【正文】 .......................................................................................... 21 第 6 章 結(jié)論 .......................................................................................................................... 30 致 謝 ...................................................................................................................................... 32 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 33 附 錄 ...................................................................................................................................... 34 第 1 章 引 言 1 第 1 章 引言 飛思卡爾智能車的背景 隨著 現(xiàn)代科技的發(fā)展，汽車的數(shù)量越來越多， 由此 引發(fā)的汽車擁堵、車禍 等 一系列安全問題引起人們的重視。人們對 汽車 的智能化有了越來越高的要求，汽車生產(chǎn)商也 推出 越來越 智能化 的汽車來滿足各種各樣的市場要求。汽車 的 電子化已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，它包括了汽車電子控制裝置，通過電子裝置控制汽車發(fā)動機(jī)、車身、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 以及制動防抱死等。汽車 電子 的迅速發(fā)展必將滿足人們逐步增長的對于安全 、 節(jié)能、環(huán)保以及智能化和信息化的需求。 “飛思卡爾杯 ”智能汽車 是以自動 導(dǎo)航 技術(shù)、汽車電子技術(shù)為背景，涉及自動控制 、計(jì)算 機(jī)、 機(jī)械 等多個學(xué)科 。采用飛思卡爾 公司 16 位 單片機(jī) 9S12XSMAA 作為 核心控制器 ，控制系統(tǒng)包括傳感器 信號采集處理 、 電機(jī)驅(qū)動、轉(zhuǎn)向 舵機(jī)控制 以及控制算法 軟件 開發(fā)等。 攝像頭 組智能車是搭建基于視覺導(dǎo)航的智能汽車系統(tǒng)，通過攝像頭對賽道圖像的有效采集，然后再利用控制器 進(jìn)一步 進(jìn)行處理信息，作出相應(yīng)的決策，控制小車尋 跡。黑白邊沿 這種 視覺尋跡系統(tǒng)以其靈活、信息量大等優(yōu)勢成為了未來的尋跡發(fā)展方向，在將來智能汽車電子應(yīng)用上 有非常 廣大的發(fā)展空間。 整體思路和 總體介紹 本文 分章節(jié)介紹了智能車系統(tǒng) 用于 速度控制的各個模塊，包括 智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及 調(diào)整 、智能車系統(tǒng)架構(gòu) 及其 硬件設(shè)計(jì)、智能車 速度 控制軟件設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)調(diào)試。 本智能車 采用飛思卡爾公司的 9S12XSMAA 單片機(jī) 為 核心控制器，配合有相應(yīng)的硬件及驅(qū)動電路，組成一個自動控制系統(tǒng)， 由 攝像頭傳感器、信息處理、控制算法和執(zhí)行 機(jī)構(gòu) 組成。 “飛思卡爾杯 ”智能汽車競賽 賽道用專用的白色 KT基板 制作 ，賽道 兩邊有黑線 。賽道 分為 直道 、 小 S 虛線彎道 、 路障區(qū) 、 十字路口 、上坡與下坡道路等， 在 控制算法上，采用位置式 PD 和增量式 PID 控制舵機(jī)和電機(jī)，窗口算法采集處理跑 道 ，控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)智能車直道加速、 路障區(qū) 和下坡路道減速等速率變化控制 。 