【正文】 e circuit, using TPS7350 and LM1117 as stabilizing circuit core chip and posed of E6A2CS3C encoder speed software system includes the path recognition module algorithm. This system makes use of the development tools of CodeWarrior programming, to download program with BDM, the online debugging using the serial transmission of data. The system achieves the basic path identification function, in the actual test, the car is good to plete inspection driving task.Key words: smart car control system PID algorithm running on the runway目 錄1 前言 1 課題的目的和意義 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 國外研究現(xiàn)狀 1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 32 智能小車控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4 4 6 8 離散式PID控制方法 8 模糊控制方法 9 賽道記憶方式 93 控制算法仿真與開發(fā)環(huán)境 10 主控芯片MC9S12XS128簡介 10 最小系統(tǒng)板簡介 11 功能模塊簡介 12 開發(fā)軟件簡介 13 BDM調(diào)試器的使用 13 Hiwave初始化參數(shù)設(shè)置 13 程序下載 15 程序調(diào)試 174 功能模塊的設(shè)計(jì)原理與流程圖 17 路徑識(shí)別模塊 18 PID控制算法介紹 19 位置式PID控制算法 20 增量式PID控制算法 21 PID參數(shù)整定 21 舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制 22 速度的閉環(huán)控制 23 閉環(huán)速度控制 23 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PID控制算法 23 剎車功能的實(shí)現(xiàn) 245 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與速度反饋模塊 25 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案的對比與選擇 25 MOSFET組成的半橋驅(qū)動(dòng) 25 MOSFET組成的全橋驅(qū)動(dòng) 26 BTS7970B組成的全橋驅(qū)動(dòng) 26 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì) 27 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BT7970B簡介 27 隔離芯片74LS244B簡介 28 基于BTS7970B的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 29 速度檢測模塊方案的對比與選擇 30 速度檢測模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì) 31 歐姆龍E6A2編碼盤簡介 31 編碼盤的安裝和使用方式 326 模塊調(diào)試及開發(fā)軟件的使用與調(diào)試 33 模塊調(diào)試 33 PWM模塊調(diào)試 33 無線模塊調(diào)試 34 總體調(diào)試 35 開發(fā)軟件的使用與調(diào)試 35 開發(fā)軟件的使用 35 調(diào)試過程 357 總結(jié) 36參 考 文 獻(xiàn) 37附 錄 38致 謝 46 畢業(yè)設(shè)計(jì)成績評(píng)定表I1 前言 課題的目的和意義本課題的是基于全國大學(xué)生飛思卡爾智能車競賽的背景，該競賽是教育部舉辦的五大賽事之一，其主要目的是加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)。軟件系統(tǒng)部分主要包括與路徑識(shí)別系統(tǒng)相關(guān)模塊的算法。圖1 “斯坦利”行駛圖2006年德國舉辦了歐洲陸地機(jī)器人競賽(European Land Robot Trial，簡稱(ELROB)),德國的參賽車“途銳”取得了冠軍。圖4 第七屆飛思卡爾智能車大賽光電組小車圖5 第五屆飛思卡爾智能車大賽攝像頭組小車圖6 第七屆飛思卡爾智能車大賽電磁組小車2 智能小車控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)智能小車控制系統(tǒng)既要滿足隨動(dòng)系統(tǒng)要求，也要滿足恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)要求。通過控制算法對賽車發(fā)出控制命令，通過轉(zhuǎn)向舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)對賽車的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。模型車控制系統(tǒng)一般可看作隨動(dòng)系統(tǒng)，使得模型車跟隨道路的變化而運(yùn)行，另一方面，模型車在走直線或蛇形線時(shí)，也可以看作一個(gè)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(yùn)行。PID控制器本身是一種基于過去，現(xiàn)在和將來對信息進(jìn)行估計(jì)的簡單控制法。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(shí)間來調(diào)試和總結(jié)，才能達(dá)到理想的效果。MC9S12XS128有兩個(gè)8路10位精度A/D轉(zhuǎn)換器。