【正文】 基于飛思卡爾單片機的智能車設(shè)計畢業(yè)論文目錄0 前言 11 概述 2 智能車國外發(fā)展現(xiàn)狀 2 我國的發(fā)展現(xiàn)狀 2 本文的研究內(nèi)容 22 汽車模型機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 4 傳感器的安裝 5 前輪定位 5 主銷內(nèi)傾 5 主銷后傾 5 前輪外傾 6 舵機的安裝與改進 6 主控板的連接與固定 7 重心調(diào)整 7 差速調(diào)整 8 防側(cè)滑理論 8 輪胎影響因素 9 本章小結(jié) 113 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 12 智能車系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 12 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 12 HCS12X系列單片機簡介 12 MC9S12XS128性能概述 13 電源管理模塊 17 電機驅(qū)動模塊 17 速度檢測模塊 18 調(diào)試模塊 19 鍵盤模塊 19 LCD顯示模塊 19 路徑識別模塊 20 導(dǎo)線周圍的電磁場 20 雙水平線圈方案 22 感應(yīng)磁場線圈 25 信號選頻放大 25 幅度測量 26 硬件的抗干擾措施 27 本章小結(jié) 284 軟件設(shè)計 29 總體控制流程圖 29 控制策略分析 29 控制方法的選擇及分析 31 舵機調(diào)節(jié) 32 模擬式PID調(diào)節(jié) 33 數(shù)字式PID 33 舵機控制策略 35 賽道信息 35 舵機控制策略 35 各個模塊初始化 36 時鐘模塊初始化 36 PWM模塊初始化 37 A/D模塊初始化 38 ECT模塊 38 本章小結(jié) 395 技術(shù)經(jīng)濟分析 406 結(jié)論 41 系統(tǒng)調(diào)試 41 總結(jié) 41 展望 42致謝 44參考文獻 45附錄A 譯文 46附錄B 外文文獻 50附錄C 部分程序 56III0 前言 智能運輸系統(tǒng)作為未來交通發(fā)展趨勢之一，為解決城市交通擁擠和堵塞問題提供了有效途徑。從八十年代以來，美國、日本、歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)競相投入巨額資金和大量人力，開始大規(guī)模的進行交通運輸智能化的研究，取得了許多重要成果。而作為智能車高速系統(tǒng)（Intelligent Vehicle Highway Systems，簡稱IVHS）的重要一部份，智能車在世界各國的研究也隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)的飛速發(fā)展而不斷深入。本文以第八屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽為背景，對智能車控制系統(tǒng)進行了深入的討論，以作者參與制作的智能模型車為例簡要介紹了智能模型車的設(shè)計制作全過程,主要涉及到機械、電子、傳感器技術(shù)、驅(qū)動控制技術(shù)、自動控制、人工智能等多個領(lǐng)域的研究及技術(shù)融合。本系統(tǒng)雖然只是一個模型，但具有充份的科學(xué)性、實用性和先進性，對真實智能車控制系統(tǒng)所遇到的問題，都有所研究。1 概述 智能車國外發(fā)展現(xiàn)狀 韓國大學(xué)生智能模型車競賽是韓國漢陽大學(xué)汽車控制實驗室在飛思卡爾半導(dǎo)體公司資助下舉辦的以HCS12單片機為核心的大學(xué)生課外科技競賽。組委會將提供一個標(biāo)準(zhǔn)的汽車模型、直流電機和可充電電池，參賽隊伍要制作一個能夠自主識別路線的智能車，在專門設(shè)計的跑道上自動識別道路行駛，跑完整個賽程用時最短且技術(shù)報告評分較高的參賽隊為獲勝者。2000年智能汽車競賽首先由韓國漢陽大學(xué)承辦開展起來，每年全韓國大約有100余支大學(xué)生隊伍報名并準(zhǔn)予參賽，至今己成功舉辦了9屆，得到了眾多高校和大學(xué)生歡迎，也逐漸得到了企業(yè)界的極大關(guān)注。韓國現(xiàn)代公司自2004年開始免費捐贈了一輛轎車作為賽事的特等獎項。德國寶馬公司也提供了不菲的資助，邀請3名獲獎學(xué)生到德國寶馬公司研究所訪問，2005年SUNMOON大學(xué)的參賽者獲得了這一殊榮。美國國防部已經(jīng)成功舉辦了五屆智能汽車大賽，美國國防部希望智能汽車最終能夠用于軍事，以使士兵更加安全。