智能小車的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）姓名：學(xué)號(hào)：專業(yè)：題目：智能小車的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)專題：指導(dǎo)教師：職稱：講師年月摘要本文介紹的是一種基于微處理器智能汽車控制器的設(shè)計(jì)。主要介紹智能汽車的運(yùn)動(dòng)模型、硬件系統(tǒng)和直流電機(jī)控制方法。重點(diǎn)針對(duì)智能汽車的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行建模，利用protel軟件對(duì)系統(tǒng)的啟動(dòng)、調(diào)速和抗擾的特性電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)初步優(yōu)化控制策略。智能汽車的硬件系統(tǒng)主要由電源模塊、主控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)向控制模塊、速度檢測(cè)模塊、路徑識(shí)別模塊和實(shí)時(shí)顯示模塊組成。主控制器模塊采用飛思卡爾公司的MC9S12DG128B單片機(jī)作為處理核心，用以處理方位信號(hào)和速度信號(hào)，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；路徑識(shí)別模塊采用紅外傳感器收集路徑信息，并分析紅外傳感器分布對(duì)路徑識(shí)別的影響；驅(qū)動(dòng)模塊采用MC33886驅(qū)動(dòng)芯片，通過(guò)控制PWM占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的控制；速度檢測(cè)模塊使用霍爾傳感器獲得智能車信息，并以此形成速度的閉環(huán)控制；實(shí)時(shí)顯示模塊用于當(dāng)前小車相關(guān)信息的顯示。智能汽車的軟件系統(tǒng)包括以下幾個(gè)模塊：紅外傳感器信息采集及處理模塊、速度檢測(cè)模塊、轉(zhuǎn)向控制模塊、轉(zhuǎn)速控制模塊和實(shí)時(shí)顯示模塊。根據(jù)仿真結(jié)果，分析轉(zhuǎn)速控制方法對(duì)智能汽車調(diào)速性能的影響，轉(zhuǎn)向控制中分析PD控制對(duì)智能汽車的轉(zhuǎn)向控制的影響。該智能汽車控制系統(tǒng)具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、響應(yīng)性快，控制效果好的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：智能汽車；紅外傳感器；PID控制；自動(dòng)循跡；ABSTRACTThisarticledescribesanintelligentvehiclecontrollerdesignbasedonFreescalemicroprocessor.Introducesthesmartcar’shardwaresystem,sportsmodelandtheDCmotorcontrolmethod.Focusingonthesmartcartothespeedcontrolsystemmodeling,useofProtelsimulationsoftwareonthesystemstart-up,speedcontrolandanti-interferencecharacteristicstosimulate,atthesametimeoptimizetheinitialcontrolstrategy.Thehardwaresystemofintelligentcarismainlyincludingpowersupplymodule,themaincontrollermodule,motordrivermodul,steeringcontrolmodule,speeddetectionmodule,thepathidentificationmoduleandreal-timedisplaymodule.MaincontrollermoduleusingFreescale’ssingle-chipmicrocomputerofthecoreMC9S12DG128B,fortheprocessingofthesignaldiretionandspeedsignals,andreal-timecontrolingsteeringandspeed;pathidentificationmoduleusesinfraredsensorstogatherpathinformationandanalyzetheimpactofthepathsindifferentdistributionsofinfraredsensors;motordrivermoduleisdrivenbyMC33886,andcontrolthePWMdutycycletoachievethecontrolofDCmotor;speeddetectionmoduleusesHallsensorstoobtaininformationontheintelligentcar,andtoformtheclosed-loopspeedcontrol;real-timedisplaymoduleisusedforthecurrentvehicleinformationdisplay.Intelligentcarofthesoftwaresystemincludesthefollowingmodules:infraredsensordataacquisitionandprocessingmodule,thespeedofdetectionmodule,steeringcontrolmodule,speedcontrolmoduleandreal-timedisplaymodule.Accordingtosimulationresults,analysisoftheintelligentspeedcontrolperformanceofvehiclespeed.AnalysisofsteeringcontrolinthePDcontrolofthesteeringcontrolintelligentcarimpact.Experimentsshowthattheintelligentvehiclecontrolsystemhasasimplehardwarecircuit，thesystemstability,fastresponse,goodcontrolfeatures. Keywords:Intelligentcar；Infraredsensor；PIDcontrol；Aototrack；目錄摘要 IIABSTRACT III目錄 i第1章緒論 11.1引言 11.2移動(dòng)機(jī)器人簡(jiǎn)介及發(fā)展趨勢(shì) 11.3應(yīng)用前景 3第2章智能汽車原理 52.1智能汽車結(jié)構(gòu) 52.2線性二自由度汽車模型 6第3章硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 103.1硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 103.2電源管理模塊 103.2.1單片機(jī)及外圍電路電源 113.2.2舵機(jī)電源 113.3轉(zhuǎn)向控制模塊 123.4主控制器模塊 123.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 143.5.1MC33886簡(jiǎn)介 143.5.