【正文】 總體結構圖從系統(tǒng)總體結構框圖可以知道系統(tǒng)由以下幾個部分組成。(1)中央處理器單元中央處理器采用MC9S12XS128芯片，以運算速度很快的CPU12內(nèi)核為核心的單片機，經(jīng)過鎖相環(huán)后，時鐘頻率可達到64MHz，內(nèi)部Flash高至128KB，擁有2組各8路10位A/D、16路I/O口，有功能強大的8位PWM輸出共8路，以及8路16位增強型定時器(ECT)。該單片機功能強大，完全能夠勝任小車的檢測和控制功能。(2)道路識別模塊道路檢測模塊用于完成賽道相對智能車的偏移量、方向、曲率等信息的采集，通過連接線把信息傳送給中央控制單元，使智能車沿著跑道軌跡穩(wěn)定前行，獲取更多、更遠、更精確的賽道信息是提高智能車運行速度的關鍵。(3)電源模塊為各個電路模塊提供穩(wěn)定電源，可靠的電源方案是整個電路穩(wěn)定運行的基礎，電源模塊包含多個穩(wěn)壓電路，將充電電池電壓轉換成各模塊所需要的電壓。(4)舵機驅(qū)動模塊對模型車上的舵機進行驅(qū)動，達到快速準確控制賽車方向。(5)電機驅(qū)動模塊通過電機驅(qū)動模塊，控制驅(qū)動電機兩端電壓可以使模型車加速運行，也對模型車進行制動。(6)速度檢測模塊通過速度檢測模塊對模型車的速度進行檢測，實現(xiàn)閉環(huán)控制，以便調(diào)整彎道和直道的速度，從而提高平均速度，使小車能夠平穩(wěn)快速的跑完全程。智能車的工作模式是：攝像頭探測賽道信息，轉速傳感器檢測當前車速，并將這些信息輸入單片機進行處理。通過控制算法對賽車發(fā)出控制命令，通過轉向舵機和驅(qū)動電機對賽車的運動軌跡和速度進行實時控制。智能車系統(tǒng)根據(jù)檢測到的路況和車速的當前信息，控制轉向舵機和直流驅(qū)動電機，相應地調(diào)整小車的行駛方向和速度；最終的目的是使智能車能快速、穩(wěn)定地按給定的黑色引導線行駛（卓晴，黃開生，邵貝貝，2007）。 小車在行駛過程中會遇到以下兩種路況：(1)當小車由直道高速進入彎道時，轉角方向和車速應根據(jù)彎道的曲率迅速做出相應的改變，原則是彎道曲率越大則方向變化角度越大，車速越低。彎道策略圖如圖8所示。(2)當小車遇到十字交叉路段或是脫離軌跡等特殊情況時，智能車應當保持與上次正常情況一致的方向行駛，速度則相應降低。因此，對智能車的設計，要求具有實時路徑檢測功能和良好的調(diào)速功能。十字交叉段如圖9所示。智能車路徑識別的關鍵在于快速地判斷彎道并快速、準確地響應。智能車行進過程中，從長直道進入連續(xù)彎道時，由于曲率變化很小，此時轉速的設定值較大，加之舵機響應時間的限制，智能車極易脫離軌跡。采用加長轉臂的舵機及合理的路徑搜索算法，可以增強智能車對軌跡的跟隨性能。高速區(qū)低速區(qū)中速區(qū)高速區(qū)圖8 彎道策略圖 圖9 十字交叉段本文主要設計了一個智能車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了快速自動尋跡功能。在硬件上，該系統(tǒng)采用MC9S12XS128單片機為控制核心，車速檢測模塊、舵機控制模塊及直流驅(qū)動電機控制模塊的工作；在控制算法上，采用PID控制算法實現(xiàn)對智能車的舵機轉角和電機轉速的控制。此外，系統(tǒng)還完成了對加長轉臂舵機的控制，實現(xiàn)了轉向伺服電機與車速的配合控制?？刂颇Ｐ蛙嚨霓D向和速度，使其能夠跟隨道路的變化來運行。實現(xiàn)這一目標有兩個難點：一是各種外界干擾因素作用于系統(tǒng)，影響被控對象偏離控制規(guī)律，例如道路變化，檢測信號的噪聲和電池電壓不穩(wěn)等；二是控制對象車模本身的惰性使得被控量變化不能夠靈活自如。