PAGE畢業(yè)設(shè)計(jì)(論 文)基于飛思卡爾單片機(jī)的智能車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系別自動(dòng)化工程系專業(yè)自動(dòng)化班級(jí)5060418姓名王皓明指導(dǎo)教師趙一丁2010年6月

東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第PAGEIV頁(yè)基于飛思卡爾單片機(jī)的智能車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本文以第四屆全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽為背景，介紹了智能賽車控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)和開發(fā)流程。該比賽采用組委會(huì)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)車模，以Freescale半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的16位單片機(jī)MC9S12DG128為核心控制器，在CodeWarrior4.7開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行軟件開發(fā)，要求賽車在未知道路上完成快速尋線。本智能車采用雙排光電傳感器對(duì)賽道進(jìn)行檢測(cè)，工作電壓能與最小系統(tǒng)工作電壓相同，可共用一個(gè)電源模塊。通過光電傳感器提取獲得黑線位置，用PID方式對(duì)舵機(jī)進(jìn)行反饋控制。同時(shí)通過速度傳感器獲取當(dāng)前速度，實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制，根據(jù)賽道類型預(yù)判信息和當(dāng)前速度信息對(duì)速度進(jìn)行合理控制。整個(gè)硬件系統(tǒng)包括車模機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整、穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)、核心控制電路板設(shè)計(jì)、后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)和上位機(jī)通信設(shè)計(jì)等等。經(jīng)過查看各種相關(guān)資料，對(duì)硬件進(jìn)行了大量的優(yōu)化，如針對(duì)對(duì)各種穩(wěn)壓芯片的測(cè)試，確定最優(yōu)電源電路；測(cè)試各種測(cè)速方式，最終選用光電管作為測(cè)速模塊；并在智能車調(diào)試過程中不斷改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，使小車運(yùn)行更加穩(wěn)定、迅速。軟件系統(tǒng)包括程序初始化、數(shù)據(jù)采集和車體控制的算法。為了提高智能賽車的行駛速度和可靠性，經(jīng)過多次機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整及電路板設(shè)計(jì)，并經(jīng)過不斷試驗(yàn)，最終確定了現(xiàn)有的系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)控制的PID參數(shù)。關(guān)鍵詞：MC9S12DG128，智能車，雙排光電傳感器，PIDIntelligentvehiclecontrolsystemdesignbasedonfreescaleMCUAuthor:WangHaomingTutor:ZhaoYidingAbstractBasedonthe4thChinauniversityofintelligentcarraceforbackground,introducesthehardwareandsoftwareofthecontrolsystemofintelligentcarstructureanddevelopmentprocess.ThegameusingthestandardsprescribedbytheorganizingcommitteetoFreescalesemiconductorcompanymodels,theproduction16-bitsinglechipMC9S12DG128forcorecontroller,inCodeWarrior4.7developmentenvironmentinsoftwaredevelopmentandrequirementontheroadonunknownquickline.Thisintelligentvehicleusingdoublerowofphotoelectricsensor,voltagecanworkwithminimalsystemscansharethesamevoltage,apowersupplymodule.Throughtheintelligentvehicle,withblackextractedonthewaytothePIDfeedbackcontrol.Andthroughthevelocitysensorforcurrentvelocity,realizespeedclosed-loopcontrolcircuit,accordingtothetypeofinformationandthespeedofanticipationtospeedcontrolinformation.Thehardwaresystemincludingmechanicalmodels,structureadjustment,manostatdesign,thecorecontrolcircuitdesign,rearmotordrivermoduledesignandcomputercommunicationdesignetc.Aftercheckallrelevantinformationonthehardware,thelargeamountsofoptimization,suchasallkindsofpressureinthetestchipandtheoptimumpowersupplycircuit,Testingvariousways,finallychoosesphototubemoduleasatypeofcell,Andintheintelligentvehiclecommissioningprocessimprovement,themechanicalstructureismorestableoperation,quick.Softwaresystemincludingtheinitialprocedure,thedataacquisitionandcontrolalgorithm.Inordertoimprovethespeedofintelligentcarsandreliability,andaftermanymechanicalstructureadjustmentandcircuitdesign,andfinallydeterminedthroughcontinuoustest,theexistingsystemofthemechanicalstructureandPIDcontrolparameters.Keywords:MC9S12DG128,intelligentvehicle,doublerowphotoelectricsensor,PID目錄1緒論……………11.1智能車的背景及意義 11.2智能車競(jìng)賽的研究現(xiàn)狀 21.2.1國(guó)外智能車競(jìng)賽現(xiàn)狀 21.2.2國(guó)內(nèi)智能車競(jìng)賽現(xiàn)狀 31.3本文的概況及結(jié)構(gòu)安排 72智能車方案設(shè)計(jì)…………………..82.1智能車設(shè)計(jì)的基本要求 82.2智能車的雙排傳感器循跡策略方案設(shè)計(jì) 82.2.1雙排傳感器的優(yōu)勢(shì) 82.2.2傳感器陣列布局 92.2.3直道識(shí)別方式控制策略 92.2.4直線穩(wěn)定控制策略 132.2.5彎道控制策略 132.2.6實(shí)測(cè)結(jié)果和現(xiàn)象分析 142.3車模參數(shù) 153硬件設(shè)計(jì)…………183.1智能車整體結(jié)構(gòu) 183.2mc9sdg128b的最小系統(tǒng)及接口設(shè)計(jì) 193.3電源管理及分布 203.4光電傳感器布局 213.4.1賽道識(shí)別傳感器模塊 213.4.2測(cè)速模塊 223.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 233.6舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 243.7撥碼開關(guān)模塊 254機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整……………………274.1一些重要參數(shù)對(duì)賽車的影響 274.2車模底盤參數(shù)調(diào)整 284.3重心位置對(duì)汽車性能的影響 304.4汽車側(cè)滑的處理 314.5底盤離地間隙 324.6齒輪傳動(dòng)間距調(diào)整 324.7后輪差速機(jī)構(gòu)調(diào)整 325智能車軟件開發(fā)環(huán)境及軟件設(shè)計(jì)………………345.1智能車軟件開發(fā)環(huán)境 345.1.1軟件調(diào)試軟件CodeWarrior 345.1.2無(wú)線調(diào)試模塊 365.2軟件設(shè)計(jì) 375.2.1初始化模塊 375.2.2智能車系統(tǒng)的控制策略的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 415.2.3PID參數(shù)的整合 45結(jié)論…………………..48致謝…………………..50參考文獻(xiàn)……………..51附錄…………………..52附錄A：智能車硬件連接圖 52附錄B：智能車最終實(shí)物圖 53附錄C：PIDcontroller 541緒論1.1智能車的背景及意義智能車系統(tǒng)以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景,涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)等多個(gè)學(xué)科;主要由路徑識(shí)別、角度控制及車速控制等功能模塊組成。一般而言,智能車系統(tǒng)要求小車在白色的場(chǎng)地上,通過控制小車的轉(zhuǎn)向角和車速,使小車能自動(dòng)地沿著一條任意給定的黑色帶狀引導(dǎo)線行駛。智能車輛，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代傳感、信息融合、通訊、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體.它具有道路障礙自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)制動(dòng)、自動(dòng)保持安全距離、車速和巡航控制等功能。智能車輛致力于提高汽車的安全性、舒適性和提供優(yōu)良的人車文互界面，是目前各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的智能交通系統(tǒng)中一個(gè)重要組成部分，也是世界車輛工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和汽車工業(yè)增長(zhǎng)的新動(dòng)力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能、電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，智能車輛技術(shù)有了實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)。