基于飞思卡尔单片机的智能车控制系统设计 - 图文

毕业设计(论 文)

基于飞思卡尔单片机的智能车控制系统设计

系 别 专 业 班 级 姓 名 指导教师

自动化工程系

自动化 5060418

王皓明

赵一丁

2010年 6月 16日

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第I页

基于飞思卡尔单片机的智能车控制系统设计

摘 要

本文以第四届全国大学生智能车竞赛为背景，介绍了智能赛车控制系统的软硬件结构和开发流程。该比赛采用组委会规定的标准车模，以Freescale半导体公司生产的16位单片机MC9S12DG128为核心控制器，在CodeWarrior 4.7开发环境中进行软件开发，要求赛车在未知道路上完成快速寻线。

本智能车采用双排光电传感器对赛道进行检测，工作电压能与最小系统工作电压相同，可共用一个电源模块。通过光电传感器提取获得黑线位置，用PID方式对舵机进行反馈控制。同时通过速度传感器获取当前速度，实现速度闭环控制，根据赛道类型预判信息和当前速度信息对速度进行合理控制。整个硬件系统包括车模机械结构调整、稳压电源设计、核心控制电路板设计、后轮电机驱动模块设计和上位机通信设计等等。经过查看各种相关资料，对硬件进行了大量的优化，如针对对各种稳压芯片的测试，确定最优电源电路；测试各种测速方式，最终选用光电管作为测速模块；并在智能车调试过程中不断改进机械结构，使小车运行更加稳定、迅速。软件系统包括程序初始化、数据采集和车体控制的算法。为了提高智能赛车的行驶速度和可靠性，经过多次机械结构调整及电路板设计，并经过不断试验，最终确定了现有的系统机械结构和各项控制的PID参数。

关键词：MC9S12DG128 ，智能车，双排光电传感器，PID

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第II页

Intelligent vehicle control system design based on freescale MCU

Author :Wang Haoming

Tutor :ZhaoYiding

Abstract

Based on the 4th China university of intelligent car race for background, introduces the hardware and software of the control system of intelligent car structure and development process. The game using the standards prescribed by the organizing committee to Freescale semiconductor company models, the production 16-bit single chip MC9S12DG128 for core controller, in CodeWarrior 4.7 development environment in software development and requirement on the road on unknown quick line.

This intelligent vehicle using double row of photoelectric sensor, voltage can work with minimal systems can share the same voltage, a power supply module. Through the intelligent vehicle, with black extracted on the way to the PID feedback control. And through the velocity sensor for current velocity, realize speed closed-loop control circuit, according to the type of information and the speed of anticipation to speed control information. The hardware system including mechanical models ,structure adjustment, manostat design, the core control circuit design, rear motor driver module design and computer communication design etc. After check all relevant information on the hardware, the large amounts of optimization, such as all kinds of pressure in the test chip and the optimum power supply circuit, Testing various ways, finally chooses phototube module as a type of cell, And in the intelligent vehicle commissioning process improvement, the mechanical structure is more stable operation, quick. Software system including the initial procedure, the data acquisition and control algorithm. In order to improve the speed of intelligent cars and reliability, and after many mechanical structure adjustment and circuit design, and finally determined through continuous test, the existing system of the mechanical structure and PID control parameters.

Key words: MC9S12DG128, intelligent vehicle, double row photoelectric sensor, PID

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第III页

目 录

1 绪 论……………………………………………………………………………1

1.1 智能车的背景及意义 ..................................................................................... 1 1.2 智能车竞赛的研究现状 ................................................................................. 2

1.2.1 国外智能车竞赛现状 ......................................................................... 2 1.2.2 国内智能车竞赛现状 ......................................................................... 3 1.3 本文的概况及结构安排 ................................................................................. 7 2 智能车方案设计…………………………………………………………………..8

2.1 智能车设计的基本要求 ................................................................................. 8 2.2 智能车的双排传感器循迹策略方案设计 ..................................................... 8

2.2.1 双排传感器的优势 ............................................................................. 8 2.2.2 传感器阵列布局 ................................................................................. 9 2.2.3 直道识别方式控制策略 ..................................................................... 9 2.2.4 直线稳定控制策略 ........................................................................... 13 2.2.5 弯道控制策略 ................................................................................... 13 2.2.6 实测结果和现象分析 ....................................................................... 14 2.3 车模参数 ....................................................................................................... 15 3 硬件设计…………………………………………………………………………18

