基于xs128的光电平衡智能车系统设计
基于PC9S12XS128MCU的新型视觉智能车控制系统设计
有错误代 码纠正功能 ； 带有 Ｅ Ｃ的 ４ Ｂ ８ Ｂ ａ Ｆａｈ Ｃ Ｋ 至 Ｋ Ｄｔ ｌ ， ａ ｓ 用 于实现数据或程序 的存储 ； 可配置 ８ｌ 、２ Ａ Ｃ 可实 、 ｌ位 Ｄ ， ０
【 参考文献 ］
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理缝 ， 研发 ， 计 ， 设 翻造
基于Ｐ ９１ Ｓ２ ＭＣ 新型视觉 ＣＳ２ １ Ｕ的 Ｘ ８ 智能车控制系 统设计
孙 敏 ， 李 学 慧 ， 韩 以伦 ， 庄 立 富
（ 山东 科 技 大 学 机 械 电子 工 程学 院 ，山 东 青 岛 ２ ６ １ ） ６ ５ ０
ｕ ｉ ｔ ｅ ｅ ｉ ｌ ．ｗ ｉｈ ｃ ｎ ｂ ｒ ｅ ｔ ｏ ｌｗ ｔ ｅ ｌ ｅ ｏ ａ ｅ ． ｈ ｉ ｏ ｔ ｌｓ ｓ ｍ ｎ ｌ ｄ ｎ ｔｒ ｇ ｈ ｃ ａ ｅ ｆ ｏ ｆ ｌ ｈ ｉ ｆｔ ｖ １ Ｔ ｅ ｍａｎ ｃ ｎ ｒ ｙ ｔ ｉ ｃ ｕ ｉ ｇ ｍｏｏ ｅ ｏ ｎ ｒ ｏ ｅ ｄ ｉ ｅ ｍｏ ｕｅ，ｅ ｖ ｒ ｄ ｖ ｍｏ ｕ ｅ ｔ ｅ ｐ ｔ ｄ ｎ ｉ ｃ ｔ ｎ ｍｏ ｕ ｅ ｐ ｗｅ ｄ ｌ ｒ ｄ ｌ ｓ ｒｅ ｒ ｅ ｖ ｉ ｄ ｌ ， ｈ ａ ｈ ｉ ｅ ｔ ａｉ ｄ ｌ ， ｏ ｒ ｍｏ ｕ ｅ，ｅ ｃ． ｒ ｕ ｈ ｃ ｍｐ ｒｎ ａ ｅｙ ｏ ｉ ｆ ｏ ｔ． ｈ Ｔ ｏ ｇ ｏ ａ ｇ ａ ｖ ｒ ｔ ｆ ｉ ｉ
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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.。
毕业设计---基于光电传感器的自动循迹智能车系统设计
摘要新一代汽车研究与开发将集中表现在信息技术、微电子技术、计算机技术、智能自动化技术、人工智能技术、网络技术、通信技术在汽车上的应用。
智能汽车是是现代汽车发展的方向。
大学生智能车比赛是智能汽车设计的一个实践平台，光电传感器的自动循迹智能车系统，采用光电传感器作为道路信息的采集传感器，单片机为控制系统的核心来处理信号和控制小车行驶。
MC9S12系列单片机在汽车电子控制领域得到广泛应用。
本课题就是利用Freescale的MC9S12XS128微控制器对智能车系统进行设计。
智能车系统设计包括硬件电路和控制软件系统的设计。
硬件系统使用专门软件Altium Designer设计。
硬件电路系统主要包括freescale单片机最小系统、电源管理系统、路径识别与检测系统、电机驱动系统。
而控制系统软件的设计主要包括单片机的初始化、PID控制算法、路径识别算法、舵机控制算法、速度控制算法。
软件设计是用Freescale公司的Codewarrior软件作为软件开发和仿真下载的平台。
最后完成了整个自动循迹智能车系统设计。
关键字：智能车；光电传感器；自动循迹；控制算法；PID;I基于光电传感器的自动循迹智能车系统设计ABSTRACTThe design of autoguiding smartcar system based onphotoelectric sensorN ew generation automobile development and researched focus on information technology, microelectronic technology, computer technology, intelligent automation technology, artificial intelligence technology, networking technology, communication technology and so on. The intelligent automobile is the direction in which the modern automobile developed.The university students intelligence vehicle competition is a practice platform in which intelligence automobile designed , we use the photoelectric sensor as gathering sensor to take path information , The microcontroller is used as the control system core ,and process the signal, and controls car to run . signal-chip microcomputer MC9S12 series be widespread utilized in the automobile electronic control domain. I use the Freescale microcontroller MC9S12XS128 to design the intelligent vehicle system. The design of intelligent vehicle system including hardware circuit and control software system. I adopt the software of electronics design Altium Designer to complete designing the hardware . Hardware circuit system mainly includes the freescale ’s Single-chip Microcomputer smallest system, the power source management system , the way recognition and the detecting system, the motor-driven system. But the control software system mainly includes Single-chip Microcomputer 's initialization, the PID control algorithm, the way recognition algorithm, the