第八飛思卡爾智能車競賽光電平衡組西北工業(yè)大學純鈞技術報告

1、第八屆全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽技 術 報 告學 校： 西北工業(yè)大學隊伍名稱： 純鈞隊參賽隊員： 劉東京 劉偉 黨曉偉帶隊教師： 曲仕茹 趙凱瑞 關于技術報告和研究論文使用授權的說明 本人完全了解第八屆全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽關保留、使用技術報告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權歸參賽者本人，比賽組委會和飛思卡爾半導體公司可以在相關主頁上收錄并公開參賽作品的設計方案、技術報告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關內容編纂收錄在組委會出版論文集中。參賽隊員簽名： 帶隊教師簽名： 日 期： 摘 要本文以第八屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車比賽為背景，在“立足培養(yǎng)，重在參

2、與，鼓勵探索，追求卓越”的指導思想下，自主設計并制作出基于電磁引導的智能車系統(tǒng)，而且在此基礎上研究了一套切實可行的路徑取優(yōu)方案。并且其超強的環(huán)境適應能力有望在未來得以大范圍的應用。 本系統(tǒng)主要由mc9s12xs128控制核心、電源管理單元、路徑識別電路、車速檢測模塊、舵機控制單元和直流電機驅動單元組成，以飛思卡爾公司的16位單片機s12為控制核心，路徑識別和車速的檢測相結合，通過對不同方位的傳感器數(shù)據進行綜合分析來控制轉向舵機和驅動電機，使智能車系統(tǒng)達到所需的穩(wěn)定性及快速性要求。本文詳細的介紹了智能汽車的機械結構設計，硬件電路設計，系統(tǒng)軟件設計和理論分析以及模型車的控制算法設計。本智能車采用了

3、適合智能精確控制的pid算法，首先對系統(tǒng)的模型進行了分析，從而選擇合適的算法，其次，根據不同方位傳感器特性而設計出的傳感器模塊進行了簡要說明，然后介紹了所使用的數(shù)據擬合和路徑取優(yōu)的算法。關鍵詞：智能汽車，pid控制，傳感器，直流電機，路徑取優(yōu) 目 錄摘 要i目 錄ii第一章 引 言11.1 比賽背景介紹11.2 本文章節(jié)安排及文獻綜述2第二章 方案選擇12.1系統(tǒng)組成模型及控制算法12.1.1 系統(tǒng)結構與模型12.1.2模糊pid控制器設計22.2 測量模塊方案選擇32.2.1 路徑檢測模塊32.2.2 速度檢測模塊32.2.3 起跑線檢測模塊32.3 控制模塊方案選擇42.3.1 路徑控制模

4、塊42.3.2 速度控制模塊72.4 執(zhí)行模塊方案選擇72.4.1 路徑執(zhí)行模塊72.4.2 方向執(zhí)行模塊72.4.3 速度執(zhí)行模塊72.5本章小結8第三章 機械結構設計93.1 智能車參數(shù)要求93.2 車模組裝與改造93.2.1 車模組裝93.2.2 前輪定位的調整93.2.3 差速的調整103.2.4 舵機力臂的調整103.3 電感線圈的安裝113.4光電編碼器的安裝123.5 電路板的固定與安裝123.6 車模技術參數(shù)13第四章 硬件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)144.1 電源模塊144.1.1 電源保護154.1.2 降壓穩(wěn)壓電路設計一154.1.3 降壓穩(wěn)壓電路設計二164.1.4 電源模塊小結1

5、64.2 路徑識別模塊174.3 電機模塊184.4 舵機模塊194.5 測速傳感器模塊19第五章 軟件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)205.1 系統(tǒng)初始化205.2路徑識別算法分析及選定205.3基于電感線圈排布理論分析215.4電感線圈傳感器接收防干擾算法245.4.1結構化賽道導線之間干擾的消減:245.4.2電感線圈傳感器之間的干擾的消減245.4.3車子上工作的pwm信號和電機工作時產生的磁場對電感線圈干擾的消減245.5 舵機控制算法255.5.1車體與舵機轉角方向測定255.5.2舵機轉向角度分配265.5.3舵機pid整定265.6電機pid速度控制算法265.6.1測試開環(huán)與閉環(huán)控制響應曲線

6、275.6.2測試開環(huán)控制下pwm占空比與電機轉速之間的關系285.6.3 bang_bang 控制295.6.4 pid控制315.6.5 pid參數(shù)整定325.6.6速度分配32第六章 開發(fā)與調試346.1 軟件開發(fā)環(huán)境介紹346.2 智能車整體調試356.2.1 舵機調試356.2.2 電機調試356.2.3 整體調試36第七章 結論37參考文獻i附錄a：控制程序ii附錄b：電路板詳細原理圖vii第一章 引 言1.1 比賽背景介紹 為加強大學生實踐、創(chuàng)新能力和團隊精神的培養(yǎng)，促進高等教育教學改革，受教育部高等教育司委托(教高司函 2005201號文)，由教育部高等自動化專業(yè)教學指導分委員

7、會（以下簡稱自動化分教指委）主辦全國大學生智能汽車競賽。該競賽以智能汽車為 研究對象的創(chuàng)意性科技競賽，是面向全國大學生的一種具有探索性工程實踐活動，是教育部倡導的大學生科技競賽之一。該競賽以“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵探索，追求卓越”為指導思想，旨在促進高等學校素質教育，培養(yǎng)大學生的綜合知識運用能力、基本工程實踐能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)大學生從事科學研究與探索的興趣 和潛能，倡導理論聯(lián)系實際、求真務實的學風和團隊協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。該競賽由競賽秘書處為各參賽隊提供/購置規(guī)定范圍內的標準硬軟件技術平臺，競賽過程包括理論設計、實際制作、整車調試、現(xiàn)場比賽等環(huán)節(jié)，要求學生組成團隊

8、，協(xié)同工作，初步體會一個工程性的研究開發(fā)項目從設計到實現(xiàn)的全過程。該競賽融科學性、趣味性和觀賞性為一體，是以迅猛發(fā)展、前景廣闊的汽車電子為背景，涵蓋自動控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械與汽車等多學科專業(yè)的創(chuàng)意性比賽。該競賽規(guī)則透明，評價標準客觀，堅持公開、公平、公正的原則，保證競賽向健康、普及，持續(xù)的方向發(fā)展。該競賽以飛思卡爾半導體公司為協(xié)辦方，得到了教育部相關領導、飛思卡爾公司領導與各高校師生的高度評價，已發(fā)展成全國30個省市自治區(qū)近300所高校廣泛參與的全國大學生智能汽車競賽。2008 年起被教育部批準列入國家教學質量與教學改革工程資助項目中科技人文競賽之一（教高司函20

