【正文】 不平行，電機(jī)負(fù)載加大。此次所使用車模配備的是后輪差速機(jī)構(gòu)。為了獲取更多的前探距離，我們采用傳感器前伸，在規(guī)定的范圍內(nèi)盡可能的獲取更多的前探距離。然而并非傾角越大越好，傾角的增大會導(dǎo)致紅外接收管接收到的光減少，背景與黑線之間的壓差降低，影響路徑的識別。另外，此次車模為四輪驅(qū)動，重心在車上的分布對車的動力影響不是很明顯。車模電機(jī)傳動軸和賽車分動器之間采用齒輪嚙合傳動，另外，光學(xué)編碼器和分動器齒輪之間同樣采用齒輪嚙合，前后差速器中也存在多個(gè)齒輪副。因此，對于嚙合的齒輪，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)整齒輪間隙和齒輪軸間的平行度，使齒輪嚙合順暢，噪聲小。利用片內(nèi)資源結(jié)合具體模塊的功能要求具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線如下：（1)電源管理：核心板最小系統(tǒng)供電、傳感器供電、舵機(jī)供電和直流電機(jī)供電。要求：（a) 開斷電流能力強(qiáng)，驅(qū)動功率大，質(zhì)量可靠；（b) 具有過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、熱關(guān)斷的能力，各種功能使用方便。其中，中央控制系統(tǒng)（最小系統(tǒng)）、路徑識別的光電傳感器和接收器電路、需要5V電壓， 2000mAh Nicd蓄電池直接供電。本系統(tǒng)所需電壓有5V、可由電池直接提供；5V部分為路徑識別模塊，舵機(jī)控制模塊，串口通信模塊，單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊等。根據(jù)不同的工作原理可將電源分成兩類：線性穩(wěn)壓電源、開關(guān)穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓芯片選擇：方案一：普通常用穩(wěn)壓芯片LM7805。優(yōu)點(diǎn)：工作效率高，發(fā)熱量小，輸出電流大，約3A。外圍電路簡單，需要的濾波電容小。由于穩(wěn)壓芯片LM2940是屬于LDO(低壓差)線性穩(wěn)壓器，使智能車能正常的行駛，同時(shí)LM2940輸出的電壓紋波也很小，這樣干擾也大大減小，能減少單片機(jī)沒必要的復(fù)位，符合單片機(jī)的供電要求。該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為 150KHz，與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在177。4%l 216。采用150KHz的內(nèi)部振蕩頻率，屬于第二代開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，功耗小 l 低功耗待機(jī)模式，IQ的典型值為80μ Al 216。外圍電路簡單，僅需4個(gè)外接元件，且使用容易購買的標(biāo)準(zhǔn)電感應(yīng)用 領(lǐng)域 LM2596供電電路如圖34所示： 圖34 LM2596供電電路由于兩排15對光電傳感器與舵機(jī)的功耗太大，因此電源輸出的電流要足夠大才能滿足這些負(fù)載的需求，由于LM2596的輸出電流可達(dá)3A左右，通過大概計(jì)算符合我們的設(shè)計(jì)要求，故我們選用LM2596。它內(nèi)部同MC33886一樣具備各種保護(hù)措施，該模塊在驅(qū)動芯片與信號輸入端之間加裝了隔離電路，可有效保護(hù)單片機(jī)。EE1,EE2 為模塊過流或短路報(bào)錯輸出信號，可不接。(1)啟動波形，電源電壓：8V，負(fù)載：純阻性 10 歐姆，以下是波形，其中黃線為電壓波形，紫色為電流波形如下圖：圖37 ZNCD1043啟動時(shí)的電壓電流波形(2) 短路波形，電源電壓：8V，負(fù)載阻抗 歐姆，以下是波形，其中黃線為負(fù)載電壓波形，紫色為負(fù)載電流波形，藍(lán)色為報(bào)錯輸出波形，可以看到模塊短路情況下開始周期的關(guān)斷輸出以防止模塊過熱燒壞，并且在報(bào)錯輸出引腳輸出 高電平。舵機(jī)的轉(zhuǎn)角與 PWM 脈寬的關(guān)系如圖39所示：圖39 舵機(jī)轉(zhuǎn)角與 PWM 脈寬的關(guān)系 路徑識別模塊是智能車系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識別方案的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣。對于紅外對管的選取和電路設(shè)計(jì)，我們作了幾個(gè)方案論證。優(yōu)點(diǎn)：硬件電路簡單，方便；缺點(diǎn)：可以收發(fā)距離太近。紅外傳感器作為智能車上的“眼睛”，對小車的路徑識別起了決定性的作用。