【正文】 了一套較好的過彎算法，詳細算法見軟件算法一章。 輪胎影響因素 輪胎對于車輛能夠被很好的操控，是非常重要的。因為輪胎是車輛和地面的唯一聯(lián)系，而這個聯(lián)系僅僅取決于輪胎和地面的接觸面的摩擦力。讓我們來看看摩擦力是如何產(chǎn)生的。計算兩個物體表面之間所產(chǎn)生的摩擦力的公式是： (22)其中是最大摩擦力， N為物體表面所受到的正壓力，μ表示摩擦系數(shù)。 對于橡膠輪胎來說，摩擦系數(shù)并不是恒定的。它隨著溫度、壓力，還有更重要的是它隨著滑動量而改變[5]。圖26是滑動量和摩擦力的關(guān)系： 在圖中的橫軸表示滑動量，從0%(沒有滑動，輪胎僅僅是向前滾動)，到100%(輪胎垂直于地面且垂直于車輛行進的方向)。而縱軸表示摩擦系數(shù)，在圖中左邊的部分， 發(fā)生于輪胎內(nèi)部的滑動處于支配的地位，就是常說的“輪胎蠕動”。當輪胎在壓力下變形，且輪胎接地塊偏離其縱軸運動，這種情況就會發(fā)生。這也產(chǎn)生了所謂的“測滑角(Slip Angle)”。在圖中右邊的部分，在兩個表面之間的滑動處于支配地位。這時候，輪胎會有一些橫向滑動。應該注意的是：當輪胎產(chǎn)生少量的橫向滑動(通常在5%到15%之間)時，摩擦系數(shù)達到了最大值。這是因為輪胎跟地面接觸的方式其實是非常特別的，其中包含兩個不同的機械作用：變形力和粘合力。當壓在輪胎上的重量或滑動量發(fā)生改變的時候，這兩個因素的比例就會發(fā)生改變。舉例說：當滑動量比較大的時候，變形力就會大于粘合力，占支配地位。 當橡膠的復合成分(pound)非常軟，而且穩(wěn)定較高、路面也比較平滑的時候 ，粘合力就會占支配地位[4]?；瑒恿?100%μ摩擦系數(shù)圖26滑動量與摩擦力系數(shù)關(guān)系 The relationship of slippage and friction coefficient 在圖中的橫軸表示滑動量，從0%(沒有滑動，輪胎僅僅是向前滾動)，到100%(輪胎垂直于地面且垂直于車輛行進的方向)。而縱軸表示摩擦系數(shù)，在圖中左邊的部分， 發(fā)生于輪胎內(nèi)部的滑動處于支配的地位，就是常說的“輪胎蠕動”。當輪胎在壓力下變形，且輪胎接地塊偏離其縱軸運動，這種情況就會發(fā)生。這也產(chǎn)生了所謂的“測滑角(Slip Angle)”。在圖中右邊的部分，在兩個表面之間的滑動處于支配地位。這時候，輪胎會有一些橫向滑動。應該注意的是：當輪胎產(chǎn)生少量的橫向滑動(通常在5%到15%之間)時，摩擦系數(shù)達到了最大值。這是因為輪胎跟地面接觸的方式其實是非常特別的，其中包含兩個不同的機械作用：變形力和粘合力。當壓在輪胎上的重量或滑動量發(fā)生改變的時候，這兩個因素的比例就會發(fā)生改變。舉例說：當滑動量比較大的時候，變形力就會大于粘合力，占支配地位。 當橡膠的復合成分(pound)非常軟，而且穩(wěn)定較高、路面也比較平滑的時候 ，粘合力就會占支配地位[4]。 本章小結(jié)本章對智能車系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與調(diào)試進行了闡述。首先結(jié)合汽車理論和大量的實驗對智能車前輪主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角、車輪前束等前輪定位參數(shù)進行了調(diào)整，使智能車直線行駛穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向后能自動回正，并減少輪胎的轉(zhuǎn)向零件磨損等。然后介紹了汽車在正常行駛中發(fā)生側(cè)滑的原因與減小側(cè)滑的方法，通過調(diào)整車體的重心、質(zhì)量、底盤參數(shù)以及前輪定位能夠減小了智能車運行過程中發(fā)生側(cè)滑的可能性。