智能車輛是一個集環(huán)境感知,、規(guī)劃決策,、自動駕駛等多種功能于一體的綜合控制系統(tǒng)。“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景,，是涵蓋了控制,、模式識別、傳感技術(shù),、電子,、電氣、計算機,、機械以及車輛工程等多個學科交叉的科技創(chuàng)意性比賽,。本文以此為背景，基于MC9S12xS128單片機設(shè)計了一種智能車系統(tǒng)

　　1 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

　　1.1 系統(tǒng)的總體構(gòu)架

　　系統(tǒng)的硬件框架如圖1所示,。系統(tǒng)以飛思卡爾公司的16位單片機MC9S12XS128為控制核心,，由電源管理模塊、賽道信息采集模塊,、車速檢測模塊,、電機驅(qū)動模塊、舵機控制模塊和調(diào)試模塊組成,。單片機通過電磁傳感器采集道路信息,，根據(jù)算法分析得出此時的智能車與賽道的偏離狀況，然后再據(jù)此采用一定的控制算法控制智能車的舵機轉(zhuǎn)向和直流電機的速度,，從而實現(xiàn)智能車對路徑的自動識別和尋跡,。

　　
圖1 系統(tǒng)地硬件框架圖

　　1.2 MC9S12XS128芯片介紹

　　MC9S12XS128單片機的特點有：采用增強型的16位S12XCPUV2，片內(nèi)總線時鐘可達40MHz；具有128 k的Flash,，8 k的RAM以及8 k的EEPROM存儲器,，具有2個SCI，1個SPI,，1個8通道定時器,，2個8通道可調(diào)轉(zhuǎn)換精度的A／D口，1個8通道的PWM模塊,，91個離散數(shù)字 I／O口,，1個MSCAN模塊。該芯片具有速度快,、功能強,、成本低、功耗低等特點,，能夠?qū)崿F(xiàn)控制電機轉(zhuǎn)速,、舵機響應(yīng)、速度采集,、路徑識別等功能,。

　　2 系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計

　　2.1 電源管理模塊

　　電源管理模塊的功能是對電池進行電壓調(diào)節(jié)，為各個模塊正常工作提供可靠的工作電壓,。設(shè)計中除了考慮電壓范圍和電流容量外,，還要在電源轉(zhuǎn)化效率、降低噪音,、防止干擾等方面進行優(yōu)化,。本系統(tǒng)小車全部硬件電路的電源采用7．2 V、2000mAh鎳鎘蓄電池提供,。由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同,，因此將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成3．3 V、5 V和7．2 V三個檔,，各模塊和電源的關(guān)系圖如圖2所示,。其中采用LM2596—5．0作為5 V的穩(wěn)壓芯片，采用LM2596—3.3作為3．3V的穩(wěn)壓芯片,，電路圖如圖3所示,。

　　
圖2 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　
圖3 電源模塊的電路圖

　　2.2 賽道信息采集模塊

　　賽路信息采集模塊是系統(tǒng)信息輸入的重要來源，相當于智能小車的“眼睛”,，主要負責將小車當前或前面位置的賽道信息輸出給主控芯片處理,；本系統(tǒng)使用4個電磁傳感器采集賽道信息。

　　2.2.1 元件選擇

　　電磁傳感器檢測賽道信息的原理是通過電感和電容組成的LC諧振電路檢測賽道的信號,，然后將檢測到的信號通過運算放大器LM358進行放大,，由于小車需要識別的頻率為20 kHz,，所以在諧振電路中，選取10mH的細繞組電感,、6．8 nF的低頻瓷介電容,。

　　2.2.2 電磁傳感器的排列方式

　　電磁傳感器在小車前方一字形均勻布局簡單排布。這種信息檢測方法相對連貫,、準確,，使控制程序算法簡單，小車運行穩(wěn)定,。傳感器電路圖如圖4所示,。

　　
圖4 傳感器電路圖

　　2.2.3 起跑識別裝置

　　電磁組起跑線安裝的是永久磁鐵，永久磁鐵的數(shù)據(jù)：直徑：7．5-15mm,；高度：1-3mm,；表面磁場強度：3000-5000Gs。磁場檢測電路尚不能夠直接用于檢測起跑線的永磁鐵,，所以選擇干簧管檢測起跑線,。當干簧管置于磁場中時，兩極吸合,，干簧管導通,。如果在其兩端加上限流電阻和電極，就可以實現(xiàn)脈沖輸出到單片機進行中斷控制,，在程序中控制小車的延時,、起跑和停止。干簧管電路如圖5所示,。

