【正文】 轉(zhuǎn)向力與速度平衡，轉(zhuǎn)向舵機采用立式安裝方式。電池盡量安裝在靠近底盤處，由于模型車的自身特點，模型車底盤可利用空間很小，硬件組成員改進了電路板形狀，使電路板和模型車的底盤形成了完美契合。第三章硬件系統(tǒng)電路設(shè)計與實現(xiàn)在硬件電路設(shè)計時我們遵循了可靠，緊湊，可擴展的原則。其中可靠性是硬件設(shè)計中的重中之重，小車的功能實現(xiàn)完全是建立在硬件電路穩(wěn)定發(fā)揮作用的基礎(chǔ)之上的，在設(shè)計中我們充分考慮了EMC，盡量避免在主控電路下走高速信號，在對單片機供電的電路中使用了二級穩(wěn)壓的方法，以增強其穩(wěn)定性。緊湊是指在設(shè)計當中盡量使其能夠適應(yīng)在小車的底盤指定區(qū)域的安裝，為了充分利用雙層板的布局空間，我們把元件布在了板的兩面以有更多的空間去考慮EMC設(shè)計規(guī)則，并盡量減小元器件的使用數(shù)量，對元器件布局進行合理安排。 系統(tǒng)硬件電路主要由以下幾個部分構(gòu)成：1)K60最小系統(tǒng)：龍邱K60；2)電源電路：包括5v穩(wěn)壓電路、3V3穩(wěn)壓電路3)賽道檢測電路：采用TSL1401線性CCD傳感器；4)電機驅(qū)動電路：電機驅(qū)動采用全橋驅(qū)動；5)舵機驅(qū)動電路：，不能直接適用于舵機，所以需要對舵機外加穩(wěn)壓電路； 6)車速檢測電路：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。電源模塊的設(shè)計包括：傳感器供電模塊、單片機供電模塊、驅(qū)動電機供電模塊以及其它的外圍輔助模塊等。設(shè)計中我們注意了電源轉(zhuǎn)換效率、噪聲、干擾等。保證系統(tǒng)硬件電路可靠運行。首先了解一下不同電源的特點，電源分為開關(guān)電源和線性電源，線性電源的電壓反饋電路是工作在線性狀態(tài)，開關(guān)電源是指用于電壓調(diào)整的管子工作在飽和和截至區(qū)即開關(guān)狀態(tài)的。線性電源一般是將輸出電壓取樣然后與參考電壓送入比較電壓放大器，此電壓放大器的輸出作為電壓調(diào)整管的輸入，用以控制調(diào)整管使其結(jié)電壓隨輸入的變化而變化，從而調(diào)整其輸出電壓，但開關(guān)電源是通過改變調(diào)整管的開和關(guān)的時間即占空比來改變輸出電壓的。從其主要特點上看：線性電源技術(shù)很成熟，制作成本較低，可以達到很高的穩(wěn)定度，波紋也很小，而且沒有開關(guān)電源具有的干擾與噪音，開關(guān)電源效率高、損耗小、可以降壓也可以升壓，但是交流紋波稍大些。電源模塊對于一個控制系統(tǒng)來說極其重要，關(guān)系到整個系統(tǒng)是否能夠正常工作，因此在設(shè)計控制系統(tǒng)時應(yīng)選好合適的電源模塊。，2A/h的可充電鎳鎘電池提供。由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓、電流各不相同，因此需要多個穩(wěn)壓電路將電池電壓轉(zhuǎn)換成各個模塊的所需電壓?！CD供電電路設(shè)計由于整個系統(tǒng)中+5V電路功耗較小且CCD輸出像素信號時為峰峰值很小的正弦波，如圖33所示，所以極容易受到電源紋波的影響，我們本來打算使用高效率的開關(guān)電源穩(wěn)壓芯片LM2576S5，但為了降低電源紋波，故選擇使用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，如圖34所示。在實際制作過程中，曾選用過LM29405，但當電機啟動，小車猛然加速或制動時，會出現(xiàn)小車沖出跑道的情況因為小車程序中加了起跑延時，而在小車沖出跑道后并沒有過一段時間再啟動，故排除了單片機復(fù)位的可能性，我們懷疑是CCD供電問題。