电动智能车设计
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科 技论坛
电动智能车设计南辉煌科技股份有限公 司， 河南 郑州 ４ ５ ０ ０ ０ ０ ） 摘 要： 随着经济的发展 汽车已经成为人们 日常生活不可缺 少的交通运输 工具 ， 车辆智能控 制也 随之越来越受到重视 。本文提 出一 种 自动识 别路径并智能控制 车辆前进 的方法 ， 并基 于 ＭＣ ９ Ｓ １ ２ Ｄ Ｇ １ ２ ８ 单 片机设 计了电动智能车。 该模型 车采用光电传感器 ， 在指定的跑道 上 自动识 别路线 ， 沿跑道前进。该设计采用嵌入 式实时操作 系统 Ｕ Ｃ ／ Ｏ Ｓ — Ｉ Ｉ 做 核心控 制 ， 采用光 电传感器阵列获取 赛道信 息， 采用模糊 算 法进行转 向控制 ， 采用Ｐ Ｉ Ｄ算法进行速度控制 ， 还具有模 式输入状 态显示等功能。
关键 词 ： ＭＣ ９ Ｓ １ ２ Ｄ Ｇ１ ２ ８ ； 智能车； Ｕ Ｃ ／ Ｏ Ｓ —ｌ Ｉ
… 软 件组成框 图如 图 ２ 所示： 本文 立 足于 单 片机 控制 系 统 ，运 用 高性 能 的 １ ６位单 片 机 ＭＣ ９ Ｓ １ ２ Ｄ Ｇ １ ２ ８ 及外围扩展设备 ， 设计出具有稳定性高 、 方便调试的智 能模型车。 本系统的设计 目 标是要模型车适应在多种环境 、 不同赛道下 稳定快速沿跑道跑完全程并停车。 在本系统 中主要的控制器件有驱动 电机和转向舵机， 电源为一块 ７ ． ２ Ｖ 一 ２ ０ ０ ０ ｍＡ ｈ的镍镉电池， 因此系统设 计时充分考虑到系统 的稳定性 ， 采用 了多路独立电源、 地线设置回路等 抗干扰措施。在软件编程方面， 使用 Ｇ语言进行编程 ， 移植了嵌入式实 时操作系统 Ｕ Ｃ ／ Ｏ Ｓ 一 １ ／ ， 将程序分为若干模块 ， 各模块之间相对独立， 通 过特定方式通信； 采用时间触发式与事件触发相结合的结构 ， 增强系统 图 ２组成 框 图 稳定性。 ４ ． １应用服务层。 应用服务层由嵌入式实时操作系统 Ｕ Ｃ ／ Ｏ Ｓ 一 Ⅱ控 ２ 系统总体 方案 设计 制， 时钟节拍 由实时中断产生 １ ０ ０ Ｈ ｚ 的实时中断提供。 在控制部分分为 智能小车首先要完成的就是对赛道的识别 ， 了解 自身工作状态 ， 然 ５ 个任务执行 ， 他们分别是 ： 转 向控制任务 、 赛道识别任务、 速度控制任 后对下一步应当进行 的操作进行判断 、 控制。 务、 速度监测任务 、 人机交互任务。 我们控制算法的最基本思想就是 ，控制要做到赛车直行时尽量决 优先级分配为： （ １ ） 转向控制决定了车是否脱离跑到， 在系统起重 速加速 ， 转弯时决速减速到可以过弯的速度 ， 顺利过弯并再次加速， 考 要作用 ， 分配为最高优先级； （ ２ ） 赛道识别决定了车如何前进 ， 分配高优 虑到赛车行驶速度与转弯角度的关系 ，我们对转弯角度和转弯速度进 先级 ； （ ３ ） 速度控制和测速， 在系统中起保证系统稳定的作用 ， 分配低优 行成对的参数设置， 简单来说就是转弯越大相应的转弯速度越低 。 先级 ｊ （ ４ ） 人机交互负责车辆状态显示 ， 对系统控制没有作用 ， 对系统调 本模型车的总体岗 十 框图如 图 １ 所示 ： 试起重要作用， 在车辆运行中应将其分配最低优先级。 ４ ． ２驱动层。驱动层为系统中最复杂的部分 ， 他负责了系统从外界 获取的信息的处理到控制信息的生成一系列复杂的运算 、 控制， 是车辆 运 行 的核 心 。 