【正文】 了一套較好的過(guò)彎算法，詳細(xì)算法見(jiàn)軟件算法一章。 輪胎影響因素 輪胎對(duì)于車輛能夠被很好的操控，是非常重要的。因?yàn)檩喬ナ擒囕v和地面的唯一聯(lián)系，而這個(gè)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(lái)看看摩擦力是如何產(chǎn)生的。計(jì)算兩個(gè)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(duì)于橡膠輪胎來(lái)說(shuō)，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(dòng)量而改變[5]。圖26是滑動(dòng)量和摩擦力的關(guān)系： 在圖中的橫軸表示滑動(dòng)量，從0%(沒(méi)有滑動(dòng)，輪胎僅僅是向前滾動(dòng))，到100%(輪胎垂直于地面且垂直于車輛行進(jìn)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(dòng)處于支配的地位，就是常說(shuō)的“輪胎蠕動(dòng)”。當(dāng)輪胎在壓力下變形，且輪胎接地塊偏離其縱軸運(yùn)動(dòng)，這種情況就會(huì)發(fā)生。這也產(chǎn)生了所謂的“測(cè)滑角(Slip Angle)”。在圖中右邊的部分，在兩個(gè)表面之間的滑動(dòng)處于支配地位。這時(shí)候，輪胎會(huì)有一些橫向滑動(dòng)。應(yīng)該注意的是：當(dāng)輪胎產(chǎn)生少量的橫向滑動(dòng)(通常在5%到15%之間)時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到了最大值。這是因?yàn)檩喬ジ孛娼佑|的方式其實(shí)是非常特別的，其中包含兩個(gè)不同的機(jī)械作用：變形力和粘合力。當(dāng)壓在輪胎上的重量或滑動(dòng)量發(fā)生改變的時(shí)候，這兩個(gè)因素的比例就會(huì)發(fā)生改變。舉例說(shuō)：當(dāng)滑動(dòng)量比較大的時(shí)候，變形力就會(huì)大于粘合力，占支配地位。 當(dāng)橡膠的復(fù)合成分(pound)非常軟，而且穩(wěn)定較高、路面也比較平滑的時(shí)候 ，粘合力就會(huì)占支配地位[4]?；瑒?dòng)量0100%μ摩擦系數(shù)圖26滑動(dòng)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(dòng)量，從0%(沒(méi)有滑動(dòng)，輪胎僅僅是向前滾動(dòng))，到100%(輪胎垂直于地面且垂直于車輛行進(jìn)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(dòng)處于支配的地位，就是常說(shuō)的“輪胎蠕動(dòng)”。當(dāng)輪胎在壓力下變形，且輪胎接地塊偏離其縱軸運(yùn)動(dòng)，這種情況就會(huì)發(fā)生。這也產(chǎn)生了所謂的“測(cè)滑角(Slip Angle)”。在圖中右邊的部分，在兩個(gè)表面之間的滑動(dòng)處于支配地位。這時(shí)候，輪胎會(huì)有一些橫向滑動(dòng)。應(yīng)該注意的是：當(dāng)輪胎產(chǎn)生少量的橫向滑動(dòng)(通常在5%到15%之間)時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到了最大值。這是因?yàn)檩喬ジ孛娼佑|的方式其實(shí)是非常特別的，其中包含兩個(gè)不同的機(jī)械作用：變形力和粘合力。當(dāng)壓在輪胎上的重量或滑動(dòng)量發(fā)生改變的時(shí)候，這兩個(gè)因素的比例就會(huì)發(fā)生改變。舉例說(shuō)：當(dāng)滑動(dòng)量比較大的時(shí)候，變形力就會(huì)大于粘合力，占支配地位。 當(dāng)橡膠的復(fù)合成分(pound)非常軟，而且穩(wěn)定較高、路面也比較平滑的時(shí)候 ，粘合力就會(huì)占支配地位[4]。 本章小結(jié)本章對(duì)智能車系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與調(diào)試進(jìn)行了闡述。首先結(jié)合汽車?yán)碚摵痛罅康膶?shí)驗(yàn)對(duì)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(jìn)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(dòng)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(guò)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(yùn)行過(guò)程中發(fā)生側(cè)滑的可能性。3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本智能車系統(tǒng)采用“飛思卡爾”單片機(jī)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(chǎng)信息并傳到核心控制單元單片機(jī)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(yīng)的PWM波，通過(guò)輸出不同占空比控制智能車的轉(zhuǎn)向舵機(jī)與直流電機(jī)，以實(shí)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(jī)必須把對(duì)賽道路徑的判斷、轉(zhuǎn)向舵機(jī)的角度控制以及對(duì)直流電機(jī)的控制緊密的聯(lián)系在一起。不論是某一路采集信號(hào)的誤判還是單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制的失當(dāng)，都會(huì)引起智能車在行駛過(guò)程中產(chǎn)生抖動(dòng)甚至偏離賽道。所以，對(duì)智能車總系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和科學(xué)性就顯得尤為重要。本章詳細(xì)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(jì)。 