第八屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽PAGE2PAGEIX第八屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽技術(shù)報(bào)告 學(xué)校：長(zhǎng)春理工大學(xué)隊(duì)伍名稱：雷霆隊(duì)參賽隊(duì)員：韓邦強(qiáng)劉軒饒楊海帶隊(duì)教師：王頔馮濤第八屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解第八屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽有關(guān)保留、使用技術(shù)報(bào)告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會(huì)和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁上收錄并公開參賽作品的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會(huì)出版論文集中。參賽隊(duì)員簽名：帶隊(duì)教師簽名：日期：目錄TOC\o"1-3"\h\u引言 2第一章緒論 31.1智能車競(jìng)賽背景 31.2智能車比賽意義 31.3本文的主要內(nèi)容及安排 4第二章設(shè)計(jì)原理 5第三章整體方案設(shè)計(jì) 63.1系統(tǒng)總體方案的選定 63.2設(shè)計(jì)構(gòu)思 7第四章智能車硬件部分 104.1路徑檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì) 104.2速度檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì) 114.2.1速度檢測(cè)傳感器選擇與安裝 114.3平衡傳感器設(shè)計(jì) 144.4MCU控制模塊 154.5驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 174.6電源模塊設(shè)計(jì) 18第五章智能車軟件部分 205.1智能車控制系統(tǒng)總體方案 205.2整體程序流程圖 205.3路徑識(shí)別模塊軟件設(shè)計(jì) 215.4轉(zhuǎn)向控制策略細(xì)述 225.5智能車電機(jī)控制算法 22第六章系統(tǒng)調(diào)試 256.1開發(fā)工具及系統(tǒng)調(diào)試 256.2在線調(diào)試 26第七章賽車主要技術(shù)參數(shù) 27第八章總結(jié) 28參考文獻(xiàn) 29附錄A部分源程序代碼 30引言該智能尋跡小車以MK60N512MD100單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，輔以電源模塊、傳感器模塊、電機(jī)控制模塊、速度控制模塊和運(yùn)行調(diào)試模塊。以往的光電小車通過光電對(duì)管傳感器采集賽道信息，存在道路識(shí)別困難，提取的道路分辨率低，光電對(duì)管安裝困難等諸多問題?，F(xiàn)在使用的線陣CCD傳感器，很好的解決了光電對(duì)管存在的問題。單片機(jī)通過線陣CCD采集賽道信息，經(jīng)過圖像處理后，通過轉(zhuǎn)向控制策略與PID算法驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)路徑的檢測(cè)與識(shí)別。同時(shí)通過調(diào)整小車的重心、使小車的穩(wěn)定性與行進(jìn)速度達(dá)到最優(yōu)。系統(tǒng)屬于以能量轉(zhuǎn)換為主，由直流電機(jī)輸入能量與電機(jī)，通過小車不同的運(yùn)動(dòng)輸出能量，是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。這份技術(shù)報(bào)告中，我們小組通過對(duì)整體方案、硬件電路、軟件算法、機(jī)械結(jié)構(gòu)、調(diào)試參數(shù)等方面進(jìn)行介紹，詳盡地闡述了我們的思想和創(chuàng)意，具體表現(xiàn)了我們?cè)陔娐返膭?chuàng)新設(shè)計(jì)，以及算法方面的獨(dú)特想法。這份報(bào)告凝聚著我們的心血和智慧，是我們共同努力后的成果。關(guān)鍵詞：智能汽車MK60N512MD100光電線陣CCD第一章緒論1.1智能車競(jìng)賽背景汽車作為現(xiàn)代的交通工具，為社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步做出了很大的貢獻(xiàn)?