steering engine control algorithm, the speed control algorithm . It uses Freescale Corporation's Codewarrior as the software development ,the simulation and downloading…s platform in the software designing . Finally The design of auto track smartcar system based on photoelectric sensor is completed.Key words: Intelligent vehicle; photoelectric Sensor; auto track; Control algorithm ;PID；II摘要 (I)ABSTRACT ........................................................................................................................ I I 插图清单 (I)第1章绪论................................................................................................................. - 1 -1.1 毕业设计（论文）内容及研究意义（价值）............................................. - 1 -1.2 毕业设计（论文）研究现状和发展趋势..................................................... - 2 -第2章控制系统整体方案设计................................................................................... - 3 -2.1 整体设计方案概述........................................................................................... - 3 -2.2 控制系统整体方案设计................................................................................. - 4 -2.2.1 模型车硬件整体方案设计...................................................................... - 4 -2.2.2 系统软件模块分析 ................................................................................. - 7 -2.2.3 控制算法设计方案 ................................................................................. - 8 -第3章单片机最小系统模块....................................................................................... - 9 -3.1 单片机以及最小系统简介............................................................................... - 9 -3.2 MC9S12XS128最小系统设计 ...................................................................... - 9 - 第4章电源管理模块................................................................................................. - 11 -第5章路径识别模块和测速检测模块..................................................................... - 13 -5.1 路径识别模块................................................................................................. - 13 -5.1.1 光电传感器 ........................................................................................... - 13 -5.1.2 光电传感器发射与接收电路设计 ....................................................... - 13 -5.1.3 路径识别传感器布局设计 ................................................................... - 14 -5.2 测速检测模块 .......................................................................................... - 16 -第6章电机驱动模块................................................................................................. - 19 -6.1 直流电机驱动模块......................................................................................... - 19 -6.1.1 电机的工作原理 ................................................................................... - 19 -6.1.2 