【正文】 ................................ 21 第 6 章 結(jié)論 .......................................................................................................................... 30 致 謝 ...................................................................................................................................... 32 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 33 附 錄 ...................................................................................................................................... 34 第 1 章 引 言 1 第 1 章 引言 飛思卡爾智能車(chē)的背景 隨著 現(xiàn)代科技的發(fā)展，汽車(chē)的數(shù)量越來(lái)越多， 由此 引發(fā)的汽車(chē)擁堵、車(chē)禍 等 一系列安全問(wèn)題引起人們的重視。 “飛思卡爾杯 ”智能汽車(chē) 是以自動(dòng) 導(dǎo)航 技術(shù)、汽車(chē)電子技術(shù)為背景，涉及自動(dòng)控制 、計(jì) 算機(jī)、 機(jī)械 等多個(gè)學(xué)科 。 整體思路和 總體介紹 本文 分章節(jié)介紹了智能車(chē)系統(tǒng) 用于 速度控制的各個(gè)模塊，包 括智能車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及 調(diào)整 、智能車(chē)系統(tǒng)架構(gòu) 及其 硬件設(shè)計(jì)、智能車(chē) 速度 控制軟件設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)調(diào)試。 第 2 章 車(chē)模 系統(tǒng) 機(jī)械 設(shè)計(jì) 2 第 2 章 車(chē)模系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì) 模型車(chē) 的 機(jī)械機(jī)構(gòu) 和組裝形式是整個(gè)模型車(chē)身的基礎(chǔ)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的好壞對(duì)智能車(chē)的運(yùn)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(qū)動(dòng)輪以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。 行星齒輪 的 公轉(zhuǎn) 加自身的自轉(zhuǎn) 將導(dǎo)致 右側(cè)半軸齒輪會(huì)在差速器殼體轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上增速，因此右側(cè)車(chē)輪比左側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)得快，從而實(shí)現(xiàn)智能車(chē)順利通過(guò)左彎道。車(chē)輪前端向 內(nèi)傾（ 內(nèi)八字 ） ，稱(chēng)為 Toe_in； 車(chē)輪前輪向外傾（ 外八字 ） ， 稱(chēng)為 Toe_out。 [2] Toe 角度的 大小會(huì)影響智能車(chē)的轉(zhuǎn)向反應(yīng)速度和直道行駛的穩(wěn)定性。 前輪 外傾角對(duì)智能車(chē)的 彎道性能 有直接影響。 在 實(shí)際過(guò)程中，智能車(chē)一般采用正外傾角，主要目 的是 使 承載車(chē)輛車(chē)輪磨損均勻。調(diào)整 外傾角能 改善車(chē)模的過(guò)彎特性。 左右 。舵機(jī)的安裝對(duì)智能車(chē)行駛 過(guò)程的 快速性和靈活性 起著 非常 重要 的作用。轉(zhuǎn)向 在 智能車(chē)的行駛過(guò)程中是至關(guān)重要的， 連 桿的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到智能車(chē)的轉(zhuǎn)向靈敏度。 選取 適當(dāng) 長(zhǎng)度的連接桿，得到了較快的反應(yīng)速度和足夠大的輸出力矩。智能車(chē) 的 速度控制系統(tǒng)的 如圖 31 所示 。 在 設(shè)計(jì) PCB 板圖 時(shí)，為了減輕 接線 的負(fù)擔(dān)和簡(jiǎn)化 電路調(diào)試，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路與主板 分離 開(kāi)來(lái) 。 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(jī)制，不需要外加編程電壓，典型的 HC12 總線速率為 8MHz，而 MC9S12 內(nèi)部 總線速率最高可以達(dá)到 25MHz，即 40ns 的 最小指令周期。該系列 單片機(jī) 具 有很高的集成度 ， 片上 集成 了很多功能模塊，如 串行設(shè)備接口、串行通信接口 、 A/D 轉(zhuǎn)換器、 USB 接口、 CAN、 SPI 和 PWM 等。 Pseudo Stop：通過(guò)執(zhí)行 CPU STOP 指令進(jìn)入該模式。 [4] Wait：通過(guò)執(zhí)行 CPU WAI 指令進(jìn)入該模式。為了減少功耗，所有外設(shè)可以分別停止其本地時(shí)鐘。 智能車(chē)系統(tǒng) 的總的電源 由 大容量 鎳鎘 電池，單片機(jī)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(jī)工作電壓為 5V，驅(qū)動(dòng)電路 需要 12V 電源，電機(jī) 直接接 電池供電 ， 智能車(chē)電壓調(diào)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(gòu)成開(kāi)關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。 