基于HCS12的小車智能控制系統(tǒng)設計

1、基于HCS12的小車智能控制系統(tǒng)設計武漢科技大學 孫浩 程磊 黃衛(wèi)華 程宇智能車系統(tǒng)以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多個學科；主要由路徑識別、角度控制及車速控制等功能模塊組成。一般而言，智能車系統(tǒng)要求小車在白色的場地上，通過控制小車的轉(zhuǎn)向角和車速，使小車能自動地沿著一條任意給定的黑色帶狀引導線行駛。 筆者基于HCS12單片機設計了一種智能車系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)中的路徑識別功能由紅外光電傳感器實現(xiàn)，車速控制由模糊控制器進行調(diào)節(jié)。軟件設計中實時檢測路況，并定時中斷采集速度反饋值。1 系統(tǒng)分析及控制方案1.1 智能車系統(tǒng)分析智能車系統(tǒng)根據(jù)檢測到的路況和

2、車速的當前信息，控制轉(zhuǎn)向舵機和直流驅(qū)動電機，相應地調(diào)整小車的行駛方向和速度；最終的目的是使智能車能快速、穩(wěn)定地按給定的黑色引導線行駛。小車在行駛過程中會遇到以下兩種路況：當小車由直道高速進入彎道時，轉(zhuǎn)角方向和車速應根據(jù)彎道的曲率迅速做出相應的改變，原則是彎道曲率越大則方向變化角度越大，車速越低。當小車遇到十字交叉路段或是脫離軌跡等特殊情況時，智能車應當保持與上次正常情況一致的方向行駛，速度則相應降低。因此，對智能車的設計，要求具有實時路徑檢測功能和良好的調(diào)速功能。1.2 控制方案的設計系統(tǒng)的控制分為小車轉(zhuǎn)向角控制和速度控制兩部分。小車轉(zhuǎn)向角的控制通過輸入PWM信號進行開環(huán)控制。根據(jù)檢測的不同路

3、徑，判斷出小車所在位置，按不同的區(qū)間給出不同的舵機PWM控制信號，小車轉(zhuǎn)過相應的角度?？紤]到實際舵機的轉(zhuǎn)向角與所給PWM信號的占空比基本成線性關系，所以舵機的控制方案采用查表法。在程序中預先創(chuàng)建控制表，路徑識別單元檢測當前的路況，單片機通過查表可知當前的賽道，然后給出相應的PWM信號控制舵機轉(zhuǎn)向。本設計采用了一種參數(shù)自整定的模糊控制算法對小車速度進行閉環(huán)控制。小車在前進過程中，根據(jù)不同的路況給出不同的速度給定值，通過模糊控制器進行速度調(diào)節(jié)，以縮短小車的速度控制響應時問，減小穩(wěn)態(tài)誤差。系統(tǒng)將小車的角度變化率反饋給模糊控制器，通過修正規(guī)則進行模糊參數(shù)的自整定。智能車自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，

4、圖中dt表示小車角度的微分環(huán)節(jié)，表示輸出的轉(zhuǎn)角，n*表示速度的設定值，n表示實際速度反饋值。2 硬件結(jié)構(gòu)與方案設計系統(tǒng)硬件主要由HCSl2控制核心、電源管理單元、路徑識別單元、角度控制單元和車速控制單元組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。2.1 HCSl2控制核心系統(tǒng)的核心控制采用飛思卡爾半導體公司的16位HCS12系列單片機MC9S12DGl28。其主要特點是高度的功能集成，易于擴展，低電壓檢測復位功能，看門狗計數(shù)器，低電壓低功耗，自帶PWM輸出功能等。系統(tǒng)IO口具體分配如下：PORTA0、PTH0PTH7共9位用于小車前面路徑識別的輸人口；PACN0用于車速檢測的輸入口；PORTB0PORTB7用

5、于顯示小車的各種性能參數(shù)；PWM01用于伺服舵機的PWM控制信號輸出；PWM23、PWM45用于驅(qū)動電機的PWM控制信號輸出。2.2 電源管理單元電源管理單元是系統(tǒng)硬件設計中的一個重要組成單元。本系統(tǒng)采用7.2 V、2 000 mAh、Ni-Cd蓄電池供電。為滿足系統(tǒng)各單元正常工作的需要，系統(tǒng)將電壓值分為5 V、6.5 V和7.2 V三個檔。三個電壓檔的具體實現(xiàn)及其功能如下： 采用穩(wěn)壓管芯片L7805CV將電源電壓穩(wěn)壓到5 V，穩(wěn)壓電路如圖3所示，給單片機系統(tǒng)電路、路徑識別的光電傳感器電路、車速檢測的旋轉(zhuǎn)編碼器電路和驅(qū)動芯片MC33886電路供電； 將電源電壓7.2 V經(jīng)過一個二極管降至6.5

