【導(dǎo)讀】隨著汽車的普及，智能汽車及其相關(guān)技術(shù)的研究己經(jīng)成為熱門。國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽為背景，設(shè)計(jì)制作了智能車控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高。塊、LCD數(shù)據(jù)顯示模塊以及調(diào)試輔助模塊組成。系統(tǒng)主控制核心采用freescale16位單片機(jī)MC9S12DG128B。CodeWarrior軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成的，采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程，型，在工業(yè)中有著很廣泛的應(yīng)用。在路徑識(shí)別模塊，系統(tǒng)利用了freesacleS12. 系列單片機(jī)提供的模糊推理機(jī)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)在軟硬件方面都。采用了抗干擾技術(shù),包括光電隔離技術(shù)、電磁兼容性分析、數(shù)字濾波技術(shù)等。

　　

【正文】 率為38kHz 的脈沖調(diào)制紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由前放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理。然后，通過再通濾波器進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)由解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)。最后，由輸出級(jí)電路進(jìn)行反向放大輸出。 xxxx 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ２３ hs0038a 接收的紅外信號(hào)與單片機(jī)的輸入捕捉口相接，單片機(jī)通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的采集、處理。 故障診斷模塊 智能車 內(nèi)部 有 一 些模塊容易出現(xiàn)故障，當(dāng)小車出現(xiàn)故障時(shí)候，也不是很容易查找?；?這 種情況，可以看出在小車上設(shè)計(jì)一個(gè)故障診斷模塊是很必要的。 小車的故障 診斷模塊診斷原理也很簡(jiǎn)單，就是利用單片機(jī)的 SCIO 口，通過RS232 接口與上位機(jī)連接起來。通過軟件編程，小車不斷的向上位機(jī)發(fā)送代碼，通過故障代碼就可以馬上診斷出故障源。 xxxx 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ２４ 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)完硬件系統(tǒng)后，接下來設(shè)計(jì)軟件，在智能車控制系統(tǒng)中，軟件系統(tǒng)主要有以下幾部分 :路徑識(shí)別算法、后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制算法、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制算法、速度檢測(cè)等。單片機(jī)系統(tǒng)需要接收路徑識(shí)別電路的信號(hào)、車速傳感器的信號(hào)，采用某種路徑搜索算法進(jìn)行尋線判斷，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 單片機(jī)的控制功能框圖見圖 所示 圖 單片機(jī)控制功能框圖 控制策略的選擇對(duì)于小車的行駛性能是非常重要的，控制小車的最終目的就是要使小車在平穩(wěn)行駛的前提下，盡可能地以最快的速度和最短的路線行駛。下面將依次介紹這些算法的設(shè)計(jì)方案。 