【正文】 能的降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向舵機(jī)之間的干擾，我們采用另外一個(gè)穩(wěn)壓電源芯片專門為轉(zhuǎn)向舵機(jī)供電，我們選中LM1117為轉(zhuǎn)向舵機(jī)單獨(dú)提供電源，通過(guò)改變LM1117接地端（2引腳）的電勢(shì)，我們可以調(diào)節(jié)LM1117的輸出電壓，以滿足轉(zhuǎn)向舵機(jī)的電壓要求。并且在電池組輸出端加上1000u的電容，盡量減少電池組輸出電壓的波動(dòng)。電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖10所示。 圖 10 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 控制算法方案控制系統(tǒng)算法是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，是自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)控制”的靈魂，控制算法的選擇和實(shí)現(xiàn)直接關(guān)系到系統(tǒng)工作的方式和性能。本設(shè)計(jì)中，小車的控制包括橫向控制（即轉(zhuǎn)角控制）和縱向控制（即速度控制），必須根據(jù)不同傳感器控制輸入量的特性以及不同執(zhí)行部件控制輸出量的特性不同，選擇合適的控制算法，才能達(dá)到良好的控制效果.。常用方案介紹： 在目前，人們常用的自動(dòng)控制方法主要有三種，這就是經(jīng)典控制方法、現(xiàn)代控制方法和智能控制方法。 經(jīng)典控制理論是過(guò)去人們常用的控制理論，這種控制理論只能解決線性定常系統(tǒng)的控制問(wèn)題。線性是指系統(tǒng)的輸入量和輸出量的關(guān)系是線性的，定常是指系統(tǒng)的輸入和輸出量的關(guān)系是恒定的，并不隨時(shí)間的變化而變化。經(jīng)典控制方法是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。一般的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程較多屬于線性定常系統(tǒng)，可以用經(jīng)典控制方法來(lái)控制，經(jīng)典控制方法最典型的就是 PID 控制方法。PID控制應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟，其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易調(diào)整，不必求出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型就可以調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)品質(zhì)取決于 PID 控制器各個(gè)參數(shù)的整定。 現(xiàn)代控制理論可以解決時(shí)變系統(tǒng)的控制問(wèn)題，在時(shí)變系統(tǒng)中，輸入量和輸出量的關(guān)系隨時(shí)間的變化而變化。故而現(xiàn)代控制理論在航空航天和軍事上有很大的作用。現(xiàn)代控制方法是以狀態(tài)方程為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)。 在控制工程中，有一些復(fù)雜的被控對(duì)象（或過(guò)程）的特性難以用一般物理及數(shù)學(xué)的已有規(guī)律來(lái)描述，而且沒有適當(dāng)?shù)臏y(cè)試手段，或測(cè)試儀器無(wú)法進(jìn)入被測(cè)區(qū)，以致不可能為其建立數(shù)學(xué)模型。對(duì)這類不具有任何數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象（或過(guò)程），運(yùn)用傳統(tǒng)控制理論，包括現(xiàn)代控制理論很難取得滿意的效果。 自從 1974 年英國(guó)的 Mamdani 首次用模糊邏輯實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽機(jī)的控制之后，模糊控制就成為一種有別于經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制的新的控制方式。模糊控制是基于人們的經(jīng)驗(yàn)的，而經(jīng)驗(yàn)是人們智能活動(dòng)的結(jié)晶，故而模糊控制反映著人們的智能對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制作用。故而模糊控制是比經(jīng)典和現(xiàn)代控制更高一級(jí)的控制方法，即智能控制方法。 智能控制方法是現(xiàn)在發(fā)展起來(lái)的最新控制方法，目前還在不斷完善和發(fā)展之中，模糊控制則是智能控制方法中的一種方法。由于模糊控制采用人的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，有時(shí)也稱經(jīng)驗(yàn)控制或規(guī)則控制，模糊控制有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1． 無(wú)需預(yù)先知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，所以，可以對(duì)那些數(shù)學(xué)模型難以求取或無(wú)法求取的對(duì)象進(jìn)行有效控制；2． 由于控制規(guī)則是以人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的條件語(yǔ)句表示的，所以，對(duì)于對(duì)模糊控制理論不熟悉的人來(lái)說(shuō)，也很容易學(xué)懂和掌握模糊控制的方法；3． 