機(jī)械系統(tǒng)的模型車設(shè)計(jì)方案.doc

機(jī)械系統(tǒng)的模型車設(shè)計(jì)方案第一章 引言 本設(shè)計(jì)通過對(duì)以前歷屆智能小車的控制方案進(jìn)行比較和分析之后，自主設(shè)計(jì)了控制方案，完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。我們首先學(xué)習(xí)并掌握MC9S12XS128單片機(jī)的工作原理和實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)制作智能車的硬件設(shè)計(jì)，如傳感器設(shè)計(jì)布局和支架設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)設(shè)計(jì)等；制作智能車的電路設(shè)計(jì)，如電源模塊設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、傳感器電路設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)速傳感器電路設(shè)計(jì)等；緊接著對(duì)小車各模塊編譯程序并調(diào)試，整合后實(shí)現(xiàn)智能車沿黑色引導(dǎo)線穩(wěn)定行駛；然后通過大量的測(cè)試，分析小車在測(cè)試跑道上的運(yùn)行姿態(tài)，完成各種任務(wù)算法的軟件調(diào)試，并不斷的優(yōu)化、改進(jìn)硬件部分，使小車保持良好的狀態(tài)。在參閱大量的文獻(xiàn)，涉獵控制、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，我們小組最終完成了參賽小車的設(shè)計(jì)。這份報(bào)告中，我們通過對(duì)整體方案、電路、算法、調(diào)試、車輛參數(shù)的介紹，詳盡地闡述了我們的思想和創(chuàng)意，具體表現(xiàn)在電路的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以及算法方面的獨(dú)特想法。本文主要對(duì)以下幾個(gè)方面做研究：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，MC9S12單片機(jī)寄存器資源。相比于其它類型的單片機(jī)，16位的MC9S12的功能更加強(qiáng)大，功能引腳較多，能夠很好地滿足智能車控制系統(tǒng)的需要。其次，設(shè)計(jì)了智能車控制系統(tǒng)的硬件電路，包括各個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)方案以及相關(guān)電路。采用的方案以MC9S12單片機(jī)為核心，包括總體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，各部件需要的供電電源設(shè)計(jì)，傳感器電路設(shè)計(jì)，速度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)等。然后，進(jìn)行了軟件和算法的設(shè)計(jì)。根據(jù)傳感器采集的道路信息，經(jīng)處理分析之后，控制轉(zhuǎn)角和速度。實(shí)現(xiàn)智能汽車快速的完成賽道。 第二章 模型車設(shè)計(jì)方案概要系統(tǒng)由NTSC制式的CMOS攝像頭給出當(dāng)前跑道的信息，并用LM1881視頻場(chǎng)行信號(hào)分離芯片將NTSC制式的行同步信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)分別以中斷的形式提供MC9S12XS128智能核心，視頻信號(hào)經(jīng)過自行設(shè)計(jì)的硬件二值化電路連接到MC9S12XS128，單片機(jī)將圖像信息采集，獲得轉(zhuǎn)向信息，然后通過公式計(jì)算得到舵機(jī)應(yīng)該轉(zhuǎn)的角度，用PWM模塊向舵機(jī)發(fā)送控制信號(hào)，并根據(jù)前一次角度和次角度的變化來確定當(dāng)前的理論速度，然后用光電編碼器測(cè)得當(dāng)前的實(shí)際速度，將理論速度與實(shí)際速度進(jìn)行比較，用bang-bang控制策略控制速度，以使實(shí) 際速度值能夠達(dá)到當(dāng)前計(jì)算的理論速度。3第三章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第三章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 為了讓車能夠以更高的速度穩(wěn)定行駛，我們對(duì)A車車模進(jìn)行了全面系統(tǒng)的 分析。今年的車模和以前大體相同，因此我們?cè)诮梃b以前車模改造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)該車模進(jìn)行了全新的改造。在實(shí)際調(diào)試 ，我們發(fā)現(xiàn)減震彈簧對(duì)車在高速運(yùn)行 的穩(wěn)定性影響很大，并且高速運(yùn)行 舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)車轉(zhuǎn)向的靈活程度也有很大的影響。所以，我們?cè)谡嚨臋C(jī)械結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了如下的改進(jìn)：1.去掉減震彈簧，并用連桿支撐以降低重心。 2.對(duì)舵機(jī)安裝位置重新改造，并對(duì)其機(jī)械連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。3.去掉影響車行駛穩(wěn)定性的其他有關(guān)部件。 