北京科技大學(xué)電磁組一隊(duì)技術(shù)報(bào)告

1、引言第八屆“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：北京科技大學(xué)隊(duì)伍名稱：北京科技大學(xué)電磁一隊(duì)參賽隊(duì)員：山峰 劉剛 郭文俊帶隊(duì)教師：張文明 楊玨- 1 -關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說(shuō)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(yè)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： 引言自從第五屆出現(xiàn)磁導(dǎo)組開始到今年第八屆比賽，電磁小車已經(jīng)在智能車

2、的賽道上奔馳了4年，從第六屆取消了前瞻長(zhǎng)度的限制，電磁車速度開始有了質(zhì)的飛躍，第七屆改成直立狀態(tài)行走后，雖然對(duì)速度有一定的影響，但也以其獨(dú)特魅力和新的技術(shù)挑戰(zhàn)讓參賽者向往不已，到今年第八屆改回四輪行進(jìn)方式并采用了A車模，小車的速度再次出現(xiàn)大幅提升。經(jīng)過(guò)四年的探索，電磁小車的傳感器及傳感器布局都已經(jīng)幾近相同，考驗(yàn)車手的更多的將是細(xì)節(jié)。本文中，我們小組通過(guò)對(duì)小車設(shè)計(jì)制作整體思路、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，而對(duì)單片機(jī)具體參數(shù)的調(diào)試也讓我們付出了艱辛的勞動(dòng)。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。在

3、準(zhǔn)備比賽的過(guò)程中，我們小組成員涉獵控制、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，這次磨練對(duì)我們的知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)有極大的推動(dòng)作用，在此要感謝清華大學(xué)，感謝他們將這項(xiàng)很有意義的科技競(jìng)賽引入中國(guó)；也感謝北京科技大學(xué)相關(guān)學(xué)院對(duì)此次比賽的關(guān)注，我們的成果離不開學(xué)校的大力支持及指導(dǎo)老師悉心的教導(dǎo)；還要感謝的是和我們一起協(xié)作的隊(duì)員們，協(xié)助，互促，共勉使我們能夠走到今天。目錄目錄引言- 1 -目錄- 2 -第一章 方案設(shè)計(jì)- 5 -1.1系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)- 5 -1.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)圖- 6 -第二章 智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化- 7 -2.1智能車車體機(jī)械建模- 7 -2

4、.2智能車前輪定位的調(diào)整- 8 -2.2.1主銷后傾角- 8 -2.2.2主銷內(nèi)傾角- 8 -2.2.3車輪外傾角- 8 -2.2.4 前輪前束- 9 -2.3智能車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化- 9 -2.4智能車后輪減速齒輪機(jī)構(gòu)調(diào)整- 11 -2.5 編碼器的安裝- 11 -2.6 智能車重心位置的調(diào)整- 12 -2.7其它機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整- 12 -第三章 電路設(shè)計(jì)說(shuō)明- 13 -3.1 主控板和驅(qū)動(dòng)板的硬件設(shè)計(jì)- 13 -3.1.1 電源管理模塊- 13 -3.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊- 14 -3.1.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊- 14 -3.1.4 單片機(jī)及其他電路部分設(shè)計(jì)- 15 -3.2 智能車傳感器模塊

5、設(shè)計(jì)- 18 -3.2.1電感傳感器的原理- 18 -3.2.2磁傳感器信號(hào)處理電路- 18 -3.2.3磁傳感器的布局原理及改進(jìn)- 21 -第四章 智能車控制軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明- 23 -4.1底層初始化- 23 -4.2傳感器采集處理算法- 23 -4.3尋線行駛算法實(shí)現(xiàn)- 24 -4.3.1定位算法- 24 -4.3.2基于位置式PID的方向控制- 26 -4.3.3基于增量式PID的速度控制- 28 -4.3彎道策略分析- 28 -4.4彎道策略制定- 30 -第五章 開發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過(guò)程說(shuō)明- 33 -5.1 開發(fā)工具- 33 -5.2 調(diào)試過(guò)程- 33 -5.2.1 上位機(jī)系統(tǒng)

6、- 33 -5.2.2 控制算法的參數(shù)整定- 35 -5.3 整車機(jī)械方面的調(diào)整- 36 -第六章 模型車的主要技術(shù)參數(shù)說(shuō)明- 37 -6.1 智能車外形參數(shù)- 37 -6.2 電路部分參數(shù)- 37 -6.3 傳感器個(gè)數(shù)以及種類- 37 -6.4 除了車模原有的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵機(jī)之外伺服電機(jī)數(shù)量- 37 -6.5賽道信息檢測(cè)精度、頻率- 37 -結(jié)論- 38 -參考文獻(xiàn)- 39 -附錄 程序源代碼IIII第一章 方案設(shè)計(jì)第一章 方案設(shè)計(jì)本章主要簡(jiǎn)要地介紹智能車系統(tǒng)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、控制算法等三部分對(duì)智能車控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的介紹分析。1.1系統(tǒng)總體方案的設(shè)

7、計(jì)根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則相關(guān)規(guī)定，智能車系統(tǒng)采用大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供的A型車模，以飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位微控制器K60作為核心控制器，在IAR開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行軟件開發(fā)。賽車的位置信號(hào)由車體前方的電磁傳感器采集，經(jīng)內(nèi)部AD進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，輸入到控制核心，用于賽車的運(yùn)動(dòng)控制決策。通過(guò)編碼器測(cè)速模塊來(lái)檢測(cè)車速，并采用K60 的輸入捕捉功能進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)計(jì)算速度和路程；電機(jī)轉(zhuǎn)速控制采用 PID 控制，通過(guò) PWM 控制驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，完成智能車速度的閉環(huán)控制。此外，還增加了鍵盤作為輸入輸出設(shè)備，用于智能車的角度和方位控制。圖1.1 電磁車整體布局1.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)圖K60核心控制單元速度傳感器直流

8、電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制液晶顯示模塊七路電感傳感器上位機(jī)干簧管鍵盤，撥檔開關(guān)運(yùn)放模塊圖1.2系統(tǒng)總體方框圖根據(jù)以上系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，賽車共包括七大模塊：K60主控模塊、傳感器模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測(cè)模塊輔助調(diào)試模塊。各模塊的作用如下：K60主控模塊，作為整個(gè)智能車的“大腦”，將采集電感傳感器、編碼器等傳感器的信號(hào)，根據(jù)控制算法做出控制決策，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和伺服電機(jī)完成對(duì)智能車的控制。傳感器模塊，是智能車的“眼睛”，可以通過(guò)一定的前瞻性，提前感知前方的賽道信息，為智能車的“大腦”做出決策提供必要的依據(jù)和充足的反應(yīng)時(shí)間。電源模塊，為整個(gè)系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)直流

