智能车的控制系统设计.docx
《智能车的控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能车的控制系统设计.docx（33页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
智能车的控制系统设计
智能车控制系统设计
摘要
本文主要介绍了智能小车控制系统的软硬件设计及开发过程。
车模系统的简单工作原理是单片机收集红外传感器返回来的赛道信息，通过相应运算后，软件判断其有效性，结合控制算法控制随动舵机给出合理舵值，控制前轮舵机转向，单片机再给出合适的PWM波占空比以控制电机转速。
小车设计主要包括硬件电路设计和软件控制设计两大部分。
此智能车系统采用模块化设计思想，完成了系统硬件电路的设计，其主要包括核心控制模块、电源管理模块、电机驱动模块、舵机控制模块、车速检测模块、路径识别模块等。
本系统以16位微处理器MC9S12DG128为控制核心，MC9S12DG128微控制器是M68HCS12系列16位单片机中的一种，其内部结构主要有单片机基本部分和CAN功能块部分组成。
为了提高系统的运行性能，对转向控制策略、行驶速度控制策略及后轮驱动闭环PID控制算法策略等进行了详细分析与设计。
在此基础上，完成了系统软件的具体设计和实现。
关键字：
模块化PID单片机PWM
Abstract
Thispapermainlyintroducesthehardwareandsoftwareofthecontrolsystemofintelligentcardesignanddevelopmentprocess.Thesimplemodelssystemworkingprincipleistocollectinfraredsensormcureturncircuitinformation,throughthecorrespondingoperation,thesoftwarejudgeitseffectiveness,combiningcontrolalgorithmwithdynamicsteeringgearcontrol,reasonablefrontwheelsteeringgearcontrolruddervaluessteering,mcuandthenpresentstherightPWMwavesoccupiesemptiescomparedtocontrolmotorspeed.
Cardesignincludeshardwarecircuitandsoftwarecontroldesignoftwoparts.Thesmartcarsystemadoptstheideaofmodulardesign,completethehardwarecircuitdesign,anditsmainincludingcorecontrolmodule,powermanagementmodule,motordrivermodule,steeringgearcontrolmodule,speeddetectionmodule,pathrecognitionmodule,etc.ThissystemtoMC9S12DG128ascontrolcore,M68HC12seriesMC9S12DG128microcontrollerisoneof16bitmcu,itsinternalstructureismainlyamcubasicpartsandCANfunctionblocksparts.
Inordertoimprovetheoperationofthesystemperformance,thesteeringcontrolstrategyandspeedclosed-loopcontrolstrategiesandrearwheeldrivestrategyofPIDcontrolalgorithmisadetailedanalysisanddesign.Onthisbasis,completedthespecificsoftwaresystemdesignandimplementation.
Keyword:
modularPIDMCUPWM
1绪论
1．1课题研究背景和意义
随着世界范围内汽车普及率的提高，汽车在极大地方便人们生活的同时也带来了大量问题，如交通安全问题、城市交通拥挤和环境污染等。
解决交通问题的直接办法是提高路网的通行能力。
但是，就目前来看，汽车数量的增加已经导致已有的道路远不能满足经济发展的需要，单纯地进行道路基础设施的建设由于受到土地，经济成本，时间等多重因素的制约，不可能解决交通问题，真正切实可行的方法是如何提高现有道路的容量和效率。