6、 V左右后給舵機供電； 將電源電壓7.2 V直接供給直流驅(qū)動電機。2.3 路徑識別單元為提高小車轉(zhuǎn)向角的控制精度，系統(tǒng)路徑識別單元采用9個發(fā)射和接收一體的反射式紅外光電傳感器JY043作為路徑檢測元件。紅外線具有極強的反射能力，應用廣泛，采用專用的紅外發(fā)射管和接收管可以有效地防止周圍可見光的干擾，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。對于小車循跡場地的黑白兩種顏色，發(fā)射管發(fā)出同樣的光強，接收管接收到的光強不同，因此輸出的電壓值也不同；給定一個基準電壓，通過對不同輸出電壓值進行比較，則電路的輸出為高低電平。當檢測到黑白線時分別輸出為高低電平，這樣不僅系統(tǒng)硬件電路簡單，而且信號處理速度快。其路徑檢測硬件電路如圖4

7、所示。2.4 角度控制單元系統(tǒng)角度控制單元采用Sanwa公司SRM-102型舵機作為小車方向控制元件。在實際運行過程中，舵機的輸出轉(zhuǎn)角與給定的PWM信號值成線性關系，以PWM信號為系統(tǒng)輸入信號，實現(xiàn)舵機開環(huán)控制。舵機響應曲線和控制電路如圖5、圖6所示。由于舵機的開環(huán)轉(zhuǎn)向力矩足夠，單片機通過采集的當前路況，給定PWM控制信號，從而實現(xiàn)舵機的轉(zhuǎn)向，具體的舵機轉(zhuǎn)向角與路徑識別單元輸出值的關系如表1所列。 2.5 車速控制單元車速控制單元采用RS-380SH型直流電機對小車速度進行閉環(huán)控制，并用MC33886電機驅(qū)動H-橋芯片作為電機的驅(qū)動元件。車速檢測元件則采用日本Nemicon公司的E40S-60

8、0-3-3型旋轉(zhuǎn)編碼器，其精度達到車輪每旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生600個脈沖。系統(tǒng)通過MC9S12DG128輸出的PWM信號來控制直流驅(qū)動電機。考慮到智能車由直道高速進入彎道時需要急速降速。通過實驗證明：當采用MC33886的半橋驅(qū)動時，在小車需要減速時只能通過自由停車實現(xiàn)。當小車速度值由80降至50時(取旋轉(zhuǎn)編碼器在一定采樣時間內(nèi)檢測到的脈沖數(shù)作為系統(tǒng)速度的量綱)，響應時間約為0.3 s，調(diào)節(jié)效果不佳；當采用MC33886的全橋驅(qū)動時，其響應時間約為0.1 s。因此系統(tǒng)利用MC33886的全橋結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了小車的快速制動。其電機驅(qū)動電路如圖7所示。VCC為電源電壓7.2 V，IN1和IN2分別

9、為MC33886的PWM信號輸入端口。MC33886的輸出端口OUT1和OUT2分別接驅(qū)動電機的兩端。D1、D2為芯片的使能端。3 軟件流程設計本智能車系統(tǒng)的軟件沒計基于MetrowerksCodeWarrior CWl2 V3.1編程環(huán)境，使用C語言實現(xiàn)。整個系統(tǒng)軟件開發(fā)、制作、安裝、調(diào)試都在此環(huán)境下實現(xiàn)。系統(tǒng)軟件設計由以下幾個模塊組成：單片機初始化模塊，實時路徑檢測模塊，舵機控制模塊，驅(qū)動電機控制模塊沖斷速度采集模塊和速度模糊控制模塊。系統(tǒng)軟件流程如圖8所示。4 實 驗對小車循跡功能實驗是通過控制舵機的轉(zhuǎn)向角實現(xiàn)的，而對車速控制功能，則進行了傳統(tǒng)模糊控制與參數(shù)自整定模糊控制的對比實驗。 小

10、車循跡功能實驗系統(tǒng)通過采集到當前路況，對舵機的轉(zhuǎn)向角進行控制來實現(xiàn)小車的循跡功能。在舵機工作電壓6.5 V情況下，輸入的PWM信號與舵機輸出的轉(zhuǎn)角一一對應。實驗測得，舵機角度從左轉(zhuǎn)45至右轉(zhuǎn)45對應的輸入PWM信號范圍為131165。具體的舵機轉(zhuǎn)角與PWM對應關系如表2所列，實驗測得小車運行軌跡平滑，循跡圖如圖9所示。圖中細線為任意給定的黑色引導線，粗線為小車循跡所行駛的曲線。(2) 小車速度控制功能實驗在小車給定的三檔速度情況下，對小車速度進行傳統(tǒng)模糊控制與參數(shù)自整定的對比實驗。具體車速控制曲線如圖10所示。圖中縱軸為采樣周期(T=0.01 s)的車速檢測元件檢測到的脈沖數(shù)，橫軸為采樣周期的整倍數(shù)。曲線1為速度設定值，曲線2為傳統(tǒng)模糊控制響應曲線，曲線3為采用參數(shù)自整定模糊控制響應曲線。由小車的速度控制曲線可知，采用傳統(tǒng)模糊控制用于智能車系統(tǒng)時，響應時間太長，且調(diào)節(jié)過程中會產(chǎn)生較大