摘要：設計了一種基于激光傳感器的自主尋徑智能模型車系統，以飛思卡爾公司16位單片機MC9S12XS128為核心控制器；系統采用激光傳感器陣列檢測路徑信息，得到智能車與路徑的橫向偏差，采用比例控制算法控制舵機轉向，并對直流驅動電機進行增量式PID閉環調節控制，從而實現智能模型車快速穩定地自主尋徑行駛。
　　
　　關鍵詞：智能車；激光傳感器；MC9S12XS128；比例控制；PID控制
　　
　　引言
　　
　　智能車技術涵蓋了車輛工程、傳感器、人工智能、自動控制、汽車電子、計算機等多個學科領域，智能車的研究在智能交通領域已成為研究熱點。飛思卡爾智能汽車競賽要求參賽車模沿著仟意給定的黑色帶狀路徑，通過控制轉向和車速，在穩定的前提下以zui快的速度完成自主尋徑。
　　
　　本文以此為背景，設計了基于MC9S12XS128微控制器的智能車系統，采用激光傳感器陣列識別路徑信息，得到智能車中心線與路徑中軸線的橫向偏差，采用比例控制算法控制舵機轉向，并對直流驅動電機進行增量式PID閉環調節控制，從而實現智能模型車快速穩定地自主尋徑行駛。
　　
　　1、智能車系統總體結構
　　
　　智能車系統以飛思卡爾16位單片機MC9S12XS128為核心控制器，該款處理器標稱40MHz總線頻率，片內集成128KB的FLASH，8KB的RAM，集成8信道脈寬調制模塊（PWM），10位模／數轉換器（ADC），周期性中斷定時器（PIT），增強型捕捉定時器（ECT）以及SCI、SPI等多種通信接口，工作溫度范圍大．為-40～125℃，核心控制器性能*，能夠滿足本設計的需求。　　
　　智能車系統主要包括單片機zui小系統、路徑識別模塊（激光傳感器陣列）、舵機控制模塊、電機驅動模塊、測速模塊、電源管理模塊等，硬件總體設計方案如圖1所示。其中MC9S12XS128控制器是智能車的核心部件，負責接收激光傳感器陣列獲取的路徑信息、小車速度、撥碼開關等輸入信息，進行數據處理后依據控制策略，輸出相應控制量對舵機和直流驅動電機進行控制，完成智能車的轉向、前進、減速等功能。
　　
　　2、電源管理模塊
　　
　　電源模塊是系統各部件正常工作的基礎，本系統采用7．2V／2000mAhNi-cd充電電池供電，為滿足激光傳感器陣列、控制器、舵機、直流電機、光電編碼器各器件電源不同需求且避免它們供電系統之間的互相干擾，各功能模塊均采用單獨供電。電源調節分配如圖2所示，系統采用穩壓芯片TPS7350將電源電壓穩壓至5V為控制器供電；采用帶載能力大、轉換效率高的穩壓芯片LM2596-5．0給傳感器和編碼器供電；通過LM2596-ADJ將電壓穩壓至6．5V為舵機供電，保證在舵機正常承受電壓范圍內，盡量提高響應速度；將電源7．2V直接為驅動電機供電。　　
　　3、路徑識別模塊
　　
　　激光傳感器較紅外光電傳感器有高定向性、高亮度，強單色性等優點，抗外界干擾強，前瞻性強，因此系統的路徑識別模塊采用了激光傳感器。11個激光傳感器，呈“一”字型間隔23mm均勻排布在傳感器陣列上檢測賽道路徑信息。　　
　　激光傳感器由發射部分和接收部分組成，發射部分的振蕩管發出160～200kHz頻率的振蕩波，經三極管放大，激光管發光；接收部分由相匹配160～200kHz的接收管接收反射的光強，接入XS128處理器的PA與PM口，檢測返回電壓的高低，激光傳感器電路圖如圖3所示。為減少激光傳感器相互之間的干擾，采用74LS154作為分時控制器分時點亮激光傳感器，由XS128的4個PA0～PA3針腳來控制11路激光管的開斷。
　　
　　4、舵機控制模塊及控制策略
　　
　　智能車采用Futaba公司的3010型舵機，屬于位置伺服型電機，在負載力矩小于zui大輸出力矩的情況下，其輸出轉角與控制信號脈寬成線性關系，通過XS128控制器輸出不同占空比的PWM信號進行舵機轉角控制，采用有效的控制策略獲取PWM占空比控制量。　　
　　舵機控制策略采用基于模型車中心線與路徑中軸線偏差de的開環比例控制，原理如圖4所示。假設前瞻距離為H，A點踩到路徑，de為路徑橫向偏差，則車輪轉角θ應為：　　
　　在車輪轉向傳動系統中，車輪轉角θ與舵機轉角成線性關系，因此PWM占空比目標值可采用下式獲得。
　　
　　PWM=Kp×θ+PWM0
　　
　　式中：PWM為XS128輸出的PWM信號占空比目標值；PWM0為舵機正位時占空比值；Kp為比例控制系數。
　　
　　5、電機驅動模塊及控制策略
　　
　　車速的控制是智能車穩定運行的關鍵因素，智能車采用RS380-ST型直流驅動電機，對電機轉速控制選用英飛凌公司的BTS7960B驅動芯片，通過改變輸入芯片的PWM波的占空比控制驅動芯片對電機的供電電壓，進而控制電機的轉速。在設計過程中采用兩片BTS7960B并聯驅動，減小導通電阻，分流，減小芯片的發熱，提高驅動能力，驅動電路如圖5所示。　　
　　反饋控制是基于偏差的控制，PID控制是將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構成控制量。偏差一旦形成，比例環節立即產生控制作用以減小偏差；積分環節主要用來消除靜差，提高系統的無差度；微分環節能反應偏差的變化趨勢，并能在偏差值變得太大之前，引入一個有效早期信號，加快系統的動作速度一減少調節時間。
　　
　　智能車系統根據激光傳感陣列檢測的賽道信息由速度判決器輸出速度期望值，然后由期望值和速度反饋值（編碼器檢測獲得）運算得到速度偏差，作為控制器的輸入量，構建增量式PID控制器對小車的速度進行閉環控制，調速系統構成如圖6所示，速度判決器根據舵機控制量的大小調整速度期望值，直道上提高期望值，轉彎時適當減小期望值，避免沖出賽道，保證智能車運行的穩定性。
　　
　　6、結語
　　
　　設計的自主尋徑智能模型車系統以MC9S12XS128為核心控制器，電源分別對各個模塊單獨供電，避免了各模塊供電系統的干擾；路徑識別模塊采用激光傳感陣列檢測賽道信息，得到智能車與路徑的橫向偏差de，通過比例控制算法控制舵機轉向；驅動電機采用兩片BTS7960B并聯驅動，提高了驅動能力，并對直流驅動電機進行增量式PID閉環調節控制，實現了智能模型車快速穩定地自主尋徑行駛。