智能車系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 智能車控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，包括舵機(jī)和為小車提供動(dòng)力的直流電機(jī)兩個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、安裝在小車前方的尋跡傳感器、安裝在齒輪上的測(cè)速傳感器等反饋機(jī)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(jī)通過(guò)車模的機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向控制，直流電機(jī)為小車提供動(dòng)力，通過(guò)齒輪嚙合直接對(duì)前后輪提供驅(qū)動(dòng)力。模型車的硬件結(jié)構(gòu)分為路徑識(shí)別模塊、速度檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源管理模塊等幾個(gè)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(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) HCS12X系列單片機(jī)簡(jiǎn)介Freescale 公司的16位單片機(jī)主要分為HC12 、HCS1HCS12X三個(gè)系列Freescale公司的16位單片分為HC1HCS1HCS12X三個(gè)系列。HC12核心是16位高速CPU12核，總線速度8MHZ；HCS12系列單片機(jī)以速度更快的CPU12內(nèi)核為核心，簡(jiǎn)稱S12系列，典型的S12總線速度可以達(dá)到25MHZ。HCS12X系列單片機(jī)是Freescale 公司于2005年推出的HCS12系列增強(qiáng)型產(chǎn)品，基于S12 CPU內(nèi)核，可以達(dá)到25MHz的HCS12的25倍性能?？偩€頻率最高可達(dá)40 MHz。S12X系列單片機(jī)目前又有幾個(gè)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(gè)成員[5]。 MC9S12XS128性能概述 MC9S12XS128作為S12系列的一種，這種單片機(jī)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(yùn)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(qiáng)的高級(jí)語(yǔ)言支持功能，內(nèi)部資源非常豐富，主要有以下部分：時(shí)鐘和復(fù)位模塊——PLL(鎖相環(huán)模塊)——COP看門狗——時(shí)鐘監(jiān)控存儲(chǔ)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(qiáng)型捕捉定時(shí)器——16位主計(jì)數(shù)器，7位分頻系數(shù)——8個(gè)輸入捕捉通道或輸出比較通道——2個(gè)8位或1個(gè)16位脈沖計(jì)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(dú)立控制各路PWM的周期和占空比——中間對(duì)齊和左對(duì)齊輸出——頻率范圍寬的可編程時(shí)鐘選擇邏輯——緊急時(shí)刻快速關(guān)閉輸出串行接口——兩個(gè)異步串行通信接口模塊SCI——1個(gè)IIC總線接口——2個(gè)同步串行外設(shè)接口SPI——3個(gè)1M/S，——背景調(diào)試模塊（BDM）——封裝：LQFP112和LQFP80圖32 單片機(jī)系統(tǒng) MCU system 單片機(jī)系統(tǒng)電路圖如圖32所示，雖然單片機(jī)將CPU、ROM、RAM以及IO統(tǒng)統(tǒng)集成在一個(gè)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(jī)系統(tǒng)提供電源、時(shí)鐘、IO驅(qū)動(dòng)、通信口等[6]。MC9S12XS128的最小硬件系統(tǒng)可以分為以下幾個(gè)部分:1）供電電路：開發(fā)板的供電是靠外部+5V電源，通過(guò)外部電源提供的。S12單片機(jī)片 較高的I/O電平有利于抗外界干擾，所以S12單片機(jī)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(jī)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(jī)內(nèi)部需要的其他電壓，因此只要向S12單片機(jī)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(chǔ)能電容，儲(chǔ)能電容消除吞吐數(shù)字電路1變0，0變1，即三極管導(dǎo)通、截止時(shí)的電流變化；，去掉單片機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的高頻躁聲。在單片機(jī)電源端使用電容和電感進(jìn)行濾波，保證單片機(jī)工作的穩(wěn)定性[7]。 2）時(shí)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(jī)可以由集成到單片機(jī)內(nèi)部的RC振蕩器產(chǎn)生單片機(jī)工作需要的時(shí)鐘，但這種簡(jiǎn)單的時(shí)鐘電路頻率的穩(wěn)定性得不到保證，不如使用外部晶振來(lái)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(jì)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(fù)位電路：雖然單片機(jī)片內(nèi)集成有上電復(fù)位電路，單片機(jī)上電時(shí)可自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，但加上一個(gè)手動(dòng)復(fù)位按鈕會(huì)給調(diào)試帶來(lái)方便。一般的人使用的阻容復(fù)位穩(wěn)定性較差，常常有按了復(fù)位沒(méi)反應(yīng)，要按一段時(shí)間才能復(fù)位的經(jīng)歷。而且如果使用上電復(fù)位，容易產(chǎn)生復(fù)位不成功。電容的溫度性比較敏感，在特殊環(huán)境中，復(fù)位的電平寬度變化十分大，造成芯片不動(dòng)作，或者在強(qiáng)干擾下誤動(dòng)作。