李天全

摘要 本文以MC9S12DG128816位單片機為例，對智能車控制系統(tǒng)的主要結構和設計原理進行分析，闡述系統(tǒng)在設計方面的主要構成，對系統(tǒng)設計的優(yōu)勢進行闡述。

[關鍵詞]單片 機智能車載系統(tǒng) 系統(tǒng)設計

在當前汽車電子產品不斷更新和技術發(fā)展的同時，人們對汽車性能和控制、智能水平方面的要求也越來越高。智能系統(tǒng)在信息技術、電子技術及機械技術等不斷發(fā)展的推動下，最終刺激了智能車控制系統(tǒng)的發(fā)展?，F(xiàn)代智能車控制系統(tǒng)設計已經越來越完善，系統(tǒng)的功能越來越豐富，系統(tǒng)整體設計和構成更加智能化、可控化，極大地滿足了人們的切實需求，也推動了我國汽車產業(yè)的快速發(fā)展，汽車電子產品等發(fā)展進入了全新時代。

1 系統(tǒng)整體設計與構成

本文以16位單片機MC9S12DG128816為系統(tǒng)的核心，展開汽車智能控制系統(tǒng)設計方面的研究。該系統(tǒng)主要包括轉向控制、路徑檢測和電機驅動、車速檢測和電源管理等功能模塊。單片機可以對反射的紅外光信號進行檢測，借助傳感器對路徑（黑線或白線）進行識別，將信號輸入到單片機中，調節(jié)控制舵機，從而控制小轎車的轉角，實現(xiàn)小車平滑轉向，確保小車在規(guī)定的軌道線上形勢（詳見圖1）。該系統(tǒng)借助紅外光電傳感器技術功能，采集信號，根據(jù)小車的速度判斷速度與瞬時的最小誤差，控制小車的速度，然后改善轉速。整個系統(tǒng)中，電機控制、舵機控制兩個模塊功能是由單片機進行核心控制，系統(tǒng)整個運作依托于紅外光電傳感器技術和速度傳感器控制技術，系統(tǒng)的最終控制目標是小車的行駛速度和行駛軌跡，從而提高小車轉速，保證控制精準度。

2 系統(tǒng)硬件、軟件設計及其構成

基于16位單片機MC9S12DG128816的智能車控制系統(tǒng)，是一個全自動的控制系統(tǒng)，能自動識別道路運行的智能汽車。根據(jù)總體設計可以知道系統(tǒng)的主要構成，其中傳感器、信息處理及控制算法和執(zhí)行機構是重要的構成部分。其中傳感器和執(zhí)行機構以及它驅動電路控制系統(tǒng)是系統(tǒng)硬件的主要構成;信息處理和控制算法是由單片機控制完成，所以，系統(tǒng)硬件設計主要包括電路和控制兩個部分。而該系統(tǒng)的軟件構成方面，主要包括路徑識別、速度測量和速度控制方面。在軟件和硬件共同構成下，系統(tǒng)最終能實現(xiàn)數(shù)據(jù)初始化，獲取A/D轉換數(shù)據(jù)，調整小車的轉速角度的偏差，通過舵機控制角度，最終借助系統(tǒng)對電機轉速進行控制，從而達到控制小車速度的目標。下面對系統(tǒng)中各個不同構成模塊進行詳細分析。

3 系統(tǒng)功能與模塊設計

3.1 電源管理

電源是整個系統(tǒng)接通電源工作的重要部分，在系統(tǒng)設計中，電源穩(wěn)定是保證系統(tǒng)正常運行的前提，而影響電源穩(wěn)定的主要是電壓和電流容量。且在系統(tǒng)接通電源時，電源轉換效率還會受到其他方面的影響和干擾。一般電源管理模塊主要是對電路電源進行管控，為了保證電源穩(wěn)定，首先應該保證電路穩(wěn)定，一般會設定多個電路，對電池電壓進行轉換，將其轉換成各個模塊所需的電壓。電壓一般由7.2V和2A/h充電電池提供，而根據(jù)系統(tǒng)中的各個模塊，其中電機采用7.2V進行供電，紅外發(fā)射接收管采用LM2940V進行供電，單片機采用TPS73505V進行供電，舵機則使用7.2V或6V的。

