【正文】 足隨動系統(tǒng)要求，也要滿足恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)要求。 小車總體方案的設(shè)計思路智能車系統(tǒng)采用飛思卡爾 16 位單片機 MC9S12DG128 為核心控制單元，由采用光電檢測技術(shù)的道路識別模塊和速度檢測模塊負責采集信號，并將采集到的電平信號送入核心控制單元 MCU，核心控制單元對信號進行處理后，通過單片機端口發(fā)出 PWM 信號波，通過輸出不同占空比分別對轉(zhuǎn)向舵機、直流電機進行驅(qū)動控制，完成控制智能車的方向與速度。單片機必須把路徑的判斷、相應(yīng)的轉(zhuǎn)向伺服電機控制以及直流驅(qū)動電機的控制精密地結(jié)合在一起。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖 21 所示。（1）中央處理器單元中央處理器采用 MC9S12DG128 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 40MHz，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）。（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(guān)鍵。（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。（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。通過控制算法對賽車發(fā)出控制命令，通過轉(zhuǎn)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。 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(zhuǎn)角方向和車速應(yīng)根據(jù)彎道的曲率迅速做出相應(yīng)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。因此，對智能車的設(shè)計，要求具有實時路徑檢測功能和良好的調(diào)速功能。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(zhuǎn)速的設(shè)定值較大，加之舵機響應(yīng)時間的限制，智能車極易脫離軌跡。圖 22 所示為智能車尋跡連續(xù)彎道試驗效果圖。西安工程大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）7軌道縱向距離 （cm）小車前進距離（cm）圖 22 小車過彎效果圖本文設(shè)計了一個智能車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了快速自動尋跡功能。此外，系統(tǒng)還完成了對加長轉(zhuǎn)臂舵機的控制，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向伺服電機與車速的配合控制。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。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。建立起模型車運動力學模型進行分析過于復雜。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(zhuǎn)角即可改變模型車前輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角的隨著距離的積分。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(zhuǎn)角的積分。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。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(zhuǎn)向的舵機。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。 控制算法的設(shè)計依靠簡化的模型，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。 離散式增量 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。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(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。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。積分作用可以消除靜差，但積分器可使動態(tài)響應(yīng)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，因此本方案沒有使用積分控制，將 PID 控制簡化為 PD 控制。模糊控制算法可以看成分段線性化的控制策略。它的控制規(guī)律是以前人的經(jīng)驗總結(jié)出來的條件語句表示，容易設(shè)計掌握，對于被控對象的參數(shù)變化有很強的魯棒性。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。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(zhuǎn)向角度通過，這樣可以大大縮短時間。總之,為了提高模型車運行的穩(wěn)定性，在以上方案的基礎(chǔ)上可以加入電機速度閉環(huán)并聯(lián)調(diào)節(jié)，減小電池電壓下降和道路摩擦力等不確定因素的影響，防止小車打滑，在控制中增加對速度的閉環(huán)控制。其中，電源管理模塊是該系列單片機的一個特色，通過該模塊可以為每個模塊單獨的供電，不要的時候可以關(guān)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。該軟件是面向以 HC12 或 S12 為 CPU 的單片機嵌入式應(yīng)用開發(fā)軟件包。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。CAN 功能塊包括兩個兼容 ，這些豐富的內(nèi)部資源和外部接口資源可以滿足 ECU 對各種數(shù)據(jù)的處理、CAN 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收要求，芯片集成了兩個 msCAN12 模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)高低速 CAN 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點功能。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。MC9S12DG128 的脈寬調(diào)制模塊（PWM）可設(shè)置成 4 路 8 位或者 2 路 16 位，邏輯時鐘選擇頻率。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(shè)接口 SPI。 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5N 變 電壓調(diào)整器12KB RAM4KB EEPROM16 位鍵盤喚醒 IRQ I/O 口圖 3—8 MC9S12DG128B 單片機結(jié)構(gòu)組成 最小系統(tǒng)介紹以 MC9S12DG128 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。