9、0730 號文）。全國大學生智能汽車競賽原則上由全國有自動化專業(yè)的高等學校（包括港、 澳地區(qū)的高校）參賽。競賽首先在各個分賽區(qū)進行報名、預賽，各分賽區(qū)的優(yōu)勝隊將參加全國總決賽。每屆比賽根據參賽隊伍和隊員情況，分別設立光電組、攝像頭組、電磁組、創(chuàng)意組等多賽題組別。每個學?？梢愿鶕傎愐?guī)則選報不同組別的參賽隊伍。全國大學生智能汽車競賽組織運行模式貫徹“政府倡導、專家主辦、學生主體、社會參與”的 16 字方針，充分調動各方面參與的積極性。 全國大學生智能汽車競賽一般在每年的10月份公布次年競賽的題目和組織方式，并開始接受報名，次年的3月份進行相關技術培訓，7 月份進行分賽區(qū)競賽，8 月份進行全國總決

10、賽。大賽根據道路檢測方案不同分為電磁、光電平衡與攝像頭三個賽題組。使用四輪車模通過感應由賽道中心電線產生的交變磁場進行路經檢測的屬于電磁組；使用四輪車模通過采集賽道圖像（一維、二維）或者連續(xù)掃描賽道反射點的方式進行進行路經檢測的屬于攝像頭組；使用指定兩輪車模保持車體直立行走的車模屬于平衡組。1.2 本文章節(jié)安排及文獻綜述本文系統(tǒng)的介紹了制作智能模型車的各項技術。具體章節(jié)安排如下：第一章 引言 本章介紹了本次比賽的背景與意義，簡述了智能車制作技術的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了本文的主要研究工作與章節(jié)安排引出下文。第二章 方案選擇 將智能車控制系統(tǒng)分解為各個不同的模塊，分別從各個模塊討論本智能車系統(tǒng)及所采用的

11、控制方案。在此，本智能車系統(tǒng)采用模塊化設計，分為測量模塊、控制模塊和執(zhí)行模塊。第三章 機械結構設計 本章重點介紹了智能車的搭建與調整，以及電感線圈、光柵編碼器與電路板的安裝。第四章 硬件系統(tǒng)設計及實現(xiàn) 本章分析了智能車系統(tǒng)的各組成部分，設計并實現(xiàn)相關特定功能的電路，達到抑制噪聲和對其他電路干擾最小的效果。第五章 軟件系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 本章介紹了本智能車系統(tǒng)的初始化，傳感器數(shù)據歸一化、閾值設定和路徑取優(yōu)的方法。第六章 開發(fā)與調試 本章介紹了軟件開發(fā)的環(huán)境，以及各部分的調試方法，其中軟件開發(fā)環(huán)境為metrowerks公司開發(fā)的軟件集成開發(fā)環(huán)境codewarrior。第七章 總結 本章對全文的工作進行

12、分析和總結，指出今后研究工作的重點和發(fā)展方向。介紹了幾個月來的工作，對未來進行了展望。第二章 方案選擇電磁引導的智能車1由于不受光線、溫度、濕度的影響，具有很好的環(huán)境適應性，相對于光電或攝像頭引導的智能車具有很大的優(yōu)勢。但是由于其相對單一的外部信息獲取方法和相對簡單的硬件結構設計僅僅可以滿足自主循跡的要求，對于其控制律結構的設計和算法的完善與創(chuàng)新還有很多工作可以深入開展。硬件方面，包括電源的保護、信號調理與傳輸?shù)雀倪M則可以使智能車的運行更加穩(wěn)定，對干擾的抑制能力更強，從而綜合循跡能力得以穩(wěn)步提升，速度更快。2.1系統(tǒng)組成模型及控制算法2.1.1 系統(tǒng)結構與模型 系統(tǒng)以單片機為控制核心設計，整體

13、結構如圖2.1所示。圖2.1 系統(tǒng)組成結構示意圖從系統(tǒng)組成結構及各個環(huán)節(jié)的特性來分析，該控制系統(tǒng)為一個二階系統(tǒng)。系統(tǒng)中：為伺服電機時間常數(shù)；,為系統(tǒng)主要比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；為前輪轉向器轉向角度；為了保證系統(tǒng)合適的響應性能，通過調節(jié)使阻尼比左右，控制過程的建模分析以驅動輪1為例。驅動輪1和相關部件組成了一個典型的二階系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)： (1)為了論述方便，令,，則根據二階系統(tǒng)標準形式可得到： (2)于是有，將上式與分別帶入系統(tǒng)的峰值時間、超調量、調節(jié)時間的公式則得到峰值時間、調節(jié)時間和超調量表達式： (3) (4) (5)峰值時間、調節(jié)時間和超調量是控制系統(tǒng)的三個重要性能指標，這三個指標為軟件控

14、制方法的選擇和參數(shù)整定提供依據。2.1.2模糊pid控制器設計模糊理論是解決由于辨識精確度影響控制優(yōu)劣的有效途徑，運用模糊理論，在傳統(tǒng)pid控制的基礎上，實現(xiàn)了pid參數(shù)的動態(tài)自整定。離散pid控制算法為：模糊自適應pid控制器5以誤差和誤差變化作為輸入（利用模糊控制規(guī)則在線對pid參數(shù)進行修改），以滿足不同時刻的和對pid參數(shù)自整定的要求。自適應模糊pid控制器結構如圖2.2所示。圖2.2自適應模糊pid控制器結構圖2.2 測量模塊方案選擇2.2.1 路徑檢測模塊路徑識別模塊是智能車系統(tǒng)的關鍵模塊之一，路徑識別方案的好壞，直接關系到最終性能的優(yōu)劣。通過大量的實驗與研究，最終掌握了不同方位的傳

15、感器的數(shù)據特性，將其加以有效的結合將有助于路徑取優(yōu)，以期達到快速穩(wěn)定的效果。所謂電磁引導就是以電感線圈為傳感器，在交變的磁場中產生自感電動勢，通過返回的數(shù)據判斷金屬線的位置，配之以傳感器的排列方法、個數(shù)、彼此之間的間隔都與控制方法來實現(xiàn)預期的功能，但一般的認識是，在不受外部因素影響的前提下，能夠感知前方的距離越遠，行駛效率將越高3,4。在前瞻問題中，根據傳感器的方位不同，可將所有傳感器數(shù)據進行綜合分析，推斷出前方路徑。2.2.2 速度檢測模塊 好的控速效果是建立在精確的反饋的基礎上的，同時也是各種速度控制算法的基礎。在初期的調試階段，我們用自制的光電碼盤配合光電管和比較器獲取小車的當前速度，但