MC33886介绍....................................................................................... - 21 -6.1.3 PWM信号控制电机的转速.................................................................. - 22 -6.2 舵机驱动模块............................................................................................... - 23 -第7章智能车软件的设计......................................................................................... - 29 -7.1 单片机初始化................................................................................................. - 30 -7.2 PID控制算法 ............................................................................................... - 32 -7.3 路径识别算法............................................................................................... - 34 -7.4 舵机控制算法............................................................................................... - 34 -7.5 速度控制算法............................................................................................... - 36 -I基于光电传感器的自动循迹智能车系统设计第8章开发制作与调试............................................................................................. - 38 -8.1 CodewarriorV4.7软件及其应用.................................................................. - 38 -8.2 BDM for S12的使用.................................................................................... - 43 -结论和展望................................................................................................................... - 44 - 致谢........................................................................................................................... - 45 - 参考文献....................................................................................................................... - 46 - 主要参考文献摘要....................................................................................................... - 48 - 附录A ........................................................................................................................... - 50 -II插图清单图2-1 系统信息的控制流程图....................................... - 4 - 图2-2 智能车控制系统整体结构图................................... - 5 - 图2-3 系统硬件结构图............................................. - 6 - 图2-4 系统软件结构............................................... - 7 - 图3-1 最小系统原理图和PCB图.................................... - 10 - 图4-1 电源系统结构框图.......................................... - 11 - 图4-2 LM7805电路图.............................................. - 12 - 图4-3 LM7806电路图.............................................. - 12 - 图5-1 光电传感器的基本组成...................................... - 13 - 图5-2 单对红外传感器电路图...................................... - 14 - 图5-3 红外探测布局的PCB图...................................... - 16 - 图5-4 霍尔原理.................................................. - 17 - 图5-5 霍尔测速电路图............................................ - 18 - 图6-1 H桥式电机驱动电路......................................... - 20 - 图6-2 H桥电路驱动电机顺时针转动................................. - 20 - 图6-3 H桥电路驱动电机逆时针转动................................. - 21 - 图6-4 MC33886电机驱动原理图..................................... - 22 - 图6-5 舵机工作原理示意图........................................ - 24 - 图6-6 舵机输出转角与控制信号脉宽之间关系........................ - 25 - 图6-7 不同占空比的PWM波形控制的转向伺服电机状态图.............. - 26 - 图6-8 转向伺服电机控制方法图.................................... - 27 - 图6-9 舵机转角控制模块程序流程图................................ - 28 - 图7-1 光电传感器方案主程序流程图................................ - 29 - 图7-2 典型PID控制结构.......................................... - 33 - 图7-3 舵机控制流程图............................................ - 35 - 图7-4 速度控制流程图............................................ - 37 - 图8-1 CodearrierV4.7 创建新的工程窗口........................... - 40 - 图8-2 CodearrierV4.7的工程的初始设置窗口........................ - 41 - 图8-3 CodearrierV4.7的编译窗口.................................. - 42 -图8-4 BDM的PCB原理图........................................... - 43 -I第1章绪论自动循迹智能车是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等多种功能于一体的综合系统。
基于MC9S12XS128的双轮平衡车控制系统设计毕业设计
基于MC9S12XS128的双轮平衡车控制系统设计［摘要］本文主要介绍了双轮平衡车的控制系统设计方案。
采用MC9S12XS128作为核心控制器，在此基础上增加了各种接口电路板组成整个硬件系统，包括单片机最小系统，直流驱动电机控制模块，电源管理模块，测速编码模块，人机交互等模块。
软件调试部分依次对应硬件各模块进行程序设计，包括A/D模块，PWM模块，ECT模块，PID控制算法，人机交互控制等。
完成车模的制作和软件设计后对整个控制系统进行调试，先阐述了调试的策略，再分别就现有调试工具条件下的软件和硬件调试进行了分析，对相应的调试方法做了基本的介绍。
最后根据调试情况对整个系统做了修改，基本达到设计要求。
［关键词］双轮平衡车；MC9S12XS128；模块设计；调试策略Based On MC9S12XS128 of the Two-wheeled BalancingVehicle Control System DesignElectrical Engineering and Automation Specialty CHEN MingAbstract: This article mainly introduces the balance of the Two-wheeled balancing vehicle control system design scheme. The MC9S12XS128 as core controller, on the basis of interface circuit board of increasing the hardware system, including single chip minimize system, dc motor control module, power management module, code modules speed, man-machine interaction module. Software debugging session in the corresponding module design program, including A/D module, PWM module, ECT module, PID control algorithm, the man-machine interactive control, etc. Accomplish the production and the software design draw after the whole control system for debugging, first expounds the commissioning of the strategy, second，different debugging tools under the conditions of existing software and hardware debugging are analyzed, the corresponding debugging method basic introduction. According to the situation of the whole system debugging have modified, basic to meet the design requirements.Key words: the Two-wheeled balancing vehicle; MC9S12XS128; MODULAR DESIGN ; Debugging strategy目录1 引言 (1)1.1 双轮自平衡小车的研究意义 (1)1.2 双轮自平衡小车的发展历程和现状 (1)1.2.1国外的研究成果 (2)1.2.2国内的研究成果 (2)1.3 本课题的研究内容和关键问题 (2)2 双轮平衡小车系统的总体概述 (3)2.1 系统组成 (3)2.2 系统各模块的主要功能 (3)2.3 系统的主要特点 (4)3 双轮平衡小车硬件电路设计 (4)3.1 整体电路设计 (4)3.2 