目前智能車輛技術(shù)在轎車和重型汽車上主要應(yīng)用于碰撞預(yù)警系統(tǒng)、防撞及輔助駕駛系統(tǒng)、智能速度適應(yīng)、自動(dòng)操作等，其在軍事上的應(yīng)用更加廣泛和重要。車輛智能化是汽車工業(yè)今后的發(fā)展趨勢(shì)，也是人們對(duì)安全性要求越來(lái)越高未來(lái)汽車的發(fā)展方向。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)為代表的高新技術(shù)的發(fā)展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊控制技術(shù)、神經(jīng)模糊技術(shù)、虛擬實(shí)現(xiàn)等新技術(shù)的出現(xiàn)，智能車輛技術(shù)的研究將會(huì)有突破性的進(jìn)展。智能車輛系統(tǒng)的實(shí)用化是是智能車輛發(fā)展的前進(jìn)方向，適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好的智能車輛將是研究的重點(diǎn)。對(duì)智能車系統(tǒng)的研究在某種程度上講是對(duì)于智能車輛自動(dòng)駕駛系統(tǒng)研究的縮影。目前自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展水平已經(jīng)能在相對(duì)簡(jiǎn)單的路況實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛。例如在高速公路上，所有的車輛都向同一個(gè)方向行駛，沒有行人，沒有急轉(zhuǎn)彎路段，車道都有明顯的標(biāo)記，這樣就為自動(dòng)駕駛提供了較好的條件。高速公路自動(dòng)駕駛的一個(gè)主要技術(shù)是車道跟蹤。一種車道跟蹤系統(tǒng)由攝像機(jī)和處理器測(cè)定車道標(biāo)記，傳感器測(cè)定駕駛員加在方向盤上的扭矩；電子控制裝置接收這些測(cè)量信息，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過變速箱調(diào)整輸送到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的扭矩。美國(guó)通用汽車公司計(jì)劃在2015年前測(cè)試無(wú)人駕駛汽車技術(shù)，2018年左右將無(wú)人駕駛汽車推向市場(chǎng)。該公司正在聯(lián)合零部件供應(yīng)商、大學(xué)教授和其他汽車制造商共同研發(fā)這種無(wú)人駕駛汽車，給人們的長(zhǎng)短途旅行帶來(lái)革命性變革，大大減少交通堵塞和交通事故。為了減少交通事故，美國(guó)正在推廣防止翻車的電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，要求2012年推出的新車型必須配備這種技術(shù)。接下來(lái)，美國(guó)還要實(shí)施車輛之間的通訊系統(tǒng)。盡管與自然路況下的完全自動(dòng)駕駛尚有一段不小的距離，人們已經(jīng)研究出包含上述在內(nèi)的許多自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)并成功地加以使用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們相信不久的將來(lái)在市場(chǎng)上能夠買到功能全面的自動(dòng)駕駛汽車。不過，依筆者所見，汽車智能駕駛這種靈活而又復(fù)雜的操作，百分之百自動(dòng)并不是最佳選擇，在復(fù)雜的路段上還是寧愿相信人類自己[1,2]。就目前情況看，智能車系統(tǒng)研究的重點(diǎn)是集中力量發(fā)展決定智能車控制成敗的兩大關(guān)鍵技術(shù)，即軟硬件對(duì)于智能車穩(wěn)定性和速度的提升。只有在這兩大關(guān)鍵技術(shù)上獲得突破性進(jìn)展，才能實(shí)現(xiàn)“跟蹤前沿，跨越發(fā)展”的目標(biāo)。本文著重研究控制算法智能車控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，兼顧硬件設(shè)計(jì)與機(jī)械調(diào)整，介紹一種基于HCS12單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能車系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)中的路徑識(shí)別功能由雙排紅外光電傳感器實(shí)現(xiàn),車速控制主要由PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。軟件設(shè)計(jì)中實(shí)時(shí)檢測(cè)路況,并定時(shí)中斷采集速度反饋值。1.2智能車競(jìng)賽的研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外智能車競(jìng)賽現(xiàn)狀韓國(guó)大學(xué)生智能模型車競(jìng)賽是韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)汽車控制實(shí)驗(yàn)室在飛思卡爾半導(dǎo)體公司資助下舉辦的以HCS12單片機(jī)為核心的大學(xué)生課外科技競(jìng)賽。組委會(huì)將提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車模型、直流電機(jī)和可充電式電池，參賽隊(duì)伍要制作一個(gè)能夠自主識(shí)別路線的智能車，在專門設(shè)計(jì)的跑道上自動(dòng)識(shí)別道路行駛，誰(shuí)最快跑完全程而沒有沖出跑道并且技術(shù)報(bào)告評(píng)分較高，誰(shuí)就是獲勝者。制作智能車，需要參賽隊(duì)伍學(xué)習(xí)和應(yīng)用嵌入式軟件開發(fā)工具軟件codewarrior和在線開發(fā)手段，自行設(shè)計(jì)和制作可以自動(dòng)識(shí)別路徑的方案、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路、模型車的車速傳感電路、模型車轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)以及微控制器MC68S912DP256控制軟件的編程，等等。其專業(yè)知識(shí)涉及控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科，對(duì)學(xué)生的知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，對(duì)高等學(xué)?？刂萍捌囯娮訉W(xué)科學(xué)術(shù)水平的提高，具有良好的長(zhǎng)期的推動(dòng)作用。圖1.1韓國(guó)大學(xué)生智能模型車競(jìng)賽車模隨著賽事的逐年開展，將不僅有助于大學(xué)生自主創(chuàng)新能力的提高，對(duì)于高校相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域?qū)W術(shù)水平的提升也有一定幫助，最終將有助于汽車企業(yè)的自主創(chuàng)新，得到企業(yè)的認(rèn)可。這項(xiàng)賽事在韓國(guó)的成功可以證明這一點(diǎn)。2000年智能車比賽首先由韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)承辦開展起來(lái)，每年全韓國(guó)大約有100余支大學(xué)生隊(duì)伍報(bào)名并準(zhǔn)予參賽，至今已舉辦5屆，得到了眾多高校和大學(xué)生的歡迎，也逐漸得到了企業(yè)界的極大關(guān)注。韓國(guó)現(xiàn)代公司自2004年開始免費(fèi)捐贈(zèng)了一輛轎車作為賽事的特等獎(jiǎng)項(xiàng)。德國(guó)寶馬公司也提供了不菲的資助，邀請(qǐng)3名獲獎(jiǎng)學(xué)生到德國(guó)寶馬公司研究所訪問，2005年SUNMOON大學(xué)的參賽者獲得了這一殊榮，圖1.1為他們?cè)O(shè)計(jì)的智能車模型[3]。此外，歐美國(guó)家也在進(jìn)行智能車系統(tǒng)的研究。1.2.2國(guó)內(nèi)智能車競(jìng)賽現(xiàn)狀我國(guó)在智能車系統(tǒng)方面的研究主要是指從2006年起歷年舉辦的“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽：參賽選手須使用競(jìng)賽秘書處統(tǒng)一指定的競(jìng)賽車模套件，采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位微控制器作為核心控制單元，自主構(gòu)思控制方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括傳感器信號(hào)采集處理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制以及控制算法軟件開發(fā)等，完成智能車工程制作及調(diào)試，于指定日期與地點(diǎn)參加各分賽區(qū)的場(chǎng)地比賽，在獲得決賽資格后，參加全國(guó)決賽區(qū)的場(chǎng)地比賽。參賽隊(duì)伍的名次（成績(jī)）由賽車現(xiàn)場(chǎng)成功完成賽道比賽時(shí)間為主，技術(shù)報(bào)告、制作工程質(zhì)量評(píng)分為輔來(lái)決定。各分賽區(qū)預(yù)賽以及全國(guó)總決賽間，在實(shí)際可操作性基礎(chǔ)上力求公正與公平參與?！帮w思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽是教育部為了加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，委托教育部高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦每年一度的全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽。全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽與全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模、電子設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等四大競(jìng)賽一起被列為教育部主辦的全國(guó)大學(xué)生五大競(jìng)賽之一。該大賽綜合性很強(qiáng)，以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感、電子、電器、計(jì)算機(jī)和機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)意性比賽，對(duì)進(jìn)一步深化高等工程教育改革據(jù)有重要意義，對(duì)學(xué)生的知識(shí)融合和動(dòng)手能力的培養(yǎng)，對(duì)高等學(xué)?？刂萍捌囯娮訉W(xué)科學(xué)術(shù)水平的提高，具有良好的推動(dòng)作用。智能汽車競(jìng)賽所使用的車模是一款帶有差速器的后輪驅(qū)動(dòng)模型賽車，有大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供。