3.1 智能车整体结构 ........................................................................................... 18 3.2 MC9SDG128B的最小系统及接口设计 ......................................................... 19 3.3 电源管理及分布 ........................................................................................... 20 3.4 光电传感器布局 ........................................................................................... 21

3.4.1 赛道识别传感器模块 ....................................................................... 21 3.4.2 测速模块 ........................................................................................... 22 3.5 电机驱动模块 ............................................................................................... 23 3.6 舵机驱动模块 ............................................................................................... 24 3.7 拨码开关模块 ............................................................................................... 25 4 机械结构调整……………………………………………………………………27

4.1 一些重要参数对赛车的影响 ....................................................................... 27 4.2 车模底盘参数调整 ....................................................................................... 28 4.3 重心位置对汽车性能的影响 ....................................................................... 30 4.4 汽车侧滑的处理 ........................................................................................... 31 4.5 底盘离地间隙 ............................................................................................... 32 4.6 齿轮传动间距调整 ....................................................................................... 32 4.7 后轮差速机构调整 ....................................................................................... 32 5 智能车软件开发环境及软件设计………………………………………………34

5.1 智能车软件开发环境 ................................................................................... 34

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第IV页

5.1.1 软件调试软件Code Warrior ............................................................ 34 5.1.2 无线调试模块 ................................................................................... 36 5.2软件设计 .......................................................................................................... 37

5.2.1 初始化模块 ....................................................................................... 37 5.2.2 智能车系统的控制策略的设计及实现 ........................................... 41 5.2.3 PID参数的整合 ................................................................................ 45 结论…………………………………………………………………………………..48 致谢…………………………………………………………………………………..50 参考文献……………………………………………………………………………..51 附录…………………………………………………………………………………..52

附录A：智能车硬件连接图 ................................................................................ 52 附录B：智能车最终实物图 ................................................................................ 53 附录C：PID CONTROLLER ................................................................................. 54

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第1页

1 绪 论

1.1 智能车的背景及意义

智能车系统以迅猛发展的汽车电子为背景,涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械、车辆运动学等多个学科;主要由路径识别、角度控制及车速控制等功能模块组成。一般而言,智能车系统要求小车在白色的场地上,通过控制小车的转向角和车速,使小车能自动地沿着一条任意给定的黑色带状引导线行驶。

智能车辆，是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体.它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆致力于提高汽车的安全性、舒适性和提供优良的人车文互界面，是目前各国重点发展的智能交通系统中一个重要组成部分，也是世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力。

随着科学技术的发展，特别是计算机技术、信息技术、人工智能、电子技术的突飞猛进，智能车辆技术有了实现的技术基础。目前智能车辆技术在轿车和重型汽车上主要应用于碰撞预警系统、防撞及辅助驾驶系统、智能速度适应、自动操作等，其在军事上的应用更加广泛和重要。

车辆智能化是汽车工业今后的发展趋势，也是人们对安全性要求越来越高未来汽车的发展方向。随着计算机技术和信息技术为代表的高新技术的发展，人工神经网络技术、模糊控制技术、神经模糊技术、虚拟实现等新技术的出现，智能车辆技术的研究将会有突破性的进展。智能车辆系统的实用化是是智能车辆发展的前进方向，适应性强、环境适应性好的智能车辆将是研究的重点。

对智能车系统的研究在某种程度上讲是对于智能车辆自动驾驶系统研究的缩影。目前自动驾驶技术的发展水平已经能在相对简单的路况实现全自动驾驶。例如在高速公路上，所有的车辆都向同一个方向行驶，没有行人，没有急转弯路段，车道都有明显的标记，这样就为自动驾驶提供了较好的条件。高速公路自动驾驶的一个主要技术是车道跟踪。一种车道跟踪系统由摄像机和处理器测定车道标记，传感器测定驾驶员加在方向盘

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第2页

上的扭矩；电子控制装置接收这些测量信息，驱动电机通过变速箱调整输送到转向机构的扭矩。

美国通用汽车公司计划在2015年前测试无人驾驶汽车技术，2018年左右将无人驾驶汽车推向市场。该公司正在联合零部件供应商、大学教授和其他汽车制造商共同研发这种无人驾驶汽车，给人们的长短途旅行带来革命性变革，大大减少交通堵塞和交通事故。为了减少交通事故，美国正在推广防止翻车的电子稳定性控制系统，要求2012年推出的新车型必须配备这种技术。接下来，美国还要实施车辆之间的通讯系统。

