飛思卡爾智能車競(jìng)賽光電平衡組——技術(shù)報(bào)告

1、第八屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽技 術(shù) 報(bào) 告 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全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽關(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： 摘 要本文以第八屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車比賽為背景，在“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵(lì)探索，追求卓越”的指導(dǎo)思想下，自主設(shè)計(jì)并制作出基于電磁引導(dǎo)的智能車系統(tǒng)，而且在此基礎(chǔ)上研究

2、了一套切實(shí)可行的路徑取優(yōu)方案。并且其超強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力有望在未來得以大范圍的應(yīng)用。 本系統(tǒng)主要由mc9s12xs128控制核心、電源管理單元、路徑識(shí)別電路、車速檢測(cè)模塊、舵機(jī)控制單元和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元組成，以飛思卡爾公司的16位單片機(jī)s12為控制核心，路徑識(shí)別和車速的檢測(cè)相結(jié)合，通過對(duì)不同方位的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析來控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使智能車系統(tǒng)達(dá)到所需的穩(wěn)定性及快速性要求。本文詳細(xì)的介紹了智能汽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和理論分析以及模型車的控制算法設(shè)計(jì)。本智能車采用了適合智能精確控制的pid算法，首先對(duì)系統(tǒng)的模型進(jìn)行了分析，從而選擇合適的算法，其次，根據(jù)不同方位傳

3、感器特性而設(shè)計(jì)出的傳感器模塊進(jìn)行了簡(jiǎn)要說明，然后介紹了所使用的數(shù)據(jù)擬合和路徑取優(yōu)的算法。關(guān)鍵詞：智能汽車，pid控制，傳感器，直流電機(jī)，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(xiàn)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(jié)構(gòu)與模型12.1.2模糊pid控制器設(shè)計(jì)22.2 測(cè)量模塊方案選擇32.2.1 路徑檢測(cè)模塊32.2.2 速度檢測(cè)模塊32.2.3 起跑線檢測(cè)模塊32.3 控制模塊方案選擇42.3.1 路徑控制模塊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

4、執(zhí)行模塊72.4.3 速度執(zhí)行模塊72.5本章小結(jié)8第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diào)整93.2.3 差速的調(diào)整103.2.4 舵機(jī)力臂的調(diào)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(shù)參數(shù)13第四章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)144.1 電源模塊144.1.1 電源保護(hù)154.1.2 降壓穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)一154.1.3 降壓穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)二164.1.4 電源模塊小結(jié)164.2 路徑識(shí)別模塊174.3 電機(jī)模塊184.4 舵機(jī)模塊194.5 測(cè)速傳感器模塊19第五章

5、 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)205.1 系統(tǒng)初始化205.2路徑識(shí)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(jié)構(gòu)化賽道導(dǎo)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(hào)和電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)電感線圈干擾的消減245.5 舵機(jī)控制算法255.5.1車體與舵機(jī)轉(zhuǎn)角方向測(cè)定255.5.2舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度分配265.5.3舵機(jī)pid整定265.6電機(jī)pid速度控制算法265.6.1測(cè)試開環(huán)與閉環(huán)控制響應(yīng)曲線275.6.2測(cè)試開環(huán)控制下pwm占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系285.6.3 bang_bang 控

6、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(diào)試346.1 軟件開發(fā)環(huán)境介紹346.2 智能車整體調(diào)試356.2.1 舵機(jī)調(diào)試356.2.2 電機(jī)調(diào)試356.2.3 整體調(diào)試36第七章 結(jié)論37參考文獻(xiàn)i附錄a：控制程序ii附錄b：電路板詳細(xì)原理圖viiiii 第二章 方案選擇第一章 引 言1.1 比賽背景介紹 為加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，促進(jìn)高等教育教學(xué)改革，受教育部高等教育司委托(教高司函 2005201號(hào)文)，由教育部高等自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)化分教指委）主辦全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽。該競(jìng)賽以智能汽車為

7、 研究對(duì)象的創(chuàng)意性科技競(jìng)賽，是面向全國大學(xué)生的一種具有探索性工程實(shí)踐活動(dòng)，是教育部倡導(dǎo)的大學(xué)生科技競(jìng)賽之一。該競(jìng)賽以“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵(lì)探索，追求卓越”為指導(dǎo)思想，旨在促進(jìn)高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識(shí)運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣 和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)際、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)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(jìng)賽由競(jìng)賽秘書處為各參賽隊(duì)提供/購置規(guī)定范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)硬軟件技術(shù)平臺(tái)，競(jìng)賽過程包括理論設(shè)計(jì)、實(shí)際制作、整車調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)比賽等環(huán)節(jié)，要求學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，協(xié)同工作，初步體會(huì)一個(gè)工程性的研究開發(fā)項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的全過程。該競(jìng)賽融

8、科學(xué)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(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械與汽車等多學(xué)科專業(yè)的創(chuàng)意性比賽。該競(jìng)賽規(guī)則透明，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)客觀，堅(jiān)持公開、公平、公正的原則，保證競(jìng)賽向健康、普及，持續(xù)的方向發(fā)展。該競(jìng)賽以飛思卡爾半導(dǎo)體公司為協(xié)辦方，得到了教育部相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、飛思卡爾公司領(lǐng)導(dǎo)與各高校師生的高度評(píng)價(jià)，已發(fā)展成全國30個(gè)省市自治區(qū)近300所高校廣泛參與的全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽。2008 年起被教育部批準(zhǔn)列入國家教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程資助項(xiàng)目中科技人文競(jìng)賽之一（教高司函200730 號(hào)文）。全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽原則上由全國有自動(dòng)化專業(yè)的高等學(xué)校

