摘  要： 為解決一些住宅小區(qū)停車位或私家車庫(kù)距離住宅樓較遠(yuǎn)、自駕車停車不方便問(wèn)題，提出了利用單片機(jī)MC9S12XS128使小車從給定的起始位置自動(dòng)循跡到達(dá)預(yù)期車庫(kù)或停車位的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。單片機(jī)MC9S12XS128利用PID算法對(duì)電機(jī)和舵機(jī)進(jìn)行控制，攝像頭傳感器進(jìn)行道路信息采集。該系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)循跡停車功能。
關(guān)鍵詞： MC9S12XS128；自動(dòng)尋跡；PID算法

　當(dāng)前的信息技術(shù)革命正在推動(dòng)汽車設(shè)計(jì)翻開(kāi)新的一頁(yè)，多功能、智能化、自動(dòng)化將成為21世紀(jì)汽車發(fā)展的新趨勢(shì)。目前，汽車的使用量越來(lái)越多，人們對(duì)汽車的智能化要求也越來(lái)越高，因此為滿足不同人的市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)了一種沿著指定標(biāo)記自動(dòng)識(shí)別路徑[1-2]和障礙物的小車自動(dòng)循跡停車控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)包括3個(gè)子系統(tǒng)：環(huán)境感知系統(tǒng)、自主決策系統(tǒng)和操作執(zhí)行系統(tǒng)。環(huán)境感知系統(tǒng)主要包括感知路面信息和感知車體狀態(tài)的傳感器。自主決策系統(tǒng)主要通過(guò)單片機(jī)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)決策控制。操作執(zhí)行系統(tǒng)就是從單片機(jī)發(fā)出控制指令到車體響應(yīng)這一部分的系統(tǒng)，主要就是相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路。3個(gè)系統(tǒng)相互聯(lián)系、相互制約，有共同的目標(biāo)和核心的控制策略，共同完成控制任務(wù)。這樣的自動(dòng)循跡停車系統(tǒng)解決了由停車帶來(lái)的不便，實(shí)現(xiàn)了停車智能化，同時(shí)還可以為深入研究汽車自動(dòng)駕駛提供信息。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
　小車自動(dòng)循跡停車控制系統(tǒng)主要包括控制處理芯片MC9S12XS128模塊、圖像采集模塊、轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊和速度檢測(cè)模塊。其中S12單片機(jī)是系統(tǒng)的核心部分。它負(fù)責(zé)接收道路圖像信息和車體速度反饋等信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?，形成合適的控制量來(lái)對(duì)舵機(jī)和電機(jī)進(jìn)行控制。圖像采樣模塊由外圍芯片TLC5510、LM1881和攝像頭組成。其功能是獲取道路信息，以供S12作進(jìn)一步處理。速度檢測(cè)模塊由編碼器和外圍電路組成，通過(guò)檢測(cè)實(shí)時(shí)車速提供反饋量對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1 核心控制器介紹
　MC9S12XS128單片機(jī)是以CPU12X的V2內(nèi)核為核心的16位單片機(jī)系列，是在帶協(xié)處理器的MC9S12XE系列雙核單片機(jī)的基礎(chǔ)上，去掉XGate協(xié)處理器得到的。MC9S12XS128單片機(jī)內(nèi)部總線頻率最高為40 MHz，片內(nèi)集成128 KB Flash存儲(chǔ)器和8 KB的RAM存儲(chǔ)器及8 KB的數(shù)據(jù)閃存，增加了8 KB D-flash，同時(shí)它的內(nèi)部資源也非常豐富，擁有I/O輸入輸出端口、SPI、SCI、ECT、A/D、CAN和PWM等常見(jiàn)的接口模塊，在汽車電子領(lǐng)域具有廣泛的用途[3]。
2.2 圖像采集模塊
2.2.1 攝像頭的選擇
　CCD攝像頭具有對(duì)比度高、動(dòng)態(tài)特性好的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)論證之后決定采用。
　攝像頭有兩個(gè)重要指標(biāo)：有效像素和分辨率。分辨率實(shí)際上就是每場(chǎng)行同步脈沖數(shù)，而有效像素=行分辨能力×分辨率。通常產(chǎn)品說(shuō)明上標(biāo)注的分辨率略大于實(shí)際分辨率，所以要知道實(shí)際分辨率就得實(shí)際測(cè)量一下。
　通過(guò)S12單片機(jī)的定時(shí)器模塊對(duì)單個(gè)脈沖的下降沿和上升沿間隔、兩相鄰脈沖上升沿間隔進(jìn)行計(jì)時(shí)，可得每行信號(hào)和每個(gè)脈沖持續(xù)的時(shí)間[4]。實(shí)際測(cè)得所用攝像頭的時(shí)序參數(shù)見(jiàn)表1。