3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計本智能車系統(tǒng)采用“飛思卡爾”單片機MC9S12XS128作為核心控制單元，由安裝在智能車前部的電磁傳感器獲得賽道空間磁場信息并傳到核心控制單元單片機中，由智能車“大腦”接收并處理從傳感器傳回的信息，PWM模塊產(chǎn)生相應的PWM波，通過輸出不同占空比控制智能車的轉(zhuǎn)向舵機與直流電機，以實現(xiàn)控制智能車按照規(guī)定賽道行駛。 為了使智能車能夠更加快速穩(wěn)定的行駛，S12 單片機必須把對賽道路徑的判斷、轉(zhuǎn)向舵機的角度控制以及對直流電機的控制緊密的聯(lián)系在一起。不論是某一路采集信號的誤判還是單片機對轉(zhuǎn)向伺服電機控制的失當，都會引起智能車在行駛過程中產(chǎn)生抖動甚至偏離賽道。所以，對智能車總系統(tǒng)設(shè)計的合理性和科學性就顯得尤為重要。本章詳細介紹了智能小車系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及其硬件設(shè)計。 智能車系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 智能車控制系統(tǒng)以單片機為核心，包括舵機和為小車提供動力的直流電機兩個執(zhí)行機構(gòu)、安裝在小車前方的尋跡傳感器、安裝在齒輪上的測速傳感器等反饋機構(gòu)、以及為系統(tǒng)各部分提供電源的電源管理模塊等。舵機通過車模的機械裝置實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向控制，直流電機為小車提供動力，通過齒輪嚙合直接對前后輪提供驅(qū)動力。模型車的硬件結(jié)構(gòu)分為路徑識別模塊、速度檢測模塊、電機驅(qū)動模塊和電源管理模塊等幾個部分，結(jié)構(gòu)框圖如圖31所示：圖31 智能車系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 Intelligent car system structure 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 HCS12X系列單片機簡介Freescale 公司的16位單片機主要分為HC12 、HCS1HCS12X三個系列Freescale公司的16位單片分為HC1HCS1HCS12X三個系列。HC12核心是16位高速CPU12核，總線速度8MHZ；HCS12系列單片機以速度更快的CPU12內(nèi)核為核心，簡稱S12系列，典型的S12總線速度可以達到25MHZ。HCS12X系列單片機是Freescale 公司于2005年推出的HCS12系列增強型產(chǎn)品，基于S12 CPU內(nèi)核，可以達到25MHz的HCS12的25倍性能?？偩€頻率最高可達40 MHz。S12X系列單片機目前又有幾個子系列：MC9S12XA系列、MC9S12XB系列、MC9S12XD系列、MC9S12XE系列、MC9S12XF系列、MC9S12XH系列和MC9S12XS系列。MC9S12XS128就是S12X系列中的一個成員[5]。 MC9S12XS128性能概述 MC9S12XS128作為S12系列的一種，這種單片機的中央處理器CPU12由以下三部分組成：算術(shù)邏輯單元ALU、控制單元和寄存器組。CPU外部總線頻率為8MHz，內(nèi)部運算速度為25MHz。尋址方式有16種。內(nèi)部寄存器組中的寄存器、堆棧指針和變址寄存器均為16位。