參賽隊(duì)伍通過設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的自動(dòng)控制器控制模型車在封閉的跑道上自主循線運(yùn)行。在保證模型車運(yùn)行穩(wěn)定即不沖出跑道的前提下，跑完一圈的時(shí)間越小，成績(jī)?cè)胶谩４筚惙譃楣怆娕c攝像頭兩個(gè)賽題組，如果車模利用道路圖像信息進(jìn)行路徑檢測(cè)方法屬于攝像頭賽題組，除此之外則屬于光電賽題組。圖1.2第四屆“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽比賽賽道1、光電賽題組圖1.3光電賽題組車模參加光電賽題組中不允許傳感器獲取道路圖像信息進(jìn)行路徑檢測(cè)?！帮w思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車邀請(qǐng)賽的賽題是控制比賽小車，使其按要求用盡可能短的時(shí)間完成比賽賽道，比賽允許選手自行設(shè)計(jì)傳感器和控制電路，并編寫控制程序，禁止改動(dòng)舵機(jī)和輪胎等小車結(jié)構(gòu)。針對(duì)這種要求，從控制系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，按照設(shè)計(jì)跟隨系統(tǒng)的思路設(shè)計(jì)車模的控制策略；從幾何關(guān)系上講，為了實(shí)現(xiàn)車模的尋線運(yùn)動(dòng)，控制器應(yīng)當(dāng)控制前輪轉(zhuǎn)向，滿足在車模運(yùn)動(dòng)中車身相對(duì)于線的位置偏差和車身縱向相對(duì)于線的夾角為0的控制目標(biāo)。根據(jù)以上思路，尋線跟隨系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)有2個(gè)輸入——位置偏差和角度偏差，1個(gè)輸出——舵機(jī)轉(zhuǎn)角，考慮了速度的因素后，系統(tǒng)便成為一個(gè)3輸入2輸出的復(fù)雜系統(tǒng)。在光電賽題組的方案中，位置偏差和角度偏差由光偶傳感器檢測(cè)得到，舵機(jī)轉(zhuǎn)角由PWM信號(hào)控制。由于通常傳感器檢測(cè)得到的量是離散量，動(dòng)作控制也只能針對(duì)離散量進(jìn)行控制，并且根據(jù)單片機(jī)的處理能力，使用數(shù)字PID作為基本的控制器，但這只適用于低速情況，高速情況下過于離散的控制將造成系統(tǒng)控制緩慢、滯后，階躍變化較大，甚至無(wú)法達(dá)到控制目標(biāo)。由于這種原因，將小車速度提升之后，對(duì)小車進(jìn)行連續(xù)控制是十分必要的，實(shí)際結(jié)果證明，傳感器檢測(cè)模擬量進(jìn)行連續(xù)位置和角度的PID控制可以使小車具有很好的穩(wěn)定性和跟隨特性。光電賽題組一般電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、信息檢測(cè)頻率高，但檢測(cè)范圍、精度有限且能耗較大。2、攝像頭賽題組圖1.4攝像頭賽題組車模參加攝像頭賽題組可以使用光電管作為輔助檢測(cè)手段。選擇采用攝像頭作為尋線傳感器。一方面，攝像頭所能檢測(cè)的賽道信息遠(yuǎn)多于光電傳感器構(gòu)成陣列所能檢測(cè)的信息，有利于區(qū)分各種道路類型；另一方面，攝像頭檢測(cè)范圍調(diào)整靈活，可以提供足夠遠(yuǎn)的預(yù)判距離（通常1m左右，光電賽題組前瞻通常為20～30cm）。實(shí)際上，通過“超頻”和提高代碼效率，并選擇合適的圖像處理算法，使用比賽規(guī)定的單片機(jī)完全可以對(duì)低線數(shù)黑白攝像頭的視頻信號(hào)進(jìn)行采樣和處理，有效識(shí)別出導(dǎo)引線的位置和相關(guān)幾何信息[4,5]。攝像頭賽題組獲取的賽道信息豐富，但電路設(shè)計(jì)和軟件處理較復(fù)雜，且信息更新速度較慢1.3本文的概況及結(jié)構(gòu)安排本畢業(yè)設(shè)計(jì)共七章，以光電組智能車為實(shí)際研究對(duì)象，以隨動(dòng)系統(tǒng)為理論研究對(duì)象，以前饋控制技術(shù)、PID控制技術(shù)以及分程控制技術(shù)等作為研究工具，對(duì)智能車的控制方法進(jìn)行了研究。本文的主要內(nèi)容如下：第1章闡述了本文的研究背景及研究意義，與智能車循跡控制相關(guān)的主要控制方法及所要解決的問題，給出本文的研究?jī)?nèi)容。同時(shí)介紹了智能車的國(guó)外競(jìng)賽進(jìn)展，以及國(guó)內(nèi)智能車競(jìng)賽的情況，指明研究環(huán)境。第2章為智能車系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)，主要包括智能車系統(tǒng)模板設(shè)計(jì)的基本要求、循跡方案選擇和車模參數(shù)；第3章為為智能車的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，介紹了電源管理模塊、傳感器分布模塊、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制模塊和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等；第4章研究智能車模型的機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整，并介紹了本設(shè)計(jì)中智能車模型在機(jī)械方面的改造；第5章為智能車軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括小車的開發(fā)環(huán)境，軟件設(shè)計(jì)的整體流程，各個(gè)模塊初始化，以及控制策略的實(shí)現(xiàn)等；第6章為智能車系統(tǒng)調(diào)試的總結(jié)，歸納出設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)的光電智能車自身的問題與不足，對(duì)后續(xù)的研究進(jìn)行了展望。第7章為結(jié)束語(yǔ)并致謝。2智能車方案設(shè)計(jì)2.1智能車設(shè)計(jì)的基本要求比賽跑道表面為白色，中心用連續(xù)黑線作為引導(dǎo)線，黑線寬2.5cm。比賽規(guī)則先頂了賽道的寬度和拐彎最小半徑等參數(shù)，賽道具體形狀在比賽當(dāng)天現(xiàn)場(chǎng)公布。車模自主識(shí)別引導(dǎo)線并控制模型車沿著賽道運(yùn)行。在保證模型車運(yùn)行穩(wěn)定既不沖出跑道的前提下，跑完一圈的時(shí)間越小，成績(jī)?cè)胶?。在?yán)格遵守規(guī)則中對(duì)于電路限制條件，保證智能車可靠運(yùn)行的前提下，電路設(shè)計(jì)盡量簡(jiǎn)潔緊湊，以減輕系統(tǒng)負(fù)載，提高智能車的靈活性，同上應(yīng)堅(jiān)持充分發(fā)揮創(chuàng)新原則，以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單功能完美為出發(fā)點(diǎn)，并以穩(wěn)定性為首要前提，實(shí)現(xiàn)智能車快速運(yùn)行。2.2智能車的雙排傳感器循跡策略方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)以循跡策略為主要研究對(duì)象，以采用雙排傳感器的智能車為例，輔以做了優(yōu)化的直線、大彎、S彎等不同道路情況的循跡策略。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，此策略緊密結(jié)合雙排紅外的特點(diǎn)，發(fā)揮出了雙排的優(yōu)勢(shì)，使智能車實(shí)現(xiàn)了以穩(wěn)定為先，并追求極限速度的要求，適應(yīng)能力強(qiáng)，能在各種賽道上均有出色發(fā)揮。2.2.1雙排傳感器的優(yōu)勢(shì)目前，大多數(shù)光電智能車采用單排傳感器的道路檢測(cè)方式，這種方式獲得的道路信息少，對(duì)智能車的狀態(tài)和道路的狀況都不能很好地區(qū)別，造成控制上的麻煩。為了彌補(bǔ)不足，形成了大功率大前瞻的單排傳感器的道路檢測(cè)方式，這種方式檢測(cè)的距離更遠(yuǎn)，能夠更早地判斷出道路的走向，在一定程度上彌補(bǔ)了檢測(cè)精度低的缺點(diǎn)，但也無(wú)法有效地區(qū)分智能車狀態(tài)與道路狀況[6]。比賽的車模可選用攝像頭或傳感器的方式進(jìn)行道路信息檢測(cè)，我們的車模采用的是雙排紅外的循跡方式，采用大前瞻雙排傳感器可以得到更多的賽道信息，更早地采取策略處理，形成更好的行車軌跡。是采用復(fù)雜的攝像頭方案的一種替代方式?？梢栽谥钡乐袑?shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，加速順暢的能力；在S彎中以小曲線的方式前進(jìn)，減少行進(jìn)路線和舵機(jī)調(diào)整次數(shù)。在大彎中實(shí)現(xiàn)提前轉(zhuǎn)彎，切內(nèi)彎的效果。尤其是在轉(zhuǎn)彎方面，通過前后排共同對(duì)彎道的預(yù)測(cè)，達(dá)到延伸物理識(shí)別距離的能力，從而做出提前的動(dòng)作，減少由于檢測(cè)距離近而帶來(lái)的負(fù)面影響，達(dá)到上述效果。2.2.2傳感器陣列布局圖2.1中僅以接受管示意傳感器位置。

圖2.1傳感器陣列布局布局方式說明：

前排傳感器伸出距離較遠(yuǎn)，小車中心偏離黑線后，會(huì)在前排傳感器上產(chǎn)生較大偏移量。

后排傳感器伸出距離較近，小車中心偏離黑線后，會(huì)在后排傳感器上產(chǎn)生較小偏移量。

利用前后排傳感器對(duì)小車偏移時(shí)不同的敏感度對(duì)小車進(jìn)行控制。

為了使前后排體現(xiàn)出更明確的分工和采集到更遠(yuǎn)處的信息，我們把前排傳感器傾斜約50°角，使前排的前瞻距離更大（28cm），更能體現(xiàn)出前排的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。2.2.3直道識(shí)別方式控制策略1直道識(shí)別方式(1)采用此種方式布局雙排紅外，對(duì)于直道的判別方法可有以下5種物理方式，每種方式應(yīng)用的時(shí)機(jī)列在表后。第一種直道情況(圖2.2)

圖2.2第一種直道情況在左轉(zhuǎn)大彎后，出彎時(shí)最可能出現(xiàn)的前后排傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)的組合情況。適用于左轉(zhuǎn)90°彎、180°彎。提前得到出彎信息，舵機(jī)向左轉(zhuǎn)動(dòng)較小角度，并在此時(shí)采取加速動(dòng)作，起到彌補(bǔ)前瞻不足的作用。此情況在賽道的s彎出現(xiàn)時(shí)，不滿足直道的第二種識(shí)別方式，故不會(huì)加速。第二種直道情況(圖2.3)

圖2.3第二種直道情況此情況是對(duì)第一種情況的再確認(rèn)，左轉(zhuǎn)大彎并經(jīng)過第一種情況后，再經(jīng)歷此種情況，可確認(rèn)無(wú)誤前方為直道，繼續(xù)提升小車的加速能力?？刂瞥绦蛴蓮澋莱绦蚯袚Q到直線穩(wěn)定程序。第三種直道情況(圖2.4)

