基于MC9S12XS128的智能迷宫小车设计
基于MC9S12XS128单片机的智能小车控制系统设计与实现
基于MC9S12XS128单片机的智能小车控制系统设计与实现鲁小雨【摘要】介绍了一种电子竞赛智能小车的控制系统设计与实现.以MC9S12XS128单片机作为控制系统核心,设计了智能小车的视频处理电路、电机驱动电路以及电源电路等,给出了赛道图像采集算法、抗干扰和抗反光的黑线提取算法、舵机转向和速度调节的PID控制算法、赛道识别和弯道控制算法,制作的智能小车能通过对自身运动速度和方向的实时调整实现沿赛道快速稳定地行驶.%A design and implementation process of a control system for a smart vehicle prepared for undergraduate electronic contests were introduced.Taking aMC9S12XS128 microprocessor as the core,a video processing circuit,a motor driving circuit and a power circuit of the vehicle were designed.Some algorithms for track image collection,anti-interferential and anti-reflective black line extraction,PID control of steering and speed,and track recognition together with turning control weregiven.Finally,through instantaneously adjusting its own speed and direction,the vehicle can run along the route stably at a high speed.【期刊名称】《成都大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(030)003【总页数】5页(P264-267,273)【关键词】智能小车;路径识别;PID控制【作者】鲁小雨【作者单位】东南大学自动化学院,江苏南京211102【正文语种】中文【中图分类】TP2730 引言随着汽车电子业的发展,具有自动识别道路功能的智能汽车成为业界研究的重点.本文研究的智能小车的制作设计以CMOS摄像头作为路径识别传感器,以直流电机作为小车的驱动装置,通过舵机来控制小车的转向.本文不仅说明了整个智能小车控制系统的硬件和软件设计与实现,同时讨论了为进一步提高小车的稳定性和行驶速度对小车控制算法的设计要求.设计出的智能小车可以通过实时对自身运动速度和方向的调整来“沿赛道”快速行驶.1 系统总体设计我们设计的智能小车控制系统结构如图1所示.图1 智能车控制系统结构示意图如图1所示,该智能车控制系统以MC9S12XS128单片机作为控制系统的核心[1],通过黑白CMOS摄像头拍摄赛道图像并以PAL制式信号输出到信号处理模块(LM1881)进行视频同步信号分离,所得到图像和同步信号同时输入到单片机控制核心,单片机对信号进行判断处理后,通过改变PWM波脉宽实现对舵机转向的控制.舵机转向采用PD控制,通过光电编码器来检测车速并将速度反馈到单片机控制核心,用PID控制算法处理后得到的控制量去改变电机驱动模块的PWM波占空比,从而控制智能车的行驶速度.此外,控制系统还增加了路径识别的模块,对典型赛道进行决策控制,提高了智能小车的运行速度和稳定性.2 硬件电路设计智能小车控制系统硬件电路的总体设计本着可靠、高效、简洁的原则进行.系统的硬件电路包括控制系统核心电路、电源稳压电路、视频同步分离电路、电机驱动电路等.2.1 控制系统核心电路设计中,我们选取MC9S12XS128单片机作为控制系统核心.该单片机的CPU外部总线频率为8 MHz,内部运算速度可达25 MHz,其内部寄存器组中的寄存器、堆栈指针和变址寄存器均为16位.其为112引脚封装,有2个8路10位精度A/D转换器,脉宽调制模块(PWM)可设置成4路8位或者2路16位.在控制系统核心电路制作时,需要涉及一些普通的I/O口,单片机引脚规划如下:PS4-7,SPI下载; AN00-15,2个8路10位ADC;ANIN,输入视频模拟信号VIDEO;IRQ,输入视频行同步脉冲信号;PH5,输入奇偶场信号O/E;PWM5,舵机角度信号控制输出;PWM1、PWM3,输出电机控制信号.2.2 电源电路设计硬件电路的电源为7.2 V的镍铬电池,除了舵机需要的电压是7.2 V,可以直接输出以外,CMOS摄像头的工作电压为12 V,需要一个升压的电路,而单片机的标准供电电压、LM1881供电电压、光电编码器的供电电压均为5 V,因此还需要一个降压稳压电路.2.2.1 5 V电源降压稳压电路.5 V电源降压稳压电路如图2所示.