单片机最小系统 (5)3.3 直流驱动电机控制电路 (6)3.4 电源模块电路设计 (6)3.5 测速编码电路设计 (7)3.5.1 陀螺仪电路 (8)3.5.2 编码器电路 (8)3.6 人机交互接口电路设计 (9)3.6.1CAN总线与LIN总线设计 (9)3.6.2通信接口设计 (10)3.6.3人机交互电路设计 (10)4 双轮平衡小车软件设计 (11)4.1 软件模块功能与框架 (11)4.1 A/D模块 (12)4.1.1A/D转换原理 (12)4.1.2A/D转换模块功能结构 (12)4.1.3A/D转换模块的编程步骤 (13)4.2 PWM模块 (13)4.2.1PWM的主要特点 (13)4.2.2PWM应用及初始化 (14)4.3 ECT模块 (14)4.4 PID控制算法 (15)4.4.1PID控制原理 (15)4.4.2 PID参数的整定 (16)4.5 人机交互 (16)4.5.1 LCD液晶显示 (16)4.5.2 矩阵键盘按键识别 (17)4.5.3 串口与上位机的通讯 (17)5 双轮平衡小车的系统调试 (18)5.1 调试策略 (18)5.1.1硬件调试 (18)5.1.2软件调试 (18)5.1.3综合调试 (18)5.2 串口调试 (18)5.2 监控调试 (20)5.3 无线调试 (21)5.3.1无限遥控开关 (21)5.3.2无线通信模块 (21)6 结论 (23)参考文献 (24)附录1：单片机最小系统原理图 (25)附录2：单片机最小系统电路图 (26)附录3：单片机最小系统PCB图 (26)致谢 (27)1 引言本章简要的介绍了两轮自平衡小车的起源与发展、研究意义以及国内外的研究现状，并依此提出了本论文研究的主要内容。
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
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水 电
学
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学
报
２ ０ １ ３年 ２月
过 处理后 ， 满 足系统 的要求
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基于MC9S12XS128的智能小车硬件系统设计
基于MC9S12XS128的智能小车硬件系统设计
成郑
【期刊名称】《自动化应用》
【年(卷),期】2018(000)002
【摘要】设计了可用人脑直接进行远程操控的智能小车系统.该系统基于Mindset 脑电耳机把人的脑电信号转成数字信号,利用Delphi7编程接收耳机信号并提取出其中的“集中度”“冥思度”两个脑电信号指标,再把这两个信号指标通过蓝牙进行串口透传,最后发给智能小车的接收部分.小车的MC9S12XS128的芯片接收到“集中度”的数值,结合光电编码器返回的速度值进而判断并产生新的PWM波发给直流电机模块,控制速度;当小车收到“冥思度”的数值达到一定界限,产生舵机的PWM波来控制舵机模块打角的数值,从而达到人脑直接操控小车的效果.
【总页数】2页(P137-138)
【作者】成郑
【作者单位】海军驻上海江南造船(集团)有限责任公司军事代表室,上海201913【正文语种】中文
【中图分类】TP23
【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单片机的智能小车设计系统 [J], 张丹;师宁;
4.基于MC9S12XS128的电磁智能小车的硬件设计 [J], 高海沙;丁晓慧
5.基于MC9S12XS128单片机的循双线智能小车系统设计 [J], 祝佳芳
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两轮自平衡小车控制系统的设计
两轮自平衡小车控制系统的设计摘要：介绍了两轮自平衡小车控制系统的设计与实现，系统以飞思卡尔公司的16位微控制器MC9S12XS128MAL作为核心控制单元，利用加速度传感器MMA7361测量重力加速度的分量，即小车的实时倾角，以及利用陀螺仪ENC-03MB测量小车的实时角速度，并利用光电编码器采集小车的前进速度，实现了小车的平衡和速度控制。
在小车可以保持两轮自平衡前提下，采用摄像头CCD-TSL1401作为路径识别传感器，实时采集赛道信息，并通过左右轮差速控制转弯，使小车始终沿着赛道中线运行。
实验表明，该控制系统能较好地控制小车平衡快速地跟随跑道运行，具有一定的实用性。
关键词：控制；自平衡；实时性近年来，随着经济的不断发展和城市人口的日益增长，城市交通阻塞以及耗能、污染问题成为了一个困扰人们的心病。
新型交通工具的诞生显得尤为重要，两轮自平衡小车应运而生，其以行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。
但是，昂贵的成本还是令人望而止步，成为它暂时无法广泛推广的一个重要原因。
因此，开展对两轮自平衡车的深入研究，不仅对改善平衡车的性价比有着重要意义，同时也对提高我国在该领域的科研水平、扩展机器人的应用背景等具有重要的理论及现实意义。
全国大学生飞思卡尔智能车竞赛与时俱进，第七届电磁组小车首次采用了两轮小车，模拟两轮自平衡电动智能车的运行机理。
在此基础上，第八届光电组小车再次采用两轮小车作为控制系统的载体。
小车设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械及能源等多个学科的知识。
1 小车控制系统总体方案小车以16位单片机MC9S12XS128MAL作为中央控制单元，用陀螺仪和加速度传感器分别检测小车的加速度和倾斜角度[1]，以线性CCD采集小车行走时的赛道信息，最终通过三者的数据融合，作为直流电机的输入量，从而驱动直流电机的差速运转，实现小车的自动循轨功能。
同时，为了更方便、及时地观察小车行走时数据的变化，并且对数据作出正确的处理，本系统调试时需要无线模块和上位机的配合。
一种光电平衡智能车设计
一种光电平衡智能车设计收稿日期：2018-11-09基金项目：2017年“攀登计划”广东大学生科技创新培育专项（编号：pdjh2017b0367）；广东第二师范学院2017年度校级质量工程项目（编号：2017ybzz05）；广东第二师范学院2018年度大学生创新创业训练计划项目（编号：201814278008）作者简介：陈木桂（1996-），男（汉族），广东第二师范学院计算机科学系，研究方向：嵌入式系统开发。
