【正文】 給了一個適當?shù)闹?，會更有利于過彎。圖22 傳感器的安裝 Sensor installation 前輪定位調試中發(fā)現(xiàn)，在賽車過彎時，轉向舵機的負載會因為車輪轉向角度增大而增大。當車輪上下跳動時，車輪平面沒有傾斜，但車距會發(fā)生較大變化，故車輪發(fā)生側向滑移的可能性較大。車體結構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)行機構又是被控對象。通過比賽促進了高等學校素質教育，培養(yǎng)大學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)大學生從事科學研究與探索的興趣和潛能，倡導理論聯(lián)系實際、求真務實的學風和團隊協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。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。德國寶馬公司也提供了不菲的資助，邀請3名獲獎學生到德國寶馬公司研究所訪問，2005年SUNMOON大學的參賽者獲得了這一殊榮。1 概述 智能車國外發(fā)展現(xiàn)狀 韓國大學生智能模型車競賽是韓國漢陽大學汽車控制實驗室在飛思卡爾半導體公司資助下舉辦的以HCS12單片機為核心的大學生課外科技競賽。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、網絡技術、通訊技術的飛速發(fā)展而不斷深入。組委會將提供一個標準的汽車模型、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報告評分較高的參賽隊為獲勝者。美國國防部已經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。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)。 本文的研究內容1）查閱相關文獻，根據(jù)比賽規(guī)則要求，設計制定智能模型車系統(tǒng)方案；2）選擇及設計關鍵器件，并進行相應的標定實驗及功能模塊設計；3）智能模型車系統(tǒng)的整體硬件設計及研究；4）智能模型車系統(tǒng)的整體軟件設計及研究；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)化等調整可以保證車體在機械結構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。本章對相關的一些汽車理論知識進行研究，并就參數(shù)調整對車體性能的影響進行研究。為了盡可能降低轉向舵機負載，對前輪的安裝角度，即前輪定位進行了調整。 主銷內傾 主銷內傾是指主銷裝在前軸，略向內傾斜的角度，它的作用是使前輪自動回正。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生變形，可能引起車輪上部向內傾側，導致車輪聯(lián)接件損壞。為了加快車輪轉向速度，我們設計并安裝了舵機轉向機構。擺臂加長后，舵機空程會明顯，但是差別不大，通過程序微調舵機最大轉角能夠休整，所以可以忽略。 附著力與路面附著系數(shù)和驅動軸的軸荷相關，而驅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動輪能夠提供足夠的附著力。對于智能車模型來說，前輪喪失轉向能力比后軸側滑更加危險，故從此方面考慮，重心位置應靠近前軸。汽車重心靠前則具備不足向性；重心靠后則具備過多轉向特性[3]。 差速調整 差速機構的作用是在賽車轉彎的時候，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。以此次使用的后輪差速器為例，在過彎時，因外側前輪輪胎所遇的阻力較小，輪速便較高；而內側前輪輪胎所遇的阻力較大，輪速便較低。前輪側滑緩解了車輛轉向角速度，路面較寬時危險性不大，其離心力因前輪側滑而減小，所以一般能自行制止、緩解乃至消失?；谇拜唫然瑱C理的分析，考慮輪胎側偏特性和模型車結構參數(shù)的影響，建立前輪前束值與外傾角理論匹配關系： (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。 輪胎影響因素 輪胎對于車輛能夠被很好的操控，是非常重要的。 對于橡膠輪胎來說，摩擦系數(shù)并不是恒定的。當輪胎在壓力下變形，且輪胎接地塊偏離其縱軸運動，這種情況就會發(fā)生。應該注意的是：當輪胎產生少量的橫向滑動(通常在5%到15%之間)時，摩擦系數(shù)達到了最大值。 當橡膠的復合成分(pound)非常軟，而且穩(wěn)定較高、路面也比較平滑的時候 ，粘合力就會占支配地位[4]。這也產生了所謂的“測滑角(Slip Angle)”。這是因為輪胎跟地面接觸的方式其實是非常特別的，其中包含兩個不同的機械作用：變形力和粘合力。 本章小結本章對智能車系統(tǒng)機械結構的設計與調試進行了闡述。 為了使智能車能夠更加快速穩(wěn)定的行駛，S12 單片機必須把對賽道路徑的判斷、轉向舵機的角度控制以及對直流電機的控制緊密的聯(lián)系在一起。 智能車系統(tǒng)整體結構 智能車控制系統(tǒng)以單片機為核心，包括舵機和為小車提供動力的直流電機兩個執(zhí)行機構、安裝在小車前方的尋跡傳感器、安裝在齒輪上的測速傳感器等反饋機構、以及為系統(tǒng)各部分提供電源的電源管理模塊等。HCS12X系列單片機是Freescale 公司于2005年推出的HCS12系列增強型產品，基于S12 CPU內核，可以達到25MHz的HCS12的25倍性能。 MC9S12XS128性能概述 MC9S12XS128作為S12系列的一種，這種單片機的中央處理器CPU12由以下三部分組成：算術邏輯單元ALU、控制單元和寄存器組。它具有很強的高級語言支持功能，內部資源非常豐富，主要有以下部分：時鐘和復位模塊——PLL(鎖相環(huán)模塊)——COP看門狗——時鐘監(jiān)控存儲器——128KB Flash ——2KB EEPROM——8KB RAM16通道A/D轉換模塊 ADC——可選8位、10位、12位精度——具有外部觸發(fā)轉換功能增強型捕捉定時器——16位主計數(shù)器，7位分頻系數(shù)——8個輸入捕捉通道或輸出比較通道——2個8位或1個16位脈沖計數(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——獨立控制各路PWM的周期和占空比——中間對齊和左對齊輸出——頻率范圍寬的可編程時鐘選擇邏輯——緊急時刻快速關閉輸出串行接口——兩個異步串行通信接口模塊SCI——1個IIC總線接口——2個同步串行外設接口SPI——3個1M/S，——背景調試模塊（BDM）——封裝：LQFP112和LQFP80圖32 單片機系統(tǒng) MCU system 單片機系統(tǒng)電路圖如圖32所示，雖然單片機將CPU、ROM、RAM以及IO統(tǒng)統(tǒng)集成在一個集成電路芯片中，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系統(tǒng)提供電源、時鐘、IO驅動、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等稱為儲能電容，儲能電容消除吞吐數(shù)字電路1變0，0變1，即三極管導通、截止時的電流變化；，去掉單片機運行產生的高頻躁聲。