，F(xiàn)階段，汽車工業(yè)的發(fā)展水平和汽車的持有量已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)達(dá)程度的標(biāo)志。二十一世紀(jì)，汽車研究的主要方向是智能化汽車。專家們普遍認(rèn)為，新一輪汽車產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，將是基于信息技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能自動(dòng)化技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等的智能汽車的研究設(shè)計(jì)開發(fā)。大學(xué)生智能模型車競(jìng)賽是在飛思卡爾半導(dǎo)體公司資助下舉辦的以單片機(jī)為核心的大學(xué)生課外科技競(jìng)賽。大賽要求使用組委會(huì)統(tǒng)一提供的車模，采用飛思卡爾16位單片機(jī)MC9S12DG128作為核心控制單元，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，跑完整個(gè)賽道用時(shí)最短，而且技術(shù)報(bào)告評(píng)分較高的參賽隊(duì)就是獲勝者。2006年，我國(guó)舉辦了第一屆智能車競(jìng)賽。首屆比賽采用MC9S12DG128作為主控芯片，相比于MC9S12DP256有256K的程序存儲(chǔ)空間，MC9S12DG128只有128K程序存儲(chǔ)空間。賽車模型、舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)與韓國(guó)2005年漢陽大學(xué)比賽時(shí)幾乎相同。首屆智能車競(jìng)賽共有來自全國(guó)57所高校的112支參賽隊(duì)參加。隨著賽事的逐年開展，競(jìng)賽由原先前四屆比賽分為攝像頭組和光電組外，第五屆比賽新增了電磁組，擴(kuò)大創(chuàng)意組規(guī)模；賽道變窄，提高小車控制難度[1]。1.2智能車比賽意義全國(guó)智能車大賽也就是初步模擬了一個(gè)人駕駛汽車的思維和控制過程，智能車比賽就是要求參賽人員能夠去進(jìn)行這樣的研究，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，以實(shí)現(xiàn)讓車模能夠自動(dòng)尋跡并自動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)小車智能化。該競(jìng)賽綜合性很強(qiáng)，在提高參賽大學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的同時(shí)，也在一定程度上推動(dòng)了智能汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。1.3本文的主要內(nèi)容及安排本文首先介紹了研究背景、比賽規(guī)則和設(shè)計(jì)構(gòu)思。闡述了控制系統(tǒng)的資源配置、資源需求與分配和核心處理器的寄存器——MK60N512MD100單片機(jī)寄存器資源。相比于其它類型的單片機(jī)，32位的MK60N512MD100的功能更加強(qiáng)大，引腳較多，處理速度明顯加快，能夠很好地滿足智能車控制系統(tǒng)的需要。本文的第一部分為引言。第二部分簡(jiǎn)要介紹光電平衡小車的設(shè)計(jì)原理。第三部分是介紹了整體方案的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)要介紹了針對(duì)特定路線的控制思想和策略。第四部分是智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整，包括車體重心的調(diào)整、前輪定位的調(diào)整、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的調(diào)整、后輪差速機(jī)構(gòu)的調(diào)整。第五部分是智能車系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括路徑檢測(cè)傳感器的選用、速度檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)、MCU控制模塊的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)、電源模塊的設(shè)計(jì)、顯示模塊的設(shè)計(jì)。第六部分分析了軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括傳感器采集、歸一化和線性化擬合和整體路徑識(shí)別策略分析及控制算法的介紹。第七部分是對(duì)系統(tǒng)調(diào)試的介紹。第八部分是總結(jié)。