在这种背景下，运用高新技术，将现有的道路和车辆综合起来考虑，构建智能交通系统来解决交通问题的思想应运而生。
智能交通系统是将先进的信息技术、数据通讯技术以及计算机技术等有效地综合运用于整个交通管理体系和车辆而建立起来的一种大范围、全方位发挥作用的、实时、准确、高效、先进的运输系统。
智能车辆作为智能交通系统的关键技术，是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通信、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。
然而，智能车辆系统是一个极为复杂的系统，如何利用相关的高新技术实现智能交通系统的效用，正处于不断发展与完善中。
因此，利用各种先进实验交通技术构建研究平台是非常必要的。
综上所述，通过对车辆智能化技术的研究和开发，可以提高车辆的控制与驾驶水平，保障车辆行驶的安全畅通、高效。
不断完善对智能化的车辆控制系统的研究，相当于延伸扩展了驾驶员的控制、视觉和感官功能，能极大地促进道路交通的安全性，对构建智能交通系统有着十分重要的意义。
1.2国内外研究现状
在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构都在研发智能车辆，其中具有代表性的智能车辆包括：
美国NavLab系列智能车辆系统。
该系统是由美国卡内基·梅隆大学机器人研究所研制的。
NavLab．V系统的车体采用Pontiac运动跑车。
其传感器系统包括视觉传感器系统、差分GPS系统、光纤阻尼陀螺和光码盘。
计算机系统包括1台SparcLx便携式工作站和l台HCII微控制器。
工作站完成传感器信息处理与融合、全局与局部路径规划；HCU完成底层车体控制与安全监控。
目前NaVLab系列己发展到NaVLab．11。
德国VaMoRs—P智能车辆系统。
该系统由德国联邦国防大学和奔驰汽车公司研制的。
车体采用奔驰500型轿车。
传感器系统包括由4个小型彩色CCD摄像机构成的两组主动式双目视觉系统、3个惯性线性加速度计和角度变化传感器、测速表及发动机状态测量仪等。
执行机构包括方向力矩电机、电子油门和液压制动器等。
计算机系统由基于Transputer的并行处理单元和2台PC-486组成。
用于图像特征抽取、物体识别、对象状态估计、行为决策、控制计算、方向控制和信息通信、I/O操作、数据库操作、图形显示。
两台PC-486主要用于软件开发和人机交互、数据登录等。
国内智能车辆研究由于起步晚，以及经济条件的制约，在智能车辆研究领域与发达国家有一定的差距，目前开展这方面研究工作的单位主要包括一些大学和科研机构，具有代表性的系统有：
7B．8智能车辆系统。
该系统是由南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制，属于军用室外智能车辆，于1995年底通过验收。
车体是由国产跃进客货车改制而成，车上安装了摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位、超声波等传感器。
计算机系统采用2台SunlO完成信息融合、黑板调度、全局、局部路径规划，2台PC机完成路边抽取识别和激光信息处理．单片机完成定位计算和车辆自动驾驶。
清华大学THMR系列智能车辆系统。
该系统是由清华大学计算机系智能技术与系统国家重点试验室在国防科工委和国家863计划的资助下研制的。
THMR—III的车体选用BJl022面包车改装而成。
该车上集成了二维彩色摄像机、磁罗盘光码盘定位、GPS、超声等传感器。
计算机系统采用SunSpark10l台、PC-4862台和8098单片机数台。
Sun完成任务规划，根据地图数据库信息进行全局规划，l台PC机完成视觉信息处理，另1台PC完成局部规划、反射控制及系统监控，数台8098完成超声测量、位置测量、车体方向速度的控制。
控制系统采用多层次“感知一动作”行为控制及基于模糊控制的局部路径规划及导航控制。
目前THMR系列已发展到THMR-V。
吉林大学JLUIV系列智能车辆系统。
该系统是由吉林大学智能车辆课题组在国家自然科学基金、教育部博士基金等资助下研制的。
JUTIV-Il型智能车的车载传感器系统有CCD摄像机、三维激光测距仪、GPS定位系统、远、近距离避障传感器，制动拉压力传感器、光电编码器等。
计算机系统采用1台Pentium-III工业控制计算机，完成车辆的传感信息获取、周围环境感知、图像处理、导航路径识别及决策控制。
目前JLUIV系列已发展到JUTIV-III。
飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛就是在这样的背景下应运而生的。