路徑識(shí)別模塊的軟件設(shè)計(jì) 路徑識(shí)別模塊 [7]是小車系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，硬件設(shè)計(jì)一章己經(jīng)介紹了路徑識(shí)別硬件電路設(shè)計(jì)，下面主要介紹它的軟件設(shè)計(jì)，整個(gè)路徑識(shí)別模塊的工作過程為 :紅外傳感器采集來的路徑信號(hào)經(jīng)過 濾波電路后輸入單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)預(yù)處 理文件 定義變量 數(shù)據(jù) 處理 函數(shù) 路徑 檢測(cè) 函數(shù) 延遲函數(shù) TIMER 初始化 ATD 初始化 串口初始化 PWM 初始化 PORT 初始化 RTI 初始化 中斷 函 數(shù)定義 PID 函數(shù) 舵機(jī) 控制 函數(shù) 主函數(shù) xxxx 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ２５ 換后，輸入 MCU 識(shí)別、處理后輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。單片機(jī)要進(jìn)行路徑信號(hào)的識(shí)別、處理。首先必須把當(dāng)前的路況信息送到單片機(jī)，這一過程就是路徑信號(hào)采集，本次 模擬 的賽道由黑線 (引導(dǎo)線 )和白面組成，小車通過對(duì)黑線的檢測(cè)來確定小車的位置，從而進(jìn)行相應(yīng)的控制使得小車沿著軌道行駛。 由硬件設(shè)計(jì)一章介紹可知，路徑采集電路采用 11 路紅外管來檢測(cè) [8]。紅外傳感器的布局示意圖如圖 所示。 圖 紅外傳感器布局示意圖 智能模型車的路徑識(shí)別算法 (Line Searching Algorithm)是智能車軟件設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一部分，智能車設(shè)計(jì)的大部分工作都是圍繞它來展開的。路徑識(shí)別算法與路徑識(shí)別硬件電路相適應(yīng)的。設(shè)計(jì)中，采用了紅外傳感器的方式，因此所設(shè)計(jì)的算法也是與紅外傳感器的布局相適應(yīng)的。 路徑識(shí)別算法概括起來有兩種 :一種是靜態(tài)識(shí)別，所謂靜態(tài)識(shí)別就是只根據(jù)小車的當(dāng)前時(shí)刻的輸入量來識(shí)別小車的位置 。另一種是動(dòng)態(tài)識(shí)別，所謂動(dòng)態(tài)識(shí)別就是根據(jù)小車的當(dāng)前時(shí)刻以及前面 n 個(gè)時(shí)刻的信號(hào)輸入量來識(shí)別小車的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。 智能車的靜態(tài)識(shí)別 靜態(tài)識(shí)別 就是識(shí)別出小車當(dāng)前相對(duì)于黑線的位置。小車在跑道上相對(duì)黑線的位置有好多種，其中典型的有三種， 小車在黑線左端，小車在黑線中間小車在黑線右端 [9]。 11 對(duì)紅外管排列，把跑道劃分為 10 個(gè)基本區(qū)間，每對(duì)之間的間隔 2cm，通過檢測(cè)黑線相對(duì)紅外管的位置，可以精確地確定智能車當(dāng)前的位置。靜態(tài)識(shí)別實(shí)際上就是識(shí)別黑線相對(duì) 11 個(gè)紅外管的位置，由光學(xué)的知識(shí)可知，白色反射光線最強(qiáng)，黑色反射光線最弱，所以離黑線越近的紅外管反射的紅外線越弱，離黑越L4 L3 L2 L1 L0 M R0 R1 R2 R3 R4 xxxx 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ２６ 遠(yuǎn)的紅外管反射的紅外線越強(qiáng)，紅外光的強(qiáng)弱通過硬件電路轉(zhuǎn) 換成電壓的大小，所以各個(gè)紅外管采集的電壓值與它到黑線的距離成正比，這樣可以通過各個(gè)紅外的感應(yīng)電壓值來確定小車的當(dāng)前位置。 由硬件設(shè)計(jì)一章可知，當(dāng)紅外接收管接收的光信號(hào)最強(qiáng)時(shí)，檢測(cè)電路感應(yīng)的電壓值最小為 0V，反之，當(dāng)紅外接收管接收的光信號(hào)最弱時(shí)，檢測(cè)電路感應(yīng)的電壓最大為 +5V。介于最強(qiáng)和最弱之間時(shí)，感應(yīng)的電壓 0 和 +5V 之間，并且與光的強(qiáng)弱成線行關(guān)系。 CPU 不能處理模擬信號(hào)，所以紅外采集的電壓值必須先經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換可知， 0V 的轉(zhuǎn)換結(jié)果為 0， 5V的轉(zhuǎn)換結(jié)果為 FF,0 和 +5V 之間的轉(zhuǎn)換結(jié)果也與電壓成線性關(guān)系。 