【正文】 給了一個(gè)適當(dāng)?shù)闹担瑫?huì)更有利于過彎。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(shí)，轉(zhuǎn)向舵機(jī)的負(fù)載會(huì)因?yàn)檐囕嗈D(zhuǎn)向角度增大而增大。當(dāng)車輪上下跳動(dòng)時(shí)，車輪平面沒有傾斜，但車距會(huì)發(fā)生較大變化，故車輪發(fā)生側(cè)向滑移的可能性較大。車體結(jié)構(gòu)是硬件中一個(gè)很重要的方面，從控制的角度來說，這部分既是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)又是被控對(duì)象。通過比賽促進(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。每年一屆，已成功舉辦四屆，此項(xiàng)比賽吸引了來自全國(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。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，2005年SUNMOON大學(xué)的參賽者獲得了這一殊榮。1 概述 智能車國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 韓國(guó)大學(xué)生智能模型車競(jìng)賽是韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)汽車控制實(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。從八十年代以來，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。而作為智能車高速系統(tǒng)（Intelligent Vehicle Highway Systems，簡(jiǎn)稱IVHS）的重要一部份，智能車在世界各國(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。組委會(huì)將提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車模型、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，在專門設(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。美國(guó)國(guó)防部已經(jīng)成功舉辦了五屆智能汽車大賽，美國(guó)國(guó)防部希望智能汽車最終能夠用于軍事，以使士兵更加安全。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)。 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）智能模型車系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)及研究；4）智能模型車系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計(jì)及研究；5）開發(fā)智能模型車系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)；6）智能模型車系統(tǒng)的調(diào)試與優(yōu)化。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(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。本章對(duì)相關(guān)的一些汽車?yán)碚撝R(shí)進(jìn)行研究，并就參數(shù)調(diào)整對(duì)車體性能的影響進(jìn)行研究。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。 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。由此，主銷后傾角越大，車速越高，前輪穩(wěn)定性也愈好。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。為了加快車輪轉(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)。擺臂加長(zhǎng)后，舵機(jī)空程會(huì)明顯，但是差別不大，通過程序微調(diào)舵機(jī)最大轉(zhuǎn)角能夠休整，所以可以忽略。 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。對(duì)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(xiǎn)，故從此方面考慮，重心位置應(yīng)靠近前軸。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]。 差速調(diào)整 差速機(jī)構(gòu)的作用是在賽車轉(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)。以此次使用的后輪差速器為例，在過彎時(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。前輪側(cè)滑緩解了車輛轉(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?；谇拜唫?cè)滑機(jī)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(cè)量前束處的輪輞直徑，L為模型車軸距，輪胎接地印跡長(zhǎng)度為前輪外傾角，r為輪胎滾動(dòng)半徑。 輪胎影響因素 輪胎對(duì)于車輛能夠被很好的操控，是非常重要的。 對(duì)于橡膠輪胎來說，摩擦系數(shù)并不是恒定的。當(dāng)輪胎在壓力下變形，且輪胎接地塊偏離其縱軸運(yùn)動(dòng)，這種情況就會(huì)發(fā)生。應(yīng)該注意的是：當(dāng)輪胎產(chǎn)生少量的橫向滑動(dòng)(通常在5%到15%之間)時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到了最大值。 當(dāng)橡膠的復(fù)合成分(pound)非常軟，而且穩(wěn)定較高、路面也比較平滑的時(shí)候 ，粘合力就會(huì)占支配地位[4]。這也產(chǎn)生了所謂的“測(cè)滑角(Slip Angle)”。