復(fù)位電路的作用是產(chǎn)生一個(gè)低電壓信號(hào)給MC9S12XS128的RESET端，使系統(tǒng)上電啟動(dòng)。該軟件包括集成開發(fā)環(huán)境IDE，處理器專家?guī)臁⑷酒抡?、可視化參?shù)顯示工具、項(xiàng)目管理器、C交叉編譯器、匯編器、連接器及調(diào)試器等（hunter_xiaobao，2012）。下載程序之前必須通過Hiwave對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，否則會(huì)使Flash擦除不成功，甚至導(dǎo)致Flash保護(hù)等錯(cuò)誤。主程序和中斷子程序框圖分別如圖19所示和圖20所示。PID 控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。控制增量△u(k)的確定僅與最近 k 次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。 ()使用BangBang控制結(jié)合PID，賽車速度能被準(zhǔn)確地控制在設(shè)定速度上，時(shí)間響應(yīng)快。高速運(yùn)行的賽車剎車時(shí)，對電機(jī)施加一個(gè)反向電流，在電機(jī)內(nèi)部磁場發(fā)生反向，使轉(zhuǎn)子收到很大的磁力矩作用，迅速減速并反轉(zhuǎn)。BTS7970B電路圖如圖27所示，其中，PWM1_OUT為0時(shí)，PWM2_OUT輸出脈沖，電機(jī)正轉(zhuǎn)，智能車加速；PWM2_OUT為0時(shí)，PWM1_OUT輸出脈沖，電機(jī)反轉(zhuǎn)，小車剎車。圖31 驅(qū)動(dòng)電路原理圖圖32 驅(qū)動(dòng)電路PCB圖圖33 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)物圖 速度檢測模塊方案的對比與選擇速度檢測電路的基本原理為：在很短的時(shí)間內(nèi)，通過光電傳感器來測量固定在后輪的軸上的碼盤通過的孔數(shù)，輸送到單片機(jī)的脈沖累加器外部引腳，經(jīng)過換算計(jì)算出智能車的實(shí)際速度，為速度PID控制環(huán)節(jié)提供可靠的數(shù)據(jù)。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)(幾十個(gè)到幾千個(gè)都有)，和供電電壓等。為檢驗(yàn)該模塊功能正常，可以在軟件控制單片機(jī)往該模塊發(fā)送預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)，如果接收端的無線模塊接收的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)一致，則表明該模塊的功能正常。在CodeWarrior 界面完成程序編譯后，通過BDM工具，將程序下載到MC9S12XSG128微處理器中，然后進(jìn)行小車的調(diào)試。 //積分常數(shù)Integral Const double Derivative。 REFDV=0X80 | 0X01。 //定時(shí)器通道0使能 PITMTLD0=2401。CH2367選擇clock SB做時(shí)鐘源 PWMPER01=12000。 //增量計(jì)算 iIncpid = sptrProportion * iError //E[k]項(xiàng) sptrIntegral * sptrLastError //E[k－1]項(xiàng) + sptrDerivative * sptrPrevError。) { if (g_Flagamp。 g_CurrentVelocity=0。 //積分常數(shù)Integral Const sptrDerivative =D_DATA。ClockB 8分頻=BusClock/8=6MHz PWMSCLA = 0x03。 //使能PA,門計(jì)數(shù)模式,上升沿,中斷禁止 0101 0000 //TIE = 0x03。unsigned char vTmpPIT=0。但是仍有許多地方需要完善，比如如果采用攝像頭CCD傳感器會(huì)使前瞻距離更大，能更快檢測到賽道，使小車能提前控制轉(zhuǎn)向，減小滯后性，快速平穩(wěn)的行駛完賽道等等。 調(diào)試過程、基本功能，并有針對性地學(xué)習(xí)和掌握這次小車上用到的幾個(gè)模塊，重點(diǎn)掌握的模塊有PWM、定時(shí)器模塊、電源模塊等。 PWM模塊調(diào)試為檢驗(yàn)PWM模塊子程序，可以編寫PWM 波形子程序來控制波形占空比，周期，相位的波形。設(shè)定單片機(jī)的ECT模塊為脈沖累加功能，檢測信號(hào)的上升沿，就能采集這些脈沖，便得到得到當(dāng)前的車速。驅(qū)動(dòng)芯片是噪聲元件,容易造成反向電流,很有可能反向電流會(huì)擊穿I/O口，所以加上74LS244B作為隔離芯片更為妥當(dāng)。圖26 MOS管組成的全橋驅(qū)動(dòng)原理圖 BTS7970B組成的全橋驅(qū)動(dòng)采用兩個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)芯片BTS7970B構(gòu)建的全橋驅(qū)動(dòng)電路，它具有內(nèi)阻小、轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。使用該方法需要增加兩個(gè)伺服電機(jī)，如果左右剎車量不一致，賽車就會(huì)發(fā)生偏移，所以需要對左右輪車速進(jìn)行分別測試，并結(jié)合賽車轉(zhuǎn)向情況綜合計(jì)算，系統(tǒng)較為復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)。 速度的閉環(huán)控制 閉環(huán)速度控制賽車在賽道上隨不同賽道情況負(fù)載隨時(shí)變化，如果單純地給定固定的PWM占空比進(jìn)行開環(huán)控制，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間長，因此使用開環(huán)控制調(diào)速效果較差。 增量式PID控制算法對位置式加以變換，可以得到PID算法的另一種實(shí)現(xiàn)形式(增量式)： ()在實(shí)際代碼實(shí)現(xiàn)時(shí)，處理成： ()增量式 PID 具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可用邏輯判斷的方法關(guān)掉。 