9、電機(jī)和伺服電機(jī)完成智能車的加減速控制和轉(zhuǎn)向控制。速度檢測(cè)模塊，檢測(cè)反饋智能車后輪的轉(zhuǎn)速，用于速度的閉環(huán)控制。輔助調(diào)試模塊主要用于智能車系統(tǒng)的功能調(diào)試、賽車狀態(tài)監(jiān)控等方面。 第二章 智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化第二章 智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化智能車系統(tǒng)任何的控制都是在一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，因此在設(shè)計(jì)整個(gè)軟件架構(gòu)和算法之前一定要對(duì)整個(gè)車模的機(jī)械結(jié)構(gòu)有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，然后建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。從而再針對(duì)具體的設(shè)計(jì)方案來(lái)調(diào)整賽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并在實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中不斷的改進(jìn)和提高。本章將主要介紹智能車車模的機(jī)械結(jié)構(gòu)和調(diào)整方案。 2.1智能車車體機(jī)械建模此次比賽選用的賽車車模采用A型車模。賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)只使用

10、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。我們對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求是：簡(jiǎn)單而高效。我們?cè)诓粩嗟膰L試后確定了以下的設(shè)計(jì)方案：圖2.1 智能車器件布局圖2.2智能車前輪定位的調(diào)整現(xiàn)代汽車在正常行駛過(guò)程中，為了使汽車直線行駛穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向后能自動(dòng)回正，減少輪胎和轉(zhuǎn)向系零件的磨損等，在轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向節(jié)和前軸之間須形成一定的相對(duì)安裝位置，叫車輪定位，其主要的參數(shù)有：主銷后傾、主銷內(nèi)傾、車輪外傾和前束。智能車競(jìng)賽模型車的四項(xiàng)參數(shù)都可以調(diào)整，但是由于模型車加工和制造精度的問(wèn)題，在通用的規(guī)律中還存在著一些偶然性。2.2.1主銷后傾角主銷后傾角是指在縱向平面內(nèi)主銷軸線與地面垂直線之

11、間的夾角。它在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反的回正力矩，使車輪自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的中間位置上。所以，主銷后傾角越大，車速越高，前輪自動(dòng)回正的能力就越強(qiáng)，但是過(guò)大的回正力矩會(huì)使車輛轉(zhuǎn)向沉重。通常主銷后傾角值設(shè)定在1°到3°。模型車通過(guò)增減黃色墊片的數(shù)量來(lái)改變主銷后傾角的，由于競(jìng)賽所用的轉(zhuǎn)向舵機(jī)力矩不大，過(guò)大的主銷后傾角會(huì)使轉(zhuǎn)向變得沉重，轉(zhuǎn)彎反應(yīng)遲滯，所以設(shè)置為0°，以便增加其轉(zhuǎn)向的靈活性。2.2.2主銷內(nèi)傾角主銷內(nèi)傾角是指在橫向平面內(nèi)主銷軸線與地面垂直線之間的夾角，它的作用也是使前輪自動(dòng)回正。角度越大前輪自動(dòng)回正的作用就越強(qiáng)，但轉(zhuǎn)向時(shí)也就越費(fèi)力，輪胎磨損增大；反之，

12、角度越小前輪自動(dòng)回正的作用就越弱。通常汽車的主銷內(nèi)傾角不大于8°。 對(duì)于模型車，通過(guò)調(diào)整前橋的螺桿的長(zhǎng)度可以改變主銷內(nèi)傾角的大小，由于過(guò)大的內(nèi)傾角也會(huì)增大轉(zhuǎn)向阻力，增加輪胎磨損，所以在調(diào)整時(shí)可以近似調(diào)整為0°3°左右，不宜太大。主銷內(nèi)傾和主銷后傾都有使汽車轉(zhuǎn)向自動(dòng)回正，保持直線行駛的功能。不同之處是主銷內(nèi)傾的回正與車速無(wú)關(guān)，主銷后傾的回正與車速有關(guān)，因此高速時(shí)主銷后傾的回正作用大，低速時(shí)主銷內(nèi)傾的回正作用大。 2.2.3車輪外傾角前輪外傾角是指通過(guò)車輪中心的汽車橫向平面與車輪平面的交線與地面垂線之間的夾角，對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向性能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安全性

13、和轉(zhuǎn)向操縱的輕便性。在汽車的橫向平面內(nèi)，輪胎呈“八”字型時(shí)稱為“負(fù)外傾”，而呈現(xiàn)“V”字形張開時(shí)稱為正外傾。如果車輪垂直地面一旦滿載就易產(chǎn)生變形，可能引起車輪上部向內(nèi)傾側(cè)，導(dǎo)致車輪聯(lián)接件損壞。所以事先將車輪校偏一個(gè)正外傾角度，一般這個(gè)角度約在1°左右，以減少承載軸承負(fù)荷，增加零件使用壽命，提高汽車的安全性能。 模型車提供了專門的外傾角調(diào)整配件，近似調(diào)節(jié)其外傾角。由于競(jìng)賽中模型主要用于競(jìng)速，所以要求盡量減輕重量，其底盤和前橋上承受的載荷不大，所以外傾角調(diào)整為0°即可，并且要與前輪前束匹配。2.2.4 前輪前束所謂前束是指兩輪之間的后距離數(shù)值與前距離數(shù)值之差，也指前輪中心線與縱

14、向中心線的夾角。前輪前束的作用是保證汽車的行駛性能，減少輪胎的磨損。前輪在滾動(dòng)時(shí)，其慣性力自然將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動(dòng)時(shí)的偏斜方向就會(huì)抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象會(huì)減少。像內(nèi)八字那樣前端小后端大的稱為“前束”，反之則稱為“后束”或“負(fù)前束”。在實(shí)際的汽車中，一般前束為012mm。在模型車中，前輪前束是通過(guò)調(diào)整伺服電機(jī)帶動(dòng)的左右橫拉桿實(shí)現(xiàn)的。主銷在垂直方向的位置確定后，改變左右橫拉桿的長(zhǎng)度即可以改變前輪前束的大小。在實(shí)際的調(diào)整過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)較小的前束，約束02mm可以減小轉(zhuǎn)向阻力，使模型車轉(zhuǎn)向更為輕便，但實(shí)際效果不是十分明顯。雖然模型車的主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角和前束等均

