【正文】 基于飛思卡爾單片機(jī)的智能車(chē)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄0 前言 11 概述 2 智能車(chē)國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 2 我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀 2 本文的研究?jī)?nèi)容 22 汽車(chē)模型機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 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(jī)的安裝與改進(jìn) 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(jì) 12 智能車(chē)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 12 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 HCS12X系列單片機(jī)簡(jiǎn)介 12 MC9S12XS128性能概述 13 電源管理模塊 17 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 17 速度檢測(cè)模塊 18 調(diào)試模塊 19 鍵盤(pán)模塊 19 LCD顯示模塊 19 路徑識(shí)別模塊 20 導(dǎo)線周?chē)碾姶艌?chǎng) 20 雙水平線圈方案 22 感應(yīng)磁場(chǎng)線圈 25 信號(hào)選頻放大 25 幅度測(cè)量 26 硬件的抗干擾措施 27 本章小結(jié) 284 軟件設(shè)計(jì) 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(jī)調(diào)節(jié) 32 模擬式PID調(diào)節(jié) 33 數(shù)字式PID 33 舵機(jī)控制策略 35 賽道信息 35 舵機(jī)控制策略 35 各個(gè)模塊初始化 36 時(shí)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(jì)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(xiàn) 45附錄A 譯文 46附錄B 外文文獻(xiàn) 50附錄C 部分程序 56III0 前言 智能運(yùn)輸系統(tǒng)作為未來(lái)交通發(fā)展趨勢(shì)之一，為解決城市交通擁擠和堵塞問(wèn)題提供了有效途徑。從八十年代以來(lái)，美國(guó)、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)競(jìng)相投入巨額資金和大量人力，開(kāi)始大規(guī)模的進(jìn)行交通運(yùn)輸智能化的研究，取得了許多重要成果。而作為智能車(chē)高速系統(tǒng)（Intelligent Vehicle Highway Systems，簡(jiǎn)稱IVHS）的重要一部份，智能車(chē)在世界各國(guó)的研究也隨著計(jì)算機(jī)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(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽為背景，對(duì)智能車(chē)控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入的討論，以作者參與制作的智能模型車(chē)為例簡(jiǎn)要介紹了智能模型車(chē)的設(shè)計(jì)制作全過(guò)程,主要涉及到機(jī)械、電子、傳感器技術(shù)、驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、自動(dòng)控制、人工智能等多個(gè)領(lǐng)域的研究及技術(shù)融合。本系統(tǒng)雖然只是一個(gè)模型，但具有充份的科學(xué)性、實(shí)用性和先進(jìn)性，對(duì)真實(shí)智能車(chē)控制系統(tǒng)所遇到的問(wèn)題，都有所研究。1 概述 智能車(chē)國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 韓國(guó)大學(xué)生智能模型車(chē)競(jìng)賽是韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)汽車(chē)控制實(shí)驗(yàn)室在飛思卡爾半導(dǎo)體公司資助下舉辦的以HCS12單片機(jī)為核心的大學(xué)生課外科技競(jìng)賽。組委會(huì)將提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)模型、直流電機(jī)和可充電電池，參賽隊(duì)伍要制作一個(gè)能夠自主識(shí)別路線的智能車(chē)，在專門(mén)設(shè)計(jì)的跑道上自動(dòng)識(shí)別道路行駛，跑完整個(gè)賽程用時(shí)最短且技術(shù)報(bào)告評(píng)分較高的參賽隊(duì)為獲勝者。2000年智能汽車(chē)競(jìng)賽首先由韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)承辦開(kāi)展起來(lái)，每年全韓國(guó)大約有100余支大學(xué)生隊(duì)伍報(bào)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(guó)現(xiàn)代公司自2004年開(kāi)始免費(fèi)捐贈(zèng)了一輛轎車(chē)作為賽事的特等獎(jiǎng)項(xiàng)。