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 153.6速度檢測(cè)模塊 16撥碼開(kāi)關(guān)電路 173.8路徑識(shí)別模塊 183.8.1紅外傳感器識(shí)別電路 183.9實(shí)時(shí)顯示模塊 20第4章機(jī)械部分 224.1智能車前輪定位的調(diào)整 244.1.1主銷后傾角 244.1.2主銷內(nèi)傾角 254.1.3車輪外傾角 254.1.4前輪前束 264.2智能車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化 264.3智能車后輪減速齒輪機(jī)構(gòu)調(diào)整 284.4其它機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整 29第5章直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 305.1直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型 305.2PID控制原理 32第6章軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 346.1軟件系統(tǒng)流程 346.2系統(tǒng)初始化模塊 356.3紅外傳感器數(shù)據(jù)采集及處理模塊 386.4轉(zhuǎn)向控制模塊 426.5轉(zhuǎn)速控制模塊 436.6測(cè)速模塊 446.7起始線判斷 44第7章結(jié)論與展望 477.1結(jié)論 477.2不足之處及未來(lái)展望 47參考文獻(xiàn) 48致謝 50附錄A：常用符號(hào) 51附錄B：中斷向量表 52附錄C：程序 55翻譯部分： 69中文翻譯: 76第1章緒論本章主要對(duì)智能汽車的重要性，及其產(chǎn)生和發(fā)展做一個(gè)初步的介紹。首先對(duì)智能汽車的重要性進(jìn)行一下介紹，然后對(duì)智能汽車的產(chǎn)生和發(fā)展進(jìn)行了解，最后是智能汽車的應(yīng)用展望。引言智能機(jī)器人技術(shù)作為信息技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的典型代表和主要技術(shù)手段，已成為世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的技術(shù)，廣泛涉及人工智能、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、自動(dòng)控制、精密儀器、傳感和信息等一系列學(xué)科的創(chuàng)新研究和綜合集成，是一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，代表著一個(gè)國(guó)家高科技發(fā)展水平。智能機(jī)器人一般由三大部分組成：運(yùn)動(dòng)部分、智能部分和感覺(jué)部分。運(yùn)動(dòng)部分，包括行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、手抓；智能部分，包括有認(rèn)知能力、學(xué)習(xí)能力、思維能力和決策能力的裝置；感覺(jué)部分，包括有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、接近覺(jué)的裝置。智能機(jī)器人由感覺(jué)裝置感受到外界環(huán)境的狀況，產(chǎn)生信息，并由微處理器進(jìn)行識(shí)別。微處理器中存儲(chǔ)許多知識(shí)，也就是存儲(chǔ)許多規(guī)則和數(shù)據(jù)。微處理器根據(jù)已有的知識(shí)，對(duì)得到的外界信號(hào)加以分析、判斷、推理，最后作出決策，產(chǎn)生控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械手和手抓運(yùn)動(dòng)，完成操作。這樣，不但能適應(yīng)外界環(huán)境的變化，而且還能完成復(fù)雜的任務(wù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，智能機(jī)器人應(yīng)用范圍將不僅僅局限在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，在人類的社會(huì)生活中越來(lái)越多的出現(xiàn)智能機(jī)器人。1.2移動(dòng)機(jī)器人簡(jiǎn)介及發(fā)展趨勢(shì)機(jī)器人的英文名詞是Robot，Robot一詞最早出現(xiàn)在1920年捷克作家克雷爾·卡佩克(KarelCapek)所寫的一個(gè)劇本中，這個(gè)劇本的名字為《Rossum’sUniversalRobot》，中文意思是“羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人”．劇中的人造勞動(dòng)者取名為Robota，捷克語(yǔ)的意思是“苦力”、“奴隸”．英文的Robot一詞就是由此而來(lái)的，以后世界各國(guó)都用Robot作為機(jī)器人的代名詞?，F(xiàn)代機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)中期。第二次世界大戰(zhàn)期間，由于核工業(yè)和軍事工業(yè)的發(fā)展，研制了“遙控操縱器”(Teleoperator),主要用于放射性材料的生產(chǎn)和處理過(guò)程。20世紀(jì)70年代，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)得到蓬勃發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展成為專門學(xué)科，稱為機(jī)器人學(xué)(Robotics)。機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大，不同的應(yīng)用場(chǎng)所，導(dǎo)致了各種坐標(biāo)系統(tǒng)、各種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人相繼出現(xiàn)，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛躍發(fā)展使機(jī)器人的控制性能大大提高，成本不斷的下降．20世紀(jì)后期，特別是隨著傳感器技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)始進(jìn)入智能機(jī)器人研究階段．機(jī)器人視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、接近覺(jué)等項(xiàng)目的研究和應(yīng)用，大大的提高了機(jī)器人的適應(yīng)能力，擴(kuò)大了機(jī)器人的應(yīng)用范圍，促進(jìn)了機(jī)器人的智能化進(jìn)程。目前，對(duì)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展最有影響的國(guó)家是美國(guó)和日本，許多國(guó)家成立了機(jī)器人協(xié)會(huì)，美國(guó)、日本、英國(guó)、瑞典等國(guó)家設(shè)立了機(jī)器人學(xué)位。機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，展示出了它們的能力和魅力。未來(lái)機(jī)器人技術(shù)的主要發(fā)展方向有：一、機(jī)器人結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提高其部件的性能以及軟件的模塊化設(shè)計(jì)，從而提高機(jī)器人控制系統(tǒng)的適應(yīng)性。二、機(jī)器人的控制技術(shù)的優(yōu)化，向著開(kāi)放式、模塊化控制系統(tǒng)發(fā)展，并具有良好的人機(jī)界面．三、機(jī)器人傳感技術(shù)的融合，提高機(jī)器人系統(tǒng)獲取環(huán)境信息及決策的能力．四、機(jī)器人應(yīng)用多元化，不僅要涉及工業(yè)和軍事，還要向醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂(lè)等方面發(fā)展。隨著微電子技術(shù)、材料科學(xué)和人工智能研究的突破，更高智能的機(jī)器人一定會(huì)出現(xiàn)．機(jī)器人已為20世紀(jì)人類文明做出了重要貢獻(xiàn)，機(jī)器人將在21世紀(jì)為人類文明做出更大的新貢獻(xiàn)。1.3應(yīng)用前景目前移動(dòng)機(jī)器人的研究主要集中在足式步行機(jī)器人、履帶式移動(dòng)機(jī)器人、輪式機(jī)移動(dòng)器人和特種機(jī)器人，其中輪式移動(dòng)機(jī)器人控制相對(duì)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，能源利用率較高等特點(diǎn)。