為此，需要分析外部擾動以及控制對象的動態(tài)特性。模型車控制系統(tǒng)一般可看作隨動系統(tǒng)，使得模型車跟隨道路的變化而運行，另一方面，模型車在走直線或蛇形線時，也可以看作一個恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠跟隨道路變化而更加平穩(wěn)快速的運行。在設計控制算法時，要既能滿足跟隨系統(tǒng)的動態(tài)特性，同時又能滿足恒值調(diào)節(jié)的穩(wěn)定特性。建立起模型車運動力學模型進行分析過于復雜。為了抓住問題的主要矛盾，需要將模型車的運動規(guī)律進行簡化。首先，當模型車近似沿著道路中心線運行時，改變舵機輸出轉角即可改變模型車前輪轉向，并改變模型車與道路中心線的相對位置，位置的改變量近似等于舵機輸出轉角的隨著距離的積分。 ()其中：d(l)是模型車與道路中心線的偏移量；k是系數(shù)；A(τ)為舵機輸出轉角；X為前輪轉向角度改變量與舵機輸出角度改變量之比。從上面簡化的車模運動模型可以看出，車模與賽道中心線的相對位置是舵機輸出轉角的積分。為此，最簡單的控制規(guī)律可以采用比例負反饋控制，即P控制，使得舵機輸出角的大小正比于模型車與道路位置偏移量，且方向相反。合理選擇比例值的大小即可達到恒值無偏差調(diào)節(jié)，同時又可以將跟隨調(diào)節(jié)的動態(tài)誤差減小到足夠小，滿足小車穩(wěn)定運行的要求。通過上述分析可知僅僅控制模型車以最快的速度運行是不可以的。其主要的因素是小車本身的控制惰性，這個惰性主要來源于控制模型車的前輪轉向的舵機。由于舵機輸出給定角度需要一定的時間延遲，它正比于旋轉角度的大小。該時間延遲使得模型車的動態(tài)性能變差，甚至使得模型車沖出跑道，該特性在設計算法時應該特別重視。依靠簡化的模型，盡量采用軟件方法來解決復雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡潔化，各類功能易于實現(xiàn)，滿足各項的要求。系統(tǒng)的控制方法在具體的算法上，還有許多具體的形式。 離散式PID控制方法單片機實現(xiàn)PID控制，它是一個離散時間控制系統(tǒng)，其參數(shù)可以通過實驗確定，也可采用自整定PID調(diào)節(jié)算法。PID控制器本身是一種基于過去，現(xiàn)在和將來對信息進行估計的簡單控制法。該算法實際是一個非線性控制器，它是根據(jù)偏差，將偏差按比例，積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。根據(jù)PID控制器的原理得知，PID控制器的主要作用是平穩(wěn)的消除系統(tǒng)產(chǎn)生的偏差。根據(jù)賽車的數(shù)學模型，就需要控制舵機將黑線平滑的控制在車的中央。換言之，當黑線不在賽車中央的時候，賽車即產(chǎn)生了一個水平偏差，此時應用PID控制算法來消除這個水平偏差，從而達到讓黑線保持在賽車中央的目的。積分作用可以消除靜差，但積分器可使動態(tài)響應變慢，這對于對實時性要求非常高的小車控制系統(tǒng)來說不適合使用，因此本文沒有使用積分控制，將PID控制簡化為PD控制。 模糊控制方法離散式增量PID控制方法是基于模型車簡化運動模型基礎上，并假設模型車的位置與方向都接近跑道中心線的情況下提出的。模糊控制算法可以看成分段線性化的控制策略。它無需知道被控對象的精確模型，也不必考慮對象的模型過于復雜。