3.1 底盤連接方式的調(diào)整 原車模本身的底盤采用的是軟連接，并有減震彈簧，由于減震彈簧彈性太大，因此車在行駛過程中重心變化很大，導(dǎo)致小車在高速行駛的過程中會(huì)發(fā)生顫動(dòng)的情況。所以，我們?nèi)サ袅嗽嚹５膹椈?，底盤使用光刻板進(jìn)行剛性連接。這樣可以保證車在行駛過程重心的穩(wěn)定性，對(duì)于攝像頭采集圖像的穩(wěn)定度有很大的提高，調(diào)整部分如圖3.1所示： 圖3.1 底盤連接方式的改裝3.2 舵機(jī)安裝方式的調(diào)整我們組的舵機(jī)賽用直立安裝方案：該方案的優(yōu)點(diǎn)是：一、可以根據(jù)需要選擇舵機(jī)輸出桿的長(zhǎng)度，從而獲得所需要的靈敏度，但是舵機(jī)輸出桿的長(zhǎng)度也不能太長(zhǎng)，因?yàn)檫@會(huì)對(duì)舵機(jī)的輸出力矩有較高的要求，太長(zhǎng)會(huì)燒壞舵機(jī)。二、效率較高，舵機(jī)的單邊（例如取左邊）效率,對(duì)于長(zhǎng)連桿方案來說，左輪角在增大的同時(shí)，右輪角在減小，而且角是在 0-45度之間，同時(shí)的變動(dòng)也比較?。?5度-135度），因此長(zhǎng)連桿的效率變動(dòng)較小且效率較高。三、轉(zhuǎn)角大，由于長(zhǎng)連桿方案中舵機(jī)輸出桿的轉(zhuǎn)動(dòng)在同一個(gè)平面內(nèi)，當(dāng)其到達(dá)極限位置時(shí)，轉(zhuǎn)角比平行四邊形方案要大。4、 轉(zhuǎn)向更靈敏，因?yàn)榉糯蟊稊?shù)較平行四邊形方案要大。舵機(jī)的安裝方式如圖所示 3.3 舵機(jī)的機(jī)械調(diào)整 舵機(jī)轉(zhuǎn)向是整個(gè)控制系統(tǒng) 延遲較大的一個(gè)環(huán)節(jié)，為了減小此時(shí)間常數(shù)，通過改變舵機(jī)的安裝位置，而并非改變舵機(jī)本身結(jié)構(gòu)的方法可以提高舵機(jī)的響應(yīng)3第三章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)速度。分析舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向的原理可以發(fā)現(xiàn)，在相同的舵機(jī)轉(zhuǎn)向條件，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。這相當(dāng)于增大力臂長(zhǎng)度，提高線速度。針對(duì)上述特性，加長(zhǎng)了舵機(jī)臂，抬高了舵機(jī)，使得舵機(jī)的兩個(gè)桿基本在一個(gè)水平面。這樣安裝的優(yōu)點(diǎn)是改變了舵機(jī)的力臂，使轉(zhuǎn)向更靈敏,讓前輪轉(zhuǎn)向響應(yīng)更快。經(jīng)過上述改裝，可使整個(gè)小車在尋跡轉(zhuǎn)向 更加精確快速。 改造部分如圖3.2所示： 圖3.2 舵機(jī)的機(jī)械調(diào)整 3.4 攝像頭的安裝 為了降低并穩(wěn)定整車重心，需要嚴(yán)格控制CMOS攝像頭的安裝位置和重量，因此我們自行設(shè)計(jì)了輕巧的夾持組件，這樣可以獲得最大的圖像采集穩(wěn)定度。在確定攝像頭安裝位置時(shí)，我們兼顧攝像頭采集圖像的失真程度與整車的重心的位置，最終確定了一個(gè)比較合適的安裝位置。攝像頭的安裝位置如圖所示圖3.3 攝像頭的安裝3.5 底盤高度調(diào)整 在保證小車能夠正常過坡道的前提下，最大程度地降低小車底盤高度，使重心盡量降低，從而使車在轉(zhuǎn)彎時(shí)可以更加穩(wěn)定、快速。 5第四章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第四章硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)除大賽提供的MC9S12XS128的單片機(jī)最小系統(tǒng)以外，主要還包括四 個(gè)部分，即電源部分、視頻分離部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分和測(cè)速部分。 4.1 電源部分 驅(qū)動(dòng)電路板的電源模塊為系統(tǒng)其它各個(gè)模塊提供所需要的電源。設(shè)計(jì)中，噪聲、防止干擾和電路簡(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)。 系統(tǒng)所有硬件電路的電源由7.2V、2A/h的可充電蓄電池提供，然而 電路不同電路模塊的工作電壓和電流容量各不相同，因此需要將電池電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊所需電壓。 電源模塊總框圖如圖4.1所示：4.1.1 降壓電路設(shè)計(jì)由于本系統(tǒng)采用7.2V、2A/h的可充電鎳鎘的蓄電池供電，輸入電壓比較低，所以電源芯片宜選用低壓降的電源管理芯片。5V電源的獲得采用比較常見的穩(wěn)壓芯片有LM7805（輸入電壓需要大于7V）、LM2941,當(dāng)電源電壓不太低時(shí)它們就能正常工作。由于7805功耗較大，所以本系統(tǒng)采用LM2941穩(wěn)壓。LM2941為典型的TO-220封裝，輸入、地、輸出三個(gè)引腳，使用也比較方便，并且穩(wěn)壓芯片LM2941（工作壓差可以小于0.5V）能提供比較穩(wěn)定的5V電壓以滿足穩(wěn)定性的要求。三片LM2941穩(wěn)壓后的電源分配情況如下：1.電池電壓經(jīng)LM2941穩(wěn)壓后的5V電源驅(qū)動(dòng)單片機(jī)工作；2.電池電壓經(jīng)LM2941穩(wěn)壓后為舵機(jī)提供所需的5V電源并且為測(cè)速電路提供5V電源；3.電池電壓經(jīng)LM2941穩(wěn)壓后為分離芯片LM1881的正常工作提供穩(wěn)定的5V電壓并且為撥碼開關(guān)的上拉電阻提供5V電源。4.