輪式機(jī)器人已在空間探測(cè)上初顯鋒芒，如阿波羅登月計(jì)劃中的月球車、美國(guó)發(fā)射的火星探測(cè)器等．如圖1-1所示。圖1-1勇氣號(hào)火星探測(cè)器人類社會(huì)的不斷前進(jìn)中，交通已成為人們外出不可缺少的部分．隨著交通工具的發(fā)展和遞增，現(xiàn)代交通呈現(xiàn)出的是一種復(fù)雜和擁擠，如何解決這一難題，移動(dòng)機(jī)器人給出了較好的答。通過(guò)智能網(wǎng)絡(luò)的連接，移動(dòng)機(jī)器人接收和發(fā)送道路情況的信息，判斷后選取最優(yōu)路徑行駛，并通過(guò)智能控制使得道路交通暢通流暢，其中也可減少交通事故的發(fā)生。隨著我國(guó)北斗計(jì)劃的實(shí)施，精確定位將不再遙遠(yuǎn)，在不久的將來(lái)智能汽車的發(fā)展必定會(huì)向前邁出輝煌的一步。在一些特殊場(chǎng)合情況下，智能車也是有很大應(yīng)用的,如：在搶險(xiǎn)救火時(shí)，用它探明不明地區(qū)的情況；在現(xiàn)代反恐中，用它進(jìn)行排爆作業(yè)等等。機(jī)器人的應(yīng)用將隨著人類社會(huì)的不斷變化變得越來(lái)越。第2章智能汽車原理本章介紹的是智能汽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)模型．智能汽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要對(duì)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向控制有較大影響，質(zhì)心的位置將決定前后輪的負(fù)載，從而影響到直流電機(jī)和舵機(jī)的工作。智能汽車結(jié)構(gòu)智能汽車按照移動(dòng)方式可分為履帶式和輪式等，其中輪式更接近現(xiàn)實(shí)生活，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、活動(dòng)靈活。本文設(shè)計(jì)的智能汽車是要模擬現(xiàn)實(shí)中汽車行駛的特性，所以采用的是輪式結(jié)構(gòu)。其中后輪為主動(dòng)輪，由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為智能汽車提供動(dòng)力；前輪為從動(dòng)輪，由舵機(jī)控制并產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，為智能汽車提供轉(zhuǎn)向力。智能汽車的最前面為紅外傳感器，用于檢測(cè)道路信息，具體結(jié)構(gòu)如圖2-1。圖2-1智能汽車結(jié)構(gòu)線性二自由度汽車模型智能汽車在水平跑道上等速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性主要通過(guò)舵機(jī)轉(zhuǎn)角輸入的響應(yīng)來(lái)研究。作為剛體它具有多個(gè)自由度，但是為了便于理解智能汽車操縱穩(wěn)定性的基本特性，需要簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，把多自由度模型縮減為只有(橫擺角速度)和(質(zhì)心的偏側(cè)角)的二自由度模型。令智能汽車坐標(biāo)系的原點(diǎn)與智能汽車質(zhì)心重合，設(shè)前輪轉(zhuǎn)過(guò)角，此時(shí)在質(zhì)心產(chǎn)生離心力，它在前、后輪上引起側(cè)向反作用力和，即前、后輪的偏側(cè)力，相應(yīng)的前、后輪的偏側(cè)角為和。前、后輪速度和的方向即可確定。根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)定理，轉(zhuǎn)動(dòng)瞬心點(diǎn)至質(zhì)心點(diǎn)的距離為智能汽車轉(zhuǎn)彎半徑，質(zhì)心處的速度為(2-1)式中為橫擺角速度，在軸上的分量為(2-2)式中為質(zhì)心車速與智能汽車軸的夾角，即為質(zhì)心的偏側(cè)角。圖2-2二自由度智能汽車模型由于很小，，所以(2-3)在軸上的分量為(2-4)所以當(dāng)很小時(shí)，arcsin即可推出：(2-5)這樣智能汽車質(zhì)心絕對(duì)加速度沿軸上的分量為(2-6)根據(jù)圖2-2，用二自由度智能汽車受到的外力沿軸方向的合力與繞質(zhì)心的力矩平衡方程，推出運(yùn)動(dòng)微分方程，為(2-7)式中，和分別為前、后輪的偏側(cè)力；為整車質(zhì)量；為車身繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；和分別為前、后軸到質(zhì)心的間的距離；為智能汽車質(zhì)心絕對(duì)加速度沿橫軸上的分量，即側(cè)向及速度。側(cè)偏力的大小，取決于輪胎的側(cè)偏剛度與側(cè)偏角，即(2-8)式中，和分別為前、后輪胎的側(cè)偏剛度；和分別為前、后輪胎的側(cè)偏角。所以(2-9)而前、后輪的和可由幾何關(guān)系求得(2-10)將式(2-10)代入式(2-9)，經(jīng)整理后的二自由度智能汽車微分方程(2-11)這個(gè)聯(lián)立方程式包含了智能汽車的質(zhì)量和輪胎側(cè)偏剛度兩方面的重要參數(shù)，能夠反映智能汽車曲線運(yùn)動(dòng)最基本的特征。同時(shí)顯示出智能汽車質(zhì)量和輪胎對(duì)其整體性能的影響。第3章硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)本章主要介紹的是智能汽車的電路設(shè)計(jì)。作為整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，硬件結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣將影響到智能汽車控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，也將對(duì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定的影響。硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)智能汽車主要由電源模塊、主控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)向控制模塊、速度檢測(cè)模塊、路徑識(shí)別模塊和實(shí)時(shí)顯示模塊組成。智能汽車以MC9S12DG128B控制核心，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖3.2電源管理模塊的鎳鎘電池，其為整個(gè)系統(tǒng)的電力來(lái)源。鎳鎘電池作為初級(jí)電源，為穩(wěn)壓芯片和驅(qū)動(dòng)芯片等提供輸入。3.2.1單片機(jī)及外圍電路電源選用LM2940CT-5穩(wěn)壓芯片為單片機(jī)和外圍電路供電，如圖3-2所示。LM2940CT-5穩(wěn)壓電路輸出電壓為5V，最大輸出電流為1A，具有反電壓保護(hù)，同時(shí)有短路和過(guò)熱保護(hù)。與一般的7805穩(wěn)壓電路相比，靜態(tài)功耗更小，在低壓差下，電壓更穩(wěn)定，線性度更好，驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)。圖3-2LM2940+5V直流電壓模塊3.2.2舵機(jī)的6V工作電壓由LM317可調(diào)電源提供，如圖3-3所示．LM317穩(wěn)壓芯片的穩(wěn)壓范圍在，輸出電流超過(guò)，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)具有限流和過(guò)熱保護(hù)功能。圖3-3舵機(jī)電源(LM317)電壓輸出計(jì)算公式為 （3-1）3.3轉(zhuǎn)向控制模塊轉(zhuǎn)向控制模塊主要由伺服器S3010構(gòu)成，S3010為通用伺服器，成本低，高扭矩．使用電壓范圍為。工作電壓在時(shí)的動(dòng)作速度為。為了保證舵機(jī)的控制精度和轉(zhuǎn)矩，使舵機(jī)連接桿的力臂與智能汽車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)和控制點(diǎn)的力臂距離相等，值為。