1、第6章 智能汽車設計實踐光電管型設計 6.1 機械設計 1 6.2 硬件設計 2 6.3 軟件設計 3第6章 智能汽車設計實踐光電管型設計 6.1 機械設計 6.1.1 光電管傳感器的布局 6.1.2 舵機的安裝 6.1.3 測速傳感器的安裝 6.1.1 光電管傳感器的布局 1傳感器的布局間隔 2傳感器的徑向探出距離 傳感器的徑向探出距離 （1）“一”字形布局 : “一”字形布局是傳感器最常用的布局形式，即各個傳感器在一條直線上，從而保證縱向的一致性，使其控制策略主要集中在橫向上，其排布如圖6.1所示。 圖6.1 “一”字形布局傳感器的徑向探出距離（2）“八”字形布局: “八”字形布局從橫向來

2、看與“一”字形布局類似，但它增加了縱向的特性，從而具有了一定的前瞻性，其排布如圖6.2所示。 圖6.2 “八”字形布局6.1.2 舵機的安裝 在智能車上，舵機的輸出轉(zhuǎn)角通過連桿傳動控制前輪轉(zhuǎn)向。舵機是系統(tǒng)中一個具有較大時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。其時間延遲正比于轉(zhuǎn)過的角度，反比于舵機的響應速度。對于快速性要求極高的智能小車來說，舵機的響應速度是影響其過彎最高速度的一個重要因素，特別是對于前瞻不夠遠的智能小車更是如此。 6.1.2 舵機的安裝提高舵機控制前輪轉(zhuǎn)向速度的一種方法是采用杠桿原理，在舵機的輸出舵盤上安裝一個較長的輸出臂，其安裝圖如圖6.4所示。 圖6.4 舵機的安裝圖6.1.3 測速傳感器的安

3、裝 為了減輕智能車的質(zhì)量，測速時應盡量選用質(zhì)量輕精度高的傳感器，為了不影響加速性能，編碼器的傳動齒輪較小，基本上和電機的齒輪相同。其安裝圖如圖6.5所示。 圖6.5 測速傳感器的安裝6.2 硬件設計 6.2.1 HCS12控制核心 6.2.2 電源管理單元 6.2.3 路徑識別單元 6.2.4 車速檢測模塊 6.2.5 舵機控制單元 6.2.6 直流驅(qū)動電機控制單元 6.2 硬件設計硬件電路設計是智能車控制系統(tǒng)設計的基礎(chǔ)。智能車控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由HCS12控制核心、電源管理單元、路徑識別電路、車速檢測模塊、轉(zhuǎn)向伺服電機控制電路和直流驅(qū)動電機控制電路組成，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖6.6所示。 圖6

4、.6 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖6.2.1 HCS12控制核心HCS12控制核心單元既可以直接采用組委會提供的MC9S12EVKX電路板，也可以自行購買MC9S12DG128單片機，然后量身制作適合自己需要的最小開發(fā)系統(tǒng)。 6.2.1 HCS12控制核心在光電管方案中，其I/O口具體分配如下：PH口與PA口用于小車光電發(fā)光管發(fā)光控制；PT0用于車速檢測的輸入口； PB口用于顯示小車的各種性能參數(shù)； PWM0（PP0引腳）與PWM1（PP1引腳）合并用于伺服舵機的PWM控制信號輸出； PWM2（PP2引腳）與PWM3（PP3引腳）合并用于驅(qū)動電機的PWM控制信號輸出（電機正轉(zhuǎn)）； PWM4（PP4引腳）與P

5、WM5（PP5引腳）合并用于驅(qū)動電機的PWM控制信號輸出（電機反轉(zhuǎn)）。 在連續(xù)路徑識別算法中，PAD口用于傳感區(qū)光電接收管電壓信號的輸入口。 6.2.2 電源管理單元 電源管理單元是智能車硬件設計中的一個重要組成部分，它的作用是對組委會提供的7.2 V 1800 mA Ni-cd蓄電池進行電壓調(diào)節(jié)。按照系統(tǒng)各部分正常工作的需要，各模塊電壓值分為5 V, 6.5 V和7.2 V三個擋。 6.2.2 電源管理單元同時考慮到穩(wěn)壓芯片L7805CV的額定輸出電流較小，故采用兩片L7805CV分別對單片機電路、車速檢測電路、驅(qū)動芯片電路和光電傳感器電路供電，以保證系統(tǒng)正常運行。其穩(wěn)壓電路如圖6.8所示。