第二章設(shè)計(jì)原理本系統(tǒng)以K60為控制芯片，通過線陣CCDTSL1401采集賽道情況，將其轉(zhuǎn)化為AD值，單片機(jī)采集CCD傳感器AD數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)為一幅圖像的其中一行，通過多次采集就可得到完整的圖像。由于賽道是黑白的，中間白色，兩邊兩條黑線，對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行一階微分，得到賽道黑白的分界線，然后從左到有依次找到正最大值和負(fù)最大值，此最大值就為左邊界和右邊界，因此就很容易的得到賽道的中線。將中線作為參考，看賽車偏離中線位置的大小來控制電機(jī)，電機(jī)左右差速就可以達(dá)到控制方向的目的。然后平衡部分是通過采集加速度傳感器和陀螺儀卡爾曼濾波得到的角度，找到車平衡時(shí)的零偏位置，檢測(cè)小車偏離平衡位置的角度大小差量來控制電機(jī)向前走向后走，來達(dá)到平衡。控制速度的時(shí)候也是通過間接的控制角度傾角來達(dá)到控制的目的。第三章整體方案設(shè)計(jì)本章簡(jiǎn)要地介紹了智能車系統(tǒng)總體方案的選定和總體設(shè)計(jì)思路，在后面的章節(jié)中將整個(gè)系統(tǒng)分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制模塊、控制算法三部分對(duì)智能車控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的介紹分析。3.1系統(tǒng)總體方案的選定智能小車的設(shè)計(jì)涉及了不同的領(lǐng)域，主要設(shè)計(jì)的領(lǐng)域有：機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)以及光學(xué)。其中機(jī)械電子是智能小車的基礎(chǔ)，光學(xué)是智能小車的關(guān)鍵，計(jì)算機(jī)是智能小車的核心。它們之間的關(guān)系如圖2.1所示。圖3.SEQ圖2.\*ARABIC1智能小車不同領(lǐng)域關(guān)系結(jié)構(gòu)圖智能小車又可以分成四個(gè)結(jié)構(gòu)，即感知系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)。圖3.SEQ圖2.\*ARABIC2智能小車結(jié)構(gòu)圖智能模型車的單片機(jī)通過傳感器采集路面信息，通過算法控制電機(jī)運(yùn)行，以達(dá)到尋跡的目的。系統(tǒng)屬于以能量轉(zhuǎn)換為主，輸入能量和信息，輸出不同形式能量的系統(tǒng)。其中由直流電機(jī)輸入能量，輸出的能量是小車的運(yùn)動(dòng)。3.2設(shè)計(jì)構(gòu)思制作智能車，需要參賽隊(duì)伍學(xué)習(xí)和應(yīng)用嵌入式軟件開發(fā)工具軟件和在線開發(fā)手段，以飛思卡爾32位單片機(jī)MK60N512MD100作為核心控制單元，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以及微控制器控制軟件的編程等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖2.2，圖中箭頭方向表示信號(hào)傳遞方向。陀螺儀加速傳感器陀螺儀加速傳感器光電編碼器線陣CCD傳感器陀螺儀直流電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)線陣CCD傳感器陀螺儀直流電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)MK60N512MD100 電源管理模塊電源管理模塊可充放電源可充放電源圖3.SEQ圖2.\*ARABIC3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖3.2.1系統(tǒng)核心為單片機(jī)最小系統(tǒng)，是數(shù)據(jù)采集和輸出控制的最重要的部分。單片機(jī)最小系統(tǒng)以MK60N512MD100單片機(jī)為核心，主要包括時(shí)鐘、旁路電容、電源接口、燒錄和調(diào)試接口、I/O接口等。通過豐富的I/O接口和內(nèi)部強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和系統(tǒng)控制。3.2.2電源模塊整個(gè)設(shè)計(jì)中，電源采用7.2V電壓、2000mAh電池容量、Ni-cd鎳鎘蓄電池作為系統(tǒng)能源。電源模塊是系統(tǒng)的能量來源，它分別向電機(jī)、傳感器模塊和單片機(jī)模塊提供獨(dú)立的電源，防止相互之間的電源干擾。3.2.3傳感器模塊包括平衡傳感器、路徑傳感器、速度傳感器。