通過實(shí)際測(cè)試表明通過給單片機(jī)單片機(jī)等單獨(dú)供電可以有效減少其復(fù)位。轉(zhuǎn)向舵機(jī)的額定工作電壓為4.8V-6.0V，電壓越高響應(yīng)越快，舵機(jī)在6V供電時(shí)，響應(yīng)速度最快，所以對(duì)舵機(jī)采用6V供電。舵機(jī)在實(shí)際工作中，所需工作電流一般在幾十毫安左右，電壓無需十分穩(wěn)定。我們選用LM2941作為6V的電源管理芯片,它能通過改變可調(diào)電阻阻值調(diào)整輸出電壓。5V和6V的穩(wěn)壓電路如圖圖 4.2 降壓電路原理圖7第四章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1.2 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)LM2941是凌特公司生產(chǎn)的DCDC直流電壓轉(zhuǎn)換控制器。內(nèi)部含有震蕩電路，通過對(duì)外圍器件的選擇可以調(diào)節(jié)開關(guān)頻率；而改變外圍器件的接法可以組成升壓、降壓等多種電路；此外通過反饋該集成電路可以調(diào)整輸出。因此它是非常便于使用的一種DC-DC直流電壓轉(zhuǎn)換控制器。外圍電路與其內(nèi)部組成如圖4.3所示：圖4.3升壓電路原理圖4.2 視頻分離部分 攝像頭有兩個(gè)重要的指標(biāo)：分辨率和有效像素。分辨率實(shí)際上就是每場(chǎng)行同步脈沖數(shù)，這是因?yàn)樾型矫}沖數(shù)越多，對(duì)每場(chǎng)圖像掃描的行數(shù)也越多，分辨率也就越高。事實(shí)上，分辨率反映的是攝像頭的縱向分辨能力。有效像素常寫成兩數(shù)相乘的形式，如“320x240”，其中前一個(gè)數(shù)值表示單行視頻信號(hào)的精細(xì)程度，即行分辨能力；后一個(gè)數(shù)值為分辨率，因而有效像素=行分辨能力分辨率。NTSC信號(hào)如圖4.4所示：圖4.4 攝像頭視頻信號(hào)攝像頭的工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采集圖像上的點(diǎn)，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度一一對(duì)應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號(hào)端輸出。具體而言（參見圖2），攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，則輸出就是一段連續(xù)的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)的高低起伏反映了該行圖像的灰度變化。當(dāng)掃描完一行，視頻信號(hào)端就輸出一個(gè)低于最低視頻信號(hào)電壓的電平（如0.3V），并保持一段時(shí)間。這樣相當(dāng)于，緊接著每行圖像信號(hào)之后會(huì)有一個(gè)電壓“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標(biāo)志。然后，跳過一行后（因?yàn)閿z像頭是隔行掃描的），開始掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場(chǎng)的視頻信號(hào)，接著又會(huì)出現(xiàn)一段場(chǎng)消隱區(qū)。該區(qū)中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖，其中有個(gè)遠(yuǎn)寬于（即持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于）其它的消隱脈沖，稱為場(chǎng)同步脈沖，它是掃描換場(chǎng)的標(biāo)志。場(chǎng)同步脈沖標(biāo)志著新的一場(chǎng)的到來，不過，場(chǎng)消隱區(qū)恰好跨在上一場(chǎng)的結(jié)尾和下一場(chǎng)的開始部分，得等場(chǎng)消隱區(qū)過去，下一場(chǎng)的視頻信號(hào)才真正到來。攝像頭每秒掃描30 幅圖像，每幅又分奇、偶兩場(chǎng)，先奇場(chǎng)后偶場(chǎng)，故每秒掃描60場(chǎng)圖像。奇場(chǎng)時(shí)只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場(chǎng)時(shí)則只掃描偶數(shù)行。為了采集圖像信息，CPU需要根據(jù)行、場(chǎng)同步信號(hào)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換器來采集穩(wěn)定的圖像。由于視頻信號(hào)的變化很快，所以需要另外設(shè)計(jì)同步分離電路。在本方案中，使用了LM1881視頻同步分離集成塊，獲取視頻同步信號(hào)，將此同步信號(hào)連到單片機(jī)的中斷輸入端口。電路如圖4.5所示：9第四章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)圖4.5 視頻分離分模塊（LM1881）4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分我們采用目前比較成熟的BTS7960芯片搭建全橋電路。BTS7960是全集成的高電流輸出的半橋驅(qū)動(dòng)芯片，用兩片BTS7960及相應(yīng)電阻電容便可搭成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。4.4 測(cè)速部分為了使得賽車能以閉環(huán)控制系統(tǒng)行使，需要閉環(huán)控制車速，以使賽車在急轉(zhuǎn)彎以及長(zhǎng)直道時(shí)速度不至過快而沖出賽道。