比赛由国家教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办，飞思卡尔半导体公司协办。
由组委会提供统一的车模和单片机，要求各参赛队在不改变车模的底盘结构的前提下，通过选择适当的检测方案和控制算法，使车模能够在专门设计的跑道上自主地识别路线行驶，单圈行驶时间最短的赛车获胜。
这样，通过提供一个相同的比赛平台，各参赛队伍必须仔细研究车模的数学模型和控制方案，从检测和控制的角度来解决这个问题。
1.3论文主要内容及结构
本报告分为五章：
第一章为绪论；第二章主要介绍了智能车硬件电路设计包括各个模块的电路设计方案以及相关电路。
方案以M68HCS12单片机为核心，包括总体控制系统的设计，各部件需要的供电电源设计，传感器电路设计，速度检测电路的设计以及电机与舵机驱动模块的设计等；第三章为智能车软件设计，根据传感器采集的道路信息，经处理分析之后，控制转角和速度以使智能车能够快速的跑完赛道；第四章为总结。
路径检测模块：
路径检测的好坏直接影响你的控制策略和小车是否能稳定快速的按照规定完成赛道。
现在常用的方案有CCD摄像头寻迹和光电传感器，电磁传感器寻迹三种方案，本设计采用的是光电传感器。
测速模块：
测速方法主要有霍尔集成传感器、断续式光电开关和编码器三种方法，考虑到测速精度及成本问题，最后采用编码器采集速度信息。
电机与舵机控制模块：
电机是模型车的动力，分为舵机和驱动电机，可想而知对电机的控制非常重要，要做到足够精确。
在舵机控制策略上我采用PWM查表法来对舵机进行控制；而速度我采用PID算法来控制，它能让模型车在行驶过程中更稳、更快。
2智能车硬件电路设计
2.1设计目标
要求所设计的小车具有自动寻迹的功能，能在指定跑道上高速，稳定地运行。
跑道为黑白两色。
其背景色为白色，跑道中央有一条黑线作为小车行进的依据。
很明显，我要设计的小车是要能沿黑线的正常行驶，并在此基础上，尽量提高小车行驶速度。
在智能车的赛道中，包括如下几种路况：
直道，圆弧弯道，连续S形道，十字交叉道，如图2-1所示。
经过抽象，赛道可以视为由直道和弯道两种基本类型所组成。
图2-1智能车赛道
小车在运行的过程中，路况的变化是扰动的主要来源。
路况变化的越剧烈，扰动的幅值越大，对小车运行时的超调量也越大。
路况变化的剧烈，一方面由赛道本身决定，另外一方面由小车运行的速度决定。
当小车在高速运行的过程中进入弯道，相对于低速的情况，道路的变化扰动更加迅速，小车偏离黑线越严重；同时，小车的稳定时间也越长。
前者影响稳定性，后者影响小车运行速度。
为了兼顾稳定和快速，在小车控制的基本原则是位置控制结合速度控制，尽量提高直道速度，减少行驶时间，同时适当降低弯道速度，使小车能平稳的度过弯道。
智能车的硬件设计采用模块化的设计方法，分为控制芯片MC9S12DG128B电路单元，电源的管理单元，路径识别单元，车速检测单元、舵机控制单元和直流驱动电机控制单元，各单元设计如下：
（1）电源管理单元主要为稳压电路的设计及合理利用，通过稳压管将7.2伏电压稳压到5伏给系统各部件供电。
（2）路径识别单元作为系统的重要组成部分，采用红外线的光电传感器作为路径识别元件。
（3）车速检测单元主要作为小车速度闭环控制的反馈环节，该模块主要采用旋转编码器作为车速检测元件。
其输出方式为电平输出方式，通过定时采样旋转编码器输出的高电平个数，得出当前小车的速度并反馈给控制回路。
（4）舵机控制单元采用PWM查表法来对舵机进行控制，同时通过加长舵机的力臂来提高舵机的响应速度。
（5）直流驱动电机控制单元采用MC33886电机驱动H桥作为电机的驱动元件。
其系统硬件结构如图2-2所示。
图2-2系统硬件结构图
2.2控制芯片MC9S12DG128电路设计
智能车系统所采用的控制芯片是飞思卡尔公司的16位的微处理器MC9S12DG128。
芯片引脚图如图2-3所示。
图2-3MC9S12DG128
2.2.1晶振及锁相环
芯片外部使用16MHZ无源晶振，通过锁相环将总线时钟倍频到24MHZ。
晶振电路如图2-4所示。
图2-4晶振电路图
2.2.2复位电路
本系统采用了MC3406复位芯片对CPU进行复位。
复位电路如图2-5所示。
图2-5复位电路图
2.2.3I/O口分配
本系统I/O口具体分配如下：
PTH0——PTH5，PORTA0——PORTA6，PORTE3 共14位用于小车前面路径识别的输入口；PACN10——用于车速检测的输入口；PORTB0——PORTB7用于显示小车的各种性能参数；PWM23——用于伺服舵机的PWM控制信号输出；PWM01——用于驱动电机的PWM控制信号输出。
2.3电源管理单元