從而使LM339同相輸入端為低電平接近零伏，通過比較器LM339使輸出為0告知單片機(jī)MC9S12XS128，智能車現(xiàn)處在白色位置上。方案一：利用霍爾傳感器和磁鋼測量速度：將霍爾傳感器和磁鋼分別安裝在車架和車軸的適當(dāng)位置，小車行駛時(shí)，每轉(zhuǎn)動一圈，霍爾傳感器產(chǎn)生開關(guān)信號，通過在單位時(shí)間對其計(jì)數(shù)可計(jì)算出車輛行駛的瞬時(shí)速度。速度傳感器的工作原理：此次設(shè)計(jì)用到的速度傳感器是光電編碼器。典型的光電編碼器由碼盤（Disk）、檢測光柵（Mask）、光電轉(zhuǎn)換電路（包括光源、光敏器件、信號轉(zhuǎn)換電路）、機(jī)械部件等組成。因此，只有在那些結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動方式都有利于使用直線式光電編碼器的場合才予使用。光電編碼器是由光柵和光電檢測裝置組成。RS232電平轉(zhuǎn)換芯片可以實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS232電平之間的轉(zhuǎn)換，然后再通過9芯串行口與PC進(jìn)行串口通信。對于提高電源穩(wěn)定性，并上幾個(gè)電容當(dāng)然是好的，但是電容的最大電容量有限制。第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)的基本原則是，首先考慮小車的穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上，盡量提高小車的速度。這些卓越的性能，完全足夠滿足此次設(shè)計(jì)的要求。監(jiān)測平臺可以將智能車的采集信息，控制算法計(jì)算得到的控制信息以及其他調(diào)試時(shí)的有用信息發(fā)送到PC端，用于觀察、記錄，以便反復(fù)分析、改進(jìn)。其中，定時(shí)中斷用于檢測小車當(dāng)前速度，作為小車速度閉環(huán)控制的反饋信號。主要包括：系統(tǒng)初始化模塊、路徑數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、起跑線識別模塊，再有，為了系統(tǒng)調(diào)試方便，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了串口調(diào)試模塊等。void CLK_init(void){ //鎖相環(huán)24M SYNR=2。 //設(shè)置總線時(shí)鐘為PLL/2｝可以看到，不論8位、16位還是32位單片機(jī)的最小系統(tǒng)都是通過異步串行口與人溝通的。以下是與串口有關(guān)的幾個(gè)初始化函數(shù):/**********串口初始化*************************/void SCIinit(void){ SCI1BD=208。while(SCI1SR1_RDRF!=1)。while(SCI1SR1_TDRE!=1)。PWM模塊特點(diǎn)：R 8個(gè)帶周期占空比可程控的PWM獨(dú)立通道R 4個(gè)可程控選擇的時(shí)鐘源 R 每個(gè)PWM通道有專用的計(jì)數(shù)器 R PWM每個(gè)通道脈沖極性可以選擇 R 每個(gè)PWM通道可使能/禁止R 周期和占空比雙緩沖 R 每個(gè)通道有中心對齊和邊緣對齊方式 R 分辨率: 8位(8通道)，16位(4通道)R 帶中斷功能的緊急切斷 PWM在本系統(tǒng)中主要用于驅(qū)動兩個(gè)伺服電機(jī)，一個(gè)是電機(jī)，另一個(gè)是舵機(jī)，而控制這兩個(gè)電機(jī)的PWM信號是經(jīng)過路徑識別和系統(tǒng)決策后給出的，這樣就能實(shí)現(xiàn)小車的循線跑。本設(shè)計(jì)中，通過測試找到了40度對應(yīng)的脈沖寬度。 // SA=A/2/12=1MPWMSCLB =150。PWMPOL = 0xff。PWMPER4 = 100。PWME = 0x32。為保證小車一直沿著黑色引導(dǎo)線快速行駛，系統(tǒng)主要的控制對象是小車的轉(zhuǎn)向和車速。為實(shí)現(xiàn)上述控制思想，可以采用不同的控制方法來控制小車的轉(zhuǎn)角和速度。對于小S道，直道和彎道則采用了PD控制算法，在預(yù)先判斷出各個(gè)軌道類型之后，選擇合適的控制點(diǎn)數(shù)，調(diào)節(jié)KP,KD參數(shù)。由前面得到的道路狀態(tài)信息，而增加相應(yīng)權(quán)值不一樣的擺動角度。更有利于轉(zhuǎn)過彎道而不至于跑出賽道。當(dāng)剎車標(biāo)志位置1的時(shí)候，表明智能小車正在過彎道，可以把傳感器兩端8個(gè)傳感器相應(yīng)的擺動角度變大，更有利于轉(zhuǎn)過彎。 調(diào)整舵機(jī)的原則是小車處于直道時(shí)，擺正舵機(jī)。同時(shí)，將速度適當(dāng)降低，防止小車沖出軌跡。