16、我們發(fā)現(xiàn)這種方法產生的信號并不整齊，影響速度的采集。最后我們放棄了這種方案而改用信號比較整齊精確的光電編碼器來測速。我們采購到了增量式的分辨率為100線的光電編碼器。xs128有16位的脈沖累加器，我們將從光電編碼器輸出的信號接至ph1口，在單片機軟件設計中，每隔5ms將脈沖累加器中的值讀回并將寄存器清零。這樣就能獲取光電編碼器5ms的發(fā)出的脈沖，進而根據齒輪的比例就能計算出小車的實際速度。2.2.3 起跑線檢測模塊起跑線檢測使用干簧管。經過反復測試，發(fā)現(xiàn)干簧管放在車前能更好的檢測到起跑線。為了減少震動對干簧管的影響和檢測的準確性，我們設計了一個電路板，上面焊接6個并聯(lián)的干簧管,本文所設計的起

17、跑線檢測pcb圖如圖2.3所示：圖2.3 起跑線檢測電路圖 2.3 控制模塊方案選擇2.3.1 路徑控制模塊智能車競賽的要求是制作的智能車在專門設計的跑道上自動識別道路行駛，誰最快跑完全程而沒有沖出跑道并且技術報告評分較高，誰就是獲勝者。所以對于模型車的路徑規(guī)劃是關系到能否在短時間內跑完全程取得優(yōu)異成績的關鍵因素。結合以往的比賽情況，電磁引導現(xiàn)主要有兩種控制方法：(1) 跟蹤電磁導線，以電磁導線為基準，將小車幾何中心控制在電磁導線上，主要是經典pid控制方法；(2) 適合跑道，通過整體傳感器數(shù)據特性算出跑道范圍，將小車看作剛體，控制使其保持在跑道范圍內，可以算作一種智能的模糊控制方法。無論采用

18、何種控制方法，為了達到時間最短，必須對小車的行使路線進行優(yōu)化。在不考慮交叉的情況下（以行使的角度考慮，交叉屬于一種特殊形式，有磁場復合效應），一般的，賽道的形狀主要有3種形式，如圖2.4所示。 直線 轉彎 波浪圖2.4 賽道的三種基本形狀對于彎道，應采取盡量沿著內圈行駛的策略，如圖2.5所示。對于波浪道，應采取最優(yōu)路線為直線穿過的行駛策略，如圖2.6所示。圖2.5 過彎時小車行駛路線圖2.6 波浪道小車行駛路線對兩種控制方法的優(yōu)化：(1) 跟蹤電磁導線方法對路線的優(yōu)化：跟蹤電磁導線對路線的優(yōu)化要區(qū)分開三種基本類型的跑道，在采用不同的動態(tài)性能對路線優(yōu)化。直道時響應快速、平緩，需要綜合調節(jié)各參數(shù)。

19、彎道時可以將超調量適當放大、調節(jié)時間減小，或者進行超前控制。波浪時應將超調量減小、調節(jié)時間加大，或者進行滯后控制。對于波浪，跟蹤電磁導線方法很難做到最優(yōu)的直線穿越，但可以采取相應的策略使小車擺幅減小，如圖2.7所示。圖2.7 波浪道小車的優(yōu)化(2) 適合跑道的方法對路線的優(yōu)化適合跑道的方法對路線優(yōu)化的主要思想為：a推斷出較長一段賽道信息與小車在賽道上的姿態(tài)、位置。b根據以上信息算出小車在下一段時間內的行駛路線。這種方法的重點主要是對行駛路線所采用的計算方法。比較兩種方法，如表2.1所示。因此為了獲得更好的成績，需要選擇適合跑道的方法，并且要綜合考慮各種情況，努力提高穩(wěn)定性。表2.1 兩種方法的

20、比較跟蹤電磁導線適合跑道復雜程度一般較復雜穩(wěn)定性較好未知優(yōu)化性能一般較好本智能車方向的控制是通過pwm波對舵機進行控制來實現(xiàn)的。舵機的控制是通過周期固定的脈沖信號控制的，舵機的轉位正比于脈沖的寬度，這個連續(xù)的脈沖信號可以由pwm實現(xiàn)。舵機內部會產生一個頻率為50hz的基準信號，通過基準信號與外部所給pwm波的正脈沖持續(xù)時間進行比較，從而確定轉向和轉角的大小。當所加pwm波的頻率為50hz時，脈寬與轉角之間滿足下圖2.8所示的線性關系。圖2.8 脈寬與轉角之間的線性關系因此本文對舵機的控制采用離散pid控制，即根據電感線圈返回的數(shù)據計算出當前時刻車與黑線的精確夾角，然后對方向控制量進行校正。2.

21、3.2 速度控制模塊本屆大賽組委會規(guī)定使用的后輪驅動電機型號為rs380-st/3545，工作在7.2v電壓下，空載電流為0.5a，轉速為15300 r/min。在工作電流為2.85a，轉速達到13100 r/min 時，工作效率最大。由于單片機輸出的脈寬無法驅動大賽提供的直流電機，因此需要通過電機驅動芯片bts7960b驅動電機正轉、反轉。由于單片機帶有pwm輸出端口，pwm波獲取方便，為了加強靈活性，能實時改變控制量，所以我們利用pwm脈寬與速度的對應關系對電機進行控制。2.4 執(zhí)行模塊方案選擇2.4.1 路徑執(zhí)行模塊通過裝在車前的六路傳感器得到的模擬信號，由單片機進行ad轉換進行相應處理

22、6，根據其結果找到金屬線以便對路徑進行識別。2.4.2 方向執(zhí)行模塊本智能車的方向執(zhí)行機構是舵機s3010，舵機控制采用pwm技術，不同占空比對應不同的轉角21。由于舵機內部含有自帶的比較電平，有利于精確控制。舵機的額定電壓一般是6v，本模型車舵機額定電壓為6v。當額定電壓為6v時，功率通常更強勁，速度也更快。這意味著只要提高舵機的電壓，就可以獲得更大的功率輸出和更快的速度。對于提高電壓這種未經認可的做法，每一家廠家的舵機反應也不盡相同。經實踐認證，本模型車的舵機完全可以工作在7.2v電壓下。因此，提高了功率并加快了速度。另外，舵機的響應時間對于控制非常重要，一方面可以通過修改pwm周期獲得。