15、可以調(diào)整，但是由于車模加工和制造精度的問(wèn)題，在通用的規(guī)律中還存在著不少的偶然性，一切是實(shí)際調(diào)整的效果為準(zhǔn)。2.3智能車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化理想的轉(zhuǎn)向模型，是指在輪胎不打滑時(shí)，忽略左右兩側(cè)輪胎由于受力不均產(chǎn)生的變形，忽略輪胎受重力影響下的變形時(shí)車輛的的轉(zhuǎn)向建模。在這種理想的模型下，車體的轉(zhuǎn)向半徑可以計(jì)算得到。圖2.2 智能車轉(zhuǎn)向示意圖如圖2.2，假設(shè)智能車系統(tǒng)為理想的轉(zhuǎn)向模型，且其重心位于其幾何中心。車輪滿足轉(zhuǎn)向原理，左右輪的軸線與后輪軸線這三條直線必然交于一點(diǎn)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在車輛運(yùn)行過(guò)程中有著非常重要的作用。合適的前橋和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以保證在車輛直線行駛過(guò)程中不會(huì)跑偏，能保證車輛行駛的方向穩(wěn)定性；而在車輛

16、轉(zhuǎn)向時(shí)，合適的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以使車輛自行回到直線行駛狀態(tài)，具有好的回正性。正是由于這些原因，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)成為智能車設(shè)計(jì)中機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的重點(diǎn)，直接關(guān)系到賽車能否順利地完成比賽。在實(shí)際操作中，我們通過(guò)理論計(jì)算的方案進(jìn)行優(yōu)化，然后做出實(shí)際結(jié)構(gòu)以驗(yàn)證理論數(shù)據(jù)，并在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中不斷改進(jìn)。在模型車制做過(guò)程中，賽車的轉(zhuǎn)向是通過(guò)舵機(jī)帶動(dòng)左右橫拉桿來(lái)實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)向舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和功率是一定，要想加快轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)響應(yīng)的速度，唯一的辦法就是優(yōu)化舵機(jī)的安裝位置和其力矩延長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度。由于功率是速度與力矩乘積的函數(shù)，過(guò)分追求速度，必然要損失力矩，力矩太小也會(huì)造成轉(zhuǎn)向遲鈍，因此設(shè)計(jì)時(shí)就要綜合考慮轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度與舵機(jī)力矩之間的

17、關(guān)系，通過(guò)優(yōu)化得到一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)向效果。經(jīng)過(guò)最后的實(shí)際的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算，最后得出一套可以穩(wěn)定、高效工作的參數(shù)及機(jī)構(gòu)。如圖2.3，我們最終設(shè)計(jì)的這套轉(zhuǎn)向拉桿，我們綜合考慮了速度與扭矩間的關(guān)系，并根據(jù)模型車底盤的具體結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了安裝方式，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。圖2.3 轉(zhuǎn)向拉桿圖2.4智能車后輪減速齒輪機(jī)構(gòu)調(diào)整模型車后輪采用RS-380SH 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)軸與后輪軸之間的傳動(dòng)比為 18：76（電機(jī)軸齒輪齒數(shù)為18，后軸傳動(dòng)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，會(huì)嚴(yán)重影響最終成績(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

18、隙要合適，過(guò)松容易打壞齒輪，過(guò)緊又會(huì)增加傳動(dòng)阻力，浪費(fèi)動(dòng)力；傳動(dòng)部分要輕松、順暢，不能有遲滯或周期性振動(dòng)的現(xiàn)象。判斷齒輪傳動(dòng)是否良好的依據(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(shuō)明齒輪間的配合間隙過(guò)大，傳動(dòng)中有撞齒現(xiàn)象；聲音悶而且有遲滯，則說(shuō)明齒輪間的配合間隙過(guò)小，或者兩齒輪軸不平行，電機(jī)負(fù)載變大。調(diào)整好的齒輪傳動(dòng)噪音很小，并且不會(huì)有碰撞類的雜音，后輪減速齒輪機(jī)構(gòu)就基本上調(diào)整好了，動(dòng)力傳遞十分流暢。2.5 編碼器的安裝為了提高精度，本車使用了編碼器。為了便于安裝，使用加工件將編碼器與后橋進(jìn)行連接，較好的保證了兩嚙合齒輪軸的平行度及傳動(dòng)的平順性。 圖2.4 編碼器安裝2.6 智能車重

19、心位置的調(diào)整為了達(dá)到較遠(yuǎn)前瞻，必須把電感架到較遠(yuǎn)的位置，會(huì)引起車重心特別靠前，后輪正壓力不足導(dǎo)致甩尾。為了使重心后移，我們嘗試了很多傳感器支架的搭建方式，使得保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下盡量減輕重量。同時(shí)，我們把舵機(jī)和電池均往后移，達(dá)到了預(yù)期的效果。2.7其它機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整另外，在模型車的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面還有很多可以改進(jìn)的地方，比如說(shuō)車輪、懸架、底盤、車身高度等。模型車在高速的條件下（2.3m/s3.5m/s），由于快速變化的加減速過(guò)程，使得模型車的輪胎與輪輞之間很容易發(fā)生相對(duì)位移，可能導(dǎo)致在加速時(shí)會(huì)損失部分驅(qū)動(dòng)力。在實(shí)驗(yàn)中調(diào)試表明，賽車在高速下每跑完一圈，輪胎與輪輞之間通常會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)厘米的相對(duì)位移，嚴(yán)重

20、影響了賽車的加速過(guò)程。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)趯?shí)際調(diào)試過(guò)程中對(duì)車輪進(jìn)行了粘胎處理，可以有效地防止由于輪胎與輪輞錯(cuò)位而引起的驅(qū)動(dòng)力損失的情況。此外，我們還對(duì)車身高度，以及底盤的形狀和質(zhì)量等，都進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)和調(diào)整，均取得了不錯(cuò)效果。第三章 電路設(shè)計(jì)說(shuō)明第三章 電路設(shè)計(jì)說(shuō)明3.1 主控板和驅(qū)動(dòng)板的硬件設(shè)計(jì)3.1.1 電源管理模塊為滿足需要，本車模上存在4種供電電壓：1）智能車使用鎳鎘充電電池，充滿時(shí)電壓在7.88.2V?？芍苯佑糜陔姍C(jī)和舵機(jī)供電。2）一些數(shù)字器件使用直流5V，5V電源選用開關(guān)型穩(wěn)壓芯片AS1015以及線性穩(wěn)壓芯片TPS7350。為了隔離電機(jī)的干擾，AS1015和TPS7350的輸

