【正文】 ，也增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。 要使模型車有理想的穩(wěn)定的運行狀態(tài)，還需要各個模塊之間通過算法進(jìn)行默契的配合。 同時， MCU 根據(jù)紅外傳感器所傳送來的數(shù)字信號，總結(jié)出黑線相對于車身的變化規(guī)律，判斷出模型車所處于的運行狀態(tài)，能夠判斷出模型車是在直道、 MCU 伺服電機(jī) 直流電機(jī) 轉(zhuǎn)速傳感器 PWM信號 PWM信號 MC33886（驅(qū)動芯片） 后輪轉(zhuǎn)動 脈沖信號 前輪轉(zhuǎn)向 紅外傳感器組 前方黑線位置 數(shù)字信號 跟蹤黑線 檢測黑線 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖 第二章 模型車總體技術(shù)方案 5 大彎或是 S 彎，并根據(jù)各種形狀道路的行駛特點輸出特定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。 在各模塊的相互配合之下，模型車根據(jù)黑線的形狀或加速或減速，在黑線路徑上的每一段都充分利用了賽道所能提供的極限物理條件，在保證行駛穩(wěn)定的前提下，大大提高平均行駛速度。所以需要各種電壓調(diào)節(jié)器，將電池電壓調(diào)節(jié)至各模塊所需電壓值。如 圖 所示。在板面的底端留有四個孔，通過螺釘螺母與模型車底盤固定連接。不同顏色對紅外光線有不同的發(fā)射率，白色的很高，而黑色的很低，當(dāng)照射至白色路面時，大部分光線被反射由接收管接收，傳感器輸出低電平，當(dāng)照射至黑色路面時，大部分光線被吸收接收管接收不到足夠的光線而輸出高電平。通過調(diào)整將15 只傳感器性能基本一致，并符合感應(yīng)距離以及靈敏度的要求，保證路徑檢測的穩(wěn)定性。注意，要使傳感器的信號線輸出穩(wěn)定的高電平，需要接入上拉電阻。不同的間隔距離，對應(yīng)著具有不同特點的控制算法。當(dāng)傳感器的橫向間隔距離比較稀疏時，這個偏離距離 也會相應(yīng)地增大，這樣在模型車進(jìn)行方向糾正的時候就產(chǎn)生了在黑線兩側(cè) 較大的波動。尤其是該模塊固定于模型車的前端，質(zhì)量增加會加大模型車的轉(zhuǎn)動慣量，在轉(zhuǎn)彎時慣性比較大，不利于過彎。 為了減小模型車在直線行駛方向校正時的擺動，應(yīng)該使舵機(jī)每次的轉(zhuǎn)角輸出相對減小，這就要求傳感器布置的比較密集。 如圖 所示。同時受到傳感器總數(shù)的限制，以及保證整體檢 測寬度不能過小。 傳感器的縱向伸出長度主要關(guān)系到模型車對未知賽道的預(yù)知能力。 同樣，縱向伸出長度加長也會帶來很多弊病。如，提高傳感器連接固定的強(qiáng)度；減輕傳感器的總重量；將傳感器之外其他各模塊的中心向后移等等。因為在模型車的調(diào)試過程中免不了要有沖出賽道，撞擊到某物體上的情形。所以，在傳感 器的排列方式上，我們最終選擇的還是“一”字型。轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制的失當(dāng)，會造成模型車嚴(yán)重擺動甚至偏離賽道。直流驅(qū)動電機(jī)控制好壞，直接影響到模型車的速度控制。模型車的速度控制算法采用 PID 控制算法，能夠很好滿足模型車系統(tǒng)的控制要求。 