基于MC9S12的智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、2010年第2期文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009255212010一0018一曬基于MC9S 12的智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)康孝勝'.王冰(河海大學(xué)電氣工程學(xué)院,南京210096摘要:基于MC9S12XSl28芯片構(gòu)建了太陽能智能車系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)循跡、避障、速度檢測(cè)與控制、太陽能充電等功能。敘述了各個(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì).并對(duì)智能車避障的常用方法進(jìn)行了比較,通過簡(jiǎn)化模糊控制的應(yīng)用方案,提高了避障的實(shí)時(shí)性。關(guān)鍵詞:太陽能智能車;模糊控制;傳感器;MC9S12XSl28Design of intelligentcarsystem basedonMC9S 12KANGBing(cou孵of Electric

2、al nlgim目i琿,Ik晡University,Nanjing 210096,ChhlaAll6Cgract.-The paper designs the solar-powered intelligent carsystem basedonMcgsl2xsl28。which Callachievetrackillg,obstacleavoidance,speed detection and control,solar charger andSOOil.In the paper,thedesign of various modules is given and thec0蜘咖methods

3、 of跚明nearobstacle avoidancearesilnp峨theapplication of fuzzy control,the realtime property of the ohstach avoidance is improved.Key words:solar-powered嗣Inrt car;fuzzyeontzol;蝴180r:MC9S12XSl28引言智能車是一種集環(huán)境感知、決策規(guī)劃、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合智能系統(tǒng),集中運(yùn)用了自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感器技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)【1】。隨著科技的發(fā)展,智能車逐漸走出實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)入人們的日常

4、生活中,一些大公司也組織了各種各樣的智能車競(jìng)賽,如ke鯽此、瑞薩等。本文構(gòu)建了一個(gè)采用太陽能對(duì)蓄電池充電的智能車平臺(tái)系統(tǒng),該智能車平臺(tái)具有循跡、避障、速度檢測(cè)、太陽能充電等功能。對(duì)其硬件設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了詳細(xì)的說明,并對(duì)模糊模式識(shí)別在智能車避障中的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)化?？梢詾槠渌悄苘囍谱魈峁┝藚⒖?為模糊控制的學(xué)習(xí)提供事例,而且有利于太陽能與智能車的綜合研究。.1智能車總體結(jié)構(gòu)介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的功能框圖如圖l所示,主要包括四部分:(1信息采集模塊:核心是傳感器;包括速度信一18一循跡避障單元單片機(jī)主控制芯片舵機(jī)控制單元速度檢測(cè)單元b0爿MC9S12XSl28I=爿電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元圖1智能車功能圖息采集、位

5、置信息采集兩部分,分別采集小車當(dāng)前的位置信息(路徑、障礙情況和速度信息,并將采集到的信息傳給MCU。(2核心控制模塊:核心是MCU;有信息處理和控制兩個(gè)作用,MCU接收到采集來的信號(hào),對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后做出判斷,并發(fā)出控制命令。(3執(zhí)行模塊:包括電機(jī)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)兩部分;當(dāng)接收到MCU的命令后便執(zhí)行相應(yīng)的操作,同時(shí)信息采收稿日期:20090831基金項(xiàng)目:國家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目資助(07t029423作者簡(jiǎn)介:康孝勝(19ff'/一,男,2009年畢業(yè)于南京河海大學(xué),現(xiàn)就讀于東南大學(xué),研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。罵萬方數(shù)據(jù)集模塊采集電機(jī)和舵機(jī)的狀態(tài)信息,反饋給MCU,從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)

6、。在運(yùn)行過程中,系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)而達(dá)到正確行駛的目的。(4電源模塊:包括蓄電池和太陽能電板,負(fù)責(zé)給系統(tǒng)其余模塊供電。本系統(tǒng)工作狀態(tài)下由蓄電池供電,太陽能電板的作用是給蓄電池充電。使用Mcgsl2xsl28芯片作為系統(tǒng)MCU。MC9S12(s128是Freeacale公司生產(chǎn)的S12XE的簡(jiǎn)化版。其集成度高,片內(nèi)資源豐富,而且支持C語言程序設(shè)計(jì),從而降低了系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試的復(fù)雜度。使用的該芯片資源結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)如下:(1定時(shí)器模塊:可預(yù)分頻時(shí)鐘;16位計(jì)數(shù)器;8路可編程輸入捕捉,輸出比較通道;l路16位脈沖累加器。(2冊(cè)模塊:4通道24位遞減計(jì)數(shù)器;數(shù)結(jié)束中斷;定時(shí)性地觸發(fā)外部模塊。(3ATD模塊:8.