图2 5 V电源降压稳压电路由于后轮驱动电机工作时电池电压压降较大,电路设计中必须采用低压降串联稳压芯片,以保证系统工作的稳定性,本电路选用2940稳压芯片来实现稳压.2.2.2 12 V电源升压电路.12 V电源升压电路如图3所示.图3 12 V升压电路MC34063芯片是一个单片机双极型线性集成电路,专用于直流—直流变换器控制的部分.MC34063芯片内包含了温度补偿带隙基准源、控制振荡器、驱动器和大电流输出开关,能输出1.5A的开关电流,故选取MC34063设计升压电路,可使用最少的外接元件就能够构成开关式升压变压器.2.3 视频处理电路智能小车视频信号中除了包含拍摄到的图像信号之外,还包括了行同步信号、行消隐信号、场同步信号、场消隐信号以及槽脉冲信号等,因此,必须准确地把握各个信号之间的时序逻辑关系,才能实现对视频信号的采集.LM1881是针对视频信号的同步分离芯片,它可以从0.5～2 V的标准负极性NTSC制、PAL制、SECAM制视频信号中提取复合同步、场同步、奇偶场识别等信号,然后将这些信号送到单片机控制核心,这些信号都是图像数字采集所需要的同步信号.视频同步分离电路设计如图4所示,其中,C32和R24构成一个简单滤波电路,使视频信号更平稳,C31和R26构成了一个复位电路.图4 视频同步分离电路2.4 电机驱动电路电机驱动电路如图5所示.图5 电机驱动电路MC33886是一款专用于电机驱动的高效单片集成芯片,它最高能够处理10 kHz频率的PWM调制脉冲,并且能够向负载电机提供高达5.0 A的电流.在设计中,我们采用两片MC33886芯片并联驱动,这样不仅可以提高电机的输入电流,增大电机的实际功率,使电机在不增加动力源的情况下大大的改善其性能,还能够减少MC33886芯片的功耗.3 软件系统设计由于智能小车采用CMOS摄像头作为传感器,因此图像采集处理和智能小车转向及速度的控制是整个软件的核心.软件系统中,图像信号采集算法采用直接边缘提取算法以及图像滤波算法得到黑线的位置,并通过动态阈值以实时适应比赛环境,同时,编写了赛道识别的算法,以实现对典型赛道的决策控制.智能小车舵机和电机的控制算法使用了鲁棒性很好的经典PID控制算法,配合使用实际参数补偿的方法,使小车在行驶的过程中达到了快速稳定的效果.系统软件设计的流程图如图6所示.图6 系统软件设计流程图3.1 图像采集算法设计图像采集算法[2]的流程图如图7所示.考虑到实际赛道只是在白色KT板上布置黑色引导线,因此,可以采用隔行采集的思想来压缩图像的数据.经过实际实验发现,智能小车的图像传感系统在单一方向上只要有40个像素的分辨力就足够用了,其前22行视频为场消隐信号,为均匀采样288行视频信号,可以采样场信号29行、36行……,即每隔7行采集一次即可.3.2 黑线提取算法设计黑线采用直接边缘提取算法[3],识别黑线后,可以通过求平均值计算黑线的中心点.为进一步消除外界因素的影响和十字交叉线的干扰,必须对图像滤波加以矫正,具体步骤为:(1)根据图像模型去噪.赛道的黑色引导线是绝对连续的,不可能出现全白行.当某一行求取的中心线位置与相邻的两行相差较大时,可认为该行错误,需采用中值滤波方法重新获得该行位置.图7 图像采集算法流程图(2)当出现两段黑线情况时,比如,赛道比较密集,或是“十”字交叉道,或是大“S”弯道,可保留最底下的一段,并增加路径识别的算法,给出适当的控制策略.(3)由于摄像头可能相对于赛道存在一定的倾斜角度,因此采集到的图像可能存在一定的梯形失真,可通过添加一个线性修正值来消除,该线性补偿系数通过实验来确定.3.3 舵机转向和速度调节PID控制算法设计智能小车的舵机转向和速度调节采用PID控制算法[4]来控制,它结构简单、稳定性好、工作可靠、调整也十分方便.3.3.1 速度的控制.速度控制采取的基本策略是弯道降速,直道提速.因此,控制中需要根据当前测速和路面弯道情况来决定当前速度,当前速度反馈值与当前设定速度存在的偏差,记为 e (k).那么就可以通过偏差值来调节当前的速度值.在计算机上实现PID算法时,可通过数字PID调节器采用增量型算法来实现,增量式为,其中因此,运用PID控制的关键就变为调整3个系数 q1,q2,q3,即参数整定,在具体PID 参数整定时,我们采取了简化的扩充临界比例度法[4].通过PID算法对速度的调整后,最终将经过图像提取算法处理后的黑线位置和对应的PID参照速度处理成二次曲线的关系,使得小车在直道和弯道相互过渡时加减速比较灵敏.3.3.2 舵机转向的控制.