平衡傳感器以加速傳感器7361和陀螺儀ENC03組成，單片機(jī)通過對(duì)陀螺儀和加速傳感器的值進(jìn)行AD采集、融合，再把融合得到的角度反饋給電機(jī)，從而到達(dá)角度控制的目的。路徑傳感器采用線陣CCD，將CCD采集到的道路信息，通過圖像處理算法提取出邊界信息，通過相應(yīng)的控制策略，控制小車的速度和方向，是小車能夠沿著賽道的軌跡跑。速度檢測(cè)傳感器是電機(jī)閉環(huán)控制中的重要部分，在傳感器選型上，充分考慮了傳感器的精度、控制延時(shí)、體積和重量等方面。在滿足系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)為主要條件，選擇合適的速度檢測(cè)傳感器，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件電路。3.2.4電機(jī)控制模塊電機(jī)是模型車的動(dòng)力源。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接收速度控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)芯片采用由MOS管搭建的H橋作為驅(qū)動(dòng)，利用速度控制策略，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，以控制智能車前進(jìn)與后退。3.2.5速度測(cè)量模塊速度測(cè)量模塊包括無線串口模塊、LED顯示等，為模型車參數(shù)確定提供試驗(yàn)條件。速度檢測(cè)模塊通過光電編碼器實(shí)時(shí)測(cè)量智能車車速，用于系統(tǒng)車速的閉環(huán)控制，以精確控制車速。3.2.6運(yùn)行調(diào)試模塊運(yùn)行調(diào)試模塊采用MDKKeil4軟件集成運(yùn)行環(huán)境作為開發(fā)工具對(duì)飛思卡爾的MK60N512MD100微控制器進(jìn)行軟件開發(fā)。并且通過MDK的在線調(diào)試工具，對(duì)傳感器不同排布的特性進(jìn)行詳細(xì)的了解，并輔助制定控制策略。經(jīng)過多次試跑可以得到小車運(yùn)行參數(shù)，包括運(yùn)行速率、傳感器探測(cè)值、輸出轉(zhuǎn)向值、輸出速度值等，然后將運(yùn)行參數(shù)發(fā)送至電腦，在電腦上運(yùn)用labview作圖分析。第四章智能車硬件部分智能車系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)部分：中央處理器單元、路經(jīng)檢測(cè)單元、速度檢測(cè)單元、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、調(diào)試電路單元、電源單元等。4.1路徑檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)路徑檢測(cè)傳感器是針對(duì)于特種路線識(shí)別的傳感器，工業(yè)上應(yīng)用與自動(dòng)導(dǎo)引小車（AutomaticGuidedVehicles）的定線尋跡。光電車要檢測(cè)的賽道環(huán)境是由通過線陣CCD采集賽道的圖像信息完成的。我們采用的線陣CCD是官方指定的TSL1401線陣CCD，關(guān)于線陣CCD的安裝位置，我們做了一些實(shí)驗(yàn)：若CCD位置安裝的比較高時(shí)，CCD的視野比較遠(yuǎn)，但是智能車的重心較高，智能車跑起來穩(wěn)定性差，尤其在轉(zhuǎn)彎處容易側(cè)翻。若CCD安裝位置較低時(shí)，雖然智能車穩(wěn)定性明顯提高了，但是CCD的視野太短，不利于后期智能車的提速。最終我們采取了折中的做飯，將CCD直接固定在智能車的頂端，智能車的穩(wěn)定性明顯提高，視野也滿足我們目前的要求。圖4.SEQ圖4.\*ARABIC1CCD位置安裝圖圖4.2整機(jī)的效果圖4.2速度檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)在智能車競(jìng)速系統(tǒng)中，速度控制是至關(guān)重要的一個(gè)步驟，無論是直道加速還是彎道減速，都涉及到對(duì)電機(jī)速度的檢測(cè)，而對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)則有多種方法。4.2.1速度檢測(cè)傳感器選擇與安裝速度傳感器常見的有以下三種方案：方案一：霍爾傳感器?；魻栭_關(guān)集成電路中的信號(hào)放大器將霍爾元件產(chǎn)生的幅值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的霍爾電壓經(jīng)過信號(hào)變換器整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號(hào)。