21、入端加磁珠。3）使用3.3V為單片機(jī)運(yùn)算放大器供電，采用線性穩(wěn)壓芯片TPS79333。輸入端接AS1015和TPS7350輸出端。4）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用直流17V，使用一款5-12V 升壓電源模塊。加若干LED顯示各類電源工作狀況。該部分電路如圖3.1所示。圖3.1 電源管理模塊原理圖3.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為一個(gè)由分立元件制作的直流電動(dòng)機(jī)可逆雙極型橋式驅(qū)動(dòng)器，其功率元件由四支 N 溝道功率 MOSFET 管組成，額定工作電流可以輕易達(dá)到 100A 以上，大大提高了電動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。該驅(qū)動(dòng)器主要由以下部分組成： PWM信號(hào)輸入接口、邏輯換向電路、死區(qū)控制電路、電源電路、上橋臂功

22、率 MOSFET 管柵極驅(qū)動(dòng)電壓泵升電路、功率 MOSFET 管柵極驅(qū)動(dòng)電路、橋式功率驅(qū)動(dòng)電路、緩沖保護(hù)電路等。該部分原理圖如圖3.2所示。圖3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖3.1.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊由于K60的內(nèi)部AD比較精確，我們?cè)跍y(cè)試外部AD后結(jié)果顯示其結(jié)果與內(nèi)部AD相差不大，而且方差較內(nèi)部AD更大，當(dāng)然這也有可能是測(cè)試方法有問(wèn)題。內(nèi)部AD較外部AD可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，綜合考慮這下我們還是決定使用內(nèi)部AD，考慮到我們所使用的傳感器數(shù)量，引出8路AD。其接線方法如圖3.3所示。圖3.3接線圖3.1.4 單片機(jī)及其他電路部分設(shè)計(jì)核心控制單元：K60（主頻128MHz，F(xiàn)lashRom512KB，具備S

23、PI，SCI，IIC等常用接口），根據(jù)需要引出適量的管腳。如圖3.4所示。圖3.4 單片機(jī)PCB圖3.5 單片機(jī)引出管腳測(cè)速模塊：在電機(jī)上方架編碼器，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，由此獲取速度信息。用編碼器測(cè)速較光柵片測(cè)速精度更高。測(cè)速模塊供給主板的信號(hào)要經(jīng)過(guò)整波，使用上拉電阻提高其峰值電壓，再使用三態(tài)門將波形整為矩形波。測(cè)試模塊實(shí)物如圖3.5所示。圖3.5 測(cè)速模塊人機(jī)交互：增加數(shù)字鍵盤，撥檔開關(guān)用于輸入?yún)?shù)，策略調(diào)整，加入液晶屏顯示小車狀態(tài)便于調(diào)試。該部分整體電路如圖3.6所示。圖3.6 單片機(jī)及其他電路部分3.2 智能車傳感器模塊設(shè)計(jì)根據(jù)競(jìng)賽組委會(huì)的相關(guān)規(guī)定，我們選用磁傳感器，磁傳感器的應(yīng)

24、用首先在于選型，為了找出適合的磁傳感器，我們查閱了許多的產(chǎn)品資料，進(jìn)行了大量的電感測(cè)試，發(fā)現(xiàn)只有在10mH電感中，得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線是較為規(guī)整的正弦波，頻率和賽道電源頻率一致，為20kHz，幅值較其他型號(hào)的大，且隨導(dǎo)線距離變化，規(guī)律為近大遠(yuǎn)小。其他電感得到信號(hào)不好，頻率幅值變化雜亂，不宜采用。3.2.1電感傳感器的原理根據(jù)電磁學(xué)，我們知道在導(dǎo)線中通入變化的電流（如按正弦規(guī)律變化的電流），則導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)與電流的變化規(guī)律具有一致性。如果在此磁場(chǎng)中置一由線圈組成的電感，則該電感上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和通過(guò)線圈回路的磁通量的變化率成正比。由于在導(dǎo)線周圍不同位置，磁

25、感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向不同，所以不同位置上的電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也應(yīng)該是不同。據(jù)此，則可以確定電感的大致位置。3.2.2磁傳感器信號(hào)處理電路確定使用電感作為檢測(cè)導(dǎo)線的傳感器，但是其感應(yīng)信號(hào)較微弱，且混有雜波，所以要進(jìn)行信號(hào)處理。要進(jìn)行以下三個(gè)步驟才能得到較為理想的信號(hào)：信號(hào)的濾波，信號(hào)的放大，信號(hào)的檢波。1）信號(hào)的濾波比賽選擇20kHz的交變磁場(chǎng)作為路徑導(dǎo)航信號(hào)，在頻譜上可以有效地避開周圍其它磁場(chǎng)的干擾，因此信號(hào)放大需要進(jìn)行選頻放大，使得20kHz 的信號(hào)能夠有效的放大，并且去除其它干擾信號(hào)的影響。使用 LC并聯(lián)諧振電路來(lái)實(shí)現(xiàn)選頻電路（帶通電路），如圖2.9所示。圖3.7 LC并聯(lián)電路其中，E是

26、感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，L是感應(yīng)線圈的電感值，R0是電感的內(nèi)阻，C 是并聯(lián)諧振電容。電路諧振頻率為： （2.1）已知感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率=20kHz，感應(yīng)線圈電感為L(zhǎng)=10mH，可以計(jì)算出諧振電容的容量為C=6.33×10-9 F 。通常在市場(chǎng)上可以購(gòu)買到的標(biāo)稱電容與上述容值最為接近的電容為 6.8nF，所以在實(shí)際電路中選用 6.8nF的電容作為諧振電容。2）信號(hào)的放大由第一步處理后的電壓波形已經(jīng)是較為規(guī)整的20kHz正弦波，但是幅值較小，隨著距離衰減很快，不利于電壓采樣，所以要進(jìn)行放大，官方給出的如下參考方案即用三極管進(jìn)行放大，但是用三極管放大有一個(gè)不可避免的缺點(diǎn)就是溫漂較大，而且在實(shí)

27、際應(yīng)用中靜電現(xiàn)象嚴(yán)重。圖3.8 共射三極管放大電路因此我們放棄三極管放大的方案，而是采用集成運(yùn)放進(jìn)行信號(hào)的放大處理，集成運(yùn)放較三極管優(yōu)勢(shì)是準(zhǔn)確受溫度影響很小，可靠性高。集成運(yùn)放放大電路有同相比例運(yùn)算電路和反相比例運(yùn)算電路，我們?cè)趯?shí)際中使用反相比例運(yùn)算電路。由于運(yùn)放使用單電源供電，因此在同相端加vcc/2的基準(zhǔn)電位，基準(zhǔn)電位由電阻分壓得到。3）信號(hào)的檢波測(cè)量放大后的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值E可以有多種方法。 最簡(jiǎn)單的方法就是使用二極管檢波電路將交變的電壓信號(hào)檢波形成直流信號(hào)，然后再通過(guò)單片機(jī)的AD采集獲得正比于感應(yīng)電壓幅值的數(shù)值。我們采用的為競(jìng)賽組委會(huì)給出的第一種方案即使用兩個(gè)二極管進(jìn)行倍壓檢波。倍壓檢