　從測(cè)試結(jié)果可知，該攝像頭掃描的每場(chǎng)中有320行信號(hào)，其中第23行到310行是視頻信號(hào)，第311行到下一場(chǎng)的第22行是場(chǎng)消隱信號(hào)。在視頻信號(hào)區(qū)，每行信號(hào)持續(xù)的時(shí)間相同，約為62 μs，每行的行同步脈沖持續(xù)時(shí)間也相同，約為4.7 μs。而在場(chǎng)消隱區(qū)，每行持續(xù)的時(shí)間會(huì)有所變化，每行對(duì)應(yīng)的消隱脈沖持續(xù)的時(shí)間，盡管其中大多數(shù)為3.5 μs，但也有變化。在場(chǎng)消隱區(qū)中，第320行的消隱脈沖持續(xù)的時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于其他消隱脈沖的時(shí)間，此脈沖即為場(chǎng)同步脈沖。
2.2.2 視頻同步分離電路
　CCD攝像頭視頻信號(hào)中除了包含圖像信號(hào)之外，還包括了行同步信號(hào)、行消隱信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)、場(chǎng)消隱信號(hào)以及槽脈沖信號(hào)、前均衡脈沖、后均衡脈沖等。因此，若要對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采集，就必須通過(guò)視頻同步分離電路準(zhǔn)確地把握各種信號(hào)間的邏輯關(guān)系。本系統(tǒng)使用了LM1881芯片對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行同步分離，得到行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)。視頻分離電路原理圖見(jiàn)圖2。

2.3 速度檢測(cè)模塊
　對(duì)舵機(jī)1、舵機(jī)2和電機(jī)的控制分別通過(guò)兩路PWM通道。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路[5]采用兩片33886并聯(lián)電路，經(jīng)測(cè)試電機(jī)的加減速效果滿足要求。
要使車能夠快速穩(wěn)定的運(yùn)行，并且控制容易，就需要精確地測(cè)得車的速度，所以要選擇較好的速度傳感器。因此采用了歐姆龍的100線光電編碼器。
　本系統(tǒng)通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的速度檢測(cè)：在小車的車軸上安裝光電編碼器，當(dāng)車軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼器跟隨車輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器輸出正弦波。經(jīng)比較器轉(zhuǎn)化為方波后，就變?yōu)閷?duì)應(yīng)的高低電平，產(chǎn)生脈沖，送給計(jì)數(shù)器模塊。計(jì)數(shù)器捕捉脈沖信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，在特定時(shí)間內(nèi)讀出脈沖總數(shù)，將計(jì)數(shù)值送給單片機(jī)，便可以得到小車的實(shí)時(shí)速度，用以對(duì)小車進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

　Speed_pd=Kp*err1+Kd*（err1-err2）
　其中，err1=Setted_speed-car_speed，err2=Setted_ speed_last-car_speed_last。Setted_speed是給定車速，car_speed是測(cè)速傳感器測(cè)量到的當(dāng)前車速。兩者的先后偏差作為被控量帶入計(jì)算公式，通過(guò)比例系數(shù)　和微分系數(shù)的計(jì)算修正，可得到調(diào)整后的車速。
　日新月異的科學(xué)技術(shù)給智能汽車帶來(lái)了更加光明的發(fā)展前景，使得車輛利用傳感器結(jié)合環(huán)境信息做出最優(yōu)控制策略，實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)行駛。本文介紹了基于單片機(jī)的自動(dòng)循跡停車控制技術(shù)，硬件電路的設(shè)計(jì)及軟件的控制方案。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡停車功能。解決了由停車給人們帶來(lái)的煩惱，并且具有一定實(shí)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉建剛，程磊，黃劍.基于CCD圖像識(shí)別的HCS12單片機(jī)智能車控制系統(tǒng)[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2007，22（6）：53-55.
[2] 狄可可，萬(wàn)燦，貞輝.第二屆全國(guó)大學(xué)生智能車大賽浙江大學(xué)“飛鷹隊(duì)”技術(shù)報(bào)告[R].2007.
[3] 于慶廣，劉葵，王沖，等.光電編碼器選型及同步電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置測(cè)量[J].電氣傳動(dòng)，2006，36（4）：17-20.
[4] 孫闖，閆濤，王珊珊.第六屆全國(guó)大學(xué)生智能車大賽曲阜師范大學(xué)“炫風(fēng)隊(duì)”技術(shù)報(bào)告[R].2011.
[5] 黃智偉．全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程（修訂版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.