趙隆基，喬 朕， 陸 群

鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051

“飛思卡爾”智能汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

趙隆基，喬 朕， 陸 群

鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051

飛思卡爾智能汽車比賽是全國范圍內(nèi)的大學(xué)生電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新比賽項(xiàng)目，本論文結(jié)合實(shí)際參賽經(jīng)驗(yàn)，對(duì)智能小車的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析探討，給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)方案，并對(duì)每一個(gè)硬件功能模塊進(jìn)行了論述，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)，論述了智能汽車控制算法的實(shí)現(xiàn)，從而保障了智能汽車全部比賽功能的實(shí)現(xiàn)。智能汽車的分析設(shè)計(jì)能夠提高大學(xué)生的分析設(shè)計(jì)動(dòng)手實(shí)踐能力，因而是值得推廣參與的。

飛思卡爾；智能汽車；控制算法

0 引言

全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽是在規(guī)定的模型汽車平臺(tái)上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位單片機(jī)作為核心控制模塊，通過增加道路傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及編寫相應(yīng)軟件，制作一個(gè)能夠自主識(shí)別道路的模型汽車，按照規(guī)定路線行進(jìn)，以完成時(shí)間最短者為優(yōu)勝。因而該競(jìng)賽是涵蓋了自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械與汽車等多學(xué)科專業(yè)的創(chuàng)意性比賽。這就要求學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，協(xié)同工作，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，并加以運(yùn)用與實(shí)踐。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括七個(gè)模塊：單片機(jī)控制模塊、電源管理模塊、路徑識(shí)別模塊、車速檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、調(diào)試模塊。

圖1 智能汽車硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

各模塊的主要功能如下：

1）單片機(jī)控制模塊：系統(tǒng)中使用的是Freescale公司生產(chǎn)的MC9S12XS128單片機(jī)，作為系統(tǒng)的的核心模塊，主要是將圖像傳感器與速度傳感器檢測(cè)的信號(hào)相互協(xié)調(diào)，在所編寫的程序基礎(chǔ)上，給予電機(jī)與舵機(jī)控制信號(hào)，使其根據(jù)賽道信息調(diào)整相應(yīng)轉(zhuǎn)速與方向；

2）電源管理模塊：是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力保障，可靠、穩(wěn)定的電源是系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行的必備條件，整個(gè)系統(tǒng)的供電是由7.2V鋰電池提供的，運(yùn)用DC-DC電壓變換原理，得到需要的電壓；

3）路徑識(shí)別模塊：是系統(tǒng)信息輸入的重要來源，相當(dāng)于智能汽車的“眼睛”，主要是負(fù)責(zé)將小車當(dāng)前或前面位置的賽道信息，輸出給主控芯片處理，其前瞻距離和賽道信息是紅外線光電方案所不能比擬的；

4）車速檢測(cè)模塊：檢測(cè)小車當(dāng)前行駛速度，并實(shí)時(shí)地將車速信息反饋給主控芯片，形成閉環(huán)系統(tǒng)，是提高控制精度的重要措施；

5）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，也是高效的算法得以順利運(yùn)行地基礎(chǔ)，好的電機(jī)驅(qū)動(dòng)有利于小車的加速與制動(dòng)；

6）舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：如果說電機(jī)驅(qū)動(dòng)是“油門”，那門舵機(jī)驅(qū)動(dòng)就是“方向盤”，根據(jù)主控芯片控制的輸出信號(hào)，控制小車執(zhí)行相應(yīng)的專項(xiàng)要求；

7）調(diào)試模塊：輔助調(diào)試模塊用于建立良好的人機(jī)交互界面，是檢查所編寫程序錯(cuò)誤的重要手段，同時(shí)也是比賽時(shí)修改一些重要參數(shù)的方便措施，能夠大大節(jié)省調(diào)試過程。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖2所示，可以看出軟件設(shè)計(jì)主要分為3部分：圖像信息采集與處理、控制算法以及速度反饋信息。

圖2 智能汽車軟件系統(tǒng)流程圖

圖像信息采集與處理：攝像頭分為黑白和彩色兩種，根據(jù)賽道的情況，可以看出只需要攝像頭的灰度信息，色彩信息可以忽略，所以本設(shè)計(jì)中使用的是黑白的攝像頭作為路徑識(shí)別單元。根據(jù)攝像頭的工作原理，每個(gè)信號(hào)結(jié)束以后都有一個(gè)行同步信號(hào)，根據(jù)這一點(diǎn)，可以每隔7個(gè)～8個(gè)有效行采集一行，這樣不僅減小了處理器的壓力而且也減少了不必要參數(shù)的設(shè)定；對(duì)所采集的信息進(jìn)行處理的方法一般為二值化處理，設(shè)定一個(gè)閾值，將圖像的灰度信息轉(zhuǎn)換為兩個(gè)值，即高于或低于這個(gè)設(shè)定的閾值。除二值化處理外，還有邊緣檢測(cè)算法。

控制算法：常用的自動(dòng)控制算法有PID、模糊控制、Bang-Bang。PID（Proportional Integral Differential）控制是比例、積分、微分控制的簡稱，原理是根據(jù)系統(tǒng)的被調(diào)量實(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間的偏差，利用偏差的比例、積分、微分3個(gè)環(huán)節(jié)的不同組合計(jì)算出對(duì)廣義被控對(duì)象的控制量；模糊（Fuzzy）控制是用語言歸納操作人員的控制策略，運(yùn)用語言變量和模糊集合理論形成控制算法的一種控制；Bang-Bang控制即魯棒控制，是一個(gè)著重控制算法可靠性研究的控制器設(shè)計(jì)方法。在整個(gè)系統(tǒng)中，控制算法并不局限于一種思想，由于攝像頭相比較與其他組具有優(yōu)良的前瞻性，在賽道信息保密的情況下，可以獲取更多的賽道信息，綜合運(yùn)用各種算法可以更高效的達(dá)到快速運(yùn)行的目的，例如當(dāng)小車速度過快時(shí)，PID在速度調(diào)節(jié)方面有處理周期過長的缺點(diǎn)，這時(shí)，加入Bang-Bang的控制思想，能夠解決這方面的問題。

速度反饋信息：這部分軟件主要是起輔助作用，開環(huán)系統(tǒng)相較于閉環(huán)系統(tǒng)來說，精確程度方面會(huì)降低很多，在系統(tǒng)中添加速度檢測(cè)的目的就在于提高系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)論

本文介紹了智能車所應(yīng)該具有的硬件模塊，以及各模塊在系統(tǒng)運(yùn)行中所起的作用，同時(shí)也說明了個(gè)模塊相互協(xié)調(diào)工作的必要條件——軟件，具體在小車機(jī)械性能方面的改動(dòng)并未介紹，只有搭建好優(yōu)秀的硬件平臺(tái)，編寫軟件的思想才能得以實(shí)現(xiàn)。飛思卡爾智能汽車比賽是有一定挑戰(zhàn)性的比賽，能夠真正鍛煉大學(xué)生的分析設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手實(shí)踐能力，是值得推廣參與的。

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1674-6708（2010）32-0083-02