28、波電路可以獲得正比于交流電壓信號(hào)峰峰值的直流信號(hào)。為了能夠獲得更大的動(dòng)態(tài)范圍， 倍壓檢波電路中的二極管推薦使用肖特基二極管或者鍺二極管。由于這類二極管的開啟電壓一般在0.10.3V左右，小于普通的硅二極管（0.7V），可以增加輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍和增加整體電路的靈敏度。這里選用常見的的肖特基二極管1N5817。最終方案確定如下圖3.10最終方案3.2.3磁傳感器的布局原理及改進(jìn)對(duì)于直導(dǎo)線，當(dāng)裝有小車的中軸線對(duì)稱的兩個(gè)線圈的小車沿其直線行駛，即兩個(gè)線圈的位置關(guān)于導(dǎo)線對(duì)稱時(shí)，則兩個(gè)線圈中感應(yīng)出來(lái)的電動(dòng)勢(shì)大小應(yīng)相同、且方向亦相同。若小車偏離直導(dǎo)線，即兩個(gè)線圈關(guān)于導(dǎo)線不對(duì)稱時(shí)，則通過(guò)兩個(gè)線圈的磁通量是不

29、一樣的。這時(shí)，距離導(dǎo)線較近的線圈中感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)應(yīng)大于距離導(dǎo)線較遠(yuǎn)的那個(gè)線圈中的。根據(jù)這兩個(gè)不對(duì)稱的信號(hào)的差值，即可調(diào)整小車的方向，引導(dǎo)其沿直線行駛。 對(duì)于弧形導(dǎo)線，即路徑的轉(zhuǎn)彎處，由于弧線兩側(cè)的磁力線密度不同，則當(dāng)載有線圈的小車行駛至此處時(shí)，兩邊的線圈感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)是不同的。具體的就是，弧線內(nèi)側(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于弧線外側(cè)線圈的，據(jù)此信號(hào)可以引導(dǎo)小車拐彎。 另外，當(dāng)小車駛離導(dǎo)線偏遠(yuǎn)致使兩個(gè)線圈處于導(dǎo)線的一側(cè)時(shí)，兩個(gè)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也是不平衡的。距離導(dǎo)線較近的線圈中感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)大于距離導(dǎo)線較遠(yuǎn)的線圈。由此，可以引導(dǎo)小車重新回到導(dǎo)線上。 由于磁感線的閉合性和方向性，通過(guò)兩線圈的磁通量的變化方向

30、具有一致性，即產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同，所以由以上分析，比較兩個(gè)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小即可判斷小車相對(duì)于導(dǎo)線的位置，進(jìn)而做出調(diào)整，引導(dǎo)小車大致循線行駛。采用雙水平線圈檢測(cè)方案，在邊緣情況下，其單調(diào)性發(fā)生變化，這樣存在一個(gè)定位不清的區(qū)域（如圖3.11箭頭所指）。同一個(gè)差值，會(huì)對(duì)應(yīng)多個(gè)位置，不利于定位。另外，受單個(gè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大距離限制，兩個(gè)線圈的檢測(cè)廣度很有限。圖3.11 雙線圈差值法有定位不清區(qū)域現(xiàn)提出一種優(yōu)化方案：5個(gè)垂直放置的電感按“一”字排布，每個(gè)電感相距約為5cm（見圖3.12），這樣覆蓋賽道范圍約為25cm。三個(gè)“一”字排布的電感可以大大提高檢測(cè)密度和廣度，向前有兩個(gè)電感，

31、最可以提高前瞻，改善小車入彎狀態(tài)和路徑，兩個(gè)45°的電感，可以改善入彎和出彎的姿態(tài)。間距5cm圖3.12 電感排布檢測(cè)方案第四章 智能車控制軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明第四章 智能車控制軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明控制程序是人的思想在車模體現(xiàn)，程序要體系化，模塊化，穩(wěn)定化，目標(biāo)是將硬件電路和機(jī)械性能發(fā)揮到最大，讓車模用最快的速度完成比賽。4.1底層初始化編寫初始化函數(shù)SystemInit()，初始化用到的模塊，如下（子函數(shù)略）：void SystemInit(void) pll_init(1); /時(shí)鐘初始化 gpio_init(); /IO口初始化 pwm_init(); / 波初始化 interrupt_ini

32、t();/中斷初始化 timer_init(); /計(jì)時(shí)器初始化 uart_init(); /串口初始化 i2c_init(); /IIC初始化 spi_init(); /SPI初始化 adc_init(); /AD初始化 pulse_counter_init(); /計(jì)數(shù)器初始化 PIDInit(); /PID初始化 flash_init(); /flash初始化 LCDInit(); /LCD初始化 CarStatusInit(); /和程控有關(guān)的初始化 4.2傳感器采集處理算法編寫采集函數(shù)SensorCollection()，其功能為控制AD采集某個(gè)通道（對(duì)應(yīng)某個(gè)電感）的電壓值，然后讀出

33、該值返回給函數(shù)。由于系統(tǒng)中存在噪聲或干擾，進(jìn)行算法濾波抑制和防止干擾是一項(xiàng)重要措施。在這里選擇“加權(quán)遞推平均濾波法”。定義一個(gè)循環(huán)隊(duì)列，把連續(xù)取N個(gè)采樣值入隊(duì)，假設(shè)隊(duì)列的長(zhǎng)度為N，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，隊(duì)滿后對(duì)首數(shù)據(jù)出隊(duì)原隊(duì)首位置成為隊(duì)尾并入隊(duì)（即始終保持隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)為最新）。越接近現(xiàn)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，權(quán)取得越大。把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均運(yùn)算，就可獲得新的濾波結(jié)果。特點(diǎn)是給予新采樣值的權(quán)系數(shù)越大，則靈敏度越高，但信號(hào)平滑度越差。優(yōu)點(diǎn)是適合采樣周期較短的系統(tǒng)，改變權(quán)重即可調(diào)整靈敏度。該濾波器采集某一通道數(shù)據(jù)N次，然后進(jìn)行濾波計(jì)算，流程圖如圖4.1所示：新采集7個(gè)通道數(shù)據(jù)各一次更新隊(duì)列

