1、 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
2、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 PWM1 - Abstract This paper mainly introduces the hardware and software of the control system of intelligent car design and development process. The simple m
3、odels system working principle is to collect infrared sensor mcu return circuit information, through the corresponding operation, the software judge its effectiveness, combining control algorithm with dynamic steering gear control, reasonable front wheel steering gear control rudder values steering,
4、mcu and then presents the right PWM waves occupies emptiescompared to control motor speed. Car design includes hardware circuit and software control design of two parts. The smart car system adopts the idea of modular design, complete the hardware circuit design, and its main including core control
5、module, power management module, motor driver module, steering gear control module, speed detection module, path recognition module, etc.This system to MC9S12DG128 as control core, M68HC12 series MC9S12DG128 microcontroller is one of 16 bit mcu, its internal structure is mainly a mcu basic parts and
6、 CAN function blocks parts. In order to improve the operation of the system performance, the steering control strategy and speed closed-loop control strategies and rear wheel drive strategy of PID control algorithm is a detailed analysis and design. On this basis, completed the specific software sys
7、tem design and implementation. Key word: modular PID MCU PWM 河南理工大学毕业设计说明书 目录 1 绪论 . 1 1课题研究背景和意义 . 1.2 国内外研究现状 . 1.3 论文主要内容及结构 . 2 智能车硬件电路设计 . 2.1 设计目标 . 2.2 控制芯片 MC9S12DG128 电路设计 . 2.2.1 晶振及锁相环 . 2.2.2 复位电路 . 2.2.3 I/O口分配 . 2.3 电源管理单元 . 2.4 路径识别单元 . 2.5 车速检测模块 . 2.6 舵机控制单元 . 2.7 直流驱动电机控制单元 . 3 智能车
8、软件设计 . 3.1 路径的检测 . 3.2 转角的控制 . 3.3 车速的控制 . 3.3.1 模糊 控制设定速度 . 3.3.2 PID 控制调整速度 . 4 总结 . 致谢 . 30 河南理工大学毕业设计说明书 参考文献 . 31 附录 A 程序代码 . 32 1 - 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，
9、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
10、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。 河南理工大学毕业设计说明书 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
11、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
12、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
13、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河南理工大学毕业设计说明书 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
14、、磁罗盘光码盘定位、 GPS、超声等传感器。计算机系统采用 Sun Spark 10 l台、 PC-486 2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
15、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
16、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； 第三章为智能河南理工大学毕业设计说明书 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
17、；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。 河南理工大学毕业设计说明书
18、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
19、 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河南理工大学毕业设计说明书 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，
20、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 电源管理单元 路径 识别电路 车速检测 HCS12 芯片 舵机控制单元 驱动电机控制