6、 圖6.8 穩(wěn)壓電源單元6.2.3 路徑識別單元 在光電管方案中，通過紅外發(fā)光管發(fā)射紅外光照射跑道，由于跑道表面與中心線具有不同的反射強度，因此利用紅外接收管可以檢測到這些信息。通過合理安排紅外發(fā)射/接收管的空間位置可以檢測到智能車相對于前方道路的位置。紅外發(fā)射接收管一般安放在模型車前端，可以安裝成一排，也可以前后安裝兩排，傳感器的總數(shù)量受到比賽規(guī)則的限制。 6.2.3 路徑識別單元紅外接收管接收道路反射的紅外光后產(chǎn)生電壓的變化，它可以反映出賽道中心線的位置。這個電壓信號可以通過外部的電壓比較器變成高、低電平由單片機的I/O端口讀取，也可以通過單片機A/D端口直接讀取。從I/O端口讀取的參考電

7、路如圖6.9所示，從A/D端口直接讀取的參考電路如圖6.10所示。 圖6.9 I/O端口讀取電路圖6.10 A/D端口讀取電路6.2.3 路徑識別單元兩個光電管方案中常見的問題 1相鄰光電管之間的干擾 2光電管發(fā)射功率的影響 相鄰光電管之間的干擾由于紅外發(fā)射管是基于漫反射原理的，其發(fā)射的紅外光可能影響到安裝在附近的紅外接收管。消除這種干擾可以采取以下幾種措施： （1）選擇發(fā)射與接收方向性好的紅外傳感器。（2）選擇發(fā)射與接收一體化的紅外傳感器，它的外殼可以抑制相鄰干擾。 （3）在紅外接收管上安裝黑色套管，使其只接收前方一定角度內(nèi)的紅外光線，這種減小互擾動的措施效果較好。 （4）使相鄰的紅外發(fā)射/

8、接收管交替工作（即“點火”）。這種方法不僅減小了相鄰紅外傳感器之間的干擾，同時也降低了整體傳感器的功耗。 光電管發(fā)射功率的影響 為了增加前瞻距離，需要加大光電管紅外發(fā)射功率，使得返回的紅外線的強度提高，這樣不僅使得電池電能的消耗量增加，同時也會縮短紅外發(fā)射管的壽命。為解決這個問題，可以利用紅外接收管響應速度快的特點，采用光電管脈沖發(fā)射/接收的方法加以處理。紅外發(fā)射管工作在周期脈沖方式下，可以大大降低平均工作電流，從而降低了整個發(fā)射電路的電量消耗。 6.2.4 車速檢測模塊車速檢測一般是通過檢測驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的。比賽中所使用的常見測速方法列舉如下： 1轉(zhuǎn)角編碼盤 2反射式光電檢測 3霍爾傳感

9、器檢測 轉(zhuǎn)角編碼盤轉(zhuǎn)角編碼盤分為絕對位置輸出和增量式位置輸出兩種。一般可使用增量式編碼盤。它輸出脈沖的個數(shù)正比于電機轉(zhuǎn)動的角度，從而使編碼盤輸出脈沖的頻率正比于轉(zhuǎn)速?？梢酝ㄟ^測量單位周期內(nèi)脈沖個數(shù)或者脈沖周期得到脈沖的頻率。 霍爾傳感器檢測在后輪輪轂上粘貼1個或者2個小型的永磁體，附近固定一個霍爾傳感器。霍爾元件有3個引腳，其中2個分別是電源引腳和接地引腳，另一個是輸出信號引腳，只要通過一個上拉電阻接至5 V電壓，就可以形成開關(guān)脈沖信號。后輪電機每轉(zhuǎn)1周，則可以產(chǎn)生1個或者2個脈沖信號。這種方式簡易、廉價，但測速精度不如前面的方法，因為永磁體本身的體積決定了不可能在后輪輪轂上安裝過多磁片，對測

10、速精度要求不高的隊伍可以考慮此方法。 6.2.5 舵機控制單元 舵機本身是一個位置隨動系統(tǒng)。它是由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機和控制電路組成的。通過內(nèi)部的位置反饋，使它的舵盤輸出轉(zhuǎn)角正比于給定的控制信號，因此對于它的控制可以使用開環(huán)控制方式。在負載力矩小于其最大輸出力矩的情況下，它的輸出轉(zhuǎn)角正比于給定的脈沖寬度。但實際上，由于舵機反應的延遲性，智能車的舵機轉(zhuǎn)角通常不能在一個控制周期內(nèi)到達指定的設定角度，因此，可以在舵機外部再安裝一個位置反饋裝置，構(gòu)成雙閉環(huán)系統(tǒng)，以實時檢測和控制舵機的轉(zhuǎn)動角度。 6.2.5 舵機控制單元舵機控制單元采用組委會提供的Futaba公司S3010型舵機作