控制軟件的模塊設(shè)計 第一界 全國大學(xué)生智能汽車邀請賽技術(shù)報告 12 主程序設(shè)計 在模型車系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計中，主程序的任務(wù)主要是：完成單片機(jī)各接口設(shè)備初始化設(shè)置，包括 I/O 端口的設(shè)置，脈沖寬度調(diào)制（ PWM）初始化設(shè)置，輸入捕捉通道初始化設(shè)置；各變量和常量初始化；然后單片機(jī)進(jìn)入查詢狀態(tài)，包括轉(zhuǎn)向紅外傳感器輸入端口的查詢，一旦傳感器的狀態(tài)發(fā)生變化，立即調(diào)用轉(zhuǎn)向控制子程序，修正轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度，使模型車始終跟 蹤黑線行駛，對標(biāo)志位 Flag 進(jìn)行查詢，該標(biāo)志位通過輸入捕捉中斷程序控制的，每進(jìn)一次中斷，標(biāo)志位 Flag 便被置 1，主程序便對賽道進(jìn)行判斷，以分辨出直道、大彎道和 S彎道，針對不同的路段情況確定各自的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，接著調(diào)用速度控制子程序，使模型車的速度逼近目標(biāo)轉(zhuǎn)速。MC9S12DG128B 輸入捕捉（ IC）通道分為緩沖與非緩沖兩類，緩沖類又具有鎖存與隊列兩種工作方式。 圖 輸入捕捉中斷程序流程圖 目標(biāo)轉(zhuǎn)速程序設(shè)計 由于模型車的采用速度閉環(huán)的 PID 控制，合理確定目標(biāo)轉(zhuǎn)速就顯得非常重輸入捕捉中斷 清除中斷標(biāo)志 讀取 TC0， TC0H 計算車輪轉(zhuǎn)速 Flag=1 返回 第四章 智能模型車系統(tǒng)控制軟件設(shè)計 15 要。直道、大彎的識別方法與 S 彎的識別方法不同，下面將分別討論。同理，中間 5 個為一組，設(shè)置標(biāo)志位 flag2 和計數(shù)器 t2，最左邊 5個為一組，設(shè)置標(biāo)志位 flag3 和計數(shù)器 t3，便可識別出直道和左大彎道。每產(chǎn)生一次輸入捕捉中斷，對傳感器的狀態(tài)進(jìn)行一次采樣，并將結(jié)果保存在一個數(shù)組里。為了解決這些問題，本程序設(shè)計了直道末端制 動減速控制， S彎間斷制動控制等功能，這將有利于提高模型車的行駛速度和行駛穩(wěn)定性。 電機(jī)速度的計算，可以根據(jù)控制器在一定時間內(nèi)讀取脈沖數(shù)，結(jié)合一定測速算法，計算出來。 M/T 法是同時測量檢測時間和在此檢測時間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖數(shù)來確定被測轉(zhuǎn)速 [3]。另外，內(nèi)部時鐘脈沖 m 計數(shù)時，總有一個脈沖的誤差。 在實際測速時，自由定時器的時鐘頻率設(shè)為 fc=125000，而速度傳感器在車輪轉(zhuǎn)動一圈產(chǎn)生脈沖為 P=9，由于 T法測速相對誤差比較大的時期，在車輪轉(zhuǎn)速高速運行階段，假設(shè)車輪轉(zhuǎn)速 1200 轉(zhuǎn) /分鐘，此時相當(dāng)于模 型車以 度行駛， T 法測速的分辨率為： 9120200 22 ???? ???? Pnf PnQ Tc T 轉(zhuǎn) /分鐘 分辨率還相當(dāng)高，此時， T法的相對誤差是： %1 4 9 5/1/1 ??? mT? 即車輪轉(zhuǎn)速誤差為 7 2 %1 4 2 0 0 ?? 轉(zhuǎn) /分鐘，可見誤差還是很小。數(shù)字 PID 控制算法通常又分為位置式PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。 式（ 42）是數(shù)字 PID 算法的非遞推形式，稱全量算法或位置算法。為此，有如下改進(jìn)，即增量型數(shù)字 PID 算法 [36]。 