它的控制規(guī)律是以前人的經(jīng)驗總結出來的條件語句表示，容易設計掌握，對于被控對象的參數(shù)變化有很強的魯棒性。 賽道記憶方式由于比賽規(guī)則要求車輛在跑道上行駛兩圈，因此車輛第一圈時通過記錄轉速傳感器采集到的脈沖數(shù)、轉向舵機的轉角等信息，來判斷區(qū)分直道、彎道、S彎道以及轉彎的方向與轉彎半徑等等信息。根據(jù)第一圈記錄的數(shù)據(jù)信息，可以對第二圈的各個道路點進行分段處理。直道上采用最高速加速，在進入彎道之前提前進行減速，減至過彎的極限最高車速，對于不同半徑的彎道，選擇不同的車速。路徑記憶算法的優(yōu)勢在于對于復雜的S彎道，可以實現(xiàn)類似CCD探測頭達到的效果，選用小的轉向角度通過，這樣可以大大縮短時間。但是由于賽道信息在比賽前是不公布的，而且現(xiàn)在比賽的賽道越來越復雜，因此采用賽道記憶算法存在很大的風險，一旦出現(xiàn)差池，如賽道材質(zhì)與預賽稍有不同、連續(xù)彎道要求極限過彎車速降低、多個十字賽道交叉等因素影響，賽車可能出現(xiàn)沖出跑道的問題。通過對比以上三種方式的對比，本文首先排除第三種方式，因為由于環(huán)境的不同，比如賽道的質(zhì)量的變化，會大大增加算法的風險。在模糊算法與PID算法中，本文最后選取的是PID算法，雖然模糊算法是一種很好的算法，正如上文所述，但是模糊算法需要較多的時間來調(diào)試和總結，才能達到理想的效果。所以最終決定用PID算法，并且本文在PID算法中加入了bangbang算法，使得該算法的魯棒性更好，性能更佳。3 控制算法仿真與開發(fā)環(huán)境智能小車采用MC9S12XS128芯片作為核心控制單元，該芯片為16位單片機擁有豐富的資源，包括CAN通訊口、BDLC模塊、PWM模塊、ATD模塊、電源管理模塊、BDM模塊等。其中，電源管理模塊是該系列單片機的一個特色，按照需求通過該模塊可以為每個模塊單獨的供電，或可以關掉，以節(jié)約電源；同時該單片機的指令是流水線操作執(zhí)行速度特別的快，其指令執(zhí)行時間與總線的字周期幾乎相等。 for HCS12軟件。該軟件是面向以HC12或S12為CPU的單片機嵌入式應用開發(fā)軟件包。包括集成開發(fā)環(huán)境IDE，處理器專家?guī)?、全芯片仿真、可視化參?shù)顯示工具、項目管理器、C交叉編譯器、匯編器、連接器及調(diào)試器等。在CodeWarrior 軟件中可以使用匯編語言或C 語言，以及兩種語言的混合模式。 主控芯片MC9S12XS128簡介Freescale公司的16位單片機主要分為HC1HCS1HCS12X三個系列。HC12核心是16位高速CPU12核，總線速度8MHZ；HCS12系列單片機以速度更快的CPU12內(nèi)核為核心，簡稱S12系列，典型的S12總線速度可以達到25MHZ（清華大學Freescale MCU/DSP應用開發(fā)研究中心，2010）。HCS12X系列單片機是Freescale 公司于2005年推出的HCS12系列增強型產(chǎn)品，基于S12 CPU內(nèi)核，可以達到25MHz的HCS12的25倍性能?？偩€頻率最高可達40 MHz。S12X系列單片機目前又有幾個子系列：MC9S12XA系列、MC9S12XB系列、MC9S12XD系列、MC9S12XE系列、MC9S12XF系列、MC9S12XH系列和MC9S12XS系列。MC9S12XS128就是S12X系列中的一個成員。大賽組委會所提供了MC9S12XS128開發(fā)板，微控制器MC9S12XS128[16]可以工作在單片方式，也可以通過總線擴展存儲空間和增加I/O接口電路芯片，工作在擴展方式。