這是因?yàn)檩喬ジ孛娼佑|的方式其實(shí)是非常特別的，其中包含兩個(gè)不同的機(jī)械作用：變形力和粘合力。 本章小結(jié)本章對(duì)智能車系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與調(diào)試進(jìn)行了闡述。 為了使智能車能夠更加快速穩(wěn)定的行駛，S12 單片機(jī)必須把對(duì)賽道路徑的判斷、轉(zhuǎn)向舵機(jī)的角度控制以及對(duì)直流電機(jī)的控制緊密的聯(lián)系在一起。 智能車系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 智能車控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，包括舵機(jī)和為小車提供動(dòng)力的直流電機(jī)兩個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、安裝在小車前方的尋跡傳感器、安裝在齒輪上的測(cè)速傳感器等反饋機(jī)構(gòu)、以及為系統(tǒng)各部分提供電源的電源管理模塊等。HCS12X系列單片機(jī)是Freescale 公司于2005年推出的HCS12系列增強(qiáng)型產(chǎn)品，基于S12 CPU內(nèi)核，可以達(dá)到25MHz的HCS12的25倍性能。 MC9S12XS128性能概述 MC9S12XS128作為S12系列的一種，這種單片機(jī)的中央處理器CPU12由以下三部分組成：算術(shù)邏輯單元ALU、控制單元和寄存器組。它具有很強(qiáng)的高級(jí)語(yǔ)言支持功能，內(nèi)部資源非常豐富，主要有以下部分：時(shí)鐘和復(fù)位模塊——PLL(鎖相環(huán)模塊)——COP看門狗——時(shí)鐘監(jiān)控存儲(chǔ)器——128KB Flash ——2KB EEPROM——8KB RAM16通道A/D轉(zhuǎn)換模塊 ADC——可選8位、10位、12位精度——具有外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換功能增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器——16位主計(jì)數(shù)器，7位分頻系數(shù)——8個(gè)輸入捕捉通道或輸出比較通道——2個(gè)8位或1個(gè)16位脈沖計(jì)數(shù)器8路PWM通道——可編程周期以及占空比——8位8路/16位4路PWM——獨(dú)立控制各路PWM的周期和占空比——中間對(duì)齊和左對(duì)齊輸出——頻率范圍寬的可編程時(shí)鐘選擇邏輯——緊急時(shí)刻快速關(guān)閉輸出串行接口——兩個(gè)異步串行通信接口模塊SCI——1個(gè)IIC總線接口——2個(gè)同步串行外設(shè)接口SPI——3個(gè)1M/S，——背景調(diào)試模塊（BDM）——封裝：LQFP112和LQFP80圖32 單片機(jī)系統(tǒng) MCU system 單片機(jī)系統(tǒng)電路圖如圖32所示，雖然單片機(jī)將CPU、ROM、RAM以及IO統(tǒng)統(tǒng)集成在一個(gè)集成電路芯片中，但仍需要一些外部電路的支持，這些外圍電路主要為單片機(jī)系統(tǒng)提供電源、時(shí)鐘、IO驅(qū)動(dòng)、通信口等[6]。為了穩(wěn)定這些不同的電壓，需要外接一些電容，這些電容有兩類，電容值比較大的如luF、10uF等稱為儲(chǔ)能電容，儲(chǔ)能電容消除吞吐數(shù)字電路1變0，0變1，即三極管導(dǎo)通、截止時(shí)的電流變化；，去掉單片機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的高頻躁聲。在智能模型車控制系統(tǒng)的主板設(shè)計(jì)中，我們采用并聯(lián)振蕩電路。電容的溫度性比較敏感，在特殊環(huán)境中，復(fù)位的電平寬度變化十分大，造成芯片不動(dòng)作，或者在強(qiáng)干擾下誤動(dòng)作。 電源管理模塊 智能車雖以車為主體，但其任何行動(dòng)完全由其電路控制。電源模塊整體工作框圖如圖36所示：圖36 電源管理模塊框圖 The module of power management 為了保證各個(gè)部件的正常工作，電源的供給是十分重要的，單片機(jī)系統(tǒng)、舵機(jī)、編碼器等電路工作的電壓不同，需要想辦法來使得電壓滿足各自的需求，一種是利用升壓或者降壓的芯片來達(dá)到要求，另一種方法是利用雙電源供電的方法來實(shí)現(xiàn)各模塊的不同需要，由于電路模塊較多，該方案中仍需要升壓或者降壓芯片。其電路如圖37所示： 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 BTS7960的芯片內(nèi)部為一個(gè)半橋。SR引腳外接電阻的大小，可以調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，具有防電磁干擾的功能。采用每轉(zhuǎn)500線的編碼器通過齒輪傳動(dòng)安裝，固定于賽車尾部。圖310 按鍵電路 The circuit of key LCD顯示模塊 顯示與鍵盤模塊主要做調(diào)試用，此模塊配合操作系統(tǒng)能發(fā)揮很大的功能。智能汽車競(jìng)賽使用路徑導(dǎo)航的交流電流頻率為20KHz，產(chǎn)生的電磁波屬于甚低頻（VLF）電磁波。由于賽道導(dǎo)航電線和小車尺寸l遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁波的波長(zhǎng)，電磁場(chǎng)輻射能量很小，所以能夠感應(yīng)到電磁波的能量非常小。 圖312 直線電流的磁場(chǎng) Linear Current Magnetic圖313：無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度:Infinite field strength around the wire 導(dǎo)線中的電流按照一定規(guī)律變化時(shí)，導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)也將發(fā)生變化，這線圈中將感應(yīng)出一定的電動(dòng)勢(shì)。其中常數(shù)k與線圈擺放的方法、線圈面積和一些物理常量有關(guān)的一個(gè)量，具體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)常量需要實(shí)際測(cè)定來確定。