9、（包括港、 澳地區(qū)的高校）參賽。競(jìng)賽首先在各個(gè)分賽區(qū)進(jìn)行報(bào)名、預(yù)賽，各分賽區(qū)的優(yōu)勝隊(duì)將參加全國總決賽。每屆比賽根據(jù)參賽隊(duì)伍和隊(duì)員情況，分別設(shè)立光電組、攝像頭組、電磁組、創(chuàng)意組等多賽題組別。每個(gè)學(xué)校可以根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則選報(bào)不同組別的參賽隊(duì)伍。全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽組織運(yùn)行模式貫徹“政府倡導(dǎo)、專家主辦、學(xué)生主體、社會(huì)參與”的 16 字方針，充分調(diào)動(dòng)各方面參與的積極性。 全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽一般在每年的10月份公布次年競(jìng)賽的題目和組織方式，并開始接受報(bào)名，次年的3月份進(jìn)行相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，7 月份進(jìn)行分賽區(qū)競(jìng)賽，8 月份進(jìn)行全國總決賽。大賽根據(jù)道路檢測(cè)方案不同分為電磁、光電平衡與攝像頭三個(gè)賽題組。使用四輪

10、車模通過感應(yīng)由賽道中心電線產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)進(jìn)行路經(jīng)檢測(cè)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(diǎn)的方式進(jìn)行進(jìn)行路經(jīng)檢測(cè)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(xiàn)綜述本文系統(tǒng)的介紹了制作智能模型車的各項(xiàng)技術(shù)。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(jiǎn)述了智能車制作技術(shù)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(gè)不同的模塊，分別從各個(gè)模塊討論本智能車系統(tǒng)及所采用的控制方案。在此，本智能車系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為測(cè)量模塊、控制模塊和執(zhí)行模

11、塊。第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本章重點(diǎn)介紹了智能車的搭建與調(diào)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(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 本章分析了智能車系統(tǒng)的各組成部分，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)相關(guān)特定功能的電路，達(dá)到抑制噪聲和對(duì)其他電路干擾最小的效果。第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本章介紹了本智能車系統(tǒng)的初始化，傳感器數(shù)據(jù)歸一化、閾值設(shè)定和路徑取優(yōu)的方法。第六章 開發(fā)與調(diào)試 本章介紹了軟件開發(fā)的環(huán)境，以及各部分的調(diào)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(jié) 本章對(duì)全文的工作進(jìn)行分析和總結(jié)，指出今后研究工作的重點(diǎn)和發(fā)展方向。介紹了幾個(gè)月來的工作，對(duì)未來

12、進(jìn)行了展望。vii 第二章 方案選擇第二章 方案選擇電磁引導(dǎo)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(yīng)性，相對(duì)于光電或攝像頭引導(dǎo)的智能車具有很大的優(yōu)勢(shì)。但是由于其相對(duì)單一的外部信息獲取方法和相對(duì)簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)僅僅可以滿足自主循跡的要求，對(duì)于其控制律結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(hù)、信號(hào)調(diào)理與傳輸?shù)雀倪M(jìn)則可以使智能車的運(yùn)行更加穩(wěn)定，對(duì)干擾的抑制能力更強(qiáng)，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(jié)構(gòu)與模型 系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖從

13、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及各個(gè)環(huán)節(jié)的特性來分析，該控制系統(tǒng)為一個(gè)二階系統(tǒng)。系統(tǒng)中：為伺服電機(jī)時(shí)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(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向角度；為了保證系統(tǒng)合適的響應(yīng)性能，通過調(diào)節(jié)使阻尼比左右，控制過程的建模分析以驅(qū)動(dòng)輪1為例。驅(qū)動(dòng)輪1和相關(guān)部件組成了一個(gè)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(jù)二階系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)形式可得到： (2)于是有，將上式與分別帶入系統(tǒng)的峰值時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間的公式則得到峰值時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量表達(dá)式： (3) (4) (5)峰值時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量是控制系統(tǒng)的三個(gè)重要性能指標(biāo)，這三個(gè)指標(biāo)為軟件控制方法的選擇和參數(shù)整定提供依據(jù)。2.1.2模糊pi

14、d控制器設(shè)計(jì)模糊理論是解決由于辨識(shí)精確度影響控制優(yōu)劣的有效途徑，運(yùn)用模糊理論，在傳統(tǒng)pid控制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了pid參數(shù)的動(dòng)態(tài)自整定。離散pid控制算法為：模糊自適應(yīng)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(duì)pid參數(shù)進(jìn)行修改），以滿足不同時(shí)刻的和對(duì)pid參數(shù)自整定的要求。自適應(yīng)模糊pid控制器結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。圖2.2自適應(yīng)模糊pid控制器結(jié)構(gòu)圖2.2 測(cè)量模塊方案選擇2.2.1 路徑檢測(cè)模塊路徑識(shí)別模塊是智能車系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識(shí)別方案的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣。通過大量的實(shí)驗(yàn)與研究，最終掌握了不同方位的傳感器的數(shù)據(jù)特性，將其加以有效的結(jié)合將有助于路徑取優(yōu)