方案二：光電編碼盤。在后輪齒輪傳動(dòng)上粘貼一個(gè)黑白相間的光碼盤，通過固定在附近的反射式紅外傳感器讀取光碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖。方案三：測(cè)速發(fā)電機(jī)。輸出電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成比例的微特電機(jī)。改變旋轉(zhuǎn)方向時(shí)輸出電動(dòng)勢(shì)的極性即相應(yīng)改變。在被測(cè)機(jī)構(gòu)與測(cè)速發(fā)電機(jī)同軸聯(lián)接時(shí)，只要檢測(cè)出輸出電動(dòng)勢(shì)，就能獲得被測(cè)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速。通過比較以上三種，我們測(cè)速裝置采用一個(gè)小型的光電編碼器。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)傳動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)速裝置就產(chǎn)生一系列脈沖，把這一系列的高低電平送到cd4520口，單片機(jī)的直接在規(guī)定時(shí)間內(nèi)讀取cd4520數(shù)據(jù)，可以計(jì)數(shù)出相應(yīng)的速度值。編碼器示波器輸出波形如圖5.4，安裝方式如圖4.5。圖4.3編碼器示波器輸出波形圖4.4編碼器結(jié)構(gòu)圖4.2.2速度檢測(cè)傳感器電路設(shè)計(jì)測(cè)速傳感器通過與主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的嚙合得到當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后通過內(nèi)置的光電編碼盤輸出占空比可調(diào)的TTL電平。圖4.5中的三端精密可調(diào)電阻用于控制輸出信號(hào)中的占空比，在調(diào)出最滿意的波形信號(hào)之后電路的輸出端就能輸出TTL電平，然后通過MCU的計(jì)數(shù)器直接計(jì)算累加的脈沖數(shù)量（單位時(shí)間內(nèi)累計(jì)的脈沖數(shù)量與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比）。圖4.5速度檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)4.3平衡傳感器設(shè)計(jì)4.3.1加速傳感器4.3.2陀螺儀4.4MCU控制模塊控制模塊主體是單片機(jī)MK60N512MD100最小系統(tǒng)，主要包括時(shí)鐘、旁路電容、電源接口、燒錄和調(diào)試接口、I/O接口等。S12XS產(chǎn)品滿足了用戶對(duì)設(shè)計(jì)靈活性和平臺(tái)兼容性的需求，并在一系列汽車平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了硬件和軟件可重用性。圖4.6MK60N512MD100核心控制板實(shí)物圖4.4.1MCU控制模塊電路設(shè)計(jì)MCU最小系統(tǒng)包括其5V電源輸入電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、RS232電平轉(zhuǎn)換電路、BDM調(diào)試電路等。MCU內(nèi)部最高總線速度為40MHz本設(shè)計(jì)在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)設(shè)計(jì)了外圍電路，包括傳感器采集電路、驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)試電路、電源電路、顯示電路等。圖4.73.3V電源無線模塊圖4.8BDM調(diào)試接口電路圖4.9單片機(jī)最小系統(tǒng)板4.5驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)在往屆比賽中，絕大多數(shù)隊(duì)伍采用的方案是通過并聯(lián)多片MC33886驅(qū)動(dòng)芯片提高電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力。但是由于設(shè)計(jì)電路的不合理性使得流過多片MC33886驅(qū)動(dòng)芯片的電流不均勻，經(jīng)常出現(xiàn)一片過流，而另外的沒有滿載的情況。我們采用由MOS管搭建而成的H橋電路來提高整體電路的驅(qū)動(dòng)能力。通過單片機(jī)輸出占空比可調(diào)的脈沖信號(hào)，控制MOSFET導(dǎo)通時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。