汽車制造商認(rèn)為，人工智能系統(tǒng)將能幫助人們駕駛，最終完全承擔(dān)駕駛?cè)蝿?wù)；研究者希望他們的技術(shù)將有助于減少交通事故。 我國的發(fā)展現(xiàn)狀 我國于2006年8月舉辦第一屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽，此次比賽吸引了來自全國59所著名學(xué)校的112支代表隊的參與，大賽分預(yù)賽和決賽兩個階段。每年一屆，已成功舉辦四屆，此項比賽吸引了來自全國的100多所著名學(xué)校的200多支代表隊參與，由于參賽隊較多，大賽分為分賽區(qū)比賽和全國總決賽。全國共分東北賽區(qū)、華北賽區(qū)、華東賽區(qū)、華南賽區(qū)及西南賽區(qū)五個分賽區(qū)。分賽區(qū)的前幾名優(yōu)勝者參加全國的總決賽。本屆比賽在前幾屆比賽的基礎(chǔ)上增加了賽道的難度，增加了彎道和蛇形道在整個賽道中的比重，在決賽中還增加了不同角度的坡道，這對參賽選手及智能模型車系統(tǒng)提出了更高的要求。通過比賽促進了高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識運用能力、基本工程實踐能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實際、求真務(wù)實的學(xué)風(fēng)和團隊協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。 本文的研究內(nèi)容1）查閱相關(guān)文獻，根據(jù)比賽規(guī)則要求，設(shè)計制定智能模型車系統(tǒng)方案；2）選擇及設(shè)計關(guān)鍵器件，并進行相應(yīng)的標(biāo)定實驗及功能模塊設(shè)計；3）智能模型車系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計及研究；4）智能模型車系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計及研究；5）開發(fā)智能模型車系統(tǒng)開發(fā)平臺；6）智能模型車系統(tǒng)的調(diào)試與優(yōu)化。2 汽車模型機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 智能車的設(shè)計涵蓋了控制、模式識別、電子、機械等多個學(xué)科的知識，但是總的來說歸納為硬件和軟件兩個方面。對于智能車系統(tǒng)來說擁有穩(wěn)定而結(jié)構(gòu)合理的硬件是智能車在比賽中取得好成績的基礎(chǔ)。車體結(jié)構(gòu)是硬件中一個很重要的方面，從控制的角度來說，這部分既是系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)又是被控對象。車模底盤參數(shù)優(yōu)化和前輪參數(shù)優(yōu)化等調(diào)整可以保證車體在機械結(jié)構(gòu)方面具有良好的性能，使其擁有較強的執(zhí)行能力，其重要性絲毫不亞于良好的控制決策，而保證被控對象的輕便與靈活同樣有利于提高控制效果。機械結(jié)構(gòu)部分工作主要包含傳感器的安裝、前輪注銷傾向的調(diào)節(jié)、舵機的安裝、主控板的連接與固定，干簧管的安裝、驅(qū)動模塊的安裝、編碼器的安裝以及后輪差速的調(diào)整等。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)“飛思卡爾” 杯全國智能車競賽采用了韓國愛得美公司生產(chǎn)的Matiz系列1:10模型車，如圖21所示:圖21車體機械圖 Chassis’s mechanical drawing 該模型車底盤采用的是等長雙橫臂式獨立懸架。當(dāng)車輪上下跳動時，車輪平面沒有傾斜，但車距會發(fā)生較大變化，故車輪發(fā)生側(cè)向滑移的可能性較大。本章對相關(guān)的一些汽車?yán)碚撝R進行研究，并就參數(shù)調(diào)整對車體性能的影響進行研究。 傳感器的安裝傳感器采用的是2個磁場檢測電感一字均勻分布的布局安裝，如圖22所示。 傳感器伸出車體一定的距離以獲得相應(yīng)的前瞻性[1]。圖22 傳感器的安裝 Sensor installation 前輪定位調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，在賽車過彎時，轉(zhuǎn)向舵機的負(fù)載會因為車輪轉(zhuǎn)向角度增大而增大。