11、為智能車方向控制部件。 圖6.14 轉(zhuǎn)向伺服電機實物圖6.2.6 直流驅(qū)動電機控制單元 直流驅(qū)動電機控制電路主要用來控制直流電動機的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動速度。改變直流電動機兩端的電壓可以控制電動機的轉(zhuǎn)動方向；而控制直流電動機的轉(zhuǎn)速，則有不同的方案，較常規(guī)的方法是采用PWM控制。驅(qū)動電路既可以直接采用MC33886電機驅(qū)動芯片，也可以采用大功率MOS管來自行設計電機驅(qū)動電路。 MC33886全橋驅(qū)動電路采用MC33886的全橋驅(qū)動時，為了提供更大的驅(qū)動電流，可以將多片MC33886并聯(lián)使用，其采用3片MC33886并聯(lián)方式驅(qū)動電機硬件電路如圖6.15所示。 圖6.15 電機驅(qū)動硬件電路圖大功率MOS管

12、電機驅(qū)動電路 采用大功率MOS管組成電機驅(qū)動電路時，在保證大電流驅(qū)動電機的同時，可以有效地避免多片MC33886并聯(lián)時由于芯片分散性導致的驅(qū)動芯片某些片發(fā)熱某些不發(fā)熱的現(xiàn)象。但由分離元件組成的驅(qū)動電路的穩(wěn)定性低于集成芯片。圖6.16 MOS管組成電機驅(qū)動電路 6.3 軟件設計6.3.1 初始化算法 6.3.2 路徑離散識別算法 6.3.3 路徑連續(xù)識別算法 6.3.4 控制策略及控制算法 6.3 軟件設計在智能車控制系統(tǒng)光電管方案的軟件設計中，程序的主流程是：先完成單片機初始化（包括I/O模塊、PWM模塊、計時器模塊、定時中斷模塊初始化）之后，通過無限循環(huán)語句不斷地重復執(zhí)行路徑檢測程序、數(shù)據(jù)處

13、理程序、控制算法程序、舵機輸出及驅(qū)動電機輸出程序。其中，定時中斷用于檢測小車當前速度，作為小車速度閉環(huán)控制的反饋信號。 6.3 軟件設計光電管方案主程序流程圖如圖6.17所示。 圖6.17 光電管方案主程序流程圖6.3.1 初始化算法 1A/D初始化 2PWM初始化 3定時器初始化6.3.2 路徑離散識別算法 路徑離散識別算法是通過普通I/O端口將光電管接收端的電壓值讀入單片機，根據(jù)端口輸入的高、低電平邏輯來判斷該傳感器是否處于黑色引導線上方，再篩選出所有處于引導線上方的傳感器，便可以大致判斷出此時車身相對道路的位置，確定出路徑信息。 6.3.2 路徑離散識別算法路徑離散識別算法簡便易行，因為

14、輸入量為開關(guān)量，所以對硬件及算法的要求都比較低，在傳感器數(shù)目較多的情況下也可以實現(xiàn)較高的識別準確性。但它的一個缺陷在于路徑信息只是基于間隔排布的傳感器的離散值，對于兩個相鄰傳感器之間的“盲區(qū)”無法提供有效的距離信息，因此其路徑識別精度極大地受限于傳感器的間距。此外，由于離散算法得到的路徑信息是離散值，如果將離散的路徑信息直接應用到轉(zhuǎn)向及車速控制策略中去，會導致轉(zhuǎn)向及車速調(diào)節(jié)的階躍式非連續(xù)變化，這將會對智能車的性能產(chǎn)生不利影響。此時，舵機轉(zhuǎn)向及車速控制僵硬，舵機對路徑變化反應不靈敏，舵機輸出轉(zhuǎn)向相對于路徑為階躍式延遲響應，易產(chǎn)生超調(diào)及振蕩現(xiàn)象，對于追求高車速、短決策周期的控制策略來說，很可能因為

15、舵機響應不及時而造成控制失效。 6.3.3 路徑連續(xù)識別算法 路徑連續(xù)識別算法是通過單片機A/D口將接收管電壓讀入。道路中心線相對于各個紅外接收管的距離所引起的電壓變化經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字量，然后通過插值運算可以得到更加精確的路徑信息。然而，由于器件制造工藝引起的分散性問題，各個光電管的性能特性存在很大的差異，特別是電壓波動范圍相差較大，這就給算法制定統(tǒng)一的標準帶來了困難。為了解決這一問題，可以采用歸一化方法把各傳感器的電壓值都處理成相對于該傳感器最大電壓（白區(qū)的電壓）和最小電壓（黑區(qū)的電壓）的變化百分比，以使所有的特性曲線的范圍都將在0100之間。 6.3.3 路徑連續(xù)識別算法在比賽前先