第 2 章 車模 系統(tǒng) 機(jī)械 設(shè)計(jì) 2 第 2 章 車模系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì) 模型車 的 機(jī)械機(jī)構(gòu) 和組裝形式是整個模型車身的基礎(chǔ)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的好壞對智能車的運(yùn)行速度有直接的影響 。 經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)可以看出 ， 機(jī)械結(jié)構(gòu) 決定了智能車 的上限 速度， 而 軟件算法 的 優(yōu)化則是 使 車速不斷接近這個上線速度，軟件算法只有在 精細(xì) 的機(jī)械結(jié)構(gòu)上才能夠更好的提高智能車的整體性能。 差速器 差速器處于傳動軸與左右半軸的交匯點(diǎn)，從變速箱輸出的動力在這里被分配到左右兩個半軸。汽車在直線行駛時左右兩個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速是相同的，由于 在轉(zhuǎn)彎時兩邊車輪的行駛距離 不相等，因此兩邊車輪的轉(zhuǎn)速也不相等。 差速器的作用就在于允許左右兩邊的驅(qū)動輪以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。 圖 21 車輛直線行駛差速器狀態(tài) 智能車直線行駛 的時候左右兩邊驅(qū)動輪 受到 的 阻力 大致相同，發(fā)動機(jī)輸出的 動力首先傳送到差速器 殼體 上使差速器的殼體開始轉(zhuǎn) 動 ，然后 把 動力從殼體傳遞到左右半軸上，由于 兩邊車輪受到 的阻力相同，因此差速器殼體內(nèi)的行星齒輪跟著殼體公轉(zhuǎn) 時不會產(chǎn)生 自轉(zhuǎn) ，兩個行星齒輪 咬合 這 兩個 半軸齒 輪以相同的 速度 轉(zhuǎn)動， 這樣 智能車就能直線行駛。 [1] 第 2 章 車模 系統(tǒng) 機(jī)械 設(shè)計(jì) 3 圖 22 一側(cè)車輪遇到阻力 差速器 殼體通過齒輪和輸出軸相連，在傳動軸轉(zhuǎn)速不變情況下差速器殼體的轉(zhuǎn)速也不 變 ， 假設(shè) 智能車現(xiàn)在向左轉(zhuǎn)，左側(cè)的車輪行駛的距離短， 左側(cè) 驅(qū)動輪會受到更大的阻力 。 因此 左側(cè) 半 軸 齒輪 的 轉(zhuǎn)速會比 差速器殼體的 轉(zhuǎn)速 小，行星 齒輪帶動左側(cè)半軸會更費(fèi)力，這時 行星齒輪會產(chǎn)生自轉(zhuǎn)， 把 更多的扭矩傳遞到右側(cè)齒輪半軸上。 行星齒輪 的 公轉(zhuǎn) 加自身的自轉(zhuǎn) 將導(dǎo)致 右側(cè)半軸齒輪會在差速器殼體轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上增速，因此右側(cè)車輪比左側(cè)車輪轉(zhuǎn)得快，從而實(shí)現(xiàn)智能車順利通過左彎道。 車輪定位 智能車 在正常 行駛 過程中，為了使汽車直線行駛穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向后能自動回正，減少輪胎和轉(zhuǎn)向 系零件 的磨損等，在轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向節(jié)和前軸之間形成一定的相對安裝位置，叫這輪定位 ， 其主要參數(shù)有：前輪前束、前輪外傾、后輪外傾。 （ 1） 前輪前束 圖 23 前輪約束 示意圖 前輪前束 是指兩輪后邊緣距離 A 與 前邊緣距離 R 之差 。 第 2 章 車模 系統(tǒng) 機(jī)械 設(shè)計(jì) 4 圖 24 前輪前束 Toe 角度 （ 束角 ） 是 描述從車的正上方看，車輪的前段和車輛 縱線 的夾角。車輪前端向 內(nèi)傾（ 內(nèi)八字 ） ，稱為 Toe_in； 車輪前輪向外傾（ 外八字 ） ， 稱為 Toe_out。 當(dāng)車輪 有了外 傾角后，在滾動 時 就類似于圓錐滾動，從而導(dǎo)致兩側(cè)車輪向外滾開。由于轉(zhuǎn)向 橫拉桿和車橋的約束 使車輪 不可能向外滾開，車輪將在地面上出現(xiàn)滾邊 向 內(nèi)滑移的現(xiàn)象， 從而 增加了 輪胎的 磨損。 