在舵机控制时,采用PD控制可以达到较好的效果,将P项认为是计算得到的黑线的位置和图像中心位置的偏差,而D项认为选定行的黑线位置与上幅图像中的黑线位置的差值.我们在实际测试中发现,增加P项系数可以增强小车的沿线能力,实现小车的转向提前,达到切弯的目的,但是若P系数太大,也会导致大半径弧线切弯过度.加入D项系数后,可以使小车入弯时转向提前,出弯时转向减少,对大S弯切线很有好处.通过适当的调节PD参数可以使小车灵活的运行.3.4 赛道识别和弯道控制算法设计典型赛道如图8所示.赛道主要分为直道、小S弯道、急转弯、十字交叉等几种.对于直道,以及比赛中小于15°的上下坡,配合PID控制算法,具有较好的控制效果.但对于别的赛道可通过路径识别算法判断当前所处的赛道,针对实际情况做出相应的控制处理.赛道识别算法具体步骤如下:图8 典型赛道示意图(1)选取赛道上间隔一定距离的黑点,计算所选n个黑点的位置x相对于视场中心的平均位置x—= x/n.(2)平均位置与视场中心绝对值之差表示了当前赛道的弯曲程度,其值的正负表示了是向左弯曲还是向右弯曲,其值越大表示拐弯半径越小.(3)通过适当的选取黑点的间隔,可以达到比较明显的区分效果,能够顺利的识别出急转弯与直道,而小S弯道可能被识别为直道,这正是设计所希望的,即在小S弯道可以直接加速冲过去而不会偏出赛道.(4)对于起点和十字赛道的识别可通过黑线赛道两旁黑线部分的长度来识别,通过适当的设定其宽度值的大小,可以顺利识别.顺利识别赛道后,还需要对典型赛道做出相应的处理,其处理方法如下:(1)起始线.在定时一段时间后执行判断程序(保证在起始的时候不会停下来),判断读入的包含了起始线的图像的场数大于一个给定值(由于摄像头的前瞻性,在终点之前的一段距离,摄像头就识别到了终点,为了冲过终点)就让电机输出0.(2)急转弯.要求小车在急转弯处能够立刻减速,而PID调节难达到理想效果,可以在识别到急转弯时,让小车电机输出负值,从而使小车的后轮反转,这样可以保证小车速度迅速降下来.4 结语本文详细说明了带CMOS摄像头的智能小车系统中硬件和软件的设计制作过程.图像采集时,采用了压缩图像的方法,通过提取黑线并实现了动态阈值的设定,利用PID 调节使得舵机和电机输出得到了较好的控制,路径识别和决策控制的添加,保证了智能小车在弯道上平稳快速的行驶.参考文献:[1]王威.HCS12微控制器原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.[2]蔡波.视频实时图像处理系统研究及设计[J].电视技术, 2005,29(5):23-25.[3]董翠敏.一种有效的图像二值化方法在CCD传感器图像信息处理中的应用[J].成都大学学报(自然科学版), 2009,28(4):1-4.[4]Park K H,Bien Z,Hwang D H.A Study on the Robustness of a PID-type Iterative Learning Controller against Initial State Error [J].International Journal of Systems Science,1999,30(1):102 -135.[5]王勤.计算机控制技术[M].南京:东南大学出版社,2003.[6]邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].北京:清华大学出版社,2004.[7]杨加国.单片机C语言与汇编语言混合编程[J].成都大学学报(自然科学版),2008,27(3):1-4.。
基于MC9S12XS128的电磁智能小车的硬件设计_高海沙
《微型机与应用》2016年第35卷第7期基于MC9S12XS128的电磁智能小车的硬件设计高海沙，丁晓慧（商丘学院，河南商丘476000）摘要：若要实现小车的直立行走，应该构建良好的硬件平台。
本文按照电磁车体系结构，简单介绍了智能小车的硬件设计模块，主要包括电源、核心控制、传感器、执行机构和人机接口等部分。
各部分相互协调，最终使小车能够在最短的时间内沿着规定的轨迹快速稳定地运行。