在振蕩器對(duì)外部 定時(shí)電容充電過(guò)程中， 與門(mén)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(shí) D 輸入端為高電平 ，此時(shí) 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(kāi)關(guān)管導(dǎo)通 。 實(shí)際 設(shè)計(jì)的 DCDC 升壓電路 如下圖 35 所示， 升壓得到的 12V 電壓 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng) 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(jī) 所需 的電流要求?？紤]到 舵機(jī)的堵轉(zhuǎn) 問(wèn)題 ， 本 電 路采用 兩片 LM2940 芯片 搭建兩個(gè) 5V 穩(wěn)壓電路。因?yàn)?在 智能車(chē)行駛過(guò)程中要改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ， 采用 一個(gè) PWM（ 脈寬調(diào)制 ） 方波， 施加 在 直流電 機(jī) 上 的 PWM 波 的占空比對(duì)應(yīng)著 智能車(chē) 所需的速度， 電機(jī)起到 一個(gè)低通濾波器的作用，將 PWM 信號(hào) 轉(zhuǎn)換為有效的直流電平。 利用 IR 公司的 MOS 管IRLR783 和 MOS 管驅(qū)動(dòng)芯片 IR2104 搭建了 H 橋驅(qū)動(dòng)電路。 第 3 章 圖像 處理算法研究 14 圖 38 H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 當(dāng) Q1 管和 Q4 管 導(dǎo)通時(shí)， 電流 就從電源正極經(jīng)過(guò) Q1 管 從左至右流過(guò)電機(jī)，再由Q4 流回到電源負(fù)極，此時(shí) 電機(jī)將 順指針轉(zhuǎn)動(dòng)。 IR2104 外接 自舉電路，輸出驅(qū)動(dòng)電壓在 10V 到 20V，具有剎車(chē)使能功能，能夠較好的保護(hù) ， 并且具有恰當(dāng)?shù)乃绤^(qū) ，外接電路也較為簡(jiǎn)單。 如果 沒(méi)有測(cè)速模塊，開(kāi)環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，會(huì)受到很多因素影響 ， 如電機(jī)傳動(dòng)的摩擦力、道路摩擦力、電池電壓、前輪轉(zhuǎn)向角等 。 本次 采用 的是透射式光電編碼器，其內(nèi)部是光電對(duì)管 加光柵 碼盤(pán)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高。 圖 310 光電編碼器 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 通過(guò)光電 編碼器測(cè)量出智能車(chē)的車(chē) 速，在軟件中編寫(xiě)速度控制程序，通過(guò)改變PWM 波的占空比來(lái)調(diào)節(jié)車(chē)速。 圖 41 控制系統(tǒng) 框架圖 編譯開(kāi)發(fā) 環(huán)境 CodeWarrior 是完整的用于編程應(yīng)用 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。 在整個(gè)開(kāi)發(fā)調(diào)試過(guò)程中，除匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的方式以外，使用 Metrowerks 公司為 第 4 章 智能車(chē)速度 控制 軟件設(shè)計(jì) 17 MC9S12 系列專(zhuān)門(mén)提供的全套開(kāi)發(fā)工具（ Metrowerks CodeWarrior IDE）。 CodeWarrior IDE 可以自動(dòng)地檢查代碼中的明顯錯(cuò)誤，它利用一個(gè)集成的調(diào)試器和編輯器來(lái)掃描代碼，從而找到并減少明顯的錯(cuò)誤，然后編譯并鏈接程序使計(jì)算機(jī)能夠理解并執(zhí)行編輯的程序。 經(jīng)典 PID 控制介紹 在 工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng) PID控制，又稱(chēng) PID 調(diào)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(diào)節(jié)是最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié) 方式 ，它能夠快速、無(wú)滯后的是被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值附近，并且能及時(shí) 克服 擾動(dòng)干擾， 一般 增大比例系數(shù) Kp 可以減小 上升時(shí)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(guò)大 時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 但 積分控制 會(huì)使 信號(hào)產(chǎn)生 90176。 第 4 章 智能車(chē)速度 控制 軟件設(shè)計(jì) 19 由于 計(jì)算機(jī) 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(jìn)行連續(xù)控制 ， 而只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差計(jì)算控制量， 數(shù)字 PID 控制需要將微分項(xiàng)和積分項(xiàng)進(jìn)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(gè) 采樣 時(shí)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(diào)節(jié)器的比例系數(shù) Kp、積分 時(shí)間 Ti 、微分時(shí)間 Td 和采樣周 Ts 的具體數(shù)值使 控制器的 特性和過(guò)程特性相匹配， 從而 改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài) 性能 。 