基于飞思卡尔单片机MC9S12XS128的智能车设计

第３３卷第１期２０１２年３月

上海海事大学学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａｎｇｈａｉＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

Ｖ０１．３３Ｎｏ．１Ｍａｒ．２０１２

文章编号：１６７２—９４９８（２０１２）０１．００８２．０３

基于飞思卡尔单片机ＭＣ９Ｓ１

２ＸＳｌ

２８的智能车设计

李晨１’２，宓超１（１．上海海事大学集装箱供应链技术教育部工程研究中心，上海２０１３０６；２．同济大学机械工程学院，上海２０１８０４）摘要：针对“飞思卡尔全国大学生智能车竞赛”，设计能自动识别路线的智能车系统．该系统以飞思卡尔１６位单片机ＭＣ９Ｓ１２ＸＳｌ２８作为控制核心，用ＭＯＳＦＥＴ制作驱动电路；采用摄像头和带有光电传感器的图像采样模块进行模式识别，提取黑线特征，预判道路信息；通过自制的速度传感器实时获取小车速度，采用ＰＩＤ控制策略形成速度闭环控制．实验证明该系统能够精准地识别路线，控制小车在赛道上稳定运行．关键词：智能车；ＭＣ９Ｓ１２ＸＳｌ２８；模式识别；图像检测；ＰＩＤ控制中图分类号：ＴＰ２４２．６文献标志码：Ａ

ＤｅｓｉｇｎｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｖｅｈｉｃｌｅｂａｓｅｄｏｎＦｒｅｅｓｃａｌｅｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ

ＭＣ９Ｓ１２ＸＳｌ２８

ＬＩＣｈｅｎ，ＭＩ

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（１．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＣｏｎｔａｉｎｅｒＳｕｐｐｌｙＣｈａｉｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙｏｆ

Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，ＳｈａｎｇｈａｉＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１３０６，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎ舀ｉＵｎｉｖ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｖｅｈｉｃｌｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈａｕｔｏｍａｔｉｃｌｉｎｅｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒ“Ｆｒｅｅ—ｓｃａｌｅＮａｔｉｏｎａｌＡｕｔｏｍａｔｉｃＶｅｈｉｃｌｅＣｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎｆｏｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＳｔｕｄｅｎｔｓ”．Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ１６・ｂｉｔｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｍｉ－

ｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒＭＣ９Ｓ１２ＸＳｌ２８ｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｃｏｒｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄＭＯＳＦＥＴｉｓｕｓｅｄｔｏ

ｍａｋｅｔｈｅｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ｃａｍｅｒａｓａｎｄｉｍａｇｅｓａｍｐｌｉｎｇｍｏｄｕｌｅｓｗｉｔｈｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓｅｎｓｏｒｓａｒｅｕｓｅｄｆｏｒｔｈｅ

ｐａｔｔｅｒｎｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｅｘｔｒａｃｔｏｆｂｌａｃｋｌｉｎｅｓＳＯａｓｔｏｐｒｅ・ｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｒｏａｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｓｐｅｅｄｉｓｒｅａｌ—ｔｉｍｅａｃｑｕｉｒｅｄｔｈｒｏｕｇｈｓｅｌｆ－ｍａｄｅｓｐｅｅｄｓｅｎｓｏｒｓ．ＴｈｅＰＩＤｓｔｒａｔｅｇｙｉｓ

ｉｍｐｌｅｍｅｎ—

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ｔｒｏｌｔｈｅｓｔａｂｌｅｒｕｎｎｉｎｇｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｏｎｔｈｅｔｒａｃｋ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｖｅｈｉｃｌｅ；ＭＣ９Ｓ１２ＸＳｌ２８；ｐａｔｔｅｒｎｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ；ｉｍａｇｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌ

０引言为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会

主办“飞思卡尔全国大学生智能车竞赛”．该竞赛要求在标准技术平台下完成软硬件系统的设计，制作一辆能在规定的赛道上自动识别路线的赛车，没有冲出赛道及其他违规现象并最快完成全程为获胜