第四章 智能模型車系統(tǒng)控制軟件設(shè)計 21 數(shù)字 PID 算法在模型車系統(tǒng)中的應(yīng)用 在模型車系統(tǒng)中，對轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的控制采用位置式 PID 算法，對直流驅(qū)動電機(jī)的控制采用增量式 PID 算法。因此，用試驗確定法來選擇 PID 控制參數(shù)，就成為目前經(jīng)常采用的，并且是行之有效的方法。一般來說，控制精度越高，采樣周期應(yīng)該越短；為了使連續(xù)信號采樣后輸入計算機(jī)而不失真，應(yīng)滿足香農(nóng)采樣定理；從執(zhí)行元件的響應(yīng)速度和要求來看，需要輸出信號保持一定時間；從單片機(jī)控制在一個周期內(nèi)完成的運算工作量來考慮，應(yīng)保證單片機(jī)有充分的實時運算和處理時間。四根銅柱的固定也只是利用了車模底盤上原有的四個螺絲孔，并沒有重新打孔。 拆除不必要構(gòu)件 為了減輕車模的整體質(zhì)量，可以將車模底盤上一些沒有起到實質(zhì)性作用的部件進(jìn)行拆除，在不影響實用性能的同時，達(dá)到減重的目的。因為車模行駛時不受路 面沖擊力，所以這樣的改動不會降低車模的行駛性能，反而在近似剛性連接后使車模消除擺動，更容易操縱控制。 電池的安裝 條型電池是安裝在兩個電池座上的。因為電池的重量比較重，通過改變電池圖 電路板的支撐 第五章 模型車機(jī)械部分安裝及改造 25 的前后位置，可以在一定程度上調(diào)節(jié)模型車整體重心的前后位置。它需要做一些輔助工作，將一個外徑 同車輪半徑一樣大的圓環(huán)形白紙涂上大約15mm 寬度的黑色區(qū)域，貼在車輪的內(nèi)側(cè)，隨車輪一起轉(zhuǎn)動。 MCU利用增 圖 電池的兩個不同安裝位置 圖 方案一傳感器布置 第一界 全國大學(xué)生智能汽車邀請賽技術(shù)報告 26 強(qiáng)捕捉功能，捕捉每一次脈沖的時刻，并計算出兩次脈沖之間的時間間隔，在知道車輪周長的情況下就可以計算出當(dāng)前車速。當(dāng)出現(xiàn)遮擋，接收不到光線時，輸出為高電平。之前也需要通過墊片來調(diào)整傳感器的高度，使得在齒輪轉(zhuǎn)動時利用齒形剛好可以反復(fù)遮擋住紅外光線。車輪每轉(zhuǎn)一圈會有 76 個脈沖（齒輪有 76 個齒，忽略磨擦式差速器造成的 速度差別）。同時也需要將傳感器的固定高度提高一個墊片的高度。 該方案特點：與方案二基本相同，區(qū)別是車輪每轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)減少，只有 9 個。從理論上講，這樣可以在舵機(jī)性能一定的情況下，提高車輪轉(zhuǎn)向的響應(yīng)速度。同理，得右輪的外側(cè)支點 R1； 5） 此時已經(jīng)確定了在直線行駛時，各關(guān)鍵節(jié)點的位置。如圖 。 1OO 的長度即為舵機(jī)升高的距離。 圖 升高后的舵機(jī) 30 第六章 系統(tǒng)電路設(shè)計 電源電路 系統(tǒng)電源電路的作用是將車載 Nicd 電池 + 直流電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各模塊所需電壓，分為三個部分： + 轉(zhuǎn) +5V， + 轉(zhuǎn) +6V，以及 + 直接給電機(jī)供電 ，如圖 所示 。 RS232 是異步串行通信中應(yīng)用最早，也是目前應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn) 串行總線接口之一，它有多個版本，其中應(yīng)用最廣的是修訂版 C，即 RS232C。 線性放大器由于工作于線性放大的輸出級產(chǎn)生大量的熱量，效率和散熱問題十分嚴(yán)重，其最高效率不超過 50％，所以線性放大器一般僅在小功率的場合有所應(yīng)用，而大量采用的是開關(guān)放大器 。 開關(guān)頻率的大小主要和所用的功率器件的種類有關(guān) 。 