地址總線20位，數(shù)據(jù)總線16位或8位，地址和數(shù)據(jù)總線占用3個8位并行I/O接口，在單片方式下這24位可做普通I/O接口用。MC9S12XS128有兩個8路10位精度A/D轉換器。MC9S12XS128的脈寬調(diào)制模塊(PWM)可設置成4路8位或者2路16位，邏輯時鐘選擇頻率。MC9S12XS128的串行接口有以下三種。(1)兩個異步串行通信接口模塊SCI；(2)一個I2C總線接口；(3)一個同步串行外設接口SPI。MC9S12XS128有2個具有位輸入信號沿產(chǎn)生中斷、喚醒CPU功能的8位并行口，即16個位輸入通道，這16位也可以設為輸出。 S12 CPU128KB FLASH2個8路10位ADC增強型8路16位定時器8位8路/16位4路PWM2個SCI口3個SPI口I2CJ1850通信口最多5個增強型CAN總線接口12KB RAM4KB EEPROM16位鍵盤喚醒IRQ I/O口圖10 MC9S12XS128B單片機結構組成 最小系統(tǒng)板簡介以MC9S12XS128芯片為核心的最小系統(tǒng)主要包括以下幾部分：時鐘電路、BDM接口、供電電路、復位電路和調(diào)試用LED燈。最小系統(tǒng)板圖如圖11所示。各部分的功能分別如下。(1)時鐘電路時鐘電路為單片機提供一個外接的16HZ的石英晶振。標準的MC9S12XS128單片機的時鐘電路，通過把一個16HZ的外部晶振接到單片機的外部晶振輸入接口EXTAL和XTAL上，讓后利用MC9S12XS128內(nèi)部的壓控振蕩器(VCO)和鎖相環(huán)(PLL)把這個頻率提高到25HZ，使之作為單片機工作的內(nèi)部總線時鐘。(2)BDM接口BDM接口允許用戶通過該接口向單片機下載和調(diào)試程序。BDM接口是連接BDM調(diào)試工具的，其中BDMIN接口是接BDM調(diào)試工具，向MC9S12單片機下載程序使用的。BDMOUT接口是當開發(fā)上的應用程序為BDM調(diào)試器程序時，此接口可以用做BDM調(diào)試器的輸出口。(3)電源電路HCS12單片機的芯片內(nèi)部使用3V電壓，而I/O端口和外部供電電壓為5V。通常需要采用濾波電路改善系統(tǒng)的電磁兼容性，降低系統(tǒng)對電源的高頻干擾。(4)復位電路復位電路是通過一個復位芯片給單片機一個復位信號。復位電路的作用是產(chǎn)生一個低電壓信號給MC9S12XS128的RESET端，使系統(tǒng)上電啟動。通常使用低電壓復位芯片MC34064，使上電復位更加可靠。在系統(tǒng)目標板上通常添加一個手動復位按鈕，方便調(diào)試。(5)調(diào)試用LED燈調(diào)試用LED燈和單片機的PORTK口相連，供程序調(diào)試使用。圖11 最小系統(tǒng)板圖 功能模塊簡介PWM(Pulse Width Modulate)模塊：PWM調(diào)制波有8個輸出通道，每個通道都可以獨立的進行輸出。每個輸出通道都有一個精確的計數(shù)器、一個周期控制寄存器和兩個可供選擇的時鐘源。每個PWM輸出通道都能調(diào)制出占空比從0—100%變化的波形。PWM脈寬調(diào)制波是一種可用程序來控制波形占空比、周期、相位的波形。它在電機驅(qū)動、D/A變換等場合有著廣泛的應用。在要求精度不高的情況下，PWM波可以用作D/A轉換，最簡單的方法就是在PWM輸出口加入一個低通濾波，可以將PWM波轉換成相應的模擬量。本次大賽使用的電機驅(qū)動芯片為BTS7970B，其輸入信號即為一路PWM信號。BTS7970B根據(jù)PWM信號的周期和占空比