于是我們?nèi)∠铝酥靼迳辖oCCD供電的電源線，將一個4F ，由于該電容儲電量巨大，所以可供CCD取電相當長的時間。當我們再把用電容供電的CCD小車放在跑道上運行時，就沒有出現(xiàn)過沖出跑道的情況。后來我們用示波器檢測小車懸空，電機加減速時LM2940的電壓變化情況，發(fā)現(xiàn)在電機加減速時LM2940將出現(xiàn)將近1V的壓降。而ccd在供電電壓稍低于5V時就會出現(xiàn)畫面有黑色豎條的情況，進而引起小車的誤判，從而沖出跑道。之后我們將LM2940換為了TI公司的一款LDO，TPS76850，該芯片擁有超快的反應(yīng)速度，能在輸入端電壓變化劇烈時保持輸出電壓不變，經(jīng)我們示波器實際觀測在電池電壓劇烈波動時其輸出電壓毫無波動，后來確定最終使用該穩(wěn)壓芯片。CCD供電線路圖如圖31所示： 圖31 CCD供電電路圖ccd是智能小車系統(tǒng)信息提取關(guān)鍵，其信息輸出信息的好壞將首先決定小車的性能。因此ccd的選取必須慎重，既要保證圖像質(zhì)量好，滿足后續(xù)處理和賽道識別的要求，又要考慮到單片機采集和處理的能力。對于單片機來說，ccd分辨率不是越高越好。因為這樣只會徒增單片機的負擔。ccd由鏡頭、圖像傳感芯片和外圍電路構(gòu)成。而圖像傳感芯片是攝像頭最重要的部分。線性ccd TSL1401如圖32所示：圖32 ＴＳＬ１４０１ 對于整個車來說，單片機是最核心的東西了，就像是一個人的大腦一樣，所以對于單片機的穩(wěn)壓電源莫過于是最重要的了，我們在開始的時候產(chǎn)用了7805，5v穩(wěn)壓芯片，但由于該芯片不太穩(wěn)定，電流較小，而且單片機對穩(wěn)壓芯片要求非常嚴格，經(jīng)過試驗我們還是采用了與ccd一樣的穩(wěn)壓芯片tps76850來給單片機進行供電。單片機供電電路如圖33所示： 圖33 單片機供電電路電機驅(qū)動電路對于競速賽事的重要性是不言而喻的，一個好的加速與制動能力對小車整體速度的提升有著至關(guān)重要的作用。電機轉(zhuǎn)速與電壓成正比，轉(zhuǎn)矩與電流成正比。一般直流電機調(diào)速多采用PWM技術(shù)，通過控制方波的占空比來控制加在電機兩端的電壓，進而控制電機的轉(zhuǎn)速。我們最初使用的是IGBT，MOSFET驅(qū)動專用光耦TLP250與IRF3205搭建H橋來進行對RS540電機的驅(qū)動，如圖37。由于IRF3205有著較低的漏源電阻，故我們認為驅(qū)動性能將會很好。但在后來的測試中發(fā)現(xiàn)該電路在輸入PWM高于5KHz時需要50%以上的占空比才能使電機轉(zhuǎn)動，但在低頻時PWM波將會使電機產(chǎn)生較為強烈的震動，故后來放棄了這種方案。之后我們選用了Infineon公司的半橋驅(qū)動器BTN7971B，該款半橋芯片在25℃時集成的PMOS與NMOS導(dǎo)通內(nèi)阻分別為7毫歐與9毫歐，并且擁有著70A的電流上限，所以驅(qū)動能力較為強勁。并且沒有出現(xiàn)高頻PWM驅(qū)動不了的情況，比以前有效的減小了電機的震動。雖然BTN7971B驅(qū)動能力很好，但我們?yōu)榱诉M一步減小內(nèi)阻與芯片的發(fā)熱量，采用了4片搭建兩個并聯(lián)的H橋的形式組成電路。如圖34。圖34 電機驅(qū)動電路本系統(tǒng)中編碼器部分需要5v電壓供電，我們選用LM2940穩(wěn)壓芯片。 LM2940是一個低壓差穩(wěn)壓器，旨在提供一個典型的500mV的壓差電流高達1A的輸出電壓最大1V。