3.2 舵機驅動模塊

舵機模塊是系統(tǒng)中對小車速度和轉速進行控制的一個重要模塊。一般不同的舵機型號，其性能和設定參數(shù)均不相同。根據(jù)賽道和小車轉速及角度等情況，一般在兩種工作電壓下，其速度可以達到一個峰值。即當電壓為4.8V時，其速度為0.11sec/60，堵轉力矩為6.lkg.cm;當電壓為6.OV時，速度為0.08sec/60，堵轉力矩為7.7kg.cm，所以，舵機驅動功能是受到電壓的影響的。而試驗發(fā)現(xiàn)，電壓為6.OV時，舵機驅動的精準度更高，且工作效率更高。

3.3 電機驅動模塊

檢測車模相對賽道的偏移量、方向、曲線等均需要進行控制，根據(jù)車模的參數(shù)獲得更加精準的小車模型。在本次研究的系統(tǒng)中，主要是通過MC9S12DG128816輸出的信號，對驅動進行控制，主要是芯片對直流驅動電機的控制。在改變電機工作的頻率情況下，改變電機兩端的電壓，從而達到控制轉速的目的。但是，機電驅動模塊還會受到外界因素的影響，對賽車速度也會產生一定的干擾。此時，我們需要使用PID算法來提高控制的精準度，盡可能縮小誤差，以滿足控制需求。通過PID對小車進行仿真設計，獲取小車最高轉速下的精準參數(shù)。為了簡化電機驅動模塊的電路設計，系統(tǒng)中的集成電機的驅動芯片，是由MC9S12DG128816控制的，從而對電機進行控制。

3.4 速度檢測模塊

為了使模型車能在賽道上正常沿著軌道運行，順利完成比賽，且保證賽程和安全。必須考慮到賽道上急轉彎的情況，很多小車在急轉彎時，易發(fā)生位置誤差，轉速和角度等誤差，需要對小車進行控制。開環(huán)控制電機轉速，是當前使用比較普遍的一種方法，但是，這種方法并不能保證運行的需求，也會引起運行出現(xiàn)偏差，還會引起運行安全事故等。所以，處于安全、便捷等考慮，我們對電路、相應速度等進行優(yōu)化，提高了小車在響應速度方面的精準性。設定在磁塊均勻粘貼在電機上時，電機的動齒輪上，加用一個霍爾元件CS3020。根據(jù)原件輸出的信號，當芯片接收到信號之后，啟動電源，控制電壓，然后在檢測單元時間內，進行信號的測試，檢測得出信號傳輸?shù)淖罱K脈沖數(shù)，進而能計算得出最為準確的賽車行駛速度。整個系統(tǒng)的每一個模塊都是重要的功能分區(qū)，發(fā)揮著不同的作用，各個模塊功能既相互影響，又相互牽制，系統(tǒng)的正常運行，必須要求每個模塊功能的共同協(xié)調，才能達到最為理想的小車設計模型，實現(xiàn)系統(tǒng)應用的最終價值。

4 系統(tǒng)測試與結果

PID算法是系統(tǒng)精準進行控制的重要前提，能更好的控制小車，并且在起跑加速時，能設置前饋控制器，在PID的調節(jié)基礎上，相當于一個全力加速器，形成一個分段控制，能較快的進行提速。假設一個賽車車模采用1/10的仿真模型系統(tǒng)，根據(jù)其機械機構，在競賽中，底盤部分及轉向和驅動等進行控制，分別對其前輪轉向和后輪驅動的參數(shù)進行仿真試驗。設定改裝前的賽車參數(shù)如下，詳見表1。

根據(jù)PID算法對小車進行改造，根據(jù)模型數(shù)據(jù)分析，改造后的小車長度為33cm，寬度20cm，車模高度22cm，探出的舉例為12cm，傳感器的個數(shù)使用了15個。車模重量1.5kg，最終的賽道檢測頻率18次/s。通過改造之后的賽車，在系統(tǒng)控制中心的速度檢測，最終，車模的速度控制精度提升，舵機轉向控制提升，測速傳感器工作更快，整個性能測試過關，且車模使用效果顯著優(yōu)于改造前。

5 結束語

該系統(tǒng)在結構設計上以16位芯片的MC9S12DG128816單片機作為核心控制系統(tǒng)，能對紅外傳感器產生的信號進行路徑檢測，提高了處理速度，使得其操作控制更加精準，減輕了其他數(shù)據(jù)處理的難度，小車機械安裝更加合理、簡約，提升了小車整體的質量和性能，能實現(xiàn)小車循線的快速行駛，提升了小車的行駛速度。

參考文獻

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