賈玉鳳

（濟(jì)南職業(yè)學(xué)院，山東濟(jì)南，250014）

1 設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)的關(guān)注，同時(shí)已經(jīng)研發(fā)出了一些智能化的原型車輛，并進(jìn)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(yùn)用，車輛智能控制已成為人工智能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文所研究的智能車是一個(gè)良好的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，為車輛無人駕駛、自動(dòng)導(dǎo)向車提供了一個(gè)研究模型。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)方案的智能車可以在封閉式的跑道上獨(dú)立循線運(yùn)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(dòng)管理決策運(yùn)作的智能車能夠當(dāng)做一個(gè)全自動(dòng)自動(dòng)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(yàn)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(dòng)機(jī)的操縱量和舵機(jī)的操縱量，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速比和轉(zhuǎn)為舵機(jī)拐角加以控制，此外，根據(jù)速率檢驗(yàn)?zāi)K，將電機(jī)額定功率(即智能車的速率)意見反饋給控制器，完成對(duì)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(duì)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(yàn)?zāi)K。完成對(duì)實(shí)時(shí)路況信息的檢驗(yàn)，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(duì)轉(zhuǎn)為舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)開展操縱。③為智能車出示驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊和為智能車出示轉(zhuǎn)為作用的舵機(jī)模塊。④為了更好地對(duì)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(hào)。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(gè)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(jī)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(yùn)作的保障。挑選不一樣的硬件配置電源電路及元器件，對(duì)系統(tǒng)的功能實(shí)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(duì)不一樣的系統(tǒng)來講，實(shí)際的運(yùn)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(jì)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(jī)作為核心控制器，輔以時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位電路、BDM接口組成單片機(jī)最小應(yīng)用控制系統(tǒng)。時(shí)鐘電路采用的是標(biāo)準(zhǔn)的MC9S12 系列單片機(jī)的時(shí)鐘電路。通過把一個(gè)16MHz 的外部晶振接在單片機(jī)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(gè)頻率提高到32MHz，作為單片機(jī)工作的內(nèi)部總線時(shí)鐘。電源電路主要是給單片機(jī)提供5V 工作電壓。BDM 接口用于連接BDM 調(diào)試下載器，實(shí)現(xiàn)把調(diào)試編譯好的程序代碼下載到MC9S12DGl28 單片機(jī)芯片中。利用單片機(jī)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(hào)分離出來芯片能夠從視頻流中獲取數(shù)據(jù)信號(hào)的時(shí)鐘頻率信息，并將其轉(zhuǎn)化成TTL 電平傳輸給單片機(jī)芯片進(jìn)行處理。

單片機(jī)采集圖像系統(tǒng)原理圖如圖3 所示，其中包括有MC9S12DGl28 單片機(jī)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(jī)采集圖像系統(tǒng)框圖

其中MC9S12DGl28 單片機(jī)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(hào)；外部中斷口IRQ 用來輸入視頻同步信號(hào)；CS 接單片機(jī)的PEl 口用來輸出復(fù)合同步信號(hào)；VS 接單片機(jī)的PHl 口用來輸出場同步信號(hào)。

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；驅(qū)動(dòng)芯片用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行、終止、加快、降速和制動(dòng)系統(tǒng)。直流無刷電機(jī)的速度調(diào)整與操縱由單片機(jī)設(shè)計(jì)的PWM 信號(hào)來進(jìn)行，驅(qū)動(dòng)芯片選型選擇了飛思卡爾半導(dǎo)體公司的半橋式驅(qū)動(dòng)器MC33886。

采用一塊MC33886 驅(qū)動(dòng)電機(jī)，調(diào)速時(shí)MC33886 發(fā)熱量會(huì)很大，這主要是因?yàn)樵谡{(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(dòng)后這種情況更為嚴(yán)重，為了更好地提升驅(qū)動(dòng)電源電路的驅(qū)動(dòng)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(dòng)器并聯(lián)來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。使用兩塊MC33886 并聯(lián)將堵轉(zhuǎn)時(shí)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(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，在設(shè)計(jì)PCB 時(shí)還要為MC33886 需要添加散熱盤以降低其工作時(shí)的溫度。

速度檢測模塊：采用光電編碼器對(duì)驅(qū)動(dòng)輪后輪的轉(zhuǎn)速比開展了實(shí)時(shí)測量，將檢測到的速度反饋數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞給MCU 核心控制單元模塊，進(jìn)而對(duì)直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速動(dòng)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(dòng)一圈都會(huì)輸出一定個(gè)數(shù)的脈沖，通過在單位時(shí)間內(nèi)測量得到的脈沖數(shù)，就可以得出電機(jī)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(duì)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(hào)直接送給單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)其計(jì)數(shù)，進(jìn)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(dòng)電機(jī)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(duì)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)設(shè)計(jì)、限速模塊和鍵盤顯示模塊；通過12VDC—DC 芯片升壓后對(duì)CCD 攝像頭提供12V 的供電電壓。

4 智能車系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)智能車的運(yùn)行控制主要是通過對(duì)小車的速度與行進(jìn)方向進(jìn)行不斷調(diào)整來實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)典的PID 控制算法簡單、且計(jì)算機(jī)比較容易實(shí)現(xiàn)，但PID 控制算法其參數(shù)的準(zhǔn)確整定不好實(shí)現(xiàn)，而模糊控制算法恰恰能夠彌補(bǔ)了這一缺陷，綜合應(yīng)用模糊控制和PID 控制的優(yōu)缺點(diǎn)，因此選用模糊PID控制算法來控制小車速度和舵機(jī)轉(zhuǎn)角。MC9S12DG128 芯片的內(nèi)部所自帶的模糊推理機(jī)為模糊控制的實(shí)現(xiàn)帶來了極大方便。對(duì)于舵機(jī)的控制方案和上述方法類似，所不同的是，由于對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)角的檢測比較困難，無法得到反饋量，因此對(duì)舵機(jī)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(duì)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(gè)點(diǎn)(實(shí)際為采用每隔40 行采集一行，每隔10 點(diǎn)采集一點(diǎn))，需要注意的是攝像頭在安裝時(shí)需要旋轉(zhuǎn)90 度后進(jìn)行安裝。圖像信號(hào)采集之后對(duì)其進(jìn)行處理，提取出其中的黑線位置，對(duì)于黑線的提取選用的是閾值法的改進(jìn)算法—?jiǎng)討B(tài)閾值法。

5 小結(jié)

本智能車.從總體上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)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(jì)了信息采集、圖像處理的算法，采用動(dòng)態(tài)閾值法對(duì)圖像信息進(jìn)行黑線提取，大大提高了圖像處理的準(zhǔn)確性。結(jié)合MC9S12DG128 單片機(jī)具有模糊推理機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了模糊PID 控制器，對(duì)模糊控制器的模糊化、模糊推理、反模糊化步驟進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并將其成功應(yīng)用于對(duì)PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)自整定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能車的模糊PID 控制。