它具有很強的高級語言支持功能，內(nèi)部資源非常豐富，主要有以下部分：時鐘和復位模塊——PLL(鎖相環(huán)模塊)——COP看門狗——時鐘監(jiān)控存儲器——128KB Flash ——2KB EEPROM——8KB RAM16通道A/D轉(zhuǎn)換模塊 ADC——可選8位、10位、12位精度——具有外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換功能增強型捕捉定時器——16位主計數(shù)器，7位分頻系數(shù)——8個輸入捕捉通道或輸出比較通道——2個8位或1個16位脈沖計數(shù)器8路PWM通道——可編程周期以及占空比——8位8路/16位4路PWM——獨立控制各路PWM的周期和占空比——中間對齊和左對齊輸出——頻率范圍寬的可編程時鐘選擇邏輯——緊急時刻快速關(guān)閉輸出串行接口——兩個異步串行通信接口模塊SCI——1個IIC總線接口——2個同步串行外設(shè)接口SPI——3個1M/S，——背景調(diào)試模塊（BDM）——封裝：LQFP112和LQFP80圖32 單片機系統(tǒng) MCU system 單片機系統(tǒng)電路圖如圖32所示，雖然單片機將CPU、ROM、RAM以及IO統(tǒng)統(tǒng)集成在一個集成電路芯片中，但仍需要一些外部電路的支持，這些外圍電路主要為單片機系統(tǒng)提供電源、時鐘、IO驅(qū)動、通信口等[6]。MC9S12XS128的最小硬件系統(tǒng)可以分為以下幾個部分:1）供電電路：開發(fā)板的供電是靠外部+5V電源，通過外部電源提供的。S12單片機片 較高的I/O電平有利于抗外界干擾，所以S12單片機特別適合于那些工作環(huán)境惡劣的控制系統(tǒng)。由于S12單片機內(nèi)部集成了電壓調(diào)整器模塊，電壓調(diào)整器模塊產(chǎn)生單片機內(nèi)部需要的其他電壓，因此只要向S12單片機提供+5V外部電源就可以了。為了穩(wěn)定這些不同的電壓，需要外接一些電容，這些電容有兩類，電容值比較大的如luF、10uF等稱為儲能電容，儲能電容消除吞吐數(shù)字電路1變0，0變1，即三極管導通、截止時的電流變化；，去掉單片機運行產(chǎn)生的高頻躁聲。在單片機電源端使用電容和電感進行濾波，保證單片機工作的穩(wěn)定性[7]。 2）時鐘電路：主要由石英晶體振蕩器和一些電容、電阻組成，雖然單片機可以由集成到單片機內(nèi)部的RC振蕩器產(chǎn)生單片機工作需要的時鐘，但這種簡單的時鐘電路頻率的穩(wěn)定性得不到保證，不如使用外部晶振來得穩(wěn)定。其外部晶振電路有兩種接線方式，一種是串聯(lián)振蕩電路，另一種是并聯(lián)振蕩電路。在智能模型車控制系統(tǒng)的主板設(shè)計中，我們采用并聯(lián)振蕩電路。 圖33 晶振電路 The circuit of crystal oscillator 3）復位電路：雖然單片機片內(nèi)集成有上電復位電路，單片機上電時可自動產(chǎn)生復位信號，但加上一個手動復位按鈕會給調(diào)試帶來方便。一般的人使用的阻容復位穩(wěn)定性較差，常常有按了復位沒反應，要按一段時間才能復位的經(jīng)歷。而且如果使用上電復位，容易產(chǎn)生復位不成功。電容的溫度性比較敏感，在特殊環(huán)境中，復位的電平寬度變化十分大，造成芯片不動作，或者在強干擾下誤動作。復位監(jiān)控器件，主要可以大大提高MCU的復位性能，其原理是通過確定的電壓值（閾值）啟動復位操作，同時排除瞬間干擾的影響，又有防止MCU在電源啟動和關(guān)閉期間的誤操作，保證數(shù)據(jù)安全。本設(shè)計采用專門的復位芯片IMP811S，如圖34所示：圖34 復位電路 The circuit of resett 4）BDM下載線接口電路：當單片機進入BDM模式之后，上位機可以通過BDM接口單片機下載程序，進行在線調(diào)試，BDM方式是單片機開發(fā)的最根本的調(diào)試方式。BDM接口通信示意圖如圖35所示：圖35 BDM下載電路 The circuit of BDM download完成這4部分電路，就可以對單片機進行開發(fā)，可以向單片機下載程序、調(diào)試程序等，可以在此基礎(chǔ)之上進行進一步的開發(fā)。 電源管理模塊 智能車雖以車為主體，但其任何行動完全由其電路控制。