7、、10-或12.位可選模數(shù)轉(zhuǎn)換器; l16路,轉(zhuǎn)換序列長度和方式可選;轉(zhuǎn)換時(shí)間低于3pa。(4PWM模塊:8通道8位4通道16位;寬范圍時(shí)鐘選擇;可編程周期和占空比。2智能車硬件設(shè)計(jì)信息采集單元包括循跡避障單元和速度檢測(cè)單元,其中循跡功能與速度檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)原理類似。速度檢測(cè)模塊采用傳感器RPR220,它由一個(gè)紅外線發(fā)光二極管和光敏三極管組成,如圖2所示。圈2RPR220結(jié)構(gòu)圖方法是在后輪上黏貼一個(gè)均勻分布有黑白條紋的編碼盤。RPR220發(fā)出的紅外線照射到碼盤上不同顏色的條紋時(shí)會(huì)輸出不同的電壓信號(hào),從而形成連續(xù)脈沖。速度檢測(cè)模塊實(shí)際工作電路如圖3所示,紅外傳感器輸出的電平信號(hào)經(jīng)放大器放大后輸出

8、給MCU,多組高低電平交互形成脈沖。通過對(duì)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)就可以獲得當(dāng)前的智能車速度。圖3速度檢測(cè)模塊電路圖循跡模塊原理與速度檢測(cè)模塊相似,不再贅述。避障模塊采用光電傳感器E3F-DS30CA,其電氣特性如表l所示。裹1光電傳照器電氣特性U I&光電傳感器電氣特性636、巾C300mA330cm 智能車避障功能的實(shí)現(xiàn)需要多個(gè)模塊協(xié)作完成,其功能圖如圖4所示。光電傳感器轉(zhuǎn)向舵機(jī)_丐。.:-C.一智能車前輪避障功能控制模塊電源模塊驅(qū)動(dòng)電路速度檢測(cè)直流電機(jī)亞智能車后輪圖4避障功能圖當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí),MCU會(huì)根據(jù)當(dāng)前障礙物的方位做出判斷,確定轉(zhuǎn)向需要的電機(jī)速度以及舵機(jī)轉(zhuǎn)角

9、,然后發(fā)出指令使電機(jī)和舵機(jī)動(dòng)作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元采用MC33886作為驅(qū)動(dòng)芯片,驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。DNC礬2DlocPv+oUr2OUr2,D2P孫DP13ND圖5電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路一19一一腮姍¨眥一謇萬方數(shù)據(jù)MC33886可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的控制,適用于驅(qū)動(dòng)小馬力直流電機(jī),并且具有單橋和雙橋兩種控制方式(單橋方式不能實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。MC33886通過比較PWMl、PWM2占空比控制速度:(1當(dāng)PWMl大于PWM2時(shí),電機(jī)正轉(zhuǎn)。(2當(dāng)PWMl小于PWM2時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn)。(3當(dāng)PWMl等于PWM2時(shí),電機(jī)停轉(zhuǎn)。通過實(shí)驗(yàn)得:相對(duì)于兩個(gè)輸入端占空比差值,其轉(zhuǎn)速有死區(qū)。差值超過某一確定值時(shí)電機(jī)開始啟動(dòng)。

10、INI與IN2占空比差值越大,電機(jī)轉(zhuǎn)速越快,當(dāng)差值達(dá)到100%時(shí),近似為將V+腳電壓直接加在電機(jī)兩端。理論上MC33886可以通過多片并聯(lián)使用達(dá)到增加驅(qū)動(dòng)能力的效果同時(shí)可以減少發(fā)熱量。但是通過調(diào)查知:當(dāng)雙片MC33886并聯(lián)使用時(shí)。由于加工工藝等問題的存在,并聯(lián)電路不能達(dá)到預(yù)期的效果,而是一片發(fā)熱較多,一片發(fā)熱較少。故本文采用單片33886驅(qū)動(dòng)方式。如圖6所示,系統(tǒng)采用容量為12W2Ah的蓄電池,實(shí)際應(yīng)用電壓有5V、6V。圖6電源模塊電路圖設(shè)定車以較低速度運(yùn)行,系統(tǒng)使用5v的器件較多,功率較大,需要較高的轉(zhuǎn)換效率,故采用7806作為6V穩(wěn)壓塊、2940-5作為5V電源穩(wěn)壓塊,并通過實(shí)際運(yùn)行得到