3.4主控制器模塊主控制器模塊控制芯片采用MC9S12DG128B單片機(jī)，該芯片具有豐富的硬件資源：采用16位HCS12CPU內(nèi)核，支持BDM調(diào)試，支持DBLC、IIC和CAN總線，128K字節(jié)的FlashEEPROM，8K字節(jié)的RAM，2K字節(jié)的EEPROM，2個(gè)異步串行通訊接口(SCI)，2個(gè)串行外圍接口(SPI)，1個(gè)8通道的輸入捕捉/輸出比較(IC/OC)增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器，2個(gè)8通道10位轉(zhuǎn)換精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，1個(gè)8通道的脈沖調(diào)制器(PWM)，豐富的I/O資源，內(nèi)部集成PPL鎖相環(huán)，其引腳功能[7]如圖3-4所示。表3-1控制器引腳分配表功能引腳功能引腳功能AD00測(cè)0號(hào)紅外數(shù)據(jù)AD07測(cè)7號(hào)紅外數(shù)據(jù)PWM45控制電機(jī)正轉(zhuǎn)AD01測(cè)1號(hào)紅外數(shù)據(jù)AD08測(cè)8號(hào)紅外數(shù)據(jù)PWM67控制電機(jī)反轉(zhuǎn)AD02測(cè)2號(hào)紅外數(shù)據(jù)AD09測(cè)9號(hào)紅外數(shù)據(jù)IC0測(cè)速捕捉AD03測(cè)3號(hào)紅外數(shù)據(jù)AD10測(cè)10號(hào)紅外數(shù)據(jù)PORTA數(shù)碼管顯示內(nèi)容AD04測(cè)4號(hào)紅外數(shù)據(jù)AD11測(cè)11號(hào)紅外數(shù)據(jù)PORTB8個(gè)發(fā)光二極管AD05測(cè)5號(hào)紅外數(shù)據(jù)AD12測(cè)12號(hào)紅外數(shù)據(jù)PORTE0-3數(shù)碼管片選AD06測(cè)6號(hào)紅外數(shù)據(jù)PWM23控制舵機(jī)本文用到單片機(jī)的ADC、PWM、ECT和IO模塊，其中用到13個(gè)ADC來(lái)檢測(cè)紅外傳感器的值；用3個(gè)16位的PWM來(lái)控制舵機(jī)和電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；還用到PORTA、PORTB和PORTE等IO口．具體的引腳分配如表3-1所示。圖3-4MC9S12DG128B引腳功能3.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊本模塊作為智能汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制模塊的主要作用是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，提供一定的電流，使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)在不同情況下保持相對(duì)穩(wěn)定的設(shè)定值。3.5.1MC33886簡(jiǎn)介電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33886，主要應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)小型直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電壓范圍在5-40V，最大負(fù)載電流可達(dá)到5A，支持TTL/CMOS輸入，具有輸出短路保護(hù)，欠壓關(guān)斷功能，故障狀態(tài)報(bào)告，最高工作頻率可達(dá)到10kHz，并且具有全橋和半橋兩種工作方式。驅(qū)動(dòng)芯片MC33886的工作方式如表3-2所示。表3-2MC33886工作方式表狀態(tài)D1IN1IN2OUT1OUT2正轉(zhuǎn)LHHLHL反轉(zhuǎn)LHLHLH停轉(zhuǎn)LHLLLL停轉(zhuǎn)LHHHHH3.5.2直流電機(jī)的控制信號(hào)來(lái)自單片機(jī)PWM45(IN1)和PWM67(IN2)的輸出。電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，PWM67占空比為0，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM45的占空比調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制速度；電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，PWM45占空比為0，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM67的占空比實(shí)現(xiàn)反向轉(zhuǎn)矩控制。OUT1、OUT2為輸出端，如圖3-5所示。圖3-5MC33886工作電路為了使智能汽車具有較好的啟動(dòng)制動(dòng)性能，這里選擇MC33886的全橋工作方式。當(dāng)智能汽車由長(zhǎng)直道進(jìn)入彎道時(shí)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路使直流電機(jī)反向制動(dòng)，迅速降低速度；當(dāng)智能汽車由彎道進(jìn)入長(zhǎng)直道時(shí)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路給電機(jī)加較高正向電壓，使智能汽車速度迅速提高。為進(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力，可采用兩路或多路MC33886并聯(lián)的工作方式。通過(guò)提高智能汽車的加減速性能，從而提高智能汽車的整體性能。3.6速度檢測(cè)模塊常用的速度檢測(cè)方法有M法和T法．M法即在固定的時(shí)間T內(nèi)檢測(cè)位置編碼器發(fā)出脈沖信號(hào)數(shù)M，在時(shí)間T內(nèi)獲得脈沖數(shù)M越多轉(zhuǎn)速越高，同時(shí)轉(zhuǎn)速分辨率就越高；T法即檢測(cè)位置編碼器發(fā)出的兩個(gè)脈沖信號(hào)之間的時(shí)間T，轉(zhuǎn)速越低T越大，T越大轉(zhuǎn)速的分辨率就越高。這里采用T法，選用的是反射型光電傳感器，反射型光電傳感器檢測(cè)速度的原理和檢測(cè)黑白賽道黑白線時(shí)原理是一樣的，不同的是這里只要采用連續(xù)的工作方式就行了，收發(fā)管選用適合距離檢測(cè)的G-105光電傳感器，另外發(fā)射管的限流電阻為470歐姆，接收管的分壓電阻為10k歐姆這樣選擇電阻的好處是發(fā)射管的電流適中，接收管信號(hào)可以不經(jīng)比較器輸入S12單片機(jī)的引腳，而且得到的信號(hào)是邏輯高低電平。當(dāng)圓盤隨著齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電管接收到反射光強(qiáng)度的變化，由此可以得到一系列高低點(diǎn)脈沖。設(shè)置S12的ECT模塊，同時(shí)捕捉光電管輸出的電脈沖的上升沿和下降沿，通過(guò)累計(jì)一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，或者記錄相鄰脈沖的間隔時(shí)間，可以得到和速度等價(jià)的參考值。我們已知：輪胎一圈直徑為52mm，編碼盤共有32個(gè)黑白邊緣，即輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)一圈將引起64個(gè)脈沖數(shù)累積，假設(shè)對(duì)脈沖累積時(shí)間為t，在這段時(shí)間內(nèi)獲得n個(gè)脈沖數(shù)累積，則小車的速度為圖3-6測(cè)速電路撥碼開(kāi)關(guān)電路由于在智能車開(kāi)始行駛后，不能夠?qū)χ悄苘囉布败浖M(jìn)行修改，在保證了硬件有效可靠的同時(shí)，軟件有可能不能夠適應(yīng)新場(chǎng)地，所以設(shè)計(jì)撥碼開(kāi)關(guān)對(duì)智能車有關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置也是必要的。