【正文】 ................................ 21 第 6 章 結論 .......................................................................................................................... 30 致 謝 ...................................................................................................................................... 32 參考文獻 .................................................................................................................................. 33 附 錄 ...................................................................................................................................... 34 第 1 章 引 言 1 第 1 章 引言 飛思卡爾智能車的背景 隨著 現(xiàn)代科技的發(fā)展，汽車的數(shù)量越來越多， 由此 引發(fā)的汽車擁堵、車禍 等 一系列安全問題引起人們的重視。 “飛思卡爾杯 ”智能汽車 是以自動 導航 技術、汽車電子技術為背景，涉及自動控制 、計 算機、 機械 等多個學科 。 整體思路和 總體介紹 本文 分章節(jié)介紹了智能車系統(tǒng) 用于 速度控制的各個模塊，包 括智能車機械結構的設計及 調整 、智能車系統(tǒng)架構 及其 硬件設計、智能車 速度 控制軟件設計方案和系統(tǒng)調試。 第 2 章 車模 系統(tǒng) 機械 設計 2 第 2 章 車模系統(tǒng)機械設計 模型車 的 機械機構 和組裝形式是整個模型車身的基礎，機械結構的好壞對智能車的運行速度有直接的影響 。 差速器的作用就在于允許左右兩邊的驅動輪以不同的轉速運行。 行星齒輪 的 公轉 加自身的自轉 將導致 右側半軸齒輪會在差速器殼體轉速的基礎上增速，因此右側車輪比左側車輪轉得快，從而實現(xiàn)智能車順利通過左彎道。車輪前端向 內傾（ 內八字 ） ，稱為 Toe_in； 車輪前輪向外傾（ 外八字 ） ， 稱為 Toe_out。 [2] Toe 角度的 大小會影響智能車的轉向反應速度和直道行駛的穩(wěn)定性。 前輪 外傾角對智能車的 彎道性能 有直接影響。 在 實際過程中，智能車一般采用正外傾角，主要目 的是 使 承載車輛車輪磨損均勻。調整 外傾角能 改善車模的過彎特性。 左右 。舵機的安裝對智能車行駛 過程的 快速性和靈活性 起著 非常 重要 的作用。轉向 在 智能車的行駛過程中是至關重要的， 連 桿的設計直接關系到智能車的轉向靈敏度。 選取 適當 長度的連接桿，得到了較快的反應速度和足夠大的輸出力矩。智能車 的 速度控制系統(tǒng)的 如圖 31 所示 。 在 設計 PCB 板圖 時，為了減輕 接線 的負擔和簡化 電路調試，將電機驅動模塊電路與主板 分離 開來 。 MC9S12 系列 采用 Motorola 第三代Flash，容量為 32KB 到 512KB，具備在線編程能力以及保密機制，不需要外加編程電壓，典型的 HC12 總線速率為 8MHz，而 MC9S12 內部 總線速率最高可以達到 25MHz，即 40ns 的 最小指令周期。該系列 單片機 具 有很高的集成度 ， 片上 集成 了很多功能模塊，如 串行設備接口、串行通信接口 、 A/D 轉換器、 USB 接口、 CAN、 SPI 和 PWM 等。 Pseudo Stop：通過執(zhí)行 CPU STOP 指令進入該模式。 [4] Wait：通過執(zhí)行 CPU WAI 指令進入該模式。為了減少功耗，所有外設可以分別停止其本地時鐘。 智能車系統(tǒng) 的總的電源 由 大容量 鎳鎘 電池，單片機最小系統(tǒng)、攝像頭以及大多數(shù)芯片都需要 5V 供電， 伺服 電機工作電壓為 5V，驅動電路 需要 12V 電源，電機 直接接 電池供電 ， 智能車電壓調節(jié)電路框架圖如圖 33 所示 。 MC34063 可以 使用 較 少的外接元件構成開關式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。 