A/D 轉(zhuǎn)換值與黑線距紅外管的距離成反比，所以所有 11 路 A/D 轉(zhuǎn)換值就可以確定黑線相對(duì)于 Il個(gè)紅外管的位置，從而確定小車的當(dāng)前位置，當(dāng)然，確定黑線相對(duì)于紅外管的位置的目的是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速或者減速，也就是說，小車控制系統(tǒng)的輸入是 11路紅外傳感器，輸出就是舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)速， MC9S12DG128B 提供了這么一個(gè)資源 — 模糊推理機(jī)，通過模糊推理機(jī)可以很方便的實(shí)現(xiàn)一個(gè) 11 輸入 2 輸出的推理。 這 里需要說明的是， MC9S12DG128B 的模糊推理機(jī)主要用于一般電機(jī)控制系統(tǒng)，而本文用在路徑識(shí)別模塊，主要是使用了模糊推理機(jī)的推理運(yùn)算而已，和它的一般用法還是有一定的區(qū)別。下面將具體介紹 MC9S12DG128B 內(nèi)部的模糊推理機(jī) [10]。 的模糊推理機(jī) Freescale 的 CPU12 內(nèi)部有一個(gè)專門用于模糊邏輯推理的狀態(tài)機(jī)，可稱之為模糊推理機(jī)。邏輯推理機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)輸入變量做模糊化、規(guī)則判定與運(yùn)算，然后反模糊化給出精確輸出，應(yīng)用程序從知識(shí)庫(kù)中向邏輯推理機(jī)提供輸入隸屬函數(shù)、規(guī)則表等，分別用于模糊化 、規(guī)則判定、反模糊化。 面向這三個(gè)步驟，匯編指令集中以下幾條指令 : MEM 模糊化指令，根據(jù)隸屬函數(shù)求隸屬度 REV 模糊推理指令，按模糊邏輯規(guī)則求值 REVW 帶權(quán)重模糊推理指令，按模糊邏輯規(guī)則求值 WAV 反模糊化指令，求重心、精確化、加權(quán)平均 xxxx 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ２７ (1)模糊化 模糊控制的第一步是模糊化，模糊化的輸入是精確的輸入值，模糊化的輸出是模糊量，由于該模糊量對(duì)于模糊控制的第二步而言是輸入量，故在這里稱模糊化輸出的模糊量為模糊輸入量。模糊化的主要功能是根據(jù)輸入變量的隸屬度函數(shù)， 求出精確的輸入值相對(duì)于輸入變量各語(yǔ)言值的隸屬度。這一步驟的關(guān)鍵是需要用戶提供輸入語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)。建立輸入變量隸屬度函數(shù)的步驟如下 : 第一步，確定所有輸入變量的名稱。 第二步，確定所有輸入變量的變化范圍，即論域。 第三步，確定每個(gè)語(yǔ)言變量的語(yǔ)一言個(gè)數(shù)及名稱。 (2)模糊規(guī)則推理 模糊規(guī)則推理就是依據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行的推理，這是模糊控制器的核心工作。模糊規(guī)則推理的輸入輸出都是模糊量。模糊推理的輸入是所有輸入變量的輸入精確值相對(duì)于輸入變量所有語(yǔ)言值的隸屬度，模糊推理的輸出是輸出變 量個(gè)語(yǔ)言值的隸屬度。完成了一步驟所需要的條件是確定輸出模糊變量的隸屬度函數(shù)及建立模糊規(guī)則庫(kù)。 推理方法有很多種，這里介紹一種最常用的 MAXMIN 法， MC9SDG128B 模糊推理也采用這種方法，它的推理過程大致分為四步。 第一步 :建立規(guī)則庫(kù)。 第二步 :尋找對(duì)推理起作用的規(guī)則。一般情況下，一個(gè)輸入變量的一個(gè)精確輸入值對(duì)應(yīng)于該變量語(yǔ)言值的隸屬度只有 1 個(gè)或兩個(gè)非零值。所以，某時(shí)刻有用的規(guī)則大大少于規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則數(shù)，推理時(shí)間不會(huì)很長(zhǎng)。 第三步 :確定規(guī)則強(qiáng)度。所謂規(guī)則強(qiáng)度，就是規(guī)則后件中輸出模糊變量某語(yǔ)言值的隸屬度。 根據(jù) MAXMIN 法的原理，由于規(guī)則前件間用“ AND”操作符連接，因此，每一條規(guī)則的強(qiáng)度大于等于前件中的最小值。 第四步 :確定模糊輸出。 MAXMIN 法則規(guī)定 :當(dāng)相同后件的規(guī)則強(qiáng)度不同時(shí)，模糊輸出取其最大值。 (3)反模糊化 反模糊化，就是將模糊的控制量變?yōu)榫_的控制量。其過程就是根據(jù)輸出變量的隸屬度函數(shù)，從輸出變量各語(yǔ)言值的隸屬度求出精確輸出值的過程。