這樣電路的內(nèi)阻很小，而且允許通過的電流很大，可以提供很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。圖4.10電機(jī)驅(qū)動(dòng)H橋電路圖4.6電源模塊設(shè)計(jì)充電電池7.2v2000m充電電池7.2v2000mAh電機(jī)驅(qū)動(dòng)串聯(lián)穩(wěn)壓器串聯(lián)穩(wěn)壓器電機(jī)驅(qū)動(dòng)串聯(lián)穩(wěn)壓器串聯(lián)穩(wěn)壓器單片機(jī)傳感器后輪電機(jī)單片機(jī)傳感器后輪電機(jī)圖4.SEQ圖4.\*ARABIC2電源分配圖4.6.15V供電電源3.3V電壓用來供給單片機(jī)、串口、傳感器驅(qū)動(dòng)等，因此采用LM2940的穩(wěn)壓芯片和ASM117-3.3芯片。圖4.SEQ圖4.\*ARABIC35V、3.3V數(shù)字、模擬供電電路第五章智能車軟件部分高效穩(wěn)定的軟件程序是智能車平穩(wěn)快速尋線的基礎(chǔ)。本智能車采用工字電感線圈作為尋跡傳感器，傳感器數(shù)據(jù)處理就成為了整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心內(nèi)容。在智能車的轉(zhuǎn)向和速度控制方面，我們使用的是經(jīng)典的PID控制算法，配合使用理論計(jì)算和實(shí)際參數(shù)補(bǔ)償?shù)姆椒?，使在尋跡中智能車達(dá)到了穩(wěn)定快速的效果。5.1智能車控制系統(tǒng)總體方案軟件設(shè)計(jì)時(shí)控制系統(tǒng)的核心，在具有良好的硬件基礎(chǔ)上，好的算法才能充分發(fā)揮作用，粗略思想則更進(jìn)一步?jīng)Q定了比賽的成績(jī)。算法上的靈活運(yùn)用可以用來彌補(bǔ)硬件上的一些不足，所以硬件基礎(chǔ)和策略算法是相輔相成的，最終目的是實(shí)現(xiàn)算法和硬件的相協(xié)調(diào)。智能車系統(tǒng)的控制算法及軟件設(shè)計(jì)由以下幾個(gè)部分組成：路徑識(shí)別檢測(cè)、速度檢測(cè)、PWM電機(jī)控制算法、速度控制策略、轉(zhuǎn)向控制策略等。道路檢測(cè)由線陣CCD傳感器完成。電機(jī)和測(cè)速部分使用了單片機(jī)的PWM模塊、SPI模塊和外部中斷等。小車主程序框圖如圖5.2。主程序主程序PWM控制編碼器脈沖采集CCD采集系統(tǒng)初始化 PWM控制編碼器脈沖采集CCD采集系統(tǒng)初始化圖5.SEQ圖5.\*ARABIC1主程序框圖控制策略的選擇對(duì)智能小車的行駛性能也是至關(guān)重要的。速度固然越快越好，但也要使小車能夠平穩(wěn)完成比賽。譬如，直道入彎前速度需要減慢，以免沖出賽道；而從彎入直時(shí)則應(yīng)讓小車加速，在直道上能以較高速度完成。5.2整體程序流程圖圖5.SEQ圖5.\*ARABIC2整體程序流程圖5.3路徑識(shí)別模塊軟件設(shè)計(jì)路徑識(shí)別是智能小車的核心內(nèi)容，是決定小車能否順利完成比賽的關(guān)鍵部分。路徑識(shí)別模塊將智能車頂端的線陣CCD采集的圖像進(jìn)行二值化處理，但幾乎所有的CCD模塊都有一個(gè)缺陷，就是“余弦效應(yīng)”，也就是128個(gè)像素中，中間的值偏大，兩邊的值偏小，即便照在一張白紙上也是這樣，所以要把所采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行反余弦處理，然后再二值化。反余弦處理的步驟包括：把CCD對(duì)著一張白紙，然后把所采集的數(shù)據(jù)發(fā)給電腦，進(jìn)行廣義多項(xiàng)式曲線擬合，得到一個(gè)函數(shù)關(guān)系式，這個(gè)關(guān)系式的曲線特性只與CCD的硬件特性有關(guān)，那么之后每次采集一場(chǎng)數(shù)據(jù)就根據(jù)這個(gè)函數(shù)計(jì)算出模擬值，之后發(fā)現(xiàn)把CCD的數(shù)據(jù)處理后發(fā)出來就發(fā)現(xiàn)余弦效應(yīng)小很多，近乎一條直線，這樣就非常方便預(yù)值了。動(dòng)態(tài)預(yù)值的步驟包括：采集跳變沿兩端的值，取中值就行了。二值化處理后就需要提取兩邊的黑線。在把左右兩邊黑線的位置取均值，就是中線的位置了。5.4轉(zhuǎn)向控制策略細(xì)述首先將CCD的圖像二值化后，提取出兩邊的賽道后，模擬出中線，通過判斷中線在賽道的偏移位置，控制智能車的轉(zhuǎn)向。