摘 要：結(jié)合飛思卡爾杯全國智能汽車大賽，設(shè)計(jì)了一種專為比賽的尋跡智能車。闡述了尋跡智能車模的軟硬件設(shè)計(jì)、控制策略及改進(jìn)方案，使其達(dá)到了智能汽車的實(shí)時(shí)性要求，并已成功應(yīng)用于智能汽車大賽中。
關(guān)鍵詞： 智能車；尋跡；系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在半導(dǎo)體技術(shù)日漸發(fā)展的今天，電子技術(shù)在汽車中的應(yīng)用越來越廣泛，汽車電子化已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。汽車電子是車體汽車電子控制裝置和車載汽車電子控制裝置的總稱。車體汽車電子控制裝置，包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)和車身電子控制系統(tǒng)。
智能車結(jié)合傳感器技術(shù)和自動(dòng)駕駛技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)汽車的自適應(yīng)巡航并把車開得又快又穩(wěn)、安全可靠；汽車夜間行駛時(shí)，如果裝上紅外攝像頭，就能實(shí)現(xiàn)夜晚汽車的安全駕駛；也可以工作在倉庫、碼頭、工廠或者危險(xiǎn)、有毒、有害的工作環(huán)境里，此外還能擔(dān)當(dāng)起無人值守的巡邏監(jiān)視、物料的運(yùn)輸、消防滅火等任務(wù)。在普通家庭轎車消費(fèi)中，智能車研發(fā)也是有價(jià)值的。
本文結(jié)合飛思卡爾杯全國智能汽車大賽的車模設(shè)計(jì), 論述了尋跡智能車模的軟硬件設(shè)計(jì)、控制策略及改進(jìn)方案。
1 智能車機(jī)械電路設(shè)計(jì)
1.1 整車設(shè)計(jì)思路
尋跡智能車所使用的車模是一款帶有差速器的后輪驅(qū)動(dòng)模型賽車。通過自動(dòng)控制器，控制模型賽車在封閉的跑道上自主尋線運(yùn)行。在保證車模運(yùn)行穩(wěn)定（即不沖出跑道）的前提下跑完2圈后，自動(dòng)停止。
尋跡智能車系統(tǒng)主要以 MC9S12DG128單片機(jī)為核心，由傳感器模塊、電源模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制模塊、控制參數(shù)選擇模塊以及一些輔助模塊組成。采用的紅外式光電管和對(duì)射式光電傳感器用以檢測(cè)道路信息和車子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，單片機(jī)經(jīng)過運(yùn)算處理，輸出PWM信號(hào)控制舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)方向和速度的控制。同時(shí)，系統(tǒng)采用各模塊獨(dú)立的電源供電，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過CodeWarrior軟件開發(fā)S12單片機(jī)的功能，PID算法等控制策略有效地控制智能車各個(gè)運(yùn)行時(shí)刻的狀態(tài)［1-2］。系統(tǒng)中各個(gè)模塊之間關(guān)系如圖1所示。
1.1.1 傳感器
(1) 光電傳感器
路徑識(shí)別采用反射式紅外光電傳感器 ，該檢測(cè)方式簡(jiǎn)便、易編程控制。最初設(shè)計(jì)時(shí)，選用獨(dú)立發(fā)射和接收的普通傳感器，在接收管周圍卷上不透光的黑色膠帶以減少干擾。光電管的布局采用“一”字等間距式排列，傳感器前面加有彈性的塑性保護(hù)條，保護(hù)光電管，以及調(diào)試過程中，防止智能車跑出軌道后與其他物體發(fā)生碰撞損壞，重要的是可以減少太陽光照對(duì)傳感器的影響。
由于普通光電傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)需要自己做放大電路，而且檢測(cè)距離有限，最大時(shí)僅為10 cm，瞻仰性能差，只能垂直跑道發(fā)射，這些都是影響智能車車速和反應(yīng)性能的因素。針對(duì)這一問題采用了檢測(cè)距離遠(yuǎn)、內(nèi)部集成有放大電路的光電傳感器。其瞻仰性能好、檢測(cè)黑白線準(zhǔn)確、系統(tǒng)穩(wěn)定，而且其直接輸出開關(guān)量，即TTL電平，這對(duì)提高智能車車速有很好的效果。
(2) 速度傳感器
采用霍爾傳感器作為速度傳感器。在后輪輸出齒輪軸上粘貼小磁鋼片，附近固定一個(gè)霍爾傳感器633。633有3個(gè)引腳，其中2個(gè)是電源和地，第3個(gè)是輸出信號(hào)，只要通過一個(gè)上拉電阻接至5 V電壓，就可以形成開關(guān)脈沖信號(hào)。
