基于飛思卡爾MC9S12XS128芯片的智能車剎車系統(tǒng)的研究

曹誠偉，劉一君

（東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇 南京 210088）

1 研究背景

1.1 引入剎車系統(tǒng)的由來

為了達到以最快速度跑完不同賽道段的目的，即每段賽道均已可平穩(wěn)地用最大速度完成，理想情況下在“理想變速分界線”（見圖1）速度變?yōu)橄乱毁惖蓝慰膳艿淖畲笏俣龋瑤缀鯖]有“速度浪費”現(xiàn)象的存在。實際情況是賽車整體速度變化必須完成在一個時間區(qū)間內(nèi)，而且在以線性變化、時間最短（“實際線性變速區(qū)”距離最短）的同時賽車保持平穩(wěn)為最佳，這與賽道環(huán)境、攝像頭等采集設(shè)備的前瞻等因素有較大關(guān)系，為了減小這些因素的影響，達到人為可控且高效地完成比賽，故引入智能車剎車系統(tǒng)。

1.2 實現(xiàn)剎車的硬件基礎(chǔ)

賽車的動力來自電機，而電機是由BTS7960驅(qū)動芯片來驅(qū)動，主控芯片XS128通過自帶的PWM模塊輸出端口輸出2路PWM波，通過2片BTS7960驅(qū)動芯片后輸出控制電機正反轉(zhuǎn)的。如圖2所示，PP1為控制正轉(zhuǎn)的PWM波，PP3為控制反轉(zhuǎn)的PWM波。以PP3的占空比來實現(xiàn)反轉(zhuǎn)的輸出量，從而實現(xiàn)剎車的功能。

圖1 賽道變化與剎車系統(tǒng)的聯(lián)系

1.3 實現(xiàn)剎車的軟件基礎(chǔ)

本文是基于攝像頭組別的智能車，攝像頭采集的數(shù)據(jù)是智能車進行控制并判斷的關(guān)鍵輸入，通過軟件濾波和二值化后得到的二值圖像數(shù)據(jù)是當(dāng)前以及前方賽道類別的重要判斷依據(jù)，同時也是速度控制的重要參考指標(biāo)。對二值化圖像數(shù)據(jù)的處理采用區(qū)分賽道的軟件算法，進而得出當(dāng)前以及前方的賽道類型，同時給出該賽道相應(yīng)速度的預(yù)期指標(biāo)。結(jié)合編碼器采集的當(dāng)前車速，通過算法得出當(dāng)前PWM所需的輸出值。賽道分類及相應(yīng)賽道變化時所預(yù)期的速度變化如表1所示。

2 研究內(nèi)容

2.1 1路PWM輸出控制

當(dāng)只有1路PWM波輸出時，只能單向控制驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速的快慢，降速控制完全只能依靠地面摩擦力等人為不可控、不確定因素來進行控制，無法對賽車的整個運行狀態(tài)進行平穩(wěn)有效地控制，不能滿足比賽競速的目的。

圖2 電機驅(qū)動電路

表1 賽道分類及期望速度

2.2 2路PWM輸出控制

2路PWM波輸出可對驅(qū)動輪進行正反轉(zhuǎn)控制，故可有效地實現(xiàn)對賽車速度進行平穩(wěn)有效地控制。

由于車模結(jié)構(gòu)的特殊性，飛思卡爾智能車實現(xiàn)剎車可以由電機抱死或電機反轉(zhuǎn)2種方法來實現(xiàn)。由于電機是由全H橋電路驅(qū)動控制，故PWM波周期應(yīng)適當(dāng)，防止剎車時驅(qū)動芯片過熱保護而停止工作，并在驅(qū)動芯片和主控芯片之間加緩沖芯片，防止大電流回流燒壞主控芯片。

2.2.1 電機抱死剎車

電機抱死剎車是通過輸入大小相等的2路PWM波使電機停轉(zhuǎn)，通過電機內(nèi)部磁場將電機轉(zhuǎn)軸卡死，外力無法帶動轉(zhuǎn)軸致使車驅(qū)動輪停轉(zhuǎn)。此種方法的優(yōu)點是易于精確控制停車，弊端是在賽車高速運行且驅(qū)動輪在前的情況下電機突然抱死剎車會導(dǎo)致翻車、甩尾或直接將賽車剎停的情況，影響賽車運行的穩(wěn)定性和整體流暢性，無法很好地完成比賽競速的目的。