德國(guó)寶馬公司也提供了不菲的資助，邀請(qǐng)3名獲獎(jiǎng)學(xué)生到德國(guó)寶馬公司研究所訪問(wèn)，2005年SUNMOON大學(xué)的參賽者獲得了這一殊榮。美國(guó)國(guó)防部已經(jīng)成功舉辦了五屆智能汽車(chē)大賽，美國(guó)國(guó)防部希望智能汽車(chē)最終能夠用于軍事，以使士兵更加安全。汽車(chē)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(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)于2006年8月舉辦第一屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車(chē)競(jìng)賽，此次比賽吸引了來(lái)自全國(guó)59所著名學(xué)校的112支代表隊(duì)的參與，大賽分預(yù)賽和決賽兩個(gè)階段。每年一屆，已成功舉辦四屆，此項(xiàng)比賽吸引了來(lái)自全國(guó)的100多所著名學(xué)校的200多支代表隊(duì)參與，由于參賽隊(duì)較多，大賽分為分賽區(qū)比賽和全國(guó)總決賽。全國(guó)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(gè)分賽區(qū)。分賽區(qū)的前幾名優(yōu)勝者參加全國(guó)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(gè)賽道中的比重，在決賽中還增加了不同角度的坡道，這對(duì)參賽選手及智能模型車(chē)系統(tǒng)提出了更高的要求。通過(guò)比賽促進(jìn)了高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識(shí)運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，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(shí)際、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)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?jī)?nèi)容1）查閱相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)比賽規(guī)則要求，設(shè)計(jì)制定智能模型車(chē)系統(tǒng)方案；2）選擇及設(shè)計(jì)關(guān)鍵器件，并進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及功能模塊設(shè)計(jì)；3）智能模型車(chē)系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)及研究；4）智能模型車(chē)系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計(jì)及研究；5）開(kāi)發(fā)智能模型車(chē)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)；6）智能模型車(chē)系統(tǒng)的調(diào)試與優(yōu)化。2 汽車(chē)模型機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 智能車(chē)的設(shè)計(jì)涵蓋了控制、模式識(shí)別、電子、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，但是總的來(lái)說(shuō)歸納為硬件和軟件兩個(gè)方面。對(duì)于智能車(chē)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)擁有穩(wěn)定而結(jié)構(gòu)合理的硬件是智能車(chē)在比賽中取得好成績(jī)的基礎(chǔ)。車(chē)體結(jié)構(gòu)是硬件中一個(gè)很重要的方面，從控制的角度來(lái)說(shuō)，這部分既是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)又是被控對(duì)象。車(chē)模底盤(pán)參數(shù)優(yōu)化和前輪參數(shù)優(yōu)化等調(diào)整可以保證車(chē)體在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面具有良好的性能，使其擁有較強(qiáng)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(duì)象的輕便與靈活同樣有利于提高控制效果。機(jī)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(jī)的安裝、主控板的連接與固定，干簧管的安裝、驅(qū)動(dòng)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(guó)智能車(chē)競(jìng)賽采用了韓國(guó)愛(ài)得美公司生產(chǎn)的Matiz系列1:10模型車(chē)，如圖21所示:圖21車(chē)體機(jī)械圖 Chassis’s mechanical drawing 該模型車(chē)底盤(pán)采用的是等長(zhǎng)雙橫臂式獨(dú)立懸架。當(dāng)車(chē)輪上下跳動(dòng)時(shí)，車(chē)輪平面沒(méi)有傾斜，但車(chē)距會(huì)發(fā)生較大變化，故車(chē)輪發(fā)生側(cè)向滑移的可能性較大。本章對(duì)相關(guān)的一些汽車(chē)?yán)碚撝R(shí)進(jìn)行研究，并就參數(shù)調(diào)整對(duì)車(chē)體性能的影響進(jìn)行研究。 