【正文】 占空比的 PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，并帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)。速度傳感器采集速度信號(hào)，傳送給 MCU 與目標(biāo)轉(zhuǎn)速相比較，調(diào)整 PWM 信號(hào)的占空比，形成了閉環(huán)控制。能夠比較精確地保證在各種道路形狀下所需要的模型車速。 在各模塊的相互配合之下，模型車根據(jù)黑線的形狀或加速或減速，在黑線路徑上的每一段都充分利用了賽道所能提供的極限物理?xiàng)l件，在保證行駛穩(wěn)定的前提下，大大提高平均行駛速度。 模型車的供電 整車的全部供電由 的可充電電池（ 2020mAh Nicd，由組委會(huì)統(tǒng)一型號(hào)）提供。電池只能提供單一的電壓值，但是各模塊對(duì)供電電壓的需求是不同的。MCU 及其外圍電路需要使用 5V 電源，舵機(jī)需要使用 6V電源，而直流電機(jī)則可以直接使用電池提供的電壓。所以需要各種電壓調(diào)節(jié)器，將電池電壓調(diào)節(jié)至各模塊所需電壓值。這其中使用 了 UA7805C 提供 5V 電壓，使用 L7806VC 提供6V 電壓。 第一界 全國大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 6 模型車整體電源方案可 如圖 所示 電池 2020mAh Nicd UA7805C （ 5V） L7806VC （ 6V） MC33886 （ PWM 控制） 單片機(jī)及外圍電路 紅外傳感器 速度傳感器 轉(zhuǎn)向伺服電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 主電源 調(diào)節(jié)器 各模塊 圖 電源供電示意圖 7 第三章 路徑檢測(cè)方案 采用怎樣的路徑識(shí)別方案是各參賽隊(duì)伍要面對(duì)的重要問題之一 ,根據(jù)以往韓國比賽情況，參賽隊(duì)伍所使用的路徑識(shí)別方案大致可分為兩種：使用光電傳感器和使用 CCD 攝像頭，其中尤以光電傳感器方案最為常用。 我隊(duì)模型車所使用的路徑識(shí)別方案為光電傳感器，由 15 只集成的紅外傳感器組成的傳感器組，成“一”字型排列 安裝于模型車的前部。如 圖 所示。其電源供給以及信號(hào)傳輸由圖中兩跟排線與 MCU 相連接。承接安裝傳感器的底板是整塊的 PCB 板，設(shè)計(jì)板時(shí)直接按此形狀設(shè)計(jì)。傳感器與底板相連接是通過在底板上設(shè)計(jì) 15mm 7mm 的長方形缺口，將傳感器上的彈性卡口，直接卡在長方形缺口上即可。在板面的底端留有四個(gè)孔，通過螺釘螺母與模型車底盤固定連接。 紅外傳感器 所使用的紅外傳感器為電子市場(chǎng)中直接購買的集成產(chǎn)品 ,如圖 所示 。其將紅外發(fā)射管和接收管集于自身，白色為發(fā)射管，黑色為接收管。發(fā)射管不斷地向外發(fā)射紅 外線，接收管同樣一直處于接收狀態(tài)，當(dāng)有紅外光線被反射進(jìn)入接收管時(shí)，傳感器將輸出為低電平，否則輸出為高。不同顏色對(duì)紅外光線有不同的發(fā)射率，白色的很高，而黑色的很低，當(dāng)照射至白色路面時(shí)，大部分光線被反射由接收管接收，傳感器輸出低電平，當(dāng)照射至黑色路面時(shí)，大部分光線被吸收接收管接收不到足夠的光線而輸出高電平。 15 個(gè)傳感器同時(shí)向 MCU 傳圖 成“一”字型排列的紅外傳感器 第一界 全國大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 8 送 15 個(gè)數(shù)字信號(hào)， MCU 通過判斷高低電平的位置從而判斷出黑線相對(duì)于車身的位置，根據(jù)程序算法做出相應(yīng)的反應(yīng)。 該傳感器在 5V 電源下工作，正常檢測(cè)照射前方距離為 2~5cm。其背部有可調(diào)電 阻，可通過旋轉(zhuǎn)可調(diào)電阻調(diào)節(jié)傳感器的感應(yīng)距離以及靈敏度。通過調(diào)整將15 只傳感器性能基本一致，并符合感應(yīng)距離以及靈敏度的要求，保證路徑檢測(cè)的穩(wěn)定性。 在傳感器底部有三個(gè)接口，分別是電源線（ +）、地線（ ）、信號(hào)線（ 0）。如圖 所示。電源線和地線與 UA7805C 相連接，接受所提供的 5V 電源，信號(hào)線則直接與 MCU 的 I/O 端口。注意，要使傳感器的信號(hào)線輸出穩(wěn)定的高電平，需要接入上拉電阻。若 MCU 的 I/O 端口本身帶有上拉功能時(shí)，可以不接入上拉電阻，但要通過軟件開啟該端口的上拉功能。 紅 外傳感器布置參數(shù) 橫向間隔距離 傳感器的橫向間隔距離（由于集成傳感器有一定的寬度，這里指的是兩傳感器中心線之間的距離）是傳感器布置中的一個(gè)重要參數(shù)。