撥碼開(kāi)關(guān)電路如下圖所示：圖3-7撥碼開(kāi)關(guān)這是一個(gè)八段的撥碼開(kāi)關(guān)，我們把它成成上下連個(gè)部分，顯然，每個(gè)部分都有16種狀態(tài)，前四個(gè)來(lái)改變舵機(jī)參數(shù)，后四個(gè)改變直流電機(jī)參數(shù)，這樣對(duì)于適應(yīng)新的場(chǎng)地很有好處3.8路徑識(shí)別模塊路徑識(shí)別模塊的主要作用是獲取道路信息，處理后的信息將被用于轉(zhuǎn)向控制、轉(zhuǎn)速控制，還包括起始線判斷，進(jìn)入、駛出彎道等的判斷。路徑識(shí)別模塊在一定程度上對(duì)智能汽車的整體性能具有較大的影響。3.8.1路徑檢測(cè)常用的傳感器有圖像傳感器和紅外傳感器。方案一：圖像傳感器檢測(cè)范圍廣，距離遠(yuǎn)，能夠獲得更多的路徑信息，但數(shù)據(jù)量多，處理復(fù)雜，并且將占用較多的控制器資源，而且需要獨(dú)立的電源給圖像傳感器供電。方案二：紅外傳感器檢測(cè)范圍窄，距離近，獲得的路徑信息有限，但其具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信號(hào)處理少，使用方便的特點(diǎn)，而且通過(guò)采用模擬式紅外完全可以通過(guò)軟件提高檢測(cè)的精度。紅外傳感器利用光電對(duì)管檢測(cè)路面信息，其原理是發(fā)射管發(fā)出一定波長(zhǎng)的紅外線，通過(guò)路面反射被接收管接收，由于黑白路面反射系數(shù)不同，接收管接收到的紅外線強(qiáng)度也不同，得到不同的感應(yīng)電流，通過(guò)轉(zhuǎn)換變成電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)AD口轉(zhuǎn)換獲得道路信息。常用的紅外傳感器檢測(cè)電路分為數(shù)字式和模擬式兩種，數(shù)字式的，針對(duì)不同光強(qiáng)得到0或1信號(hào)，數(shù)據(jù)信息較為粗糙；模擬式，針對(duì)不同光強(qiáng)可得到連續(xù)變化的信號(hào)，可獲得足夠的路徑信息。綜上所述，本文選用的是模擬式紅外傳感器TRCT5000，通過(guò)對(duì)多個(gè)傳感器信息的處理及分析，可以獲得路徑的準(zhǔn)確信息，能夠準(zhǔn)確區(qū)分起始線和交差線，并且可以細(xì)化舵機(jī)的控制量。該模塊的電路如圖3-7所示。圖3-8紅外傳感器電路圖3-8中紅外發(fā)射管的壓降為1.2V左右．結(jié)合實(shí)際情況，考慮到功耗及信號(hào)強(qiáng)度選擇發(fā)射管的工作電流為20mA．由于各個(gè)紅外發(fā)射管及接收管的特性存在偏差，再加上環(huán)境光線的影響，因此得到的信號(hào)存在偏差．對(duì)于這種影響，采用軟件濾波的處理方法，可得到相對(duì)穩(wěn)定的檢測(cè)數(shù)據(jù)．3.8根據(jù)以往對(duì)光電傳感器排布方式研究已經(jīng)比較深入，傳統(tǒng)的“一”字型排布方式在眾多排布方式中效果顯著，是最常用的一種排布方式。模型車也充分利用了以往的成熟的傳感器技術(shù)，其排布方式如圖3-8。圖3-8模型車激光傳感器一字排布圖3.9實(shí)時(shí)顯示模塊實(shí)時(shí)顯示模塊的主要作用是將智能汽車的當(dāng)前狀態(tài)顯示出來(lái)，包括智能汽車的速度、轉(zhuǎn)角和工作狀態(tài)等．速度和轉(zhuǎn)角使用4個(gè)8段數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管顯示方式采用動(dòng)態(tài)掃描，硬件電路如圖3-7所示．加入8個(gè)發(fā)光二極管，用以顯示智能汽車的工作狀態(tài)，方便調(diào)試程序．這里用到PORTB口和PORTE口，其中PORTB作為數(shù)碼管數(shù)據(jù)的輸入引腳，輸出數(shù)碼管顯示內(nèi)容的信號(hào)；由于使用了4個(gè)數(shù)碼管，所以PORTE口只使用了4位作為片選信號(hào)，以選擇不同的數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新。圖3-8數(shù)碼管顯示電路第4章機(jī)械部分我們對(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)設(shè)計(jì)方案:圖4-1智能車器件布局圖智能車系統(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。智能車的控制采用的是前輪轉(zhuǎn)向，后輪驅(qū)動(dòng)方案。智能車的外形大致如下：圖4-2智能車外形圖其基本的設(shè)計(jì)尺寸如表4.1：表4.1模型車基本尺寸參數(shù)基本尺寸尺寸軸距198mm前輪距137mm后輪距138mm/146mm車輪直徑52mm主減傳動(dòng)比18/764.1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。4.1.1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。4.1.2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，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。4.1.3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(kāi)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。4.1.4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0~12mm。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0~2mm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)。4.2智能車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化里想的轉(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4-3智能車轉(zhuǎn)向示意圖如圖4-3，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，模型車的轉(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4-4，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4-4轉(zhuǎn)向拉桿圖4.3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)重影響最終效果。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(tīng)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。4.4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（/s~/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)模型車的前后懸架彈簧的預(yù)緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)，選用不同彈性系統(tǒng)的彈簧等方法進(jìn)行了改進(jìn)，并且對(duì)車身高度，以及底盤的形狀和質(zhì)量