电源是智能车控制系统的动力来源，为智能车上的硬件，如为处理器，传感器，执行机构提供稳定可靠的电压。
目前市场上常见的充电电池有镍镉电池，镍氢电池，锂电池，碱性电池和封闭式铅酸电池等。
考虑到模拟道路的路况十分复杂，弯道多，直道少，镍镉、镍氢等电池无法为智能车控制系统提供持续，稳定的电压。
而锂电池，由于具有能量高，寿命长，额定电压高，充放电能力强等优势，又能满足智能车的应用要求，因此被选作智能车的动力电源。
由于智能车电路系统中不同模块所需的工作电压和电流容量各不相同，因此电源转换电路应包括多个稳压电路。
智能车采用的锂电池的规格是7.2V，3000mAh，转电源管理单元是本系统硬件设计中的一个重要组成单元。
根据系统各部分正常工作的需要，本系统电压值分为5伏、6.5伏和7.2伏三个档。
其主要用于以下三个方面：
（1）采用稳压管芯片LM2576将电源电压稳压到5V后，给单片机系统电路、路径识别的光电传感器电路、车速检测的旋转编码器电路和驱动芯片MC33886电路供电。
电路如图2-6所示。
图2-6稳压电源电路图
（2）经过一个二极管降至6.5V左右后供给转向伺服电机。
（3）直接供给直流驱动电机。
同时考虑到稳压芯片LM2576的额定输出电流较小，故采用两片LM2576
分别对单片机电路、车速检测电路、驱动芯片电路和光电传感器电路供电，保证系统正常运行，达到了显著的效果。
2.4路径识别单元
探测路面黑线的基本原理：
由发射管发射一定波长的红外线，经地面反射到接收管。
由于在黑色和白色上反射系数不同，黑色区域大部分光线被吸收，而白色区域可以反射回大部分光线，所以接收管接收到的反射光强度不同，进而导致接收管的特性曲线发生变化的程度不同。
而从外部观测可以近似认为接收管两端输出电压不同，经分压后的电压也就不同，从而可以将黑白路面区分开来。
通过AD对这个电压的采集并转换成数字信号进行处理，根据AD值的情况来判断黑线的位置，从而实现对小车角度和速度的控制。
路面信息检测原理图如图2-7所示。
图2-7路面信息检测原理图
检测电路采用红外发射管和光敏三极管。
因为此电路尺寸小、质量轻、灵敏度高，外围电路简单。
而且电路不易受到普通光源的干扰，能够准确的实时检测。
如图2-8所示。
为了让小车能高速行驶，小车必须具备一定的前瞻性。
理论上，小车能感知的距离越远，那么就有更多的时间来处理前方的情况，也会跑的更好。
但是受到硬件电路功率的制约和车身长度的限制，可以通过传感器对地面角度来增加感知距离，设置为45°射向地面。
如图2-9所示。
图2-8路面信息检测原理图
图2-9传感器示意图
2.5车速检测模块
旋转编码器是用来测量转速的装置。
它分为单路输出和双路输出两种。
技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。
单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。
本系统车速检测单元采用日本OMRON公司的E6A2-CW3C型旋转编码器作为车速检测元件。
因为其精度达到车轮每旋转一周，旋转编码器产生200个脉冲，不仅硬件电路简单，而且信号采集速度快、精度高，满足模糊控制精度要求。
其硬件电路如图2-10所示。
旋转编码器旋转编码器的工作电压为5—24伏，输出为一系列脉冲。
因为E6A2-CW3C型旋转编码器的输出方式为电平输出，所以本系统将旋转编码器的输出接一个2K上拉电阻再与MC9S12DG128的I/O口PT0相连。
PT0采用16位输入脉冲累加模式对旋转编码器的输出脉冲进行累加计数。
在旋转编码器的中轴上安装一个直径为4cm，齿数76，传动比1：
1的齿轮，并将该齿轮与同轴于后轮的传动齿轮咬合。
如此则后轮旋转的同时将通过传动齿轮带动旋转编码器一同旋转。
此时只需要测量一定时间（10ms）旋转编码器输出的脉冲数就能准确计算出车速。
车速的计算公式如公式（2-1）所示：
（2-1）
图2-10车速检测硬件电路图
2.6舵机控制单元
本系统舵机控制单元采用S3010型舵机作为智能车方向控制部件。
舵机控制采用电压反馈闭环控制时，由于采用电位器检测反馈电压作为反馈回路，其检测精度不高，达不到较好的控制效果，故舵机采用PWM信号开环控制。
小车转向角的控制通过输入PWM信号进行控制。
根据检测的不同路径，判断出小车所在位置，按不同的区间给出不同的舵机PWM控制信号，小车转过相应的角度。
考虑到实际舵机的转向角与所给PWM信号的占空比基本成线性关系，所以舵机的控制方案采用查表法。
在程序中预先创建控制表，路径识别单元检测当前的路况，单片机通过查表可知当前的路况，然后给出相应的PWM信号控制舵机的转向。
如图2-11所示。