圖2.4第三種直道情況此時(shí)采取直線穩(wěn)定控制。由于前兩種情況已經(jīng)明確識(shí)別為直道，此種情況只是增加直道識(shí)別的成功率。第四種直道情況(圖2.5)圖2.5第四種直道情況與第二種情況類似，對(duì)第五種情況的再確認(rèn)，右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)大彎并經(jīng)過第五種情況后，再經(jīng)歷此種情況，可確認(rèn)無(wú)誤前方為直道，繼續(xù)提升小車的加速能力?？刂瞥绦蛴蓮澋莱绦蚯袚Q到直線穩(wěn)定程序。第五種直道情況(圖2.6)圖2.6第五種直道情況在右轉(zhuǎn)大彎后，出彎時(shí)最可能出現(xiàn)的前后排傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)的組合情況。適用于右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)90°彎、180°彎。提前得到出彎信息，舵機(jī)向右轉(zhuǎn)動(dòng)較小角度，并在此時(shí)采取加速動(dòng)作，起到彌補(bǔ)前瞻不足的作用。在賽道的s彎出現(xiàn)時(shí)，不滿足直道的第二種識(shí)別方式，故不會(huì)加速。

(2)直道識(shí)別，程序輔助確認(rèn)進(jìn)入彎道后，隨著小車的行進(jìn)，會(huì)發(fā)生振蕩，致使出彎時(shí)不一定滿足上述5種情況。為了提高直道的識(shí)別成功率，增加第二種直道判別方法。兩者同時(shí)起作用，滿足第一種后經(jīng)過最多15ms確認(rèn)是直道。程序是循環(huán)執(zhí)行，我們的程序執(zhí)行頻率是2KHz。采用定時(shí)中斷(15ms)的方式，對(duì)前排中間3個(gè)傳感器(編號(hào)為3、4、5)使用3個(gè)計(jì)數(shù)器分別計(jì)數(shù)，每次執(zhí)行程序若是其中一個(gè)檢測(cè)到黑線，相對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器加1。經(jīng)過計(jì)算，15ms內(nèi)所能計(jì)數(shù)的最大值為31。我們?cè)O(shè)定計(jì)數(shù)的最大值，若在15ms內(nèi)達(dá)到所要求的計(jì)數(shù)值，就認(rèn)為是直道，切換直道程序并將計(jì)數(shù)器清零；若15ms內(nèi)沒有達(dá)到所要求的計(jì)數(shù)值，計(jì)數(shù)器清零，重新計(jì)數(shù)。例如小車為2m/s的速度，小車行進(jìn)3cm。我們只要判斷2~2.5cm內(nèi)為直道即可。所以設(shè)最大計(jì)數(shù)值為20~25即認(rèn)為是直道，跳出彎道程序。當(dāng)然也可以采用更嚴(yán)格的方法來(lái)判斷，只需調(diào)整定時(shí)中斷的時(shí)間和計(jì)數(shù)值即可。此條件在進(jìn)入直道后總能滿足，所以作為第一種直道判別方式的補(bǔ)充，保證直道的穩(wěn)定可靠識(shí)別[7]。2.2.4直線穩(wěn)定控制策略小車出彎后，由于舵機(jī)的反應(yīng)不靈敏，智能車會(huì)發(fā)生振蕩，隨后才能達(dá)到穩(wěn)定，為了盡早減小振蕩，采用如下方式控制小車出彎后的動(dòng)作：在彎道策略中設(shè)置標(biāo)志位，進(jìn)入直線程序后，識(shí)別標(biāo)志位，對(duì)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向的公式采取修正設(shè)置。公式為：q=K1q1+K2q2；其中q為最終送給舵機(jī)的控制量，q1為前排光電傳感器的返回轉(zhuǎn)角值，q2為后排紅外返回轉(zhuǎn)角值。K1、K2分別為前后排傳感器的加權(quán)比例值。通常情況下K1、K2為定值1，需要時(shí)則改變賦值。當(dāng)小車從彎道進(jìn)入直道并成功識(shí)別出直道后，減小K1的值，由于后排傳感器距離小車的前輪(轉(zhuǎn)向輪)很近，小車中心偏離黑線時(shí)，不會(huì)在后排傳感器橫向位置產(chǎn)生很大位移(相對(duì)于前排傳感器)，故小車在直線上舵機(jī)調(diào)整的次數(shù)就會(huì)明顯減少，直線的穩(wěn)定性會(huì)好。同時(shí)，根據(jù)前后排不同傳感器的組合，給出不同的轉(zhuǎn)角策略(在程序中以列表的方式體現(xiàn))，近一步提高直線的穩(wěn)定控制能力。2.2.5彎道控制策略PID算法在上述直道控制中效果很好，控制簡(jiǎn)單，在起跑加速時(shí)可設(shè)置前饋控制器，先全力加速到一個(gè)速度值，在加上PID調(diào)節(jié)，形成一個(gè)類似于分段的控制，即可較快地達(dá)到規(guī)定的速度。但實(shí)驗(yàn)證明，雙排光電控制時(shí)單純用PID算法，智能車在大S彎上會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)，降低車速，造成智能車在通過此類彎道時(shí)間的大大延長(zhǎng)。為此，想出了5種解決方法：（1）延長(zhǎng)控制周期：這樣，智能車舵機(jī)的反映靈敏度降低，減少了在大S彎上會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)的次數(shù)，缺點(diǎn)是延長(zhǎng)控制周期，造成軟件對(duì)車體控制延時(shí)的加長(zhǎng)，最明顯的劣勢(shì)在于長(zhǎng)直道加速后轉(zhuǎn)大彎反應(yīng)不及時(shí)，沖出賽道，為了不沖出賽道，只有降低直道最大速度，間接影響了智能車的速度性。（2）改變PID參數(shù)：改變PID參數(shù)可以減小舵機(jī)在轉(zhuǎn)彎時(shí)控制的PWM信號(hào)，即讓車體轉(zhuǎn)向變小，縮小了在大S彎上出現(xiàn)抖動(dòng)的幅度，缺點(diǎn)是改變PID參數(shù)在縮小了在大S彎上出現(xiàn)抖動(dòng)的幅度的同時(shí)，也縮小了智能車在于長(zhǎng)直道加速后轉(zhuǎn)大彎時(shí)的轉(zhuǎn)向幅度，使車體在相同速度下，不能轉(zhuǎn)過以往可轉(zhuǎn)過的大彎，最后導(dǎo)致滑出賽道或直接沖出賽道，也影響了智能車的比賽性能。（3）做賽道標(biāo)志位，對(duì)小S彎，大S彎，90°彎，180°彎，環(huán)彎進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分類設(shè)成標(biāo)志位，此后智能車運(yùn)行時(shí)不斷記錄最近采集的5組數(shù)據(jù)，分析其符合那種彎道，進(jìn)而加以控制。實(shí)驗(yàn)后知其缺點(diǎn)為標(biāo)志位識(shí)別易出錯(cuò)誤，可行性不高，這主要是因?yàn)殡p排光電傳感器的前瞻不足（僅28cm），采集到的賽道信息也不像攝像頭那樣多，可以作出準(zhǔn)確的識(shí)別。（4）利用速度傳感器返回的實(shí)際速度值，做標(biāo)志位，變舵機(jī)PID參數(shù)對(duì)彎道進(jìn)行分段控制：在軟件中設(shè)一系列速度值，按智能車運(yùn)行速度予以分段，在低速區(qū)（大S彎的情況多為低速），控制量給中等值，因車速不高，較小的控制量在控制周期相對(duì)多時(shí)可很好的調(diào)節(jié)車體，穩(wěn)定過彎；在中速區(qū)（主要針對(duì)小S彎）?？刂屏拷o小，可在一定程度上實(shí)現(xiàn)S彎直線跑，節(jié)省時(shí)間，在大S彎之所以不這樣跑，是由于雙排光電的前瞻小和采集信息不足的緣故；在高速區(qū)（通常只在長(zhǎng)直道車體加速后方速度值可達(dá)到此區(qū)域），控制量給大，防止高速時(shí)，轉(zhuǎn)90°彎，180°彎不及時(shí)而沖出跑道。實(shí)驗(yàn)中，效果很好，但后發(fā)現(xiàn)當(dāng)賽道結(jié)構(gòu)（直道，各類彎道的不同組合）未考慮周全時(shí)，在兩速度區(qū)銜接處會(huì)出現(xiàn)失控，例如直道直接接大S彎的賽道處，車體進(jìn)入大S彎，而其速度尚未減下來(lái)，即在高速區(qū)，控制量給大，不能完成在大S彎上的正確控制，車體擺動(dòng)2-3次后方可正常行進(jìn)（此時(shí)是由于車速隨擺動(dòng)降低，符合低速區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，控制量給的正確）。（5）在（4）的基礎(chǔ)上做類似（3）的標(biāo)志位處理后以實(shí)驗(yàn)法確定給定參數(shù)值（主要是不同情況下改變舵機(jī)的控制量q大小與Kp值大?。涸谠O(shè)計(jì)期間，曾試著在軟件對(duì)速度區(qū)間做細(xì)分，由原先的低、中、高三段改進(jìn)為5段、7段、9段，進(jìn)行控制，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨著細(xì)分段數(shù)的增加，可以減少減弱區(qū)間銜接處的車體擺動(dòng)，但不能完全解決問題，而且算法執(zhí)行時(shí)間受到一定影響。繼而做標(biāo)志位，并以實(shí)驗(yàn)法確定給定參數(shù)值后，智能車可充分發(fā)揮其雙排可識(shí)別前方賽道的優(yōu)勢(shì)，識(shí)別后再進(jìn)行速度分段控制，使車體在彎道上的控制得到了保證，控制效果比較滿意。2.2.6實(shí)測(cè)結(jié)果和現(xiàn)象分析下圖為我們使用上述算法前后小車行進(jìn)的實(shí)際軌跡。圖2.7兩種算法小車行進(jìn)的實(shí)際軌跡對(duì)比圖2.7是使用實(shí)驗(yàn)法確定給定參數(shù)值前后小車在賽道上的實(shí)際軌跡,其中的紅線是賽車行駛軌跡注：這張圖的繪制方法是這樣的，先通過串口把誤差值和速度通過無(wú)線串口發(fā)到上位機(jī)，然后通過在計(jì)算機(jī)上描點(diǎn)畫出小車實(shí)際的軌跡，有偏差但是與實(shí)際情況非常近似?？梢苑浅Ｃ黠@的看到使用實(shí)驗(yàn)法確定給定參數(shù)值之后，小車雖然也有偏出賽道的情況存在，但是比用Kp參數(shù)恒定的算法情況就好多了。這主要是因?yàn)樵趶澋郎螷p參數(shù)變大的緣故。Kp變大時(shí)，一旦檢測(cè)到偏差，系統(tǒng)就能更快的恢復(fù)到平衡位置。從表中可以看到小車偏差的方差實(shí)際減小了，因而小車走的實(shí)際距離也減小了，自然跑完賽道的時(shí)間也減小了。2.3車模參數(shù)此次比賽選用的賽車車模采用1/10的仿真車模。賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)只使用競(jìng)賽提供車模的底盤部分及轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)部分?？刂撇捎们拜嗈D(zhuǎn)向，后輪驅(qū)動(dòng)方案。具體車模數(shù)據(jù)如下：表2.1改造前車?；境叽鐓?shù)基本參數(shù)尺寸軸距197前輪距124后輪距136車輪直徑5車長(zhǎng)316mm車寬172m傳動(dòng)比18/76如圖2.8所示：其中虛線部分為輪胎，A點(diǎn)為右輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸點(diǎn)，同理，對(duì)應(yīng)左側(cè)相應(yīng)位置。圖2.8模型車尺寸改造后車模主要參數(shù)如下：表2.2改造后車模基本尺寸參數(shù)基本參數(shù)尺寸車模長(zhǎng)（cm）39車模寬（cm）20車模高（cm）20探出距離（cm）15傳感器個(gè)數(shù)共15個(gè)（14個(gè)用于道路信息采集，1個(gè)用于速度檢測(cè)）車模重量（kg）1.6增加電機(jī)個(gè)數(shù)0賽道檢測(cè)頻率（次/S）20表2.3車模部件基本作用及軟件端口使用車模部件作用軟件端口使用驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度控制PWM5,6舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制PWM01紅外管傳感器道路信息采集ATD0~13測(cè)速傳感器檢測(cè)光電脈沖PT23硬件設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)我們自行設(shè)計(jì)制作了單片機(jī)的硬件電路，同時(shí)集成了外圍接口驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)試電路等，形成功能完備，體積小的控制電路。