11、了檢驗(yàn)。3智能車系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)S12系列MCU的定時(shí)器模塊被稱為增強(qiáng)型定時(shí)器模塊(ECr,它具有如下特點(diǎn):一20一(18個(gè)輸入捕捉,輸出比較端口;(2一個(gè)預(yù)分頻器;(316位計(jì)數(shù)器;(416位脈沖累加器(僅P17口。ECT中只有P17可以作為脈沖累加器,在不需要中斷的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù),其余端口實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)均需要在中斷程序中進(jìn)行。檢測(cè)到速度信息后通過增量式PID策略實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制。常用避障設(shè)計(jì)方案有三種:基于平面坐標(biāo)系的避障方法;基于固定路徑的避障方法;基于模糊控制的避障方案。本文采用基于模糊控制的避障方案。(1基于平面坐標(biāo)系的避障方法該方法可以使智能車在行駛過程中避開障礙物,并保持原運(yùn)動(dòng)

12、的主要方向不變。策略是將障礙物抽象為由線條組成,且具有一個(gè)較為平滑的頂峰,即障礙物兩側(cè)最突出的地方;將智能車抽象為方形面,小車有前、后、左、右四種轉(zhuǎn)向方式,且左右轉(zhuǎn)向軌跡為一段90。直角的弧線。如圖7將整個(gè)避障功能的環(huán)境平面坐標(biāo)化。以智能車避障起始位置為原點(diǎn),設(shè)其坐標(biāo)值為(0,O。則障礙物可以被一串整數(shù)值的坐標(biāo)值最小包圍起來,稱這串坐標(biāo)值為障礙物的外圍域,假設(shè)此外圍域描述了障礙物的特征。圖7避障行駛軌跡示意圖當(dāng)智能車檢測(cè)到障礙物后,啟動(dòng)避障程序,對(duì)下一時(shí)刻的運(yùn)行方向作出控制,同時(shí)記錄當(dāng)前坐標(biāo)(x, y為值(O,0。此時(shí),若智能車后退,則Y值減l;若智能車前進(jìn),則Y值加l;若智能車左轉(zhuǎn),則Y值加

13、1,x值減l;若智能車右轉(zhuǎn),則x、v值均加l。以此類推,即可得到智能車在任意時(shí)刻的坐標(biāo)值。當(dāng)智能車連續(xù)一段時(shí)間未檢測(cè)到障礙物后(如Y值連續(xù)4次加1,認(rèn)為已經(jīng)避開障礙物,智能車開始向y軸靠攏(橫坐標(biāo)為O,恢復(fù)原始運(yùn)行方向。其流程圖萬方數(shù)據(jù)如圖8所示。.N系統(tǒng)初始化傳感器檢測(cè)到信號(hào)二二二判斷轉(zhuǎn)向方向二二二二調(diào)用轉(zhuǎn)向程序二二二更改坐標(biāo)值T一逗參.j I:.!一調(diào)用返【旦l程序避障功能結(jié)束等待下一周期圖8基于平面坐標(biāo)系避障流程圖(2基于固定路徑的避障方法如圖9所示避障路線示意圖,當(dāng)智能車沿AJ向量方向行駛時(shí),傳感器檢測(cè)到障礙物信號(hào),將信號(hào)送至單片機(jī),避障程序啟動(dòng)。智能車沿BC轉(zhuǎn)彎,當(dāng)車身與AJ向量成4

