摘 要： 為解決一些住宅小區停車位或私家車庫距離住宅樓較遠、自駕車停車不方便問題，提出了利用單片機MC9S12XS128使小車從給定的起始位置自動循跡到達預期車庫或停車位的系統設計方案。單片機MC9S12XS128利用PID算法對電機和舵機進行控制，攝像頭傳感器進行道路信息采集。該系統經測試達到了預定目標，實現了自動循跡停車功能。
關鍵詞： MC9S12XS128；自動尋跡；PID算法
當前的信息技術革命正在推動汽車設計翻開新的一頁，多功能、智能化、自動化將成為21世紀汽車發展的新趨勢。目前，汽車的使用量越來越多，人們對汽車的智能化要求也越來越高，因此為滿足不同人的市場需求，設計了一種沿著指定標記自動識別路徑[1-2]和障礙物的小車自動循跡停車控制系統。此系統包括3個子系統：環境感知系統、自主決策系統和操作執行系統。環境感知系統主要包括感知路面信息和感知車體狀態的傳感器。自主決策系統主要通過單片機的軟件來實現決策控制。操作執行系統就是從單片機發出控制指令到車體響應這一部分的系統，主要就是相應的驅動電路。3個系統相互聯系、相互制約，有共同的目標和核心的控制策略，共同完成控制任務。這樣的自動循跡停車系統解決了由停車帶來的不便，實現了停車智能化，同時還可以為深入研究汽車自動駕駛提供信息。
1 系統總體設計方案
小車自動循跡停車控制系統主要包括控制處理芯片MC9S12XS128模塊、圖像采集模塊、轉向舵機模塊、驅動電機模塊和速度檢測模塊。其中S12單片機是系統的核心部分。它負責接收道路圖像信息和車體速度反饋等信息，并對這些信息進行恰當的處理，形成合適的控制量來對舵機和電機進行控制。圖像采樣模塊由外圍芯片TLC5510、LM1881和攝像頭組成。其功能是獲取道路信息，以供S12作進一步處理。速度檢測模塊由編碼器和外圍電路組成，通過檢測實時車速提供反饋量對電機進行控制。系統的總體結構如圖1所示。
2 系統的硬件設計
2.1 核心控制器介紹
MC9S12XS128單片機是以CPU12X的V2內核為核心的16位單片機系列，是在帶協處理器的MC9S12XE系列雙核單片機的基礎上，去掉XGate協處理器得到的。MC9S12XS128單片機內部總線頻率最高為40 MHz，片內集成128 KB Flash存儲器和8 KB的RAM存儲器及8 KB的數據閃存，增加了8 KB D-flash，同時它的內部資源也非常豐富，擁有I/O輸入輸出端口、SPI、SCI、ECT、A/D、CAN和PWM等常見的接口模塊，在汽車電子領域具有廣泛的用途[3]。
2.2 圖像采集模塊
2.2.1 攝像頭的選擇
CCD攝像頭具有對比度高、動態特性好的優點，經過實驗論證之后決定采用。
攝像頭有兩個重要指標：有效像素和分辨率。分辨率實際上就是每場行同步脈沖數，而有效像素=行分辨能力×分辨率。通常產品說明上標注的分辨率略大于實際分辨率，所以要知道實際分辨率就得實際測量一下。
通過S12單片機的定時器模塊對單個脈沖的下降沿和上升沿間隔、兩相鄰脈沖上升沿間隔進行計時，可得每行信號和每個脈沖持續的時間[4]。實際測得所用攝像頭的時序參數見表1。
從測試結果可知，該攝像頭掃描的每場中有320行信號，其中第23行到310行是視頻信號，第311行到下一場的第22行是場消隱信號。在視頻信號區，每行信號持續的時間相同，約為62 μs，每行的行同步脈沖持續時間也相同，約為4.7 μs。而在場消隱區，每行持續的時間會有所變化，每行對應的消隱脈沖持續的時間，盡管其中大多數為3.5 μs，但也有變化。在場消隱區中，第320行的消隱脈沖持續的時間遠長于其他消隱脈沖的時間，此脈沖即為場同步脈沖。
2.2.2 視頻同步分離電路
CCD攝像頭視頻信號中除了包含圖像信號之外，還包括了行同步信號、行消隱信號、場同步信號、場消隱信號以及槽脈沖信號、前均衡脈沖、后均衡脈沖等。因此，若要對視頻信號進行采集，就必須通過視頻同步分離電路準確地把握各種信號間的邏輯關系。本系統使用了LM1881芯片對視頻信號進行同步分離，得到行同步信號、場同步信號。視頻分離電路原理圖見圖2。
2.3 速度檢測模塊
對舵機1、舵機2和電機的控制分別通過兩路PWM通道。電機的驅動電路[5]采用兩片33886并聯電路，經測試電機的加減速效果滿足要求。
要使車能夠快速穩定的運行，并且控制容易，就需要精確地測得車的速度，所以要選擇較好的速度傳感器。因此采用了歐姆龍的100線光電編碼器。
本系統通過脈沖計數的方法來實現對小車的速度檢測：在小車的車軸上安裝光電編碼器，當車軸轉動時，編碼器跟隨車輪同步轉動，編碼器輸出正弦波。經比較器轉化為方波后，就變為對應的高低電平，產生脈沖，送給計數器模塊。計數器捕捉脈沖信號并對其進行計數，在特定時間內讀出脈沖總數，將計數值送給單片機，便可以得到小車的實時速度，用以對小車進行實時控制。
Speed_pd=Kp*err1+Kd*（err1-err2）
其中，err1=Setted_speed-car_speed，err2=Setted_ speed_last-car_speed_last。Setted_speed是給定車速，car_speed是測速傳感器測量到的當前車速。兩者的先后偏差作為被控量帶入計算公式，通過比例系數 和微分系數的計算修正，可得到調整后的車速。
日新月異的科學技術給智能汽車帶來了更加光明的發展前景，使得車輛利用傳感器結合環境信息做出最優控制策略，實現車輛自動行駛。本文介紹了基于單片機的自動循跡停車控制技術，硬件電路的設計及軟件的控制方案。經過實際測試，可實現自動循跡停車功能。解決了由停車給人們帶來的煩惱，并且具有一定實用價值。
參考文獻
[1] 劉建剛，程磊，黃劍.基于CCD圖像識別的HCS12單片機智能車控制系統[J].光電技術應用，2007，22（6）：53-55.
[2] 狄可可，萬燦，貞輝.第二屆全國大學生智能車大賽浙江大學“飛鷹隊”技術報告[R].2007.
[3] 于慶廣，劉葵，王沖，等.光電編碼器選型及同步電機轉速和轉子位置測量[J].電氣傳動，2006，36（4）：17-20.
[4] 孫闖，閆濤，王珊珊.第六屆全國大學生智能車大賽曲阜師范大學“炫風隊”技術報告[R].2011.
[5] 黃智偉．全國大學生電子設計競賽訓練教程（修訂版）[M].北京：電子工業出版社，2010.