通過控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的PWM波的占空比可以控制車速，但是如果開環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，會(huì)受很多因素影響，例如電池電壓、電機(jī)傳動(dòng)摩擦力、道路摩擦力和前輪轉(zhuǎn)向角度等。這些因素會(huì)造成賽車運(yùn)行不穩(wěn)定。通過速度檢測(cè)，對(duì)車模速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，即可消除上述各種因素的影響，使得車模運(yùn)行得更穩(wěn)定。常見的速度檢測(cè)傳感器有測(cè)速發(fā)電機(jī)，光電測(cè)速傳感器，霍爾傳感器和光柵編碼器等。相比較而言，測(cè)速發(fā)電機(jī)的體積和質(zhì)量較大，用測(cè)速發(fā)電機(jī)會(huì)對(duì)小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生比較大的影響，光電測(cè)速傳感器（碼盤）容易受外界光線的干擾，而光柵編碼器體積小，精度高，同時(shí)也不易受到外界的干擾，因此我們決定采用光柵編碼器作為速度檢測(cè)傳感器。圖4.7 編碼器的安11第四章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.5 所用主要器件1.微控制器： MC9S12XS128(Freescale)2.路徑檢測(cè)模塊： 黑白CMOS攝像頭，輸出制式NTSC信號(hào)，頻率60Hz，312線3.后輪驅(qū)動(dòng)： A車模配套直流電機(jī)4.速度檢測(cè)模塊 編碼器：專用旋轉(zhuǎn)編碼器5.直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)元件： BTS79606.前輪轉(zhuǎn)向模塊 A車模配套舵機(jī)7.電源模塊 穩(wěn)壓芯片：LM2941,LT13718.電池： 7.2V鎳鎘電池 2000mAh第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)軟件部分是一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的靈魂，如果沒有一個(gè)好的軟件邏輯，再好的硬件配備都不起作用，并且，在硬件設(shè)施不是很好的情況下，軟件還可以彌補(bǔ)部分硬件的缺陷。軟件系統(tǒng)的說明分為以下幾個(gè)部分：攝像頭信息采集部分，攝像頭數(shù)據(jù)處理部分，光電編碼器信息采集與處理部分，舵機(jī)電機(jī)的控制部分。5.1 攝像頭信息采集部分?jǐn)z像頭是獲取賽道信息的傳感器，系統(tǒng)中使用的是NTSC制式的CMOS攝像頭。NTSC制式的圖像信息是30幀/秒，每一幀的圖像又分為奇偶兩場(chǎng)，每一場(chǎng)分為312.5行，奇場(chǎng)中只有奇數(shù)行，偶場(chǎng)中只有偶數(shù)行。每一行是53.3us，每個(gè)行之間有行消隱期，2個(gè)場(chǎng)之間也有場(chǎng)消隱期。所以，在使用PAL圖像信號(hào)的時(shí)候需要一個(gè)能夠標(biāo)示一個(gè)圖像場(chǎng)開始和一個(gè)標(biāo)示圖像行開始的同步信號(hào)，LM1881芯片就可以起到這樣的作用，下面是用LM1881芯片提取出來的同步信號(hào)的時(shí)序圖：圖 5.1 同步信號(hào)時(shí)序圖S12X單片機(jī)核擁有功能強(qiáng)大的ECT(Enhanced capture timer)模塊，即增強(qiáng)捕捉計(jì)數(shù)器模塊，可以捕捉外部的脈沖輸入，當(dāng)捕捉到脈沖輸入的時(shí)候可以中斷的形式通知CPU，然后CPU就可以進(jìn)行相應(yīng)的處理。此部分的程序源代碼見附錄。下面是圖像采集程序的程序流程圖5.2(圖像捕捉程序是整個(gè)程序的一部分，這里只給出圖像捕捉部分的程序流程圖)： 13第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 5.2 圖像信息處理部分從圖像中得到準(zhǔn)確的黑線的中心是系統(tǒng)靈活轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵。在參考了過去各種黑線提取方案后，發(fā)現(xiàn)在黑線提取時(shí)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：1.賽道的寬度2.跑道外底板顏色的干擾3.對(duì)圖像中的雜點(diǎn)的濾除所以我們的黑線提取方案特別在以下方面做出了改進(jìn)：1.對(duì)于圖像的畸變性處理時(shí)應(yīng)該分段2.應(yīng)該保證在電量不同的情況下都能正確的識(shí)別黑線3.根據(jù)求出的黑線位置做加權(quán)平均，求出黑線的位置。5.3 光電編碼器信息采集與處理部分系統(tǒng)中使用的光電編碼器的精度可以達(dá)到單相100個(gè)脈沖每圈，通過一定的公式計(jì)算可以將某一段時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)可以與車模的速度形成一一對(duì)應(yīng)，這樣就可以完成閉環(huán)的速度控制，保證入彎時(shí)的速度快速降低，以達(dá)到最好的入彎效果。S12X單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)脈沖累加器PACNT，其可選擇對(duì)脈沖的上升沿計(jì)數(shù)還是下降沿計(jì)數(shù)。將光電編碼器輸出的信號(hào)脈沖接入到這個(gè)脈沖累加器對(duì)應(yīng)的外部輸入引腳，并在一段時(shí)間后，本程序假設(shè)一秒后，讀取脈沖累加器的數(shù)值，就可以估算出這段時(shí)間內(nèi)的平均速度。