“飛思卡爾”智能汽車系統設計分析

趙隆基，喬 朕， 陸 群

鹽城工學院機械工程學院，江蘇鹽城 224051

“飛思卡爾”智能汽車系統設計分析

趙隆基，喬 朕， 陸 群

鹽城工學院機械工程學院，江蘇鹽城 224051

飛思卡爾智能汽車比賽是全國范圍內的大學生電子設計創新比賽項目，本論文結合實際參賽經驗，對智能小車的設計進行了分析探討，給出了系統的硬件結構框架設計方案，并對每一個硬件功能模塊進行了論述，在此基礎上進行了系統軟件流程設計，論述了智能汽車控制算法的實現，從而保障了智能汽車全部比賽功能的實現。智能汽車的分析設計能夠提高大學生的分析設計動手實踐能力，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

全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽是在規定的模型汽車平臺上，使用飛思卡爾半導體公司的8位、16位單片機作為核心控制模塊，通過增加道路傳感器、電機驅動電路、舵機驅動電路以及編寫相應軟件，制作一個能夠自主識別道路的模型汽車，按照規定路線行進，以完成時間最短者為優勝。因而該競賽是涵蓋了自動控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械與汽車等多學科專業的創意性比賽。這就要求學生組成團隊，協同工作，綜合運用所學知識，并加以運用與實踐。

1 系統設計

1.1 硬件結構設計

如圖1所示，該系統主要包括七個模塊：單片機控制模塊、電源管理模塊、路徑識別模塊、車速檢測模塊、電機驅動模塊、舵機驅動模塊、調試模塊。

圖1 智能汽車硬件系統結構框圖

各模塊的主要功能如下：

1）單片機控制模塊：系統中使用的是Freescale公司生產的MC9S12XS128單片機，作為系統的的核心模塊，主要是將圖像傳感器與速度傳感器檢測的信號相互協調，在所編寫的程序基礎上，給予電機與舵機控制信號，使其根據賽道信息調整相應轉速與方向；

2）電源管理模塊：是整個系統的動力保障，可靠、穩定的電源是系統持續運行的必備條件，整個系統的供電是由7.2V鋰電池提供的，運用DC-DC電壓變換原理，得到需要的電壓；

3）路徑識別模塊：是系統信息輸入的重要來源，相當于智能汽車的“眼睛”，主要是負責將小車當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）車速檢測模塊：檢測小車當前行駛速度，并實時地將車速信息反饋給主控芯片，形成閉環系統，是提高控制精度的重要措施；

5）電機驅動模塊：是整個系統的重要組成部分，也是高效的算法得以順利運行地基礎，好的電機驅動有利于小車的加速與制動；

6）舵機驅動模塊：如果說電機驅動是“油門”，那門舵機驅動就是“方向盤”，根據主控芯片控制的輸出信號，控制小車執行相應的專項要求；

7）調試模塊：輔助調試模塊用于建立良好的人機交互界面，是檢查所編寫程序錯誤的重要手段，同時也是比賽時修改一些重要參數的方便措施，能夠大大節省調試過程。

1.2 系統軟件設計

如圖2所示，可以看出軟件設計主要分為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，所以本設計中使用的是黑白的攝像頭作為路徑識別單元。根據攝像頭的工作原理，每個信號結束以后都有一個行同步信號，根據這一點，可以每隔7個～8個有效行采集一行，這樣不僅減小了處理器的壓力而且也減少了不必要參數的設定；對所采集的信息進行處理的方法一般為二值化處理，設定一個閾值，將圖像的灰度信息轉換為兩個值，即高于或低于這個設定的閾值。除二值化處理外，還有邊緣檢測算法。

控制算法：常用的自動控制算法有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，原理是根據系統的被調量實測值與設定值之間的偏差，利用偏差的比例、積分、微分3個環節的不同組合計算出對廣義被控對象的控制量；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，是一個著重控制算法可靠性研究的控制器設計方法。在整個系統中，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，綜合運用各種算法可以更高效的達到快速運行的目的，例如當小車速度過快時，PID在速度調節方面有處理周期過長的缺點，這時，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，開環系統相較于閉環系統來說，精確程度方面會降低很多，在系統中添加速度檢測的目的就在于提高系統運行的準確性。

2 結論

本文介紹了智能車所應該具有的硬件模塊，以及各模塊在系統運行中所起的作用，同時也說明了個模塊相互協調工作的必要條件——軟件，具體在小車機械性能方面的改動并未介紹，只有搭建好優秀的硬件平臺，編寫軟件的思想才能得以實現。飛思卡爾智能汽車比賽是有一定挑戰性的比賽，能夠真正鍛煉大學生的分析設計能力和動手實踐能力，是值得推廣參與的。

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1674-6708（2010）32-0083-02