关键词：MC9S12XS128单片机；传感器；电机中图分类号：TN9文献标识码：A文章编号：1674-7720（2016）07-0028-02引用格式：高海沙，丁晓慧．基于MC9S12XS128的电磁智能小车的硬件设计［J ］．微型机与应用，2016，35（7）：28-29．The hardware design of the intelligent electromagnetic car based on the MC9S12XS128Gao Haisha ，Ding Xiaohui（Shangqiu University ，Shangqiu ，476000，China ）Abstract ：As everybody knows that it should create a good hardware platform before the car can go standly．This article introduces the hardware design modules of the intelligent car which includes the power ，the core controller ，the sensors ，the executing agency ，the HMI and so on．All of the modules should be coherent with another so that the intelligent car can go fast and stablely along the set track using the shortest time．Key words ：MC9S12XS128；sensors ；electrical machine引言图1整体框架图随着电子技术的不断发展［1］，能够自动进行识别轨迹的智能小车得到了广泛的应用［2］。
基于MC9S12XS128的智能小车超车控制系统
基于MC9S12XS128的智能小车超车控制系统孙继元;苑广军【期刊名称】《微计算机信息》【年(卷),期】2012(000)009【摘要】针对2011年全国大学生电子竞赛C题-智能小车的设计要求,本系统采用飞思卡尔公司MC9S12XS128单片机为主、STC89C52单片机为辅作为智能小车的检测和控制核心。
系统采用TCRT5000红外识别技术和超声波探测技术,将检测到的数据传送给单片机,对数据进行相应处理,LCD液晶显示及语音播报。
实验证明,系统方案合理,性能良好,能够实现竞赛题目的各项要求。
%Meeting to the design requirement of the C topic,Electric Vehicle,of the 2011 National Undergraduate Electronic Design Contest,STC89C52 andMC9S12XS128,product of free-scale,were adopted in the system as speed of detection and control,and the time and status of electric vehicle was displayed by LCD.The voice module was adopted into man-machine communication.The TCRT5000 module and the Ultrasonic detection technology were also adopted to transmit data for Single chip Microcontroller.The experiment shows that the proposed project is reasonable,and the performance of the system is good,and all requirements of the contest topic were realized completely.【总页数】2页(P154-155)【作者】孙继元;苑广军【作者单位】吉林北华大学;吉林北华大学【正文语种】中文【中图分类】TP29【相关文献】1.基于MC9S12XS128单片机的智能小车控制系统设计与实现 [J], 鲁小雨2.基于MC9S12XS128单片机的多功能智能小车系统设计 [J], 张德宇;侯立刚;张晓勇;常龙昆3.基于MC9S12XS128的智能小车硬件系统设计 [J], 成郑4.基于MC9S12XS128单片机的智能小车设计系统 [J], 张丹;师宁;5.基于MC9S12XS128的电磁智能小车的硬件设计 [J], 高海沙;丁晓慧因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于MC9S12×S128处理器的智能循迹小车分析研究
题 比较 实用 的办 法就 是加 上适 ■ １．３ 电磁传感器 电路
当大小 的 电容 ，如加 上储 能器
近 年来 ，电磁组 的传 感器 已经 由三极 管组成 的放大 电路
件 ，放大器的供 电需减少纹波 ，供给放大器 的电压 纹波越 大 全 面升级至集成运放放大 电路感器 ［４１。集成运放 的优 点是 温