下面列出了一些測(cè)量原理以及相應(yīng)的傳感器：（1）電磁感應(yīng)磁場(chǎng)測(cè)量方法：電磁線磁場(chǎng)傳感器，磁通門磁場(chǎng)傳感器，磁阻抗磁場(chǎng)傳感器。（5）超導(dǎo)量子干涉（SQUID）磁場(chǎng)測(cè)量方法：SQUID薄膜磁敏元件。 通電導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)，場(chǎng)的分布如上圖所示。在車模前上方水平方向固定兩個(gè)相距L的線圈，兩個(gè)線圈的軸線為水平，高度為h，如下圖所示：圖314 雙水平線圈檢測(cè)方案 Dual horizontal coil detection scheme為了討論方便，我們?cè)谂艿郎辖⑷缦碌淖鴺?biāo)系，假設(shè)沿著跑道前進(jìn)的方向?yàn)閦軸，垂直跑道往上為y軸，在跑道平面內(nèi)垂直于跑到中心線為x軸。左邊的線圈的坐標(biāo)為（x,h,z），右邊的線圈的位置(xL,h,z)。 圖315 感應(yīng)線圈的布置方案Fig. 315 induction coil arrangement scheme假設(shè)h=5cm，x（15，+15）cm，計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨著線圈水平位置x的變化取值，如下圖所示： 圖316 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與x的函數(shù) Induced electromotive force as a function of x如果只是用一個(gè)線圈，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E是位置x的偶函數(shù)。可以使用這個(gè)量對(duì)于小車轉(zhuǎn)向進(jìn)行負(fù)反饋控制，從而保證兩個(gè)線圈的中心位置跟蹤賽道的中心線。因而我們選取最為傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)線圈，它具有原理簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、體積小、頻率響應(yīng)快、電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。圖318 電感 Inductance這類電感體積小，Q值高，具有開放的磁芯，可以感應(yīng)周圍交變的磁場(chǎng)。（2）噪聲多：一般環(huán)境下，周圍存在著不同來源、不同變化頻率的磁場(chǎng)。已知感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率感應(yīng)線圈電感為L(zhǎng)=10mH，可以計(jì)算出諧振電容的容量為： (37)。如雷電、電機(jī)、高頻時(shí)鐘等都可能成為干擾源。如A/D、D/A變換器、CPU、弱信號(hào)放大器等。2）切斷干擾傳播途徑① 在系統(tǒng)各芯片的電源輸入端增加濾波電路，減少電源噪聲的干擾。強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)相隔離。② 布線時(shí)，電源線和地線要盡量粗。 本章小結(jié)可靠的硬件電路是所有電子系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，本章在分析的基礎(chǔ)上對(duì)智能車系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)、電源管理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、路徑識(shí)別模塊、以及速度檢測(cè)模塊等部分的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。良好的控制才能提高車子的平均速度，增加智能車的穩(wěn)定性，因此就要對(duì)小車的行駛速度和行駛方向進(jìn)行控制算法研究，本文采用了PID控制電機(jī)速度，PD控制舵機(jī)角度。程序整體框架如圖 41所示。側(cè)滑現(xiàn)象與幾個(gè)因素有關(guān):汽車的速度、轉(zhuǎn)彎半徑以及地面的附著力。這種行駛路線要求賽車手在彎道前面很遠(yuǎn)的距離就知道彎道的方向，智能車的最遠(yuǎn)預(yù)測(cè)距離約40cm，無(wú)法平滑的選擇這樣的路線。彎道上達(dá)到約70cm。在長(zhǎng)直道行駛時(shí)，可將車速提高到最大，在進(jìn)入彎道時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p速，以防止沖出賽道和發(fā)生側(cè)滑，離開彎道時(shí)又要及時(shí)加速?；驹硎峭ㄟ^比較兩路A/D采集傳感器電壓大小，可以得知傳感器與賽道通電漆包線中心線之間的位置，通過傳感器采集到的賽車與賽道中心線的幾何偏移量，利用前后幾次偏移量之差進(jìn)行PD控制。而且過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩或使振蕩次數(shù)增多，使調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)，并使系統(tǒng)穩(wěn)定性變壞或使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。微分控制作用實(shí)質(zhì)上跟偏差變化速率有關(guān)。也可寫作： (43)式中， 、 、 分別稱為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。因此，必須把式(42)變換成差分方程，以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)來代替連續(xù)時(shí)間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換： (45) (46)式中，T為采樣周期，k為采樣序號(hào)。2）增量型算法得出的是控制量的增量，例如閥門控制中，只輸出閥門開度的變化部分，誤動(dòng)作影響小，必要時(shí)通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作，而位置型算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動(dòng)作影響大。所以，探求一種精確的整定方法有著重要的理論意義和工程應(yīng)用意義。 舵機(jī)和電機(jī)控制策略 賽道信息智能汽車競(jìng)賽規(guī)則規(guī)定：跑道寬度不小于450mm，跑道表面為白色