收稿日期：２０１０－０６—０９修回日期：２０１１－０９．Ｏｌ基金项目：交通运输部科技项目（２００９－３２９－８１０－０２０）；上海市教育委员会重点学科建设项目（Ｊ５０６０４）作者简介：李晨（１９８２一），山东济南人，讲师。博士研究生，研究方向为嵌入式实时控制系统，（Ｅｍａｉｌ）ｈｉｋｅ９２５＠１６３．咖ｎ

ｈｔｔｐ√，Ⅵ州．ｓｍｕｊｏｕｒａａ／．ｃｎ万方数据第１期李晨，等：基于飞思卡尔单片机ＭＣ９Ｓ１２ＸＳｌ２８的智能车设计８３

者．…论文结合上海海事大学参与此竞赛的实际经验，讨论智能车控制系统设计、硬件平台搭建以及软件系统的实现．１系统设计１．１竞赛规则智能车必须采用竞赛委员会规定的技术平台，包括赛车模型、电机、舵机、电池以及由飞思卡尔公司提供的单片机；按道路传感器分为光电组和摄像头组两个组别进行比赛，摄像头组可使用光电传感器，光电组不能使用摄像头，赛车上的传感器数量不得多于１６个．赛道表面为白色，形式包括直道、交叉道、回头弯、Ｓ型等，弯道处赛道宽度为６０ｃｍ，直道处宽度为４５ｃｍ，中心有２．５ｃｍ宽黑色轨迹线．１．２系统总体结构选用飞思卡尔１６位单片机ＭＣ９Ｓ１２ＸＳｌ２８作为核心控制单元，由传感器系统采集道路信息和速度信息，由电机驱动系统控制赛车速度，由舵机驱动系统控制运行方向，由人机交互系统完成系统设定和信息显示，系统的总体结构框图见图１．２硬件设计图１系统结构框图２．１单片机最小系统单片机ＭＣ９Ｓ１２ＸＳｌ２８拥有１２８Ｋ的Ｆｌａｓｈ程序空间，８通道２４位中断定时器，８通道１６位定时器，８通道ＰＷＭ波输出和８通道１２位精度的ＡＤ转换器；同时集成ＣＡＮ，ＳＰＩ，ＳＣＩ和ＵＡＲＴ等通信接口；使用１６Ｍ外部晶振，通过锁相环最高可倍频至９６Ｍ；最小系统包括外部晶振、复位电路及ＢＤＭ调试接口电路等．拉刮２．２电机驱动电机驱动是决定赛车速度的关键．小车使用ＲＳ３８０型直流电机，７．２Ｖ供电，采用ＰＷＭ脉宽调制的方法进行电机调速．在电机驱动方案中有专用电机控制芯片、场效应管、达林顿管等供选择使用．［４１前期设计采用ＭＣ３３８８６控制芯片，集成有Ｈ桥，４片ＭＣ３３８８６并联可以减小内阻，但匹配性差导致运行不稳定．【３３最终选用场效应管自搭驱动电路，见图２．采用半桥电路控制方式，ＭＯＳＦＥＴ采用ＩＲＦ９５４０和ＩＲＦ５４０，８片并联的形式，减小内阻增加驱动能力，同时电机回路串人大功率电阻进行能耗制动．

图２电机驱动电路２．３速度传感器设计初期，为了降低调试难度，采用开环控制模式，赛车运行平稳但速度无法提高，所以赛车控制须建立速度检测环节，进行闭环控制．速度检测同样有多种方案，对射光耦或槽型光耦、霍尔元件、测速电机、高精度编码器等各具特点．综合分析后选择槽型光耦作为测速元件．将槽型光耦安装在传动轴上方，使穿过光耦间隙的齿轮旋转时触发脉冲，由单片机高速脉冲计数器采样，再根据车轮直径和转速等换算成近似速度值．２．４赛道检测传感器赛道检测用的传感器相当于赛车的眼睛，通过它自动检测赛道上的黑色轨迹线，可以通过光电传感器和摄像头实现．光电传感器扫描速度快、控制简单，但探测距离近；摄像头则具有探测范围广、精度高等优势，前瞻性好，利于速度控制，同时也存在易受干扰、处理信息量大等缺陷．【４３本设计综合两种方案的优势，采用摄像头作为主要检测元件，并由安装在赛车前方的光电传感器辅助检测近处道路，锁定黑线。识别起跑线．摄像头选用３８０线ＣＭＯＳ，采用ＬＭｌ８８１作为视频同步分离芯片，提取场同步信号和行同步信号．

