制 造 中国科技信息 2010 年第 20 期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Oct.2010 DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2010.20.061 基于模糊控制的智能循迹小车的设计 黄杰 秦补枝 南京化工职业技术学院 210048 摘 要 以“飞思卡尔”杯智能车大赛为研究背景， 开发了一种以 MC9S12DG128 作为控制器的 智能循迹小车。该小车采用光电传感器检 测路径，获得赛道信息，求出小车与黑线 间的偏差，采用模糊控制对小车的速度进 行控制，使小车能够自动跟随直道和弯 道。实践表明，采用模糊控制的智能小车 在路径识别的精准度，稳定性，及速度控 制上具有明显优势。 关键词 智能车；MC9S12XS128 单片机；模糊控制； 自动循迹 Abstract Based on the research background of the Free- Scale smart car competition， a smart track- following car is designed, where the controller is MC9S12DG128 microcomputer. In the car, the photo electricity sensor is used to check the path and obtain the information of racing road, and calculate the error between the car and the black line. The fuzzy control is used to control the velocity of the car. The experiments show that the smart car based on the fuzzy control has high accuracy on the judgment of the path, stability and velocity control. Key words Smart car; MC9S12DG128 microcomputer; fuzzy control; automatic track-following 1 引言 智能车辆作为智能交通系统的关键技 术之一，是许多高新技术综合集成的载 体。它体现了车辆工程、人工智能、自动 控制及计算机技术于一体的综合技术，是 未 来 汽 车 发 展 的 趋 势 。 本 设 计 以 MC9S12XS128 为核心处理器，通过光电 传感器识别路面的黑色引导线，根据道路 前方黑色引线距车体中心线之间的偏差送 出控制信号给转向舵机和电机驱动模块 MC33886，使小车沿着黑引线稳定地、流 畅地前进。 2 系统整体方案设计 2.1 智能车功能设计 本次设计的智能车具有路径识别、状 态检测、方向控制、速度控制等功能。系 统的功能模块如图 1 所示。系统主要分为 6 个模块：MCU 芯片，采用飞思卡尔公司 的 16 位单片机 MC9S12DG128；路径识别 模块(光电传感器模块)；速度检测模块；舵 机控制模块；电机驱动模块；电源模块。单 片机通过光电传感器采集道路信息，根据 算法分析得出此时的智能车与道路的偏离 状况，然后再据此采用一定的控制算法控 制智能车的舵机转向和直流电机的速度， 从而实现智能车对路径的自动识别与循迹 [1]。 图 1 智能车功能模块图 2.2 MC9S12XS128 单片机简介 飞思卡尔 MC9S12XS128 微控制器具 有 MCU 核心系统，支持串口调试下载，具 有扩展接口，可进行 2 次开发，支持μ - 1 4 8 - COS Ⅱ。此开发板兼容性较高，监控程序 功能强大，可提供各种基本的开发和调试 功能，如程序的下载和运行、断点设置、内 存显示等。还可利用 M C 9 S 1 2 X S 1 2 8 的 Flash 在线编程技术实现在线写入用户程 序和随时修改 Flash 存储内容。同时在线 实时仿真和监测自编程序。根据实际设计 需要分配控制器内部单元[2]。 2.3 各功能模块的设计 智能车硬件系统主要包括电源、电机 驱动、测速、舵机、路径识别与处理等部 分。总电源采用一个 7.2 伏的镍铬电池供 电，其中微控制器、光电传感器的接收管 以及测速传感器采用 5 伏的电源，光电传 感器的发射管采用 2 伏的电源，舵机和直 流 电 机 则 直 接 用 7 . 2 伏 的 电 源 。 