多少的脉宽对应多少的转角一目了然。
实验证明：
舵机的开环转向力矩足够，可以满足给定PWM信号与角度的一一对应，控制电路简单且能满足控制要求。
其硬件电路如图2-12所示。
舵机的工作电压为6.5伏左右，输入为PWM信号，相应输出一定转角。
舵机的控制信号线与MC9S12DG128的PWM3口相连，为提高舵机的精度，加大PWM信号控制范围，将2个8位PWM信号寄存器合并作为一个16位的寄存器进行输出。
本系统采用PWM2和PWM3合并当作PWM23给舵机作控制信号输入口，同时为保证整个小车的重心在小车的中心线上，将舵机安装在前轮靠后的部位，使得整个小车行驶时更加平稳可靠。
VCC6.5V
OUTPUT
2.7直流驱动电机控制单元
系统直流驱动电机控制单元采用RS380-ST型直流电机，由于路况十分复杂，弯道多，直道少，所以采用MC33886电机驱动H桥芯片作为电机的驱动元件。
通过MC9S12DG128输出的PWM信号来控制直流驱动电机。
MC33886内部具有过流保护电路，接口简单易用，能够提供比较大的驱动电流，考虑到实际驱动电流可能很大，故采用2片MC33886并联方式驱动电机。
但考虑到采用全桥时，均流问题可能引起2片MC33886不同时工作，所以我们采用半桥驱动。
为了提高PID控制的精度，将PWM0和PWM1两个8位寄存器合并成PWM01。
其硬件电路如图2-13所示。
MT_VCC为5伏，IN1和IN2分别为MC33886的PWM信号输入端口。
MC33886的输出端口OUT1和OUT2分别接驱动电机的两端。
D1、D2为芯片的使能端。
（b）
图2-13电机驱动电路图
3智能车软件设计
本程序设计由以下几个模块组成：
单片机初始化模块，实时路径检测模块，舵机控制模块，驱动电机控制模块，中断速度采集模块，速度模糊控制模块。
（1）单片机的初始化模块包括：
I/O模块、PWM模块、AD模块、计时器模块、定时中断模块初始化。
（2）实时路径检测模块：
前排光电传感器检测黑线，将返回信号输入单片机的输入端口，程序不间断地读入输入端口的信号，通过判断语句，得出合适的PWM信号控制舵机转向。
（3）舵机控制模块，驱动电机控制模块：
通过直接输出PWM信号控制。
舵机的控制采用开环控制，驱动电机采用模糊算法闭环控制。
模糊控制算法把由各种传感器测出的精确量转换成为适于模糊运算的模糊量，然后将这些量在模糊控制器中加以运算，最后再将运算结果中的模糊量转换为精确量，以便对各执行器进行具体的操作控制。
在模糊控制中，存在着一个模糊量和精确量之间相互转化的问题。
本系统控制软件采用CodeWarrior软件及BDM作为调试工具，此外，编程环境支持C语言和汇编语言的程序设计，以及C语言与汇编语言的混合编程，大大方便了程序设计，提高了系统开发效率。
本系统程序代码使用C语言编写。
控制系统中对被控对象的检测是一个非常重要的关键环节。
在反馈控制系统中，控制器总是通过比较检测量和给定量来计算控制量，因此，检测环节对整个控制系统的质量起到至关重要的作用。
为保证小车一直沿着黑色引导线快速行驶，系统主要的控制对象是小车的转向和车速。
即应使小车在直道上以最快的速度行驶，在进入弯道的时刻尽快减速，且角度的转向要适合弯道的曲率，确保小车平滑地转弯。
从弯道进入直道时，小车的舵机要转向至中间，速度应该立即得到提升。
为实现上述控制思想，我们要尽可能的提高路径检测的精度，并采用不同的控制方法来控制小车的转角和速度。
首先绘制出系统软件流程图，如图3-1所示：
图3-1软件流程图
3.1路径的检测
我们采用模拟量对黑线的位置定位。
由于各环境下光电管的值不一样，为了解决这个问题，先要对光电管进行标定，找到它对黑线的敏感程度，将这个过程的每个光电管的最大值最小值保存下来，用最大值减去最小值得到每个传感器在赛道上的输出范围。
小车行使过程中，将每个传感器输出的信号减去最小值，再除以该传感器的输出范围即可得到其相对输出值，然后找到其中最大的那个值。
就可以确定该光电管下面的黑线比例最大，然后找到它旁边的两个光电管。
就可以根据这三个值可以算出黑线的准确位置，具体公式如式（3-1）所示：
position=percent[j]*weight[j]+percent[j+1]*weight[j+1]+percent[j-1]*weight[j-1]（3-1）
percent[j]为所占黑线的百分比，weight[j]为当前光电管所在位置。
程序段如下：
voidCheckStart（void）{
inti,sum=0,backnum=0;
if（percent[10]>50&&percent[14]>50）{
if（flag==0）{
TIE_C1I=1;
TC1=TCNT
升级会员 