、后輪的輪距等，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5章直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)本章介紹了直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制方法及仿真。傳統(tǒng)的控制方法為PID控制，PID控制的參數(shù)整定有較為固定的方法；模糊控制的參數(shù)整定沒(méi)有固定的方法，大多采用經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行調(diào)整。這里主要針對(duì)模糊控制進(jìn)行仿真。5.1直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型智能汽車系統(tǒng)采用的是直流他激式直流電動(dòng)機(jī)，其等效控制電路如圖4-1所示。系統(tǒng)的輸入量為電機(jī)電樞，電壓，控制系統(tǒng)的輸出量為電機(jī)的轉(zhuǎn)速n。圖4-1直流電機(jī)等效控制電路根據(jù)電壓定律，可得到電樞回路的微分方程式：(4-1)由于電機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)為(4-2)由式(4-1)和(4-2)可以得到電機(jī)的動(dòng)方程式：(4-3)電動(dòng)機(jī)的第二個(gè)方程為機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程，在無(wú)負(fù)載的理想機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程的微分形式為(4-4)電磁轉(zhuǎn)矩為(4-5)消去中間變量M，整理可得直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的微分方程形式的數(shù)學(xué)模型為（4-6）進(jìn)一步可以得到(4-7)在微分方程式基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步可以得到差分方程式，但是直流電機(jī)是模擬形式的受控對(duì)象，通常只得到其微分方程形式的數(shù)學(xué)模型[11]．將式在零初始條件進(jìn)行拉斯變換可以得到直流他激式電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)形式的數(shù)學(xué)模型，即：(4-8)Ω×V/()，電磁時(shí)間常數(shù)為0.005s，機(jī)電時(shí)間常數(shù)為0.0144s．將電機(jī)參數(shù)代入直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型中得到RS380-ST-3545直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為：(4-9)5.2PID控制原理PID控制[12]是工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、調(diào)整方便．控制算式如下：(4-10)e(t)代表實(shí)際設(shè)定值與實(shí)際檢測(cè)值的偏差，這個(gè)偏差信號(hào)被送到控制器，控制器計(jì)算得到控制輸出量u(t)。比例調(diào)節(jié)作用是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差．比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。只要有誤差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出常值．積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù)，越小，積分作用就越強(qiáng)．反之大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢．積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除．因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能．在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間．微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)的微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí)，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD或PID控制器。運(yùn)用PID控制的關(guān)鍵是進(jìn)行參數(shù)整定概括起來(lái)有兩大類：一是計(jì)算整定法，主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器的PID參數(shù)；二是工程整定方法，主要根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，直接在試驗(yàn)中進(jìn)行參數(shù)整定，簡(jiǎn)單靈活，在工程實(shí)際中被廣泛采用。實(shí)際過(guò)程中，由于控制器是按一定間隔周期獲取數(shù)據(jù)信息的，因此必須將連續(xù)PID控制離散化，這樣得到的就是數(shù)字PID算法。數(shù)字PID算法[13]分為增量型和位置型。數(shù)字PID位置型控制算式如下：(4-11)其中：為采樣時(shí)間．可以看出位置型控制算法，編程時(shí)累加e(k)不方便，同時(shí)也會(huì)占用較多的存儲(chǔ)空間。數(shù)字PID增量型控制算式如下：(4-12)為方便編程化簡(jiǎn)為：(4-13)其中：，，第6章軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.1軟件系統(tǒng)流程本文采用模塊化的設(shè)計(jì)方法對(duì)智能汽車的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將其分為以下幾個(gè)部分：紅外傳感器信息采集及處理模塊、速度檢測(cè)模塊、轉(zhuǎn)向控制模塊、轉(zhuǎn)速控制模塊和實(shí)時(shí)顯示模塊。其總體流程如圖5-1所示。圖5-1系統(tǒng)軟件流程圖6.2系統(tǒng)初始化模塊系統(tǒng)軟件的初始化過(guò)程主要作用是為了定義系統(tǒng)所要使用的系統(tǒng)資源，它將涉及到單片機(jī)的ECT模塊、PWM模塊和ATD模塊。ECT模塊(EnhancedCaptureTimerModule)，即增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器模塊．該模塊有一個(gè)16位的主自由計(jì)數(shù)器TCNT，8個(gè)IC/OC單元。這里使用IC0捕捉電脈沖上升沿，用于檢測(cè)智能小車速度，用OC5產(chǎn)生電機(jī)控制的定時(shí)中斷。PWM模塊[16](PulseWidthModulation)，即脈寬調(diào)制模塊。該模塊有8個(gè)8位PWM單元，同時(shí)可以合并為4個(gè)16位的PWM。這里采用16位的PWM，其中PWM23控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，PWM45給電機(jī)加正向PWM，PWM67給電機(jī)加反向PWM。ATD模塊[17](AnalogToDigitalModule)，即模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊．該模塊擁有2個(gè)8通道8/10位轉(zhuǎn)換精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,可實(shí)現(xiàn)多通道連續(xù)轉(zhuǎn)換。這里使用了ADC0的8通道和ADC1的5通道，用來(lái)采集13個(gè)紅外傳感器信號(hào)，為獲得較高精度采用10位精度，AD采樣時(shí)間選為16μs。