它在很大程度上影響了模型車行駛的穩(wěn)定性，也直接決定著控制算法的制定。不同的間隔距離，對(duì)應(yīng)著具有不同特點(diǎn)的控制算法。 首先，使用集成紅外傳感器的缺點(diǎn)是它對(duì)路徑的檢測(cè)不是連續(xù)的，是離散的量。所以不能連續(xù)關(guān)注到黑線位置的變化，當(dāng)黑線位置 相對(duì)于車中心線 偏移達(dá)到一定程度時(shí)，才能被傳感器所感應(yīng)到。所以當(dāng)車輛中心線偏離黑線一定距圖 紅外傳感器 第三章 路徑檢測(cè)方案 9 離之后，傳感器才能檢測(cè) 到， MCU 才能接受到偏離信息而通過調(diào)整轉(zhuǎn)角進(jìn)行方向糾正。當(dāng)傳感器的橫向間隔距離比較稀疏時(shí)，這個(gè)偏離距離 也會(huì)相應(yīng)地增大，這樣在模型車進(jìn)行方向糾正的時(shí)候就產(chǎn)生了在黑線兩側(cè) 較大的波動(dòng)。所以傳感器的橫向間隔不能過大。應(yīng)當(dāng)盡可能地縮小。 但是，傳感器布置過密也有不足之處： 其一，集成式紅外傳感器相對(duì)于分開式在重量上有一定的增加，如果傳感器布置的過密，則大大增加了路徑檢測(cè)模塊的質(zhì)量。尤其是該模塊固定于模型車的前端，質(zhì)量增加會(huì)加大模型車的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在轉(zhuǎn)彎時(shí)慣性比較大，不利于過彎。其二，由于比賽規(guī)則在傳感器的數(shù)量上做 了限制，在個(gè)體之間布置的過密的話，則傳感器整體的寬度也受到了限制，檢測(cè)范圍縮窄。同樣不利于模型車的穩(wěn)定行駛。所以，傳感器的間距應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際的情況，在各種利弊之間做合理的取舍，最終確定比較適中的間距。 為了減小模型車在直線行駛方向校正時(shí)的擺動(dòng)，應(yīng)該使舵機(jī)每次的轉(zhuǎn)角輸出相對(duì)減小，這就要求傳感器布置的比較密集。但由于上段所述原因，不能布置的太密集。此時(shí)，在確定間距時(shí)可以考慮讓兩個(gè)傳感器能夠單獨(dú)檢測(cè)到黑線的同時(shí)也能做到相鄰兩個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)到黑線，這樣就細(xì)化了傳感器檢測(cè)黑線的精度，在黑線位置稍有變動(dòng)的情況下 也能被傳感器檢測(cè)到，傳感器跟蹤黑線的實(shí)時(shí)性得到了提高。 相應(yīng)地，舵機(jī)的轉(zhuǎn)角輸出量也得到了細(xì)化，防止在短時(shí)間內(nèi)給模型車比較大的角階躍輸入而引起車身擺動(dòng)，從而提高了模型車在直線行駛時(shí)的穩(wěn)定性，也提高了模型車在直道上的極速能力。 如圖 所示。由組委會(huì)統(tǒng)一制定的黑線寬度為 25mm。通過試 驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于單個(gè)的傳感器當(dāng)其中心線位于黑線中部 16mm內(nèi)時(shí)，才能夠檢測(cè)到黑線，向 MCU 輸出信號(hào)為高電平。為了使得相鄰兩個(gè)傳感器能夠同時(shí)檢測(cè)到黑線，則必須要保證傳感器的間距要小于 16mm。同時(shí)受到傳感器總數(shù)的限制，以及保證整體檢 測(cè)寬度不能過小。最終確定模型車上傳感器間距為 14mm。數(shù)量為 15 個(gè)，整體檢測(cè)寬度為 205mm。 25mm 16mm 圖 傳感器檢測(cè)范圍示意 第一界 全國大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 10 縱向伸出長度 傳感器的縱向伸出長度也是傳感器布置的又一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)車輛行駛的穩(wěn)定性，以及最高車速都有很大的影響。 傳感器的縱向伸出長度主要關(guān)系到模型車對(duì)未知賽道的預(yù)知能力。理論上講，傳感器伸出距離越長，越有利于模型車對(duì)賽道形狀的突然變化做出響應(yīng)。使得模型車有相對(duì)比較充足的時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)彎和降速。這樣也在很大程度上提高了模型車在直線道路上的極限速度。 同樣，縱向伸出長度加長也會(huì)帶來很多弊病。比如，重心前 移增加了模型車不足轉(zhuǎn)向的趨勢(shì)，使得模型車橫擺角速度響應(yīng)不夠迅速，大大增加了模型車過彎的難度，尤其限制住了模型車在 S 彎中的速度。