软 件 算 法 设 计 。
１．硬件 电路设计
以 ＭＣ９Ｓｌ２ＸＳｌ２８处理器为 基础 智能小车硬件 电路 包含
了 电源供 电 电路、 电机驱 动 电路 、电磁传 感器 电路、ＭＣＵ
最小系统 电路。智 能小 车通过对 电磁传感 器采集 的路况信息
进行分析 ，实现对车 的闭环控制。
图 ２ ＬＭ２９４０稳 压 电路
一 １．１电源供电 电路
■ １．２驱动 电路
对于智 能小车 的电源部分 ，
驱 动 电路的选 择 ：通过 分析研 究，集成 芯片 ＢＴＳ７６９０
由于面 临复 杂 的行 车环 境 ，要 具有过 热、过压 、欠压、过 流、短路保护等功 能，设 计中的 求 稳定 第 一，抗 干扰 性 能强。 电机驱 动使用集 成芯片 ＢＴＳ７９６０。 本次设 计采用 ２片全桥
引言
（３）舵机模块与传感器模块 ：采用舵机与传感器采用输
在 电子技 术发 展迅 猛的今天，汽 车智能化已成为各 大汽 出 电压 ５Ｖ的 ＬＭ２９４０模块为智能小 车供电 ，使输 出 合了自动控制 、传 感器 、计 定 ，确保行 车稳定性 。
算机、通信等 多项 技术，能有效 地识别汽车当前车况，并根
资等）中，智能汽车还能减少 人力使用 ，保证工作人员的安全。 的输 出电压 即开始 出现 不稳定 现象 ，根据数 据手 册所示 ，
基于MC9S12XS128单片机的循双线智能小车系统设计
户 占用一个 Ｉ Ｐ地址 ，进而可以与多个用户共享资源数据。
（ ２ ）基于标准数据通信协议 的 Ｇ Ｐ Ｒ Ｓ 业 务 ，可 以实现 Ｉ Ｐ传 输数据 实现 网络的互通 。全 双工运作 的 Ｇ Ｐ Ｒ Ｓ保证 了系统 的接受和传输功能 ， 并且计费是按照具体 网络流量来 收取 。
（ ３） 核心层采用 Ｉ Ｐ技 术 的 Ｇ Ｐ Ｒ Ｓ 业 务 ，可 以支 持 多种 网络
４ 系统 工作 的原 理
Ｐ Ｌ Ｃ通过读取寄存器 Ｉ ＷＯ的状态 ，并通过 ４ ８ ５总线将
的互通传输 ，进而可 以实现各种终端的远程传输功能。
３ Ｉ ２ 与 其他 无 线通 讯 方 式 比较
各种数据通过串 口发送 到 Ｇ Ｐ Ｒ Ｓ通信模块 ，Ｐ Ｌ Ｃ每定时 ２ ０ ｓ
将 现场数据 发送 到 Ｄ Ｕ Ｔ，每黄劲．基 ＠Ｓ ｏ ｃ ｋ ｅ ｔ 技 术的煤矿远程监控 系统
Ｕ ］ ． 工矿 自动 化 ，２ ０ ０ ３ ， （ １ ）．
１ ０
此外 ，还增加 了功能选择按键 作为智 能车的 作方 式的快
设 计 中，使用 两排 “ 一字型 ”的传感器 ，各带 有四个一对
组网灵活 ， 采用专用数据传输通道 ， 比较适合于恶劣环境 。
５ 结语
本 文设 计 的系统 已在工程得到应用 ，水泵可 以得 到远 程的控 制 ， 上位机接受各个参量的数据的能力非常的稳定 ，
缺点是对 于同一频点上 ，同时 只能有 一个设备发送数 据 ，
加上 网络覆 盖面积小 ，容量有 限 ，网络后期的运营成本 相
同时设 置波特率 、数据位 、奇偶校 验位等信息 ，数据通过 ４ ８ ５总线的数据 Ｇ Ｐ Ｒ Ｓ网络输出到 Ｇ Ｐ Ｒ Ｓ收发软件 ，并再将
基于MC9S12XS128微控制器智能车的软件设计
目录摘要 (III)关键字 (III)Abstract (IV)Key words (IV)第一章绪论 (1)1.1 背景 (1)1.2 现状 (1)1.3 技术路线 (1)1.4 本文结构 (2)第二章MCU (3)2.1 什么是MCU？ (3)2.2 MC9S12XS128微控制器 (4)第三章开发环境 (6)3.1 CodeWarrior介绍 (6)3.1.1 新建工程 (7)3.1.2 编写代码 (7)3.1.3 编译和仿真 (7)3.1.4 调试程序 (7)3.2 编程语言 (8)3.3 规范化代码 (8)第四章总体设计 (9)4.1 硬件设计 (9)4.2 软件设计 (10)第五章软件设计 (12)5.1 系统模块初始化 (12)5.1.1 PLL (12)5.1.2 PIT (13)5.1.3 ADC (14)5.1.4 PWM (15)5.2 路面信息采集 (16)5.2.1 数字滤波 (17)5.2.2 黑线识别 (17)5.2.3 起始线、十字线、窄道和坡道 (18)5.2.4 黑线坐标计算 (19)5.3 PID控制算法 (19)5.4 无线传输 (21)5.5调试过程 (23)第六章设计总结 (25)参考文献 (26)附录 (27)附录一 (27)附录二 (27)附录三 (28)附录四 (28)附录五 (29)附录六 (30)附录七 (34)附录八 (35)致谢 (40)基于MC9S12XS128微控制器的智能车软件设计与实现摘要2006年，第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛在清华大学举行，随着2009年第四届竞赛的成功举办，该竞赛的影响力越来越大。