在振蕩器對外部 定時電容充電過程中， 與門的 C 輸入端為高電平， 并且 在 比較器的輸入電平低于閾值電平時 D 輸入端為高電平 ，此時 C 和 D 輸入端都變成高電平 ，觸發(fā)器被置為高電平，輸出開關管導通 。 實際 設計的 DCDC 升壓電路 如下圖 35 所示， 升壓得到的 12V 電壓 作為電機驅動 電路 的電源 ， 該 升壓電路 采用大電流升壓控制 ， 輸出電流能滿足電機 所需 的電流要求?？紤]到 舵機的堵轉 問題 ， 本 電 路采用 兩片 LM2940 芯片 搭建兩個 5V 穩(wěn)壓電路。因為 在 智能車行駛過程中要改變直流電機的轉速 ， 采用 一個 PWM（ 脈寬調制 ） 方波， 施加 在 直流電 機 上 的 PWM 波 的占空比對應著 智能車 所需的速度， 電機起到 一個低通濾波器的作用，將 PWM 信號 轉換為有效的直流電平。 利用 IR 公司的 MOS 管IRLR783 和 MOS 管驅動芯片 IR2104 搭建了 H 橋驅動電路。 第 3 章 圖像 處理算法研究 14 圖 38 H 橋電機驅動電路 當 Q1 管和 Q4 管 導通時， 電流 就從電源正極經過 Q1 管 從左至右流過電機，再由Q4 流回到電源負極，此時 電機將 順指針轉動。 IR2104 外接 自舉電路，輸出驅動電壓在 10V 到 20V，具有剎車使能功能，能夠較好的保護 ， 并且具有恰當?shù)乃绤^(qū) ，外接電路也較為簡單。 如果 沒有測速模塊，開環(huán)控制電機轉速，會受到很多因素影響 ， 如電機傳動的摩擦力、道路摩擦力、電池電壓、前輪轉向角等 。 本次 采用 的是透射式光電編碼器，其內部是光電對管 加光柵 碼盤構成，結構簡單，穩(wěn)定性高。 圖 310 光電編碼器 內部結構 通過光電 編碼器測量出智能車的車 速，在軟件中編寫速度控制程序，通過改變PWM 波的占空比來調節(jié)車速。 圖 41 控制系統(tǒng) 框架圖 編譯開發(fā) 環(huán)境 CodeWarrior 是完整的用于編程應用 集成開發(fā)環(huán)境。 在整個開發(fā)調試過程中，除匯編語言開發(fā)的方式以外，使用 Metrowerks 公司為 第 4 章 智能車速度 控制 軟件設計 17 MC9S12 系列專門提供的全套開發(fā)工具（ Metrowerks CodeWarrior IDE）。 CodeWarrior IDE 可以自動地檢查代碼中的明顯錯誤，它利用一個集成的調試器和編輯器來掃描代碼，從而找到并減少明顯的錯誤，然后編譯并鏈接程序使計算機能夠理解并執(zhí)行編輯的程序。 經典 PID 控制介紹 在 工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID控制，又稱 PID 調節(jié)。 [7] PID 控制 原理圖如下圖 43 所示 。 在 PID 控制系統(tǒng)中，比例調節(jié)是最簡單的調節(jié) 方式 ，它能夠快速、無滯后的是被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值附近，并且能及時 克服 擾動干擾， 一般 增大比例系數(shù) Kp 可以減小 上升時間，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，并且比例系數(shù) Kp 過大 時會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 但 積分控制 會使 信號產生 90176。 第 4 章 智能車速度 控制 軟件設計 19 由于 計算機 控制 是一種采樣控制， 它 不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量進行連續(xù)控制 ， 而只能根據(jù)采樣時刻的偏差計算控制量， 數(shù)字 PID 控制需要將微分項和積分項進行離散化處理。 增量式 PID 算法 增量式 PID 控制是將控制量的增量 △ u(k)作為 數(shù)字控制器的輸出 ，控制器 的第 k1個 采樣 時刻 的輸出值 由公式 （ 43） 給出 ： ???? )1({)1( keKpku TiT ???10 )(kj je＋ ) ] }2()1([ ??? kekeTTd （ 43） 將 式 （ 42）與 式 （ 43）相減并整理 得 ， 可以 的到增量式 PID 控制器的增量 △ u(k)，△ u(k)由公式（ 44） 給出 ： （ 44） 式中： ?? TiTKpKi 積分系數(shù)； ?? TTdKpKd 微分系數(shù)。 控制器參數(shù)整定 控制器參數(shù)整定 就是 確定 調節(jié)器的比例系數(shù) Kp、積分 時間 Ti 、微分時間 Td 和采樣周 Ts 的具體數(shù)值使 控制器的 特性和過程特性相匹配， 從而 改善系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài) 性能 。 