15、，以期達(dá)到快速穩(wěn)定的效果。所謂電磁引導(dǎo)就是以電感線圈為傳感器，在交變的磁場(chǎng)中產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，通過返回的數(shù)據(jù)判斷金屬線的位置，配之以傳感器的排列方法、個(gè)數(shù)、彼此之間的間隔都與控制方法來實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，但一般的認(rèn)識(shí)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(yuǎn)，行駛效率將越高3,4。在前瞻問題中，根據(jù)傳感器的方位不同，可將所有傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，推斷出前方路徑。2.2.2 速度檢測(cè)模塊 好的控速效果是建立在精確的反饋的基礎(chǔ)上的，同時(shí)也是各種速度控制算法的基礎(chǔ)。在初期的調(diào)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(dāng)前速度，但我們發(fā)現(xiàn)這種方法產(chǎn)生的信號(hào)并不整齊，影響速度的采集

16、。最后我們放棄了這種方案而改用信號(hào)比較整齊精確的光電編碼器來測(cè)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(hào)接至ph1口，在單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)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(jìn)而根據(jù)齒輪的比例就能計(jì)算出小車的實(shí)際速度。2.2.3 起跑線檢測(cè)模塊起跑線檢測(cè)使用干簧管。經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)干簧管放在車前能更好的檢測(cè)到起跑線。為了減少震動(dòng)對(duì)干簧管的影響和檢測(cè)的準(zhǔn)確性，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)電路板，上面焊接6個(gè)并聯(lián)的干簧管,本文所設(shè)計(jì)的起跑線檢測(cè)pcb圖如圖2.3所示：圖2.3 起跑線檢

17、測(cè)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(jìng)賽的要求是制作的智能車在專門設(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，誰就是獲勝者。所以對(duì)于模型車的路徑規(guī)劃是關(guān)系到能否在短時(shí)間內(nèi)跑完全程取得優(yōu)異成績的關(guān)鍵因素。結(jié)合以往的比賽情況，電磁引導(dǎo)現(xiàn)主要有兩種控制方法：(1) 跟蹤電磁導(dǎo)線，以電磁導(dǎo)線為基準(zhǔn)，將小車幾何中心控制在電磁導(dǎo)線上，主要是經(jīng)典pid控制方法；(2) 適合跑道，通過整體傳感器數(shù)據(jù)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(nèi)，可以算作一種智能的模糊控制方法。無論采用何種控制方法，為了達(dá)到時(shí)間最短，必須對(duì)小車的行使路

18、線進(jìn)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(chǎng)復(fù)合效應(yīng)），一般的，賽道的形狀主要有3種形式，如圖2.4所示。 直線 轉(zhuǎn)彎 波浪圖2.4 賽道的三種基本形狀對(duì)于彎道，應(yīng)采取盡量沿著內(nèi)圈行駛的策略，如圖2.5所示。對(duì)于波浪道，應(yīng)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(shí)小車行駛路線圖2.6 波浪道小車行駛路線對(duì)兩種控制方法的優(yōu)化：(1) 跟蹤電磁導(dǎo)線方法對(duì)路線的優(yōu)化：跟蹤電磁導(dǎo)線對(duì)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(dòng)態(tài)性能對(duì)路線優(yōu)化。直道時(shí)響應(yīng)快速、平緩，需要綜合調(diào)節(jié)各參數(shù)。彎道時(shí)可以將超調(diào)量適當(dāng)放大、調(diào)節(jié)時(shí)間減小，或者進(jìn)行

19、超前控制。波浪時(shí)應(yīng)將超調(diào)量減小、調(diào)節(jié)時(shí)間加大，或者進(jìn)行滯后控制。對(duì)于波浪，跟蹤電磁導(dǎo)線方法很難做到最優(yōu)的直線穿越，但可以采取相應(yīng)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(duì)路線的優(yōu)化適合跑道的方法對(duì)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(jù)以上信息算出小車在下一段時(shí)間內(nèi)的行駛路線。這種方法的重點(diǎn)主要是對(duì)行駛路線所采用的計(jì)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 兩種方法的比較跟蹤電磁導(dǎo)線適合跑道復(fù)雜程度一般較復(fù)雜穩(wěn)定性較

20、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(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)的。舵機(jī)的控制是通過周期固定的脈沖信號(hào)控制的，舵機(jī)的轉(zhuǎn)位正比于脈沖的寬度，這個(gè)連續(xù)的脈沖信號(hào)可以由pwm實(shí)現(xiàn)。舵機(jī)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻率為50hz的基準(zhǔn)信號(hào)，通過基準(zhǔn)信號(hào)與外部所給pwm波的正脈沖持續(xù)時(shí)間進(jìn)行比較，從而確定轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)角的大小。當(dāng)所加pwm波的頻率為50hz時(shí)，脈寬與轉(zhuǎn)角之間滿足下圖2.8所示的線性關(guān)系。圖2.8 脈寬與轉(zhuǎn)角之間的線性關(guān)系因此本文對(duì)舵機(jī)的控制采用離散pid控制，即根據(jù)電感線圈返回的數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻車與黑線的精確夾角，然后對(duì)方向控制量進(jìn)行校正。2.3.2 速度控制模塊本屆大賽組委會(huì)規(guī)定使用的后輪驅(qū)