23、另一方面也可以通過機械方式，利用舵機的輸出轉角余量，將角度進行放大，加快舵機響應速度。本文在后面的模型車改裝中將詳細介紹。2.4.3 速度執(zhí)行模塊本智能車的速度執(zhí)行機構是電機rs380-st/3545，采用pwm控制，利用脈寬占空比與速度的對應關系進行調速。采用電機驅動芯片bts7960b7，兩片組成“h”橋，可以快速實現(xiàn)電機的正轉反轉，從而對速度進行實時調整，精確控制。2.5本章小結根據本章以上的模塊方案比較與論證，得出本智能車控制系統(tǒng)模型框圖如圖2.9所示 ：圖2.7 系統(tǒng)模型框圖第三章 機械結構設計在智能車比賽中，最主要的比賽內容是速度，而模型車的機械結構無疑是影響速度的關鍵因素之一。鑒

24、于此，我們對模型車的機械結構做了很多的改進工作，進行了大量的調整，達到比較滿意的效果。3.1 智能車參數(shù)要求1. 車模尺寸要求：車模尺寸寬度不超過250mm2. 傳感器數(shù)量要求：傳感器數(shù)量不超過16個：磁場傳感器在同一位置可以有不同方向傳感器，計為一個傳感器。3.伺服電機型號：s3010，伺服電機數(shù)量不超過3個。4.電機型號：rs380-st/35455.全部電容容量和不得超過 2000 微法；電容最高充電電壓不得超過25 伏。3.2 車模組裝與改造3.2.1 車模組裝模型車的組裝工作看似簡單，實則需要很多的耐心和經驗。首先，仔細閱讀說明書。通過閱讀模型車的裝配圖，可以了解各個不同零件的用途和

25、安裝順序。然后，根據模型車的裝配圖組裝智能車模型。由經驗得到，在組裝過程中，不但要注意模型車的組裝順序，而且由于模型車零部件較小，組裝過程中要防止零部件滑落和丟失。特別是，由于模型車上的大部分零部件材質均為塑料，在擰螺絲以及對零件進行加工時要格外的小心，以免損壞。3.2.2 前輪定位的調整在調試中我們發(fā)現(xiàn)，模型車過彎時，轉向舵機的負載會因為車輪轉向角度增大而增大。為了盡可能降低轉向舵機負載，我們對前輪定位進行了調整。前輪定位的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性，轉向輕便和減少輪胎的磨損。前輪定位參數(shù)主要包括：主銷后傾角、主銷內傾角、前輪外傾角和前輪前束8。主銷后傾角是主銷軸線與地面垂直線在汽車縱向

26、平面內的夾角。主銷內傾角是主銷軸線與地面垂直線在汽車橫向斷面內的夾角。前輪外傾角是汽車橫向平面與車輪平面的郊縣與地面垂線之間的夾角。在一般情況下，主銷后傾角為0-3度，主銷內傾角為0-10度，前輪外傾角為0度或者1度。在本模型中，后傾角過大會使得模型車轉向沉重，從而使舵機轉向存在嚴重的滯后，故在模型車中將主銷后傾角調整為0度；主銷內傾角過大不僅會使得轉向變得沉重，還將加速輪胎的磨損，因此將主銷內傾角控制在5度以內；前輪外傾角和前輪前束分別設為0度、0mm。3.2.3 差速的調整模型車的差速對轉彎時的影響很大，差速不好會導致后輪空轉，發(fā)生側滑現(xiàn)像。我們通過采用添加推力軸承和潤滑油的方法，改進差速

27、裝置，使得模型車在轉向時，右輪與后軸之間的摩擦大大降低，從而提高差速的效果和提高小車的轉向性能。3.2.4 舵機力臂的調整相對于s12單片機的處理速度，舵機的響應存在著較大的延時，對舵機的改造著實需要。在相同的舵機轉速條件下，轉向連桿在舵機一端的連接點離舵機軸心距離越遠，轉向輪轉向變化越快，本模型車中通過用轉向盤代替舵機上的曲柄來增大舵機的上連接點到舵機中心的距離，增加了輸出轉動力矩，使得前輪在轉向時更加靈敏，對舵機的改造如圖3.1所示。圖3.1 舵機的改造3.3 電感線圈的安裝考慮到“立式”與“臥式”電感線圈的特性，選擇水平橫向均勻排布“臥式”電感線圈六路，這樣既可以達到準確檢測道路信息的要

28、求，又可以減少傳感器整體的重量?？拷吘壧帉ΨQ排列各兩路“立式”電感線圈，以避免其出現(xiàn)歸零的特性，“立式”與“臥式”電感線圈的具體排布如圖3.2所示，其各自的特性如圖3.3所示。圖3.2立式與臥式排布圖圖3.3 立式與臥式數(shù)據特性模型車傳感器的架設主要要考慮一下幾個因素8：1、確保各路電感線圈對稱，如若排列中心不居中，而處理程序對舵機輸出量是居中的，這樣就會導致模型車在直道上也會存在左右擺動的問題。2、電感線圈的高度要足夠高，這樣可以使得模型車獲得足夠遠的道路信息，由于對于“立式”電感線圈，距離跑道太近則體現(xiàn)不出前瞻特性。3、電感線圈的架設一定要是固定不變的，因為對應的調試程序是根據電感線圈的

29、衰減特性來判斷道路信息的，而不同高度的電感則具有不同的衰減特性。這樣有利于程序的連續(xù)性和可修改性。4. 斜方向的電感線圈對方向的要求則非常嚴格，因為角度的不同會導致線圈本身的數(shù)據特性發(fā)生變化，只是數(shù)據不對稱，會產生控制不精確現(xiàn)象。3.4光電編碼器的安裝對光電編碼器的安裝，可以將光電盤碼安裝在電機軸上，通過先計算電機轉速再來計算模型車后驅動軸得知車速。但是，這種方法太麻煩，并且在電機軸上裝光電碼盤會影響電機的性能。所以，我們將光電碼盤安裝在模型車后驅動軸羅盤上，根據光電傳感器的輸出脈沖計算不同時刻模型車的后輪轉速，本系統(tǒng)所采用的光電編碼器的安裝如圖3.4所示。圖 3.4 光電編碼器的安裝3.5

