【正文】 基于“弦切法”的賽車(chē)控制算法研究畢業(yè)論文第一章 前言教育部為了加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，在已舉辦全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模、電子設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等4大競(jìng)賽的基礎(chǔ)上，經(jīng)研究決定，委托教育部高等學(xué)校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦每年一度的全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽（教高司函［2005］201號(hào)文）[1]。該項(xiàng)賽事與其它四項(xiàng)賽事一樣，旨在培養(yǎng)與提高當(dāng)代大學(xué)生的動(dòng)手力、創(chuàng)新能力、自學(xué)能力、理論應(yīng)用于實(shí)際的能力等，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。但是與其它賽事有很大的區(qū)別，它不僅是面向某個(gè)方向，如機(jī)械設(shè)計(jì)大賽面向的是機(jī)械設(shè)計(jì)方面，電子設(shè)計(jì)大賽面向的是電子原器件運(yùn)用、電路設(shè)計(jì)方面，而這項(xiàng)賽事的綜合性很強(qiáng)，基本囊括了上述四項(xiàng)大賽的內(nèi)容，涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感、電子、電氣、計(jì)算機(jī)和機(jī)械等多個(gè)學(xué)科，這對(duì)進(jìn)一步深化高等工程教育改革，培養(yǎng)本科生獲取知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)的能力及創(chuàng)新意識(shí)具有重大的意義。 設(shè)計(jì)背景智能車(chē)（Intelligent Car）是電子計(jì)算機(jī)等最新科技成果與現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)相結(jié)合的產(chǎn)物，因而“善解人意”。通常具有自動(dòng)駕駛、自動(dòng)變速，甚至具有自動(dòng)識(shí)別道路的功能。另外，智能車(chē)內(nèi)的各種輔助設(shè)施也一應(yīng)電腦化，常常給人以新奇感 [2] 。在科技引領(lǐng)時(shí)代的今天，以車(chē)代步是人類(lèi)適應(yīng)快速生活的必然結(jié)果。然而美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局評(píng)估，在2000年的過(guò)六百萬(wàn)交通事故報(bào)告中，有20%至30%是因?yàn)樗緳C(jī)的錯(cuò)誤或疏忽而導(dǎo)致的。怎樣減少司機(jī)的錯(cuò)誤是避免交通事故的關(guān)鍵所在。但是這些人為的錯(cuò)誤或疏忽是不可避免的，為了在司機(jī)犯下錯(cuò)誤之前得以糾正或者干脆將人從駕駛這項(xiàng)重復(fù)而乏味的勞動(dòng)中解脫出來(lái)，取之以人工智能設(shè)備是人們正在努力并已經(jīng)取得了很大成果的嘗試。在科技日新月異的當(dāng)今，傳感技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，檢測(cè)越來(lái)越可靠、精確、實(shí)時(shí)，再借助以信息網(wǎng)絡(luò)的共享和計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算能力，復(fù)雜的算法分析、推理使得“智能車(chē)”更能、更全面的輔助人們的駕駛，甚至在不久的將來(lái)人們完全沒(méi)有必要參與駕駛。 智能車(chē)輛發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)及應(yīng)用智能車(chē)輛，是一個(gè)集外界環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代傳感、信息融合、通訊、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)制動(dòng)、自動(dòng)保持安全距離、車(chē)速和巡航控制等功能。智能車(chē)輛致力于提高汽車(chē)的安全性、舒適性和提供優(yōu)良的人車(chē)交互界面，是目前各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的智能交通系統(tǒng)中一個(gè)重要組成部分，也是世界車(chē)輛工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和汽車(chē)工業(yè)增長(zhǎng)的新動(dòng)力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能、電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，智能車(chē)輛技術(shù)有了實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)。