由于NTSC制式是16.6ms一次，也就是說每16.6舵機(jī)的角度就需要更新一次，那么同時(shí)就需要當(dāng)前的速度，但是16.6ms毫秒之內(nèi)編碼器幾乎轉(zhuǎn)不了多少。我們?cè)O(shè)計(jì)的解決方案是使用一個(gè)數(shù)組堆棧來進(jìn)行編碼器脈沖數(shù)的累積。下面對(duì)這段程序流程進(jìn)行敘述：獲得當(dāng)前速度的程序代碼是按照一定的時(shí)鐘頻率而周期運(yùn)行的。每次要讀取脈沖累加器的脈沖個(gè)數(shù)時(shí)，首先要做的是堆棧的移動(dòng)，將堆棧中的數(shù)據(jù)按照從堆棧頭到堆棧尾的順序依次前移，這樣堆棧尾部的數(shù)據(jù)就被覆蓋掉了。然后將新的脈沖累加器的數(shù)值放到堆棧頭。再用更新后的堆棧尾的數(shù)據(jù)減去堆棧頭的數(shù)據(jù)，得到的數(shù)值差，經(jīng)過公示的計(jì)算，即為平均速度。此部分的程序源代碼見附錄。5.4 舵機(jī)電機(jī)的控制部分在得到了攝像頭和光電編碼器的數(shù)據(jù)之后，就應(yīng)該向系統(tǒng)的舵機(jī)和電機(jī)發(fā)送PWM波以控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角和電機(jī)的速度。舵機(jī)控制方法：在圖像信息中查找到黑線之后，就可以得到當(dāng)前的黑線的朝向，舵機(jī)的轉(zhuǎn)角只有跟上了黑線的朝向才能夠保證車模一直不出跑道。我們計(jì)算轉(zhuǎn)角時(shí)應(yīng)該考慮攝像頭的畸變性。因?yàn)閿z像頭攝取的梯形圖像是遠(yuǎn)處寬近處窄，但是NTSC傳回來的圖像反而是一個(gè)矩形。所以，在使用黑線向量來進(jìn)行角度的計(jì)算之前應(yīng)該進(jìn)行一個(gè)線性的修正。對(duì)黑線向量進(jìn)行線性修正的策略是將遠(yuǎn)處偏離中心的黑點(diǎn)的偏離程度放大，近處的偏離程度縮小。在進(jìn)行了黑線向量的線性修正之后，用最遠(yuǎn)處黑線的橫向坐標(biāo)(列數(shù))減去最近處黑線的橫向坐標(biāo)(列數(shù))并與一個(gè)系數(shù)相乘，將得到的這個(gè)系數(shù)與中心的偏角值相加，就可以得到當(dāng)前需要的偏角。15第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制方法：電機(jī)速度控制主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：1. 入彎時(shí)需要減速；2. 角度變化過大時(shí)需要減速。在其他時(shí)候，只需要保持在一個(gè)速度既可。減速方案有兩種，空轉(zhuǎn)和倒轉(zhuǎn)。經(jīng)過測(cè)驗(yàn)，倒轉(zhuǎn)的減速效果比起空轉(zhuǎn)來要好的多。鑒于系統(tǒng)中使用的光電編碼器是單向的，所以需要嚴(yán)格的控制倒轉(zhuǎn)的時(shí)間和倒轉(zhuǎn)的幅度。所以在角度變化速度達(dá)到一定的幅度時(shí)或者在直線入彎時(shí)并且速度大于一個(gè)閾值時(shí)，根據(jù)當(dāng)前的速度來設(shè)定倒轉(zhuǎn)的幅度和時(shí)間長(zhǎng)度。該部分的程序代碼將會(huì)在附錄中給出。5.5 車速控制策略為了使小車能夠平穩(wěn)地沿著跑道行駛，需要控制車速，使小車在急轉(zhuǎn)彎時(shí)速度不至過快而沖出跑道。通過控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的平均電壓可以控制車速，但是如果開環(huán)控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)受到很多因素影響，例如電池電壓、電機(jī)傳動(dòng)摩擦力、道路摩擦力和前輪轉(zhuǎn)向角等。這些因素會(huì)造成小車運(yùn)行不穩(wěn)定。通過速度檢測(cè)，對(duì)小車速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，即可消除上述各種因素的影響，使得小車運(yùn)行得更穩(wěn)定。對(duì)車速的PID閉環(huán)控制策略是將建立在經(jīng)典的PID控制算法的基礎(chǔ)上，然后進(jìn)行了創(chuàng)新。有關(guān)PID的控制策略在這里做相關(guān)的介紹說明。將偏差的比例（Proportion）、積分（Integral）和微分（Differential）通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，這樣的控制器稱PID控制器。5.5.1 模擬PID控制原理在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。為了說明控制器的工作原理，先看一個(gè)例子。如圖5.4所示是一個(gè)直流電機(jī)的調(diào)速原理圖。給定速度與實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，其差值，經(jīng)過PID控制器調(diào)整后輸出電壓控制信號(hào)，經(jīng)過功率放大后，驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)改變其轉(zhuǎn)速。 圖5.4 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)常規(guī)的模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1.2所示。該系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成。圖中是給定值，是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差。