30、電路板的固定與安裝設計時，考慮到底盤已有孔洞及電路板的布局，有選擇地在電路板上打孔。用螺絲固定在小車底盤上。方便簡潔，易于拆卸。我們的電路板總共有四塊，主板，最小系統(tǒng)版，傳感器板子，干簧管板子。最小系統(tǒng)板子是利用插針插座直接插在主板上，而主板是利用板子上的孔用螺絲固定在車底盤上；傳感器板子是利用絕緣膠帶和熱熔膠固定在碳桿上的；干簧管板子是利用螺絲固定在車前。傳感器板子和干簧管板子都是通過插針排線與主板連接起來的。各板固定容易，連接簡潔，便于拆卸。本系統(tǒng)所采用的電路板連接結構圖如圖3.5所示： 圖3.5 電路板連接圖3.6 車模技術參數(shù)表3.1 系統(tǒng)硬件參數(shù)項目參數(shù)車模幾何尺寸（長、寬、高）（毫

31、米）800,250,160車模軸距/輪距（毫米）139車模平均電流（勻速行駛）(毫安)2000電路電容總量（微法）約400傳感器種類及個數(shù)電磁傳感器6；光電碼盤1,干簧管1新增加伺服電機個數(shù)無賽道信息檢測空間精度（毫米）3.5賽道信息檢測頻率（次/秒）30除mc9s12xs128之外其它主要芯片bts7960,lm2940,lm1117-3.3,ad623，hd74ls04，cd5420車模重量（帶有電池）（千克）1.5第四章 硬件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)硬件電路的設計是自動控制器的基礎。智能汽車競賽指定飛思卡爾公司s12系列的16位單片機mc9s12xs128作為核心控制處理器。本智能車在組委會提供的

32、開發(fā)板mc9s12evkc基礎上設計的最小系統(tǒng)，并增加了各種接口電路板組成整個硬件系統(tǒng)。下面將對硬件設計中除了單片機最小系統(tǒng)之外的其他幾個主要的模塊設計進行討論。4.1 電源模塊電源模塊為系統(tǒng)其他各個模塊提供所需要的電源。設計中，除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還要在電源轉換效率、降低噪聲、防止干擾、過流保護和電路簡單等方面進行優(yōu)化?？煽康碾娫捶桨甘钦麄€硬件電路穩(wěn)定可靠運行的基礎。全部硬件電路的電源由配發(fā)的標準車模用7.2v 2000mah ni-cd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，因此電源模塊應該包含多個穩(wěn)壓電路，將充電電池電壓轉換成各個

33、模塊所需要的電壓。主要包括以下不同的電壓。5v電壓。主要為單片機系統(tǒng)、信號調理電路提供電源，電壓要求穩(wěn)定、噪聲小，電流容量大于500ma。3.3v電壓，為傳感器提供參考電壓。7.2v電壓。這部分直接取自蓄電池兩端電壓，主要為舵機、后輪電機驅動模塊和部分接口電路提供電源。除了7.2v電壓可以直接由蓄電池獲得，5v和3.3v電壓需要通過降壓穩(wěn)壓電路獲得。電機驅動電路的電源可以直接使用蓄電池兩端電壓。模型車在啟動過程中往往會產生很大的沖擊電流，一方面會對其他電路造成電磁干擾；另一方面由于電池內阻造成電池兩端的電壓下降，甚至會低于穩(wěn)壓電路所需要的最低電壓值，產生單片機復位現(xiàn)像。為了克服啟動電磁信號的干

34、擾，在驅動模塊中加入光耦隔離，實現(xiàn)“電光電”轉換，由于光耦合器輸入輸出互相隔離，電信號傳輸具有單向性特點，并具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力，所以很好的解決了驅動電路產生的干擾信號。而電池兩端的電壓下降，可以在電路中并聯(lián)加入大電容，當電池電壓拉低之后，大電容放電，可以使單片機不會產生復位現(xiàn)象。4.1.1 電源保護在硬件電路設計的的過程中，最重要的就是電源部分的設計。在嵌入式應用中出現(xiàn)的很多諸如靜電復位、過流擊穿，等問題都是由于電源設計不周全造成的。自恢復保險和瞬態(tài)抑制二極管（tvs）的組合可以起到在電路出現(xiàn)過流過載和瞬態(tài)干擾時，及時的保證電源的安全，防止對于后級電路造成損害。自恢復保險絲的的動

35、作原理是一種動態(tài)的能量平衡。正常情況下保險絲處于低阻狀態(tài)，當電流或者外部環(huán)境驟變，保險絲就會處于高阻保護狀態(tài)，對于后級的電路產生保護。當電流或施加的電壓回復正常，保險絲自恢復。當tvs兩端經受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度（最高達1*10-12秒）使其阻抗驟然降低，同時吸收一個大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個預定的數(shù)值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。本設計使用一個自恢復保險絲串聯(lián)到電池電源和使用電源之間，并且在使用電源和模擬地之間串聯(lián)了一個雙向tvs，如圖4所示。在過流狀態(tài)下，自恢復保險絲內阻增大，產生過流保護。當出現(xiàn)靜電或瞬態(tài)干擾時，tvs內阻迅速變小，前級電源

36、形成回路，保險絲內阻變大，保護了后級電路不受損壞，其原理圖如圖4.1所示：4.1 保險絲tvs電路4.1.2 降壓穩(wěn)壓電路設計一我們采用的降壓穩(wěn)壓芯片是lm1117-3.39。lm1117 3.3是一種低壓差的線性穩(wěn)壓器件，最大輸出電流為1a，足夠提供系統(tǒng)中3.3v器件所需功率。另外，其輸出電壓波動范圍僅為0.1v，精度較高，經實驗證明，能夠滿足本智能車系統(tǒng)中各項要求。典型電路如圖3.1所示。我們最終應用的降壓穩(wěn)壓電路就是在圖3.1的基礎上在輸入和輸出端加一個0.1nf的濾波電容即可，其原理圖如圖4.2所示。4.2 lm1117典型電路圖4.1.3 降壓穩(wěn)壓電路設計二主要的穩(wěn)壓芯片是lm294

37、0，足夠單片機使用。lm2940具有紋波小、電路結構簡單的優(yōu)點，但是效率較低，功耗大。對于單片機，需要提供穩(wěn)定的5v電源，由于lm2940的穩(wěn)壓的線性度非常好，所以選用lm2940-5v對其進行供電，其原理圖如圖4.3所示。圖4.3 lm2940典型電路4.1.4 電源模塊小結綜上，可以得到電源模塊所采用的電路結構框圖如圖4.4所示：圖4.4 電源模塊框圖4.2 路徑識別模塊電磁傳感器的設計主要包括：感應線圈的選擇、信號選頻放大、整流與檢測等幾個方面，將會涉及到電磁場與波、高頻、模電等相關學科的知識。本文所用傳感器如圖4.5所示。圖4.5 傳感器示意圖通過傳感器檢測道路信息的流程如圖4.6所示