1.1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)
模型車后輪采用RS-380SH電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)軸與后輪軸之間的傳動(dòng)比為18：76。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)車模的驅(qū)動(dòng)能力有很大的影響，如果安裝位置不恰當(dāng)，會(huì)大大增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪的負(fù)載。調(diào)整原則是：兩傳動(dòng)齒輪軸保持平行，齒輪間的配合間隙要合適，過松容易打壞齒輪，過緊又會(huì)增加傳動(dòng)阻力，浪費(fèi)動(dòng)力；傳動(dòng)部分要輕松、順暢，不能有遲滯或周期性振動(dòng)現(xiàn)象。判斷齒輪傳動(dòng)是否良好的依據(jù)是聽一下電機(jī)帶動(dòng)后輪空轉(zhuǎn)時(shí)的聲音。聲音刺耳響亮，說明齒輪間的配合間隙過大，傳動(dòng)中有撞齒現(xiàn)象；聲音悶而且有遲滯，則說明齒輪間的配合間隙過小，或者兩齒輪軸不平行，電機(jī)負(fù)載變大。調(diào)整好的齒輪傳動(dòng)噪音很小，并且不會(huì)有碰撞類的雜音。
1.1.3 智能車電源電路
電源模塊是為系統(tǒng)各個(gè)模塊提供所需要的電力支持。設(shè)計(jì)中除需考慮電壓范圍和電流容量問題外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪音、防止干擾和電路簡(jiǎn)單等方面進(jìn)行優(yōu)化?？煽康碾娫捶桨甘钦麄€(gè)電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。
全部硬件電路的電源由7.2 V、2 A/h的可充電鎳鎘電池提供。由于電路中的不同模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此電路模塊應(yīng)該包含多個(gè)穩(wěn)壓電路，將電池電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊需要的電壓。主要包括的電壓值為5 V、6 V和7.2 V電壓。其中5 V電壓主要為單片機(jī)、紅外傳感器、速度傳感器以及部分接口電路供電。為單片機(jī)提供的電源質(zhì)量要求較高，否則容易出現(xiàn)復(fù)位現(xiàn)象。
1.1.4 控制參數(shù)選擇電路
為了適應(yīng)各種賽道，實(shí)現(xiàn)在不同現(xiàn)場(chǎng)和環(huán)境下不對(duì)程序進(jìn)行修改的要求，需要準(zhǔn)備多套控制方案，以便隨時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)跑道形狀、摩擦等實(shí)際情況選擇最佳的方案。為實(shí)現(xiàn)方案選擇功能，設(shè)計(jì)時(shí)在電路母板上使用了撥碼開關(guān)。通過撥碼開關(guān)來控制單片機(jī)選用不同的控制參數(shù)，以達(dá)到最佳的性能和速度。
1.2 微處理器MC9S12DG128B主要功能
MC9S12DG128B是飛思卡爾半導(dǎo)體公司的汽車電子類產(chǎn)品，早在飛思卡爾還沒有從摩托羅拉分離出來前就已經(jīng)誕生了。它屬于飛思卡爾單片機(jī)的S12系列，其內(nèi)核為CPU12高速處理器。MC9S12DG128B擁有豐富的片內(nèi)資源，F(xiàn)lash達(dá)128 KB，加入裁減過的μCOS沒有問題。MC9S12DG128B有16路A/D轉(zhuǎn)換，精度最高可設(shè)置為10位；有8路8位PWM并可兩兩級(jí)聯(lián)為16位精度PWM，特別適合用于控制多電機(jī)系統(tǒng)。它的串行通信端口也非常豐富，有2路SCI、2路SPI，此外還有IIC、CAN總線等端口，并且采用了引腳復(fù)用功能，使得這些功能引腳也可設(shè)置為普通的I/O端口使用。此外它內(nèi)部還集成了完整的模糊邏輯指令，可大大簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)。MC9S12DG128的封裝有2種，一種為80 引腳的，它沒有引出擴(kuò)展總線，且A/D轉(zhuǎn)換只引出了8路；一種為112引腳的，2種都采用了表面貼片式封裝。本設(shè)計(jì)中采用112引腳封裝形式。
1.3 舵機(jī)的改造與安裝