14、5度角的時(shí)候,舵機(jī)轉(zhuǎn)向成為直行狀態(tài),啟動(dòng)延時(shí)程序,記錄延時(shí)時(shí)間tl,此時(shí)傳感器與AJ向量成平行狀態(tài)。當(dāng)傳感器為高電平時(shí),認(rèn)為到達(dá)障礙物頂峰,舵機(jī)右轉(zhuǎn)至車身與AJ向量平行,隨后智能車直行。當(dāng)傳感器信號(hào)再次變?yōu)楦唠娖綍r(shí),認(rèn)為已越過障礙物,舵機(jī)右轉(zhuǎn),車身與AJ向量成45角后直行,t1時(shí)間后調(diào)用左轉(zhuǎn)程序,智能車恢復(fù)原行駛方向AJ,一個(gè)避障周期結(jié)束。圖9避障路線不意圖圖10為基于固定路徑的避障算法程序設(shè)計(jì)流程圖,右轉(zhuǎn)模塊與左轉(zhuǎn)模塊類似。(3基于模糊控制的避障方案模糊模式識(shí)別可以分為兩大類型:元素對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型集的識(shí)別,即待識(shí)別的對(duì)象是明確元素,而標(biāo)準(zhǔn)類型是模糊的,在這種情況下根據(jù)隸屬度原則來調(diào)用右轉(zhuǎn)模塊系統(tǒng)

15、初始化傳感器檢測(cè)到信號(hào)T/判斷轉(zhuǎn)向方向/調(diào)用結(jié)束工調(diào)用直行模塊調(diào)用左轉(zhuǎn)模塊翼圈信號(hào)I一、一,上、結(jié)柬,避障功I一能關(guān)閉I傳感器I跳變?yōu)楦唠娖接?jì)時(shí)結(jié)束,開始右轉(zhuǎn),車身與AJ平行后直行7傳感器I再次跳變?yōu)楦唠娖蕉鏅C(jī)右轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)過45度角后直行二延時(shí),l自減,至0后直行結(jié)束圖10基于固定路徑的避障程序流程圖進(jìn)行分類(直接法模糊集對(duì)模糊集的識(shí)別,即待識(shí)別對(duì)象本身就是一個(gè)模糊子集,標(biāo)準(zhǔn)類型也是模糊集。這時(shí)考慮集合間的貼近關(guān)系,使用擇近原則來分類(間接法。本文利用間接識(shí)別法,主要解決方法是建立貼近度和擇近原則。該智能車系統(tǒng)具有3個(gè)光電傳感器,可以區(qū)分23=8種典型的障礙物類型,如圖11所示。傳感器信息與障礙物

16、類型對(duì)照如表2所示。表2傳感器信息與障礙物類型的對(duì)照表圖Il障礙物類型一2l一萬方數(shù)據(jù)設(shè)智能車與目標(biāo)方向的距離為Q,則可以根據(jù)距離Q的大小將目標(biāo)方向劃分為5個(gè)模糊子集,分別為極左,左,中,右,極右,簡(jiǎn)記為vL,L,z,R, VRl。則對(duì)應(yīng)的在舵機(jī)轉(zhuǎn)角度數(shù)一30,30上分別定義為轉(zhuǎn)極左,轉(zhuǎn)左,轉(zhuǎn)中,轉(zhuǎn)右,轉(zhuǎn)極右,簡(jiǎn)記為,IvL,1L,-IZ,TR,R。對(duì)應(yīng)角度數(shù)為一30,一15, O,15,30。當(dāng)障礙物類型為8時(shí),智能車后退,舵機(jī)轉(zhuǎn)角同樣為.Iz,電機(jī)反轉(zhuǎn),舵機(jī)轉(zhuǎn)角函數(shù)曲線如圖12所示。圖12舵機(jī)轉(zhuǎn)角函數(shù)根據(jù)障礙物類型模糊子集與舵機(jī)轉(zhuǎn)角模糊子集比較得出控制規(guī)則表3。在目標(biāo)方向和障礙物類型發(fā)生改

17、變后,查詢模糊規(guī)則表,確定下一次的舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度,直到舵機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)間結(jié)束。衷3控制規(guī)則表程序?qū)崿F(xiàn)過程如圖13所示。4系統(tǒng)調(diào)試智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,對(duì)其進(jìn)行了調(diào)試試驗(yàn),包括電源模塊和速度檢測(cè)單元。表4不同輸入下穩(wěn)壓塊的輸出情況由表4可以得出結(jié)論:一22一圖13模糊控制避障程序流程圖l當(dāng)輸入電壓超過7V時(shí)29405與7806兩種穩(wěn)壓塊都能達(dá)到需要的電壓值。因?qū)嶋H工作時(shí)由12V蓄電池供電,可以滿足需要。x,gto一5的穩(wěn)壓效果比7806好,輸出更穩(wěn)定。當(dāng)7806輸入為7V以下時(shí),輸出達(dá)不到穩(wěn)定值,表中輸入為7v時(shí)輸出電壓會(huì)隨著負(fù)載變化而變化。在調(diào)試過程中,當(dāng)采用太陽能板直接供電時(shí),由于電壓過高,兩種穩(wěn)壓