在傳感器的安裝強(qiáng)度不足時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)傳感器的上下顫動(dòng)，不僅增加了車身的不穩(wěn)定性，還非常容易使傳感器跳動(dòng)出有效的檢測(cè)距離之外，引入干擾信號(hào)，導(dǎo)致模型車偏離 黑線沖出跑道。所以，當(dāng)傳感器伸出距離比較長時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)出現(xiàn)的各種 弊病，采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施。如，提高傳感器連接固定的強(qiáng)度；減輕傳感器的總重量；將傳感器之外其他各模塊的中心向后移等等。 傳感器排列方式 傳感器的排列方式一般有“一 ”字型和“牛角”型，“一”字型很好理解，所謂“牛角”型是指從中間向兩側(cè)，傳感器的位置逐漸向前延伸，像一對(duì)牛角一樣。 “牛角”型的初衷也是將兩側(cè)的傳感器盡量向前延伸，提高對(duì)路徑檢測(cè)的前瞻性，提前對(duì)彎道的變化做出響應(yīng)。但是“牛角”型方案中，承載傳感器的底板形狀比較難加工，而且強(qiáng)度不足，容易出現(xiàn)斷角的現(xiàn)象。因?yàn)樵谀Ｐ蛙嚨恼{(diào)試過程中免不了要有沖出賽道，撞擊到某物體上的情形。而且，傳感器線路的布置也比較難做。因此，我們放棄了“牛角”的方案。在將兩側(cè)傳感器向前提的同時(shí)，將其余所有傳感器也都提前到同一位置上。所以，在傳感 器的排列方式上，我們最終選擇的還是“一”字型。 同時(shí)，在模型車的調(diào)試過程中，通過對(duì)各種方案的實(shí)際使用效果比較發(fā)現(xiàn)，每一種方案都沒有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，只是每種方案對(duì)應(yīng)的方向控制策略有所不同，最終模型車的行駛效果是相差甚微的。 11 第四章 智能模型車系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì) 控制軟件的設(shè)計(jì)目標(biāo) 智能模型車系統(tǒng)控制軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能主要有： 1）轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制 模型車轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力主要由轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)提供，轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，帶動(dòng)左右轉(zhuǎn)向橫拉桿，從而使左右轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)相應(yīng)角度。因此，模型車跟蹤黑線的好壞，在很大程 度上取決于轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制好壞。轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制的失當(dāng)，會(huì)造成模型車嚴(yán)重?cái)[動(dòng)甚至偏離賽道。轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的控制由單片機(jī)的 PWM 信號(hào)完成， PWM 信號(hào)的占空比決定轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。為了更好的完成模型車轉(zhuǎn)向控制，一般采用 PID 控制算法。 2）直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制 模型車的前進(jìn)動(dòng)力由直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供，直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過減速齒輪帶動(dòng)后驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使車體向前運(yùn)動(dòng)。直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制好壞，直接影響到模型車的速度控制。如果直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制效果不好，也會(huì)造成直線路段速度上不去，入彎時(shí)速度過快等問題。根據(jù)賽道的不同路段，應(yīng)采 用不同的速度控制策略，主要包括：直線段加速行駛、高速穩(wěn)定行駛，入彎制動(dòng)減速行駛、彎道低速行駛， S 彎間斷制動(dòng)行駛。