初始化程序如下：voidInitial(void){//ECT模塊初始化TSCR2=0B00000110;/*總線頻率64分頻，8us計(jì)數(shù)周期*/TIOS=0B00100000;/*第5通道設(shè)定為輸出比較*//*第0通道設(shè)定為輸入捕捉*/TCTL4=0B00000001;/*設(shè)定T0為輸入上升沿捕捉*/TC5=1250;/*用于舵機(jī)控制定時(shí)*/TC4=1250;/*用于電機(jī)控制定時(shí)*/TIE=0B00100001;/*使能第0、5通道中斷*/TSCR1=0B10000000;/*起動(dòng)計(jì)數(shù)*///PWM模塊初始化DDRP=0B10101000;/*第3通道設(shè)定為輸出，控制舵機(jī)*//*第5通道設(shè)定為輸出，控制電機(jī)前轉(zhuǎn)*//*第7通道設(shè)定為輸出，控制電機(jī)后轉(zhuǎn)*/PWMPOL=0B10101000;/*第3/5/7通道設(shè)定先輸出高電平*/PWMCLK=0x00;/*時(shí)鐘選擇45為A時(shí)鐘；67/23為B時(shí)鐘*/PWMPRCLK=0x33;/*總線時(shí)鐘8分頻作為PWM的B和A時(shí)鐘*/PWMCAE=0x00;/*左邊沿對(duì)齊*/PWMCTL=0B11100000;/*第23/45/67通道合并*/PWMPER23=10000;/*舵機(jī)PWM周期為10ms*/PWMDTY23=1200;/*舵機(jī)初始為平衡*/PWMPER45=2000;/*電機(jī)前行PWM周期為1ms*/PWMDTY45=1400;/*初始化為加速前進(jìn)*/PWMPER67=2000;/*電機(jī)后行PWM周期為1ms*/PWMDTY67=0;/*初始化為停止后退*/PWME=0B10101000;/*使能PWM*///ATD模塊初始化ATD0CTL2=0B10000000;/*起動(dòng)ADC0轉(zhuǎn)換，清除標(biāo)志禁止外部觸發(fā)*/ATD1CTL2=0B10000000;/*起動(dòng)ADC1轉(zhuǎn)換，清除標(biāo)志禁止外部觸發(fā)*/ATD0CTL3=0B01000000;/*轉(zhuǎn)換隊(duì)列為ADC0的8個(gè)*/ATD1CTL3=0B00101000;/*轉(zhuǎn)換隊(duì)列為ADC1的5個(gè)*/ATD0CTL4=0B01100011;/*總線頻率8分頻，采樣選擇16us*/ATD1CTL4=0B01100011;/*總線頻率8分頻，采樣選擇16us*/ATD0CTL5=0B10110000;/*轉(zhuǎn)換結(jié)果右對(duì)齊，無(wú)符號(hào)連續(xù)轉(zhuǎn)換*/ATD1CTL5=0B10110000;/*轉(zhuǎn)換結(jié)果右對(duì)齊，無(wú)符號(hào)連續(xù)轉(zhuǎn)換*/}6.3紅外傳感器數(shù)據(jù)采集及處理模塊智能汽車一共安裝了13個(gè)紅外傳感器，直線均勻分布，這里使用了13個(gè)ADC通道來(lái)采集紅外傳感器的數(shù)據(jù)。由于傳感器每次工作的環(huán)境大致相同，所以其感光特性數(shù)據(jù)變化較小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取經(jīng)驗(yàn)值，并設(shè)定相對(duì)較好的分界值確定黑線方位。將記錄的當(dāng)前值與經(jīng)驗(yàn)值作比較，確定紅外傳感器所對(duì)的方位是否在黑線上方，并以此確定當(dāng)前智能汽車的運(yùn)動(dòng)情況。其中判斷黑線方位程序如下：{if(L5<=a){//判斷黑線是否在左端第5個(gè)傳感器下方s=18;//修改方位變量a=L5;//修改判斷標(biāo)準(zhǔn)的最小值}if(R5<=a){//判斷黑線是否在右端第5個(gè)傳感器下方s=-18;//修改方位變量a=R5;//修改判斷標(biāo)準(zhǔn)的最小值}if(L4<=a){//判斷黑線是否在左端第4個(gè)傳感器下方s=15;//修改方位變量a=L4;//修改判斷標(biāo)準(zhǔn)的最小值}if(R4<=a){//判斷黑線是否在右端第4個(gè)傳感器下方s=-15;//修改方位變量a=R4;//修改判斷標(biāo)準(zhǔn)的最小值}if(L3<=a){//判斷黑線是否在左端第3個(gè)傳感器下方s=12;//修改方位變量a=L3;//修改判斷標(biāo)準(zhǔn)的最小值}if(R3<=a){//判斷黑線是否在右端第3個(gè)傳感器下方s=-12;//修改方位變量a=R3;//修改判斷標(biāo)準(zhǔn)的最小值}if(L2<=a){//判斷黑線是否在左端第2個(gè)傳感器下方s=9;//修改方位變量a=L2;//修改判斷標(biāo)準(zhǔn)的最小值}if(R2<=a){//判斷黑線是否在右端第2個(gè)傳感器下方s=-9;//修改方位變量a=R2;//修改判斷標(biāo)準(zhǔn)的最小值}if(L1<=a){//判斷黑線是否在左端第1個(gè)傳感器下方s=6;//修改方位變量a=L1;//修改判斷標(biāo)準(zhǔn)的最小值}if(R1<=a){//判斷黑線是否在右端第1個(gè)傳感器下方s=-6;//修改方位變量a=R1;//修改判斷標(biāo)準(zhǔn)的最小值}if(L0<=a){//判斷黑線是否在左端第0個(gè)傳感器下方s=3;//修改方位變量a=L0;//修改判斷標(biāo)準(zhǔn)的最小值}if(R0<=a){//判斷黑線是否在右端第0個(gè)傳感器下方s=-3;//修改方位變量a=R0;//修改判斷標(biāo)準(zhǔn)的最小值}if(M<=a){//判斷黑線是否在中間傳感器下方s=0;//修改方位變量a=M;//修改判斷標(biāo)準(zhǔn)的最小值}其中R0-R5、L0-L5和M寄存的為紅外傳感器當(dāng)前值6.4轉(zhuǎn)向控制模塊轉(zhuǎn)向控制采用PD控制，以減小轉(zhuǎn)向控制的滯后性。PD控制采用位置型算法，其中為轉(zhuǎn)向?yàn)檎袝r(shí)的工作點(diǎn)。(5-1)其中、轉(zhuǎn)向控制的PD控制的源程序如下所示：VoidSteer_PD(voidint){staticinte;staticintSteerPWM;u=u0+q0*s+q1*e;SteerPWM=k*u;returnSteerPWM;}6.5轉(zhuǎn)速控制模塊這里采用的是傳統(tǒng)的PID控制方法．如果采用模糊控制方法，則利用模糊化指令，對(duì)車速進(jìn)行控制．首先獲取車速偏差和偏差的變化率，進(jìn)行模糊化后，通過(guò)模糊推理及反模糊化過(guò)程，得到控制的精確量。通過(guò)改變PWM占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。以下是PID控制方法的源程序：VoidSpeed_PID(voidspeedn，voidsetspeed){staticintMotorPWM=0,speed_E[3]={0};//計(jì)算當(dāng)前速度偏差speed_E[0]=speedn-setspeed;//PID控制計(jì)算MotorPWM=MotorPWM+k*speed_E[0]+k1*speed_e[1]+k2*speed_E[2]//保存數(shù)據(jù)speed_E[2]=speed_E[1];speed_E[1]=speed_E[0];returnMotorPWM;}6.6測(cè)速模塊由于智能汽車的行駛速度相對(duì)不高，這里采用T法測(cè)速。使用輸入捕捉功能捕捉G-105光電傳感器發(fā)出脈沖的上升沿，通過(guò)計(jì)算相隔兩個(gè)上升沿的時(shí)間間隔，得到脈沖的周期。再根據(jù)速度的計(jì)算公式得到當(dāng)前的速度。中斷程序如下：interruptvoidECT0_ISR(void){speed1=speed2;speed2=TC0;if(speed2>speed1)speedn=speed2-speed1;elsespeedn=65535-speed2+speed1;TFLG1_C0F=1;}6.7起始線判斷智能汽車行駛的路徑上有一個(gè)直線區(qū)，在這里設(shè)置有一個(gè)起始線，在智能汽車運(yùn)行時(shí)要能夠識(shí)別起始線。這主要是在模擬現(xiàn)實(shí)中車輛遇到停車線等情況．起始線規(guī)格如圖5-2。圖5-2起始線為了使智能汽車能夠準(zhǔn)確識(shí)別起始線，通過(guò)設(shè)計(jì)我們總結(jié)到：在智能汽車通過(guò)起始線的時(shí)候紅外傳感器的數(shù)據(jù)值呈M狀分布，依此我們選擇判段一列具體的紅外傳感器的數(shù)據(jù)是否符合這個(gè)規(guī)律來(lái)判斷起始線。