【正文】 。再次對周巍老師表示衷心的感謝。 四年的大學生活就快走入尾聲，我們的校園生活就要劃上句號，心中是無盡的難舍與眷戀。 學友情深，情同兄妹。是他們在我畢業(yè)的最后關頭給了我們巨大的幫助與鼓勵，給了我很多解決問題的思路，在此表示衷心的感激。 。他無論在理論上還是在實踐中，都給與我很大的幫助，使我得到不少的提高這對于我以后的工作和學習都有一種巨大的幫助，感謝他耐心的輔導。 中國石油大學（華東）本科畢業(yè)設計 (論文 ) 39 在我的十幾年求學歷程里，離不開父母的鼓勵和支持，是他們辛勤的勞作，無私的付出，為我創(chuàng)造良好的學習條件，我才能順利完成完成學業(yè)，感激他們一直以來對我的撫養(yǎng)與培育。 回首四年，取得了些許成績，生活中有快樂也有艱辛。 另外，我還要感謝大學四年和我一起走過的同學朋友對我的關心與支持，與他們一起學習、生活，讓我在大學期間生活的很充實，給我留下了很多難忘的回憶。郭謙功老師淵博的知識、嚴謹的作風和誨人不倦的態(tài)度給我留下了深刻的印象。經過這次畢業(yè)設計，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析問題的能力、合作精神、嚴謹的工作作風等方方面面都有很大的進步。 （保密論文在解密后遵守此規(guī)定） 作者簽名 : 二〇 一 〇年 九 月 二十 日 中國石油大學（華東）本科畢業(yè)設計 (論文 ) 38 致 謝 時間飛逝，大學的學習生活很快就要過去，在這四年的學習生活中，收獲了很多，而這些成績的取得是和一直關心幫助我的人分不開的。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 最后 ， 向 不辭辛苦，擔任本文評審工作和參加我論文答辯工作的老師們 致以誠摯的謝意 。感謝 信息與控制工程 學院的所有任課老師，感謝陪伴我們整個大學生活的輔導員。在 課題的研究過程中，潘浩老師多次詢問和檢查研究進度，在我碰到難題時潘老師總是盡心盡力 地 為我指點迷境 ，開拓 我的研究思路。在 后期 可以添加 SD 卡調試模塊，采用更加高級的 ARM 系統(tǒng) 作為核心控制器。 同時 ，在 設計 過程中 我 也遇到了很多問題，比如在設計電機驅動 時 因為上拉電阻阻值 選擇 不當 使得在 智能車車輪抱死 時 MOS 管 會迅速 發(fā)燙 ， 還有智能車在 急彎 賽道使采用低速 、 大幅度偏差才能有更好的急彎通過性能。 智能車的 速度控制系統(tǒng)包括了電源模塊、 H 橋電機驅動電路和速度反饋模塊等部分，軟件方面包括了系統(tǒng)初始化、電機 PID 調節(jié) 和舵機 PD 調節(jié)等部分。 第 6 章 結論 30 第 6 章 結論 本 詳細介紹了 倒退行走式 智能車 速度 控制系統(tǒng)方案 ，使 智能車 最終 能夠 以 的速度 在賽道上平穩(wěn)行駛 。 圖 58 Kd 較小時速度 變化曲線 第 5 章 系統(tǒng) 調試 29 綜上 所述， PID 控制系統(tǒng)各個參數對 速度控制 系統(tǒng)系能的影響如下表 51 所示： 表 51 PID 控制 系統(tǒng) 各個參數的 作用 參數 KP Ki Kd 對速度 的影響 合適 的 PID 參數 智能車 在加減速 時 能迅速 跟上給定速度 ， 能以較快的速度在 賽道上 平穩(wěn)行駛 。 的相角超前， 從而產生有效的早期修正信號 。 第 5 章 系統(tǒng) 調試 27 （ 1） Ki=， KP=， Kd = Ki 較小 時 ， 系統(tǒng)的 響應速度很 慢， 超調量 很小， 消除穩(wěn)態(tài) 誤差的能力較 弱 。 圖 56 KP 較大時速度 變化曲線 在 KP、 Kd， 值不變 的 情況下，改變 Ki 的大小 。 比例 控制實質上是一個具有可調增益的放大器， 加大控制器 增益 KP 可以 減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差， KP 的 值會影響系統(tǒng)的 響應速度 和 系統(tǒng) 的相對穩(wěn)定性 ， KP 的 值過大可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。 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)。 [11] 圖 51 上位機 界面 第 5 章 系統(tǒng) 調試 24 圖 52 車速 由小變大 由圖 52 可看出，當智能車的給定速度不變時，智能車的實際速度在給定速度值附近上下小范圍的波動，即可看做實際速度近似等于給定速度，此時系統(tǒng)穩(wěn)定。 [10]為了確保小車平穩(wěn)快速運行，我們還需要將智能車的速度和轉角依據賽道狀況和車身位置做一個綜合控制。為了提高制動效果，同時防止小車制動輪抱死，避免出現甩尾現象，妨礙小車的正常運行，我們采用 ABS 剎車法。當智能車的實際速度與設定速度偏差較小時，用增量式 PID跟蹤設定速度，不斷修正實際速度與設定速度的偏差。 智能車的 速度控制 通過 光電編碼器 測量 當前車速， 通過 閉環(huán)負反饋控制 系統(tǒng)來 控制車速。當 計算機控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期 T，確定 KP、 Ki、 Kd， 則只需要使用 前后三次測量的偏差值，就可以 求出 控制量。 位置式 PID 控制是將輸出量 u(k)直接 作用于執(zhí)行結構， u(k)的值 與執(zhí)行機構的位置 時 一一對應的。 位置式 PID 算法 在計算機 控制系統(tǒng)中，使用的是數字 PID 控制器 。 的相角超前，能在偏差信號變化不是很大之前引入一個有效超前修正信號，從而 減少 系統(tǒng)的調節(jié)時間。 計算 公式 如公式 （ 41） 所示 。當 被控對象 的結構和參數 不能 通過有效的測量手段來獲取即不能得到精確的數學模型 時 ，系統(tǒng)控制器的結構和參數必須依靠現場調試和經驗來第 4 章 智能車速度 控制 軟件設計 18 確定，這時應用 PID 控制技術最為 方便 。其主界面如圖 42 所示。本系統(tǒng)在軟件開發(fā)過程中使用的是 CodeWarrior 。根據 Gartner Dataquest 的報告， CodeWarrior 編譯器和調試器在商用嵌入式軟件 開發(fā)工具的使用率方面排名第一。 再 利用 光電編碼器來測量智能車的實際車速，并將實際車速反饋 給 模糊 PID 控制器，形成閉環(huán)負反饋回路，根據實際車速與理論速度的偏差來調節(jié)由單片機 P 口輸出的 PWM 波的占空比 ， 從 而 使智能能夠 高速平穩(wěn)運行。將編碼器 內部的旋轉 軸 與 電機的 轉動軸相連，由旋轉軸帶動旋轉盤進行旋轉， 光源 發(fā)出的光透過旋轉盤上的長方形孔 被 受光元件接 收 ，從而輸出 脈沖信號 。使用測速模塊后，可以實現對車模速度的閉環(huán)反饋 PID 控制， 就可以 消除上述因素 對智能車運行所帶來的不利影響，是智能車運行時更加穩(wěn)定。 圖 39 實際 H 橋電機驅動 電路 第 3 章 圖像 處理算法研究 15 速度反饋模塊 為了 使智能車能夠 平 穩(wěn) 的 沿著 賽道行駛，需要 測試 智能車的速度，同過 測速模塊得到智能車的實際速度 ， 將其與給定速度進行比較，形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，實現對智能車速度的控制 ， 從而使智能車在急轉彎時不會因為速度過快而沖出賽道。 由于 9S12XSMAA單片機 P 口驅動能力 不夠大 ，所以要加 MOS 管驅動芯片 IR2104來 驅動 MOS 管 。 MOS 管是 電壓驅動器件， 使用 N 溝道 增強型 MOS 管 ， 其導通電阻小 ，當柵極 電壓大于源極電壓時 MOS 管導通 。 更換 直流電機的電流方向，可以控制直流電機 的 轉動方向 。 圖 37 LM2940 穩(wěn)壓電路 （ 轉 5V） 電機驅動模塊 電機 驅動電路對于智能車的速度 控制 有著至關重要的作用 ， 較好的制動能力和加速對于提高小車的速度有著很大的幫助。 [6]這樣 既可以有效抑制電源紋波，又可以 消除 9S12XSMAA最小系統(tǒng) 和 OV7620 攝像頭 的 供電 電源 與其他元件 供電模塊 之間 產生 干擾， 保證 其工作的穩(wěn)定性。 電流限制通過檢測連接在 VCC 和 5 腳之間電阻上的壓降來完成功能。 第 3 章 圖像 處理算法研究 11 圖 34 MC34063 的電路原理圖 振蕩器通過恒流源對外接在 CT 管腳 (3 腳 )上的定時電容不斷地充電和放電以產生振蕩波形。 MC34063 是一單片雙極型線性集成電路，用于直流 直流變換器控制部分。系統(tǒng)中 各個電路模塊所需的工作電流和工作電壓各不相同， 因此 設計了多種 穩(wěn)壓 電路，將 電池電 壓轉換為各個模塊所需的電壓。