尽管与自然路况下的完全自动驾驶尚有一段不小的距离，人们已经研究出包含上述在内的许多自动驾驶辅助系统并成功地加以使用。随着科学技术的发展，我们相信不久的将来在市场上能够买到功能全面的自动驾驶汽车。不过，依笔者所见，汽车智能驾驶这种灵活而又复杂的操作，百分之百自动并不是最佳选择，在复杂的路段上还是宁愿相信人类自己[1,2]。

就目前情况看，智能车系统研究的重点是集中力量发展决定智能车控制成败的两大关键技术，即软硬件对于智能车稳定性和速度的提升。只有在这两大关键技术上获得突破性进展，才能实现“跟踪前沿，跨越发展”的目标。本文着重研究控制算法智能车控制系统的稳定性问题，兼顾硬件设计与机械调整，介绍一种基于HCS12单片机设计的智能车系统。硬件系统中的路径识别功能由双排红外光电传感器实现,车速控制主要由PID控制器进行调节。软件设计中实时检测路况,并定时中断采集速度反馈值。 1.2 智能车竞赛的研究现状 1.2.1 国外智能车竞赛现状

韩国大学生智能模型车竞赛是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以 HCS12单片机为核心的大学生课外科技竞赛。组委会将提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够 自主识别路线的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，谁最快跑完全程而没有冲出跑道并且技术报告评分较高，谁就是获胜者。制作智能车，需要参赛队伍学习和应用嵌入式软件开发工具软件 code warrior和在线开发手段，自行设计和制作可以自动识别路径的方案、电机的驱动电路、模型车的车速传感电路、模型车转向伺服电机的驱动以及微控制器

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MC68S912DP256控制软件的编程，等等。其专业知识涉及 控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科， 对 学生的知识融合和实践动手能力的培养，对 高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的长期的推动作用。

图1.1 韩国大学生智能模型车竞赛车模

随着赛事的逐年开展，将不仅有助于大学生自主创新能力的提高，对于高校相关学科领域学术水平的提升也有一定帮助，最终将有助于汽车企业的自主创新，得到企业的认可。这项赛事在韩国的成功可以证明这一点。2000年智能车比赛首先由韩国汉阳大学承办开展起来，每年全韩国大约有100余支大学生队伍报名并准予参赛，至今已举办5届，得到了众多高校和大学生的欢迎，也逐渐得到了企业界的极大关注。韩国现代公司自2004年开始免费捐赠了一辆轿车作为赛事的特等奖项。德国宝马公司也提供了不菲的资助，邀请3名获奖学生到德国宝马公司研究所访问，2005年SUNMOON大学的参赛者获得了这一殊荣，图1.1为他们设计的智能车模型[3]。

此外，欧美国家也在进行智能车系统的研究。 1.2.2 国内智能车竞赛现状

我国在智能车系统方面的研究主要是指从2006年起历年举办的―飞思卡尔‖杯智能汽车竞赛：参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定的竞赛车模套件，采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案进行系统设计，包括传感器信号采集处理、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加各分赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，参加全国决赛区的场地比赛。参赛队伍的名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间

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为主，技术报告、制作工程质量评分为辅来决定。各分赛区预赛以及全国总决赛间，在实际可操作性基础上力求公正与公平参与。

“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，委托教育部高等学校自动化专业指导分委员会主办每年一度的全国大学生智能汽车竞赛。

全国大学生智能汽车竞赛与全国大学生数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等四大竞赛一起被列为教育部主办的全国大学生五大竞赛之一。该大赛综合性很强，以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感、电子、电器、计算机和机械等多个学科交叉的科技创意性比赛，对进一步深化高等工程教育改革据有重要意义，对学生的知识融合和动手能力的培养，对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的推动作用。

智能汽车竞赛所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型赛车，有大赛组委会统一提供。参赛队伍通过设计基于单片机的自动控制器控制模型车在封闭的跑道上自主循线运行。在保证模型车运行稳定即不冲出跑道的前提下，跑完一圈的时间越小，成绩越好。

大赛分为光电与摄像头两个赛题组，如果车模利用道路图像信息进行路径检测方法属于摄像头赛题组，除此之外则属于光电赛题组。

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图 1.2 第四届―飞思卡尔‖杯智能汽车竞赛比赛赛道

1、 光电赛题组

图 1.3 光电赛题组车模

参加光电赛题组中不允许传感器获取道路图像信息进行路径检测。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2d4.html