由于智能汽車在行駛中的抖動(dòng)，我們將其擴(kuò)展到三列的情況，具體程序如下：voidstart(){if((L4<k)&&(R4<k)&&(R3<k)&&(L3<k)&&(M<k)&&((L0>k)||(R0>k)))b=b+1;elseif((L4<k)&&(R2<k)&&(R3<k)&&(L5<k)&&(L0<k)&&((L1>k)||(M>k)))b=b+1;elseif((L2<k)&&(R4<k)&&(R5<k)&&(L3<k)&&(R0<k)&&((M>k)||(R1>k)))b=b+1;elseb=0;if(b==5)c++;}設(shè)計(jì)結(jié)果表明，這種方式可以準(zhǔn)確的判斷起始線，具有較高的準(zhǔn)確性和抗擾性第7章結(jié)論與展望7.1結(jié)論本文介紹了一種基于飛思卡爾微處理器智能汽車控制器的設(shè)計(jì)．主要設(shè)計(jì)了智能汽車的運(yùn)動(dòng)模型、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和直流電機(jī)控制方法．重點(diǎn)針對(duì)智能汽車的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)建模．智能汽車硬件系統(tǒng)包括：電源模塊、主控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)向控制模塊、速度檢測(cè)模塊、路徑識(shí)別模塊和實(shí)時(shí)顯示模塊；智能汽車的軟件系統(tǒng)主要包括：紅外傳感器信息采集及處理模塊、速度檢測(cè)模塊、路徑信息識(shí)別模塊、轉(zhuǎn)向控制模塊、轉(zhuǎn)速控制模塊和實(shí)時(shí)顯示模塊。分析了不同控制方法對(duì)智能汽車調(diào)速性能和轉(zhuǎn)向控制性能的影響，該智能汽車具有較好的動(dòng)態(tài)性能和控制性能。7.2不足之處及未來(lái)展望智能汽車硬件的總體結(jié)構(gòu)對(duì)其性能具有較大的影響，有必要在滿足系統(tǒng)整體要求的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低智能汽車的質(zhì)量，以提高調(diào)速系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度．可制作更小的系統(tǒng)板，采用貼片式元件的方法來(lái)達(dá)到減小質(zhì)量降低重心的效果。在轉(zhuǎn)向控制方面，當(dāng)智能汽車的速度提高后，轉(zhuǎn)向控制的滯后性增大，為了提高轉(zhuǎn)向控制的響應(yīng)速度，可增大路徑檢測(cè)部分的距離，由于紅外傳感器檢測(cè)能力有限，可采用攝像頭以獲得更多更遠(yuǎn)的路徑信息。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，智能汽車的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，將為人類的生產(chǎn)生活帶來(lái)極大的便利和改變。參考文獻(xiàn)馬昕．IEEE先進(jìn)機(jī)器人學(xué)會(huì)議概況[A]。國(guó)際學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)．濟(jì)南：山東大學(xué)，2006，3徐國(guó)華，譚民．移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)[J]，機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用．2001(3)：7-14芮延年．機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M]．化學(xué)工業(yè)出版社．2008何鋒，楊寧．汽車動(dòng)力學(xué)[M]．貴陽(yáng)：貴州科技出版社．2003，151-154NationalSemiconductor,Inc.LM2940/LM2940C1ALowDropoutRegulator[M].American:NationalSemiconductor,Inc,1999:1-3.STMicroelectronics.LM117/217LM3171.2VTO37VVOLTAGEREGULATOR[M].Italy:STMicroelectronics,1998:1-10.FreescaleSemiconductor,Inc.MC9S12DT128DeviceUserGuide[M].Arizona:FreescaleSemiconductorInc,2005:42-46.FreescaleSemiconductorInc.MC33886DeviceUserGuide[M].Arizona:FreescaleSemiconductorInc,2005:1-12.李華志，黃斌．基于圖像和傳感器信息融合的自導(dǎo)小車系統(tǒng)[J]．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)。2007,28(17):4200-4222.VishaySemiconductor.TCRT5000(L)ReflectiveOpticalSensorwithTransistorOutput[M].Germany:VishaySemiconductor,2000:1-10.王忠禮，段慧達(dá)，高玉峰．MATLAB應(yīng)用技術(shù)—在電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)中的應(yīng)用[M]。清華大學(xué)出版社。2007：103-104于海生，微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1999：84-91陳伯時(shí)，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)－運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M]。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：103－105．李人厚，智能控制理論和方法[M]。西安電子科技大學(xué)出版社。1999：40，79-80MotorolaInc.ECT_16B8CBlockUserGuide[M].Denver:MotorolaInc,2004.MotorolaInc.PWM_8B8CBlockUserGuideV01.17[M].Denver:MotorolaInc,2004.附錄A：常用符號(hào)——電動(dòng)機(jī)電樞反電動(dòng)勢(shì)，單位為V——電動(dòng)機(jī)電樞回路電阻，單位為Ω——電動(dòng)機(jī)電樞回路電感，單位為H——電動(dòng)機(jī)電樞回路電流，單位為A——電動(dòng)機(jī)電勢(shì)常數(shù)，單位為——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)，單位為——電動(dòng)機(jī)飛輪慣量，單位為附錄B：中斷向量表externvoidnear_Startup(void);/*Startuproutine*/externvoidnearECT3_ISR(void);externvoidnearSteer_ISR(void);externvoidnearECT1_ISR(void);externvoidnearECT0_ISR(void);#pragmaCODE_SEG__NEAR_SEGNON_BANKED/*Interruptsectionforthismodule.PlacementwillbeinNON_BANKEDarea.*/__interruptvoidUnimplementedISR(void){/*UnimplementedISRstrap.*/asmBGND;}typedefvoid(*neartIsrFunc)(void);consttIsrFunc_vect[]@0x0FF80={/*Interrupttable*/UnimplementedISR,/*vector63*/UnimplementedISR,/*vector62*/UnimplementedISR,/*vector61*/UnimplementedISR,/*vector60*/UnimplementedISR,