（公式1）作為PID控制的輸入，作為PID控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入。所以模擬PID控制器的控制規(guī)律如公式2，原理圖如圖5.5所示。（公式2）式中：控制器的比例系數(shù) 控制器的積分時(shí)間，也稱積分系數(shù) 控制器的微分時(shí)間，也稱微分系數(shù)圖5.5 模擬PID控制原理圖5.5.2 增量式PID控制原理由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)進(jìn)入了控制領(lǐng)域。人們將模擬PID控制規(guī)律引入到計(jì)算機(jī)中來。對(duì)公式2的PID控制規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，就可以用軟件實(shí)現(xiàn)PID控制，即數(shù)字PID控制。由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差計(jì)算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量量，進(jìn)行連續(xù)控制。由于這一特點(diǎn)公式2中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)不能直接使用，必須進(jìn)行離散化處理。離散化處理的方法為：以作為采樣周期，作為采樣序號(hào)，則離散采樣時(shí)間對(duì)應(yīng)著連續(xù)時(shí)間，用矩形法數(shù)值積分近似代替積分，用一階后向差分近似代替微分。這樣就將17第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)擬PID控制演變?yōu)閿?shù)字PID控制的增量式的PID控制，增量式PID控制算法可以通過公式2推導(dǎo)出。其算法公式如下： 其中，為第n次輸出增量；為第n次偏差；為第n1次偏差；為第n2次偏差。具體控制流程如圖5.6所示：圖5.6 增量式PID控制算法原理圖速度的軟件控制算法流程圖如圖5.7所示。圖5.7 速度的軟件控制算法流程圖19第六章 系統(tǒng)調(diào)試第六章 系統(tǒng)調(diào)試這一章介紹了使用的調(diào)試工具以及系統(tǒng)的調(diào)試方法。6.1 調(diào)試工具介紹6.1.1 IDE環(huán)境介紹CodeWarrior IDE 能夠自動(dòng)地檢查代碼中的明顯錯(cuò)誤，它通過一個(gè)集成的調(diào)試器和編輯器來掃描你的代碼，以找到并減少明顯的錯(cuò)誤，然后編譯并鏈接程序以便計(jì)算機(jī)能夠理解并執(zhí)行你的程序。每個(gè)應(yīng)用程序都經(jīng)過了使用像CodeWarrior這樣的開發(fā)工具進(jìn)行編碼、編譯、編輯、鏈接和調(diào)試的過程。具體到比賽所應(yīng)用S9S12XDG128的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是片上外圍設(shè)備眾多，每個(gè)外圍設(shè)備對(duì)應(yīng)的寄存器也較多，有的甚至達(dá)到三十多個(gè)。Metrowerks CodeWarrior IDE中的 hidef.h 文件對(duì)所有寄存器對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)映射地址都進(jìn)行了宏定義，開發(fā)者在軟件開發(fā)時(shí)直接調(diào)用這些宏就可以了。而且，這些宏的名稱都與說明文檔上相應(yīng)寄存器的名稱，相同或類似，這樣，很便于對(duì)S9S12X的開發(fā)。CW4.7 可以很方便的對(duì)單片機(jī)進(jìn)行選擇，并且在編寫程序的過程中，強(qiáng)大的功能使得程序員編寫的代碼緊湊，高效。使用界面如圖6.1：圖6.1 CW4.7 界面在CodeWarrior編譯器中，集成了單片機(jī)下載和調(diào)試軟件hiwave，在這個(gè)環(huán)境下，程序員可以使用BDM 對(duì)于單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試。使得單片機(jī)的調(diào)試極為方便，這種狀況下，我們可以隨意的看到程序運(yùn)行過程中的各個(gè)狀態(tài)，極大的方便了調(diào)試。程序界面見圖6.2：圖6.2 hiwave程序界面6.1.2 無線串口介紹 能夠獲得車模行進(jìn)中的速度與角度的實(shí)時(shí)參數(shù)對(duì)于車模系統(tǒng)的調(diào)試是非常有幫助的。 這時(shí)無線數(shù)據(jù)傳輸就是必要的選擇。系統(tǒng)中使用的無線串口是利爾達(dá)科技有限公司出品的LSD-RFMC-B401-A2 無線模快，這個(gè)模塊是基于TI 射頻集成芯片CC1100E 的射頻模塊。圖6.3是該模塊的圖片展示：21第六章 系統(tǒng)調(diào)試圖6.3 無線串口模塊無線收發(fā)模塊的基本操作：1、可以通過控制引腳來使模塊工作在不同的工作模式：正常收發(fā)模式、低功耗模式。在上電后模塊處于正常收發(fā)模式，此時(shí)“STATE 引腳”一直置高。如果此時(shí)在“SLEEP”引腳”上有一個(gè)下降沿，且維持一個(gè)大于10ms 的低電平，則模塊工作在低功耗模式下，“STATE 引腳”同時(shí)置低；CC1100E 休眠，MCU 處低功耗模式下。不能再實(shí)現(xiàn)串口及無線通訊。具體時(shí)序如圖6.4所示:圖6.4 時(shí)序圖在低功耗模式下，如果在“SLEEP 引腳”上也是一個(gè)下降沿，且維持一個(gè)大于10ms的低電平，則模塊被喚醒，“STATE 引腳”同時(shí)置高。又可以進(jìn)行透?jìng)鞴δ堋?