38、。圖4.6 道路信息檢測流程圖我們所采用的電路圖如圖4.6所示：圖4.7 傳感器電路檢測線圈采用組委會推薦的10mh 的工字型電感,并用6.8nf的諧振電容并聯(lián)，使用lc 串并聯(lián)電路來實現(xiàn)選頻電路，諧振頻率為。對于實際傳感器選擇的說明：電感線圈我們采用的是標準化的“工字型”電感線圈，這種線圈感應面積大，靈敏度好，缺點是體積較大。實踐證明這種電感線圈綜合效果還不錯，實際上我們只用兩個水平的線圈就可以完成尋跡功能，速度和穩(wěn)定性達到賽區(qū)的水平。缺點是太重，不穩(wěn)定，個體之間的電感量有一定的差異。由于電流的頻率為20khz，所以我們綜合考慮之后選擇10mh的工字型電感和6.8nf的電容相并聯(lián)后檢測磁場。

39、在不加其他元件的情況下，直接用示波器查看檢測的波形（距導線8cm，豎直上方）為標準的20khz，峰峰值為300mv 的正弦波。4.3 電機模塊采用兩片bts7960搭成h橋驅動電路，進行電機驅動。bts7960是應用于電機驅動的大電流半橋高集成芯片，它帶有一個p溝道的高邊mosfet、一個n溝道的低邊 mosfet和一個驅動 ic。集成的驅動ic具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調節(jié)、死區(qū)時間產生和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護的功能。bts7960通態(tài)電阻典型值為 16mq，驅動電流可達 43a。為方便使用，采用兩片bts7960并聯(lián)來達到全橋的效果。單片的bts7960示意圖如圖4.7所示

40、。圖 4.8 bts7960電路示意圖 但是控制信號在傳輸?shù)倪^程中，會受到耦合在線路中干擾的影響，控制器與作動器之間的連接也可能造成電流的反灌影響正常工作。光耦隔離器22當輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電光電”轉換。由于光耦合器輸入輸出互相隔離，電信號傳輸具有單向性特點，并具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。而光耦隔離芯片6n137性能優(yōu)良，所以我們采用6n137，電路圖如4.8所示。圖4.9 光耦電路示意圖4.4 舵機模塊 經過測試，我們發(fā)現(xiàn)直接給舵機供電7.2v時舵機更加靈敏，所以我們直接將電池電壓供給舵機。4.5 測速傳感器模塊

41、本智能車的測速采用光電編碼器，由lm2940-5為其提供5v工作電壓。光電編碼器使用5v-24v電源，輸出5%-85%vcc的方波信號以齒輪傳動，用cd5420作為測速脈沖技術器。每轉動一圈都會輸出一定個數(shù)的脈沖，通過在單位時間內測量得到的脈沖數(shù)，可以得出電機的轉速。測速脈沖計數(shù)器電路如圖4.9所示。圖4.10測速模塊示意圖第五章 軟件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)5.1 系統(tǒng)初始化 在各模塊中，mc9s12xs128微控制器模塊是控制核心，其他模塊的初始化正是通過對單片機內部設置實現(xiàn)的。系統(tǒng)的初始化主要是對mc9s12xs128內部各寄存器，各端口進行設置，并定義自變量，分配存儲空間，使之滿足系統(tǒng)要求。下面

42、僅給出單片機初始化的結果，未涉及到的端口與模塊不予描述17。工作模式：通過軟件與硬件的結合，選定單片機工作模式為普通彈片模式。時鐘設置：單片機內部的總線頻率為24mhz，cpu單元工作頻率是總線頻率的2倍，即48mhz。存儲空間分配：對內部地址資源的分配采用普通單片工作模式初始化時默認的配置，即$0000到$0400為寄存器地址空間，$2000到$3fff為內部ram地址空間，$4000到$7fff為一塊固定的flash eeprom地址空間，$8000到$bfff為頁面flash eeprom地址空間，$c000到$ffff為一塊固定的flash eeprom地址空間，其中$ff00到$ff

43、ff為中斷向量地址空間。復用端口設置：a端口為普通輸入端口； j端口為中斷輸入端口；p端口為pwm信號輸出端口。各模塊初始化：pwm模塊0通道獨立使用，4、5通道合并為一16位的pwm通道使用；pwm時鐘選擇為總線頻率8分頻即3mhz；定時/計數(shù)器模塊全部通道設置為定時模式；時鐘選擇為總線頻率8分頻即3mhz；此外，初始化時也對下面需用到的自變量進行了定義與賦初值，在此不作贅述。5.2路徑識別算法分析及選定智能模型車的路徑搜索算法（line searching algorithm）是智能車設計的關鍵部分，智能車設計的大部分工作都是圍繞它來展開的21。我們約定沿著電流前進方向為y軸，垂直y軸向上

44、為z軸，垂直y軸水平向右為x軸，符合右手規(guī)則，即右手坐標系，同時1）電感線圈軸線平行于z軸為“立式”，2） 電感線圈軸線平行于x軸為“臥式”，3）電感線圈軸線平行于x軸為“臥式”。經過分析，一般有兩種不同的路徑搜索方法。（巡線和前瞻） (1) 巡線利用3個電感線圈傳感器，對采集的數(shù)據進行了ad轉換，為了消除各個電感線圈傳感器之間的差異，我們對ad轉換后的數(shù)據進行了歸一化處理。在對其進行相應的控制。這樣對有利于舵機的pid位置調節(jié)，并且能夠提高舵機響應速度。(2) 前瞻使用3個電感線圈傳感器，模糊控制是基于啟發(fā)性的知識及語言決策規(guī)則設計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統(tǒng)的適應能力

45、，使之具有一定的智能水平，模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制。通過這兩種算法的結合，車可以在基本巡線的情況下選擇最佳路徑行駛，例如大彎切內線跑，s彎可以基本直線行駛。（我們將在下面詳細介紹）5.3基于電感線圈排布理論分析由法拉第電磁感應知道20： (1)使用高等數(shù)學的矢量積分容易得到直道的磁場分布： (2)所以進一步深入分析可得： (3) (4)其中h是電感線圈距離地面的垂直距離。為了討論的方便，記： (5) (6)下圖是我們使用matlab和ansoft maxwell軟件分析電感線圈傳感器在同一地點不同方向得來得圖表：