對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)變化有較強(qiáng)的魯棒性；4． 由于表示控制知識(shí)是以人的語(yǔ)言形式，故有利于人機(jī)對(duì)話和系統(tǒng)的知識(shí)處理，從而有利于系統(tǒng)處理的靈活性和機(jī)動(dòng)性。方案選擇論證：分析本設(shè)計(jì)中小車系統(tǒng)各個(gè)被控對(duì)象的特點(diǎn)可以看出，小車中的橫向控制（即轉(zhuǎn)角控制）具有線性定常系統(tǒng)的特點(diǎn)，輸入的角度偏差和控制輸出的角度是一種線性關(guān)系，并且不隨時(shí)間的變化而變化；而小車的縱向控制（即速度控制）的控制輸出量不僅和小車行駛過(guò)程中的角度有關(guān)，而且和小車的實(shí)際速度有關(guān)，并且對(duì)不同路面摩擦系數(shù)不同，輸入控制量和輸出控制量難以用一種線性的關(guān)系來(lái)描述。根據(jù)對(duì)以上三種控制方法的分析比較，結(jié)合小車系統(tǒng)各個(gè)被控對(duì)象的特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)比較，本設(shè)計(jì)中小車的橫向控制采用經(jīng)典的 PID 算法，縱向控制則采用了模糊控制的方法。綜上，我們選擇直流反射式紅外光電管識(shí)別路徑；選擇霍爾開關(guān)檢測(cè)速度；選擇 PID 控制算法控制轉(zhuǎn)角；選擇模糊控制方法控制速度和制動(dòng)； 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 模型車后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)為RS380電機(jī)，，轉(zhuǎn)速為16000r/min。，轉(zhuǎn)速達(dá)到14060r/min時(shí)，工作效率最大。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩端電壓可以使模型車加速運(yùn)行，也對(duì)模型車進(jìn)行制動(dòng)。由于比賽中不需要模型車倒車，所以電機(jī)之工作在正轉(zhuǎn)方向上做功與發(fā)電兩個(gè)狀態(tài)?？梢允褂么蠊β示w管、全橋或者半橋電路，輸出PWM波形實(shí)現(xiàn)對(duì)于電機(jī)的控制。圖11給出了基于MC33886全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的電路原理圖。 進(jìn)一步提高對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的能力，還可以從如下方面進(jìn)行改進(jìn)：?采用大功率MOS管組成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，例如MOS管IRF540，由于大功率MOS管導(dǎo)通內(nèi)阻小，允許大電流通過(guò)，可提供更大的瞬間加速電流。但是相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。圖12給出了使用MOS管組成的的點(diǎn)進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路。?驅(qū)動(dòng)集成電路并聯(lián)使用提供更大的驅(qū)動(dòng)電流。例如可以將兩片33886電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片pin to pin并聯(lián)使用，借助驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部輸出特性實(shí)現(xiàn)兩片輸出電流均衡。?可以為功率管或者集成驅(qū)動(dòng)電路添加散熱片，改善它們工作條件，提高它們過(guò)載能力。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電源可以直接使用電池兩端的電壓。模型車在啟動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，一方面會(huì)對(duì)其他電路造成電池兩端的電壓下降，甚至?xí)陀诜€(wěn)壓電路所需要的最低電壓值，產(chǎn)生單片機(jī)復(fù)位現(xiàn)象。為了克服啟動(dòng)沖擊電流的影響，可以在電源中增加容值較大的電解濾波電容，也可以采用緩啟動(dòng)的方式控制電機(jī)。在啟動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓有一個(gè)漸變過(guò)程，使得電機(jī)啟動(dòng)速度略微降低從而減小啟動(dòng)沖擊電流的幅度。 圖12 MOS管組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為了增加模型車制動(dòng)效果，防止模型車沖出跑道的可能性，有些參賽隊(duì)伍還增加了機(jī)械剎車系統(tǒng)，在后輪旁邊增加了由伺服電機(jī)控制的剎車片完成對(duì)于模型車的剎車。 調(diào)試電路模塊調(diào)試電路用于模型車模型車開發(fā)調(diào)試階段工作中，特別是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中。它一方面可以顯示模型車控制電路的各種信息以及工作參數(shù)，另一方面還可以對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修改。調(diào)試電路通常與制作電路制作在一起，也可以單獨(dú)制作成可拆分的模塊，在比賽時(shí)將其拆下來(lái)。