21、動(dòng)電機(jī)型號(hào)為rs380-st/3545，工作在7.2v電壓下，空載電流為0.5a，轉(zhuǎn)速為15300 r/min。在工作電流為2.85a，轉(zhuǎn)速達(dá)到13100 r/min 時(shí)，工作效率最大。由于單片機(jī)輸出的脈寬無法驅(qū)動(dòng)大賽提供的直流電機(jī)，因此需要通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片bts7960b驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。由于單片機(jī)帶有pwm輸出端口，pwm波獲取方便，為了加強(qiáng)靈活性，能實(shí)時(shí)改變控制量，所以我們利用pwm脈寬與速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)電機(jī)進(jìn)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(hào)，由單片機(jī)進(jìn)行ad轉(zhuǎn)換進(jìn)行相應(yīng)處理6，根據(jù)其結(jié)果找到金屬線以便對(duì)路徑進(jìn)行識(shí)別。2.4

22、.2 方向執(zhí)行模塊本智能車的方向執(zhí)行機(jī)構(gòu)是舵機(jī)s3010，舵機(jī)控制采用pwm技術(shù)，不同占空比對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)角21。由于舵機(jī)內(nèi)部含有自帶的比較電平，有利于精確控制。舵機(jī)的額定電壓一般是6v，本模型車舵機(jī)額定電壓為6v。當(dāng)額定電壓為6v時(shí)，功率通常更強(qiáng)勁，速度也更快。這意味著只要提高舵機(jī)的電壓，就可以獲得更大的功率輸出和更快的速度。對(duì)于提高電壓這種未經(jīng)認(rèn)可的做法，每一家廠家的舵機(jī)反應(yīng)也不盡相同。經(jīng)實(shí)踐認(rèn)證，本模型車的舵機(jī)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(jī)的響應(yīng)時(shí)間對(duì)于控制非常重要，一方面可以通過修改pwm周期獲得。另一方面也可以通過機(jī)械方式，利用舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角余量

23、，將角度進(jìn)行放大，加快舵機(jī)響應(yīng)速度。本文在后面的模型車改裝中將詳細(xì)介紹。2.4.3 速度執(zhí)行模塊本智能車的速度執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電機(jī)rs380-st/3545，采用pwm控制，利用脈寬占空比與速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行調(diào)速。采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片bts7960b7，兩片組成“h”橋，可以快速實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，從而對(duì)速度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，精確控制。2.5本章小結(jié)根據(jù)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san章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在智能車比賽中，最主要的比賽內(nèi)容是速度，而模型車的機(jī)械結(jié)構(gòu)無疑是影響速度的關(guān)鍵因素之一

24、。鑒于此，我們對(duì)模型車的機(jī)械結(jié)構(gòu)做了很多的改進(jìn)工作，進(jìn)行了大量的調(diào)整，達(dá)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(gè)：磁場(chǎng)傳感器在同一位置可以有不同方向傳感器，計(jì)為一個(gè)傳感器。3.伺服電機(jī)型號(hào)：s3010，伺服電機(jī)數(shù)量不超過3個(gè)。4.電機(jī)型號(hào)：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(jiǎn)單，實(shí)則需要很多的耐心和經(jīng)驗(yàn)。首先，仔細(xì)閱讀說明書。通過閱讀模型車的裝配圖，可以了解各個(gè)不同零件的用

25、途和安裝順序。然后，根據(jù)模型車的裝配圖組裝智能車模型。由經(jīng)驗(yàn)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(zhì)均為塑料，在擰螺絲以及對(duì)零件進(jìn)行加工時(shí)要格外的小心，以免損壞。3.2.2 前輪定位的調(diào)整在調(diào)試中我們發(fā)現(xiàn)，模型車過彎時(shí)，轉(zhuǎn)向舵機(jī)的負(fù)載會(huì)因?yàn)檐囕嗈D(zhuǎn)向角度增大而增大。為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機(jī)負(fù)載，我們對(duì)前輪定位進(jìn)行了調(diào)整。前輪定位的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)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(nèi)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

26、縱向平面內(nèi)的夾角。主銷內(nèi)傾角是主銷軸線與地面垂直線在汽車橫向斷面內(nèi)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(nèi)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(huì)使得模型車轉(zhuǎn)向沉重，從而使舵機(jī)轉(zhuǎn)向存在嚴(yán)重的滯后，故在模型車中將主銷后傾角調(diào)整為0度；主銷內(nèi)傾角過大不僅會(huì)使得轉(zhuǎn)向變得沉重，還將加速輪胎的磨損，因此將主銷內(nèi)傾角控制在5度以內(nèi)；前輪外傾角和前輪前束分別設(shè)為0度、0mm。3.2.3 差速的調(diào)整模型車的差速對(duì)轉(zhuǎn)彎時(shí)的影響很大，差速不好會(huì)導(dǎo)致后輪空轉(zhuǎn)，發(fā)生側(cè)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(jìn)