竞赛要求在组委会提供的赛车模型上，使用飞思卡尔半导体公司的8位或16位微控制器，通过自行增加传感及驱动电路，和编写相应控制软件，制作一个能自主识别道路的赛车，按照规定路线行驶，以完成时间最短者为胜。
因此，在智能车制作中，控制软件的设计和编写是非常关键和重要的技术。
基于MC9S12XS128单片机的智能车控制系统的设计
文章 编号 ： １ ０ ０ ２— ５ ６ ３ ４ （ ２ ０ １ ３ ） Ｏ １ — ０ １ ０ ６—随着 自动 控 制技 术 、 单 片 机
源 由寿命长 、 污染 小 的 ７ ． ２ Ｖ镍 镉充 电 电池 提供 ， 由 于各 模块所 需 电压不 一 样 ， 采 用稳 压 芯 片 对其 进 行 分压 ， 同时采用 多路供 电 ， 以减 少各模 块 问的相 互干
和Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ软件对程 序 和参数 进 行调 试 ， 使 小车 达
到最佳 行驶 状态 ．
图 １ 硬 件 系 统 构 架
１ 系统 硬 件 总 体 构架
良好 的 硬件 电路 是 智 能 车平 稳 快 速 前 行 的保 障， 因此设 计过程 中要 充分考 虑其 可靠性 、 简 洁性和 兼容 性． 其 硬件 系统框 架如 图 １ 所 示．
该点 的一个 邻 域 中各 点 像 素值 的 中值 代替 ， 使 其 接
近真 实值 ． 如 图 ６和 图 ７所 示 ， 加入 噪点后 的 图像经
１ ０ ８
华
北
水
利
水 电
学
院
学
报
２ ０ １ ３年 ２月
过 处理后 ， 满 足系统 的要求
１１ １ １ １ １１ １ １１ １ １１ １ １ １１ １ １ １１ １ １ １ １１ １ １ １ １１ 工 １ １１ １ １１ １ １上 土 ｔ １１ １ １１ １ １ １土 土 １ １ １ １ １ Ｏ １ １ １ １ － ｍ １ １ １ １ １ １１ １ １ １ １１ １ １１ １ １ １１ 土 １１ １ １ １ １１ １ １ １１ １ １ １ ｌ ｏ ｌ １ ｌ ｌ ｌ ｌ １ １ ｌ ｌ ｌ ｌ １ １１ １ １ １ １１ １ １１ １ １ 土 １ １ １１ １ １ １ １１ 土 １ １ ０ １ １ １ １ １ １ １ １ １１ １ １ 土 ｔ １ １１ 土 １ １１ １ １ １ １１ １１ １１ １ １１ １ １１ 土 １ １ １１１ １ １ １１ １１ 土１１ １ １ １ １１ １ １ １ １ １１ １ 土 １１ １ １ １ １１ １ １ １１ １１ １１ １ １１ １ １ １１ １土 １ １１ １ １１ 土 １ １ １１ １ １ 土 １ １土 １ 量 １１ １１ １１１ １ 工 １ １１ １ １ １ １ １１ １ １ １ １ １ １１ １１ １工 土 １１ １ １ １１ １ １ １ １１ １ １ １１ １１ １１土 １ １ １ １１ １ １ １ １ １１ １ １ １ １１ １ １１ １１ １量 １ １１ １ １ １１ １ １ Ｏ Ｏ Ｏ － ｍ－ ｍ－ ｍ－ ｍ－ ｍ １ 土 １ １ 土 １１王１ｏｏ１置１１１１１１１１１１１１１１１１ １ １１１１１ １ Ｉ Ｏ ｏ １ １ １ １ １ １ １ １ １ １１土ｏ０００ １土土１土１土１１１１土土１１１１土１１土ｏ １１１－ ｍ Ｏ１１１１１－ Ｉ 土 １ １ １ １ １ １ １ ０ ０ １ １ １ 土 １ １ １ １ １ １ １ １ － ｍ ＯＯ－ ｍ １ ｉ １ １ １ １ １ １ １ １ １ ０ Ｏ １ １ １ １ １ 王 １ １ 土 １ １ １ Ｏ ０ １ １ １ １ 土 １ １ 童 １ 量 １ 土 ０ Ｏ １ 土 土 １ １ １ 土 １ １ １ １ １ １ Ｏ １ １ １ １ １ １ １ 土 １ １ １ １ １ Ｏ ０ １ １ １ １ １ １ １ １ １ １ １ １ ０ Ｏ １ 工 １ １ １ １ １ １ １ １ １ Ｏ Ｏ １ － ｍ １ １ １ １ １ １ １ １ 土 １ ｏＯ １ － ｍ １ １ １ １ 土 １ １ １ １ Ｏ Ｏ １ － ｍ １ １ １ １ １ １ １ １ １ Ｏ Ｏ １ １ １ １ １ １ １ １ １ Ｏ Ｏ Ｏ １ １ １ １ １ １ １ １ １ １ ｏ Ｏ Ｏ １ １ １ １ １ １ １ １ １ １ １ Ｏ ＯＯ １ － ｍ １ 土 １ １ １ １ １ １ Ｏ ０ ０ １ 土 １ １ １ １ １ １ Ｏ ＯＯ Ｏ １ １ １ １重 １ １ １ １ １ Ｏ ＯＯ １ １ １ １ １ １ Ｉ １ ０ ０ Ｏ Ｏ １ １ １１ １ － ｍ １ １ １ Ｏ Ｏ Ｏ － ｍ １ － ｍ １ １ １ １ １ － ｍ １