橋 式電路不容易進(jìn)行線性放大控制，而且電壓電流反饋也不易實現(xiàn)，因此用于脈寬調(diào)制 (PWM)的情況較多 。 圖 硬件電路其余部分 第一界 全國大學(xué)生智能汽車邀請賽技術(shù)報告 34 圖 電路實物 35 第七章 模型車主要參數(shù)說明 模型車的主要技術(shù)參數(shù)： 1） 改造后的車?？傮w 重量為 ； 2） 模型車的外廓尺寸，長度為 395mm、寬度為 213mm、高度為 80mm； 3） 所有電容 總?cè)萘?為 1750μ f； 4） 傳感器種類：路徑檢測使用的是反射式紅外傳感器，數(shù)量為 15 只。 取得進(jìn)展比較大的有以下幾個方面： 1） 對紅外傳感器的各種布置參數(shù)進(jìn)行了精確計算確定，并通過反復(fù)的實驗對比，確定了最后各參數(shù)，在很大程度上提高了行駛穩(wěn)定性。通過自創(chuàng)的做圖方法，精確地計算了舵機(jī)升高的距離以及擺臂的長度，保證了改裝之后車輪轉(zhuǎn)角關(guān)心仍然滿足阿克曼定律，提高了車輪轉(zhuǎn)向的響應(yīng)速度。 6） 細(xì)心全面地選擇控制參數(shù)值。 2） 參數(shù)調(diào)試很重要：在某些時候會有一些比較新穎的控制策略，但是應(yīng)用之后實際的行駛效果并不是很好，此時不能輕易就否定策略不佳，更應(yīng)該 將 策略中某些參數(shù)，比如轉(zhuǎn)角分配、速度配合時刻等，做一些研究進(jìn)行優(yōu)化 。對該模型車以后的發(fā)展提出以下建議： 1） 使用 CCD 傳感器實現(xiàn)對路徑信息的檢測。實現(xiàn)對模型車的研究更全面更具科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性。畢竟車模在長期的試驗中會出現(xiàn)損耗，性能不如新車模穩(wěn)定。 最后要感謝本次大賽的各位評委，能夠在百忙之中抽出寶貴的時間，對我們的模型車方案進(jìn)行評定并提出非常寶貴的改進(jìn)建議。 int t=0,t1=0,t2=0,t3=0。 ///*速度 PID 控制參數(shù) *//////// int e2=0,e3=0,u1=60,u2。 pragma LINK_INFO DERIVATIVE mc9s12dg128b /////////////////*輸入捕捉中斷 */////////////// pragma CODE_SEG __NEAR_SEG NON_BANKED interrupt void CAIJI0_ISR (void) { TFLG1=0x01。 //注意自由定時器是十六位的所以 要乘 0xffff t=0。 //轉(zhuǎn)速 r/min Flag=1。 //u=Kp*(e3e2)+Ki*e3+Kd*(e32*e2+e1)。} else if(u2c2) {u2=c2。} //e1=e2。 U=KP*(E3E2)+KI*E3。} //E1=E2。 //A 口第 8 位為輸出 DDRB=0x00。 PTJ=0x03。 //時鐘 A 預(yù)分頻設(shè)置 E/8=8/8=1MHz //時鐘 B 預(yù)分頻設(shè)置 E/1=8/1=8MHz PWMCTL=0x20。 //1 通道輸出先高后低 //3 通道輸出先高后低 PWMCLK=0x0A。 //通道 3 設(shè)定脈寬值 1140 PWMPER1=100。 //設(shè)置 TC0 通道為輸入捕捉通道 TCTL4=0x01。 //工作在對列方式下 TIE=0x01。 Init()。 switch(STATE) { case 0x0001:N1=1。break。flag3=0。flag2=0。 flag1=1。 case 0x0004:N1=5。break。flag3=0。flag2=0。 flag1=1。 case 0x0010:N1=9。break。flag3=0。flag2=1。flag1=0。