為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機負(fù)載，對前輪的安裝角度，即前輪定位進行了調(diào)整。前輪定位的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。前輪是轉(zhuǎn)向輪，它的安裝位置由主銷內(nèi)傾、主銷后傾、前輪外傾和前輪前束等4 個項目決定，所使用的車模中，車輪和主銷是平行的，調(diào)成了0度左右，適當(dāng)?shù)恼笆梢蕴岣哌B續(xù)轉(zhuǎn)向的反應(yīng)能力。主銷內(nèi)傾角給了一個適當(dāng)?shù)闹?，會更有利于過彎。 主銷內(nèi)傾 主銷內(nèi)傾是指主銷裝在前軸，略向內(nèi)傾斜的角度，它的作用是使前輪自動回正。角度越大前輪自動回正的作用就越強烈，但轉(zhuǎn)向時也越費力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動回正的作用就越弱。 主銷后傾 主銷后傾是指主銷裝在前軸，上端略向后傾斜的角度。它使車輛轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的離心力所形成的力矩方向與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反，迫使車輪偏轉(zhuǎn)后自動恢復(fù)到原來的中間位置上。由此，主銷后傾角越大，車速越高，前輪穩(wěn)定性也愈好。主銷內(nèi)傾和主銷后傾都有使汽車轉(zhuǎn)向自動回正，保持直線行駛的功能。不同之處是主銷內(nèi)傾的回正與車速無關(guān)，主銷后傾的回正與車速有關(guān)，因此高速時后傾的回正作用大，低速時內(nèi)傾的回正作用小。 前輪外傾前輪外傾角對汽車的轉(zhuǎn)彎性能有直接影響，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。前輪外傾角俗稱“外八字”，如果車輪垂直地面一旦滿載就易產(chǎn)生變形，可能引起車輪上部向內(nèi)傾側(cè)，導(dǎo)致車輪聯(lián)接件損壞。所以事先將車輪校偏一個外八字角度，這個角度約在1176。左右[2]。 舵機的安裝與改進 舵機響應(yīng)速度是整車過彎速度的一個瓶頸。為了加快車輪轉(zhuǎn)向速度，我們設(shè)計并安裝了舵機轉(zhuǎn)向機構(gòu)。在并非改變舵機本身結(jié)構(gòu)的條件下，將舵機豎立起來，加大兩端的力臂，并使其力臂相等。通過實際測試，力臂的增大的確大大提高了模型車的轉(zhuǎn)彎時的轉(zhuǎn)向。舵機升高之后，直線行駛狀態(tài)下的車輪定位參數(shù)尤其是前束值會發(fā)生變化，這時需要稍微調(diào)整兩根轉(zhuǎn)向拉桿的長度，將前束值調(diào)整至合理的范圍內(nèi)。擺臂加長后，舵機空程會明顯，但是差別不大，通過程序微調(diào)舵機最大轉(zhuǎn)角能夠休整，所以可以忽略。圖23舵機安裝圖 Servo Installation Diagram 主控板的連接與固定 采用接插件與焊接結(jié)合的方式連接傳感器、主控板、編碼器、電機驅(qū)動電路、電機、賽道起始檢測等單元，既考慮可靠性，又兼顧結(jié)構(gòu)調(diào)整與安裝的便利性。具體安裝結(jié)構(gòu)如圖24所示圖24 主控板的連接與固定 Connection with the fixed control board 重心調(diào)整 汽車重心的改變會影響汽車的動力性、制動性、操縱穩(wěn)定性、平順性和通用性等重要特性?？紤]到賽車和賽道的情況，這里只介紹與動力性、制動性和操縱穩(wěn)定性相關(guān)的理論。 附著力與路面附著系數(shù)和驅(qū)動軸的軸荷相關(guān)，而驅(qū)動軸的軸荷取決于重心的水平位置，故重心位置必須保證驅(qū)動輪能夠提供足夠的附著力。模型車為電機前后輪同時驅(qū)動，如果僅從此方面考慮，重心應(yīng)該盡量靠近中心。而汽車制動性要求制動減速大、制動距離短，有良好的制動方向穩(wěn)定性，不易發(fā)生前輪喪失轉(zhuǎn)向、后軸側(cè)滑和跑偏現(xiàn)象。制動方向的穩(wěn)定性與前后輪的抱死次序有關(guān)，而抱死次序則與重心位置有關(guān)，若重心靠前，則容易發(fā)生后輪側(cè)滑，對高速汽車危險性大；若重心后移，則前輪容易喪失轉(zhuǎn)向能力。對于智能車模型來說，前輪喪失轉(zhuǎn)向能力比后軸側(cè)滑更加危險，故從此方面考慮，重心位置應(yīng)靠近前軸。