傳感器的安裝傳感器采用的是2個(gè)磁場(chǎng)檢測(cè)電感一字均勻分布的布局安裝，如圖22所示。 傳感器伸出車(chē)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(chē)過(guò)彎時(shí)，轉(zhuǎn)向舵機(jī)的負(fù)載會(huì)因?yàn)檐?chē)輪轉(zhuǎn)向角度增大而增大。為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機(jī)負(fù)載，對(duì)前輪的安裝角度，即前輪定位進(jìn)行了調(diào)整。前輪定位的作用是保障汽車(chē)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(gè)項(xiàng)目決定，所使用的車(chē)模中，車(chē)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(gè)適當(dāng)?shù)闹?，?huì)更有利于過(guò)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(dòng)回正。角度越大前輪自動(dòng)回正的作用就越強(qiáng)烈，但轉(zhuǎn)向時(shí)也越費(fèi)力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動(dòng)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(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的離心力所形成的力矩方向與車(chē)輪偏轉(zhuǎn)方向相反，迫使車(chē)輪偏轉(zhuǎn)后自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的中間位置上。由此，主銷后傾角越大，車(chē)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(chē)轉(zhuǎn)向自動(dòng)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(chē)速無(wú)關(guān)，主銷后傾的回正與車(chē)速有關(guān)，因此高速時(shí)后傾的回正作用大，低速時(shí)內(nèi)傾的回正作用小。 前輪外傾前輪外傾角對(duì)汽車(chē)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(chē)輪垂直地面一旦滿載就易產(chǎn)生變形，可能引起車(chē)輪上部向內(nèi)傾側(cè)，導(dǎo)致車(chē)輪聯(lián)接件損壞。所以事先將車(chē)輪校偏一個(gè)外八字角度，這個(gè)角度約在1176。左右[2]。 舵機(jī)的安裝與改進(jìn) 舵機(jī)響應(yīng)速度是整車(chē)過(guò)彎速度的一個(gè)瓶頸。為了加快車(chē)輪轉(zhuǎn)向速度，我們?cè)O(shè)計(jì)并安裝了舵機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。在并非改變舵機(jī)本身結(jié)構(gòu)的條件下，將舵機(jī)豎立起來(lái)，加大兩端的力臂，并使其力臂相等。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，力臂的增大的確大大提高了模型車(chē)的轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)向。舵機(jī)升高之后，直線行駛狀態(tài)下的車(chē)輪定位參數(shù)尤其是前束值會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)需要稍微調(diào)整兩根轉(zhuǎn)向拉桿的長(zhǎng)度，將前束值調(diào)整至合理的范圍內(nèi)。擺臂加長(zhǎng)后，舵機(jī)空程會(huì)明顯，但是差別不大，通過(guò)程序微調(diào)舵機(jī)最大轉(zhuǎn)角能夠休整，所以可以忽略。圖23舵機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)、賽道起始檢測(cè)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(chē)重心的改變會(huì)影響汽車(chē)的動(dòng)力性、制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性、平順性和通用性等重要特性?？紤]到賽車(chē)和賽道的情況，這里只介紹與動(dòng)力性、制動(dòng)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(dòng)軸的軸荷相關(guān)，而驅(qū)動(dòng)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(dòng)輪能夠提供足夠的附著力。模型車(chē)為電機(jī)前后輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)，如果僅從此方面考慮，重心應(yīng)該盡量靠近中心。而汽車(chē)制動(dòng)性要求制動(dòng)減速大、制動(dòng)距離短，有良好的制動(dòng)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(dòng)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(duì)高速汽車(chē)危險(xiǎn)性大；若重心后移，則前輪容易喪失轉(zhuǎn)向能力。對(duì)于智能車(chē)模型來(lái)說(shuō)，前輪喪失轉(zhuǎn)向能力比后軸側(cè)滑更加危險(xiǎn)，故從此方面考慮，重心位置應(yīng)靠近前軸。