在智能模型車控制系統(tǒng)的主板設計中，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，復位的電平寬度變化十分大，造成芯片不動作，或者在強干擾下誤動作。 電源管理模塊 智能車雖以車為主體，但其任何行動完全由其電路控制。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 為了保證各個部件的正常工作，電源的供給是十分重要的，單片機系統(tǒng)、舵機、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到要求，另一種方法是利用雙電源供電的方法來實現(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： 電機驅動模塊 BTS7960的芯片內部為一個半橋。SR引腳外接電阻的大小，可以調節(jié)MOS管導通和關斷的時間，具有防電磁干擾的功能。采用每轉500線的編碼器通過齒輪傳動安裝，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。智能汽車競賽使用路徑導航的交流電流頻率為20KHz，產生的電磁波屬于甚低頻（VLF）電磁波。由于賽道導航電線和小車尺寸l遠遠小于電磁波的波長，電磁場輻射能量很小，所以能夠感應到電磁波的能量非常小。 圖312 直線電流的磁場 Linear Current Magnetic圖313：無限長導線周圍的磁場強度:Infinite field strength around the wire 導線中的電流按照一定規(guī)律變化時，導線周圍的磁場也將發(fā)生變化，這線圈中將感應出一定的電動勢。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的一個量，具體的感應電動勢常量需要實際測定來確定。下面列出了一些測量原理以及相應的傳感器：（1）電磁感應磁場測量方法：電磁線磁場傳感器，磁通門磁場傳感器，磁阻抗磁場傳感器。（5）超導量子干涉（SQUID）磁場測量方法：SQUID薄膜磁敏元件。 通電導線周圍的磁場是一個矢量場，場的分布如上圖所示。在車模前上方水平方向固定兩個相距L的線圈，兩個線圈的軸線為水平，高度為h，如下圖所示：圖314 雙水平線圈檢測方案 Dual horizontal coil detection scheme為了討論方便，我們在跑道上建立如下的坐標系，假設沿著跑道前進的方向為z軸，垂直跑道往上為y軸，在跑道平面內垂直于跑到中心線為x軸。左邊的線圈的坐標為（x,h,z），右邊的線圈的位置(xL,h,z)。 圖315 感應線圈的布置方案Fig. 315 induction coil arrangement scheme假設h=5cm，x（15，+15）cm，計算感應電動勢隨著線圈水平位置x的變化取值，如下圖所示： 圖316 感應電動勢與x的函數(shù) Induced electromotive force as a function of x如果只是用一個線圈，感應電動勢E是位置x的偶函數(shù)。可以使用這個量對于小車轉向進行負反饋控制，從而保證兩個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)的電磁感應線圈，它具有原理簡單、價格便宜、體積小、頻率響應快、電路實現(xiàn)簡單等特點。圖318 電感 Inductance這類電感體積小，Q值高，具有開放的磁芯，可以感應周圍交變的磁場。（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。已知感應電動勢的頻率感應線圈電感為L=10mH，可以計算出諧振電容的容量為： (37)。如雷電、電機、高頻時鐘等都可能成為干擾源。如A/D、D/A變換器、CPU、弱信號放大器等。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、弱信號，數(shù)字、模擬信號相隔離。② 布線時，電源線和地線要盡量粗。 本章小結可靠的硬件電路是所有電子系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行的關鍵，本章在分析的基礎上對智能車系統(tǒng)單片機系統(tǒng)、電源管理模塊、電機驅動模塊、路徑識別模塊、以及速度檢測模塊等部分的硬件電路進行了設計，保證系統(tǒng)的可靠運行。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，因此就要對小車的行駛速度和行駛方向進行控制算法研究，本文采用了PID控制電機速度，PD控制舵機角度。程序整體框架如圖 41所示。側滑現(xiàn)象與幾個因素有關:汽車的速度、轉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的距離就知道彎道的方向，智能車的最遠預測距離約40cm，無法平滑的選擇這樣的路線。彎道上達到約70cm。在長直道行駛時，可將車速提高到最大，在進入彎道時進行適當?shù)臏p速，以防止沖出賽道和發(fā)生側滑，離開彎道時又要及時加速。基本原理是通過比較兩路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行PD控制。而且過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)產生超調，并產生振蕩或使振蕩次數(shù)增多，使調節(jié)時間加長，并使系統(tǒng)穩(wěn)定性變壞或使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。微分控制作用實質上跟偏差變化速率有關。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，以一系列的采樣時刻點來代替連續(xù)時間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。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，誤動作影響小，必要時通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會嚴重影響系統(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用意義。 舵機和電機控制策略 賽道信息智能汽車競賽規(guī)則規(guī)定：跑道寬度不小于450mm，跑道表面為白色