34、，數(shù)據(jù)入隊(duì)繼續(xù)采集將形成的隊(duì)列進(jìn)行加權(quán)計(jì)算平均值，越早的數(shù)據(jù)權(quán)重越小，越新的數(shù)據(jù)權(quán)重越大得出新的平均值圖4.1 加權(quán)遞推平均濾波流程圖4.3尋線行駛算法實(shí)現(xiàn)4.3.1定位算法圖3.12所示傳感器的尋線原理：某一時(shí)刻，采五個(gè)“一”字排布的電感的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，找出一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大的電感（計(jì)為M），導(dǎo)線必然會(huì)離這個(gè)電感最近。然后讀出該電感相鄰左右兩個(gè)電感的值（分別計(jì)為L(zhǎng)和R）。會(huì)有以下三種情況：當(dāng)L值大于R值，說(shuō)明導(dǎo)線在L和M之間；當(dāng)L值小于R值，說(shuō)明導(dǎo)線在R和M之間；當(dāng)L值約等于R值，說(shuō)明導(dǎo)線在M正上。對(duì)于特殊情況，如M在最左或最后，缺相鄰的L或R，可直接將導(dǎo)線位置定位于M，且由M值大小得出遠(yuǎn)離程

35、度。該情況說(shuō)明傳感器偏離賽道很嚴(yán)重。以上這種通過(guò)找感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大的電感M和相鄰電感L和R在確定電感和導(dǎo)線的相對(duì)位置的方法，是一種初步的定位方法。這里再次深化討論，先設(shè)立一個(gè)閾值T，分兩種情況：當(dāng)|L值R值|T，即L值約等于R值，說(shuō)明導(dǎo)線在M正上，得出確切位置；當(dāng)|L值R值|T，說(shuō)明導(dǎo)線在M和L或者M(jìn)和R之間。圖4.3 標(biāo)定算法計(jì)算的偏移擬合曲線 此定位算法，在直道上的作用比較明顯，但在彎道不足以適用所有類型的彎道。所以，在此基礎(chǔ)上，引入在彎道計(jì)算偏移比較明顯的中間標(biāo)定差值法，即：在直道處進(jìn)行中間電感M的標(biāo)定，取其標(biāo)定值與實(shí)時(shí)值作差。用此方法得到的在彎道處偏移的曲線如圖4.2所示：將以上五電感位

36、移算法與中間電感標(biāo)定差值算法綜合計(jì)算，即可得到直道和彎道同樣靈敏的控制量。程序流程圖如4.3所示。新采集7個(gè)通道數(shù)據(jù)各一次排序得出最大值M，同時(shí)找出L值和R值，并判斷是否存在滿足要求的L和R YN判斷是否滿足|L值R值|>TNYx=Xm、圖4.3 傳感器定位五電感算法流程圖4.3.2基于位置式PID的方向控制PID控制是工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制方法。問(wèn)世至今70多年來(lái)，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。單位反饋的PID控制原理框圖如圖4.4： ueYRController ControllerPlant圖4.4 單位反饋的PID控制原理框

37、圖單位反饋e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。 （4.2）其中，Kp、Ki 、Kd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)，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(guò)程就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行。數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制器是通過(guò)計(jì)算機(jī)PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)大多數(shù)是采樣-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。進(jìn)入計(jì)算機(jī)的連續(xù)-時(shí)間信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)采樣和整量化后，變成數(shù)字量，方能進(jìn)入計(jì)算機(jī)的存貯器和寄存器，而在數(shù)字計(jì)算機(jī)中的計(jì)算和處理，

38、不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。用矩形數(shù)值積分代替上式中的積分項(xiàng)，對(duì)導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用后向差分逼近，得到數(shù)字PID控制器的基本算式（位置算式）： （4.3）其中T是采樣時(shí)間，、為三個(gè)待調(diào)參數(shù)，在實(shí)際代碼實(shí)現(xiàn)算法時(shí)，處理成以下形式：loca_PreU = Kp * loca_error + Ki * loca_PreIntegral + Kd * loca_derror（4.4）根據(jù)以往資料和測(cè)試，將定位算法解算出的導(dǎo)線位置當(dāng)作反饋值(Feedback)，參考值(Ref)設(shè)為0，則有：loca_error = loca_Ref loca_Feedback （4.5）loca_derror = l

39、oca_error - loca_PreError 注： PreError為上次的error （4.6）loca_PreIntegral += loca_error （4.7）為了防止頻繁調(diào)節(jié)和意外輸出過(guò)大，設(shè)置調(diào)節(jié)死區(qū)(-LOCA_DEADLINE, LOCA_DEADLINE)。loca_error在死區(qū)內(nèi)，不進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持上一狀態(tài)。設(shè)置調(diào)節(jié)范圍（-LOCA_MAX，LOCA_MAX），假如loca_PreU算出結(jié)果越界，那么就賦給邊界值 LOCA_MAX。4.3.3基于增量式PID的速度控制對(duì)位置式加以變換，可以得到PID算法的另一種實(shí)現(xiàn)形式（增量式）： （4.8）在實(shí)際代碼實(shí)現(xiàn)時(shí)，處理

40、成vl_PreU += （Kp * d_error + Ki * error + Kd*dd_error) （4.9）將測(cè)速模塊得到的單位時(shí)間脈沖數(shù)給vi_FeedBack，vi_Ref為設(shè)定速度。error = vi_Ref - vi_FeedBack （4.10）d_error = error - vi_PreError （4.11）dd_error = d_error - _PreDerror （4.12）這里設(shè)計(jì)High，Middle，Low作為設(shè)定速度值（vi_Ref），分別對(duì)應(yīng)直道，彎道，最低速度（由傳感器狀態(tài)確定）。位于直道時(shí)，設(shè)定速度為最大。為提高穩(wěn)定性，也設(shè)置相應(yīng)的調(diào)節(jié)死區(qū)和

41、調(diào)節(jié)范圍。4.3彎道策略分析在車輛進(jìn)彎時(shí)，需要對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定：切彎路徑、轉(zhuǎn)向角度、入彎速度。其中，切彎路徑主要決定了車輛是選擇內(nèi)道過(guò)彎還是外道過(guò)彎。切內(nèi)道，路經(jīng)最短，但是如果地面附著系數(shù)過(guò)小會(huì)導(dǎo)致車輛出現(xiàn)側(cè)滑的不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，原因是切內(nèi)道時(shí)，曲率半徑過(guò)小，同時(shí)速度又很快，所以模型車需要的向心力會(huì)很大，而賽道本身是平面結(jié)構(gòu)，向心力將全部由來(lái)自地面的摩擦力提供，因此賽道表面的附著系數(shù)將對(duì)賽車的運(yùn)行狀態(tài)有很大影響。切外道，路徑會(huì)略長(zhǎng)，但是有更多的調(diào)整機(jī)會(huì)，同時(shí)曲率半徑的增加會(huì)使得模型車可以擁有更高的過(guò)彎速度。轉(zhuǎn)向角度決定了車輛過(guò)彎的穩(wěn)定性。合適的轉(zhuǎn)向角度會(huì)減少車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)的調(diào)整，不僅路徑可以保證