46、圖5.1 “立式”線圈 圖5.2 “大彎”內磁場分布(1) bx是x的偶函數(shù)，在y軸兩側單調;bz是x的奇函數(shù)（注：在此所有數(shù)全部取正），在y軸兩側沒有單調關系;(2) 在相同的高度下，bx幅值是bz的兩倍，但是在x=20的時候，bx只有bz的一半左右了，因此bx的衰減較bz快很多。綜上可推知，水平線圈比較適合做x的正負判別，垂直線圈比較適合用來解算x的具體數(shù)值，bz較bx衰減慢得多，說明水平線圈對遠處道路狀況相對比較敏感，可以用來預測前方的彎道。圖5.3 “臥式”線圈各個電感線圈傳感器的布局間隔將影響車對路徑的識別精度以及對舵機的控制算法的優(yōu)劣。我們將電感線圈傳感器由一種狀態(tài)起始到下一種狀態(tài)

47、起始所需移動的距離稱為有效距離，有效距離越短，則電感線圈傳感器在該狀態(tài)的停留時間短，可能造成該狀態(tài)為瞬態(tài)，而越長，則可能造成某一狀態(tài)過長，舵機控制算法成跳躍式響應，造成軟件無法彌補的缺陷。經過對于“臥式”電感線圈傳感器的理論分析和大量實驗，我們確定其為“巡線”跑，“臥式”電感線圈傳感器的穩(wěn)定性相當高！干擾小，車速還比較高。為了有效的利有所有6路“橫式”電感線圈傳感器并且不超出車寬限制，我們最終確定6路電感線圈傳感器的排布方式如圖5.5所示。 圖5.4 電感線圈排布方式圖5.4電感線圈傳感器接收防干擾算法 電感線圈傳感器的干擾主要分為兩種，一是結構化賽道導線之間的干擾，二是電感線圈傳感器之間的相

48、互干擾，三是車子上工作的pwm信號和電機工作時產生的磁場對電感線圈的干擾，由于電感線圈傳感器的感應電壓值和磁場方向以及磁感應強度有著密切的聯(lián)系，當賽道導線相互之間離得很近時，磁場相互交織，相當復雜，因此，賽道導線相互之間離得很近時，易于使電感線圈傳感器誤判，這就產生了結構化賽道導線之間的干擾。而當兩電感線圈傳感器的距離較近時，會產生一路電感線圈傳感器不僅感應導線產生的磁場，甚至也受到臨路電感線圈傳感器的干擾，這樣便產生了電感線圈傳感器之間的相互干擾。同時，當電感線圈傳感器離驅動電路或者電機很近時，產生的干擾更為嚴重，對于驅動電路，電路中的pwm信號會產生干擾，對于電機，電機產生的磁場會產生干擾

49、。這樣就產生了車子上工作的pwm信號和電機工作時產生的磁場對電感線圈的干擾。5.4.1結構化賽道導線之間干擾的消減:由于結構化賽道我們無法提前預知，所以我們無法提前預知磁場如何交織疊加。而為了減小結構化賽道導線之間的干擾，我們采用兩種方式，（1）不用“前瞻”，使用“臥式”電感線圈傳感器，其特性是衰減快，對于“巡線”，程序易于實現(xiàn)，（2）減小“前瞻”，對于“立式”電感線圈傳感器，干擾是很大的，將電感線圈傳感器電路的放大倍數(shù)減小。5.4.2電感線圈傳感器之間的干擾的消減經過理論研究和大量實驗，我們采用特殊體位（互相垂直）克服相互電感線圈傳感器之間的干擾。5.4.3車子上工作的pwm信號和電機工作時

50、產生的磁場對電感線圈干擾的消減為了電磁屏蔽，采用鋁箔將車子上所有導線包住，并且用鋁箔把電機包住。為了防止電路板短路，在鋁箔與電路板之間再添加一層絕緣膠帶。這樣，即可以防短路，又可以利用絕緣膠帶作為鋁箔的襯子，防止鋁箔破損。5.5 舵機控制算法舵機作為車的方向控制結構，其控制算法直接影響到車的整體質量，如果舵機的控制算法不好，會導致舵機轉角不平滑，過彎時多次轉彎，使車速在彎道時大大的減小，因此，使舵機平滑及時的過渡是舵機機控制算法的主要目的。5.5.1車體與舵機轉角方向測定我們知道，當給舵機一個固定的角度的話，那么可以車將會一個恒定的半徑做圓周運動，因此，只需測出圓的周長，那么就可以算出車的轉彎

51、半徑。因此我們制作了一個計算智能車實時監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在車兩次經過同一點時計錄在這段時間內的碼盤計數(shù)總值，通過該值的推算，就可算出圓的周長。為了消除偶然誤差的影響，我們采用了多次實驗取平均值的方式來算出舵機pwm占空比對應的車轉彎半徑。實際數(shù)據見附錄：經過matlab擬合，實驗的對應圖如圖5.5和圖5.6所示: 圖5.5轉彎半徑pwm占空比實際圖 圖5.6轉彎半徑pwm占空比實際圖5.5.2舵機轉向角度分配舵機轉角的分配一般分為兩種方式，分別為1：查表方式，即每種電感線圈傳感器狀態(tài)對應一個舵機轉角。該方式具有反應速度快，控制策略簡單，時實性強的特點，但是賦值是離散化的，因此造成了舵機轉向不

52、連續(xù)，無法進行預測功能的缺點。2：pid方式，即使用pid調節(jié)方式對舵機進行控制，該方式在反應速度，舵機轉向連續(xù)以及轉角預測上都優(yōu)于查表方式，因此，在實際過程中，舵機控制我們采用了pid控制和模糊控制相結合的算法。pid控制就是根據系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的，p的作用僅是放大誤差的幅值，d能預測誤差變化的趨勢，i消除穩(wěn)態(tài)誤差，但i能產生嚴重超調，所以我們選擇了pd控制，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(pd)控制器能改善系統(tǒng)在 調節(jié)過程中的動態(tài)特性。但由于pid在控制非線性、