下面就硬件設(shè)計(jì)各個(gè)模塊做詳細(xì)介紹。3.1智能車整體結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)采用飛思卡爾MC9S12DG128B單片機(jī)為檢測(cè)和控制核心；以紅外傳感器為路徑檢測(cè)傳感器，自動(dòng)檢測(cè)賽道上的黑線；并根據(jù)采集到的黑線信息，通過軟件對(duì)小車進(jìn)行轉(zhuǎn)向和速度的控制，再通過速度反饋和小車的位置，實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)節(jié)智能車的行進(jìn)狀態(tài)，整體結(jié)構(gòu)框圖如下：L298L298N電機(jī)LM1117舵機(jī)6VMOSFET驅(qū)動(dòng)路徑識(shí)別模塊7.2V電源LM2940速度檢測(cè)模塊MC9S12DG128LM2940顯示模塊PWM信號(hào)PWM信號(hào)PWM信號(hào)信號(hào)信號(hào)5V5V5V5V5V圖3.1硬件結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由S12控制核心、電源管理模塊，路徑識(shí)別模塊、車速檢測(cè)模塊、顯示模塊、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制模塊和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。3.2mc9sdg128b的最小系統(tǒng)及接口設(shè)計(jì)單片機(jī)的最小系統(tǒng)及功能如下：①時(shí)鐘電路給單片機(jī)提供一個(gè)外接的16MHz的石英晶振；②串口的RS-232驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)TTL電平RS-232電平的轉(zhuǎn)換；③BDM口讓用戶可以通過BDM調(diào)試工具向單片機(jī)下載和調(diào)試程序；④供電電路主要是由單片機(jī)提供+5V電源；⑤復(fù)位電路是通過一個(gè)復(fù)位按鍵給單片機(jī)一個(gè)復(fù)位信號(hào)，調(diào)試過程中非常有用；⑥調(diào)式按鍵和單片機(jī)的PORTA口相連，調(diào)試小燈和PORTB口相連，供程序調(diào)試使用[8]。MC9S12MC9S12單片機(jī)控制核心路徑識(shí)別模塊測(cè)速模塊直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊車速信號(hào)舵機(jī)控制信號(hào)后輪驅(qū)動(dòng)PWM方波信號(hào)BDM模塊圖3.2單片機(jī)接口框圖3.3電源管理及分布電源模塊為系統(tǒng)其他各個(gè)模塊提供所需要的電源。設(shè)計(jì)中除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還有在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲、防止干擾和電路簡(jiǎn)單等方面進(jìn)行優(yōu)化。全部硬件電路的電源由7.2V、2A/h的可充電你個(gè)蓄電池提供。由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此電源模塊應(yīng)該包含多個(gè)穩(wěn)壓電路，將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊所需要的電壓。5V電壓。主要為單片機(jī)、紅外管以及部分接口電路提供電源，電壓要求穩(wěn)定、噪聲小，電流容量大于500mA。6V電壓。主要是為舵機(jī)提供工作電壓。實(shí)際工作室，舵機(jī)所需要的工作電流一般在幾十毫安左右，電壓無(wú)需十分穩(wěn)定。7.2V電壓。這部分直接取自電池兩端電壓，主要為后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊提供電源。7.2V、7.2V、2A/h充電電池7.2VLM29405VTPS73505V電機(jī)紅外發(fā)射接收管單片機(jī)7.2V或6V舵機(jī)圖3.3電源管理示意圖3.4光電傳感器布局3.4.1賽道識(shí)別傳感器模塊相對(duì)于單排的光電管，雙排的可以獲取道路的中心位置，同時(shí)還可以得到方向信息，本系統(tǒng)采用雙排分布來(lái)進(jìn)行道路信息采集。紅外管的供電電壓為5V,由LM2940供電，供電電路如下圖：圖3.4賽道識(shí)別傳感器模塊供電電路由于紅外發(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：選擇發(fā)射與接收方向性好的紅外傳感器；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；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(dòng)的措施效果較好。使相鄰的紅外發(fā)射/接收管交替工作。這種方法不僅減小了相鄰紅外傳感器之間的干擾，同時(shí)也降低了整體傳感器的功耗。本系統(tǒng)采用雙排結(jié)構(gòu)，上面一排采用發(fā)射與接收方向性好的紅外傳感器，并且在接收管安裝熱縮管，減小相互之間的干擾。對(duì)下面一排的紅外傳感器采用TCRT5000即發(fā)射與接收一體化的紅外傳感器。實(shí)驗(yàn)得到較好的效果。3.4.2測(cè)速模塊本智能車在調(diào)試最后階段將光電編碼盤改裝至左后輪，采用大直徑編碼盤，目的是提高測(cè)速精度，便于對(duì)車模速度的精確控制。小車后輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)光碼盤旋轉(zhuǎn)，當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)射出的紅外光遇到法蘭盤的齒的時(shí)候，紅外光被遮擋，至紅外接收管接收不到發(fā)射管發(fā)射的紅外光，光電開關(guān)處于斷開狀態(tài)；而當(dāng)紅外光遇到間隙的時(shí)候，接收管便可接受到紅外光線，紅外光線處于導(dǎo)通狀態(tài)。這樣，紅外接受管輸出間隔的高低電平。將此信號(hào)再通過CD40106進(jìn)行整形，送入單片機(jī)中，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)車速的檢測(cè)。測(cè)速盤安裝如圖3.5，選用的對(duì)射管型號(hào)是IRT8105，發(fā)射端需要串接120Ω的限流電阻，接收端需要串聯(lián)10KΩ下拉電阻，在試驗(yàn)中有時(shí)因?yàn)檗D(zhuǎn)速過快出現(xiàn)檢測(cè)不出脈沖信號(hào)的情況，通過增大發(fā)射端的限流電阻可以解決這種問題。圖3.5測(cè)速模塊實(shí)物安裝圖3.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊模型車在啟動(dòng)過程中往往會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，一方面會(huì)對(duì)其他電路產(chǎn)生電磁干擾；另一方面由于電池內(nèi)阻造成電池兩端的電壓下降，甚至?xí)陀诜€(wěn)壓電路所需要的最低電壓值，產(chǎn)生單片機(jī)復(fù)位現(xiàn)象。為了客服啟動(dòng)沖擊電流的影響可以再電源中增加電容值較大的電解電容，在啟動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓有一個(gè)漸變的過程，使得電機(jī)啟動(dòng)速度略為降低從而減小啟動(dòng)沖擊電流的幅度。電機(jī)型號(hào)為RS-380，工作電壓7.2V空載電流0.5A，轉(zhuǎn)速16200r/min，在工作電流為3.3A，轉(zhuǎn)速為14060r/min時(shí)，工作效率最大。圖3.6智能車電機(jī)實(shí)物圖MOSFET管的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度快,通路電阻低和電壓門信號(hào)低,適合于大電流和低電壓運(yùn)行。當(dāng)加上一個(gè)足夠的門信號(hào)電壓時(shí),功率MOSFET的通路電阻小于常規(guī)二極管;而在沒有門信號(hào)電壓的情況下,它具有常規(guī)二極管的反向特性電阻R1～R4用于控制MOS門的升降時(shí)間,也有利于避免門電壓的振蕩,門電壓的振蕩通常是與門電容處的連接線的平行電感所引起的。R27、R31、R32、R33的值通常為10～100Ω。電容C50用于存儲(chǔ)能量并對(duì)通過電橋的電壓進(jìn)行濾波。在電壓上升和下降期間,為了保證系統(tǒng)的可靠性,可在兩個(gè)低端MOS管的門極各接一個(gè)下拉電阻以確保電橋保持關(guān)斷。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由信號(hào)輸入電路、TD340和H橋電路組成。其中TD340用于構(gòu)成PWM發(fā)生器,功率放大電路是由4個(gè)MOSFET管組成的H橋電路。圖3.7電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖3.6舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊舵機(jī)本身是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)和控制電路組成。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(hào)，因此對(duì)于它的控制可以使用開環(huán)控制。在負(fù)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。舵機(jī)接口一般采用三線連接方法，黑線為地線，紅線為電源線，另外一根為控制信號(hào)線?？刂菩盘?hào)是周期在20ms左右的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的寬度決定舵機(jī)輸出舵盤的角度。舵機(jī)供電電壓為6V，也可以由電池電壓直接供電。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由電池直接供電舵機(jī)響應(yīng)速度較快，本系統(tǒng)采用電池直接供電（7.2V-8.35V均可）。圖3.8智能車舵機(jī)實(shí)物圖本設(shè)計(jì)所采用的舵機(jī)型號(hào)：FutabaS3010。圖3.9舵機(jī)轉(zhuǎn)角與PWM輸出占空比關(guān)系圖3.7撥碼開關(guān)模塊由于比賽時(shí)不知道賽道狀況，如果賽道狀況過于復(fù)雜，不利于小車高速運(yùn)行的話，就要適當(dāng)降低小車的速度或者改變小車的一些調(diào)試參數(shù)，這個(gè)時(shí)候就需要利用撥碼開關(guān)，給小車設(shè)定幾個(gè)運(yùn)行狀態(tài)，或者開關(guān)在軟件預(yù)置的一些功能，以根據(jù)實(shí)際情況讓小車走出最理想的狀態(tài)。