目前智能車(chē)輛技術(shù)在轎車(chē)和重型汽車(chē)上主要應(yīng)用于碰撞預(yù)警系統(tǒng)、防撞及輔助駕駛系統(tǒng)、智能速度適應(yīng)、自動(dòng)操作等，其在軍事上的應(yīng)用更加廣泛和重要。車(chē)輛智能化是汽車(chē)工業(yè)今后的發(fā)展趨勢(shì)，也是人們對(duì)安全性要求越來(lái)越高未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展方向。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)為代表的高新技術(shù)的發(fā)展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊控制技術(shù)、神經(jīng)模糊技術(shù)、虛擬實(shí)現(xiàn)等新技術(shù)的出現(xiàn)，智能車(chē)輛技術(shù)的研究將會(huì)有突破性的進(jìn)展。智能車(chē)輛系統(tǒng)的實(shí)用化是是智能車(chē)輛發(fā)展的前進(jìn)方向，適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好的智能車(chē)輛將是研究的重點(diǎn)。 設(shè)計(jì)任務(wù)及內(nèi)容安排 根據(jù)第六界屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能車(chē)競(jìng)賽的規(guī)則，小車(chē)是在未知的賽道上行駛，在不違反大賽規(guī)則的前提下以及不沖出跑道的同時(shí)在最短的時(shí)間內(nèi)完成比賽的參賽隊(duì)勝出。 參考賽道 該技術(shù)報(bào)告詳細(xì)介紹了小車(chē)的軟硬件的設(shè)計(jì)、控制策略的研究、調(diào)試過(guò)程及其結(jié)論。第一章為前言，敘述關(guān)于課題來(lái)源，智能車(chē)發(fā)展現(xiàn)、趨勢(shì)及應(yīng)用；第二章講述了智能車(chē)的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；第三章主要是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)；第四章主要介紹系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)；第五章圖像采集與處理，簡(jiǎn)略介紹攝像頭的選取，圖像的采集及處理方法；第六章控制策略，詳細(xì)介紹了PID控制、速度模糊控制思路及方法，提出了自己的控制方法“弦切法”，該方法有效地解決了區(qū)分出跑道上的小“S”、大“S”、深“S”；第七章調(diào)試軟件，介紹了調(diào)試過(guò)程及結(jié)果。 第二章 智能車(chē)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案智能車(chē)競(jìng)賽規(guī)則規(guī)定，智能車(chē)系統(tǒng)采用飛思卡爾的16位微控制器MC9S12xs128單片機(jī)作為核心控制單元用于智能車(chē)系統(tǒng)的控制。在選定智能車(chē)系統(tǒng)采用CCD方案后，賽車(chē)的位置信號(hào)CCD傳感器采集，經(jīng)S12 MCU的I/O口處理后，用于賽車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制決策，同時(shí)內(nèi)部ECT模塊發(fā)出PWM波，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)對(duì)智能車(chē)進(jìn)行加速和減速控制，以及舵機(jī)對(duì)賽車(chē)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，使賽車(chē)在賽道上能夠自主行駛，并以最短的時(shí)間最快的速度跑完全程。為了對(duì)賽車(chē)的速度進(jìn)行精確的控制，在智能車(chē)后軸上安裝光電編碼器，采集車(chē)輪轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)，經(jīng)MCU捕獲后進(jìn)行PID自動(dòng)控制，完成智能車(chē)速度的閉環(huán)控制。此外，還增加了撥碼開(kāi)關(guān)作為輸入設(shè)備，用于智能車(chē)在不同賽道元素的速度選取。 總體設(shè)計(jì)要求與原則 智能車(chē)功能設(shè)計(jì)要求1．路徑識(shí)別在智能車(chē)的制作過(guò)程中，關(guān)鍵的問(wèn)題就是探尋黑線(xiàn)，識(shí)別正確的路徑。探尋黑線(xiàn)的準(zhǔn)確與否將直接影響小車(chē)行進(jìn)的穩(wěn)定效果。2．