【導(dǎo)讀】能自動(dòng)化技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)在汽車上的應(yīng)用。是現(xiàn)代汽車發(fā)展的方向。來處理信號(hào)和控制小車行駛。MC9S12系列單片機(jī)在汽車電子控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)。本課題就是利用Freescale的MC9S12XS128微控制器對智能車系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)。硬件系統(tǒng)使用專門軟件。硬件電路系統(tǒng)主要包括freescale單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源管理。機(jī)的初始化、PID控制算法、路徑識(shí)別算法、舵機(jī)控制算法、速度控制算法。設(shè)計(jì)是用Freescale公司的Codewarrior軟件作為軟件開發(fā)和仿真下載的平臺(tái)。后完成了整個(gè)自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)。第2章控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì).

　　

【正文】 能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 IN13IN219CCP17FS2AGND1PGND9PGND10PGND11PGND12OUT16OUT17OUT214OUT215VP34VP35VP316D213D118K1MC33886IN13IN219CCP17FS2AGND1PGND9PGND10PGND11PGND12OUT16OUT17OUT214OUT215VP34VP35VP316D213D118K2MC3386R791K3R801K3A+MG1MOTOR SERVOC647PFC747PFCaVCCPWM5PWM3+5v 圖 64 MC33886 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖 PWM 信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，通常配合橋式驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速，非常簡單，且調(diào)速范圍大，它的原理就是直流斬波原理。 電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的速度與占空比成比例，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快，當(dāng)占空比α ＝ 1 時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大。 PWM 控制波形的實(shí)現(xiàn)可以通過模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，例如用 555 搭成的觸發(fā)電路，但是，這種電路的占空比不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，不能用于自動(dòng)控制小車的調(diào) 速。而目前使用的大多數(shù)單片機(jī)都可以直接輸出這種 PWM 波形，或通過時(shí)序模擬輸出，最適合小車的調(diào)速。我們使用的 組委會(huì)提供 單片機(jī)，它是 16 位單片機(jī)，可提供 8 路 PWM 直接輸出，頻率可調(diào)，占空比可調(diào)，控制電機(jī)的調(diào)速范圍大，安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 使用方便。單片機(jī)有 多 個(gè) I/O 口， 內(nèi)部設(shè)有 2 個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器，完全可以模擬任意頻率、占空比隨意調(diào)節(jié)的 PWM 信號(hào)輸出，用以控制電 機(jī)調(diào)速。 在實(shí)際制作過程中， 個(gè)人 認(rèn)為控制信號(hào)的頻率不需要太高，一般在 400Hz 以下為宜，占空比 16 級(jí)調(diào)節(jié)也完全可以滿足調(diào)速要求，并且在小車行進(jìn)的過程中，占空比不應(yīng)該太高，在直線前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎 的時(shí)候應(yīng)該區(qū)別對待。若車速太快，則在 轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，方向不易控制；而車速太慢，則很浪費(fèi)時(shí)間。這時(shí)可以根據(jù)具體情況慢慢調(diào)節(jié)。 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。 舵機(jī)本身是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，一般由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì) 5k、直流電機(jī)、控制電路等組成。 其工作原理是：控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為 20ms，寬度為 的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為 0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 舵機(jī)的控制工作原理如圖 65 所示： 安放：基于光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 圖 65 舵機(jī)工作原理示意圖 舵機(jī)接口一般采用三線連接方法，黑線為電源地線，紅線為電源線，一般采用兩種標(biāo)準(zhǔn)： 和 6V。