對(duì)于汽車(chē)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(guò)大。謂不足轉(zhuǎn)向性，是指轉(zhuǎn)向盤(pán)保持一固定轉(zhuǎn)角的情況下，緩慢加速或以不同車(chē)速等速行時(shí)，隨著車(chē)速的增加，車(chē)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(chē)，其半保持不變，具有過(guò)多轉(zhuǎn)向特性的汽車(chē)其轉(zhuǎn)彎半徑越來(lái)越小。汽車(chē)重心靠前則具備不足向性；重心靠后則具備過(guò)多轉(zhuǎn)向特性[3]。 綜合上面的理論可知:重心靠近后軸，對(duì)于模型車(chē)動(dòng)力性能有益；重心靠近前軸，于模型車(chē)的制動(dòng)性和操縱穩(wěn)定性有益?？紤]到智能車(chē)競(jìng)賽對(duì)于智能車(chē)的動(dòng)力性高要求有操縱穩(wěn)定性和制動(dòng)性的要求高，所以可以在安裝電路板、電池位置時(shí)，使型車(chē)的重心位置靠近前軸，從而提高智能車(chē)的整體性能。通過(guò)以上理論分析并結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)，我們將汽車(chē)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(shí)智能車(chē)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(jī)構(gòu)的作用是在賽車(chē)轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，降低后輪與地面之間的滑動(dòng),并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會(huì)損害到電機(jī)。當(dāng)車(chē)輛在正常的過(guò)彎行進(jìn)中 (假設(shè)：無(wú)轉(zhuǎn)向不足亦無(wú)轉(zhuǎn)向過(guò)度)，此時(shí)4個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速(輪速)皆不相同，依序?yàn)椋和鈧?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(chē)配備的是后輪差速機(jī)構(gòu)。差速器的特性是：阻力越大的一側(cè)，驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速越低；而阻力越小的一側(cè)，驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速越高。以此次使用的后輪差速器為例，在過(guò)彎時(shí)，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(pán)間的間隙，過(guò)松過(guò)緊都會(huì)使差速器性能降低，轉(zhuǎn)彎時(shí)阻力小的車(chē)輪會(huì)打滑，從而影響賽車(chē)的過(guò)彎性能。好的差速機(jī)構(gòu)，在電機(jī)不轉(zhuǎn)的情況下，右輪向前轉(zhuǎn)過(guò)的角度與左輪向后轉(zhuǎn)過(guò)的角度之間誤差很小，不會(huì)有遲滯或者過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)情況發(fā)生。 防側(cè)滑理論 汽車(chē)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(chē)輛轉(zhuǎn)向角速度，路面較寬時(shí)危險(xiǎn)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(shí)外側(cè)滑危險(xiǎn)性極大，因?yàn)樗鼤?huì)加大轉(zhuǎn)向角速度，導(dǎo)致越滑越烈，如“抱死”，路面越滑，制動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，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(chē)輛重力的穩(wěn)定力矩時(shí)就會(huì)翻車(chē)。四輪側(cè)滑較少出現(xiàn)[4]。前輪定位參數(shù)、車(chē)速、輪胎氣壓、載荷和驅(qū)動(dòng)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(jī)理的分析，考慮輪胎側(cè)偏特性和模型車(chē)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(cè)量前束處的輪輞直徑，L為模型車(chē)軸距，輪胎接地印跡長(zhǎng)度為前輪外傾角，r為輪胎滾動(dòng)半徑。合理地調(diào)節(jié)這些參數(shù)，是前輪側(cè)滑達(dá)到最小。 由前面的分析可知，后輪側(cè)滑在模型車(chē)的運(yùn)行過(guò)程中危害極大（尤其在過(guò)彎時(shí)），對(duì)模型車(chē)的過(guò)彎速度有很大的影響。經(jīng)過(guò)我們的分析，假設(shè)模型車(chē)勻速過(guò)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(chē)的力F2和垂直于模型車(chē)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(chē)的前滑力，而F3是阻止模型車(chē)側(cè)向滑動(dòng)的力，根據(jù)理論分析，我們認(rèn)為當(dāng)保持模型車(chē)過(guò)彎速度不變時(shí)（即保持向心力不變），減小F2即能增大模型車(chē)的防側(cè)滑力F3，所以我們建立