驱动层由五个任务组成， 分别为 ： 赛道识别任务 、 速度检测任务、 转 向控制任务、 速度控制任务 、 人 机交互任务。 赛道识别任务充 当着系统的“ 眼睛” 。他负责把传感器得到的电压 信号通过 Ａ ／ Ｄ转换生成数据进行处理 、 提取赛道信息。 速度检测任务负 责将当前车速准确的检测供系统其他控制单元使 用。转 向控制任务负 责执ｌ 彳 亍 控制任务制定的转向输出， 保证转向稳定 、 正确。本车模采用模 图 ｌ总体设 计框 图 糊控制算法计算转向控制量 ， 保证控制准确 、 可靠 。速度控制任务通过 ３系统硬件电路设计 速度传感器获取的当前速度值调整电机的 Ｐ ＷＭ 占空 比，可以实现对 硬件电路设计是 自动控制的基础。由于该竞赛指定使用飞思卡尔 于速度的闭环控制。人 机交互任务是对车一些参数进行修改。 由于赛前 公司 Ｓ １ ２系列的 ｌ ６ 位单片机 ＭＣ ９ Ｓ １ ２ Ｄ Ｇ１ ２ ８作为核心控制器，所以 我们有一定的调试时间 ， 因此可以针对赛道的具体 隋况， 通过跳线对一 我们使用了组委会提供的开发板作为单片机最小系统 ，同时在外部增 些可变参数进行设定 ， 这可以使得小车的适应能力更强。 。 。 加了各种接 口电路组成整个硬件系统。 ４ ． ３硬件层。 硬件层为单片机的控制模块 ， 包括普通 Ｉ Ｏ、 Ｐ ＷＭ输 出 智能车的总体设计思想是 ： 以单片机 ＭＣ ９ Ｓ Ｄ Ｇ１ ２ ８ 为中心控制器 ， 模块 、 Ｅ Ｃ Ｔ模块、 Ａ ／ Ｄ转换模块。 辅 以外 围模拟 、 数字电路功能模块 ， 实现从传感器读取赛道信息 ， 对其 Ａ ／ Ｄ转换模块负责对光电阵列的传感信息进待数字化 ； 普通 １ ０负 进行分析加以小车当前状态 ， 对下一个工作状态进行分析、 决定 ， 下发 责模式选择和状态输 出； Ｅ Ｃ Ｔ模块负责速度检测 Ｐ ｜ ｗ砸｝ 模块负责舵机 控 制和 电机控制 。 ． 一’ 控制信 息， 由执行部件执行控制操作， 使车沿赛道前进。 ４ 系统 软件程 序设计 ５结 论 硬件电路设计完成后 ， 系统的主要功能将依赖于软件来实现。 系统 经过几个月的学习与努力 ， 我们经过系统分析 、 方案论证 、 建模与 能否正常可靠地工作 ， 除了硬件的合理设汁外 ， 与功能完善的软件设计 仿真、 硬件和软件设计 、 系统安装与诃试 、 系统性能测试与分析等阶段 是分不开的。本文软件没计采用 ｃ语言完成系统的整个流程控制以及 完成了智能车系统的制作。通过光电传感器的设计与调试实现了路径 数学运算等工作。 检测， 利用霍尔元件实现测速０ 通过电机驱动电路的设计完成 了对电机 本系统采用嵌入式实时操作系统 Ｕ Ｃ ／ Ｏ Ｓ 一 １ １ 作为上层服务层程序， 的控制； 利用 Ｌ Ｅ Ｄ 、 拨码开关实现人机交互 ， 方便 了调试过程 中参数 的 用来调度各个模块运行； 驱动层由赛道信息采集及处理模块、 车速采集 输人与对智能车运行状态的实时检测。 模块 、 车速控制模块 、 转向控制模块和状态显示模块组成 ； 硬件层驱动 智能车能在限定的赛道上以较 陕的速度安全行驶 ，达到了比赛 的 单片机的 Ａ ／ Ｄ转换模块采集赛道信息，脉冲捕捉采集车速信息 ，驱动 要求。 在我们的调试场地ｌ 上， 稳定行驶的 平均速度在 １ ． １ ｍ ／ ｓ以 上； 赛道 Ｐ ＷＭ控制电机运行和舵机转向， 驱动 Ｌ Ｅ Ｄ显示车辆状态。 检测精度为 ３ ｍ ｍ； 并具有一定的抗干扰能力。 １概述
