MC9S12DG128的路径识别的智能车系统设计

引言：随着控制技术及计算机技术的发展，智能车系统将在未来工业生产和日常生活中扮演重要的角色。本文所述智能车寻迹系统采用红外反射式光电管识别路径上的黑线，并以最短的时间完成寻迹。通过加长转臂的舵机驱动前轮转向，使用符合PI算法的控制器实现直流电机的调速。为了使智能车快速、平稳地行驶，系统必须把路径识别、相应的转向伺服电机控制以及直流驱动电机控制准确地结合在一起。

1 硬件设计

本系统硬件部分以飞思卡尔公司的16位微处理器MC9S12DG128为控制核心，由电源模块、主控制器模块、路径识别模块、车速检测模块、舵机控制模块和直流驱动电机控制模块组成。系统硬件结构如图1所示。

1.1 主控制器模块

本系统主控制器模块采用的MC9S12DG128主要特点是功能高度集中，易于扩展且支持C语言程序设计，从而降低了系统开发和调试的复杂度。

1.2 电源模块

本系统由7.2V／2000mAh的Ni-cd蓄电池组直接供电。鉴于单片机系统的核心作用，主控制器模块采用单独的稳压电路进行供电；为提高舵机响应速度，将电源正极串接一个二极管后直接加在舵机上；电机驱动芯片MC33886直接由电源供电。通过外围电路整定，电源被分配给各个模块。

1.3 路径识别模块

路径识别模块采用收发一体的红外反射式光电管JY043作为路径的基本检测元件。本系统选用11个JY043按“一”字形排列在20cm长的电路板上，相邻两个光电管之间间隔2cm。因为路径轨迹由黑线指示，落在黑线区域内的光电二极管接收到的反射光线强度与白色的不同[2]，所以根据检测到黑线的光电管的位置可以判断行车方向。光电传感器寻迹的优点是电路简单、信号处理速度快。在不受外部因素影响的前提下，光电管能够感知的前方距离越远，行驶效率越高，即智能车的预瞄性能越强[3]。

1.4 车速检测模块

车速检测模块采用韩国Autonics公司的E30S-360-3-2型旋转编码器作为车速检测器件。该旋转编码器硬件电路简单、信号采集速度快，360线的精度足以满足PI控制算法调节的需要。旋转编码器与直流驱动电机通过齿数为1：1的两齿轮连接在一起，所以智能车车轮转动一圈即可以用360个脉冲表示。因此一定时间内单片机累加器获得的脉冲数值可以用来表示车速，并可直接作为控制器参数。图4为车速检测模块硬件电路图。

1.5 舵机控制模块

本系统使用SANWA SRM102型舵机完成智能车转向。舵机属于位置伺服电机，控制信号是MC9S12DG128单片机产生的PWM信号。舵机自身硬件特性决定：在给定电压一定时，空载和带载时的角速度ω分别保持恒值，而线速度υ=ω?R，正比于转臂的长度R。当舵机所需转动幅度一定时，长转臂要比短转臂转动的角度小，即响应更快。如图5所示，对于转臂1和2，当R1R2且转动相同的位移时，转角θ1>θ2。因此对于相同的角速度ω，可得转臂响应时间t1>t2。显然利用舵机的转距余量可以提高系统整体的响应速度[4]。

智能车在行驶过程中，舵机的响应时间决定着系统的稳定性及快速性。为了减小舵机的时滞现象，充分利用舵机的转矩余量，本系统采用了以下三种方法：

(1) 提高舵机工作电压，使其工作在额定电压之上，从而减小舵机的响应时间；

(2) 将舵机转臂加长至3.5cm，充分利用转矩余量；

(3) 将两个8位PWM寄存器合并为一个16位PWM寄存器，将舵机的PWM控制周期放大至2000，从而细化PWM控制量，使转臂变化更加灵活、均匀。

1.6 直流驱动电机控制模块

本系统中，直流驱动电机控制模块由RS-380SH型直流电机、功率驱动芯片ULN2003、电机驱动芯片MC33886及MC9S12DG128单片机组成。

功率驱动芯片ULN2003为单片高电流增益双极型大功率高速集成电路，本系统采用了其中两组用于增强单片机输出的PWM信号的驱动能力。

其中，电机驱动芯片MC33886是单片集成的H桥元件，它适用于驱动小马力直流电机，并且有单桥和双桥两种控制方式。D1、D2为使能端，IN1、IN2为PWM信号控制输入端，OUTl、OUT2为输出端。由于智能车从直道高速进弯时需通过紧急降速来保证系统的稳定，所以电机正转时必须能够产生反向制动力矩。因此本系统选择了MC233886的全桥工作方式。

当需要智能车减速时，PI控制器计算值为负，令PWM5输出的PWM信号占空比为零，PWM3输出的PWM信号占空比与计算值的绝对值相同，并且计算值越负，OUT2的电平高出OUT1越多，电机有反转趋势。反之，当需要智能车加速时，PI控制器计算值为正，PWM3输出的PWM信号占空比为零，PWM5输出的PWM信号占空比与计算值的绝对值相同，计算值越大，OUTl的电平高出OUT2越多，电机有正转趋