智能車(chē)啟動(dòng)或突然提速時(shí)，小車(chē)的 實(shí)際速度與設(shè)定速度偏差很大。 智能車(chē)停車(chē)或突然加速時(shí)，小車(chē)的實(shí)際速度會(huì)比設(shè)定速度大很多。 [9] 具體程序 框架圖 如下： 第 4 章 智能車(chē)速度 控制 軟件設(shè)計(jì) 21 圖 46 速度 控制函數(shù) 智能車(chē)的轉(zhuǎn)向 控制 智能車(chē) 的舵機(jī) SD5 采用 位置式 PD 控制， 因?yàn)槎鏅C(jī) 的控制精度高，不同 的 PWM占空比對(duì)應(yīng)舵機(jī)的不同轉(zhuǎn)角 ， 所以采用開(kāi)環(huán)控制。 第 4 章 智能車(chē)速度 控制 軟件設(shè)計(jì) 22 圖 47 舵機(jī) 控制函數(shù) 第 5 章 系統(tǒng) 調(diào)試 23 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試 整體 性能分析調(diào)試 如圖 51 所示上位機(jī) 軟件， 在智能車(chē) 上配置藍(lán)牙， 在 智能車(chē)行駛過(guò)程中采集車(chē)速，利用 9S12XSMAA 單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)由藍(lán)牙發(fā)送至上位機(jī)上， 在 上位機(jī)軟件上顯示 給定 車(chē)速 、 實(shí)際車(chē)速和 控制 電機(jī)的 PWM 波 。 實(shí)際 速度 的調(diào)節(jié)時(shí)間 較短 ，控制系統(tǒng)能很快回到 穩(wěn)定 狀態(tài)。 最終試驗(yàn)得到 最合適 的 PID 參數(shù) ，使得智能車(chē)能以 。 圖 54 KP 較小時(shí)速度 變化曲線 （ 2） KP=， Ki=， Kd = KP 的 值 適中 時(shí)，系統(tǒng)的 響應(yīng)速度較快 ，超調(diào)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(shí)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(shí)， 系統(tǒng) 的超調(diào)量較 大， 瞬時(shí)響應(yīng)較慢， 調(diào)節(jié)時(shí)間 較長(zhǎng)。 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(shí)際速度的偏差。利用 小車(chē) 與賽道的位置偏差，采用位置式PD 控制算法對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制。 在 大量的設(shè)計(jì)準(zhǔn)備中，我自學(xué)了 Altium Designer Summer09， 翻閱和借鑒了很多資料設(shè)計(jì)出各個(gè)模塊的原理圖以及 PCB 板 ，在機(jī)械結(jié)構(gòu) 方面 優(yōu)化了智能車(chē)的車(chē)輪定位和舵機(jī)調(diào)整 。 目前 智能車(chē)的車(chē)速設(shè)計(jì)仍然存在很大的不足 ， 例如智能車(chē)在過(guò)彎道的時(shí)候速度較小， 在 復(fù)雜道路上還不能穩(wěn)定運(yùn)行。 中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 32 致 謝 本文是在 潘浩 老師細(xì)致 認(rèn)真 的指導(dǎo) 下 完成 的 ， 我 非常 感謝潘浩老師 對(duì)我 的指導(dǎo)和幫助 。潘浩 老師淵博的專(zhuān)業(yè)知識(shí) ， 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)對(duì)我影響深遠(yuǎn)。 我也 非常感謝與我一起參加本屆智能車(chē)大 賽 的其他兩位隊(duì)員，通過(guò)大家的互相協(xié)作， 遇到問(wèn)題 時(shí)積極交流和討論， 在此向兩位參賽隊(duì)員表示誠(chéng)摯的感謝！感謝飛思卡爾半導(dǎo)體公司，感謝教育部， 自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委會(huì)為我們?nèi)珖?guó)高校的學(xué)子，提供了一個(gè)鍛煉團(tuán)隊(duì)合作和創(chuàng)新能力的競(jìng)賽平臺(tái)。盡我所知，除文中已經(jīng)特別注明引用的內(nèi)容和致謝的地方外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。 論文密級(jí)： □ 公開(kāi) □ 保密 （ ___年 __月至 __年 __月） (保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此協(xié)議 ) 作 者簽名： _______ 導(dǎo)師簽名： _______ _______年 _____月 _____日 _______年 _____月 _____日 中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 37 獨(dú) 創(chuàng) 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )，是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。 作者簽名 : 二〇 一 〇年 九 月 二十 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用授權(quán)聲明 本人完全了解 濱州學(xué)院 關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)大概持續(xù)了半年，現(xiàn)在終于到結(jié)尾了。沒(méi) 有他們的幫助，我將無(wú)法順利完成這次設(shè)計(jì)