方向控制根據(jù)攝像頭對(duì)黑白灰度值不同的分辨率采集賽道的黑色引導(dǎo)線(xiàn)信息，根據(jù)得到的每幀圖像信息，判斷小車(chē)偏離黑線(xiàn)的程度，并確定前方賽道是直道、彎道、抑或是S道，反饋給控制器通過(guò)舵機(jī)動(dòng)作控制方向。3．速度控制判斷出賽道信息后，根據(jù)不同的賽道，予以相應(yīng)的控制策略，基于“進(jìn)彎減速，出彎加速”的原則，并且以直線(xiàn)方式?jīng)_過(guò)S道以減少轉(zhuǎn)彎浪費(fèi)的時(shí)間，利用攝像頭得到的信息預(yù)測(cè)方向，使小車(chē)能夠提前準(zhǔn)備轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。分析攝像頭獲得的圖像信息后，利用PID算法實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)反饋控制。4．狀態(tài)檢測(cè)在智能車(chē)調(diào)教過(guò)程中需要時(shí)刻監(jiān)控車(chē)子的狀態(tài)，采用無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊對(duì)智能車(chē)行駛的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇C機(jī)，用于分析。 智能車(chē)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則1．重心盡可能低實(shí)踐證明，重心控制的好的賽車(chē)在高速過(guò)彎時(shí)，不容易由于重心過(guò)高而側(cè)翻。2．能耗盡可能小不能將能量消耗在電阻、導(dǎo)線(xiàn)等環(huán)節(jié)上，這樣不能滿(mǎn)足電池供電系統(tǒng)低功耗的要求，而且影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，動(dòng)態(tài)抗干擾能力較差。3．驅(qū)動(dòng)盡可能大強(qiáng)勁的動(dòng)力是高速的保證，這里的動(dòng)力包括了瞬間的加減速性能與持續(xù)的輸出能力，能夠保證長(zhǎng)時(shí)間大電流輸出的情況下系統(tǒng)穩(wěn)定工作。4．結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)一定程度上降低了智能車(chē)機(jī)械調(diào)整的難度，而且可以減輕重量，給智能車(chē)高速前進(jìn)創(chuàng)造條件。智能車(chē)的硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，只有在系統(tǒng)硬件可行、穩(wěn)定、可靠的前提下，其它控制方案、軟件設(shè)計(jì)才得以繼續(xù)，所以這部分對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)十分重要。它主要包括單片機(jī)（主控）、CCD攝像頭（圖像采集）、旋轉(zhuǎn)編碼器（速度檢測(cè)）、SD卡（大量數(shù)據(jù)保存）、無(wú)線(xiàn)抄表（數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)收發(fā)）、直流電機(jī)（速度控制）、舵機(jī)（方向控制）、電源（5V/6v/7v/）、車(chē)模、驅(qū)動(dòng)芯片MC3388MOSFET管等組成。：圖2. 1 智能車(chē)整體框圖 MC9S12xs128單片機(jī)資源使用。PWM模塊PWM1舵機(jī)PWM3,PWM5電機(jī)ECT模塊PT7速度傳感器PT4PT7撥碼開(kāi)關(guān)外部中斷IRQ行同步串口通訊RXD0串口接收TXD0串口發(fā)送無(wú)線(xiàn)通訊模塊RXD1無(wú)線(xiàn)接收TXD1無(wú)線(xiàn)發(fā)送IO口PM6視頻選通信號(hào)PA0奇偶信號(hào)第三章 硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)智能車(chē)需要設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：電源部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、測(cè)速部分、舵機(jī)部分、圖像采集與處理部分、人機(jī)交互部分。此次設(shè)計(jì)具體需要設(shè)計(jì)的電源電路及實(shí)現(xiàn)方案如下圖： 電源設(shè)計(jì)及具體供電模塊 5V電源本設(shè)計(jì)采用LM2940將電池電壓穩(wěn)壓到5V ，LM2940具有外圍電路簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換效率高，波形穩(wěn)定等特點(diǎn)[8]。主要為單片機(jī)、SD卡、測(cè)速模塊、PCB板上芯片、無(wú)線(xiàn)通訊模塊等供電。圖3. 2 5V穩(wěn)壓電源原理圖 6V電源6V電源主要為舵機(jī)供電，采用摩托拉羅公司的低壓降，能夠線(xiàn)性調(diào)整輸出的LM1117芯片制作可調(diào)電源[9]。 6V穩(wěn)壓電路原理圖 CCD升壓供電電路CCD攝像頭需要12V的工作電壓。