另外一 根連線藍(lán)線或黃線為控制信號(hào)線。控制信號(hào)是周期在 20ms 左右的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的寬度決定舵機(jī)輸出舵盤的角度。舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與控制信號(hào)脈寬之間的關(guān)系如下圖 66： 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 圖 66 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與控制信號(hào)脈寬之間關(guān)系 控制信號(hào) 采用 PWM（ Pulse Width Modulate） 脈寬調(diào)制波，在特定的頻率和占空比 下 轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)特定的角度 。下面的 圖 67描述了在不同占空比的條件下，轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)所轉(zhuǎn)過的角度 ，而圖 67給出了量化后的結(jié)論。 安放：基于光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 圖 67 不同占空比的 PWM波形控制的 轉(zhuǎn)向伺服電機(jī) 狀態(tài)圖 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 圖 68 轉(zhuǎn)向伺服電機(jī) 控制方法圖 由于小車前輪轉(zhuǎn)向只能在 45? 度范圍內(nèi)，所以用于小車轉(zhuǎn)向的 PWM 波的占空比范圍為 5%10%之間，右轉(zhuǎn)極限位置時(shí) PWM 波占空比為 5%，左轉(zhuǎn)極限占空比為 10%，頻率為 50HZ。在了解了轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的控制方法后，利用單片機(jī)的PWM 通道產(chǎn)生相應(yīng)頻率和占空比的 PWM 波形即可實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對小車轉(zhuǎn)向的控制。 MC9S12XS128 單片機(jī)中有 8 路獨(dú)立的 PWM 輸出端口，可以將其中相鄰的 2 路 PWM 輸出級(jí)聯(lián)成一個(gè) 16 位的 PWM 輸出。在單片機(jī)總線頻率為 24MHz 的時(shí)候，設(shè)置級(jí)聯(lián) PWM 周期常數(shù)為 60000，對應(yīng) PWM 周期為 20ms， PWM 占空比常數(shù)為 4500 對應(yīng)輸出為 。改變占空比常數(shù)可以改變輸出脈沖的寬度。 在本次設(shè)計(jì)中，采用 SRM102 型舵機(jī)，工作電源為 6V。 SRM102 型舵機(jī)響應(yīng)速度為 。 該舵機(jī)的控制模塊為系統(tǒng)提供舵機(jī)控制功能，包括舵機(jī)初安放：基于光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28 始化子程序，舵機(jī)停止控制子程序，舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度控制子程序；系統(tǒng)通過在主程序里調(diào)用這 些子程序?qū)崿F(xiàn)對舵機(jī)的控制。 舵機(jī)初始化子程序?qū)崿F(xiàn)初始化單片機(jī) PWM 模塊的相應(yīng)通道，使得該通道輸出 PWM 波頻率為 520Hz，同時(shí)設(shè)置 PWM 極性即起始電平為高電平。 舵機(jī)停止控制子程序用來停止舵機(jī)動(dòng)作，并恢復(fù)其到初始狀態(tài)，具體實(shí)現(xiàn)方法為設(shè)定通道輸出 PWM波的高電平時(shí)間為 ，并延時(shí)一段時(shí)間后關(guān)閉 PWM輸出。 舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度控制子程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)定 PWM調(diào)制波的脈寬，使其高電平寬度從~ ~，所對應(yīng)舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度為 38176。 ~0176。 ~ 38176。 下圖 69 表示了舵機(jī)控制模塊的工 作過程 ： 圖 69 舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制模塊程序流程圖 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 第 7 章 智能車軟件的設(shè)計(jì) 車輛之所以能實(shí)現(xiàn)智能行駛，自動(dòng)駕駛，居于核心地位是控制算法。隨著微控制器技術(shù)的發(fā)展，控制器的資源愈加豐富，功能日趨強(qiáng)大，為實(shí)現(xiàn)更高智能的控制算法提供了良好的平臺(tái)。 本設(shè)計(jì)采用的是基于光電傳感器的設(shè)計(jì)方案。