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科 技论坛
电动智能车设计南辉煌科技股份有限公 司， 河南 郑州 ４ ５ ０ ０ ０ ０ ） 摘 要： 随着经济的发展 汽车已经成为人们 日常生活不可缺 少的交通运输 工具 ， 车辆智能控 制也 随之越来越受到重视 。本文提 出一 种 自动识 别路径并智能控制 车辆前进 的方法 ， 并基 于 ＭＣ ９ Ｓ １ ２ Ｄ Ｇ １ ２ ８ 单 片机设 计了电动智能车。 该模型 车采用光电传感器 ， 在指定的跑道 上 自动识 别路线 ， 沿跑道前进。该设计采用嵌入 式实时操作 系统 Ｕ Ｃ ／ Ｏ Ｓ — Ｉ Ｉ 做 核心控 制 ， 采用光 电传感器阵列获取 赛道信 息， 采用模糊 算 法进行转 向控制 ， 采用Ｐ Ｉ Ｄ算法进行速度控制 ， 还具有模 式输入状 态显示等功能。
关键 词 ： ＭＣ ９ Ｓ １ ２ Ｄ Ｇ１ ２ ８ ； 智能车； Ｕ Ｃ ／ Ｏ Ｓ —ｌ Ｉ
… 软 件组成框 图如 图 ２ 所示： 本文 立 足于 单 片机 控制 系 统 ，运 用 高性 能 的 １ ６位单 片 机 ＭＣ ９ Ｓ １ ２ Ｄ Ｇ １ ２ ８ 及外围扩展设备 ， 设计出具有稳定性高 、 方便调试的智 能模型车。 本系统的设计 目 标是要模型车适应在多种环境 、 不同赛道下 稳定快速沿跑道跑完全程并停车。 在本系统 中主要的控制器件有驱动 电机和转向舵机， 电源为一块 ７ ． ２ Ｖ 一 ２ ０ ０ ０ ｍＡ ｈ的镍镉电池， 因此系统设 计时充分考虑到系统 的稳定性 ， 采用 了多路独立电源、 地线设置回路等 抗干扰措施。在软件编程方面， 使用 Ｇ语言进行编程 ， 移植了嵌入式实 时操作系统 Ｕ Ｃ ／ Ｏ Ｓ 一 １ ／ ， 将程序分为若干模块 ， 各模块之间相对独立， 通 过特定方式通信； 采用时间触发式与事件触发相结合的结构 ， 增强系统 图 ２组成 框 图 稳定性。 ４ ． １应用服务层。 应用服务层由嵌入式实时操作系统 Ｕ Ｃ ／ Ｏ Ｓ 一 Ⅱ控 ２ 系统总体 方案 设计 制， 时钟节拍 由实时中断产生 １ ０ ０ Ｈ ｚ 的实时中断提供。 在控制部分分为 智能小车首先要完成的就是对赛道的识别 ， 了解 自身工作状态 ， 然 ５ 个任务执行 ， 他们分别是 ： 转 向控制任务 、 赛道识别任务、 速度控制任 后对下一步应当进行 的操作进行判断 、 控制。 务、 速度监测任务 、 人机交互任务。 我们控制算法的最基本思想就是 ，控制要做到赛车直行时尽量决 优先级分配为： （ １ ） 转向控制决定了车是否脱离跑到， 在系统起重 速加速 ， 转弯时决速减速到可以过弯的速度 ， 顺利过弯并再次加速， 考 要作用 ， 分配为最高优先级； （ ２ ） 赛道识别决定了车如何前进 ， 分配高优 虑到赛车行驶速度与转弯角度的关系 ，我们对转弯角度和转弯速度进 先级 ； （ ３ ） 速度控制和测速， 在系统中起保证系统稳定的作用 ， 分配低优 行成对的参数设置， 简单来说就是转弯越大相应的转弯速度越低 。 先级 ｊ （ ４ ） 人机交互负责车辆状态显示 ， 对系统控制没有作用 ， 对系统调 本模型车的总体岗 十 框图如 图 １ 所示 ： 试起重要作用， 在车辆运行中应将其分配最低优先级。 ４ ． ２驱动层。驱动层为系统中最复杂的部分 ， 他负责了系统从外界 获取的信息的处理到控制信息的生成一系列复杂的运算 、 控制， 是车辆 运 行 的核 心 。 