、更改串口校驗(yàn)方式模塊的串口校驗(yàn)方式由上圖的IO 口擴(kuò)展圖上的“UART_L”和“UART_H”控制相應(yīng)校驗(yàn)選擇如圖6.5所示: (紅色框表示短接)圖6.5 串口校驗(yàn)方式選擇6.2 調(diào)試方法介紹系統(tǒng)的調(diào)試方法介紹分為四個(gè)部分，攝像頭調(diào)試方法，舵機(jī)轉(zhuǎn)角調(diào)試方法，編碼器調(diào)試方法以及速度調(diào)試方法。6.2.1 攝像頭調(diào)試方法首先使用PAL制式的電視機(jī)來調(diào)整攝像頭的角度以獲得足夠的視野范圍，然后用示波器觀察PAL的電壓范圍，我們發(fā)現(xiàn)電壓范圍是從2.43.4V。用這個(gè)數(shù)值對(duì)應(yīng)的調(diào)整AD的參考電壓，以使AD的轉(zhuǎn)換數(shù)值可以達(dá)到很明顯。最后使用上文中敘述的無線串口加MATLAB繪圖的方式來確定CPU獲得的圖像。6.2.2 舵機(jī)轉(zhuǎn)角調(diào)試方法舵機(jī)轉(zhuǎn)角調(diào)試首先進(jìn)行的是靜態(tài)的調(diào)試，就是將車拿在手中調(diào)試，不斷的擺動(dòng)前方的跑到板來確定轉(zhuǎn)角的靈活性。但是這樣得到的效果并不是最精確的，所以第二個(gè)過程是在跑動(dòng)中測(cè)的，讓車模在跑道上跑10s的時(shí)間，然后停車，使用無線串口將角度發(fā)回到電腦里，并用MATLAB進(jìn)行角度的查看。這部分將在下文中進(jìn)行展示。6.2.3 編碼器調(diào)試方法編碼器的調(diào)試方法和舵機(jī)轉(zhuǎn)角調(diào)試的第二個(gè)過程一樣，讓車模在跑道上跑10s的時(shí)間，然后停車，使用無線串口將角度發(fā)回到電腦里，并用MATLAB進(jìn)行查看。這部分將在下文中進(jìn)行展示。6.2.4 速度調(diào)試方法速度是智能車比賽追求的最終目標(biāo)，也是系統(tǒng)中最難調(diào)試的部分。因?yàn)樗俣群徒嵌纫约熬幋a器得到的數(shù)據(jù)都有關(guān)系。只有保證了角度靈敏并且編碼器也已經(jīng)精準(zhǔn)了以后才可以真正的進(jìn)行速度的調(diào)試。所以，在調(diào)試編碼器的數(shù)據(jù)和25第六章 系統(tǒng)調(diào)試舵機(jī)角度的靈敏性的時(shí)候電機(jī)給的PWM占空比一直是一個(gè)固定的值。在下面將展示在速度是1m/s下的獲得的角度和實(shí)際測(cè)得速度的數(shù)據(jù)序列在MATLAB中畫出的波形如圖6.6：圖6.6 Matlab 做出的角度變化圖下圖6.7是對(duì)角度進(jìn)行一階差分的波形：圖 6.7 Matlab 做出的角度一階差分變化圖根據(jù)以上的波形圖的對(duì)比我們可以得出一個(gè)需要的理論速度，就是速度和角度的變化率之間應(yīng)該是有關(guān)系的，再使用經(jīng)典的bang-bang控制法進(jìn)行速度調(diào)控，來使測(cè)得速度與理論速度達(dá)到一個(gè)擬合。這部分的程序?qū)⒃诟戒浿羞M(jìn)行展示。第七章 模型車的主要技術(shù)參數(shù)表 7.1 模型車的主要技術(shù)參數(shù)說明項(xiàng)目參數(shù)路經(jīng)檢測(cè)方法攝像頭組車模長(zhǎng)、寬、高（mm）長(zhǎng)：290 寬：200 高：350電容總量1400微法傳感器種類幾個(gè)數(shù)CMOS攝像頭一個(gè)，測(cè)速編碼器一個(gè)除了車模原有的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵機(jī)之外伺服電機(jī)個(gè)數(shù)一個(gè)舵機(jī)賽道信息檢測(cè)精度1cm賽道信息檢測(cè)頻率30HZ車?？傊亓?Kg第八章 結(jié)論第八章 結(jié)論 在智能車系統(tǒng)的制作過程中，我們小組成員從對(duì)智能車一無所知開始，經(jīng)過了查找資料，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，組裝車模，編寫程序，分析問題，最后終于能夠讓我們的車模跑的達(dá)到了預(yù)期的要求。 在此份技術(shù)報(bào)告中，我們主要介紹了準(zhǔn)備比賽時(shí)的基本思路，包括機(jī)械、電路以及最重要的控制算法的創(chuàng)新思想。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，我們分析了舵機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的改進(jìn)辦法，前輪束角和主銷傾角的調(diào)整，以及在其他細(xì)節(jié)方面的優(yōu)化。 在電路方面，我們以模塊形式分類，在最小系統(tǒng)、主板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、攝像頭、速度傳感器這幾個(gè)模塊分別設(shè)計(jì)，在查找資料的基礎(chǔ)上分別實(shí)驗(yàn)，最后決定了我們最終的電路圖。 在算法方面，我們使用C 語言編程，利用比賽推薦的開發(fā)工具調(diào)試程序，經(jīng)過小組成員不斷討論、改進(jìn)，終于設(shè)計(jì)出一套比較通用的、穩(wěn)定的程序。在這套算法中，我們結(jié)合路況調(diào)整車速，能更好的做到角度和速度的響應(yīng)。 經(jīng)過幾個(gè)月的制作和調(diào)試智能車，每個(gè)隊(duì)員都收獲很大。通過這次比賽，不僅發(fā)揮了隊(duì)員的創(chuàng)新合作精神，而且也學(xué)習(xí)到其他參賽隊(duì)的控制思想和優(yōu)秀作品。能參加這項(xiàng)比賽，對(duì)于本隊(duì)每個(gè)人來說，定會(huì)成為人生當(dāng)中銘記的經(jīng)典，每個(gè)組員要感謝在這過程中一直鼓勵(lì)、支持、幫助我們的指導(dǎo)教師，感謝學(xué)校和大賽組委會(huì)為我們提供的展示平臺(tái)，感謝在這過程中所有幫助過我們的人們。