標準的 MC9S12DG128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西安工程大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）12口 EXTAL 和 XTAL 上，讓后利用 MC9S12DG128 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。RS232電平轉(zhuǎn)換芯片可以實現(xiàn) TTL 電平與 RS232 電平之間的轉(zhuǎn)換，然后再通過 9 芯片串口與 PC 進行串口通信。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。（4）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。(5)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。通常使用低電壓復位芯片 MC34064，使上電復位更加可靠。（6）調(diào)試用 LED 燈調(diào)試用 LED 燈和單片機的 PORTB 口相連，供程序調(diào)試使用。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。P WM 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。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 輸出口加入西安工程大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）13一個低通濾波，可以將 PWM 波轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。MC33886 根據(jù) PWM 信號的周期和占空比來控制電機的轉(zhuǎn)向和速度。PWM 信號的周期大于某一閾值后可驅(qū)動舵機工作，保持周期、調(diào)節(jié) PWM 的占空比即可調(diào)節(jié)舵機的轉(zhuǎn)動方向。 A/D（Analog/Digital）模塊：A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部可分為三個部分：IP 總線接口、轉(zhuǎn)換模式控制/寄存器列表、自定義模擬量。轉(zhuǎn)換模式控制寄存器列表中有控制該模塊的所有的寄存器。為了與外部信號同步進行 A/D 轉(zhuǎn)換，A/D 有一個外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換通道，用戶可以選擇觸發(fā)方式（沿觸發(fā)、電平觸發(fā)）。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、項目管理器、C 交叉編譯器、匯編器、連接器及調(diào)試器等。Corewarrior IDE 是 Metrowerks 為其 DSP 和微處理芯片所推出的專用可視化集成開發(fā)環(huán)境，功能強大，除了能編譯代碼外還具有芯片仿真等功能。安裝好 CodeWarrior 后，在 PC 操作系統(tǒng)下執(zhí)行“開始/程序/Metrowerk CodeWarriors CW12V20/CodeWarriorIDE”命令。：打開 Corewarrior IDE，執(zhí)行 File|New 命令，進入如圖 31所示復選框。西安工程大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）14圖 31 進入單片機系列庫連續(xù)點擊“下一步” 按照向?qū)J的選項設(shè)置完后，直到進入如圖 32 所示復選框。 ：在向?qū)У牡?步中選擇相應(yīng)的單片機（MC9S12DG128B）后，就可以按照向?qū)J的選項，直到設(shè)置完成出現(xiàn)圖33所示界面。 。 Startup ，其作用是初始化硬件系統(tǒng)和建立C 語言程序運行環(huán)境。主要用來設(shè)置程序下載的地址和安裝中斷向量。 雙擊工程項目管理器 Sources 文件夾中的源文件 ，主函數(shù)代碼就添加在該文件里，如圖 34 所示添加了 LED 測試代碼。而pragma LINK_INFO DERIVATIVE mc9s12dg128b是鏈接信息，對代碼而言，這句話可以不要。西安工程大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）17 BDM 調(diào)試器的使用 Hiwave 初始參數(shù)設(shè)置，雙擊它即可打開調(diào)試軟件。 圖 35 程序啟動界面 BDM for S12(TBDML)的驅(qū)動程序。在右下角命令窗口中輸入 set gdi 命令，同樣要添加光盤 2TBDML DLL Driver 文件夾下的 bin_tbdml_gdi_dll_11 文件，添加完確認后會提示設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如圖 36 所以應(yīng)將晶振頻率設(shè)置為 （M）。 BDM 接口標準，如圖 37 所示， 程序的【Component】菜單中【Set Target… 】選項 .西安工程大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）18圖 36 Hiwave 調(diào)試環(huán)境設(shè)置圖 37Hiwave 選擇 BDM 接口標準西安工程大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）19 S12 單片機型號。如圖 38 所示。下載程序之前必須通過Hiwave 對單片機進行復位，否則會使 Flash 擦除不成功，甚至導致 Flash 保護等錯誤。復位后單片機程序停止運行，選擇 TBDML HCS12 菜單中Flash…命令打開如圖 39 所示內(nèi)存擦寫窗口，先選中后三行內(nèi)存進行擦除（Erase ），擦除之后下載（Load）新程序即可。西安工程大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）20圖 39 程序擦寫窗口 圖 310 Debug 操作執(zhí)行成功 圖 311 Unsecure 操作執(zhí)行成功西安工程大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）21 程序調(diào)試Hiwave 具有豐富的調(diào)試功能，在本車的調(diào)試過程中配合電視機的使用幾乎不需要使用別的上位機軟件。 Source：查看所下載的代碼，并具有設(shè)置斷點，單步調(diào)試等功能。 Data1：顯示程序中的靜態(tài)變量。 Assembly：顯示匯編代碼。 Memory：顯示內(nèi)存數(shù)值。西安工程大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）22第 4 章 功能模塊的設(shè)計原理與流程圖本系統(tǒng)的控制方案是根據(jù)路徑識別模塊和車速檢測模塊所獲得的當前路徑和車速信息，控制舵機和直流驅(qū)動電機動作，從而調(diào)整智能車的行駛方向和速度。主程序和中斷子程序框圖如圖 41 所示和圖 42 所示。可以說道路識別模塊相當于小車的眼睛。圖 43 是位置確定的軟件流程圖。西安工程大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）24開始