在 安裝車輪時，可以使兩輪的前邊緣距離 R 小雨后邊緣 距離 A， 從而 使 輪胎 滾動時的偏斜方向抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象 將 會減少。 [2] Toe 角度的 大小會影響智能車的轉(zhuǎn)向反應(yīng)速度和直道行駛的穩(wěn)定性。 模型車 是由舵機(jī)帶動左右橫拉桿 實(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)向的， 改變 左右橫拉桿的長度即可改變前輪前束的大小 和Toe 角度，經(jīng)過 多次試驗(yàn)， 選擇 了車輪前輪向內(nèi)傾，即 Toe_in。 （ 2） 前輪 外傾 通過 車輪中心的智能車橫向 平面 與車輪 平面 的交線與地面垂線之間的夾角 α，稱之為 “前輪 外傾角 ”， 如圖 25 所示 。 圖 25 前輪傾角示意 第 2 章 車模 系統(tǒng) 機(jī)械 設(shè)計(jì) 5 從車頭 望向車尾， 若 輪胎上端向外傾斜即左右輪呈 V 形 ， 稱之為 正外傾角 ； 若輪胎呈 八字 形張開則稱之為 負(fù)外傾角 。 前輪 外傾角對智能車的 彎道性能 有直接影響。它的 作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安全性和轉(zhuǎn)向操縱的輕便 性 。 如果 輪胎垂直地面即前輪外傾角等于 0176。路面 對車輪會產(chǎn)生垂直反作用力，一旦滿載車輪就容易產(chǎn)生變形，可能引起車輪上部向內(nèi)傾斜，導(dǎo)致車輪鏈接件損壞。 在 實(shí)際過程中，智能車一般采用正外傾角，主要目的是 使 承載車輛車輪磨損均勻。 （ 3）后 輪 外傾 智能車的穩(wěn)定性和抓地力與 后輪 外傾 角有關(guān) ，通過調(diào)整后懸掛長柄萬向節(jié)上的拉桿的長度來改變后輪的外傾角；也可通過改變后懸掛長柄萬向節(jié)車身一端的固定位置來獲得不同的外傾角。 采用 的車模是后輪驅(qū)動，前輪是轉(zhuǎn)向輪。由于 車模 本身質(zhì)量較輕，在拐彎處， 將會使 車的中心向外傾斜，當(dāng)摩擦力 較小 的時候，智能車整體將滑出賽道。調(diào)整 外傾角能 改善車模的過彎特性。外傾角越負(fù)， 智能車 過彎道 時 受到的摩擦力就越大，但是車模會出現(xiàn)彎道 前輪 上下抖動現(xiàn)象， 會 影響車輛過彎道時的速度。外傾角 越正，智能 車過彎道時 受到 的 摩擦力就越小 ，過彎道時就越平穩(wěn)。綜合 考慮 過彎道特性以及穩(wěn)定性，調(diào)整使得前輪外傾角 為 正 2176。 左右 。 由于 智能車的 底盤 較低，在上坡路段時，后底盤可能會摩擦到賽道，導(dǎo)致 智能車不能正常行駛 ， 需要將后輪的車輪降低，從而提高后部底盤的 高度 。 舵機(jī)的 安裝 舵機(jī) 是操控 車模行駛 的方向盤， 舵機(jī) 的輸出轉(zhuǎn)角 通過連桿傳動 來控制前輪轉(zhuǎn)向。舵機(jī)的 轉(zhuǎn)角精度直接影響到智能車 是否 能準(zhǔn)確的按賽道路線行駛。舵機(jī)的安裝對智能車行駛 過程的 快速性和靈活性 起著 非常 重要 的作用。舵機(jī) 的 靈活轉(zhuǎn)向控制取決于機(jī)械系統(tǒng)中各個零部件 之間 的協(xié)調(diào)運(yùn)行 。車身 簡潔 、底盤低穩(wěn) 、 轉(zhuǎn)向靈活 、 協(xié)調(diào)配合是 智能車 車模的設(shè)計(jì)原則。 舵機(jī)連 桿是將舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成橫擺運(yùn)動的一種機(jī)構(gòu)，通過它將舵機(jī)轉(zhuǎn)矩傳遞到橫拉桿，實(shí)現(xiàn)前輪的左右轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)向 在 智能車的行駛過程中是至關(guān)重要的， 連 桿的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到智能車的轉(zhuǎn)向靈敏度。 連桿的作用力越大，反應(yīng) 就 越靈敏，舵機(jī)的轉(zhuǎn)向速度就越快；當(dāng)轉(zhuǎn)矩一定時，連桿越長，作用力就越小，因而連桿不能太長。 智能車 的舵機(jī)采用直立放置的方式， 將 第 2 章 車模 系統(tǒng) 機(jī)械 設(shè)計(jì) 6 舵機(jī)安放在車模的前部中間位置， 這樣可以 保證車模轉(zhuǎn)向 時 的機(jī)械對稱性。 