42、最優(yōu)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的穩(wěn)定也會(huì)帶來(lái)效率的提高，減少時(shí)間。在考慮轉(zhuǎn)向角度設(shè)置時(shí)需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：對(duì)于檢測(cè)賽道偏移量的傳感器而言，在增量較小時(shí)的轉(zhuǎn)向靈敏度；檢測(cè)到較大彎道時(shí)的轉(zhuǎn)向靈敏度；對(duì)于類似S彎的變向連續(xù)彎道的處理。對(duì)于入彎速度的分析，應(yīng)該綜合考慮路徑和轉(zhuǎn)向角度的影響。簡(jiǎn)單而言，我們會(huì)采取入彎減速，出彎加速的方案，這樣理論上可以減少過(guò)彎時(shí)耗費(fèi)的時(shí)間。然而，在過(guò)去幾屆比賽中，通過(guò)觀察各參賽車對(duì)彎道的處理后，我們發(fā)現(xiàn)并不是所有人都選擇了相同的方案。正如前面說(shuō)到的那樣，不聯(lián)系路徑和轉(zhuǎn)向角度，只是單純地分析過(guò)彎速度，會(huì)造成思路的局限甚至錯(cuò)誤。例如，在不能及時(shí)判斷入彎和出彎的標(biāo)志點(diǎn)就采取“入彎減速、出彎加

43、速”的方案，會(huì)出現(xiàn)彎道內(nèi)行駛狀態(tài)不穩(wěn)定、路徑差，同時(shí)出彎加速時(shí)機(jī)過(guò)晚，一樣會(huì)浪費(fèi)時(shí)間。所以現(xiàn)在本系統(tǒng)參考實(shí)際駕駛時(shí)的一些經(jīng)驗(yàn)，對(duì)過(guò)彎速度的處理方式確定為：入彎時(shí)急減速，以得到足夠的調(diào)整時(shí)間，獲得正確的轉(zhuǎn)向角度；在彎道內(nèi)適當(dāng)提速，并保持角度不變，為出彎時(shí)的加速節(jié)約時(shí)間；出彎時(shí)，先準(zhǔn)確判斷標(biāo)志，然后加速，雖然會(huì)耗費(fèi)一些時(shí)間，但是面對(duì)連續(xù)變向彎道可以減少判斷出錯(cuò)的概率，保證行駛狀態(tài)的穩(wěn)定性，而且彎道內(nèi)的有限加速對(duì)后面的提速也有很大的幫助。綜合考慮用可以接收的額外時(shí)間換回行駛穩(wěn)定性還是值得的。下面以常見的幾種彎道轉(zhuǎn)角處理方式解釋各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，其中，橫坐標(biāo)表示由傳感器采集回來(lái)的賽道中心線相對(duì)賽車中心線

44、的偏移量，縱坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)角大小。圖4.5彎道轉(zhuǎn)角處理方式a圖表示偏移量與轉(zhuǎn)向角度呈線性關(guān)系，在計(jì)算及程序編寫上都比較簡(jiǎn)單，也可以實(shí)現(xiàn)控制賽車行駛的目標(biāo)，但是由于規(guī)則制定比較簡(jiǎn)單，對(duì)賽車實(shí)際行駛狀態(tài)的分析不夠全面，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)不能簡(jiǎn)單套用。b圖表示的是在賽車略微偏離賽道中心時(shí)，不要對(duì)行駛方向作太大調(diào)整，而是在當(dāng)偏離度大到預(yù)定值時(shí)急速調(diào)整轉(zhuǎn)角以保證過(guò)彎的及時(shí)，同時(shí)在以判斷出是急彎后，也不要進(jìn)行大的變動(dòng)，因?yàn)榇藭r(shí)轉(zhuǎn)角的值已經(jīng)很大，僅需對(duì)舵機(jī)進(jìn)行微調(diào)就可以保證方向的正確性。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是綜合考慮了賽車對(duì)個(gè)彎道的適應(yīng)程度，同時(shí)保證了在直線行駛時(shí)的穩(wěn)定性，和抗干擾性，但是對(duì)急彎的響應(yīng)可能不夠及時(shí)，這是

45、該方案的主要缺點(diǎn)。c圖表示的對(duì)彎道的處理方案與B圖恰好相反，它提高了相應(yīng)靈敏度，降低了抗干擾性，對(duì)于多彎道，且彎道曲率半徑較小的賽道有比較好的適應(yīng)性。d、e圖是兩種比較特殊的處理方案，它們不能用于賽車的全程控制，只是考慮到賽車的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)對(duì)某部分的偏移量有特別要求是使用。對(duì)于傳統(tǒng)四輪車輛，轉(zhuǎn)向時(shí)前輪有比較嚴(yán)格的角度關(guān)系，而它們的得到是由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)決定的。這樣兩套系統(tǒng)都對(duì)某個(gè)值做出了限制，必然會(huì)有矛盾，在車由0度轉(zhuǎn)到最大轉(zhuǎn)角時(shí)，并不是每時(shí)每刻都能同時(shí)滿足兩種條件的限制，那么為了賽車行駛的穩(wěn)定性，我們可能會(huì)在小范圍內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)角波動(dòng)，以得到附近最合適的轉(zhuǎn)角值，減小矛盾。4.4彎道策略制定在智能車比賽中，

46、我們使用的是通用二輸入一輸出系統(tǒng)，其中兩個(gè)輸入量是中心線偏移量，和相鄰兩次檢測(cè)的偏移量差值；輸出量可以分別選用舵機(jī)轉(zhuǎn)角值和速度輸出值做兩套系統(tǒng)。中心線偏移量的隸屬度函數(shù)表為9級(jí)：表4.1中心線偏移量的隸屬度函數(shù)表Lable123456789下底小值0716243746556880下底大值91728404958718265535左腰斜率2555142324242323625右腰斜率2851423242423236255偏移量差值的隸屬度函數(shù)表為3級(jí)（計(jì)算時(shí)需要先做加100運(yùn)算）。中間電感標(biāo)定差值（為方便討論將差值最大值設(shè)定為100）的隸屬度函數(shù)表為9級(jí)：表4.1.1中間電感標(biāo)定差值的隸屬度函數(shù)表

