【正文】 參賽車“途銳”取得了冠軍。整個(gè)賽道有急轉(zhuǎn)彎、隧道、路口還有山路，比賽要求參賽車輛能夠自主完成全部路程。在軍事用途方面，早在80年代初期，美國國防部就大規(guī)模資助自主陸地車輛ALV （Autonomous LandVehicle)的研究。 and according to the characteristics of the smart car system, the digital PID algorithm is improved, the proportion parameter method is automatically adjusted, to improve the dynamic characteristics of the system。軟件系統(tǒng)部分主要包括與路徑識(shí)別系統(tǒng)相關(guān)模塊的算法。本智能小車以飛思卡爾公司的16位單片機(jī)MC9S12XS128B為核心控制器，利用CMOS視頻傳感器采集路況信息，配合速度傳感器、電機(jī)、舵機(jī)、電池等組成的電路進(jìn)行信息處理，以達(dá)到路徑識(shí)別的目的，控制模型車高速穩(wěn)定地在跑道上行駛。智能小車系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變且非線性的系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)PID算法的單一的反饋控制會(huì)使系統(tǒng)存在不同程度的超調(diào)和振蕩現(xiàn)象，無法得到理想的控制效果。利用開發(fā)工具CodeWarrior進(jìn)行編程開發(fā)，用BDM進(jìn)行程序下載，利用串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行在線調(diào)試。 at the same time in this paper, the bangbang algorithm bined with PID algorithm, can effectively improve the adaptability and robustness of the smart car, improve the performance of the control system.The hardware includes, fullbridge motor is built with a halfbridge BTS7970B chip drive circuit, using TPS7350 and LM1117 as stabilizing circuit core chip and posed of E6A2CS3C encoder speed software system includes the path recognition module algorithm. This system makes use of the development tools of CodeWarrior programming, to download program with BDM, the online debugging using the serial transmission of data. The system achieves the basic path identification function, in the actual test, the car is good to plete inspection driving task.Key words: smart car control system PID algorithm running on the runway目 錄1 前言 1 課題的目的和意義 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 國外研究現(xiàn)狀 1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 32 智能小車控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4 4 6 8 離散式PID控制方法 8 模糊控制方法 9 賽道記憶方式 93 控制算法仿真與開發(fā)環(huán)境 10 主控芯片MC9S12XS128簡(jiǎn)介 10 最小系統(tǒng)板簡(jiǎn)介 11 功能模塊簡(jiǎn)介 12 開發(fā)軟件簡(jiǎn)介 13 BDM調(diào)試器的使用 13 Hiwave初始化參數(shù)設(shè)置 13 程序下載 15 程序調(diào)試 174 功能模塊的設(shè)計(jì)原理與流程圖 17 路徑識(shí)別模塊 18 PID控制算法介紹 19 位置式PID控制算法 20 增量式PID控制算法 21 PID參數(shù)整定 21 舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制 22 速度的閉環(huán)控制 23 閉環(huán)速度控制 23 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PID控制算法 23 剎車功能的實(shí)現(xiàn) 245 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與速度反饋模塊 25 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案的對(duì)比與選擇 25 MOSFET組成的半橋驅(qū)動(dòng) 25 MOSFET組成的全橋驅(qū)動(dòng) 26 BTS7970B組成的全橋驅(qū)動(dòng) 26 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì) 27 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BT7970B簡(jiǎn)介 27 隔離芯片74LS244B簡(jiǎn)介 28 基于BTS7970B的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 29 速度檢測(cè)模塊方案的對(duì)比與選擇 30 