參考文獻(xiàn)1 卓晴,王琎,王磊. 基于面陣 CCD 的賽道參數(shù)檢測(cè)方法2 卓晴黃開勝 .學(xué)做智能車. 北京：北京航空航天出版社，2007 年3 月第 1 版.3 鮑曉東，張仙妮.智能交通系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展.交通論壇,2006 4 邵貝貝. 單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法M北京清華大學(xué)出版社20045 模型車電機(jī)特性和 33886 驅(qū)動(dòng)電路. 大賽組委會(huì)提供6 黨宏社，韓崇昭，段戰(zhàn)勝.智能車輛系統(tǒng)發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)概述.公路交通科技2002.12月7 黃開勝，金華民，蔣狄南，韓國(guó)智能模型車技術(shù)方案分析J，電子產(chǎn)品世界27附錄附錄附錄一 圖像采集部分的程序源代碼#pragma CODE_SEG NON_BANKED void interrupt 8 field_interrupt(void) /場(chǎng)中斷函數(shù) 上升沿出觸發(fā) TFLG1_C0F = 1;/清除場(chǎng)標(biāo)志 numb_cmos=0; TIE_C2I=1; /場(chǎng)中斷中打開行中斷 v_point_up00=0;/場(chǎng)中斷的開始清零保存第一行跳變沿的數(shù)組 v_point_down00=0;/由于場(chǎng)中斷后有可能很快進(jìn)入行中斷，故在場(chǎng) v_point_up01=0;/中斷中加入這么多的代碼有不妥之處，有待于進(jìn)一步改進(jìn) v_point_down01=0;/ v_point_up02=0; / v_point_down02=0;/ v_point_up03=0; / v_point_down03=0;/ v_point_up04=0; / v_point_down04=0;/ point_up0=0; / point_down0=0; / #pragma CODE_SEG DEFAULT#pragma CODE_SEG NON_BANKEDvoid interrupt 9 odd_even_interrupt(void) TFLG1_C1F=1; /清積偶場(chǎng)中斷標(biāo)志#pragma CODE_SEG DEFAULT#pragma CODE_SEG NON_BANKED void interrupt 10 row_interrupt(void) /行中斷函數(shù) 上升沿出觸發(fā) uchar i; TFLG1_C2F = 1;/清除行標(biāo)志 PITCFLMT_PFLMT1=1;/初始化計(jì)數(shù)器值 PITFLT_PFLT1=1;/初始化計(jì)數(shù)器值 TIE &= (TIE_C3I_MASK|TIE_C4I_MASK);/行中斷的開始先關(guān)閉上升沿和下降沿中斷 Flag_Up=0; Flag_Down=0; Line_CCD+; if(Line_CCD=cmosnumb_cmos) numb_cmos+; if(First_row=Line_CCD) /一場(chǎng)的開始，清除關(guān)于判斷賽道特性的標(biāo)志 Line_Save=0; clear_this_field_flag(); else Line_Save+; TFLG1=(13)|(14);/清除三號(hào)和四號(hào)中斷 TIE |= (TIE_C3I_MASK|TIE_C4I_MASK);/若該行為需要采集的行，則打開上升沿和下降沿中斷 for(i=0;i5;i+) if(ROW_MAX-1!=Line_Save) v_point_upLine_Save+1i=0; v_point_downLine_Save+1i=0; point_upLine_Save+1=0; point_downLine_Save+1=0; p_point_upPre_Line_Save+1=0; p_point_downPre_Line_Save+1=0; if(Last_row=Line_CCD) Line_Save=ROW_MAX; TIE &= (TIE_C2I_MASK);/一場(chǎng)中采集到足夠的行之后關(guān)閉行中斷 Line_CCD=0; 29#pragma CODE_SEG DEFAULT#pragma CODE_SEG NON_BANKED void interrupt 11 rising_interrupt(void) /上升沿中斷函數(shù) TFLG1_C3F = 1;/清除上升沿中斷標(biāo)志 PITCNT1temp=PITCNT1;/記錄該時(shí)刻計(jì)數(shù)器的值 if(Flag_Down-Flag_Up=1&Flag_Up=4) v_point_upLine_SaveFlag_Up=PITCNT1temp; Flag_Up+; /*if(v_point_downLine_SaveFlag_Down-1-v_point_upLine_SaveFlag_Up-1)7) v_point_downLine_SaveFlag_Down-1=0; v_point_upLine_SaveFlag_Up=0; Flag_Down-; Flag_Up-; */ #pragma CODE_SEG DEFAULT#pragma CODE_SEG NON_BANKED void interrupt 12 falling_interrupt(void) /下降沿中斷函數(shù) TFLG1_C4F = 1;/清除下降沿中斷標(biāo)志 PITCNT1temp=PITCNT1;/記錄該時(shí)刻計(jì)數(shù)器的值 if(Flag_Down-Flag_Up=0&Flag_Down100) return 500; if(CurrentError-100) return -50