　　
圖5 干簧管電路圖

　　2.3 車速檢測模塊

　　本系統(tǒng)選擇日本OMRON公司生產(chǎn)的E6A2CW3C增量式光電編碼器測速。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器由光柵盤和光電檢測裝置組成,。光柵盤與電動機同軸,，電動機旋轉(zhuǎn)時，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉(zhuǎn)速,。該編碼器提供兩相輸出,，體積小，質(zhì)量輕,，線數(shù)多,，能夠滿足需要。另外,，專門選用了齒數(shù)較少的傳動齒輪,，有利于提高編碼器與電機的轉(zhuǎn)速比，使相同速度下采到的脈沖數(shù)更多,，有效提高了速度反饋的精度,。

　　2.4 電機驅(qū)動模塊

　　本系統(tǒng)電機驅(qū)動選擇英飛凌公司的BTS7970B驅(qū)動芯片,，由單片機的PWM模塊發(fā)出不同占空比的PWM信號來控制行進電機的轉(zhuǎn)速。 BTS7970B芯片通過PWM信號開啟關(guān)閉通道,，輸出不同電壓控制行進電機,。由于BTS7970B是半橋芯片，驅(qū)動電路使用兩片BS7970組成一個全橋用以驅(qū)動電機,，驅(qū)動電路原理圖如圖6所示,。

　　
圖6 電機驅(qū)動電路原理圖

　　2.5 舵機控制模塊

　　本系統(tǒng)舵機控制模塊的控制對象是比賽組委會提供的S-D5型數(shù)碼舵機，該舵機可以輸出力矩驅(qū)動智能車轉(zhuǎn)向,。圖7為舵機硬件電路,，其中控制信號線與MC9S12XS128的PWM5相連。

　　
圖7 舵機控制電路圖

　　2.6 調(diào)試模塊

　　使用串行口通信是計算機與人對話最傳統(tǒng),、最基本的方法,，異步通信（UART）接口也稱為通用異步接收器／發(fā)送器。電路圖如圖8所示,。

　　
圖8 無線接線電路圖

　　3 系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計

　　3.1 軟件流程設(shè)計

　　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計基于Metrowerks Code Warrior5．1編程環(huán)境,，使用C語言實現(xiàn)。圖9為控制系統(tǒng)軟件流程圖,。

　　
圖9 控制系統(tǒng)軟件流程圖

　　3.2 賽道識別算法

　　智能車工作時首先通過4個“一”字形排列的電磁傳感器陣列檢測軌跡黑線的當前位置,，然后根據(jù)檢測結(jié)果判斷智能車與軌跡偏離的情況。本系統(tǒng)采用模擬檢測法,。具體算法為：首先,，將AD值做歸一化處理，即根據(jù)各個傳感器接收賽道的最高電壓和最低電壓,，計算出各個傳感器的相對值,，最后來計算賽道中心位置。信號歸一化的方法如下：

　　求取電壓值最大的傳感器位置,，然后和它周圍兩個傳感器采樣值進行加權(quán)計算即求得小車的偏差,。這種算法空間分辨率可以達到2mm，而且受電流變化的影響比較少,，適合小車穩(wěn)定的檢測要求,。

　　3.3 車體控制算法

　　車體控制算法是整個系統(tǒng)的核心，它直接關(guān)系到小車的表現(xiàn),。在經(jīng)過對傳感器信息的處理后,，利用電磁傳感器采集的路徑形狀信息來控制轉(zhuǎn)向舵機和行進電機的輸出量，其中轉(zhuǎn)向舵機采用PD控制算法,，驅(qū)動電機的控制采用PID控制算法,。車速采用閉環(huán)控制，由PID控制器調(diào)節(jié),，其輸入量為目標速度值與當前速度值的差值,，目標速度根據(jù)當前的路況信息以及路況更迭信息確定,，PID調(diào)節(jié)器的輸出即為與行進電機轉(zhuǎn)速成比例的數(shù)值，經(jīng)處理后,，得到與所需速度相對應(yīng)的PWM脈寬信號,。根據(jù)賽道的不同路況信息，系統(tǒng)采用不同的速度給定值,，并且在同一路況下,，根據(jù)小車水平偏差量和水平偏差速度對速度給定值進行修正，保證其平穩(wěn)而快速地行駛,。

　　4 結(jié)束語

　　本文介紹了應(yīng)用Freescale16位單片機MC9S12XS128實現(xiàn)自動巡線智能車的控制系統(tǒng)設(shè)計,。經(jīng)多次調(diào)試運行，該智能車在正確尋跡的前提下,，彎道速度可以達到1．5m／s,，而在直道上，智能車的速度可以達到2m／s,，表明系統(tǒng)設(shè)計可靠,，智能車運行良好。