這一過程需要用戶提供的數(shù)據(jù)是輸出變量的隸屬度函數(shù)。 xxxx 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ２８ 反模糊化有多種方法， MC912DG128B 所提供的是重心法，即求所有模糊輸出量的重心。計(jì) 算公式如式 (41): ?? ??? nunu SiSi F iCO G 11 (41) 這種反模糊方法也是路徑識(shí)別系統(tǒng)使用模糊推理的最主要原因。通過它可以確定合理的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和電機(jī)轉(zhuǎn)速。 模糊推理機(jī)在路徑識(shí)別算法中的應(yīng)用 從上面的介紹可以看出，模糊推理機(jī)的工作過程總共有三個(gè)步驟 :模糊化、模糊規(guī)則推理和反模糊化。下面依次介紹模糊推理機(jī)在路徑識(shí)別模塊中的設(shè)計(jì)。 第一步，模糊化 。 模糊化主要的任務(wù)是確定 輸入變量以及輸入變量隸屬度函數(shù)。路徑識(shí)別模塊有 11 路紅外傳感器，可以當(dāng)作 11 個(gè)輸入變量，分別定義為X1, X2, X3, X4,X5, X6, X7, X8, X9, X10, X11，每個(gè)輸入變量的范圍都是 [0, FF]，而且每個(gè)輸入變量都有個(gè)語(yǔ)言值。 通過輸入變量的隸屬度函數(shù)，可以確定每一個(gè)輸入值的隸屬度，比如 :一個(gè)輸入值為 7F，那么它的隸屬度為 (也就是輸入值與輸入范圍寬度的比值 )。如果黑線在某個(gè)紅外管正下方，那么其紅外接收信號(hào)接收的反射光線也最弱，這個(gè)時(shí) 候，它所對(duì)應(yīng)的隸屬度最大 (1)，其他的輸入 得出的隸屬度必然最小 (0)，當(dāng)然也可能出現(xiàn) :黑線同時(shí)在兩個(gè)紅外管的下面， 這個(gè)時(shí)候，只有這兩路輸入值的隸屬度不為 0，其他的輸入值為 0，而且兩個(gè)隸屬度之和為 1，同時(shí)它們的隸屬度的值與它們各自到黑線的距離成線形關(guān)系。計(jì)算隸屬度的值都是通過單片機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)的。用戶只需建立輸入變量的隸屬度函數(shù)。對(duì)輸入值模糊化的指令是 :MEM。 第二步，模糊規(guī)則推理 。 模糊規(guī)則推理主要任務(wù)是 :確定輸出變量并建立輸出變量隸屬度函數(shù)，建立模糊規(guī)則庫(kù)，以及模糊推理。 路徑識(shí)別的直接目的就是控制舵機(jī)和直流電機(jī)，所以輸出變量有兩個(gè) :舵機(jī)的轉(zhuǎn) 動(dòng)角度 Y電機(jī)的驅(qū)動(dòng)速度 Y2。 接下來建立模糊規(guī)則庫(kù)，模糊規(guī)則庫(kù)的前件是輸入函數(shù)，后件是輸出函數(shù)所對(duì)應(yīng)的各個(gè)單值，模糊規(guī)則庫(kù)中有 11 條規(guī)則，分別為 : 第 1條 : IF Xi THEN Yl=40, Y2=0 第 2條 : IF X2 THEN Y1=30, Y2=5 第 3條 : IF X3 THEN Yl=20, Y210 xxxx 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ２９ 第 4 條 : IF X4 THEN Yl=10, Y2=20 第 5 條 : IF X5 THEN Y1=5, Y2=30 第 6 條 : IF X6 THEN Y1=0, Y2=40 第 7 條 : IF X7 THEN Y1=5, Y2=30 第 8 條 : IF X8 THEN Y1=10, Y2=20 第 9 條 : IF X9 THEN Y1=20, Y2=10 第 10 條 :IF X10 THEN Y1=30, Y2=5 第 11 條 :IF X11 THEN Y1=40, Y2=0 用示意圖表示此規(guī)則，即如圖 所示 。從圖中可以看出它的物理意義是 :將紅外傳感器的位置相應(yīng)地轉(zhuǎn)換成舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和電機(jī)驅(qū)動(dòng)速度。 圖 推理規(guī)則的示意圖 從上面可知，輸出 Y1有 11 個(gè)語(yǔ)言值，輸出變量 Y2 有 6 個(gè)語(yǔ)言值。 模糊規(guī)則庫(kù)建立好后，通過 MAXMIN 的推理方法來完成最后的模糊推理，然后得出輸出變量各語(yǔ)言值的隸屬度。 第三步，反模糊化 。 反模糊化的過程就是根據(jù)輸出變