當(dāng)中線在賽道中間是，判定前方為直線軌跡則控制電機(jī)轉(zhuǎn)向正中，同時(shí)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)加大速度；當(dāng)中線在賽道右方時(shí)，判定前方為右彎軌跡，則控制電機(jī)差速向右偏轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，同時(shí)根據(jù)車速檢測(cè)單元檢測(cè)的當(dāng)前速度，控制電機(jī)使速度下降，以免小車沖出賽道；當(dāng)中線位于賽道左方時(shí)做類似處理。以此根據(jù)做差后的數(shù)值可以判斷車體與漆包線的位置關(guān)系，從而控制電機(jī)差速轉(zhuǎn)向，修正車體位置。5.5智能車電機(jī)控制算法一般情況下小車的實(shí)際速度與期望速度之間會(huì)有一定的差異，而且該差異會(huì)隨著路徑曲率的變化而發(fā)生變換。為了使得小車能夠以最快速度跟蹤期望速度，調(diào)速過程中采用了PID控制。實(shí)際使用速度控制策略，構(gòu)成閉環(huán)速度控制系統(tǒng)，利用PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得小車能夠在穩(wěn)定運(yùn)行的前提下盡可能提高響應(yīng)速度，從而縮短調(diào)速過程。5.5.1PWM控制原理脈寬寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)控制的原理就是通過直流斬波，利用大功率晶體管的開關(guān)特性來調(diào)制固定電壓的直流電源。按照一個(gè)固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變的一個(gè)周期內(nèi)的“接通”和“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短，通過改變直流電機(jī)電樞上的電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。5.5.2智能車速度控制策略速度控制及執(zhí)行系統(tǒng)硬件部分由H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)、傳動(dòng)齒輪。系統(tǒng)的控制對(duì)象為模型汽車、系統(tǒng)執(zhí)行器為電機(jī)、系統(tǒng)測(cè)量環(huán)節(jié)為速度檢測(cè)。系統(tǒng)框圖如下：圖5.SEQ圖5.\*ARABIC3閉環(huán)速度控制系統(tǒng)框圖5.5.3PID控制算法比例積分微分控制是過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律[5]。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及理論分析充分證明這種控制規(guī)律用于多數(shù)被控對(duì)象能夠獲得較滿意的控制成果。(1)比例(P)控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)，在比例控制器中系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差?？刂破鞯妮敵鲂盘?hào)Uo與輸入信號(hào)ΔUi(即偏差)的大小成正比，即 （公式5.1）(2)積分(I)控制在積分控制器中，控制器的輸出信號(hào)Uo與輸入信號(hào)ΔUi對(duì)時(shí)間的積分成正比，即 （公式5.2）積分控制中，只要輸入信號(hào)ΔUi存在，控制器的輸出信號(hào)Uo就不斷積累，系統(tǒng)的輸出量逐漸趨向期望值，直至輸入偏差信號(hào)ΔUi=0，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)為止。無靜差控制是積分控制的最大優(yōu)點(diǎn)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。因此，比例+積分的控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。(3)微分(D)控制微分控制器針對(duì)被調(diào)量的變化率進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以調(diào)節(jié)被調(diào)量的變化趨勢(shì)，及時(shí)避免出現(xiàn)大的偏差。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系，即： （公式5.3）這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前抑制誤差的控制作用等于零，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+積分微分控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。