軟件的設(shè)計(jì)中，程序的主流程是：先完成單片機(jī)的初始化（包括 I/O 模塊、 PWM 模塊、計(jì)時(shí)器模塊、定時(shí)中斷模塊初始化）之后，通過無限循環(huán)語句不斷的重復(fù)執(zhí)行路徑檢測程序、數(shù)據(jù)處理程序、控制算法程序、舵機(jī)輸出及驅(qū)動(dòng)電機(jī) 輸出程序。其中定時(shí)中斷用于檢測小車當(dāng)前速度，作為小車速度閉環(huán)控制的反饋信號(hào)。光電傳感器方案主流程圖如圖 71 所示： 圖 71 光電傳感器方案主程序流程圖 開始 MCU 初始化 定時(shí)中斷使能 啟動(dòng)定時(shí)器 實(shí)時(shí)路徑檢測 路徑識(shí)別算法 舵機(jī)控制算法 舵機(jī)控制信號(hào)輸出 定時(shí)中斷否 速度采樣 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制信號(hào)輸出 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 控制算法 安放：基于光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 30 單片機(jī)初始化 單片機(jī)初始化主要包括鎖相環(huán)初始化、 I/O 端口初始化、 PWM 初始化、定時(shí)中斷的初始化、輸入捕捉通道初始化、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊初始化，以及各種變量和常量初始化。 以下列出幾種初始化代碼： 1. 鎖相環(huán)初始化 鎖相環(huán)即 PLL 技術(shù)，通過設(shè)置鎖相環(huán)可以改變單片機(jī)的時(shí)鐘頻率。 void PLL_init(void) // 系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化，因當(dāng)時(shí)摸索欠考慮，時(shí)鐘初始化比較亂，需要改進(jìn) { CLKSEL_PLLSEL=0。 //選定外部時(shí)鐘，為 1 時(shí)選擇鎖相環(huán)時(shí)鐘 時(shí)鐘選擇寄存器初始化 CLKSEL=0 。 //選擇外部晶振為時(shí)鐘源 PLLCTL_PLLON=0。 //鎖相環(huán)電路禁止； PLLCTL_PRE=1。 //實(shí)時(shí)中斷允許 PLLCTL_PCE=1。 //允許看門狗 PLLCTL_AUTO=1。 //選擇高頻寬帶控制 PLLCTL_SCME=1。 //探測到外部時(shí)鐘失效時(shí)產(chǎn)生自給時(shí)鐘信號(hào) SYNR=8。 //時(shí)鐘合成寄存器初始化 REFDV=0X07。 //時(shí)鐘分頻寄存器初始化 與上句為做實(shí)驗(yàn)時(shí)確定的參數(shù)與理論參數(shù)有差距，可重新設(shè)置 //CLKSEL_PLLSEL=1 。 //選定鎖相環(huán)時(shí)鐘 此句被注解掉 PLLCTL_CME=1。 //時(shí)鐘監(jiān)控允許 鎖相環(huán)控制寄存器初始化 PLLCTL_PLLON=1。 while(!CRGFLG_LOCK)； //循環(huán)直到該位為 1 即時(shí)鐘頻率已穩(wěn)定， CLKSEL_PLLSEL=1。 //選定鎖相環(huán)時(shí)鐘 } 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 2. PWM 初始化 PWM 初始化主要包括以下 6 個(gè)步驟：禁止 PWM；選擇時(shí)鐘；選擇極性；選擇對其模式；對占空比和周期編程；使能 PWM 通道。 void PWM_init(void) //脈寬調(diào)制模塊的初始化。參考中文 PPT { PWME=0。 //關(guān)閉 PWM PWMCNT01=0。 //01 通道被禁止 PWMCTL_CON01=1。 //01 共 同組成 16 位通道作為舵機(jī)的控制信號(hào)輸入口 為 1級(jí)聯(lián)為 0 分開 PWMCTL_CON45=0。 //分別組成 8 位通道 分別為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的輸入口 PWMCTL_PSWAI=1。 //不準(zhǔn)許等待模式下分頻時(shí)鐘禁止運(yùn)行 PWMCTL_PFRZ=1。 //不準(zhǔn)許冷結(jié)模式下 PWM 波形輸出 PWMPOL=0X03。 //對應(yīng)通道脈沖起始位為高電平 極性為 1 PWMCLK=0X33。 //0 45 分頻 PWMPRCLK=0X03。 //A_CLOCK=BUS_CLOCK/8=3MHZ PWMSCLA=15。 // 比例因子寄存器設(shè)置 PWM 寄存器的工作頻率 SA_CLOCK=A_CLOCK/2*15=100KHZ PWMCAE=0X00。 //輸出波形左對齊，否則中心對齊 PWMDTY01=80。 //初始化時(shí)可任意設(shè)置 PWMPER01=2021。 //設(shè)置 PWM01 通道頻率 100KHZ/2021=50HZ PWMPER4=20。 //設(shè)置 PWM4 頻率為 5KHZ PWMPER5=20。 PWMDTY5=10。 PWMDTY4=15。 // 占空比為 15： 20 初始化時(shí)可任意設(shè)置 PWME=0X13。 //使能 PWM } 安放：基于光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32 3. 定時(shí)器初始化 定時(shí)器初始化主要用于產(chǎn)生周期中斷以進(jìn)行速度采集，其初始化主要包括：設(shè)定預(yù)訂分頻系數(shù)；定時(shí)器溢出中斷使能；定時(shí)器使能。 void ini_Timer(void) { TSCR2_PR=7。 // 128 預(yù)分頻 TIOS=0b00000100； TCTL2=0b00010000； //設(shè)置通道 2 為輸出模式 TCTL4=0b00001