對于汽車的操縱性，操縱穩(wěn)定性好就必須有不足轉(zhuǎn)向特性，并且不足轉(zhuǎn)向不應(yīng)過大。謂不足轉(zhuǎn)向性，是指轉(zhuǎn)向盤保持一固定轉(zhuǎn)角的情況下，緩慢加速或以不同車速等速行時，隨著車速的增加，車輛的轉(zhuǎn)向半徑增大。相應(yīng)的具有中性轉(zhuǎn)向特性的汽車，其半保持不變，具有過多轉(zhuǎn)向特性的汽車其轉(zhuǎn)彎半徑越來越小。汽車重心靠前則具備不足向性；重心靠后則具備過多轉(zhuǎn)向特性[3]。 綜合上面的理論可知:重心靠近后軸，對于模型車動力性能有益；重心靠近前軸，于模型車的制動性和操縱穩(wěn)定性有益?？紤]到智能車競賽對于智能車的動力性高要求有操縱穩(wěn)定性和制動性的要求高，所以可以在安裝電路板、電池位置時，使型車的重心位置靠近前軸，從而提高智能車的整體性能。通過以上理論分析并結(jié)合大量實驗，我們將汽車模型的重心調(diào)整在前后軸之間五分二左右的位置，并使其靠近前軸，這時智能車的行駛比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向也比較靈活，行路線平滑。 差速調(diào)整 差速機構(gòu)的作用是在賽車轉(zhuǎn)彎的時候，降低后輪與地面之間的滑動,并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會損害到電機。當(dāng)車輛在正常的過彎行進中 (假設(shè)：無轉(zhuǎn)向不足亦無轉(zhuǎn)向過度)，此時4個輪子的轉(zhuǎn)速(輪速)皆不相同，依序為：外側(cè)前輪＞外側(cè)后輪＞內(nèi)側(cè)前輪＞內(nèi)側(cè)后輪。此次所使用賽車配備的是后輪差速機構(gòu)。差速器的特性是：阻力越大的一側(cè)，驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速越低；而阻力越小的一側(cè)，驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速越高。以此次使用的后輪差速器為例，在過彎時，因外側(cè)前輪輪胎所遇的阻力較小，輪速便較高；而內(nèi)側(cè)前輪輪胎所遇的阻力較大，輪速便較低。差速器的調(diào)整中要注意滾珠輪盤間的間隙，過松過緊都會使差速器性能降低，轉(zhuǎn)彎時阻力小的車輪會打滑，從而影響賽車的過彎性能。好的差速機構(gòu)，在電機不轉(zhuǎn)的情況下，右輪向前轉(zhuǎn)過的角度與左輪向后轉(zhuǎn)過的角度之間誤差很小，不會有遲滯或者過轉(zhuǎn)動情況發(fā)生。 防側(cè)滑理論 汽車側(cè)滑分為前輪側(cè)滑、后輪側(cè)滑和四輪側(cè)滑三種情況。前輪側(cè)滑緩解了車輛轉(zhuǎn)向角速度，路面較寬時危險性不大，其離心力因前輪側(cè)滑而減小，所以一般能自行制止、緩解乃至消失。但后輪側(cè)滑特別是轉(zhuǎn)彎時外側(cè)滑危險性極大，因為它會加大轉(zhuǎn)向角速度，導(dǎo)致越滑越烈，如“抱死”，路面越滑，制動時間越長，側(cè)滑也就越嚴(yán)重，其離心力（慣性側(cè)翻力矩）也因側(cè)滑而加大，當(dāng)大于車輛重力的穩(wěn)定力矩時就會翻車。四輪側(cè)滑較少出現(xiàn)[4]。前輪定位參數(shù)、車速、輪胎氣壓、載荷和驅(qū)動方式都是引起前輪側(cè)滑的因素，但前輪定位參數(shù)中前束值與外傾角匹配是影響前輪側(cè)滑的最主要因素?；谇拜唫?cè)滑機理的分析，考慮輪胎側(cè)偏特性和模型車結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，建立前輪前束值與外傾角理論匹配關(guān)系： (21) 公式(21)中d為測量前束處的輪輞直徑，L為模型車軸距，輪胎接地印跡長度為前輪外傾角，r為輪胎滾動半徑。合理地調(diào)節(jié)這些參數(shù)，是前輪側(cè)滑達到最小。 由前面的分析可知，后輪側(cè)滑在模型車的運行過程中危害極大（尤其在過彎時），對模型車的過彎速度有很大的影響。經(jīng)過我們的分析，假設(shè)模型車勻速過彎，那么它所受到的向心力是不變的，設(shè)為F1，將F1分解為平行于模型車的力F2和垂直于模型車的力F3，如圖25所示： 圖25轉(zhuǎn)彎受力分析 Turn stress analysis 其中F2將影響模型車的前滑力，而F3是阻止模型車側(cè)向滑動的力，根據(jù)理論分析，我們認(rèn)為當(dāng)保持模型車過彎速度不變時（即保持向心力不變），減小F2即能增大模型車的防側(cè)滑力F3，所以我們建立