圖3.10撥碼開關(guān)模塊電路圖在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，小車不同行駛速度下，要使小車沿著既定的賽道前進(jìn)，舵機(jī)的PD參數(shù)需要進(jìn)行一定的調(diào)整，我們測(cè)知，隨著小車速度的提高，KP值不斷增大，會(huì)提高舵機(jī)的響應(yīng)速度，從而讓小車在最短的時(shí)間內(nèi)調(diào)整車身，讓小車沿著黑線行駛；同時(shí)，為了減小系統(tǒng)的超調(diào)量，加入KD系數(shù)，在動(dòng)態(tài)響應(yīng)不變的前提下，使小車盡可能的不沖出賽道。4機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整模型車的機(jī)械結(jié)構(gòu)是整個(gè)智能車系統(tǒng)的基礎(chǔ)。對(duì)模型車的機(jī)械調(diào)整完善是提高智能車速度的一個(gè)關(guān)鍵因素。鑒于這個(gè)原因，我們小組在車輛機(jī)械方面的改進(jìn)做了很多的工作，從傳感器安裝布置、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)、重心位置的調(diào)整、后輪差速定位到制動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)都進(jìn)行了大膽的嘗試和改進(jìn)。這些工作大大提高了車的可靠性和適應(yīng)性，為后來(lái)調(diào)試模型車打下了基礎(chǔ)。4.1一些重要參數(shù)對(duì)賽車的影響（1）路徑識(shí)別傳感器的固定本設(shè)計(jì)路徑識(shí)別傳感器采用紅外反射式傳感器，雙排一字型排列，前排7傳感器，后排5傳感器，制作好的路徑識(shí)別傳感器PCB板為長(zhǎng)度為25cm的長(zhǎng)方形板，簡(jiǎn)單輕便。在安裝此PCB板時(shí)，考慮到如果此電路板安裝不穩(wěn)定，在模型車運(yùn)行的過程中，電路板會(huì)發(fā)生上下振動(dòng)，或在轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生左右晃動(dòng)，會(huì)大大降低路徑識(shí)別的準(zhǔn)確性。所以，我們購(gòu)買到硬度較好的鋁合金，采用其帶有拐角的部分做支架，并經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，在使勁搖晃小車的情況下，路徑識(shí)別電路板也不會(huì)發(fā)生松動(dòng)及位置上的改變，防震性滿足要求。路徑識(shí)別電路板安裝在模型車的正前方，考慮到安裝位置與方法決定檢測(cè)道路范圍，我們通過試驗(yàn)，得到紅外傳感器相對(duì)地面的高度為7cm、相對(duì)地面的角度大約為50°的時(shí)候，其檢測(cè)前瞻距離可以滿足模型車的控制要求，并且在此情況下，得到紅外傳感器檢測(cè)到黑線與白線時(shí)的電壓值區(qū)分明顯，有利于小車的軟件控制。同時(shí)，在滿足大賽要求，并且模型車的重心前移不影響小車運(yùn)行的整體效果的前提下，我們?cè)龃笮≤嚨奶匠鼍嚯x到28cm，大大加大了檢測(cè)前瞻距離。（2）舵機(jī)力臂調(diào)整舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度有時(shí)間延時(shí)，時(shí)間延時(shí)正比于旋轉(zhuǎn)過的角度，反比于舵機(jī)的響應(yīng)速度。通過控制策略分析可知，舵機(jī)的響應(yīng)速度直接影響模型車通過轉(zhuǎn)彎通道時(shí)的最高速度，提高舵機(jī)的響應(yīng)速度是提高模型車平均速度的一個(gè)關(guān)鍵。提高舵機(jī)響應(yīng)速度有二個(gè)方法，一是提高舵機(jī)的工作電壓；二是在機(jī)械上進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)杠桿原理，我們采用立式固定，將舵機(jī)的輸出動(dòng)力臂適當(dāng)加長(zhǎng)，將轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿連接在加長(zhǎng)的輸出盤的末端。這樣就可以在舵機(jī)輸出較小的轉(zhuǎn)角下，取得最大的前輪轉(zhuǎn)角，提高了舵機(jī)的響應(yīng)速度，即加大了小車的整體速度。（3）重心的控制在模型車的控制方面，如果重心靠近后軸，對(duì)模型車的動(dòng)力性能有益，后輪抓地力增加，增大轉(zhuǎn)向靈敏度，但會(huì)減少轉(zhuǎn)向；如果重心靠近前軸，則對(duì)模型車的制動(dòng)性和操縱穩(wěn)定性有益，會(huì)增加轉(zhuǎn)向，但會(huì)降低轉(zhuǎn)向靈敏度，并且降低了后輪的抓地力?？紤]到模型車頻繁轉(zhuǎn)向，動(dòng)力性能并不高，所以我們?cè)诓辉黾榆囍氐那疤嵯拢ㄟ^電路板設(shè)計(jì)安裝來(lái)使模型車的重心適當(dāng)前移。（4）后輪的調(diào)整后輪是模型車的驅(qū)動(dòng)輪，對(duì)車模性能起著重要作用。我們對(duì)后輪的差速及輪距進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：差速較緊時(shí)，模型車直道不易擺動(dòng)，行駛平穩(wěn)，但轉(zhuǎn)彎不夠靈活；差速較松時(shí)，模型車轉(zhuǎn)彎靈活，但直道易擺動(dòng)。我們通過安裝零件是后輪距比未安裝時(shí)加大了4mm，采用大后輪距，減小了行駛中的側(cè)滑。（5）傳感器間隔各個(gè)傳感器的布局間隔對(duì)智能車行車是有一定的影響的。根據(jù)比賽的賽道規(guī)則，中間黑色導(dǎo)引線的寬度為25mm，因此如果要求傳感器問不出現(xiàn)同時(shí)感應(yīng)現(xiàn)象(即每次采集只出現(xiàn)一個(gè)傳感器值為1)，那么傳感器間隔就必須大于25mm。如果將間隔設(shè)計(jì)成小于25mm，從而產(chǎn)生更多的情況，有利于車與賽道偏移距離的判斷。此外，如果間隔過大，還會(huì)出現(xiàn)另一種情況，即在間隔之問出現(xiàn)空白。對(duì)于防飛車能力，我們可以用最大限制速度來(lái)衡量。20mm間隔的最大限制速度存3m／s，40mm間隔的最大限制速度則為3．3m／s。經(jīng)過分析后，我們認(rèn)為這是由T傳感器間隔人造成車的橫向控制范圍較大(40mm的車控制在±13mm內(nèi)，而20mm的則在±7mm內(nèi))，因此它不易造成迷失。4.2車模底盤參數(shù)調(diào)整轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)對(duì)于汽車而言，要保持車輛直線行駛的穩(wěn)定性，使之轉(zhuǎn)彎自動(dòng)回正、轉(zhuǎn)向輕便，必須確定車輪定位參數(shù)，包括主銷后傾、主銷內(nèi)傾、前輪外傾和前輪前束。（1）主銷后傾角主銷后傾角在車輪偏轉(zhuǎn)后形成一回正力矩，阻礙車輪偏轉(zhuǎn)。主銷后傾角越大，車速愈高，車輪偏轉(zhuǎn)后自動(dòng)回正力越強(qiáng)，但回正力矩過大，將會(huì)引起前輪回正過猛，加速前輪擺振，并使轉(zhuǎn)向沉重。通常后傾角為1°-3°圖4.1主銷后傾角示意圖（2）主銷內(nèi)傾角在汽車前后方向上，主銷向內(nèi)傾斜一個(gè)角度，主銷軸線與垂線間的夾角稱為主銷內(nèi)傾角。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向輪在外力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，由于主銷內(nèi)傾，則車輪連同整個(gè)汽車的前部將被抬起一定高度，在外力消失后，車輪就會(huì)在重力作用下力圖恢復(fù)到原來(lái)的中間位置。通常主銷內(nèi)傾角不大于8°圖4.2主銷內(nèi)傾角示意圖（3）前輪外傾角在汽車的橫向平面內(nèi)，前輪中心平面向外傾斜一個(gè)角度，稱為前輪外傾角。前輪外傾角一方面可以使車輪接近垂直路面滾動(dòng)而滑動(dòng)減小轉(zhuǎn)向阻力，使汽車轉(zhuǎn)向輕便；另一方面減少了軸承及其鎖緊螺母的載荷，增加了使用壽命，提高了安全性。一般前輪外傾角為1°左右，但對(duì)于有高速、急轉(zhuǎn)向要求的車輛，前輪外傾角可減小甚至為負(fù)值。（4）前輪前束俯視車輪，汽車的兩個(gè)前輪的旋轉(zhuǎn)平面并不完全平行，而是稍微帶一些角度，這種現(xiàn)象稱為前輪前束。車輪前束的作用是減輕或消除因前輪外傾角所造成的不良后果，二者相互協(xié)調(diào)，保證前輪在汽車行駛中滾動(dòng)而無(wú)滑動(dòng)。前輪前束一般為0-12mm。而現(xiàn)代汽車的前輪外傾角出現(xiàn)減小甚至為負(fù)值的趨勢(shì)，前輪前束也應(yīng)相應(yīng)減小甚至也為負(fù)值[9]。圖4.3前輪外傾角及前輪前束示意圖4.3重心位置對(duì)汽車性能的影響汽車重心的位置通常用重心距前軸中心線的水平距離和重心距水平路面的高度來(lái)表示?？赏ㄟ^實(shí)驗(yàn)法、估算法測(cè)出重心位置。（1）對(duì)動(dòng)力性能的影響汽車正常行駛必須滿足驅(qū)動(dòng)－附著條件：即汽車的驅(qū)動(dòng)力必須大于等于坡度阻力、滾動(dòng)阻力、空氣阻力之和而等于汽車驅(qū)動(dòng)輪的附著力。附著力與路面附著系數(shù)和驅(qū)動(dòng)軸的軸荷有關(guān)，而驅(qū)動(dòng)軸的軸荷取決于重心的水平位置，故重心位置必須保證驅(qū)動(dòng)輪能夠提供足夠的附著力。僅從此方面考慮，重心越靠近驅(qū)動(dòng)軸越好。（2）對(duì)制動(dòng)性能的影響汽車制動(dòng)性要求制動(dòng)減速度大、制動(dòng)距離短，有良好的制動(dòng)方向穩(wěn)定性，即不易發(fā)生前輪喪失轉(zhuǎn)向、后輪側(cè)滑和跑偏現(xiàn)象。制動(dòng)方向的穩(wěn)定性與前后輪的抱死次序有關(guān)，而抱死次序則與重心位置有關(guān)，若重心位置保證汽車的同步附著系數(shù)（β為前制動(dòng)力占整車制動(dòng)器制動(dòng)力比例，ｂ為重心到后軸水平距離）等于汽車常用路面附著系數(shù)，那制動(dòng)穩(wěn)定性即較好；若重心前移，ｂ增大，易發(fā)生后軸側(cè)滑，對(duì)高速汽車危險(xiǎn)性大；若重心后移，ｂ減小，前輪易喪失轉(zhuǎn)向能力。（3）對(duì)通過性的影響汽車在較陡?jìng)?cè)坡行駛或高速急轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，會(huì)發(fā)生側(cè)向傾覆，為避免這種危險(xiǎn)，重心應(yīng)在保證最小離地間隙的前提下盡量降低。綜合上面分析，在加裝諸多電路板后應(yīng)盡可能保證模型車的重心垂直位置盡量的低，水平位置應(yīng)在車中線上靠近后軸。4.4汽車側(cè)滑的處理為保證汽車轉(zhuǎn)向車輪無(wú)橫向滑移的直線滾動(dòng)，要求車輪外傾角和車輪前束有適當(dāng)配合，當(dāng)車輪前束值與車輪外傾角匹配不當(dāng)時(shí)，車輪就可能在直線行駛過程中不作純滾動(dòng)，產(chǎn)生側(cè)向滑移現(xiàn)象。這種滑移現(xiàn)象過于嚴(yán)重時(shí)，將破壞車輪的附著條件，使汽車喪失定向行駛能力。側(cè)滑分為以下幾種情況。定向側(cè)滑，隨機(jī)側(cè)滑，轉(zhuǎn)向側(cè)滑，制動(dòng)側(cè)滑。汽車在制動(dòng)過程中若前輪先抱死拖滑，則將可能發(fā)生側(cè)滑。可以采取一些補(bǔ)償措施減小側(cè)滑。