３软件实现

３．１主程序算法采取模块化设计思想先分别设计出各单元的底层驱动程序，再设计出各功能模块子程序．主要包括

ｈｔｔｐ．／／ｗｗｗ．ｓｍｕｊｏｕｍａｌ．ｃｎ万方数据上海海事大学学报第３３卷各模块初始化、摄像头数据提取、赛道数据分析、速度与方向控制、速度检测、键盘扫描、数据通信、功能显示与设定等功能模块．控制算法主要包括以下３个方面的内容：摄像头循线控制算法，光电管识别控制算法和ＰＩＤ速度控制（即比例、积分、微分控制）算法，其中：循线控制算法用来控制舵机的转向，光电管控制算法主要用来解决起跑线识别，ＰＩＤ控制算法主要用来控制智能车的快速加速、减速和速度的平稳．图３为主程序算法流程．开始◇‘Ｙ主控程序入ｏ＝＝ｊ一．．．．．．．．．．：［．一启动采集＝］［数据处理是否起跑ｌＹ／一、Ｌ否达到两蕊Ｎ图３主程序算法流程３．２Ｐｍ控制算法采用基于反馈控制的ＰＩＤ控制算法．它结构简单，易于调整参数，适应性强；对于控制模型不准确、参数变化大的控制对象，采用此方法可以得到满意的结果．【５１本设计中采用增量式ＰＩＤ控制，控制方法如下Ａｕ（凡）＝Ｋｐ［ｅ（ｎ）一ｅ（ｎ一１）］＋Ｋｌｅ（，１）＋ＫＤ［ｅ（厅）－２ｅ（，ｌ一１）＋ｅ（／１，一２）］（１）式中：Ａｕ（ｎ）为第ｒｇ次输出增量，则ｌ‘（ｎ＋１）＝Ｈ（ｎ）＋ａｕ（ｎ）；砗，Ｋ，和Ｋ。分别为比例、积分和微分的调节参数；ｅ（ｎ）代表位置偏差．图４为ＰＩＤ控制器原理图．在实际应用中，采样参考文献：的反馈值Ｙ（ｆ）即为单片机脉冲累加器中的脉冲数，预设门限值在参数整定时根据实际情况调节，输出Ⅱ（ｎ）并不能直接控制电机，需要将其转换为控制ＰＷＭ占空比，然后用增大或减小ＰＷＭ占空比的方法实现对电机的加减速控制．【６１换言之，在求偏差量时，实际足悔每２０Ｉｌｌｓ电机转过的齿轮数和期望电机转过的齿轮数的差值乘以相应的系数，即酶，蜀，Ｋ。的协调控制，计算出相应的ＰＷＭ占空比．

图４ＰＩＤ控制器原理图由于在程序中使用中断程序采集图像，ＰＩＤ采样周期的选择受限制于图像采集．每行的扫描周期为６４斗ｓ，有效扫描时间为５２斗ｓ，每隔６行采集一行图像，如果在每行加入ＰＩＤ调节，那么处理ＰＩＤ子程序的时间必须控制在６４×５＝３２０斗ｓ内．另外，图像采集只是采集奇场中的行数，在偶场中没有采集，因此ＰＩＤ子程序的执行不均匀，并没有达到预期效果，还可能会影响视频采集．经过分析，最终决定将ＰＩＤ的采样周期定为２０ｍｓ，即每进行一次场采集后进行一次ＰＩＤ调节．经过最终检验，这样能够满足对速度控制的需要．

４总结与展望设计使用ＭＣ９Ｓ１２ＸＳｌ２８单片机的大多数模块，充分利用单片机资源，小车运行稳定，比赛过程中未出现冲出赛道的情况．通过整个设计过程，大学生们的科研能力和动手能力得到锻炼，项目开发经验有所积累．该技术方案还可推广到智能机器人、自动导向车等方面，具有较广泛的应用价值．

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