驱动层由五个任务组成， 分别为 ： 赛道识别任务 、 速度检测任务、 转 向控制任务、 速度控制任务 、 人 机交互任务。 赛道识别任务充 当着系统的“ 眼睛” 。他负责把传感器得到的电压 信号通过 Ａ ／ Ｄ转换生成数据进行处理 、 提取赛道信息。 速度检测任务负 责将当前车速准确的检测供系统其他控制单元使 用。转 向控制任务负 责执ｌ 彳 亍 控制任务制定的转向输出， 保证转向稳定 、 正确。本车模采用模 图 ｌ总体设 计框 图 糊控制算法计算转向控制量 ， 保证控制准确 、 可靠 。速度控制任务通过 ３系统硬件电路设计 速度传感器获取的当前速度值调整电机的 Ｐ ＷＭ 占空 比，可以实现对 硬件电路设计是 自动控制的基础。由于该竞赛指定使用飞思卡尔 于速度的闭环控制。人 机交互任务是对车一些参数进行修改。 由于赛前 公司 Ｓ １ ２系列的 ｌ ６ 位单片机 ＭＣ ９ Ｓ １ ２ Ｄ Ｇ１ ２ ８作为核心控制器，所以 我们有一定的调试时间 ， 因此可以针对赛道的具体 隋况， 通过跳线对一 我们使用了组委会提供的开发板作为单片机最小系统 ，同时在外部增 些可变参数进行设定 ， 这可以使得小车的适应能力更强。 。 。 加了各种接 口电路组成整个硬件系统。 ４ ． ３硬件层。 硬件层为单片机的控制模块 ， 包括普通 Ｉ Ｏ、 Ｐ ＷＭ输 出 智能车的总体设计思想是 ： 以单片机 ＭＣ ９ Ｓ Ｄ Ｇ１ ２ ８ 为中心控制器 ， 模块 、 Ｅ Ｃ Ｔ模块、 Ａ ／ Ｄ转换模块。 辅 以外 围模拟 、 数字电路功能模块 ， 实现从传感器读取赛道信息 ， 对其 Ａ ／ Ｄ转换模块负责对光电阵列的传感信息进待数字化 ； 普通 １ ０负 进行分析加以小车当前状态 ， 对下一个工作状态进行分析、 决定 ， 下发 责模式选择和状态输 出； Ｅ Ｃ Ｔ模块负责速度检测 Ｐ ｜ ｗ砸｝ 模块负责舵机 控 制和 电机控制 。 ． 一’ 控制信 息， 由执行部件执行控制操作， 使车沿赛道前进。 ４ 系统 软件程 序设计 ５结 论 硬件电路设计完成后 ， 系统的主要功能将依赖于软件来实现。 系统 经过几个月的学习与努力 ， 我们经过系统分析 、 方案论证 、 建模与 能否正常可靠地工作 ， 除了硬件的合理设汁外 ， 与功能完善的软件设计 仿真、 硬件和软件设计 、 系统安装与诃试 、 系统性能测试与分析等阶段 是分不开的。本文软件没计采用 ｃ语言完成系统的整个流程控制以及 完成了智能车系统的制作。通过光电传感器的设计与调试实现了路径 数学运算等工作。 检测， 利用霍尔元件实现测速０ 通过电机驱动电路的设计完成 了对电机 本系统采用嵌入式实时操作系统 Ｕ Ｃ ／ Ｏ Ｓ 一 １ １ 作为上层服务层程序， 的控制； 利用 Ｌ Ｅ Ｄ 、 拨码开关实现人机交互 ， 方便 了调试过程 中参数 的 用来调度各个模块运行； 驱动层由赛道信息采集及处理模块、 车速采集 输人与对智能车运行状态的实时检测。 模块 、 车速控制模块 、 转向控制模块和状态显示模块组成 ； 硬件层驱动 智能车能在限定的赛道上以较 陕的速度安全行驶 ，达到了比赛 的 单片机的 Ａ ／ Ｄ转换模块采集赛道信息，脉冲捕捉采集车速信息 ，驱动 要求。 在我们的调试场地ｌ 上， 稳定行驶的 平均速度在 １ ． １ ｍ ／ ｓ以 上； 赛道 Ｐ ＷＭ控制电机运行和舵机转向， 驱动 Ｌ Ｅ Ｄ显示车辆状态。 检测精度为 ３ ｍ ｍ； 并具有一定的抗干扰能力。 １概述