賈玉鳳

（濟南職業(yè)學(xué)院，山東濟南，250014）

1 設(shè)計背景

智能交通系統(tǒng)(ITS)方面的研究工作已經(jīng)得到了世界上許多研究機構(gòu)的關(guān)注，同時已經(jīng)研發(fā)出了一些智能化的原型車輛，并進行了路面測試。汽車智能控制在無人駕駛、現(xiàn)代物流業(yè)及柔性制造、系統(tǒng)中都有廣泛運用，車輛智能控制已成為人工智能領(lǐng)域的研究熱點之一。本文所研究的智能車是一個良好的試驗?zāi)Ｐ?，為車輛無人駕駛、自動導(dǎo)向車提供了一個研究模型。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

文中設(shè)計方案的智能車可以在封閉式的跑道上獨立循線運作，跑道表面為白色，中心有25mm 總寬的持續(xù)黑色引導(dǎo)線。作為可以鑒別路面情況、全自動管理決策運作的智能車能夠當(dāng)做一個全自動自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)模型框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)模型框圖

智能車將檢驗到的路面信息和智能車姿勢信息傳遞控制器，控制器開數(shù)據(jù)分析處理和管理決策，各自得到電動機的操縱量和舵機的操縱量，對驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速比和轉(zhuǎn)為舵機拐角加以控制，此外，根據(jù)速率檢驗?zāi)K，將電機額定功率(即智能車的速率)意見反饋給控制器，完成對智能車速率的閉環(huán)控制系統(tǒng)，以提升操縱的精密度。

為了更好地完成所述對智能車的操縱，智能車務(wù)必具有下列關(guān)鍵作用模塊：①路面信息檢驗?zāi)K。完成對實時路況信息的檢驗，為控制器的管理決策出示根據(jù)。②控制器模塊。分辨地面信息的情況，對轉(zhuǎn)為舵機和驅(qū)動電機開展操縱。③為智能車出示驅(qū)動力的驅(qū)動電機模塊和為智能車出示轉(zhuǎn)為作用的舵機模塊。④為了更好地對智能車的速率完成閉環(huán)控制系統(tǒng)要有限速模塊，出示速率意見反饋數(shù)據(jù)信號。⑤電池管理模塊。輸出不同的額定電壓值，為整車系統(tǒng)軟件的每個模塊供電系統(tǒng)。此外為了更好地調(diào)節(jié)的便捷也要有人機交互技術(shù)模塊。

3 智能車系統(tǒng)的硬件開發(fā)

硬件配置系統(tǒng)軟件是智能車精確、平穩(wěn)運作的保障。挑選不一樣的硬件配置電源電路及元器件，對系統(tǒng)的功能實現(xiàn)影響明顯。雖然許多硬件配置、電源電路和元器件都能完成完全相同的作用，可是，針對不一樣的系統(tǒng)來講，實際的運行效果卻大不一樣，根據(jù)本文所研究智能車系統(tǒng)的功能要求，智能車硬件的總體架構(gòu)設(shè)計如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件總體框圖

本智能車硬件電路選擇以MC9S12DGl28 單片機作為核心控制器，輔以時鐘電路、電源電路、復(fù)位電路、BDM接口組成單片機最小應(yīng)用控制系統(tǒng)。時鐘電路采用的是標準的MC9S12 系列單片機的時鐘電路。通過把一個16MHz 的外部晶振接在單片機的外部晶振輸入接口EXTAL 和XTAL 上，然后利用MC9S12DGl28 內(nèi)部的壓控振蕩器和鎖相環(huán)(PLL)把這個頻率提高到32MHz，作為單片機工作的內(nèi)部總線時鐘。電源電路主要是給單片機提供5V 工作電壓。BDM 接口用于連接BDM 調(diào)試下載器，實現(xiàn)把調(diào)試編譯好的程序代碼下載到MC9S12DGl28 單片機芯片中。利用單片機所提供的專用引腳BKGD 來完成。

路面信息采集模塊：本智能競速小車采用LMl881 作為視頻流同歩分離出來芯片，LMl88l 視頻同歩數(shù)據(jù)信號分離出來芯片能夠從視頻流中獲取數(shù)據(jù)信號的時鐘頻率信息，并將其轉(zhuǎn)化成TTL 電平傳輸給單片機芯片進行處理。

單片機采集圖像系統(tǒng)原理圖如圖3 所示，其中包括有MC9S12DGl28 單片機最小系統(tǒng)、同步分離電路、5V 穩(wěn)壓電路、12VMC34063 斬波升壓電路等。

圖3 單片機采集圖像系統(tǒng)框圖

其中MC9S12DGl28 單片機端口資源配置如下：AD 輸入端口PAD00、PAD08 用來輸入視頻模擬信號；外部中斷口IRQ 用來輸入視頻同步信號；CS 接單片機的PEl 口用來輸出復(fù)合同步信號；VS 接單片機的PHl 口用來輸出場同步信號。

直流電機驅(qū)動模塊；驅(qū)動芯片用于驅(qū)動電機的運行、終止、加快、降速和制動系統(tǒng)。直流無刷電機的速度調(diào)整與操縱由單片機設(shè)計的PWM 信號來進行，驅(qū)動芯片選型選擇了飛思卡爾半導(dǎo)體公司的半橋式驅(qū)動器MC33886。