舵機(jī) 連桿采用標(biāo)準(zhǔn)化的 連接方式 和舵機(jī)尺寸，適當(dāng)?shù)丶娱L舵機(jī) 力臂，并保證力矩作用于水平方向 從而 減少其他方向上的損失， 使 舵機(jī)輸出的力臂增大，即當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動一個小角度時前輪轉(zhuǎn)動一個大角度， 但 這樣在一定程度上 減少了 力矩，因而力臂不能加得太長 。 選取 適當(dāng) 長度的連接桿，得到了較快的反應(yīng)速度和足夠大的輸出力矩。 第 3 章 圖像 處理算法研究 7 第 3 章 智能車硬件電路設(shè)計(jì) 對 智能車 而言 ，硬件系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的 可靠性是 智能車 能穩(wěn)定工作的基本要求， 硬件電路 設(shè)計(jì)的好壞直接決定智能車行駛的穩(wěn)定性。好的 硬件 電路設(shè)計(jì)能夠減輕很多控制算法上的負(fù)擔(dān)。智能車 與速度 控制相關(guān)的硬件電路主要包括以下幾個部分： 9S12 最小系統(tǒng) 、 電源 管理模塊 、 電機(jī)驅(qū)動模塊、速度測量模塊、舵機(jī)模塊。智能車 的 速度控制系統(tǒng)的 如圖 31 所示 。 圖 31 智能車 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 本 系統(tǒng)是以飛思卡爾公司 生產(chǎn) 的 9S12XSMAA 單片機(jī) 為處理核心，設(shè)計(jì)出在較為嚴(yán)格的循線的基礎(chǔ)上智能車能以最優(yōu)化的速度 繞 賽道行駛。 實(shí)現(xiàn) 功能算法的前提是要設(shè)計(jì)好功能模塊的電路，進(jìn)行電路調(diào)試后再實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制算法。 利用 Altium designer Summer 軟件 畫出 電路 原理圖和 PCB 板圖。 在 設(shè)計(jì) PCB 板圖 時，為了減輕 接線 的負(fù)擔(dān)和簡化 電路調(diào)試，將電機(jī)驅(qū)動模塊電路與主板 分離 開來 。 依照 攝像頭 處理過的圖像信息，利用光電編碼器來實(shí)現(xiàn)測速的測量，并將測量的車速進(jìn)行反饋從而形成閉環(huán)。利用 位置式 PD 控制算法 ，由 單片機(jī)輸出 PWM 波來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向；利用增量式 PID 控制算法 ，由 單片機(jī)輸出 PWM 波來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 9S12XSMAA 最小系統(tǒng) 9S12XSMAA 系列 單片機(jī)是飛思卡爾公司生產(chǎn)的 16 位 單片機(jī) ， 是基于速度更快的第 3 章 圖像 處理算法研究 8 CPU12 內(nèi)核 的單片機(jī)系列，具備 片上 的糾錯能力。 MC9S12 系列 采用 Motorola 第三代Flash，容量為 32KB 到 512KB，具備在線編程能力以及保密機(jī)制，不需要外加編程電壓，典型的 HC12 總線 速率為 8MHz，而 MC9S12 內(nèi)部 總線速率最高可以達(dá)到 25MHz，即 40ns 的 最小指令周期。 MC9S12 系列 串行接口豐富，時鐘發(fā)生器模塊內(nèi)設(shè)有鎖相環(huán)PLL。 此外 MC9S12 還 具有靈活的定制模式，對 C 進(jìn)行完全優(yōu)化的壓縮代碼的優(yōu)點(diǎn)。[3] 圖 32 MC9S12XEMAA 開發(fā)板原理圖 MC9S12 系列的 低功耗晶振、復(fù)位控制、 實(shí)時 中斷以及看門狗 等 配置和功能更加有助于系統(tǒng)的可靠運(yùn)行 。該系列 單片機(jī) 具 有很高的集成度 ， 片上 集成 了很多功能模塊，如 串行設(shè)備接口、串行通信接口 、 A/D 轉(zhuǎn)換器、 USB 接口、 CAN、 SPI 和 PWM 等。其 基本特性為： ? 16bit CPU ? 8 位和 4 位的帶中斷功能的接口 ? 存儲器： 64K Flash EEPROM