直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制由單片機(jī)的 PWM 信號(hào)完成，驅(qū)動(dòng)芯片采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的半橋式驅(qū)動(dòng)器 MC33886。模型車的速度控制算法采用 PID 控制算法，能夠很好滿足模型車系統(tǒng)的控制要求。 3）信號(hào)采集和處理 信號(hào)采集和處理功能是控制軟件實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，如果傳感器部分的數(shù)據(jù)沒有正確地采集和識(shí)別，會(huì)造成轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)和直流電機(jī)控制失當(dāng)，使模型車失去控制。本系統(tǒng)的控制軟件需要處理速度傳感器輸入的頻率量和轉(zhuǎn)向紅外傳感器輸入的開關(guān)量。對(duì)信號(hào)采集和處理功能的要求是既要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的采集到各種信號(hào)，又要避免采樣頻率過高造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，甚至影響控制功能的實(shí)現(xiàn)。 控制軟件的模塊設(shè)計(jì) 第一界 全國大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 12 主程序設(shè)計(jì) 在模型車系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)中，主程序的任務(wù)主要是：完成單片機(jī)各接口設(shè)備初始化設(shè)置，包括 I/O 端口的設(shè)置，脈沖寬度調(diào)制（ PWM）初始化設(shè)置，輸入捕捉通道初始化設(shè)置；各變量和常量初始化；然后單片機(jī)進(jìn)入查詢狀態(tài)，包括轉(zhuǎn)向紅外傳感器輸入端口的查詢，一旦傳感器的狀態(tài)發(fā)生變化，立即調(diào)用轉(zhuǎn)向控制子程序，修正轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度，使模型車始終跟 蹤黑線行駛，對(duì)標(biāo)志位 Flag 進(jìn)行查詢，該標(biāo)志位通過輸入捕捉中斷程序控制的，每進(jìn)一次中斷，標(biāo)志位 Flag 便被置 1，主程序便對(duì)賽道進(jìn)行判斷，以分辨出直道、大彎道和 S彎道，針對(duì)不同的路段情況確定各自的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，接著調(diào)用速度控制子程序，使模型車的速度逼近目標(biāo)轉(zhuǎn)速。具體的主程序流程圖如圖 所示。 第四章 智能模型車系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì) 13 開始 禁止中斷 Init ( ) 允許中斷 STATE!=PORTAB？ 采集傳感器狀態(tài) PID_Steer ( ) Y Flag=1？ N 確定目標(biāo)轉(zhuǎn)速 PID_Speed ( ) Y N 清除標(biāo)識(shí)位 Flag=0 圖 主程序流程圖 第一界 全國大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 14 自由定時(shí)器溢出中斷程序和輸入捕捉中斷程序設(shè)計(jì) 自由定時(shí)器的工作頻率直接決定輸入捕捉的分辨能力， 16 位的自由定時(shí)器按照設(shè)定的時(shí)鐘頻率在 $0000$FFFF 之間循環(huán)計(jì)數(shù)時(shí)，當(dāng)某個(gè)被測(cè)信號(hào)的設(shè)定邊沿 到來時(shí)，輸入捕捉邏輯立即將自由定時(shí)器的內(nèi)容捕捉到 16 位的輸入捕捉寄存器中，并設(shè)置中斷請(qǐng)求標(biāo)志，隨后軟件可以響應(yīng)中斷或根據(jù)標(biāo)志做出處理 [1]。 本程序自由定時(shí)器的工作頻率設(shè)置為 125000Hz，每次中斷時(shí)間為 。MC9S12DG128B 輸入捕捉（ IC）通道分為緩沖與非緩沖兩類，緩沖類又具有鎖存與隊(duì)列兩種工作方式。緩沖的 IC通道最大的特點(diǎn)是在捕捉寄存器 TCn 的基礎(chǔ)上，又增加了保持寄存器 TCnH，這樣可以連續(xù)兩次捕捉而不需要 CPU 干預(yù)。本程序選擇緩沖通道 PT0 作為輸入捕捉通道，并設(shè)置為隊(duì)列工作方式，當(dāng) 連續(xù)