16、對光電管進行預標定，找到各光電管對黑線的敏感程度，將預標定過程中各個光電管的最大值和最小值存下來，用最大值減去最小值得到每個傳感器在賽道上的輸出范圍，小車行駛過程中，將每個傳感器輸出的信號減去最小值，再除以該傳感器的輸出范圍即可得到其相對輸出值，然后找到其中最大的那個值。該值對應的光電管下面的黑線比例為最大，然后找到此光電管旁的另外兩個光電管?？梢愿鶕?jù)這三個值可以算出黑線的準確位置。6.3.4 控制策略及控制算法 1轉(zhuǎn)角的控制 2車速的控制 3路徑記憶算法 6.3.4 控制策略及控制算法為保證小車一直沿著黑色引導線快速行駛，系統(tǒng)主要的控制對象是小車的轉(zhuǎn)向和車速。即應使小車在直道上以最快的速度行

17、駛。在進入彎道的過程中盡快減速，且轉(zhuǎn)向要適合彎道的曲率，確保小車平滑地轉(zhuǎn)彎，并在彎道中保持恒速。從彎道進入直道時，小車的舵機要轉(zhuǎn)至中間，速度應該立即得到提升，直至以最大的速度行進。為實現(xiàn)上述控制思想，可以采用不同的控制方法來控制小車的轉(zhuǎn)角和速度。 轉(zhuǎn)角的控制為了使舵機迅速地轉(zhuǎn)至期望的角度，先通過前排發(fā)射接收光電管檢測黑線，當小車處于直道時，最中間的光電管檢測到信號，當處于不同曲率的彎道時，前排兩側(cè)不同的光電管將檢測到信號。所以，根據(jù)前排光電管檢測到的不同信號，可以判斷出小車所處的位置。然后，根據(jù)小車的位置再對調(diào)整舵機進行相應的調(diào)整。 轉(zhuǎn)角的控制調(diào)整舵機的原則是：小車處于直道時，擺正舵機。小車處

18、于彎道的曲率越大，則舵機轉(zhuǎn)角越大。除此之外，小車還會遇到黑色交叉線的特殊情況，對此，本系統(tǒng)將保持小車原有的方向與速度，使小車不受交叉線的干擾。如果小車轉(zhuǎn)過的彎過大，則可能使前排光電管全部偏離黑色軌跡，從而沒有一個光電管檢測到黑線，故應使舵機保持原角度，讓小車急轉(zhuǎn)駛回正道。同時，將速度適當降低，防止小車沖出軌跡。 轉(zhuǎn)角的控制這里采用比例和微分相結(jié)合的PD控制方法。（1）比例控制：通過前面提取的position與中心位置相減得到比例控制的偏差量，然后再根據(jù)偏差量的大小采用比例系數(shù)控制舵機轉(zhuǎn)向。（2）微分控制：通過存儲連續(xù)20次采樣所得到的黑線位置，可以計算出相應的黑線位置變化率，進而根據(jù)這個變化率

19、的大小，來調(diào)整微分系數(shù)，以控制舵機轉(zhuǎn)向。 車速的控制 因為小車比賽的賽道是未知的，彎道的分布情況也不能確定，小車可能頻繁地進出彎道，不停地調(diào)整速度來適應不同軌跡。所以，需要對智能車的速度進行閉環(huán)控制，使得小車的速度能夠頻繁地變化，且能在很短的時間內(nèi)由當前速度轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕霓D(zhuǎn)速?；谶@幾點的考慮，可以考慮利用MC9S12DG128單片機的模糊指令集。 路徑記憶算法 由于傳感器看到賽道的長度有限，不能很好地對賽道狀況進行預測，因此，如果小車在跑第一圈的時候能夠記下賽道全部路徑信息，在第二圈的時候則能夠根據(jù)第一圈的記憶信息輔助控制，在相同條件下將比不使用賽道記憶的智能車更具有優(yōu)勢。 路徑記憶算法成功實現(xiàn)賽道記憶算法，必須具備以下五個條件賽車必須識別起跑線。賽車需要在第一圈記下正確的賽道信息。 正確地濾波。 賽車必須擁有足夠的存儲空間。 賽車在第二圈如何應用第一圈記下的信息。 起跑線的檢測 從圖6.18的起始線的特點可以看到，在兩條黑線之間有大約2 cm的白色區(qū)域，可以通過識別這個特征信息，來區(qū)別起始線和十字交叉線。我們采用一排