智能車啟動或突然提速時，小車的 實際速度與設定速度偏差很大。 智能車停車或突然加速時，小車的實際速度會比設定速度大很多。 [9] 具體程序 框架圖 如下： 第 4 章 智能車速度 控制 軟件設計 21 圖 46 速度 控制函數(shù) 智能車的轉向 控制 智能車 的舵機 SD5 采用 位置式 PD 控制， 因為舵機 的控制精度高，不同 的 PWM占空比對應舵機的不同轉角 ， 所以采用開環(huán)控制。 第 4 章 智能車速度 控制 軟件設計 22 圖 47 舵機 控制函數(shù) 第 5 章 系統(tǒng) 調試 23 第 5 章 系統(tǒng)調試 整體 性能分析調試 如圖 51 所示上位機 軟件， 在智能車 上配置藍牙， 在 智能車行駛過程中采集車速，利用 9S12XSMAA 單片機將采集到的數(shù)據(jù)由藍牙發(fā)送至上位機上， 在 上位機軟件上顯示 給定 車速 、 實際車速和 控制 電機的 PWM 波 。 實際 速度 的調節(jié)時間 較短 ，控制系統(tǒng)能很快回到 穩(wěn)定 狀態(tài)。 最終試驗得到 最合適 的 PID 參數(shù) ，使得智能車能以 。 圖 54 KP 較小時速度 變化曲線 （ 2） KP=， Ki=， Kd = KP 的 值 適中 時，系統(tǒng)的 響應速度較快 ，超調量較小 ， 穩(wěn)態(tài)誤差較小 ， 能滿足系統(tǒng)要求。 的相角滯后 。 圖 58 Ki 較大時速度 變化曲線 在 KP、 Ki 值不 變 的 情況下，改變 Kd 的大小 。 （ 1） Kd =， KP=， Ki= Kd 較小 時， 系統(tǒng) 的超調量較 大， 瞬時響應較慢， 調節(jié)時間 較長。 在 KP、 Kd 值不變 的 情況下 ，改變 Ki 的大小 Ki 主要 影響速度 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 ， 合適 的Ki 能 夠消除給定速度與實際速度的偏差。利用 小車 與賽道的位置偏差，采用位置式PD 控制算法對舵機轉向進行開環(huán)控制。 在 大量的設計準備中，我自學了 Altium Designer Summer09， 翻閱和借鑒了很多資料設計出各個模塊的原理圖以及 PCB 板 ，在機械結構 方面 優(yōu)化了智能車的車輪定位和舵機調整 。 目前 智能車的車速設計仍然存在很大的不足 ， 例如智能車在過彎道的時候速度較小， 在 復雜道路上還不能穩(wěn)定運行。 中國石油大學（華東）本科畢業(yè)設計 (論文 ) 32 致 謝 本文是在 潘浩 老師細致 認真 的指導 下 完成 的 ， 我 非常 感謝潘浩老師 對我 的指導和幫助 。潘浩 老師淵博的專業(yè)知識 ， 嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，精益求精的工作作風對我影響深遠。 我也 非常感謝與我一起參加本屆智能車大 賽 的其他兩位隊員，通過大家的互相協(xié)作， 遇到問題 時積極交流和討論， 在此向兩位參賽隊員表示誠摯的感謝！感謝飛思卡爾半導體公司，感謝教育部， 自動化專業(yè)教學指導分委會為我們全國高校的學子，提供了一個鍛煉團隊合作和創(chuàng)新能力的競賽平臺。盡我所知，除文中已經特別注明引用的內容和致謝的地方外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。 論文密級： □ 公開 □ 保密 （ ___年 __月至 __年 __月） (保密的學位論文在解密后應遵守此協(xié)議 ) 作 者簽名： _______ 導師簽名： _______ _______年 _____月 _____日 _______年 _____月 _____日 中國石油大學（華東）本科畢業(yè)設計 (論文 ) 37 獨 創(chuàng) 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計 (論文 )，是本人在指導老師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。 作者簽名 : 二〇 一 〇年 九 月 二十 日 畢業(yè)設計（論文）使用授權聲明 本人完全了解 濱州學院 關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定。本次畢業(yè)設計大概持續(xù)了半年，現(xiàn)在終于到結尾了。沒 有他們的幫助，我將無法順利完成這次設計