27、差速裝置，使得模型車在轉(zhuǎn)向時(shí)，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(zhuǎn)向性能。3.2.4 舵機(jī)力臂的調(diào)整相對(duì)于s12單片機(jī)的處理速度，舵機(jī)的響應(yīng)存在著較大的延時(shí)，對(duì)舵機(jī)的改造著實(shí)需要。在相同的舵機(jī)轉(zhuǎn)速條件下，轉(zhuǎn)向連桿在舵機(jī)一端的連接點(diǎn)離舵機(jī)軸心距離越遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向變化越快，本模型車中通過用轉(zhuǎn)向盤代替舵機(jī)上的曲柄來增大舵機(jī)的上連接點(diǎn)到舵機(jī)中心的距離，增加了輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，使得前輪在轉(zhuǎn)向時(shí)更加靈敏，對(duì)舵機(jī)的改造如圖3.1所示。圖3.1 舵機(jī)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(dá)到準(zhǔn)確檢測(cè)道路信息

28、的要求，又可以減少傳感器整體的重量。靠近邊緣處對(duì)稱排列各兩路“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(jù)特性模型車傳感器的架設(shè)主要要考慮一下幾個(gè)因素8：1、確保各路電感線圈對(duì)稱，如若排列中心不居中，而處理程序?qū)Χ鏅C(jī)輸出量是居中的，這樣就會(huì)導(dǎo)致模型車在直道上也會(huì)存在左右擺動(dòng)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(yuǎn)的道路信息，由于對(duì)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(shè)一定要是固定不變的，因?yàn)閷?duì)應(yīng)的調(diào)試程序是根據(jù)電感線

29、圈的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(duì)方向的要求則非常嚴(yán)格，因?yàn)榻嵌鹊牟煌瑫?huì)導(dǎo)致線圈本身的數(shù)據(jù)特性發(fā)生變化，只是數(shù)據(jù)不對(duì)稱，會(huì)產(chǎn)生控制不精確現(xiàn)象。3.4光電編碼器的安裝對(duì)光電編碼器的安裝，可以將光電盤碼安裝在電機(jī)軸上，通過先計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速再來計(jì)算模型車后驅(qū)動(dòng)軸得知車速。但是，這種方法太麻煩，并且在電機(jī)軸上裝光電碼盤會(huì)影響電機(jī)的性能。所以，我們將光電碼盤安裝在模型車后驅(qū)動(dòng)軸羅盤上，根據(jù)光電傳感器的輸出脈沖計(jì)算不同時(shí)刻模型車的后輪轉(zhuǎn)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.

30、5 電路板的固定與安裝設(shè)計(jì)時(shí)，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(jiǎn)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(jiǎn)潔，便于拆卸。本系統(tǒng)所采用的電路板連接結(jié)構(gòu)圖如圖3.5所示： 圖3.5 電路板連接圖3.6 車模技術(shù)參數(shù)表3.1 系統(tǒng)硬件參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)車模幾何尺寸（長、寬、高）

31、（毫米）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(gè)數(shù)電磁傳感器6；光電碼盤1,干簧管1新增加伺服電機(jī)個(gè)數(shù)無賽道信息檢測(cè)空間精度（毫米）3.5賽道信息檢測(cè)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(shè)計(jì)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)第四章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)硬件電路的設(shè)計(jì)是自動(dòng)控制器的基礎(chǔ)。智能汽車競(jìng)賽指定飛思卡爾公司s12系列的16位單片機(jī)mc9s12xs128作為核心

32、控制處理器。本智能車在組委會(huì)提供的開發(fā)板mc9s12evkc基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)，并增加了各種接口電路板組成整個(gè)硬件系統(tǒng)。下面將對(duì)硬件設(shè)計(jì)中除了單片機(jī)最小系統(tǒng)之外的其他幾個(gè)主要的模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。4.1 電源模塊電源模塊為系統(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，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲、防止干擾、過流保護(hù)和電路簡(jiǎn)單等方面進(jìn)行優(yōu)化?？煽康碾娫捶桨甘钦麄€(gè)硬件電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。全部硬件電路的電源由配發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)該包含多個(gè)

33、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。主要包括以下不同的電壓。5v電壓。主要為單片機(jī)系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)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(jī)、后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電源可以直接使用蓄電池兩端電壓。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)其他電路造成電磁干擾；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)

34、復(fù)位現(xiàn)像。為了克服啟動(dòng)電磁信號(hào)的干擾，在驅(qū)動(dòng)模塊中加入光耦隔離，實(shí)現(xiàn)“電光電”轉(zhuǎn)換，由于光耦合器輸入輸出互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性特點(diǎn)，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(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的干擾信號(hào)。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(dāng)電池電壓拉低之后，大電容放電，可以使單片機(jī)不會(huì)產(chǎn)生復(fù)位現(xiàn)象。4.1.1 電源保護(hù)在硬件電路設(shè)計(jì)的的過程中，最重要的就是電源部分的設(shè)計(jì)。在嵌入式應(yīng)用中出現(xiàn)的很多諸如靜電復(fù)位、過流擊穿，等問題都是由于電源設(shè)計(jì)不周全造成的。自恢復(fù)保險(xiǎn)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(shí)，及時(shí)的保證電源的安全，防止對(duì)于后

