楊 磊（安徽財經(jīng)大學(xué)，安徽 蚌埠 233030）

基于mcf52255微控制器的智能車系統(tǒng)

楊 磊
（安徽財經(jīng)大學(xué)，安徽 蚌埠 233030）

本系統(tǒng)以mcf52255為核心處理器，通過電磁傳感器對導(dǎo)線的信號的檢測，先對檢測的信號進(jìn)行處理，通過算法得到道路特征，然后再通過PID算法對車輪進(jìn)行差速控制與轉(zhuǎn)向控制，使智能車能夠平穩(wěn)、快速的沿著導(dǎo)線運動。該智能車系統(tǒng)包括電感采集模塊，信號處理模塊，路徑識別算法模塊，PID算法模塊等模塊。

mcf52255；信號處理；PID控制；智能車系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.110

1　mcf52255　簡介

mcf52255主 頻 為80MHz， 片 內(nèi) 有512K Flash ROM與64K SRAM，還有8通道12位的A/D轉(zhuǎn)換模塊、4通道DMA模塊與4個32位支持DMA的DTIM模塊以及PWM模塊，另有3個UART模塊，2個IIC模塊及QSPI等等，其中UART模塊用來對于智能車系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，以及調(diào)試很是方便。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)通過采集模塊對導(dǎo)線周圍的電磁信號進(jìn)行檢測，先由采集模塊對采集的信號進(jìn)行濾波和放大，然后再通過mcf52255對采集信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換和算法分析得到道路特征，接著再通過PID算法輸出PWM波對車輪進(jìn)行差速控制與轉(zhuǎn)向控制，使智能車能夠平穩(wěn)、快速的沿著導(dǎo)線運動。

3　分模塊設(shè)計

3.1電磁傳感器采集模塊

電磁傳感器采集模塊由電感與電容組成的LC諧振電路與AD8032運算放大器共同構(gòu)成的，它是智能車系統(tǒng)的信息來源。該模塊先由電感與電容組成的LC諧振電路對導(dǎo)線周圍的電磁信號進(jìn)行采集并過濾，然后將得到的信號經(jīng)由AD8032放大器進(jìn)行放大，再將其送入到控制芯片進(jìn)行處理。

考慮到實際道路狀況有直道、彎道、十字彎道、直角這4種，所以傳感器的位置也由這幾種路況決定。所以經(jīng)過分析與實驗將傳感器的對稱放置，左右各三個，中間四個水平放置，最外邊的兩個傳感器向內(nèi)進(jìn)行一定角度的偏移，前面另放置兩個豎直的傳感器。中間四個水平對稱放置的傳感器可以判斷直線路況；最外邊的兩個向內(nèi)傾斜一定角度的傳感器可以提前判斷彎道，使智能車做出預(yù)判，一定程度上提高智能車入彎的準(zhǔn)確性；前面兩個豎直放置的傳感器用于判斷十字彎道路況。

3.2信號處理模塊

（1）數(shù)字檢測法。將采集模塊采集到的數(shù)據(jù)通過控制器的AD轉(zhuǎn)換模塊數(shù)字化處理，可以依據(jù)數(shù)字量的值來判斷路況，從而達(dá)到自主巡線的要求。但是這種方法對于路徑判別不是很穩(wěn)定，很容易進(jìn)行誤判，而且當(dāng)導(dǎo)線電流不穩(wěn)定的時候，數(shù)字量會受到很大的干擾，起伏很大，導(dǎo)致其不能夠正確識別路況，從而進(jìn)行誤判。為了提高智能車系統(tǒng)的路徑識別能力，只能夠增加傳感器的數(shù)量來解決，但是傳感器太多，相互之間的干擾也會很大，同樣會是系統(tǒng)進(jìn)行誤判。所以放棄了該種方法，選擇了下面的模擬檢測法。

（2）模擬檢測法。首先，將采集模塊采集到的信號值經(jīng)由mcf52255的AD轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換成合理的AD值，然后將各個傳感器采集賽道的最大值和最小值，通過一定的公式得到每個傳感器的相對值，最后依此來判斷路況，這就是信號的歸一化處理。