速度檢測(cè)模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì) 31 歐姆龍E6A2編碼盤簡(jiǎn)介 31 編碼盤的安裝和使用方式 326 模塊調(diào)試及開發(fā)軟件的使用與調(diào)試 33 模塊調(diào)試 33 PWM模塊調(diào)試 33 無線模塊調(diào)試 34 總體調(diào)試 35 開發(fā)軟件的使用與調(diào)試 35 開發(fā)軟件的使用 35 調(diào)試過程 357 總結(jié) 36參 考 文 獻(xiàn) 37附 錄 38致 謝 46 畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表I1 前言 課題的目的和意義本課題的是基于全國大學(xué)生飛思卡爾智能車競(jìng)賽的背景，該競(jìng)賽是教育部舉辦的五大賽事之一，其主要目的是加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)。進(jìn)入21世紀(jì)，為促進(jìn)無人駕駛車輛的研發(fā)，美國國防部高級(jí)研究項(xiàng)目局(DARPA) 從2004年起開始舉辦機(jī)器車挑戰(zhàn)大賽(Grand Challenge)。最終斯坦福大學(xué)的“斯坦利”，獲得了第1名。該車通過影像處理尋找道路，周圍景物被處理成3D影像。隨著賽事的逐年開展，將不僅有助于大學(xué)生自主創(chuàng)新能力的提高，對(duì)于高校相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域?qū)W術(shù)水平的提升也有一定幫助，最終將有助于汽車企業(yè)的自主創(chuàng)新，得到企業(yè)的認(rèn)可。德國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，圖3為他們?cè)O(shè)計(jì)的智能車模型（黃開勝，金華民，蔣狄南，2006）。 此次大賽由作為全球最大汽車電子半導(dǎo)體供應(yīng)商的飛思卡爾半導(dǎo)體全程贊助。所以要先對(duì)智能小車的模型和控制算法進(jìn)行正確分析設(shè)計(jì)（張鵬，徐怡，任亞楠，2008）。不論是傳感器部分?jǐn)?shù)據(jù)的錯(cuò)誤采集和識(shí)別，還是轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制的失當(dāng)，都會(huì)造成模型車嚴(yán)重抖動(dòng)甚至偏離賽道；如果直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制效果不好，還會(huì)造成直線路段速度上不去，或彎曲路段入彎速度過快而使智能車沖出賽道等問題（張建強(qiáng)，莊可佳，方程，2009；孫嘉，孫凱，周璐，2010）。該單片機(jī)功能強(qiáng)大，完全能夠勝任小車的檢測(cè)和控制功能。(5)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通過電機(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)。智能車系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的路況和車速的當(dāng)前信息，控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，相應(yīng)地調(diào)整小車的行駛方向和速度；最終的目的是使智能車能快速、穩(wěn)定地按給定的黑色引導(dǎo)線行駛（卓晴，黃開生，邵貝貝，2007）。因此，對(duì)智能車的設(shè)計(jì)，要求具有實(shí)時(shí)路徑檢測(cè)功能和良好的調(diào)速功能。采用加長轉(zhuǎn)臂的舵機(jī)及合理的路徑搜索算法，可以增強(qiáng)智能車對(duì)軌跡的跟隨性能?？刂颇Ｐ蛙嚨霓D(zhuǎn)向和速度，使其能夠跟隨道路的變化來運(yùn)行。在設(shè)計(jì)控制算法時(shí)，要既能滿足跟隨系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)又能滿足恒值調(diào)節(jié)的穩(wěn)定特性。 ()其中：d(l)是模型車與道路中心線的偏移量；k是系數(shù)；A(τ)為舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角；X為前輪轉(zhuǎn)向角度改變量與舵機(jī)輸出角度改變量之比。通過上述分析可知僅僅控制模型車以最快的速度運(yùn)行是不可以的。依靠簡(jiǎn)化的模型，盡量采用軟件方法來解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)潔化，各類功能易于實(shí)現(xiàn)，滿足各項(xiàng)的要求。該算法實(shí)際是一個(gè)非線性控制器，它是根據(jù)偏差，將偏差按比例，積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。積分作用可以消除靜差，但積分器可使動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，這對(duì)于對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常高的小車控制系統(tǒng)來說不適合使用，因此本文沒有使用積分控制，將PID控制簡(jiǎn)化為PD控制。它的控制規(guī)律是以前人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的條件語句表示，容易設(shè)計(jì)掌握，對(duì)于被控對(duì)象的參數(shù)變化有很強(qiáng)的魯棒性。路徑記憶算法的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)于復(fù)雜的S彎道，可以實(shí)現(xiàn)類似CCD探測(cè)頭達(dá)到的效果，選用小的轉(zhuǎn)向角度通過，這樣可以大大縮短時(shí)間。所以最終決定用PID算法，并且本文在PID算法中加入了bangbang算法，使得該算法的魯棒性更好，性能更佳。