它能夠減少接地電流時的輸入電壓和輸出電壓之間的差，LM2940提供低靜態(tài)電流，只有當穩(wěn)壓器在漏失模式（VINVOUT≤3V）下才存在較高的靜態(tài)電流，但由于我們覺得tps76850有較高的穩(wěn)定性，所以最終我們選用tps76850穩(wěn)壓芯片。編碼器供電電路如圖35所示：圖35 編碼器供電電路，我們選用LM2576adj，它是輸出電壓可調(diào)型，其技術(shù)參數(shù)為：，,輸出電流3A，具有熱關(guān)閉和限流保護功能。由于小車有兩個舵機需要用該芯片供電。舵機供電電路如圖36：圖36 舵機供電電路圖37起跑線檢測電路硬件部分是小車的基礎(chǔ)，只有硬件電路功能完好，穩(wěn)定，才能使小車系統(tǒng)正常工作。其中，供電部分是重點，能夠為各個傳感器及單片機提供穩(wěn)定電源，為后續(xù)軟件運行及調(diào)試打下堅實基礎(chǔ)。在電路設(shè)計中將所有器件集中于一塊電路板上，避免了使用導(dǎo)線或杜邦線進行各個部分之間的電氣連接，從而減小了因?qū)Ь€接觸不良或杜邦線接口松動造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定。第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)高效的軟件程序是智能車高速平穩(wěn)自動尋線的基礎(chǔ)。我們設(shè)計的智能車系統(tǒng)采用CCD進行賽道識別，圖像采集及校正處理就成了整個軟件的核心內(nèi)容。在智能車的轉(zhuǎn)向和速度控制方面，我們使用了經(jīng)典PID控制算法，配合使用理論計算和實際參數(shù)補償?shù)霓k法，使智能車能夠穩(wěn)定快速尋線。主要流程圖：系統(tǒng)供電圖像采集圖像處理判斷有效性 否 舵機打角計算 是 電機轉(zhuǎn)速計算速度反饋結(jié)束圖41 系統(tǒng)軟件流程圖在進行圖像的二值化之后，即開始對賽道的特征即黑線進行提取，由于引導(dǎo)黑線在賽道兩邊，也就是說邊線將更難以檢測，而且在轉(zhuǎn)彎的時候更容易出現(xiàn)丟線的情況。由于小車在正常行駛時基本位于賽道的中心所以黑線不會出現(xiàn)在小車視野的中心，故我們在檢測引導(dǎo)黑線的時候從圖像的中心向兩邊進行掃描，在檢測左邊線的時候，從最下面的一行開始向左邊逐個點進行判斷在檢測到黑點后再向左檢測兩個點，若仍然為黑點，則認為該黑點有效，黑線位置判定準確，再向上掃描的時候，從上一行檢測到黑點的地方向右5個點處再向左掃描。因為賽道是連續(xù)的不會出現(xiàn)突變，以這種方法進行檢測可大大減少單片機處理時間并降低錯誤概率，并且不會誤把起跑線識別為邊線，該方法稱為邊緣跟蹤算法。在提取黑線后，取兩邊黑線的平均值，提取出中線。在得到正確灰度圖像后，二值化程度的關(guān)鍵就在閥值的設(shè)定。所說的閾值就是將灰度或彩色圖像轉(zhuǎn)換為高對比度的黑白圖像，比閾值亮的像素轉(zhuǎn)換為白色；而比閾值暗的像素轉(zhuǎn)換為黑色。在車輛進彎時，需要對三個參數(shù)進行設(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)道過彎還是外道過彎。切內(nèi)道，路經(jīng)最短，但是如果地面附著系數(shù)過小會導(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，曲率半徑過小，同時速度又很快，所以模型車需要的向心力會很大，而賽道本身是平面結(jié)構(gòu)，向心力將全部由來自地面的摩擦力提供，因此賽道表面的附著系數(shù)將對賽車的運行狀態(tài)有很大影響。切外道，路徑會略長，但是有更多的調(diào)整機會，同時曲率半徑的增加會使得模型車可以擁有更高的過彎速度。轉(zhuǎn)向角度決定了車輛過彎的穩(wěn)定性。