模型車通過自身系統(tǒng)，采集賽道信息，獲取自身速度信息，加以處理，由芯片給出指令控制其前進轉(zhuǎn)向等動作，各部分都需要由電路支持，電源管理尤為重要。一旦電源出現(xiàn)問題，各部分電路的功能將受到很大的影響。電源系統(tǒng)是整個系統(tǒng)能否穩(wěn)定工作的關(guān)鍵所在，其標稱容量為2000mAh，該電池可在2A的工作電流下持續(xù)工作1小時。電源模塊整體工作框圖如圖36所示：圖36 電源管理模塊框圖 The module of power management 為了保證各個部件的正常工作，電源的供給是十分重要的，單片機系統(tǒng)、舵機、編碼器等電路工作的電壓不同，需要想辦法來使得電壓滿足各自的需求，一種是利用升壓或者降壓的芯片來達到要求，另一種方法是利用雙電源供電的方法來實現(xiàn)各模塊的不同需要，由于電路模塊較多，該方案中仍需要升壓或者降壓芯片。而且在電路設(shè)計中，考慮到由于電機驅(qū)動所引起的電源不穩(wěn)定，在電源輸入端各芯片電源引腳多加入濾波電路。因此我們利用AMS11175穩(wěn)壓芯片將電源電壓穩(wěn)壓到5V。AMS11175穩(wěn)壓芯片有兩個版本：固定輸出版本和可調(diào)版本，、、具有1%精度，發(fā)熱小，穩(wěn)壓需要很小壓差；AMS11175內(nèi)部集成過熱保護和限流電路，是電池供電和便攜式計算機的最佳選擇。其電路如圖37所示： 電機驅(qū)動模塊 BTS7960的芯片內(nèi)部為一個半橋。INH引腳為高電平，使能BTS7960。IN引腳用于確定哪個MOSFET導通。IN=1且INH=1時，高邊MOSFET導通，OUT引腳輸出高電平；IN=0且INH=1時，低邊MOSFET導通，OUT引腳輸出低電平。SR引腳外接電阻的大小，可以調(diào)節(jié)MOS管導通和關(guān)斷的時間，具有防電磁干擾的功能。IS引腳是電流檢測輸出引腳。圖37 AMS11175應用電路 The application circuit of AMS11175圖38 電機驅(qū)動模塊 The module of motor driver 速度檢測模塊編碼器用于電機測速，是電機閉環(huán)控制的關(guān)鍵檢測反饋元件。電磁編碼器的安裝精度較高，要求編碼器軸與賽車后軸同軸，通過齒輪與賽車差速器相聯(lián)。采用每轉(zhuǎn)500線的編碼器通過齒輪傳動安裝，固定于賽車尾部。安裝部位結(jié)構(gòu)如圖圖39所示：圖39 實際安裝 The actual installation 調(diào)試模塊 鍵盤模塊 我們采用4個按鍵構(gòu)成鍵盤，四個鍵用于調(diào)試參數(shù)。由于單片機IO口內(nèi)部有上拉電阻，按鍵可不接上拉電阻，串聯(lián)一個小的限流電阻接地，輸出口接單片機IO口。當沒有鍵按下時，IO讀入高電平，有鍵按下是，IO口讀入低電平，電路如310所示。圖310 按鍵電路 The circuit of key LCD顯示模塊 顯示與鍵盤模塊主要做調(diào)試用，此模塊配合操作系統(tǒng)能發(fā)揮很大的功能。LCD采用小巧的手機液晶屏5110，主要用于小車調(diào)試時，顯示跑道參數(shù)，和各可控單元參數(shù)等。鍵盤是4個按鍵，主要用作各參數(shù)的設(shè)定，保存等任務。 路徑識別模塊 導線周圍的電磁場根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，交變的電流會在周圍產(chǎn)生交變的電磁場。智能汽車競賽使用路徑導航的交流電流頻率為20KHz，產(chǎn)生的電磁波屬于甚低頻（VLF）電磁波。甚低頻率范圍處于工頻和低頻電磁波中間，為3KHz~30KHz，波長為100km~10km。如下圖所示： 圖311 電流周圍的電磁場示意圖 Electromagnetic field around current schematic導線周圍的電場和磁場，按照一定規(guī)律分布。通過檢測相應的電磁場的強度和方向可以反過來獲得距離導線的空間位置，這正是我們進