該軟件是面向以HC12或S12為CPU的單片機(jī)嵌入式應(yīng)用開發(fā)軟件包。HC12核心是16位高速CPU12核，總線速度8MHZ；HCS12系列單片機(jī)以速度更快的CPU12內(nèi)核為核心，簡(jiǎn)稱S12系列，典型的S12總線速度可以達(dá)到25MHZ（清華大學(xué)Freescale MCU/DSP應(yīng)用開發(fā)研究中心，2010）。MC9S12XS128就是S12X系列中的一個(gè)成員。MC9S12XS128的脈寬調(diào)制模塊(PWM)可設(shè)置成4路8位或者2路16位，邏輯時(shí)鐘選擇頻率。 S12 CPU128KB FLASH2個(gè)8路10位ADC增強(qiáng)型8路16位定時(shí)器8位8路/16位4路PWM2個(gè)SCI口3個(gè)SPI口I2CJ1850通信口最多5個(gè)增強(qiáng)型CAN總線接口12KB RAM4KB EEPROM16位鍵盤喚醒IRQ I/O口圖10 MC9S12XS128B單片機(jī)結(jié)構(gòu)組成 最小系統(tǒng)板簡(jiǎn)介以MC9S12XS128芯片為核心的最小系統(tǒng)主要包括以下幾部分：時(shí)鐘電路、BDM接口、供電電路、復(fù)位電路和調(diào)試用LED燈。標(biāo)準(zhǔn)的MC9S12XS128單片機(jī)的時(shí)鐘電路，通過把一個(gè)16HZ的外部晶振接到單片機(jī)的外部晶振輸入接口EXTAL和XTAL上，讓后利用MC9S12XS128內(nèi)部的壓控振蕩器(VCO)和鎖相環(huán)(PLL)把這個(gè)頻率提高到25HZ，使之作為單片機(jī)工作的內(nèi)部總線時(shí)鐘。(3)電源電路HCS12單片機(jī)的芯片內(nèi)部使用3V電壓，而I/O端口和外部供電電壓為5V。通常使用低電壓復(fù)位芯片MC34064，使上電復(fù)位更加可靠。每個(gè)輸出通道都有一個(gè)精確的計(jì)數(shù)器、一個(gè)周期控制寄存器和兩個(gè)可供選擇的時(shí)鐘源。在要求精度不高的情況下，PWM波可以用作D/A轉(zhuǎn)換，最簡(jiǎn)單的方法就是在PWM輸出口加入一個(gè)低通濾波，可以將PWM波轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。PWM信號(hào)的周期大于某一閾值后可驅(qū)動(dòng)舵機(jī)工作，保持周期、調(diào)節(jié)PWM的占空比即可調(diào)節(jié)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在CodeWarrior 軟件中可以使用匯編語言或C 語言，以及兩種語言的混合模式。圖12 程序啟動(dòng)界面(2)安裝BDM for S12(TBDML)的驅(qū)動(dòng)程序。(3)選擇BDM接口標(biāo)準(zhǔn)，如圖14所示，【Component】菜單中【Set Target…】選項(xiàng)。如圖15所示。復(fù)位可以通過選擇TBDML HCS12|Reset菜單命令或者單擊工具欄的快捷圖標(biāo)來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)對(duì)其各窗口功能作簡(jiǎn)單介紹如下。在對(duì)攝像頭的調(diào)試中，能查看所有采集點(diǎn)的對(duì)應(yīng)數(shù)值，從而找出對(duì)應(yīng)的黑線位置。 Command：命令行，具體的命令可以鍵入help查看。系統(tǒng)初始化檢測(cè)道路信息計(jì)算智能車位置智能車速度控制智能車方向控制輸出開始圖19 程序框圖中斷開始 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)采樣濾波是否有效？?jī)?chǔ)存數(shù)據(jù)重置標(biāo)志位恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)中斷返回否是圖20 定時(shí)器采樣中斷 路徑識(shí)別模塊由于本文側(cè)重于直流電機(jī)和舵機(jī)的控制系統(tǒng)，所以對(duì)于路徑識(shí)別模塊就做簡(jiǎn)單的介紹，使用的是CMOS動(dòng)態(tài)攝像頭OV5116。該模塊的功能是準(zhǔn)確的計(jì)算出黑線與小車中心的相對(duì)位置。第二次開始搜索時(shí)，就不全掃描了，在上一行的兩個(gè)基點(diǎn)位置，對(duì)本行的黑線進(jìn)行搜索，往外搜3個(gè)點(diǎn)(搜索范圍越小，抗干擾性越高，但容易丟失，所以搜索范圍要適當(dāng))。PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差。積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。 位置式PID控制算法位置式 PID 中，由于計(jì)算機(jī)輸出的 u (k) 直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如閥門)，u(k)的值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置(如閥門開度)是一一對(duì)應(yīng)的，所以通常稱公式()為位置式 PID 控制算法。 (2)手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。但增量式 PID 也有其不足之處：積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影響大。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)；二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。所以本文對(duì)P參數(shù)進(jìn)行了非線性處理，即非線性PD控制算法，其策略如下：(1) 將積分項(xiàng)系數(shù)置零，相比穩(wěn)定性和精確性，舵機(jī)在這種隨動(dòng)系統(tǒng)中對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的要求更高。（孫同景，2008）由于硬件上安裝了車速傳感