調(diào)試模塊顯示模型車控制電路的工作參數(shù)的方式有：1） 利用BDM開發(fā)工具的調(diào)試能力，顯示單片機(jī)運(yùn)行時(shí)其內(nèi)部存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)；2） 利用DG128核心板上提供的串口通信接口，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通信，將單片機(jī)中的運(yùn)行狀況反映在計(jì)算機(jī)的調(diào)試軟件中；3） 制作無(wú)線通信模塊，可以將模型車在快速運(yùn)行中的狀態(tài)，通過(guò)無(wú)線通信方式發(fā)送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)控；4） 制作獨(dú)立的調(diào)試板，其中帶有LCD或者LED數(shù)碼管等可以顯示單片機(jī)內(nèi)部信息，有的隊(duì)伍選用了HD7279A43S擴(kuò)展了LED數(shù)碼管以及鍵盤輸出；5） 利用單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM或RAM對(duì)于模型車運(yùn)行中的參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，然后再通過(guò)串口或者BDM調(diào)試工具送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行后期分析。對(duì)控制電路的工作參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修改，可以避免對(duì)單片機(jī)中程序反復(fù)下載的麻煩，也可以比賽現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)對(duì)模型車運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行最后的設(shè)置于優(yōu)化。一般可以通過(guò)如下幾種方式調(diào)整小車的參數(shù)：1） 在電路板上設(shè)置多個(gè)開關(guān)，通過(guò)它們的狀態(tài)實(shí)時(shí)對(duì)于控制程序的參數(shù)、工作模式甚至不同工作程序的選擇；2） 在電路中設(shè)置一些電位器，可以對(duì)于控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，比如PID控制中的參數(shù)；3） 可以通過(guò)串口、BDM頭、無(wú)線通信模塊將修正的參數(shù)發(fā)送到單片機(jī)中，將其存儲(chǔ)在內(nèi)部的EEPROM中。雖然調(diào)試電路的功能不對(duì)模型車直接進(jìn)行控制，但“磨刀不誤砍柴工”，好的調(diào)試電路（或者調(diào)試工具）再加上正確的調(diào)試方法可以大大提高模型車調(diào)試的工作效率，方便排除硬件和軟件的缺陷，能夠檢測(cè)模型車運(yùn)行性能，這些為尋找最優(yōu)的控制策略以及控制參數(shù)打下基礎(chǔ)。 輔助電路方案設(shè)計(jì) 舵機(jī)驅(qū)動(dòng) 舵機(jī)最早出現(xiàn)在航模運(yùn)動(dòng)中，控制航模上的發(fā)動(dòng)機(jī)、翼舵轉(zhuǎn)向。在模型車上，多級(jí)的輸出轉(zhuǎn)角通過(guò)連桿傳動(dòng)控制前輪轉(zhuǎn)向。此外，也可以利用舵機(jī)進(jìn)行機(jī)械剎閘制動(dòng)、位置傳感器主動(dòng)掃描等操作。比賽規(guī)則要求模型車中的舵機(jī)數(shù)不超過(guò)3個(gè)。舵機(jī)本身是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)。它由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)和控制電路組成。通過(guò)內(nèi)部的位置反饋，使它的的舵盤輸出轉(zhuǎn)角正比于給定的控制信號(hào)，因?yàn)閷?duì)于它的控制可以使用開環(huán)控制方式。在負(fù)載力矩小于最大輸出力矩的情況下，它的輸出轉(zhuǎn)角正比于給定的脈沖寬度。舵機(jī)接口一般采用三線連接方法，黑線為電源地線，紅線為電源線，一般采用兩種標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)應(yīng)于3節(jié)和4節(jié)電池的電壓。另外一根連線（藍(lán)色或者黃色）為控制信號(hào)線。控制信號(hào)是周期在20ms左右的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的寬度決定舵機(jī)輸出舵盤的角度。舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與控制信號(hào)脈寬之間的關(guān)系如圖13所示。脈寬─轉(zhuǎn)角（+為順時(shí)針?lè)较颍? 控制舵機(jī)的脈沖可以使用MCS9S12DG128 +45 的1路PWM產(chǎn)生。單片機(jī)中有8路獨(dú)立的PWM輸出端口，可以將其中相鄰的2路PWM輸出級(jí)聯(lián)成一個(gè) 16位PWM輸出。在單片機(jī)總線頻率為24MHz的時(shí) 1100 1500 1900 脈寬/181。s侯，設(shè)置級(jí)聯(lián)PWM周期常數(shù)為60000，對(duì)應(yīng)PWM 周期為20ms，ＰＷＭ占空比常數(shù)為4500對(duì)應(yīng)－45輸出為1..5ms。