合適的轉(zhuǎn)向角度會減少車輛在轉(zhuǎn)彎時的調(diào)整，不僅路徑可以保證最優(yōu)，運動狀態(tài)的穩(wěn)定也會帶來效率的提高，減少時間。在考慮轉(zhuǎn)向角度設(shè)置時需要注意以下幾個問題：對于檢測賽道偏移量的傳感器而言，在增量較小時的轉(zhuǎn)向靈敏度；檢測到較大彎道時的轉(zhuǎn)向靈敏度；對于類似 S 彎的變向連續(xù)彎道的處理。對于入彎速度的分析，應(yīng)該綜合考慮路徑和轉(zhuǎn)向角度的影響。簡單而言，我們會采取入彎減速，出彎加速的方案，這樣理論上可以減少過彎時耗費的時間。然而，在過去幾屆比賽中，通過觀察各參賽車對彎道的處理后，我們發(fā)現(xiàn)并不是所有人都選擇了相同的方案。正如前面說到的那樣，不聯(lián)系路徑和轉(zhuǎn)向角度，只是單純地分析過彎速度，會造成思路的局限甚至錯誤。例如，在不能及時判斷入彎和出彎的標志點就采取“入彎減速、出彎加速”的方案，會出現(xiàn)彎道內(nèi)行駛狀態(tài)不穩(wěn)定、路徑差，同時出彎加速時機過晚，一樣會浪費時間。所以現(xiàn)在本系統(tǒng)參考實際駕駛時的一些經(jīng)驗，對過彎速度的處理方式確定為：入彎時急減速，以得到足夠的調(diào)整時間，獲得正確的轉(zhuǎn)向角度；在彎道內(nèi)適當提速，并保持角度不變，為出彎時的加速節(jié)約時間；出彎時，先準確判斷標志，然后加速，雖然會耗費一些時間，但是面對連續(xù)變向彎道可以減少判斷出錯的概率，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間換回行駛穩(wěn)定性還是值得的。圖42 PID控制工作原理PID控制策略其結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，可靠性高，并且易于實現(xiàn)。其缺點在于控制器的參數(shù)整定相當繁瑣，需要很強的工程經(jīng)驗。相對于其他的控制方式，在成熟性和可操作性上都有著很大的優(yōu)勢。所以最后我們選擇了PID的控制方式。在小車跑動中，因為不需要考慮小車之前走過的路線，所以，我們舍棄了I控制，將小車舵機的PID控制簡化成PD控制。本方案中舵機轉(zhuǎn)角控制采用位置式的PD控制，速度閉環(huán)控制采用了增量式PID控制。在本方案中，使用試湊法來確定控制器的比例、積分和微分參數(shù)。試湊法是通過閉環(huán)試驗，觀察系統(tǒng)響應(yīng)曲線，根據(jù)各控制參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)試湊參數(shù)，以達到滿意的響應(yīng)，最后確定PID控制參數(shù)。試湊不是盲目的，而是在控制理論指導(dǎo)下進行的。在控制理論中已獲得如下定性知識：比例調(diào)節(jié)（P）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)（I）作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強。反之Ti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。微分調(diào)節(jié)（D）作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，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。試湊法的具體實施過程為：整定比例部分，將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)靜差小到允許范圍，響應(yīng)曲線已屬滿意，那么只需比例控制即可