán)節(jié)目的是消除靜態(tài)誤差，提高控制精度。但當(dāng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)或停車時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出很大的偏差，會(huì)使積分積累很大，從而引起強(qiáng)烈的積分飽和效應(yīng)，這將會(huì)造成系統(tǒng)振蕩，調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)等不利結(jié)果。

在本文所述的智能車中，為了避免出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，對(duì)PID控制器的積分環(huán)節(jié)做了兩個(gè)改進(jìn)：積分分離法和遇限削弱積分法。

積分分離法的思路是：當(dāng)被控量與給定值的偏差較大時(shí)，去掉積分，以避免積分飽和效應(yīng)的產(chǎn)生；當(dāng)被控量與給定值比較接近時(shí)。重新引入積分，發(fā)揮積分的作用，消除靜態(tài)誤差，從而既保證了控制的精度又避免了振蕩的產(chǎn)生。

本文所述的具體實(shí)現(xiàn)是：人為引入一個(gè)量X=24.44，x值的確定大約為智能車的三個(gè)光電對(duì)管對(duì)應(yīng)反饋值的偏差，即當(dāng)偏差小于24.44則引入積分環(huán)節(jié)，當(dāng)偏差大于等于24.44則去掉積分環(huán)節(jié)。為此在積分項(xiàng)中乘以一個(gè)人為引入的系數(shù)B.

其公式如下：

B=1，ek

B=0， ek≥X， X=24.44

引入B后，可建立公式：

△Uk=Kp*[ek-ek-1]+B*Ki*ek+Kd*[ek-2ek-1+ek-2]

遇限削弱積分法的思路是：一旦控制量仉進(jìn)入飽和區(qū)，便停止進(jìn)行增大積分項(xiàng)的運(yùn)算，而只進(jìn)行使積分減少（即所謂削弱）的運(yùn)算。具體過程是：在根據(jù)PID算式計(jì)算Uk前，先判斷前一次的控制量Uk-1是否到達(dá)極限范圍，如果到達(dá)極限說明已經(jīng)進(jìn)入飽和區(qū)，這時(shí)再根據(jù)偏差的正負(fù)，來判斷控制量是使系統(tǒng)加大超調(diào)還是減小超調(diào)，如果是減小超調(diào)，則保留積分項(xiàng)，否則取消積分項(xiàng)。遇限削弱法在進(jìn)入極限范圍后，有條件的去繼續(xù)積分或取消積分，從而避免控制量長(zhǎng)時(shí)間停留在飽和區(qū)。本系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)是：在積分項(xiàng)中再人為引入一個(gè)系數(shù)c當(dāng)判斷后需要保留積分項(xiàng)則C=1；否則C=0。那么最終的舵機(jī)PID控制算式如下：

△Uk=Kp*[ek-ek-1]+B*C*Ki*ek+Kd*[ek-2ek-1+ek-2]

間接PID驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制算法簡(jiǎn)介：

智能車模型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是直流電機(jī)，同樣可以直接用PID控制算法，但是利用PID算法需要有系統(tǒng)的直接反饋值，如舵機(jī)算法中的反饋值通過光電傳感檢測(cè)獲得，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)要想直接獲得反饋值必須在硬件上設(shè)計(jì)車速傳感器，這必然給硬件選擇、硬件設(shè)計(jì)、PCB板設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)帶來比較大的工作量；同時(shí)加上車速傳感器之后智能車的重量也會(huì)增加，這樣會(huì)增加驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載，耗電速度快；同時(shí)智能車過重也會(huì)給舵機(jī)的轉(zhuǎn)向帶來負(fù)面影響，因?yàn)檫B接舵機(jī)和連桿的硬件是塑料做的東西，而且是兩三個(gè)塑料卡在一起的，當(dāng)智能車要轉(zhuǎn)彎時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的力是一定的，如果車身太重的話那么舵機(jī)轉(zhuǎn)彎的力就會(huì)帶不動(dòng)前輪，而使這些力消耗在這幾塊塑料上，時(shí)間長(zhǎng)了這些力就會(huì)使塑料變形，破壞車的硬件結(jié)構(gòu)，影響車的性能，給車的行駛帶來不穩(wěn)定性和不可靠性。

然而加上車速傳感器之后又能給驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶來直接的控制，能比較有效、及時(shí)地改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，為智能車行駛提供比較好的參考。

本文所述的驅(qū)動(dòng)電機(jī)間接PID控制算法的思想是：把舵機(jī)的PID控制算法的輸出控制量當(dāng)作驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制算法的輸入量，經(jīng)過一定的算法之后，輸出量做為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出控制量，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的間接PID控制算法。

舵機(jī)的輸出控制量為Uk的公式為：

Uk=△Uk+Uk-1

其中△Uk玩為舵機(jī)輸出控制量的增量，Uk-1為舵機(jī)前一

次的輸出控制量。把Uk作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入量。設(shè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出控制量為M， 其公式如下：

M=（SV-BRV4）*Uk+BR4+SV， Uk≤0

M=（SV-BlV4）*Uk+Bl4+SV， Uk>0

常量C為當(dāng)智能車在直線上行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制量，常量BRV4為當(dāng)智能車在最大右轉(zhuǎn)行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制量。常量BR4為當(dāng)智能車在最大右轉(zhuǎn)行駛時(shí)舵機(jī)的理論控制值，常量BlV4為當(dāng)智能車在最大左轉(zhuǎn)行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制量，常量Bl4為當(dāng)智能車在最大左轉(zhuǎn)行駛時(shí)機(jī)的理論控制值。則公式中M的算式為一元一次分段線性方程。

智能車左轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制量是線性減小的，而右轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制量是線性增加的。驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制量的線性變化優(yōu)點(diǎn)在于能夠使電機(jī)控制量的變化平穩(wěn)，有利于小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)均勻地增加或減小控制量，從而使小車能夠在轉(zhuǎn)彎時(shí)保持平穩(wěn)的速度行駛，不至于出現(xiàn)停頓現(xiàn)象。

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