改變占空比常數(shù)可以改變輸出脈沖 圖13舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與控制信號(hào) 的寬度。 脈寬之間的關(guān)系車模采用大賽組統(tǒng)一提供的SRM102型舵機(jī)，工作電源為6V。影響舵機(jī)控制特性的一個(gè)主要參數(shù)是舵機(jī)的響應(yīng)速度即舵機(jī)輸出軸 轉(zhuǎn)動(dòng) 角速度， 這個(gè)參數(shù)一般以舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)60176。所需要的時(shí)間表示。SRM 176。舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度有時(shí)間延遲，時(shí)間延遲正比于旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度，反比于舵機(jī)的響應(yīng)速度。通過(guò)后面控制策略分析可知，舵機(jī)的響應(yīng)速度直接影響模型車通過(guò)彎道時(shí)的最高速度，提高舵機(jī)的響應(yīng)速度是提高模型車平均速度的關(guān)鍵。盡量選擇最大的輸出電壓，可以提高舵機(jī)的響應(yīng)速度。大賽規(guī)則不允許采用升壓電路為為舵機(jī)提供工作電源。提高舵機(jī)控制前輪轉(zhuǎn)向速度的另外一個(gè)方法是采用杠桿原理，在舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)盤上安裝一個(gè)較長(zhǎng)的輸出臂，將轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿連接在輸出臂末端。這樣就可以在舵機(jī)輸出較小的轉(zhuǎn)角下，取得較大的前輪轉(zhuǎn)角，從而提高了整個(gè)車模轉(zhuǎn)向控制速度。連接方式如圖14所示。 圖 14 舵機(jī)輸出結(jié)構(gòu)示意圖 此外，將驅(qū)動(dòng)舵機(jī)脈沖波形的周期從原來(lái)的20ms減小到10ms增加舵機(jī)控制信號(hào)的更新頻率，減少舵機(jī)控制環(huán)節(jié)中延時(shí)。 電池電壓檢測(cè) 蓄電池電壓的大小不僅影響電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)也對(duì)其他電源模塊也有影響。檢測(cè)電池電壓不但可以為后面控制策略提供控制參數(shù)，同時(shí)也可以在調(diào)試過(guò)程中提供電池電壓報(bào)警信號(hào)。電池電壓可以通過(guò)電阻分壓后通過(guò)單片機(jī)的A/D輸入端口進(jìn)行測(cè)量。 加速度傳感器 加速度傳感器可以測(cè)量車模運(yùn)行穩(wěn)定性、車輪是否打滑以及賽道是否有坡道等信息。通過(guò)這些信息可以調(diào)整模型車速度保證運(yùn)行穩(wěn)定性。選擇在車模上安裝1個(gè)或是2個(gè)加速度傳感器輔助判斷車模的穩(wěn)定性。 MC9S12DG128單片機(jī)介紹 HCS12原理及應(yīng)用PWM模塊介紹 開始介紹該MCU的PWM模塊。PWM 調(diào)制波有 8 個(gè)輸出通道，每一個(gè)輸出通道都可以獨(dú)立的進(jìn)行輸出。每 一個(gè)輸出通道都有一個(gè)精確的計(jì)數(shù)器（計(jì)算脈沖的個(gè)數(shù)），一個(gè)周期控制寄存器 和兩個(gè)可供選擇的時(shí)鐘源。每一個(gè) PWM 輸出通道都能調(diào)制出占空比從 0—100% 變化的波形。PWM 的主要特點(diǎn)有：它有 8 個(gè)獨(dú)立的輸出通道，并且通過(guò)編程可控制其輸出波形的周期。每一個(gè)輸出通道都有一個(gè)精確的計(jì)數(shù)器。每一個(gè)通道的 PWM 輸出使能都可以由編程來(lái)控制。PWM 輸出波形的翻轉(zhuǎn)控制可以通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。周期和脈寬可以被雙緩沖。當(dāng)通道關(guān)閉或 PWM 計(jì)數(shù)器為 0 時(shí)，改變周期和脈寬才起作用。8 字節(jié)或 16 字節(jié)的通道協(xié)議。有 4 個(gè)時(shí)鐘源可供選擇（A、SA、B、SB），他們提供了一個(gè)寬范圍的時(shí) 鐘頻率。通過(guò)編程可以實(shí)現(xiàn)希望的時(shí)鐘周期。具有遇到緊急情況關(guān)閉程序的功能。 每一個(gè)通道都可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)左對(duì)齊輸出還是居中對(duì)齊輸出。 HCS12原理及應(yīng)用PWM寄存器說(shuō)明1 PWM啟動(dòng)寄存器PWMEPWME 寄存器每一位如圖 1 所示： 復(fù)位默認(rèn)值：0000 0000B圖 1 PWME 寄存器每一個(gè)PWM 的輸出通道都有一個(gè)使能位 PWMEx 。它相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，用來(lái)啟動(dòng)和關(guān)閉相應(yīng)通道的 PWM 波形輸出。當(dāng)任意的 PWMEx 位置 1，則相關(guān)的 PWM 輸出通道就立刻可用。用法： PWME7=1 通道7 可對(duì)外輸出波形PWME7=0 通道7 不能對(duì)外輸出波形 注意：在通道使能后所輸出的第一個(gè)波形可能是不規(guī)則的。當(dāng)輸出通道工作在串聯(lián)模式時(shí)（PWMCTL 寄存器中的 CONxx 置1），那么）使能相應(yīng)的 16 位 PWM 輸出通道是由 PWMEx 的高位控制的，例如 ：設(shè)置 PWMCTL_CON01 = 1,通道0、1級(jí)聯(lián)