，MC34063A是單片雙極型線(xiàn)性集成電路，專(zhuān)用于直流――直流變換器控制部分，一個(gè)占空比周期控制振蕩器，驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開(kāi)關(guān) 。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開(kāi)關(guān)式升壓變換器，降壓式變換器和電源反向器。根據(jù)廠商提供的內(nèi)部原理圖和外圍器件參數(shù)計(jì)算公式（計(jì)算方式見(jiàn)附件），設(shè)計(jì)MC34063A外圍電路[10]。 MC34063內(nèi)部原理圖經(jīng)過(guò)計(jì)算(見(jiàn)附錄5)。圖3. 4 DCDC升壓電路圖競(jìng)速比賽的智能車(chē)最關(guān)鍵的就是要有強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)力。這個(gè)“驅(qū)動(dòng)力”不光包括通常所說(shuō)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)還包括一個(gè)強(qiáng)勁的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。由于比賽規(guī)則嚴(yán)禁改動(dòng)更換驅(qū)動(dòng)電機(jī)，故賽車(chē)動(dòng)力的強(qiáng)勁與否便直接與驅(qū)動(dòng)電路性能畫(huà)上了等號(hào)。優(yōu)秀的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，不但要能為賽車(chē)提供強(qiáng)大的動(dòng)力——這里的動(dòng)力包括了瞬間的加減速性能與持續(xù)的輸出能力，同時(shí)自身的功耗要小，能夠保證長(zhǎng)時(shí)間大電流輸出的情況下減少升溫且要穩(wěn)定持續(xù)工作。對(duì)于PWM調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，主要有以下性能指標(biāo)：：它決定著電路能驅(qū)動(dòng)多大功率的電機(jī)。：高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會(huì)減少驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通（H橋或推挽電路可能出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題，即兩個(gè)功率器件同時(shí)導(dǎo)通使電源短路）入手。：功率電路對(duì)其輸入端應(yīng)有良好的信號(hào)隔離，防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔離。：共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染；大的電流可能導(dǎo)致地線(xiàn)電位浮動(dòng)。：電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該盡可能做到，無(wú)論加上何種控制信號(hào)，何種無(wú)源負(fù)載，電路都是安全的。結(jié)合以上，在實(shí)際制作過(guò)程中，主要采用了以下兩種方案：方案一 ：采用MC33886級(jí)聯(lián)組成驅(qū)動(dòng)電路該驅(qū)動(dòng)芯片MC33886特性如下：工作電壓：540V導(dǎo)通電阻： 120毫歐姆輸入信號(hào)：TTL/CMOSPWM頻率： 10KHz短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等； MC33886芯片及引腳圖。圖3. 6 兩片MC3386級(jí)聯(lián)第一次采用的驅(qū)動(dòng)方案是通過(guò)兩片并聯(lián)MC33886芯片來(lái)增強(qiáng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能。但是這樣做往往由于電路設(shè)計(jì)的不合理，導(dǎo)致流過(guò)多片33886的電流不平均，出現(xiàn)“一片發(fā)燙，一片冰涼”的現(xiàn)象，進(jìn)而影響整體的驅(qū)動(dòng)性能。 方案二：采用MOSFET搭建H橋電路鑒于MC33886輸出電流有限，不能提供較為強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)力，我們專(zhuān)門(mén)獨(dú)立設(shè)計(jì)了采用MOSFET搭建的采用H橋驅(qū)動(dòng)電路。最終選用了一款最大工作電流 16A ，采用TO200封裝的 MOS 管來(lái)搭建 H 橋驅(qū)動(dòng)。雖然16A的電流較其他一些50A甚至100A的大型貼片/直插MOS在功率上遜色了一些，但是仍大大超過(guò)的MC33886的5A的最大工作電流，并且也能滿(mǎn)足賽車(chē)需要，關(guān)鍵是在保證驅(qū)動(dòng)能力的情況下，重量體積大大減小。