35、級(jí)電路造成損害。自恢復(fù)保險(xiǎn)絲的的動(dòng)作原理是一種動(dòng)態(tài)的能量平衡。正常情況下保險(xiǎn)絲處于低阻狀態(tài)，當(dāng)電流或者外部環(huán)境驟變，保險(xiǎn)絲就會(huì)處于高阻保護(hù)狀態(tài)，對(duì)于后級(jí)的電路產(chǎn)生保護(hù)。當(dāng)電流或施加的電壓回復(fù)正常，保險(xiǎn)絲自恢復(fù)。當(dāng)tvs兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，它能以極高的速度（最高達(dá)1*10-12秒）使其阻抗驟然降低，同時(shí)吸收一個(gè)大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個(gè)預(yù)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(shè)計(jì)使用一個(gè)自恢復(fù)保險(xiǎn)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(gè)雙向tvs，如圖4所示。在過流狀態(tài)下，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲內(nèi)阻增大，產(chǎn)生過流保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)靜電或瞬態(tài)干

36、擾時(shí)，tvs內(nèi)阻迅速變小，前級(jí)電源形成回路，保險(xiǎn)絲內(nèi)阻變大，保護(hù)了后級(jí)電路不受損壞，其原理圖如圖4.1所示：4.1 保險(xiǎn)絲tvs電路4.1.2 降壓穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)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(dòng)范圍僅為0.1v，精度較高，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，能夠滿足本智能車系統(tǒng)中各項(xiàng)要求。典型電路如圖3.1所示。我們最終應(yīng)用的降壓穩(wěn)壓電路就是在圖3.1的基礎(chǔ)上在輸入和輸出端加一個(gè)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

37、路設(shè)計(jì)二主要的穩(wěn)壓芯片是lm2940，足夠單片機(jī)使用。lm2940具有紋波小、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是效率較低，功耗大。對(duì)于單片機(jī)，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(duì)其進(jìn)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(jié)綜上，可以得到電源模塊所采用的電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4.4所示：圖4.4 電源模塊框圖4.2 路徑識(shí)別模塊電磁傳感器的設(shè)計(jì)主要包括：感應(yīng)線圈的選擇、信號(hào)選頻放大、整流與檢測(cè)等幾個(gè)方面，將會(huì)涉及到電磁場(chǎng)與波、高頻、模電等相關(guān)學(xué)科的知識(shí)。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

38、器檢測(cè)道路信息的流程如圖4.6所示。圖4.6 道路信息檢測(cè)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(cè)線圈采用組委會(huì)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(shí)現(xiàn)選頻電路，諧振頻率為。對(duì)于實(shí)際傳感器選擇的說明：電感線圈我們采用的是標(biāo)準(zhǔn)化的“工字型”電感線圈，這種線圈感應(yīng)面積大，靈敏度好，缺點(diǎn)是體積較大。實(shí)踐證明這種電感線圈綜合效果還不錯(cuò)，實(shí)際上我們只用兩個(gè)水平的線圈就可以完成尋跡功能，速度和穩(wěn)定性達(dá)到賽區(qū)的水平。缺點(diǎn)是太重，不穩(wěn)定，個(gè)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

39、6.8nf的電容相并聯(lián)后檢測(cè)磁場(chǎng)。在不加其他元件的情況下，直接用示波器查看檢測(cè)的波形（距導(dǎo)線8cm，豎直上方）為標(biāo)準(zhǔn)的20khz，峰峰值為300mv 的正弦波。4.3 電機(jī)模塊采用兩片bts7960搭成h橋驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)。bts7960是應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大電流半橋高集成芯片，它帶有一個(gè)p溝道的高邊mosfet、一個(gè)n溝道的低邊 mosfet和一個(gè)驅(qū)動(dòng) ic。集成的驅(qū)動(dòng)ic具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護(hù)的功能。bts7960通態(tài)電阻典型值為 16mq，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá) 43a。為方便使用，采用兩片bts7960并聯(lián)來達(dá)到全橋的效果。單片的

40、bts7960示意圖如圖4.7所示。圖 4.8 bts7960電路示意圖 但是控制信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中，會(huì)受到耦合在線路中干擾的影響，控制器與作動(dòng)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(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了“電光電”轉(zhuǎn)換。由于光耦合器輸入輸出互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性特點(diǎn)，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(jī)模塊 經(jīng)過測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)直接給舵機(jī)供電7.2v時(shí)舵機(jī)更加靈敏，所以我們直接將電池電壓

41、供給舵機(jī)。4.5 測(cè)速傳感器模塊 本智能車的測(cè)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(hào)以齒輪傳動(dòng)，用cd5420作為測(cè)速脈沖技術(shù)器。每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈都會(huì)輸出一定個(gè)數(shù)的脈沖，通過在單位時(shí)間內(nèi)測(cè)量得到的脈沖數(shù)，可以得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。測(cè)速脈沖計(jì)數(shù)器電路如圖4.9所示。圖4.10測(cè)速模塊示意圖第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)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(duì)單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)的初始化主要是對(duì)mc9s12xs128內(nèi)部各寄存器，各端口