53、時變、耦合及參數(shù)和結構不確定的復雜過程時，工作地不是太好。最重要的是，如果pid控制器不能控制復雜過程，無論怎么調參數(shù)都沒用。5.5.3舵機pid整定對于pid控制的數(shù)據結構，我們需要的是反復調節(jié)pid的各個參數(shù)，使得舵機的控制達到最佳狀態(tài)。 由于實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)i值對舵機轉角的影響較小，而在直道與彎道上pid參數(shù)的最優(yōu)值p參數(shù)相差較大，因此采用的方法是p值分斷取值的pd調節(jié)方式，具體參數(shù)值為多組數(shù)據測量取較優(yōu)參數(shù)得到。5.6電機pid速度控制算法智能車系統(tǒng)速度控制是指用在一定的給定速度條件下，使電機轉速達到給定的速度。使用速度電感線圈傳感器檢測小車當前速度，與給定速度做比較，形成閉環(huán)反饋

54、控制。為了證明閉環(huán)控制的必要性，我們分別測試了電機在賽道上開環(huán)與閉環(huán)控制的響應曲線。5.6.1測試開環(huán)與閉環(huán)控制響應曲線在長直道上測試電機分別在開環(huán)與閉環(huán)pid控制之下的響應曲線，其實驗結果如圖5.7和5.8所示。圖5.7 開環(huán)控制占空比80%電機速度曲線圖5.7中橫軸為時間軸一格為1s，縱軸為單位采樣時間內碼盤數(shù)，開環(huán)控制占空比為80%，車速=比例因子*單位采樣時間內碼盤數(shù),比例因子為0.064。圖5.8 pid控制下電機響應曲線圖5.8是在增量式pid控制下，給定值1400，比例因子0.032,，橫軸一格為1s。從圖5.7中可以得到，開環(huán)控制在5 s后達到穩(wěn)定速度，即響應時間約為5s。在穩(wěn)

55、定之后，紋波較小。從圖5.8中可以得到，pid控制在參數(shù)未經過細調的情況下，響應時間約為1.2s，穩(wěn)定之后有5% 的紋波。對比圖5.7和圖5.8，發(fā)現(xiàn)閉環(huán)控制在響應速度上有很大的優(yōu)勢。在比賽中，若要求電機以最快速度響應設定值，因此閉環(huán)控制是必須的。5.6.2測試開環(huán)控制下pwm占空比與電機轉速之間的關系為了在控制策略中分配給電機合適的速度，需要知道pwm占空比與電機轉速之間的關系。為此，做了以下測試。在長直道上分別給不同的占空比，測的單位采樣時間內碼盤值，比例因子0.064,其實驗結果如表5.1所示。表5.1 占空比與轉速關系數(shù)據表占空比穩(wěn)定后的速度(m/s)30%18*0.06435%25*

56、0.06440%31*0.06445%37*0.06450%43*0.06455%49*0.06460%56*0.06465%63*0.06470%71*0.06475%76*0.06480%80*0.064matlab中繪圖并擬合曲線如圖5.9：圖5.9 pwm占空比與電機轉速曲線與擬合曲線若以p代表pwm占空比，s代表電機轉速，則得以下關系式： 從圖5.9中可以看出，pwm占空比與電機轉速近似為線性關系。5.6.3 bang_bang 控制 bang_bang控制的思想是反饋值若比設定值小，就把控制值設置為最大，否則設置為最小，用公式表示為： （7）由于這種控制方式會有較快的響應速度，測試

57、bang_bang 控制的響應曲線如下圖:、圖5.10 bang_bang 控制設定值1000下的響應曲線從圖中可知，bang_bang控制響應時間約為1s，但是有較大的紋波。在起速階段有一小段的快加速階段。為了減少bang_bang 控制的紋波，我們對bang_bang 控制作了改進。思想是在反饋值比設定值小時，并不直接賦予控制值為最大，而是逐次遞加，反之亦然。圖5.11 1次遞加bang_bang 控制設定值800由圖5.11中可以看出，經過改進后，響應時間更短了一點，而且紋波有大幅度減小。而對于遞加的次數(shù)需要實際測試。為此分別測試了遞加5次，10次的情況。圖5.12 5次遞加bang_b

58、ang控制設定值800圖5.13 10次遞加bang_bang控制設定值800對比圖5.11-圖5.13可以看出，10次遞加紋波最小，而2次遞加初始加速最快。5.6.4 pid控制模糊理論是解決由于辨識精確度影響控制優(yōu)劣的有效途徑，運用模糊理論，可以在傳統(tǒng)pid控制的基礎上，自動實現(xiàn)對于pid參數(shù)的最佳調整，這就是模糊自適應pid控制。離散pid控制算法為(8)模糊自適應pid控制器以誤差和誤差變化作為輸入（利用模糊控制規(guī)則在線對pid參數(shù)進行修改），以滿足不同時刻的和對pid參數(shù)自整定的要求。自適應模糊pid控制器結構如圖5.14所示。圖5.14 自適應模糊pid控制器結構圖在本設計中，pi

59、d參數(shù)自整定的思想就是先找出 pid控制器的 3個參數(shù)、和與偏差和偏差變化率之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測和，再根據模糊控制規(guī)則來對3個參量進行在線修改，以滿足不同和對控制器參數(shù)的不同要求，如圖5.15，為與在控制過程中自整定的波形圖。被控對象在對于控制量的跟蹤情況也表現(xiàn)出了良好的動、靜態(tài)性能，如圖5.16所示。將算法應用在智能車的舵機和電機控制中，收到了較好的控制效果。 圖5.15 與自整定波形 圖5.16 控制量跟蹤波形圖5.6.5 pid參數(shù)整定在實測中，首先單獨使用比例控制，發(fā)現(xiàn)比例大于100時，便會出現(xiàn)明顯的震蕩，最終在30至40 之間發(fā)現(xiàn)效果比較好。然后在比例基礎上加了積分與微分。并測試了多組參數(shù)，之后得到當比例參數(shù)40，積分參數(shù)100，微分參數(shù)20的曲線為較優(yōu)曲線，其實驗結果如圖5.17所示。圖5.17 pid調節(jié)p30i80d40該曲線與bangbang控制曲線相對比，具有響應時間更快，紋波也較小的優(yōu)點。因此最終速度控制選定pid控制方式。5.6.6速度分配電機控制我們使用了bang-bang控制算法,在隨動系統(tǒng)控制中，pid控制具有結構簡單且在對象模型不確知的情況下也可達到有效控制的特點，但對模型參數(shù)變化及干擾的適應能力較差。bang-bang控制在系統(tǒng)偏差大，可加大系統(tǒng)的控制力度，提高系統(tǒng)的快速性，經試驗證明bang-bang控制在