选 择 LM2940 为 5 伏稳压芯片，LM2576 为 2 伏 的稳压芯片[3]。各芯片和电源的关系如图 2 所示。 图 2 电源模块图 电机驱动选用 MC33886 H 桥电机驱 动芯片，MC33886 的作用是将恒定的直流 电源电压(电池电压)调制成频率一定、宽 度可变的 PWM 脉冲电压序列，从而改变 输出平均电压的大小。MC9S12XS128 单 片机的 PP3 和 PP5 引脚输出的 PWM 脉冲 经器件 6N137 光耦隔离后，通过信号 IN1 和 I N 2 进入 M C 3 3 8 8 6 H 桥输入端， MC33886 H 桥输出端 OUT1 和 OUT2 分 别接电机电枢两端，从而控制电机的四象 限运行。 路径识别是体现智能车智能水平的一 个重要标志，而光电传感器是智能车进行 路径识别的一个关键检测元件。路径识别 结果与传感器的选择、传感器的数量有 

参考文献 [1] 段颖康. 基于 MC9S12XS128 单片机的 智能循迹小车的硬件设计[J]. 电子元器 件应用.2010;12（1）：33-35 [2] 邵贝贝．单片机认识与实践［M］． 北京：北京航空航天出版社.2006 [3] 梁业宗，李波，赵磊. 基于路径识 别算法的智能车控制系统的设计[J].自动 化技术与应用.2009;28（1）：121-124 [4] 刘伟. 基于 MC9S12XS128 微控制器的 智能车硬件设计[J]. 电子设计工程. 2010，18（1）：102-104 [5] 宁慧慧，余红英.基于红外光电传感 器的智能车两轮差速转向模糊控制[J]. 工业控制计算机.2010，23（1）：94-95 作者简介 黄杰：本科；在校学生；研究方向：智能控 制 ； 通讯作者：硕士；讲师；研究方向：控制理 论与控制工程、智能控制。 图 4 输入输出变量的三角函数分布 控制规则是模糊控制器中模糊推理的 依据，控制规则的多少是根据输入及输出 物理量数目及所需的控制精度而定，根据 智能车的运行特性及控制经验设计模糊控 制器的隶属度函数的离散化表格和模糊规 则如表 1 和表 2 所示。 采用 CRI 推理查表法，即直接通过输 入量偏转角与控制规则比较得出输出量转 速差。然后采用重心法的方法进行清晰 化。 3 结论 本文介绍了黑线循迹智能车的硬件系 统实现方法，小车的循线方案采用光电传 感器，速度控制采用模糊控制，实验证明， 模糊控制不需要建立精确的数学模型，在 未知环境下可仿效人的智能，实现对系统 的控制，从而使小车能自动纠正轨迹偏 差，能够以较快的速度平稳地行驶，达到 预期的效果。 直接关系，本文选择三只光电开关，一只 置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小 车脱离轨道时，即当置于中间的一只光电 开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到 黑线后，做出相应的转向调整，直到中间 的光电开关重新检测到黑线（即回到轨 道）再恢复正向行驶。为了使智能车在尽 可能短的时间内跑完赛道，小车必须达到 两项标准：①光电开关检测到黑线在正中 心时，判断当前赛道为直线，此时小车应 尽量升速，在保证稳定的情况下使小车以 最快的速度沿直线前行；②光电开关检测 到黑线在两旁时，判断当前赛道为弯道， 此时转向舵机应作出相应的响应，使小车 转过一定的角度。这时车速应在短时间内 迅速下降，否则小车将冲出赛道。因此小 车速度控制的响应时间和控制精度对小车 性能的提高尤为重要。为此，采用模糊控 制对小车的速度进行控制，由于模糊控制 不需要建立精确的数学模型，在未知环境 下可仿效人的智能，这样使小车快速、稳 定、准确地沿着赛道行使。速度控制系统 结构框图如图 3所示。图中，E是小车相对 于黑线的偏移角，U 是两驱动轮的转速 差。小车相对于黑线发生偏移时，控制系 统通过调整两驱动轮转速，使小车纠正偏 移回到正确的位置。因此，选择小车相对 于黑线的偏移角 E 作为模糊控制器的输入 变量；选择两驱动轮的转速差 U 作为模糊 控制器的输出变量。 图 3 速度控制系统结构框图 在输入语言变量 E 的论域中，取语言 值：“NB”(严重左偏)、“NS”（左偏）、“Z” （没有偏移）、“PS”（右偏）、“PB”（严重 右偏）；同理，在输出语言变量 U 的论域 中，取语言值：“NB”(左轮速度比右轮速 度转速差较大)、“NS”（左轮速度比右轮 速度转速差较小）、“Z”（左轮速度与右轮 速度相等）、“PS”（右轮速度比左轮速度 转速差较小）、“PB”（右轮速度比左轮速 度转速差较大）；设隶属函数分布为三角 分布[5]，如图 4 所示。 - 1 4 9 -