同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊采用了貼片化，布線(xiàn)密集化，電路板大面積覆銅覆錫等手段，最終保證了驅(qū)動(dòng)模塊在正常運(yùn)行情況下H 橋不會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象（比賽正常情況下賽車(chē)的運(yùn)行時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)）；在加減速性能得到提升的同時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)劇烈加減速導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位現(xiàn)象，基本達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。MOS管驅(qū)動(dòng)器采TD340。TD340芯片是N溝道功率MOS管驅(qū)動(dòng)器，適合于直流電機(jī)控制。該器件內(nèi)集成有可驅(qū)動(dòng)N溝道高邊功率MOS管的電荷泵和內(nèi)部PWM發(fā)生器，可進(jìn)行速度和方向控制而且功耗很低，同時(shí)具有過(guò)壓（20V）欠壓（）保護(hù)功能，以及反向電源有源保護(hù)功能。TD340內(nèi)含可調(diào)的頻率開(kāi)關(guān)（025Khz）及待機(jī)模式，且集成有看門(mén)狗和復(fù)位電路。除此之外，TD340芯片還具有H橋直流電機(jī)部分和微控制器之間的必要接口，直流電機(jī)的速度和方向可由外界輸入的信號(hào)給定[11]。、。信號(hào)輸入H橋功率放大電路直流電機(jī)負(fù)載TD340圖3. 7 直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)框圖 由TD340和MOS管組成的H橋驅(qū)動(dòng)電路,它的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快，通路電阻低和電壓門(mén)信號(hào)低，適合于大電流和低電壓運(yùn)行，TD340用于構(gòu)成PWM發(fā)生器，功率放大電路是由4個(gè)MOSFET管組成的H橋電路。電阻R1R4用于控制MOS門(mén)的升降時(shí)間，也有利于避免門(mén)電壓的震蕩，門(mén)電壓的震蕩通常與門(mén)電容處的連接線(xiàn)的平行電感所引起的。R1R4的值通常為10100歐，電容C6用于存儲(chǔ)能量并對(duì)通過(guò)電橋的電壓進(jìn)行濾波，在電壓上升和下降期間，為了保證系統(tǒng)的可靠性，可在兩個(gè)低端MOS管的門(mén)級(jí)各接一個(gè)下拉電阻以確保電橋保持關(guān)斷。采用Td340和兩片MC33886驅(qū)動(dòng)能力比較,。表 用MC33886和MOS管驅(qū)動(dòng)電路比較方案加速減速混合穩(wěn)定效率33886*2一般一般一般很好低Mos較好好好較差高M(jìn)OS管數(shù)據(jù)測(cè)試全在高速下，但在速度較低情況下，加速性能并不是很明顯，這次MOS管驅(qū)動(dòng)電路只是個(gè)嘗試，和正式競(jìng)速成績(jī)好的隊(duì)伍比較，還是有一定缺陷，而且驅(qū)動(dòng)電路采用分立元件，穩(wěn)定性較差，且重量較重。以后設(shè)計(jì)中可以考慮采用集成的MOS管，采用多片加速和多片制動(dòng)的混合策略。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，對(duì)兩種驅(qū)動(dòng)方案無(wú)法進(jìn)行定量比較，只能通過(guò)實(shí)際智能車(chē)行駛效果作出定性比較。綜合考慮比較結(jié)果，本設(shè)計(jì)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由信號(hào)輸入電路、TD340和H橋電路組成。為了使得賽車(chē)能夠平穩(wěn)地沿著賽道運(yùn)行，需要控制車(chē)速，使賽車(chē)在急轉(zhuǎn)彎時(shí)速度不至過(guò)快而沖出賽道。通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的平均電壓可以控制車(chē)速，但是如果開(kāi)環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，會(huì)受很多因素影響，例如電池電壓、電機(jī)傳動(dòng)摩擦力、道路摩擦力和前輪轉(zhuǎn)向角度等。這些因素會(huì)造成賽車(chē)運(yùn)行不穩(wěn)定。通過(guò)速度檢測(cè)，對(duì)車(chē)模速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，即可消除上述各種因素的影響，使得車(chē)模運(yùn)行得更穩(wěn)定。車(chē)速檢測(cè)初次主要由紅外對(duì)管電路和后輪齒輪做編碼盤(pán)組成。紅外對(duì)管之間的紅外光束被編碼盤(pán)擋住時(shí)接收管截止，與接收管串聯(lián)的電阻電壓為邏