復(fù)位監(jiān)控器件，主要可以大大提高M(jìn)CU的復(fù)位性能，其原理是通過(guò)確定的電壓值（閾值）啟動(dòng)復(fù)位操作，同時(shí)排除瞬間干擾的影響，又有防止MCU在電源啟動(dòng)和關(guān)閉期間的誤操作，保證數(shù)據(jù)安全。本設(shè)計(jì)采用專門的復(fù)位芯片IMP811S，如圖34所示：圖34 復(fù)位電路 The circuit of resett 4）BDM下載線接口電路：當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入BDM模式之后，上位機(jī)可以通過(guò)BDM接口單片機(jī)下載程序，進(jìn)行在線調(diào)試，BDM方式是單片機(jī)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(duì)單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)，可以向單片機(jī)下載程序、調(diào)試程序等，可以在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行進(jìn)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(dòng)完全由其電路控制。模型車通過(guò)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(jìn)轉(zhuǎn)向等動(dòng)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(wèn)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(gè)系統(tǒng)能否穩(wěn)定工作的關(guān)鍵所在，其標(biāo)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(shí)。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(gè)部件的正常工作，電源的供給是十分重要的，單片機(jī)系統(tǒng)、舵機(jī)、編碼器等電路工作的電壓不同，需要想辦法來(lái)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(lái)達(dá)到要求，另一種方法是利用雙電源供電的方法來(lái)實(shí)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(jì)中，考慮到由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)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(guò)熱保護(hù)和限流電路，是電池供電和便攜式計(jì)算機(jī)的最佳選擇。其電路如圖37所示： 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 BTS7960的芯片內(nèi)部為一個(gè)半橋。INH引腳為高電平，使能BTS7960。IN引腳用于確定哪個(gè)MOSFET導(dǎo)通。IN=1且INH=1時(shí)，高邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出高電平；IN=0且INH=1時(shí)，低邊MOSFET導(dǎo)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(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，具有防電磁干擾的功能。IS引腳是電流檢測(cè)輸出引腳。圖37 AMS11175應(yīng)用電路 The application circuit of AMS11175圖38 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 The module of motor driver 速度檢測(cè)模塊編碼器用于電機(jī)測(cè)速，是電機(jī)閉環(huán)控制的關(guān)鍵檢測(cè)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(guò)齒輪與賽車差速器相聯(lián)。采用每轉(zhuǎn)500線的編碼器通過(guò)齒輪傳動(dòng)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(shí)際安裝 The actual installation 調(diào)試模塊 鍵盤模塊 我們采用4個(gè)按鍵構(gòu)成鍵盤，四個(gè)鍵用于調(diào)試參數(shù)。由于單片機(jī)IO口內(nèi)部有上拉電阻，按鍵可不接上拉電阻，串聯(lián)一個(gè)小的限流電阻接地，輸出口接單片機(jī)IO口。當(dāng)沒(méi)有鍵按下時(shí)，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(jī)液晶屏5110，主要用于小車調(diào)試時(shí)，顯示跑道參數(shù)，和各可控單元參數(shù)等。鍵盤是4個(gè)按鍵，主要用作各參數(shù)的設(shè)定，保存等任務(wù)。 路徑識(shí)別模塊 導(dǎo)線周圍的電磁場(chǎng)根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，交變的電流會(huì)在周圍產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)。智能汽車競(jìng)賽使用路徑導(dǎo)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(zhǎng)為100km~10km。如下圖所示： 圖311 電流周圍的電磁場(chǎng)示意圖 Electromagnetic field around current schematic導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，按照一定規(guī)律分布。通過(guò)檢測(cè)相應(yīng)的電磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向可以反過(guò)來(lái)獲得距離導(dǎo)線的空間位置，這正是我們進(jìn)