基于MC9S12XS128的智能迷宫小车设计
基于MC9S12XS128的智能迷宫小车设计作者：陈娇英来源：《广西教育·C版》2014年第06期【摘要】选用MC9S12XS128为主控芯片，采用三方位大功率红外检测、舵机控制动力、PWM速度控制等技术，设计一款智能迷宫小车，包括小车的机械结构装配、电路控制、软件编程、控制算法及调试方法等。
实践结果证明，所设计的智能迷宫小车能实现自动避障、选择路线、寻迹，在迷宫中运行平稳，快速，高效从起点寻找路线走到终点，而且经济成本低。
【关键词】MC9S12XS128智能迷宫小车避障寻迹【中图分类号】 G 【文献标识码】A【文章编号】0450-9889（2014）06C-0190-03随着智能电子技术的迅速发展和普及应用，社会发展对电子技术要求越来越高，智能迷宫小车的出现为今后能够更好运用智能汽车及机器人替代人工活动奠定了基础。
经过完善的迷宫小车将可以广泛用于军事排雷、火灾现场的抢救、有害气体中毒的抢救等活动。
然而，目前的迷宫小车还是停留在人工远程控制阶段，真正能实现自主学习的智能小车还有待继续研发。
本文设计的智能小车模型是一辆由PCB电路板组合重装的小车，全车机械部件均安装固定在PCB板上，不用再进行机械部件制作，对于实验研究阶段的机器人开发很有意义。
走迷宫智能小车主要是基于自主反应式智能系统原理，电机控制方法为单向PWM开环控制，直流电机驱动。
选择MC9S12XS128单片机为控制核心，采用与地面颜色有较大差别的导引线，通过反射式红外传感器进行导引，障碍物位置用红外一体化接收头进行检测，只要改变单片机产生的PWM方波的占空比，就可以在设计范围内实现360度全方位移动，从而实现在迷宫中自主迷宫探路、路线识别、自动避障，选择正确的路线行进，从起始点寻找路线走到终点。
一、整体方案设计为了使智能小车能够在迷宫中平稳行驶、精确快速探索迷宫路线，要求小车必须能够控制精准，准确地对不同路况进行快速判断并做出对应的操作，自动顺利地进行避障，所以所设计的智能小车灵活性非常重要。
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基于MC9S12XS128的智能迷宫小车设计
【摘要】选用MC9S12XS128为主控芯片，采用三方位大功率红外检测、舵机控制动力、PWM速度控制等技术，设计一款智能迷宫小车，包括小车的机械结构装配、电路控制、软件编程、控制算法及调试方法等。
实践结果证明，所设计的智能迷宫小车能实现自动避障、选择路线、寻迹，在迷宫中运行平稳，快速，高效从起点寻找路线走到终点，而且经济成本低。
【关键词】MC9S12XS128智能迷宫小车避障寻迹
随着智能电子技术的迅速发展和普及应用，社会发展对电子技术要求越来越高，智能迷宫小车的出现为今后能够更好运用智能汽车及机器人替代人工活动奠定了基础。
经过完善的迷宫小车将可以广泛用于军事排雷、火灾现场的抢救、有害气体中毒的抢救等活动。
然而，目前的迷宫小车还是停留在人工远程控制阶段，真正能实现自主学习的智能小车还有待继续研发。
本文设计的智能小车模型是一辆由PCB电路板组合重装的小车，全车机械部件均安装固定在PCB板上，不用再进行机械部件制作，对于实验研究阶段的机器人开发很有意义。
走迷宫智能小车主要是基于自主反应式智能系统原理，电机控制方法为单向PWM开环控制，直流电机驱动。
选择MC9S12XS128单片机为控制核心，采用与地面颜色有较大差别的导引线，通过反射式红外传感器进行导引，障碍物位置用红外一体化接收头进行检测，只要改变单片机产生的PWM方波的占空比，就可以在设计范围内实现360度
全方位移动，从而实现在迷宫中自主迷宫探路、路线识别、自动避障，选择正确的路线行进，从起始点寻找路线走到终点。
一、整体方案设计
为了使智能小车能够在迷宫中平稳行驶、精确快速探索迷宫路线，要求小车必须能够控制精准，准确地对不同路况进行快速判断并做出对应的操作，自动顺利地进行避障，所以所设计的智能小车灵活性非常重要。
为了实现此目标，电路选用了三个检测路况的传感器，用于检测左、右、前边、两边的路况，车子行进规则选择适合的迷宫搜索算法为依据，遍历所有路径，寻找最短路径方案。
所以本控制系统设计方案：采用16位处理器MC9S12XS128，电机转动速率采用PWM控制，两个电机选用L293进行驱动，测距利用红外传感器，选择LM1117和LM2940高性能稳压芯片组成稳压电路，通过光敏三极管电路检测终点，用舵机改装成小车的动力系统。
智能迷宫小车设计整体方案图1所示。
二、控制原理分析
（一）路径识别的分析。
