基于飛思卡爾MC9S12XS128芯片的智能車剎車系統的研究

曹誠偉，劉一君

（東南大學成賢學院，江蘇 南京 210088）

1 研究背景

1.1 引入剎車系統的由來

為了達到以最快速度跑完不同賽道段的目的，即每段賽道均已可平穩地用最大速度完成，理想情況下在“理想變速分界線”（見圖1）速度變為下一賽道段可跑的最大速度，幾乎沒有“速度浪費”現象的存在。實際情況是賽車整體速度變化必須完成在一個時間區間內，而且在以線性變化、時間最短（“實際線性變速區”距離最短）的同時賽車保持平穩為最佳，這與賽道環境、攝像頭等采集設備的前瞻等因素有較大關系，為了減小這些因素的影響，達到人為可控且高效地完成比賽，故引入智能車剎車系統。

1.2 實現剎車的硬件基礎

賽車的動力來自電機，而電機是由BTS7960驅動芯片來驅動，主控芯片XS128通過自帶的PWM模塊輸出端口輸出2路PWM波，通過2片BTS7960驅動芯片后輸出控制電機正反轉的。如圖2所示，PP1為控制正轉的PWM波，PP3為控制反轉的PWM波。以PP3的占空比來實現反轉的輸出量，從而實現剎車的功能。

圖1 賽道變化與剎車系統的聯系

1.3 實現剎車的軟件基礎

本文是基于攝像頭組別的智能車，攝像頭采集的數據是智能車進行控制并判斷的關鍵輸入，通過軟件濾波和二值化后得到的二值圖像數據是當前以及前方賽道類別的重要判斷依據，同時也是速度控制的重要參考指標。對二值化圖像數據的處理采用區分賽道的軟件算法，進而得出當前以及前方的賽道類型，同時給出該賽道相應速度的預期指標。結合編碼器采集的當前車速，通過算法得出當前PWM所需的輸出值。賽道分類及相應賽道變化時所預期的速度變化如表1所示。

2 研究內容

2.1 1路PWM輸出控制

當只有1路PWM波輸出時，只能單向控制驅動輪轉速的快慢，降速控制完全只能依靠地面摩擦力等人為不可控、不確定因素來進行控制，無法對賽車的整個運行狀態進行平穩有效地控制，不能滿足比賽競速的目的。

圖2 電機驅動電路

表1 賽道分類及期望速度

2.2 2路PWM輸出控制

2路PWM波輸出可對驅動輪進行正反轉控制，故可有效地實現對賽車速度進行平穩有效地控制。

由于車模結構的特殊性，飛思卡爾智能車實現剎車可以由電機抱死或電機反轉2種方法來實現。由于電機是由全H橋電路驅動控制，故PWM波周期應適當，防止剎車時驅動芯片過熱保護而停止工作，并在驅動芯片和主控芯片之間加緩沖芯片，防止大電流回流燒壞主控芯片。

2.2.1 電機抱死剎車

電機抱死剎車是通過輸入大小相等的2路PWM波使電機停轉，通過電機內部磁場將電機轉軸卡死，外力無法帶動轉軸致使車驅動輪停轉。此種方法的優點是易于精確控制停車，弊端是在賽車高速運行且驅動輪在前的情況下電機突然抱死剎車會導致翻車、甩尾或直接將賽車剎停的情況，影響賽車運行的穩定性和整體流暢性，無法很好地完成比賽競速的目的。

2.2.2 電機反轉剎車

電機反轉剎車是通過在正常輸出正向PWM（使賽車向前進方向運動）時根據控制需要輸出適當的反向PWM波使電機正轉受阻從而實現降速，通過“判斷當前賽道及車速、電機瞬時反轉輸出降速”的循環，不停修正車速，達到平穩通過前方賽道的目的。減速過程中通過PID調整控制PWM波輸出，從而控制電機使車速趨于線性變化，這有利于賽車識別賽道數據信息采集的穩定性和可靠性，并且具有實時性，是一種理想可行的剎車系統解決辦法。軟件實現剎車系統的流程圖如圖3所示。

通過反轉剎車實現在賽車高速行駛的情況下在不同賽道之間賽車速度平穩高效的變化響應，從而更有利于達到比賽競速的目的。

圖3 軟件實現剎車系統的流程

圖4 剎車系統調節示意

如圖4所示，當主控芯片通過攝像頭對賽道類型判斷出來以后，通過分析，時間軸上A點為攝像頭在采集圖像時第一次發現賽道變化時的時間點，在這之前2路控制正反轉的PWM波PP1、PP3只有正向PWM波PP1在輸出，并且輸出的PWM波占空比為X%，代表當前賽道速度所需要的PWM波輸出量，反向PWM波PP3沒有輸出量；在經過時間點A之后為通過軟件對圖像進行處理后發現前方開始有賽道變化即進入實際線性變速區，正向PWM波PP1的占空比需調整為Y%，代表前方賽道速度所需要的PWM波輸出量。由于賽車的慣性以及其他不可預見的因素，賽車此時并不能將速度平穩地、線性地降到預期速度，此時需要反向PWM波PP3開始輸出，即剎車系統開始作用，來協助調節車速變化，在每輸出一個調節周期后通過編碼器測速來檢測是否在進入前方賽道前達到預期速度，若達到則停止調節，若沒有則通過PID控制算法改變調節輸出量即反向PWM波PP3的占空比Z%繼續調節，直至通過編碼器檢測車速達到預期速度。這期間PID的參數會隨圖像分析中賽道行號的變化率做出調整，以使其在理想變速分界線之前完成調節。

由于在［t0，t0+FD/v］這段調節時間內調節動作是周期性的，故會出現失調、超調等失誤行為（見圖5）。

圖5 非理想剎車系統波形圖

此時也會對賽車的平穩運行產生一定的影響，根據軟件算法的描述，即每個調節周期對2路PWM波的增加或減少量是決定是否出現超調或失調現象的關鍵因素，故應在每個調節周期內對采集回來的速度與下一賽道預期速度進行實時比較后對PWM波占空比的增加或減少量進行相應改變，使在調節時間內的速度保持近似線性變化。

另外PWM的初始改變量不宜過大，且是以正向PWM輸出PP1從X%占空比變化到Y%為主要目的，反向PWM輸出PP3輔助使速度快速（高效性）變化的同時也保持速度線性（平穩性）變化，隨著每一調節周期的反饋比較進而對變化量參數改變后再進行控制輸出，直至賽車在進入下一賽道類型前平穩運行在預期速度，從而達到賽車在變速的過程中依然快速且平穩運行的目的。

3 核心程序

4 結語

通過引入剎車系統實現賽車在高速運行情況下的有效制動，減少了“實際線性變速區”的范圍以及賽車因速度過快卻無法控制而產生的車體晃動、甩尾、漂移等不穩定情況的出現，從而增加了賽車能以更快的速度平穩跑完賽道的可能性，也為以更快速度且平穩的完成比賽提供了更多的可能。

［1］李俊，王軍輝，譚秋林，等.基于MC9S12XS128控制器的智能車圖像處理技術研究［J］.化工自動化及儀表，2012（2）.

［2］張陽，吳曄，滕勤.MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統開發［M］.北京：電子工業出版社，2011.