PID控制算法介紹在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 Memory：顯示內(nèi)存數(shù)值。也可以通過單擊【TBDML HCS12】菜單的【Select Derivative】實(shí)現(xiàn)。大獎(jiǎng)賽中使用的舵機(jī)也是用PWM來控制的。BDMOUT接口是當(dāng)開發(fā)上的應(yīng)用程序?yàn)锽DM調(diào)試器程序時(shí)，此接口可以用做BDM調(diào)試器的輸出口。S12X系列單片機(jī)目前又有幾個(gè)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。直道上采用最高速加速，在進(jìn)入彎道之前提前進(jìn)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。該時(shí)間延遲使得模型車的動(dòng)態(tài)性能變差，甚至使得模型車沖出跑道，該特性在設(shè)計(jì)算法時(shí)應(yīng)該特別重視。此外，系統(tǒng)還完成了對加長轉(zhuǎn)臂舵機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)與車速的配合控制。(4)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊對模型車上的舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，達(dá)到快速準(zhǔn)確控制賽車方向。比賽計(jì)時(shí)由電子計(jì)時(shí)器完成并實(shí)時(shí)在屏幕顯示，最終成績?nèi)Q于賽車最快單圈時(shí)間、技術(shù)報(bào)告評(píng)分以及賽車沖出賽道次數(shù)的綜合評(píng)判。整個(gè)賽道有急轉(zhuǎn)彎、隧道、路口還有山路，比賽要求參賽車輛能夠自主完成全部路程。本智能小車以飛思卡爾公司的16位單片機(jī)MC9S12XS128B為核心控制器，利用CMOS視頻傳感器采集路況信息，配合速度傳感器、電機(jī)、舵機(jī)、電池等組成的電路進(jìn)行信息處理，以達(dá)到路徑識(shí)別的目的，控制模型車高速穩(wěn)定地在跑道上行駛。進(jìn)入21世紀(jì)，為促進(jìn)無人駕駛車輛的研發(fā)，美國國防部高級(jí)研究項(xiàng)目局(DARPA) 從2004年起開始舉辦機(jī)器車挑戰(zhàn)大賽(Grand Challenge)。德國寶馬公司也提供了不菲的資助，邀請3名獲獎(jiǎng)學(xué)生到德國寶馬公司研究所訪問，2005年SUNMOON大學(xué)的參賽者獲得了這一殊榮，圖3為他們設(shè)計(jì)的智能車模型（黃開勝，金華民，蔣狄南，2006）。該單片機(jī)功能強(qiáng)大，完全能夠勝任小車的檢測和控制功能。采用加長轉(zhuǎn)臂的舵機(jī)及合理的路徑搜索算法，可以增強(qiáng)智能車對軌跡的跟隨性能。通過上述分析可知僅僅控制模型車以最快的速度運(yùn)行是不可以的。它的控制規(guī)律是以前人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的條件語句表示，容易設(shè)計(jì)掌握，對于被控對象的參數(shù)變化有很強(qiáng)的魯棒性。HC12核心是16位高速CPU12核，總線速度8MHZ；HCS12系列單片機(jī)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(dá)到25MHZ（清華大學(xué)Freescale MCU/DSP應(yīng)用開發(fā)研究中心，2010）。標(biāo)準(zhǔn)的MC9S12XS128單片機(jī)的時(shí)鐘電路，通過把一個(gè)16HZ的外部晶振接到單片機(jī)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(gè)頻率提高到25HZ，使之作為單片機(jī)工作的內(nèi)部總線時(shí)鐘。在要求精度不高的情況下，PWM波可以用作D/A轉(zhuǎn)換，最簡單的方法就是在PWM輸出口加入一個(gè)低通濾波，可以將PWM波轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。(3)選擇BDM接口標(biāo)準(zhǔn)，如圖14所示，【Component】菜單中【Set Target…】選項(xiàng)。在對攝像頭的調(diào)試中，能查看所有采集點(diǎn)的對應(yīng)數(shù)值，從而找出對應(yīng)的黑線位置。第二次開始搜索時(shí)，就不全掃描了，在上一行的兩個(gè)基點(diǎn)位置，對本行的黑線進(jìn)行搜索，往外搜3個(gè)點(diǎn)(搜索范圍越小，抗干擾性越高，但容易丟失，所以搜索范圍要適當(dāng))。 位置式PID控制算法位置式 PID 中，由于計(jì)算機(jī)輸出的 u (k) 直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如閥門)，u(k)的值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置(如閥門開度)是一一對應(yīng)的，所以通常稱公式()為位置式 PID 控制算法。所以本文對P參數(shù)進(jìn)行了非線性處理，即非線性PD控制算法，其策略如下：(1) 將積分項(xiàng)系數(shù)置零，相比穩(wěn)定性和精確性，舵機(jī)在這種隨動(dòng)系統(tǒng)中對動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的要求更高。為了盡量提高直道上的車速并保持入彎后車速足夠安全，賽車必須能在最短時(shí)間內(nèi)剎車。我們采用的MOS管是IRF7832，內(nèi)阻4 mΩ，承載電流1620A ，與一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯MC33886 內(nèi)阻120mΩ，承載電流5A 相比，至少加速性能遠(yuǎn)勝于MC33886，同時(shí)獲取足夠的驅(qū)動(dòng)電流，還可以采用多片并聯(lián)的方式。圖28 BTS7970BBTS7970引腳介紹如表1所示。同理排除光電傳感器的直射型方案。圖35 速度傳