2.2.2 電機反轉(zhuǎn)剎車

電機反轉(zhuǎn)剎車是通過在正常輸出正向PWM（使賽車向前進方向運動）時根據(jù)控制需要輸出適當(dāng)?shù)姆聪騊WM波使電機正轉(zhuǎn)受阻從而實現(xiàn)降速，通過“判斷當(dāng)前賽道及車速、電機瞬時反轉(zhuǎn)輸出降速”的循環(huán)，不停修正車速，達到平穩(wěn)通過前方賽道的目的。減速過程中通過PID調(diào)整控制PWM波輸出，從而控制電機使車速趨于線性變化，這有利于賽車識別賽道數(shù)據(jù)信息采集的穩(wěn)定性和可靠性，并且具有實時性，是一種理想可行的剎車系統(tǒng)解決辦法。軟件實現(xiàn)剎車系統(tǒng)的流程圖如圖3所示。

通過反轉(zhuǎn)剎車實現(xiàn)在賽車高速行駛的情況下在不同賽道之間賽車速度平穩(wěn)高效的變化響應(yīng)，從而更有利于達到比賽競速的目的。

圖3 軟件實現(xiàn)剎車系統(tǒng)的流程

圖4 剎車系統(tǒng)調(diào)節(jié)示意

如圖4所示，當(dāng)主控芯片通過攝像頭對賽道類型判斷出來以后，通過分析，時間軸上A點為攝像頭在采集圖像時第一次發(fā)現(xiàn)賽道變化時的時間點，在這之前2路控制正反轉(zhuǎn)的PWM波PP1、PP3只有正向PWM波PP1在輸出，并且輸出的PWM波占空比為X%，代表當(dāng)前賽道速度所需要的PWM波輸出量，反向PWM波PP3沒有輸出量；在經(jīng)過時間點A之后為通過軟件對圖像進行處理后發(fā)現(xiàn)前方開始有賽道變化即進入實際線性變速區(qū)，正向PWM波PP1的占空比需調(diào)整為Y%，代表前方賽道速度所需要的PWM波輸出量。由于賽車的慣性以及其他不可預(yù)見的因素，賽車此時并不能將速度平穩(wěn)地、線性地降到預(yù)期速度，此時需要反向PWM波PP3開始輸出，即剎車系統(tǒng)開始作用，來協(xié)助調(diào)節(jié)車速變化，在每輸出一個調(diào)節(jié)周期后通過編碼器測速來檢測是否在進入前方賽道前達到預(yù)期速度，若達到則停止調(diào)節(jié)，若沒有則通過PID控制算法改變調(diào)節(jié)輸出量即反向PWM波PP3的占空比Z%繼續(xù)調(diào)節(jié)，直至通過編碼器檢測車速達到預(yù)期速度。這期間PID的參數(shù)會隨圖像分析中賽道行號的變化率做出調(diào)整，以使其在理想變速分界線之前完成調(diào)節(jié)。

由于在［t0，t0+FD/v］這段調(diào)節(jié)時間內(nèi)調(diào)節(jié)動作是周期性的，故會出現(xiàn)失調(diào)、超調(diào)等失誤行為（見圖5）。

圖5 非理想剎車系統(tǒng)波形圖

此時也會對賽車的平穩(wěn)運行產(chǎn)生一定的影響，根據(jù)軟件算法的描述，即每個調(diào)節(jié)周期對2路PWM波的增加或減少量是決定是否出現(xiàn)超調(diào)或失調(diào)現(xiàn)象的關(guān)鍵因素，故應(yīng)在每個調(diào)節(jié)周期內(nèi)對采集回來的速度與下一賽道預(yù)期速度進行實時比較后對PWM波占空比的增加或減少量進行相應(yīng)改變，使在調(diào)節(jié)時間內(nèi)的速度保持近似線性變化。

另外PWM的初始改變量不宜過大，且是以正向PWM輸出PP1從X%占空比變化到Y(jié)%為主要目的，反向PWM輸出PP3輔助使速度快速（高效性）變化的同時也保持速度線性（平穩(wěn)性）變化，隨著每一調(diào)節(jié)周期的反饋比較進而對變化量參數(shù)改變后再進行控制輸出，直至賽車在進入下一賽道類型前平穩(wěn)運行在預(yù)期速度，從而達到賽車在變速的過程中依然快速且平穩(wěn)運行的目的。

3 核心程序

4 結(jié)語

通過引入剎車系統(tǒng)實現(xiàn)賽車在高速運行情況下的有效制動，減少了“實際線性變速區(qū)”的范圍以及賽車因速度過快卻無法控制而產(chǎn)生的車體晃動、甩尾、漂移等不穩(wěn)定情況的出現(xiàn)，從而增加了賽車能以更快的速度平穩(wěn)跑完賽道的可能性，也為以更快速度且平穩(wěn)的完成比賽提供了更多的可能。

［1］李俊，王軍輝，譚秋林，等.基于MC9S12XS128控制器的智能車圖像處理技術(shù)研究［J］.化工自動化及儀表，2012（2）.

［2］張陽，吳曄，滕勤.MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.