對(duì)于定向側(cè)滑，用前輪前束產(chǎn)生的Q類側(cè)滑來(lái)補(bǔ)償外傾產(chǎn)生的此類側(cè)滑是基本手段。Q類側(cè)滑的性質(zhì)為：側(cè)滑大小等于前束角大??；側(cè)滑方向與前束角方向相反，與車輛行駛方向有關(guān)；與路面質(zhì)量無(wú)關(guān)。對(duì)于隨機(jī)側(cè)滑，主要是從改變獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)入手，如本車模的雙橫臂式獨(dú)立懸架車橋車輪的隨機(jī)側(cè)滑可用四連桿機(jī)構(gòu)綜合理論改變上下橫臂的長(zhǎng)度，使模型行駛過程中輪距變化不大，從而減小隨機(jī)側(cè)滑。對(duì)于轉(zhuǎn)向側(cè)滑，主要靠選擇合適的主銷角度，合理搭配主銷內(nèi)傾與后傾角，盡可能使轉(zhuǎn)向內(nèi)輪產(chǎn)生外傾或增加外傾，使轉(zhuǎn)向外輪產(chǎn)生內(nèi)傾或減小外傾[10]。4.5底盤離地間隙在獨(dú)立懸架下擺臂與底板之間可以通過增減墊片來(lái)調(diào)整底盤前半部分的離地間隙，墊片有1mm和2mm兩種規(guī)格。一片墊片不加，車前部離地間隙為9mm，故離地間隙的調(diào)整范圍為9mm-12mm。從已有的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，在加裝了傳感器之后，此距離過小，會(huì)降低模型車爬坡時(shí)的通過度；過大，則會(huì)影響傳感器的靈敏度。4.6齒輪傳動(dòng)間距調(diào)整車模后輪采用RS-380SH-4045電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由競(jìng)賽主辦方提供。電機(jī)軸與后輪軸之間的傳動(dòng)比為9：38（電機(jī)軸齒輪齒數(shù)為18，后輪軸傳動(dòng)輪齒數(shù)為76）齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)車模的驅(qū)動(dòng)能力有很大的影響。齒輪傳動(dòng)部分安裝位置的不恰當(dāng)，會(huì)大大增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪的負(fù)載，從而影響到最終成績(jī)。調(diào)整的原則是：兩傳動(dòng)齒輪軸保持平行,齒輪間的配合間隙要合適，過松容易打壞齒輪，過緊又會(huì)增加傳動(dòng)阻力，白白浪費(fèi)動(dòng)力;傳動(dòng)部分要輕松、順暢，容易轉(zhuǎn)動(dòng)，不能有卡住或遲滯現(xiàn)象.判斷齒輪傳動(dòng)是否調(diào)整好的一個(gè)依據(jù)是,聽一下電機(jī)帶動(dòng)后輪空轉(zhuǎn)時(shí)的聲音。聲音刺耳響亮，說明齒輪間的配合間隙過大，傳動(dòng)中有撞齒現(xiàn)象；聲音悶而且有遲滯，則說明齒輪間的配合間隙過小，或者兩齒輪軸不平行，電機(jī)負(fù)載加大。調(diào)整好的齒輪傳動(dòng)噪音小，并且不會(huì)有碰撞類的雜音。4.7后輪差速機(jī)構(gòu)調(diào)整差速機(jī)構(gòu)的作用是在車模轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，降低后輪與地面之間的滑動(dòng)；并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會(huì)損害到電機(jī)。當(dāng)車輛在正常的過彎行進(jìn)中(假設(shè)：無(wú)轉(zhuǎn)向不足亦無(wú)轉(zhuǎn)向過度)，此時(shí)4個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速(輪速)皆不相同，依序?yàn)椋和鈧?cè)前輪＞外側(cè)后輪＞內(nèi)側(cè)前輪＞內(nèi)側(cè)后輪。此次所使用車模配備的是后輪差速機(jī)構(gòu)。差速器的特性是：阻力越大的一側(cè)，驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速越低；而阻力越小的一側(cè)，驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速越高?以此次使用的后輪差速器為例，在過彎時(shí)，因外側(cè)前輪輪胎所遇的阻力較小，輪速便較高；而內(nèi)側(cè)前輪輪胎所遇的阻力較大，輪速便較低。差速器的調(diào)整中要注意滾珠輪盤間的間隙，過松過緊都會(huì)使差速器性能降低，轉(zhuǎn)彎時(shí)阻力小的車輪會(huì)打滑，從而影響車模的過彎性能。好的差速機(jī)構(gòu)，在電機(jī)不轉(zhuǎn)的情況下，右輪向前轉(zhuǎn)過的角度與左輪向后轉(zhuǎn)過的角度之間誤差很小，不會(huì)有遲滯或者過轉(zhuǎn)動(dòng)情況發(fā)生。5智能車軟件開發(fā)環(huán)境及軟件設(shè)計(jì)5.1智能車軟件開發(fā)環(huán)境5.1.1軟件調(diào)試軟件CodeWarrior在制作過程中，運(yùn)行的編譯環(huán)境為CodeWarrior4.7。CodeWarrior4.7是Metrowerks公司一套比較著名的集成開發(fā)環(huán)境，具有直觀，易用的優(yōu)點(diǎn)。CodeWarrior4.7包括項(xiàng)目管理，代碼生成，語(yǔ)法敏感編輯器等，具有快速下載，單步調(diào)控的特點(diǎn)，同時(shí)可以融合C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的混合編程。CodeWarrior4.7具有在線調(diào)試，單步運(yùn)行程序的功能，同時(shí)能夠觀察到主程序中定義的所有的變量的值。這一功能在進(jìn)行程序錯(cuò)誤檢查和改正時(shí)起到了至關(guān)重要的作用。下圖即為CodeWarrior4.7的編程界面：圖5.1CodeWarrior4.7編程界面如圖5.1所示，利用BDM和CodeWarrior4.7的調(diào)試界面，可以進(jìn)行一系列的調(diào)試工作，如黑白線的電壓值，路徑采集狀態(tài)，各個(gè)寄存器值，程序調(diào)試的變量值，能夠很好的傳感器的狀態(tài)，小車舵機(jī)和電機(jī)的當(dāng)前值等，給調(diào)試提供了極大的方便。圖5.2調(diào)試界面圖5.3調(diào)試的變量5.1.2無(wú)線調(diào)試模塊在系統(tǒng)調(diào)試初期，雖然利用CodeWarrior4.7的調(diào)試界面，可以觀察小車的運(yùn)行狀態(tài)，但是我們發(fā)現(xiàn)，CodeWarrior4.7的調(diào)試環(huán)境只能觀察一些當(dāng)前值，不能實(shí)時(shí)的調(diào)試觀察，例如小車的速度值，所以利用了串口線把小車的一些狀態(tài)值發(fā)送到PC機(jī)上進(jìn)行觀察，但是由于串口線的距離有限，最后使用了無(wú)線串口調(diào)試，這樣的話，即使在小車的行駛過程中，也可以觀察小車的運(yùn)行狀態(tài)。5.2軟件設(shè)計(jì)主程序開始各個(gè)模塊初始化開中斷實(shí)時(shí)中斷捕捉中斷主程序開始各個(gè)模塊初始化開中斷實(shí)時(shí)中斷捕捉中斷采集道路信息采集速度舵機(jī)控制電機(jī)控制YYNN圖5.4主程序流程圖5.2.1初始化模塊（1）時(shí)鐘初始化單片機(jī)的晶振是16MHz，MC9S12DG128在時(shí)鐘初始化后可以通過鎖相環(huán)將系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘提高到48MHz，這里就用到了一些寄存器中的某些位，倍頻公式如下：其中，OSCCLK_VALUE——系統(tǒng)的外部晶振；REFDV_VALUE——系統(tǒng)時(shí)鐘分頻系數(shù)，在初始化中，它的值為3；SYNR_VALUE——倍頻系數(shù)，它的值為3。而SYNR=SYNR_VALUE，REFDV=REFDV_VALUE，SYNR、REFDV就是寄存器中的對(duì)應(yīng)位。voidCLK_init(void){ //鎖相環(huán)24MSYNR=2;REFDV=1; //PLL=2*OSC*(SYNR+1)/(REFDV+1)while(!(CRGFLG&0x08)){}//等待鎖相環(huán)穩(wěn)定CLKSEL=CLKSEL_PLLSEL_MASK; //設(shè)置鎖相環(huán)為內(nèi)部時(shí)鐘}[11]（2）串口初始化可以看到，不論8位、16位還是32位單片機(jī)的最小系統(tǒng)都是通過異步串行口與人溝通的。使用串行通信接口SCI(SerialCommunicationInterface)通信是計(jì)算機(jī)與人對(duì)話最傳統(tǒng)、最基本的方法，異步通信接口也成為通用異步接受器/發(fā)送器UART(UniversalAsynchronousReceiver/Tansmitter)。為了便于調(diào)試，本系統(tǒng)利用串口通信接口SCI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。串口部分程序主要是初始化各寄存器，其中包括設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)格式、接受發(fā)送功能使能、設(shè)置接受模式等。串口初始化函數(shù)：SCI_Init(ucharBUS_CLK,unsignedlongBR)，它有兩個(gè)輸入變量，其中BUS_CLK是系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率,BR為波特率。通過此函數(shù)可直接設(shè)置串口的時(shí)鐘頻率、波特率。（3）AD初始化AD的初始化主要是設(shè)置一些相關(guān)的寄存器位，以ATD0為例，相應(yīng)的初始化如下。ATD0CTL2寄存器的ADPU置1，因?yàn)锳DPU是AD的電源開關(guān)，置1打開電源；把AFFC置1，這樣可使ADC上電，快速清零,無(wú)等待模式,禁止外部觸發(fā),禁止中斷；ATD0CTL3的S1C置1，表示每個(gè)序列1次轉(zhuǎn)換,NoFIFO,Freeze模式下繼續(xù)轉(zhuǎn)換；ATD0CTL4的SRES8置1，這樣可實(shí)現(xiàn)8位精度,因?yàn)锳TDClock=[BusClock*0.5]/[PRS+1]，其中BusClock=24MHz，PRS=1,所以分頻系數(shù)為4，即AD時(shí)鐘為6MHz；最后執(zhí)行ATD0DIEN=0x00，實(shí)現(xiàn)禁止數(shù)字輸入。voidAD_Init(void) //AD初始化{ATD0CTL2=0xC0;//控制寄存器2：上電，標(biāo)志位快速清零，關(guān)中斷ATD0CTL3=0x7C;//控制寄存器3：轉(zhuǎn)換序列長(zhǎng)度為8，F(xiàn)IFO模式 ATD0CTL4=0x83;//控制寄存器4：8位轉(zhuǎn)換精度，8分頻 ATD0CTL5=0xB0;//控制寄存器5：從0通道開始的多道連續(xù)無(wú)符號(hào)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果右對(duì)齊方式 ATD0DIEN=0x00;//禁止數(shù)字輸入緩沖ATD1CTL2=0xC0;//控制寄存器2：上電，標(biāo)志位快速清零，關(guān)中斷；ATD1CTL3=0x7C;//控制寄存器3：轉(zhuǎn)換序列長(zhǎng)度為8，F(xiàn)IFO模式 ATD1CTL4=0x83;//控制寄存器4：8位轉(zhuǎn)換精度，8分頻 ATD1CTL5=0xB0;//控制寄存器5：從0通道開始的多道連續(xù)無(wú)符號(hào)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果右對(duì)齊方式ATD1DIEN=0x00；//禁止數(shù)字輸出[12]（4）PWM初始化PWM(PulseWidthModulation)即脈寬調(diào)制，脈寬調(diào)制波是一種可用程序來(lái)控制波形占空比、周期、相位的波形。