采用一塊MC33886 驅(qū)動電機，調(diào)速時MC33886 發(fā)熱量會很大，這主要是因為在調(diào)速過程芯片內(nèi)MOS 管通過大電流，使MC33886 發(fā)熱量很大，導(dǎo)致MC33886 的FS 引腳置位，從而使其不工作，特別是在后期采用反向制動后這種情況更為嚴重，為了更好地提升驅(qū)動電源電路的驅(qū)動工作能力，本智能競速小車的系統(tǒng)中采用兩塊MC33886 半橋式驅(qū)動器并聯(lián)來驅(qū)動電機。使用兩塊MC33886 并聯(lián)將堵轉(zhuǎn)時通過電流的極限值提升了，在供電模塊中需要合理的布線解決，以利于提高整個驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性，在設(shè)計PCB 時還要為MC33886 需要添加散熱盤以降低其工作時的溫度。

速度檢測模塊：采用光電編碼器對驅(qū)動輪后輪的轉(zhuǎn)速比開展了實時測量，將檢測到的速度反饋數(shù)據(jù)信號傳遞給MCU 核心控制單元模塊，進而對直流無刷電機的轉(zhuǎn)速動速度、加速減速開展精確迅速的調(diào)整。

本智能競速小車系統(tǒng)中的測速采用光柵編碼器，它每轉(zhuǎn)動一圈都會輸出一定個數(shù)的脈沖，通過在單位時間內(nèi)測量得到的脈沖數(shù)，就可以得出電機的轉(zhuǎn)速。光柵編碼器由光柵盤和光柵式光電開關(guān)組成。光柵盤可以自己制作，光柵式光電開關(guān)為配對并集成的LED 管和光敏三極管。LED(發(fā)射端)的出射光照射到一小段距離之外的光敏三極管(接收端)上，傳感器的狀態(tài)隨出射光是否被遮擋而改變。使用施密特觸發(fā)器后，可將所得信號直接送給單片機，由單片機對其計數(shù)，進而算出小車的速度。

開關(guān)電源模塊：所有硬件配置電源電路的開關(guān)電源由7.2V、1.8A/h 的充電電池Ni-Cd 充電電池轉(zhuǎn)換輸出。后胎驅(qū)動電機由7.2V 開關(guān)電源立即供電系統(tǒng)；應(yīng)用6VDC-DC芯片將7.2V 開關(guān)電源電壓轉(zhuǎn)換成6V 電壓對舵機驅(qū)動模塊供電；根據(jù)DC-DC 芯片將7.2V 工作電壓轉(zhuǎn)化成5V，提供給單片機設(shè)計、限速模塊和鍵盤顯示模塊；通過12VDC—DC 芯片升壓后對CCD 攝像頭提供12V 的供電電壓。

4 智能車系統(tǒng)軟件設(shè)計

對智能車的運行控制主要是通過對小車的速度與行進方向進行不斷調(diào)整來實現(xiàn)的，經(jīng)典的PID 控制算法簡單、且計算機比較容易實現(xiàn)，但PID 控制算法其參數(shù)的準確整定不好實現(xiàn)，而模糊控制算法恰恰能夠彌補了這一缺陷，綜合應(yīng)用模糊控制和PID 控制的優(yōu)缺點，因此選用模糊PID控制算法來控制小車速度和舵機轉(zhuǎn)角。MC9S12DG128 芯片的內(nèi)部所自帶的模糊推理機為模糊控制的實現(xiàn)帶來了極大方便。對于舵機的控制方案和上述方法類似，所不同的是，由于對舵機轉(zhuǎn)角的檢測比較困難，無法得到反饋量，因此對舵機的轉(zhuǎn)角采用的是開環(huán)模糊PID 控制。

圖像采集采用的攝像頭為JK007B，其像素為625X 582，對于提取道路信息來說分辨率不需要太高，因此每場采集15 行，每行采集50 個點(實際為采用每隔40 行采集一行，每隔10 點采集一點)，需要注意的是攝像頭在安裝時需要旋轉(zhuǎn)90 度后進行安裝。圖像信號采集之后對其進行處理，提取出其中的黑線位置，對于黑線的提取選用的是閾值法的改進算法—動態(tài)閾值法。

5 小結(jié)

本智能車.從總體上對整個系統(tǒng)進行了相關(guān)論述，說明了系統(tǒng)的主要構(gòu)成模塊功能及了具體硬件電路。根據(jù)智能車功能特性，采用了面陣CCD 攝像頭作為道路信息檢測元件，分析設(shè)計了信息采集、圖像處理的算法，采用動態(tài)閾值法對圖像信息進行黑線提取，大大提高了圖像處理的準確性。結(jié)合MC9S12DG128 單片機具有模糊推理機的特點，設(shè)計了模糊PID 控制器，對模糊控制器的模糊化、模糊推理、反模糊化步驟進行了詳細的分析，并將其成功應(yīng)用于對PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)自整定，實現(xiàn)了對智能車的模糊PID 控制。