42、進(jìn)行設(shè)置，并定義自變量，分配存儲(chǔ)空間，使之滿足系統(tǒng)要求。下面僅給出單片機(jī)初始化的結(jié)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(jié)合，選定單片機(jī)工作模式為普通彈片模式。時(shí)鐘設(shè)置：?jiǎn)纹瑱C(jī)內(nèi)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(chǔ)空間分配：對(duì)內(nèi)部地址資源的分配采用普通單片工作模式初始化時(shí)默認(rèn)的配置，即$0000到$0400為寄存器地址空間，$2000到$3fff為內(nèi)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

43、定的flash eeprom地址空間，其中$ff00到$ffff為中斷向量地址空間。復(fù)用端口設(shè)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(hào)輸出端口。各模塊初始化：pwm模塊0通道獨(dú)立使用，4、5通道合并為一16位的pwm通道使用；pwm時(shí)鐘選擇為總線頻率8分頻即3mhz；定時(shí)/計(jì)數(shù)器模塊全部通道設(shè)置為定時(shí)模式；時(shí)鐘選擇為總線頻率8分頻即3mhz；此外，初始化時(shí)也對(duì)下面需用到的自變量進(jìn)行了定義與賦初值，在此不作贅述。5.2路徑識(shí)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，智能車設(shè)計(jì)的大部分工作都是圍繞

44、它來展開的21。我們約定沿著電流前進(jìn)方向?yàn)閥軸，垂直y軸向上為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(biāo)系，同時(shí)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(jīng)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(gè)電感線圈傳感器，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了ad轉(zhuǎn)換，為了消除各個(gè)電感線圈傳感器之間的差異，我們對(duì)ad轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理。在對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的控制。這樣對(duì)有利于舵機(jī)的pid位置調(diào)節(jié)，并且能夠提高舵機(jī)響應(yīng)速度。(2) 前瞻使用3個(gè)電感線圈傳感器，模糊控制是基于啟發(fā)性的知識(shí)及語言決策規(guī)則設(shè)計(jì)

45、的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平，模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制。通過這兩種算法的結(jié)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(nèi)線跑，s彎可以基本直線行駛。（我們將在下面詳細(xì)介紹）5.3基于電感線圈排布理論分析由法拉第電磁感應(yīng)知道20： (1)使用高等數(shù)學(xué)的矢量積分容易得到直道的磁場(chǎng)分布： (2)所以進(jìn)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 max

46、well軟件分析電感線圈傳感器在同一地點(diǎn)不同方向得來得圖表：圖5.1 “立式”線圈 圖5.2 “大彎”內(nèi)磁場(chǎng)分布(1) bx是x的偶函數(shù)，在y軸兩側(cè)單調(diào);bz是x的奇函數(shù)（注：在此所有數(shù)全部取正），在y軸兩側(cè)沒有單調(diào)關(guān)系;(2) 在相同的高度下，bx幅值是bz的兩倍，但是在x=20的時(shí)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(fù)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(duì)遠(yuǎn)處道路狀況相對(duì)比較敏感，可以用來預(yù)測(cè)前方的彎道。圖5.3 “臥式”線圈各個(gè)電感線圈傳感器的布局間隔將影響車對(duì)路徑的識(shí)別精度以及對(duì)舵機(jī)的控

47、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)起始所需移動(dòng)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(shí)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(jī)控制算法成跳躍式響應(yīng)，造成軟件無法彌補(bǔ)的缺陷。經(jīng)過對(duì)于“臥式”電感線圈傳感器的理論分析和大量實(shí)驗(yàn)，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(dāng)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

48、種，一是結(jié)構(gòu)化賽道導(dǎo)線之間的干擾，二是電感線圈傳感器之間的相互干擾，三是車子上工作的pwm信號(hào)和電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)電感線圈的干擾，由于電感線圈傳感器的感應(yīng)電壓值和磁場(chǎng)方向以及磁感應(yīng)強(qiáng)度有著密切的聯(lián)系，當(dāng)賽道導(dǎo)線相互之間離得很近時(shí)，磁場(chǎng)相互交織，相當(dāng)復(fù)雜，因此，賽道導(dǎo)線相互之間離得很近時(shí)，易于使電感線圈傳感器誤判，這就產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)化賽道導(dǎo)線之間的干擾。而當(dāng)兩電感線圈傳感器的距離較近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一路電感線圈傳感器不僅感應(yīng)導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)，甚至也受到臨路電感線圈傳感器的干擾，這樣便產(chǎn)生了電感線圈傳感器之間的相互干擾。同時(shí)，當(dāng)電感線圈傳感器離驅(qū)動(dòng)電路或者電機(jī)很近時(shí)，產(chǎn)生的干擾更為嚴(yán)重，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路，電路

49、中的pwm信號(hào)會(huì)產(chǎn)生干擾，對(duì)于電機(jī)，電機(jī)產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生干擾。這樣就產(chǎn)生了車子上工作的pwm信號(hào)和電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)電感線圈的干擾。5.4.1結(jié)構(gòu)化賽道導(dǎo)線之間干擾的消減:由于結(jié)構(gòu)化賽道我們無法提前預(yù)知，所以我們無法提前預(yù)知磁場(chǎng)如何交織疊加。而為了減小結(jié)構(gòu)化賽道導(dǎo)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(duì)于“巡線”，程序易于實(shí)現(xiàn)，（2）減小“前瞻”，對(duì)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(jīng)過理論研究和大量實(shí)驗(yàn)，我們采用特殊體位（互相垂直）克服相互電感線圈傳