問世至今70年多年來，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。這個(gè)新的輸出信號被再次送到感應(yīng)器以發(fā)現(xiàn)新的誤差信號，這個(gè)過程就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。以上簡要介紹了PID 算法的原理和特性，實(shí)際過程中，由于傳感器是按一定間隔周期獲取位置信息的，因此必須將連續(xù)PID 控制離散化，這樣得到的就是數(shù)字PID 算法。積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。微分作用對于噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果模型車突然加速時(shí)，也會使水銀開關(guān)閉合，這樣會帶來誤判。其中，切彎路徑主要決定了車輛是選擇內(nèi)道過彎還是外道過彎。合適的轉(zhuǎn)向角度會減少車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)的調(diào)整，不僅路徑可以保證最優(yōu)，運(yùn)動狀態(tài)的穩(wěn)定也會帶來效率的提高，減少時(shí)間。然而，在過去幾屆比賽中，通過觀察各參賽車對彎道的處理后，我們發(fā)現(xiàn)并不是所有人都選擇了相同的方案。綜合考慮用可以接收的額外時(shí)間換回行駛穩(wěn)定性還是值得的。建立好新的工程后，就可以在編譯器里進(jìn)行程序的編寫。圖51 建立工程文件圖52 選擇HC(S)12 New Project Wizard, 并給工程文件命名圖53 新工程向?qū)D 54 選擇芯片型號圖55 選擇Startup code 模式 舵機(jī)調(diào)試首先在程序里不斷的修改舵機(jī)的控制量，確定舵機(jī)左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)極限的PWM值，記下該值留著在程序里設(shè)定左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的極限值。整車調(diào)試分為靜態(tài)調(diào)試和動態(tài)調(diào)試兩部分?；镜撵o態(tài)測試完成后，就可以在賽道上進(jìn)行動態(tài)測試了。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般PID參數(shù)確定的步驟如下：(1) 確定比例系數(shù)Kp確定比例系數(shù)Kp時(shí)，首先去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，可以令Ti=0、Td=0，使之成為純比例調(diào)節(jié)。記錄此時(shí)的Ti，設(shè)定PID的積分時(shí)間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的150％～180％。第六章 結(jié)論（1），長37cm，寬215mm，高180mm；（2）電路功耗：空載功率8 W ，最大功率14 W ，所有電容總?cè)萘?230uf；（3）傳感器：對射式紅外光電管共 15對；（4）除了車模原有的驅(qū)動電機(jī)、舵機(jī)之外無其他伺服電機(jī)；（5），檢測頻率50HZ。在最初的方案選擇階段，通過比較不同方法可能得到的結(jié)果明確了我們研究的方向。另一方面，智能車是一個(gè)高度非線性化、時(shí)變的系統(tǒng)，如何對模型中的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)以及使模型更能反映實(shí)際車輛運(yùn)動是一個(gè)需要進(jìn)一步解決的問題。[4] 飛思卡爾HC08/HCS12 系列微控制器開發(fā)環(huán)境 CodeWarrior使用指南.[5] 殷人昆，陶永雷，謝若陽，(用面向?qū)ο蠓椒ê虲++描述) .北京：.[6] 卓晴,黃開勝,——挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2007.[7] 第三屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽比賽規(guī)則，2008.[8] Motorola MC9S12XS128 Device User Guide Motorola, Inc.[9] [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2004.[10] MC34063A/E DCDC Converter Control Circuits, Motorola.[11] 周繼明，江世明，[M].長沙：中南大學(xué)出版社,2005.[12] Ramon PallasAreny, John G. 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