47、Lable123456789模糊界限值2030405060708090100左腰斜率2555142324242323625右腰斜率2851423242423236255 由表4.1和表4.2對(duì)轉(zhuǎn)角值進(jìn)行計(jì)算，得到的計(jì)算值進(jìn)行累加，即得到轉(zhuǎn)角值。這些模糊系數(shù)的調(diào)試占據(jù)了程序調(diào)試工作的大部分時(shí)間。 此外，加入前向電感進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行預(yù)測(cè)累加，使轉(zhuǎn)角提前，對(duì)前瞻的擴(kuò)展性有很好的作用。表4.2偏移量差值的隸屬度函數(shù)表Lable123下底小值089110下底大值90111255左腰斜率2552312右腰斜率1223255速度規(guī)則表為：表4.3速度規(guī)則表中心線偏移量偏移量差值bigbigmidbigm

48、idbigmidmidlowmidlowlowbigbigmidbigmidbigmidmidlowmidlowlow速度精確值為：表4.4速度精確值Lowlowmidmidmidbigbig2632322837轉(zhuǎn)角規(guī)則表為：表4.5轉(zhuǎn)角規(guī)則表中心線偏移量偏移量差值tinytinytinysmallsmallsmallmiddlemiddlemiddlelargelargelargehugetinytinysmallsmallsmallmiddlemiddlemiddlelargelargelargehugehugetinytinytinysmallsmallsmallmiddlemiddle

49、middlelargelargehuge轉(zhuǎn)角精確值為：表4.6轉(zhuǎn)角精確值tinytinysmallsmallsmallmiddlemiddlemiddlelargelargelargehugehuge22580135170240320410510這套控制方案是基于2013年第八屆“飛思卡爾”全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽的要求，參考四輪電磁組第六屆制定的。它實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同曲率彎道的轉(zhuǎn)角合理分配，速度精確限制等目標(biāo)。但是由于大量的模糊控制的應(yīng)用，導(dǎo)致程序調(diào)試極其繁瑣，這是該系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)。第五章 開發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過(guò)程說(shuō)明第五章 開發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過(guò)程說(shuō)明5.1 開發(fā)工具程序的開發(fā)是在IAR

50、下進(jìn)行的，包括源程序的編寫、編譯和鏈接，并最終生成可執(zhí)行文件。IAR Embedded Workbench（簡(jiǎn)稱EW）的C/C+交叉編譯器和調(diào)試器是今天世界最完整的和最容易使用專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具。EW對(duì)不同的微處理器提供一樣直觀用戶界面。EW今天已經(jīng)支持35種以上的8位/16位32位ARM的微處理器結(jié)構(gòu)。 EW包括：嵌入式C/C+優(yōu)化編譯器，匯編器，連接定位器，庫(kù)管理員，編輯器，項(xiàng)目管理器和C-SPY調(diào)試器中。使用IAR的編譯器最優(yōu)化最緊湊的代碼，節(jié)省硬件資源，最大限度地降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力5.2 調(diào)試過(guò)程5.2.1 上位機(jī)系統(tǒng)要分析車模在賽道行駛的實(shí)

51、時(shí)情況，必須采集小車在行駛過(guò)程中各個(gè)功能模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，我們采用的是用SD卡存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后用上位機(jī)分析。它是調(diào)試的必備工具，包括軟件和硬件部分1）硬件方面設(shè)計(jì)K60從片用于接收單片機(jī)傳來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并寫入SD卡，在單片機(jī)最小系統(tǒng)上，已經(jīng)設(shè)計(jì)了SPI接口。二者之間通過(guò)SPI傳輸數(shù)據(jù)。圖5.1 K60從片2）軟件方面：用C#編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的上位機(jī)接收程序（見圖5.2），車模在賽道跑時(shí)，數(shù)據(jù)寫入SD卡，跑完后用上位機(jī)讀取SD卡中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖5.2 上位機(jī)程序界面相對(duì)應(yīng)的，要在車模的單片機(jī)中加入下位機(jī)程序部分，在每次采集完數(shù)據(jù)后使用SPI模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)到K60從片。5.2.2 控制算法的參數(shù)整定

52、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 整定的方法有兩類：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(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。由于智能車整個(gè)系統(tǒng)是機(jī)電高耦合的分布參數(shù)系統(tǒng)，并且要考慮賽道具體環(huán)境，要建立精確的智能車運(yùn)動(dòng)控制數(shù)學(xué)模型有一定難度，而且對(duì)車身機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)常進(jìn)行不斷修正，模型參數(shù)變化較頻繁，可操作性不強(qiáng)；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，采用了這種方法。1） 方向控制算法的參數(shù)整定方向控制采用位置式PID控制。由于小車循黑線本質(zhì)上是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，積分項(xiàng)在彎道累積的偏差錯(cuò)誤地加在直道的跟蹤上，造成在進(jìn)入直道時(shí)轉(zhuǎn)向不

53、夠準(zhǔn)確，跑直道時(shí)雖然能跟蹤黑線，但是轉(zhuǎn)向調(diào)整往往超調(diào)，導(dǎo)致車身在直道上左右震蕩，這種震蕩嚴(yán)重影響了車的整體表現(xiàn)。將積分項(xiàng)系數(shù)Ki設(shè)為0，發(fā)現(xiàn)車能在直線高速行駛時(shí)仍能保持車身非常穩(wěn)定，沒(méi)有震蕩，所以沒(méi)有必要使用 Ki 參數(shù)。該控制方案調(diào)整為PD控制。Kp和Kd參數(shù)由工程整定得出，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，得到一組穩(wěn)定快速的參數(shù)為10和20。設(shè)置合適的調(diào)節(jié)范圍LOCA_MAX。在車模中上，邊界值由舵機(jī)轉(zhuǎn)角的最大值決定。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量為控制舵機(jī)的PWM波占空比寄存器變化為200時(shí)，達(dá)到舵機(jī)最大轉(zhuǎn)角。故LOCA_MAX = 200調(diào)節(jié)合適的調(diào)節(jié)死區(qū)，死區(qū)太小會(huì)造成調(diào)節(jié)不靈敏，太大則調(diào)節(jié)過(guò)于頻繁。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量設(shè)為2時(shí)較為適合。2） 速度控制算法的參數(shù)整定速度控制采用增量式PID控制，同樣采用上一小節(jié)的工程整定法。經(jīng)多次試驗(yàn)得出，Kp，Ki ，Kd 分別取30，3，2，調(diào)節(jié)死區(qū)V_DEADLINE設(shè)置為1，調(diào)節(jié)范圍設(shè)置為950（全速時(shí)為1000），車模行駛直道和彎道加減速反映迅速，整體速度良好。5.3 整車機(jī)械方面的調(diào)整車模的機(jī)械也是很重要的一方面，針對(duì)電磁