它在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、D/A變換等場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用。對(duì)于控制電機(jī)的PWM信號(hào)的頻率應(yīng)小于10KHZ 。還有一個(gè)PWM信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)路徑識(shí)別傳感器，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了14對(duì)光電傳感器用于路徑識(shí)別，同時(shí)，為了提高檢測(cè)前瞻距離，需要加大紅外發(fā)射功率使得返回的紅外線的強(qiáng)度提高，來(lái)抑制外界環(huán)境光線的干擾。這樣，不僅使得電池電能的消耗量增加，同時(shí)也會(huì)縮短紅外發(fā)射管的壽命，甚至?xí)龤Ъt外發(fā)射管。為了解決這個(gè)問題，本設(shè)計(jì)采用了脈沖發(fā)射/接收的方法。具體來(lái)說，由于紅外接收管響應(yīng)速度快，而道路檢測(cè)周期一般為十幾毫秒，相比之下，紅外接收管對(duì)于道路反射光的響應(yīng)時(shí)間以及單片機(jī)通過A/D端口讀取該信號(hào)的十幾都很短，一般在幾十微妙。因此，在一個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)大部分時(shí)間，紅外發(fā)射管不需要工作，只要在檢測(cè)瞬間發(fā)射紅外線即可。用PWM信號(hào)周期信號(hào)驅(qū)動(dòng)大功率MOSFET管，這樣紅外發(fā)射管工作在周期窄脈沖方式下，大大降低了平均工作電流，從而降低了整個(gè)發(fā)射電路的電量消耗。圖5.6是PWM初始化程序流程圖開始開始允許PWM通道選擇PWM時(shí)鐘選擇極性、脈寬對(duì)齊方式選擇周期、脈寬結(jié)束圖5.5PWM初始化流程圖具體程序如下：voidpwminitial(void){PWMCTL_CON01=1;//PWM01合并16btPWMPRCLK=0x20;//A=24M/1=24M,B=24/4=6MPWMSCLA=12;//SA=A/2/12=1MPWMSCLB=150;//SB=B/2/150=20KHzPWMCLK=0x3E;//PWM0,1-SA;PWM4,5-SA,PWM2,3-SB;PWMPOL=0xff;//位極性＝1Duty＝HighTimePWMCAE=0x00;//對(duì)齊方式－左對(duì)齊PWMPER01=20000;PWMDTY01=1430;PWMPER4=100;//Frequency=SA/300=10KHzPWMPER5=100;//Frequency=SA/300=10KHzPWMDTY4=0;PWMDTY5=0;PWME=0x32;//舵機(jī)使能}5.2.2智能車系統(tǒng)的控制策略的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)為保證小車一直沿著黑色引導(dǎo)線快速行駛，系統(tǒng)主要的控制對(duì)象是小車的轉(zhuǎn)向和車速。即應(yīng)使小車在直道上以最快的速度行駛。在進(jìn)入彎道的時(shí)刻盡快減速，且角度的轉(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(jìn)入直道時(shí)，小車的舵機(jī)要轉(zhuǎn)向至中間，速度應(yīng)該立即得到提升，直至以最大的速度行進(jìn)。為實(shí)現(xiàn)上述控制思想，我們采用不同的控制方法來(lái)控制不同情況下小車的轉(zhuǎn)角和速度，具體設(shè)計(jì)思路在前面已講明。系統(tǒng)控制策略流程圖如圖5.7所示：采集當(dāng)前路徑狀態(tài)，采集當(dāng)前速度采集當(dāng)前路徑狀態(tài)，采集當(dāng)前速度根據(jù)不同情況處理當(dāng)前速度對(duì)舵機(jī)和電機(jī)采取相應(yīng)的控制控制小車圖5.6系統(tǒng)控制策略圖（1）道路信息采集策略道路信息采集我們采用了實(shí)時(shí)中斷采集的方式，中斷時(shí)間為5ms,即5ms采集一次賽道信息。兩排光電傳感器的信號(hào)線為PORTP口的2、3口。圖5.4為一次采集信息的流程圖：開始開始實(shí)時(shí)中斷開中斷YNPTP-PTP2=1PTP-PTP3=1點(diǎn)亮發(fā)光管等待采集轉(zhuǎn)換結(jié)束PTP-PTP2=1PTP-PTP3=1熄滅發(fā)光管結(jié)束中斷服務(wù)程序圖5.7采集程序流程圖（2）處理當(dāng)前數(shù)據(jù)前排數(shù)據(jù)處理流程：當(dāng)前AD轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)與MAX[2][7]數(shù)組比較，得出DetNum-F當(dāng)前AD轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)與MAX[2][7]數(shù)組比較，得出DetNum-FDetNum-F=0或者DetNum-F>3？Y使用上次值DetNum-F=3？NYN使用中間值使用本組值當(dāng)前有效信息保存為上一次的值，以供下一次使用圖5.8前排數(shù)據(jù)處理流程圖后排數(shù)據(jù)處理同前排。（3）方向控制策略根據(jù)前后兩排光電傳感器采集回來(lái)的道路信息，進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和計(jì)算。前后兩排分別計(jì)算此時(shí)的黑線的偏差。通過大量實(shí)驗(yàn)得出公式Deviation=4*Dev[0]-Dev[1](Deviation——兩排總偏差Dev[0]——前排偏差Dev[1]——后排偏差)通過計(jì)算從而得到車子的總偏差。當(dāng)車子處于不同位置的時(shí)候Deviation不同，舵機(jī)的PWM模塊就給不同的值，使舵機(jī)擺動(dòng)不同的角度。因?yàn)槲覀儾捎玫氖请p排傳感器，所以可以近似計(jì)算當(dāng)前賽道的斜率，使舵機(jī)的輸入量與輸出量保持近似線性的關(guān)系，使控制更加準(zhǔn)確。我們對(duì)舵機(jī)的控制采用分段比例控制。即：if(Deviation>-100&&Deviation<100)Angled=AngleMid-3*Deviation/10;elseif(Deviation>=100&&Deviation<200)AngleTmp=AngleMid-8*Deviation/10+50;elseif(Deviation<=-100&&Deviation>-200)AngleTmp=AngleMid-8*Deviation/10-50;elseif(Deviation>=200)AngleTmp=AngleMid-10*Deviation/10+90;elseif(Deviation<=-200)AngleTmp=AngleMid-10*Deviation/10-90;控制舵機(jī)的原則是：小車處于直道等小偏差賽道時(shí)，給舵機(jī)的控制量小，使在直道不抖動(dòng)。小車處于彎道的曲率越大，則將舵機(jī)的轉(zhuǎn)角擺的越大。除此之外，小車還會(huì)遇到黑色交叉線的特殊情況，對(duì)此，本系統(tǒng)將保持原有的小車方向與速度，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(gè)光電管檢測(cè)到黑線，這時(shí)本系統(tǒng)將會(huì)把舵機(jī)轉(zhuǎn)至最大角，讓小車急轉(zhuǎn)駛回黑線，同時(shí)，將速度降至最低，防止小車沖出軌跡。5.2.3PID參數(shù)的整合PID（ProportionalIntegralDifferential）控制是比例、積分、微分控制的簡(jiǎn)稱。在自動(dòng)控制領(lǐng)域中，PID控制是歷史最久、實(shí)用性最強(qiáng)的基本控制方式。PID控制器的原理是根據(jù)系統(tǒng)的被調(diào)量實(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間的偏差，利用偏差的比例、積分、微分桑環(huán)節(jié)的不同組合計(jì)算出對(duì)廣義被控對(duì)象的控制量。下圖是常規(guī)PID控制系統(tǒng)的原理框圖。比例比例積分微分廣義被控對(duì)象r(t)-+e(t)u(t)（（（9（（y(t)+++圖5.9常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理圖e(t)代表理想輸入與實(shí)際輸出的誤差，這個(gè)誤差信號(hào)被送到控制器，控制器計(jì)算出誤差信號(hào)的積分值和微分值，并將它們與原誤差信號(hào)進(jìn)行線性組合，得到輸出量u(t)[13.14]。式（5.1）其中，其中，，分別稱為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。u接著被送到了執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這樣就獲得了新的輸出信號(hào)Y。這個(gè)新的輸出信號(hào)被再次送到感應(yīng)器以發(fā)現(xiàn)新的誤差信號(hào)，這個(gè)過程就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行。運(yùn)用PID控制的關(guān)鍵是調(diào)整三個(gè)比例系數(shù)，即參數(shù)整定。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。一般來(lái)說，增大比例系數(shù)能夠減小上升時(shí)間,并減小穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除。增大積分系數(shù)能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，但會(huì)使瞬時(shí)響應(yīng)變差。增大微分系數(shù)能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，減小超調(diào)，并且改善瞬時(shí)響應(yīng)。以上簡(jiǎn)要介紹了PID算法的原理和特性，實(shí)際過程中，由于傳感器是按一定間隔周期獲取位置信息的，因此必須將連續(xù)PID控制離散化，這樣得到的就是數(shù)字PID算法。式（5.2）當(dāng)智能車在直道行走的時(shí)候，可以給最高速度；當(dāng)智能車在彎道出直道時(shí)，速度相對(duì)高速；當(dāng)智能車直道入彎的時(shí)候，速度突然減下來(lái)；當(dāng)智能車在彎道時(shí)，相對(duì)低速。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，數(shù)字PID控制算法通常又分為位置式PID和增量式PID。我們采用的是位置式PID。增量式與位置式算法是有差別的，增量式是計(jì)算機(jī)的積累功能，又硬件或者被控對(duì)象完成。而我們的小車的硬件沒有這樣的功能，所以我們選用位置式，而且位置式在實(shí)踐中，也能很好的PID跟隨性，符合小車要求的速度調(diào)節(jié)[15]。比