为了进一步找出控制车体的规律和数据，反复实践研究了反射电压和墙面距离的关系，不断对模拟量反射管的电压值连续采样，车体和墙壁之间的距离通过电压值大小来识别，车体位置与对应有效的控制方法不断调整匹配。
最终得出实践测量数据结
果分别为图2、图3、图4所示。
可见，在反射电压和墙面距离特性曲线图表中，接收电压与反射距离基本接近线性关系，从而为智能迷宫小车控制提供了理论依据，依据左、中、右各路反射回来的电压即可知道车的左、中、右和墙壁的距离，依据三方位的信息即可控制小车实现左转、右转、后退、90度转、180度转、直线行走。
为了避免转弯的时候车子与墙面相撞、小车突然卡死等一些意外情况，另外增加两个用于转弯角度定位的传感器，在车子转弯时，它们负责记录转弯时的一些数据。
（二）红外检测仲裁。
具体如下：
1.线行驶。
小车直线行驶控制图5所示，把长度为10cm的小车等效为一点，当小车行驶到1位置时，根据左传感器检测到距离左边墙3cm的信号，判断小车已左偏且远离右墙；当小车行驶到2位置时，根据右边传感器检测到距离右边墙3cm的信号，判断小车已右偏且远离左墙；同理当小车行驶到达3位置时，判断小车已偏右并接近右墙；行驶到达4位置时，判断小车已偏左且远离右墙。
因此，通过四个状态就可正确判断小车的行驶位置，而且行驶在中线4cm范围不碰墙壁。
2.路口处仲裁。
图6所示，小车行驶于路口时，通过“0、1、2”号红外接收管接收到的电压值不同对小车所处的状态进行判断。
如果“0”号传感器检测到电压值在0.8V范围内，探测到距离超出15cm，判断距离右边为“无穷远”，则说明右边有路口；如果“1”号传感器检测到电压值在2.5V以上，判断距离前方5cm处有墙壁，则说明前方无路；如果“2”号传感器的电压值在0.8V以上，判断距离左边15cm以内有墙壁，则说明左边无路口，此刻策略是右转90度。
3.舵机转向的控制。
如表1所示，左舵机的方向控制信号用B0、B1表示，右舵机的方向控制信号用B2、B3表示，那么转动时间长短的不同，就分别代表了45度、90度、180度旋转状态。
三、硬件电路设计
为了制作出一个达到设计性能指标的智能迷宫小车，进行了多次硬件电路方案的修改，最后选用了直流电机控制车子的转向，在三轮式后面加一个重新设计的万向轮，用用舵机取代减速电机，电机转速慢，输出转矩大，动力强，容易控制。
电机角度控制精确度高。
再用周长
比较大的车轮换上，实践结果证明效果很好。
整车装拼图7所示。
（一）MC9S12XS128控制器。
为了满足对设计灵活性和平台兼容性的需求，选用MC9S12XS128控制器，该控制器能实现一系列汽车电子平台上的可升级性、硬、软件可重用性、兼容性。
采用S12V2CPU 内核，可在40MKHz总线频率上运行，有4KB、128KB、256KB闪存选项，带有校正错误功能（ECC），还有ECC的4KB-8KBDataFlash，可以用于实现数据或程序存储。
（二）电源模块。
选用智能车1800mAH大容量电池，输出电压为7.2V 作为直流稳压电源电路，由LM1117构成的直流稳压电路输出6.0V 电压；由LM2940构成的直流稳压电路输出5.0V电压，由LM1117和LM2940构成具有电流限制和热保护功能电路。
电路输出电流达800mA，输出电压稳定、精度高、失真小。
（三）电机驱动模块。
电机驱动电路采用高性能的L293驱动芯片，传动机构采用两个相同型号的舵机改装而成，能灵活实现电机的正转和反转。
（四）反射红外传感模块。
红外检测依据多个反馈点的数据，使用多点检测方法。
接收管接收红外线信号的强弱与电流成正比，通过电阻把电流转换成电压值，再经LM358构成的电压跟随器以及电容滤波，给AD转换电路提供稳定的电压值。
从而能更好实现高精度控制。
（五）光敏检测模块。
光敏检测模块采用光敏三极管进行检测，安装
在红外模块的下面，并向车里面延伸，在距车头往里3cm处，确保三极管只能接受到红光信息避免红外发射管发射的红外线影响。
四、软件设计
系统软件设计流程图8所示。
五、总结
设计的智能小车能够在迷宫场地内快速顺畅完成直行前进、倒退、急停，以及原地实现90度、180度转弯，在行驶过程中通过红外检测信号快速自我调节；没有出现判断失误、转向卡死、死循环等问题；达到自动避障、选择路线、寻迹，在迷宫中自动从起点寻找路线走到终点。
本文提出的控制方法可以应用于无人工厂，仓库，服务机器人等领域。
对实验室无人驾驶智能汽车及机器人研究开发应用具有一定参考价值。
【参考文献】
［1］JosephLJones.机器人编程技术——基于行为的机器人实战指南［M］.北京：机械出版社，2007
［2］卓晴，黄开胜，邵贝.学做智能——挑战飞思卡尔杯［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007。