舵機(jī)轉(zhuǎn)向是系統(tǒng)中一個(gè)擁有較大時(shí)間常數(shù)的延遲環(huán)節(jié)。為增快舵機(jī)的響應(yīng)速度，在設(shè)計(jì)上增大了舵機(jī)輸出端的力臂長(zhǎng)度，提高了力臂線速度，從而提高了轉(zhuǎn)向輪的響應(yīng)速度。這樣有2種安裝方式，一是力臂成一定角度放置，舵機(jī)平放；二是力臂平放，舵機(jī)豎直放置，增加靈活度。本設(shè)計(jì)采用舵機(jī)水平放置。
2 控制策略研究與軟件設(shè)計(jì)
2.1 控制策略
由于跑道設(shè)計(jì)黑線寬度是25 mm，而光電管的間距是15 mm。因此，同時(shí)在黑線上的光電管個(gè)數(shù)不會(huì)超過2個(gè)。這樣就可以逐個(gè)分析出有可能出現(xiàn)的各種情況，并且針對(duì)每種情況采取相應(yīng)的控制措施。
對(duì)于智能車來說，根據(jù)接收到的黑線位置信號(hào)來調(diào)整舵機(jī)，根據(jù)速度信號(hào)來控制直流電機(jī)，考慮到智能車有可能因?yàn)樗俣冗^快而偏離黑線較遠(yuǎn)而檢測(cè)不到黑線，致使光電管全部顯示為低電平。解決的方法是使用前一個(gè)狀態(tài)的控制方案，因?yàn)樾≤嚨钠x程度等所有物理量都是連續(xù)變化的，一般不會(huì)出現(xiàn)突變。小車行駛過程中一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)就是速度控制，如果驅(qū)動(dòng)力大于阻力，小車就會(huì)以一定的加速度不斷地加速，速度過高，過彎道時(shí)容易沖出。同理，如果驅(qū)動(dòng)力小于阻力，小車就會(huì)不斷的減速。所以必須讓小車根據(jù)道路的情況來維持相對(duì)應(yīng)的速度［3-5］。
2.2 算法選擇
根據(jù)目前小車的硬件選擇，可以確定系統(tǒng)的穩(wěn)定需要閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)，控制算法的選擇要根據(jù)系統(tǒng)的對(duì)象模型確定。系統(tǒng)要控制的是速度和轉(zhuǎn)向角度，此系統(tǒng)的速度變化十分快。根據(jù)如此情況，可以有以下幾種算法選擇：
算法一：PD 調(diào)節(jié)算法。由于系統(tǒng)有較強(qiáng)的滯后性，通過比例微分調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定。但是沒有積分環(huán)節(jié)，加上系統(tǒng)硬件選型上選用的直流電機(jī)本身是開環(huán)控制，可能會(huì)由于直流電機(jī)的誤差而無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定。
算法二：PID 調(diào)節(jié)算法。在算法中適當(dāng)?shù)丶尤敕e分環(huán)節(jié)以消除余差，但參數(shù)不當(dāng)也可能會(huì)使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)，超調(diào)量加大，系統(tǒng)調(diào)節(jié)更慢。
如果系統(tǒng)是通過頻率來調(diào)節(jié)車速的模型，根據(jù)需要可以用速度式的PID 算法來實(shí)現(xiàn)；如果系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)輸出脈沖的個(gè)數(shù)來調(diào)節(jié)車的位移，則采用增量式PID 運(yùn)算更合適。
速度式PID算法：
其中,kd為微分系數(shù)，kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù)，T 為采樣周期。
2.3 軟件設(shè)計(jì)
基于以上分析，軟件流程如圖2所示。在設(shè)計(jì)時(shí)，采用模塊化編程，主要包括鎖相環(huán)初始化模塊、定時(shí)器初始化模塊、脈寬調(diào)制初始化模塊、模擬/數(shù)字初始化模塊、看門狗初始化模塊、速度調(diào)節(jié)模塊、中斷模塊、停止模塊和控制方案的選擇模塊。
智能車的制作采用一體化處理，將各個(gè)模塊集中在一塊板上，硬件電路簡(jiǎn)單，性能較好，其整車的設(shè)計(jì)效果如圖3所示。小車轉(zhuǎn)向準(zhǔn)確、穩(wěn)定，能夠安全通過各種彎道和十字交叉路口，平均速度可以達(dá)到2 m/s左右。實(shí)現(xiàn)了開機(jī)2 s后自行啟動(dòng)、自動(dòng)尋跡運(yùn)行和自動(dòng)停止在起跑線1 m之內(nèi)。
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