內部CPU 信號（地址和數據總線）處于全局靜態(tài)狀態(tài)。其他外設停止工作。 Stop: 執(zhí)行 CPU stop 指令，停止所有時鐘和振蕩器，以此將芯片放在全靜態(tài)模式。 此外 MC9S12 還 具有靈活的定制模式，對 C 進行完全優(yōu)化的壓縮代碼的優(yōu)點。利用 位置式 PD 控制算法 ，由 單片機輸出 PWM 波來控制舵機的轉向；利用增量式 PID 控制算法 ，由 單片機輸出 PWM 波來控制電機的轉速。 實現 功能算法的前提是要設計好功能模塊的電路，進行電路調試后再實現相應的控制算法。好的 硬件 電路設計能夠減輕很多控制算法上的負擔。 智能車 的舵機采用直立放置的方式， 將 第 2 章 車模 系統(tǒng) 機械 設計 6 舵機安放在車模的前部中間位置， 這樣可以 保證車模轉向 時 的機械對稱性。車身 簡潔 、底盤低穩(wěn) 、 轉向靈活 、 協(xié)調配合是 智能車 車模的設計原則。 舵機的 安裝 舵機 是操控 車模行駛 的方向盤， 舵機 的輸出轉角 通過連桿傳動 來控制前輪轉向。外傾角 越正，智能車過彎道時 受到 的 摩擦力就越小 ，過彎道時就越平穩(wěn)。 采用 的車模是后輪驅動，前輪是轉向輪。 如果 輪胎垂直地面即前輪外傾角等于 0176。 （ 2） 前輪 外傾 通過 車輪中心的智能車橫向 平面 與車輪 平面 的交線與地面垂線之間的夾角 α，稱之為 “前輪 外傾角 ”， 如圖 25 所示 。由于轉向 橫拉桿和車橋的約束 使車輪 不可能向外滾開，車輪將在地面上出現滾邊 向 內滑移的現象， 從而 增加了 輪胎的 磨損。 （ 1） 前輪前束 圖 23 前輪約束 示意圖 前輪前束 是指兩輪后邊緣距離 A 與 前邊緣距離 R 之差 。 [1] 第 2 章 車模 系統(tǒng) 機械 設計 3 圖 22 一側車輪遇到阻力 差速器 殼體通過齒輪和輸出軸相連，在傳動軸轉速不變情況下差速器殼體的轉速也不 變 ， 假設 智能車現在向左轉，左側的車輪行駛的距離短， 左側 驅動輪會受到更大的阻力 。 差速器 差速器處于傳動軸與左右半軸的交匯點，從變速箱輸出的動力在這里被分配到左右兩個半軸。 “飛思卡爾杯 ”智能汽車競賽 賽道用專用的白色 KT基板 制作 ，賽道 兩邊有黑線 。 攝像頭 組智能車是搭建基于視覺導航的智能汽車系統(tǒng)，通過攝像頭對賽道圖像的有效采集，然后再利用控制器 進一步 進行處理信息，作出相應的決策，控制小車尋 跡。汽車 的 電子化已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，它包括了汽車電子控制裝置，通過電子裝置控制汽車發(fā)動機、車身、動力轉向系統(tǒng) 以及制動防抱死等。 Path recognition。 本文 還增加了 直道加速 、彎道減速的速度控制算法，并且采用了上位機與藍牙相結合的方式對智能車車速進行調試，以尋求最優(yōu)的 PID 控制系統(tǒng)參數。 涉密論文按學校規(guī)定處理。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 通過 設計及調整智能車的機械結構和硬件電路圖，編寫 控制系統(tǒng) C 語言 程序 ， 對 電機轉速和舵機轉角 分別 采用用增量式 PID 控制算法和位置式 PD 控制算法，從而 實現 對智能車的速度 控制 。 Camera sensors。人們對 汽車 的智能化有了越來越高的要求，汽車生產商也 推出 越來越 智能化 的汽車來滿足各種各樣的市場要求。采用飛思卡爾 公司 16 位 單片機 9S12XSMAA 作為 核心控制器 ，控制系統(tǒng)包括傳感器 信號采集處理 、 電機驅動、轉向 舵機控制 以及控制算法 軟件 開發(fā)等。 本智能車 采用飛思卡爾公司的 9S12XSMAA 單片機 為 核心控制器，配合有相應的硬件及驅動電路，組成一個自動控制系統(tǒng)， 由 攝像頭傳感器、信息處理、控制算法和執(zhí)行 機構 組成。 經過大量的實驗經驗可以看出 ， 機械結構 決定了智能車 的上限 速度， 而 軟件算法 的 優(yōu)化則是 使 車速不斷接近這個上線速度，軟件算法只有在 精細 的機械結構上才能夠更好的提高智能車的整體性能。 圖 21 車輛直線行駛差速器狀態(tài) 智能車直線行駛 的時候左右兩邊驅動輪 受到 的 阻力 大致相同，發(fā)動機輸出的動力首先傳送到差速