這種方法相比較于上種方法來說，對于路況的判別更加靈敏，誤判率更低，而且對于導(dǎo)線內(nèi)電流的變化受到的影響經(jīng)歸一化處理后相應(yīng)降低很多，能夠使智能車的穩(wěn)定性提高不少。

3.3路徑識別算法模塊

路徑識別就是對信號處理模塊輸出的信號之進(jìn)行分析與判斷，它是智能小車的靈魂，它是小車能否穩(wěn)定且順利完成自主循跡的關(guān)鍵模塊。一個好的路徑識別算法模塊，可以使智能車穩(wěn)定且順利的循跡，并且有一定的適應(yīng)性。

因為導(dǎo)線周圍的不同位置，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向各不相同，所以不同位置上的傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也不盡相同。因此，則可以根據(jù)傳感器采集到的值來判斷電感的位置，又因為電感在智能車上的排布是已知的、固定的，據(jù)此，也就可以判斷出智能車偏離導(dǎo)線的位置，從而通過控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，使智能車及時糾正方向。

在直導(dǎo)線時，因為左側(cè)電感與右側(cè)電感對稱分布，所以，左右電感值大小差不多，則控制智能車沿直線行駛。對于彎道時的導(dǎo)線，如果用左側(cè)電感值減去右側(cè)電感值，當(dāng)這個差值為正值時，則說明智能車已經(jīng)偏離直線向左側(cè)轉(zhuǎn)向，而且這個差值越大說明智能車偏離的角度越大；同樣的道理，如果用右側(cè)電感值減去左側(cè)電感值，當(dāng)這個差值為正值時，則說明智能車已經(jīng)偏離直線向右側(cè)轉(zhuǎn)向，而且這個差值越大說明智能車偏離的角度越大。

3.4PID算法模塊

PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e （t）與輸出u （t）的關(guān)系為：

PID是一個閉環(huán)控制算法。因此如果想要實現(xiàn)PID算法，必須在硬件上有閉環(huán)控制模塊給予反饋信息。在智能車系統(tǒng)上需要返回的是智能車電機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以需要在智能車上安裝一個編碼器，對智能車進(jìn)行速度測量，并將結(jié)果反饋。

比例單元（P）是反應(yīng)系統(tǒng)的當(dāng)前偏差e（t），系數(shù)P在一定范圍內(nèi)增大時可以加快調(diào)節(jié)、減小誤差，但過大時會造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。積分單元（I）是反應(yīng)系統(tǒng)的累積偏差，可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，使誤差盡可能的減小，因為有誤差時，積分調(diào)節(jié)就會進(jìn)行，直到消除誤差。微分單元（D）是反應(yīng)系統(tǒng)的偏差信號的變化率e（t）-e（t-1），可以預(yù)見偏差變化的趨勢，能夠提前控制，在偏差還沒有形成之前就已經(jīng)被微分作用消除了，所以它可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。但是微分作用對噪聲有放大作用，微分作用過大時會對系統(tǒng)產(chǎn)生很大干擾。

4　總結(jié)

總的來說，在設(shè)計智能車系統(tǒng)時，首先，要選擇一款性能強(qiáng)大的，且自己熟悉的核心處理器。其次，便是要將智能車能夠自主循跡的原理搞清楚，搞清楚原理對以后的程序的編寫和調(diào)試有很大的幫助。接著便是設(shè)計智能車的各種硬件模塊了。最后就是程序的編寫與調(diào)試了，程序的編寫又需要先對信號進(jìn)行處理，再就是根據(jù)循跡原理編寫路徑識別模塊，然后就是調(diào)試程序了，直到智能車能夠平穩(wěn)、快速的自主循跡。

［1］諶利，張瑞，汪浩，李侃等編著. 深入淺出ColdFire系列32位嵌入式微處理器［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009（09）.

［2］卓晴，黃開勝，邵貝貝等編.學(xué)做智能車-挑戰(zhàn)”飛思卡爾”杯［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007：366-369.

楊磊（1995-），男，安徽潁上人，本科在讀，研究方向：電子信息工程 。