50、感器之間的干擾。5.4.3車子上工作的pwm信號(hào)和電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)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(dǎo)線包住，并且用鋁箔把電機(jī)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(jī)控制算法舵機(jī)作為車的方向控制結(jié)構(gòu)，其控制算法直接影響到車的整體質(zhì)量，如果舵機(jī)的控制算法不好，會(huì)導(dǎo)致舵機(jī)轉(zhuǎn)角不平滑，過彎時(shí)多次轉(zhuǎn)彎，使車速在彎道時(shí)大大的減小，因此，使舵機(jī)平滑及時(shí)的過渡是舵機(jī)機(jī)控制算法的主要目的。5.5.1車體與舵機(jī)轉(zhuǎn)角方向測(cè)定我們知道，當(dāng)給舵機(jī)一個(gè)固定的角度的話，那么可以車將會(huì)一個(gè)恒定的半

51、徑做圓周運(yùn)動(dòng)，因此，只需測(cè)出圓的周長，那么就可以算出車的轉(zhuǎn)彎半徑。因此我們制作了一個(gè)計(jì)算智能車實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在車兩次經(jīng)過同一點(diǎn)時(shí)計(jì)錄在這段時(shí)間內(nèi)的碼盤計(jì)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(shí)驗(yàn)取平均值的方式來算出舵機(jī)pwm占空比對(duì)應(yīng)的車轉(zhuǎn)彎半徑。實(shí)際數(shù)據(jù)見附錄：經(jīng)過matlab擬合，實(shí)驗(yàn)的對(duì)應(yīng)圖如圖5.5和圖5.6所示: 圖5.5轉(zhuǎn)彎半徑pwm占空比實(shí)際圖 圖5.6轉(zhuǎn)彎半徑pwm占空比實(shí)際圖5.5.2舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度分配舵機(jī)轉(zhuǎn)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(duì)應(yīng)一個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)角。該方式具有反應(yīng)速度快，控制策略簡(jiǎn)

52、單，時(shí)實(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，但是賦值是離散化的，因此造成了舵機(jī)轉(zhuǎn)向不連續(xù)，無法進(jìn)行預(yù)測(cè)功能的缺點(diǎn)。2：pid方式，即使用pid調(diào)節(jié)方式對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，該方式在反應(yīng)速度，舵機(jī)轉(zhuǎn)向連續(xù)以及轉(zhuǎn)角預(yù)測(cè)上都優(yōu)于查表方式，因此，在實(shí)際過程中，舵機(jī)控制我們采用了pid控制和模糊控制相結(jié)合的算法。pid控制就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的，p的作用僅是放大誤差的幅值，d能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，i消除穩(wěn)態(tài)誤差，但i能產(chǎn)生嚴(yán)重超調(diào)，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(fù)值，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+微分(pd)控制器能

53、改善系統(tǒng)在 調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。但由于pid在控制非線性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時(shí)，工作地不是太好。最重要的是，如果pid控制器不能控制復(fù)雜過程，無論怎么調(diào)參數(shù)都沒用。5.5.3舵機(jī)pid整定對(duì)于pid控制的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，我們需要的是反復(fù)調(diào)節(jié)pid的各個(gè)參數(shù)，使得舵機(jī)的控制達(dá)到最佳狀態(tài)。 由于實(shí)驗(yàn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)i值對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)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?jǐn)嗳≈档膒d調(diào)節(jié)方式，具體參數(shù)值為多組數(shù)據(jù)測(cè)量取較優(yōu)參數(shù)得到。5.6電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定的速度。使用速度電

54、感線圈傳感器檢測(cè)小車當(dāng)前速度，與給定速度做比較，形成閉環(huán)反饋控制。為了證明閉環(huán)控制的必要性，我們分別測(cè)試了電機(jī)在賽道上開環(huán)與閉環(huán)控制的響應(yīng)曲線。5.6.1測(cè)試開環(huán)與閉環(huán)控制響應(yīng)曲線在長直道上測(cè)試電機(jī)分別在開環(huán)與閉環(huán)pid控制之下的響應(yīng)曲線，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5.7和5.8所示。圖5.7 開環(huán)控制占空比80%電機(jī)速度曲線圖5.7中橫軸為時(shí)間軸一格為1s，縱軸為單位采樣時(shí)間內(nèi)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(shí)間內(nèi)碼盤數(shù),比例因子為0.064。圖5.8 pid控制下電機(jī)響應(yīng)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(dá)到穩(wěn)定速度，即響應(yīng)時(shí)間約為5s。在穩(wěn)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(jīng)過細(xì)調(diào)的情況下，響應(yīng)時(shí)間約為1.2s，穩(wěn)定之后有5% 的紋波。對(duì)比圖5.7和圖5.8，發(fā)現(xiàn)閉環(huán)控制在響應(yīng)速度上有很大的優(yōu)勢(shì)。在比賽中，若要求電機(jī)以最快速度響應(yīng)設(shè)定值，因此閉環(huán)控制是必須的。5.6.2測(cè)試開環(huán)控制下pwm占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為了在控制策略中