18、塊都有較為明顯的發(fā)熱現(xiàn)象。解決辦法是給穩(wěn)壓塊加散熱片,散熱效果明顯。速度檢測(cè)分兩步:(1通過對(duì)紅外線傳感器的輸出波形進(jìn)行觀察,其效果如圖14所示。圖14速度檢測(cè)傳感器輸出圖形(2對(duì)輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)達(dá)到255個(gè)時(shí),通過改變LED狀態(tài)顯示。 (下轉(zhuǎn)第27頁 萬方數(shù)據(jù)步驟：加載組共個(gè)數(shù)據(jù)到，同時(shí) 廣播原始配置字到個(gè)上，此時(shí)為第 個(gè)周期。 步驟：按照算法，轉(zhuǎn)發(fā)個(gè)操作數(shù)至 個(gè)，進(jìn)行第一次乘法運(yùn)算；同時(shí)因?yàn)榱魉?運(yùn)算，第組數(shù)據(jù)此時(shí)已經(jīng)加載到第一級(jí)上 了，此時(shí)為第個(gè)周期。 步驟：按照算法，上一行運(yùn)算得到的 個(gè)結(jié)果經(jīng)第二級(jí)轉(zhuǎn)至第二行中的兩個(gè)，進(jìn) 行加法運(yùn)算；同時(shí)因?yàn)榱魉倪\(yùn)算，第組數(shù)據(jù)在 做

19、步驟中第組數(shù)據(jù)所執(zhí)行的乘法運(yùn)算，此時(shí)為 第個(gè)周期。 步驟：按照算法，上一行運(yùn)算得到的 個(gè)結(jié)果經(jīng)第三級(jí)轉(zhuǎn)至第三行的一個(gè)中，進(jìn) 行加法運(yùn)算，結(jié)果存至第四級(jí)中；同時(shí)因?yàn)榱?水化的運(yùn)算，第組數(shù)據(jù)在做步驟中第組數(shù)據(jù) 所執(zhí)行的加法運(yùn)算，圖中淺色代表的就是第 組數(shù)據(jù)用到的，此時(shí)為第個(gè)周期。 步驟：第組數(shù)據(jù)執(zhí)行步驟中第組數(shù)據(jù)的 加法運(yùn)算方式，結(jié)果轉(zhuǎn)至第四級(jí)中。此時(shí)為 第個(gè)周期。 步驟：將第四級(jí)中的兩個(gè)操作數(shù)轉(zhuǎn)至 第四行一個(gè)中，進(jìn)行加法運(yùn)算得到結(jié)果，此時(shí)為 第個(gè)周期。 步驟：×塊的數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行流水運(yùn)算，重復(fù) 上述步驟，直至完成算法所描述所有運(yùn)算。 步驟：計(jì)算完成后便得到了最終的結(jié)果，此時(shí) 將結(jié)果輸出即

20、可。因此，計(jì)算一個(gè)×的維 需要××個(gè)周期。 性能比較 陣列的可重構(gòu)處理器，陣列分成個(gè)×的象 限，所以單純從周期數(shù)講，是快于原型的。但 考慮到只有×的陣列規(guī)模，如果做成象 限的陣列，每個(gè)象限單獨(dú)進(jìn)行運(yùn)算，則從的 周期數(shù)可以縮至個(gè)周期就可以完成塊的維 變換。同樣如采取×的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過 算法映射需要總共個(gè)周期，而從則是 個(gè)周期，幾乎比，快倍。 裹 實(shí)現(xiàn)的性能比較 結(jié)束語 本文提出了一種可重構(gòu)陣列架構(gòu)，它可以廣泛 應(yīng)用在嵌入式多媒體處理中。除了具有傳統(tǒng)可重構(gòu) 陣列架構(gòu)所具有硬件加速功能外，其顯著特點(diǎn)就是 結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，陣列本身就是面向循環(huán)和高級(jí)編程 語言的，不但減低了算法映射的復(fù)雜度，而且