随着技术的发展，机械的智能化已经被广大群众所需要，而智能车辆则是其中的一个研究方向。
智能车不需要经过人为操控就能按照设定，自动行驶在道路上，能自行智能判断处理前方出现的各种道路情况。
智能小车是在发展现代智能汽车的背景下兴起的一个设计项目。
如现在的全国大学生智能车竞赛[1]，就是这类项目。
竞赛要求不同组别的赛车在使用每组不同设定的汽车模型的基础上，在一系列单片机中选择适合的作为汽车核心控制模块，再加上如电机驱动电路等其他电路，另外还有重要的用来识别道路的传感器，配合程序的编写，制作一个能够辨认给定的路线，并在行驶过程中智能地作出反应，无须人为操控的模型汽车。
本系统设计采用的是光电平衡组的方案，采用TSL1401CL 线阵CCD 传感器作为路径检测采集模块、16位微控制器MC9S12XS128作为控制核心、陀螺仪和重力加速度计用来进行倾角计算、编码器采集计算车体速度、电机驱动电路运行电机等作为小车的主要硬件组成部分，配合适当的控制算法作为小车的软件系统，其中穿插各种不同参数的调试，最终得到一个可以直立稳定行驶的智能车。
一、总体设计智能车是在规定的车模框架上，搭建设计好的硬件结构，再通过各类传感器收集到的信息传输到核心控制单元进行分析计算处理，传输适当的指令到电机，使其能适应各类跑道信息元素，完成循迹任务。
本文采用了光电平衡组的方案，光电平衡组要求小车使用两个轮子，车身稳定直立地在跑道上循迹行进。
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基于xs128的光电平衡智能车系统设计
文章旨在研制一种自平衡同轴双轮循迹小车。
系统以陀螺仪和加速度计来检测车身所处的状态和变化率，通过处理器（16位飞思卡尔单片机MC9S12XS128）计算出适当数据和指令，通过PWM驱动两个电机产生前进或后退的加速度使车达到保持平衡效果，以线性CCD光电传感器来识别黑线检测路径，阐述了自平衡的原理同时对系统用到的PID控制技术做了相应介绍，从理论上分析了变积分的PID控制技术的优势，并在系统的实际测试中获得了良好的效果。
标签：光电平衡；xs128；智能车
1 引言
随着智能化的发展，汽车的智能化、自动化是社会发展的必然趋势。
通过项目的研究使两轮自平衡小车能够智能的识别道路、加速、转弯、避障等复杂路况，实现智能驾驶。
同时两轮自平衡小车使得车体更加灵活、减少交通拥堵、停车困难等实际生活问题，对于提高人们的生活水平有实际意义，最终设计小车在规定路径上实现自动寻迹、智能壁障等功能。
2 平衡车原理
通过对单摆进行受力分析可知，单摆能够稳定在垂直位置的条件有两个：受到与位移（角度）相反的恢复力；受到与运动速度相反的阻尼力。
控制倒立摆底部车轮，使得它作加速运动。
这样站在小车上看倒立摆，它在受到与车轮加速度大小成正比方向相反的惯性力的影响。
普通的单摆受力分析如图1所示。
当物体离开垂直的平衡位置之后，便会受到重力与悬线的作用合力，驱动重物回复平衡位置。
这个力称之为回复力，其大小为F=-mgsin？兹≈-mg？兹，在此回复力F作用下，单摆便进行周期运动。
在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。
空气的阻尼力与单摆运行速度成正比，方向相反。
阻尼力越大，单摆越会尽快在垂直位置稳定下来。
这样倒立摆所受到的回复力为：
式中，假设偏角θ与控制车轮加速度成正比，比例为k1。
如果k1>g那回复力与位移的方向相反。
另外，增加阻尼力能让倒立摆尽快回到原位置，阻尼力与偏角的速度成正比，方向相反。
因此式（1）可变为：
将倒立摆模型转换成单摆模型，使摆能够稳定在竖直位置。
从而得到控制平衡车车轮加速度的控制算法
3 系统硬件电路设计
3.1 系统整体设计
硬件整体框图如图2所示。
智能车由电源模块、传感器模块、电机驱动模块、单片机最小系统等组成。
智能车的工作过程：由线性CCD探测路径信息，欧姆龙检测当前车速，将各个传感器采集来的信息交给处理器处理，通过控制算法得出PWM，来控制电机驱动模块输出相应的控制电压，达到控制平衡、转向、循迹的功能。
电机驱动电路如图3所示，采用2片BTN7970组成一个完整的H桥驱动电路驱动l路有刷直流电机，P0、P2端分别接电机的两端，BTN 1脚端接下拉电阻，PWM1与PWM5分别输出非零占空比和零占空比的PWM，让半桥各有一个导通，组成一个回路，电机驱动模块由桥构成，H桥具有工作电压范围大，导通电阻小，导通电流大的优点。
3.2 PID控制原理
连续控制系统中PID控制规律如下：
其中是偏差信号为零时的控制作用，是控制量的基准；利用外接矩形进行数值微分，当选定采样周期为T时，式（4）可离散为下面的差分方程
增量式PID算式，
于是：
式（7）的计算结果，得出第k与第k-1次的输出之间的增量，所以称为增量算式。
利用增量算式来控制执行程序，执行程序每次只增加一个增量，所以执行对象只是起到一个累加的作用。
4 系统软件设计
MC9S12DG128 微控制单元作为MC9S12系列的16位单片机，由标准片上外围设备组成，同时，单片机内的锁相环电路可使能耗和性能适应具体操作的需要。
车模主程序框架如图4所示。
程序上电运行后，便进行单片机的初始化，包括单片机需要用到的资源进行初始化和应用程序初始化。
将车体角度和角速度乘以各自相对应的系数得出直立控制的输出量。
程序算法框图如图5所示。
直立控制算法部分代码如下：
5 结束语
整车在方案设计、硬件搭建、机械结构调整、软件编程调试、整体开发流程中，每一步都会遇到各种各样的问题，硬件分模块屏蔽调试，直到稳定，机械结构理论分析，不同方案试用对比，软件优化各个控制参数，通过进一步对控制算法的改进提高车模的运行速度，实际测试效果良好。
参考文献
[1]冯智勇，曾瀚，张力，赵亦欣，黄伟.基于陀螺仪及加速度计信号融合的姿态角度测量[J].西南师范大学学报，2011，36（4）：137-141.
[2]陈静.两轮自平衡机器人模型及控制方法研究[D].北京工业大学硕士学位论文，2008.
[3]Rich Chi Ooi.Balancing a Two-Wheeled Autonomous Robot[D].The University of Western Australia Final Year Thesis，2003.
[4]Gene F.Franklin，J.David Powell，Michael L.Workman.Digital Control of Dynamic Systems[M].北京：清华大学出社，2011.
通讯作者：谭峰，男，教授，哈尔滨工业大学毕业，现主要从事智能化监控技术的研究工作。