【正文】 ＞內(nèi)側(cè)前輪＞內(nèi)側(cè)后輪。差速器的調(diào)整中要注意滾珠輪盤間的間隙，過松過緊都會使差速器性能降低，轉(zhuǎn)彎時阻力小的車輪會打滑，從而影響賽車的過彎性能。但后輪側(cè)滑特別是轉(zhuǎn)彎時外側(cè)滑危險性極大，因為它會加大轉(zhuǎn)向角速度，導(dǎo)致越滑越烈，如“抱死”，路面越滑，制動時間越長，側(cè)滑也就越嚴(yán)重，其離心力（慣性側(cè)翻力矩）也因側(cè)滑而加大，當(dāng)大于車輛重力的穩(wěn)定力矩時就會翻車。合理地調(diào)節(jié)這些參數(shù)，是前輪側(cè)滑達(dá)到最小。因為輪胎是車輛和地面的唯一聯(lián)系，而這個聯(lián)系僅僅取決于輪胎和地面的接觸面的摩擦力。它隨著溫度、壓力，還有更重要的是它隨著滑動量而改變[5]。這也產(chǎn)生了所謂的“測滑角(Slip Angle)”。這是因為輪胎跟地面接觸的方式其實是非常特別的，其中包含兩個不同的機械作用：變形力和粘合力?；瑒恿?100%μ摩擦系數(shù)圖26滑動量與摩擦力系數(shù)關(guān)系 The relationship of slippage and friction coefficient 在圖中的橫軸表示滑動量，從0%(沒有滑動，輪胎僅僅是向前滾動)，到100%(輪胎垂直于地面且垂直于車輛行進的方向)。在圖中右邊的部分，在兩個表面之間的滑動處于支配地位。當(dāng)壓在輪胎上的重量或滑動量發(fā)生改變的時候，這兩個因素的比例就會發(fā)生改變。首先結(jié)合汽車?yán)碚摵痛罅康膶嶒瀸χ悄苘嚽拜喼麂N后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角、車輪前束等前輪定位參數(shù)進行了調(diào)整，使智能車直線行駛穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向后能自動回正，并減少輪胎的轉(zhuǎn)向零件磨損等。不論是某一路采集信號的誤判還是單片機對轉(zhuǎn)向伺服電機控制的失當(dāng)，都會引起智能車在行駛過程中產(chǎn)生抖動甚至偏離賽道。舵機通過車模的機械裝置實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向控制，直流電機為小車提供動力，通過齒輪嚙合直接對前后輪提供驅(qū)動力?？偩€頻率最高可達(dá)40 MHz。CPU外部總線頻率為8MHz，內(nèi)部運算速度為25MHz。MC9S12XS128的最小硬件系統(tǒng)可以分為以下幾個部分:1）供電電路：開發(fā)板的供電是靠外部+5V電源，通過外部電源提供的。在單片機電源端使用電容和電感進行濾波，保證單片機工作的穩(wěn)定性[7]。 圖33 晶振電路 The circuit of crystal oscillator 3）復(fù)位電路：雖然單片機片內(nèi)集成有上電復(fù)位電路，單片機上電時可自動產(chǎn)生復(fù)位信號，但加上一個手動復(fù)位按鈕會給調(diào)試帶來方便。復(fù)位監(jiān)控器件，主要可以大大提高MCU的復(fù)位性能，其原理是通過確定的電壓值（閾值）啟動復(fù)位操作，同時排除瞬間干擾的影響，又有防止MCU在電源啟動和關(guān)閉期間的誤操作，保證數(shù)據(jù)安全。模型車通過自身系統(tǒng)，采集賽道信息，獲取自身速度信息，加以處理，由芯片給出指令控制其前進轉(zhuǎn)向等動作，各部分都需要由電路支持，電源管理尤為重要。而且在電路設(shè)計中，考慮到由于電機驅(qū)動所引起的電源不穩(wěn)定，在電源輸入端各芯片電源引腳多加入濾波電路。INH引腳為高電平，使能BTS7960。IS引腳是電流檢測輸出引腳。安裝部位結(jié)構(gòu)如圖圖39所示：圖39 實際安裝 The actual installation 調(diào)試模塊 鍵盤模塊 我們采用4個按鍵構(gòu)成鍵盤，四個鍵用于調(diào)試參數(shù)。LCD采用小巧的手機液晶屏5110，主要用于小車調(diào)試時，顯示跑道參數(shù)，和各可控單元參數(shù)等。甚低頻率范圍處于工頻和低頻電磁波中間，為3KHz~30KHz，波長為100km~10km。為此，我們將導(dǎo)線周圍變化的磁場近似緩變的磁場，按照檢測靜態(tài)磁場的方法獲取導(dǎo)線周圍的磁場分布，從而進行位置檢測[7]。根據(jù)法拉第定律，線圈磁場傳感器的內(nèi)部感應(yīng)電壓E與磁場、電磁線圈的圈數(shù)N、截面面積A的關(guān)系有： (34) 感應(yīng)電動勢方向可以用楞次定律來確定。 雙水平線圈方案 人類對于磁場的認(rèn)識和檢測起源很早，我國古代人民很早就通過天然鐵來感知地球磁場的方向，從而發(fā)明了指南針。（2）霍爾效應(yīng)磁場測量方法：半導(dǎo)體霍爾傳感器、磁敏二極管，磁敏三極管。（6）質(zhì)子磁進動磁場測量方法。如果在通電直導(dǎo)線兩邊的周圍豎直放置兩個軸線相互垂直并位于與導(dǎo)線相垂直平面內(nèi)的線圈，則可以感應(yīng)磁場向量的兩個垂直分量，進而可以獲得磁場的強度和方向。xyz軸滿足右手方向。由于磁場分布是以z軸為中心的同心圓，所以在計算磁場強度的時候我們僅僅考慮坐標(biāo)(x,y)。為此，我們可以使用相距長度為L的兩個感應(yīng)線圈，計算兩個線圈感應(yīng)電動勢的差值： (36) 下面假設(shè)L=30cm，計算兩個線圈電動勢差值如下圖所示： 圖317 感應(yīng)電動勢差值與x函數(shù) EMF difference function with x 從上圖可以看出，當(dāng)左邊線圈的位置x=15cm的時候，此時兩個線圈的中心恰好處于跑道中央，感應(yīng)電動勢差值Ed為0。通過改變線圈高度h，線圈之間距離L可以調(diào)整位置檢測范圍以及感應(yīng)電動勢的大小。感應(yīng)線圈可以自行繞制，也可以采用市面上的工資電感。如下圖所示： 圖319 工字磁材電感 The word magnetic inductance 信號選頻放大使用電感線圈可以對其周圍的交變磁場感應(yīng)出響應(yīng)感應(yīng)電動勢。如下表所示：表1 典型的環(huán)境磁場強度范圍 Typical environmental magnetic field intensity range磁場環(huán)境家用電器一米范圍地表面地球磁場工業(yè)電機和電纜十米范圍內(nèi)磁場性質(zhì) 50HZ 恒定 50HZ20KHZ磁場強度103102 1100104102（3） 比賽選擇20kHz的交變磁場作為路徑導(dǎo)航信號，在頻譜上可以有效地避開周圍其它磁場的干擾，因此信號放大需要進行選頻放大，使得20kHz的信號能夠有效的放大，并且去除其它干擾信號的影響。 幅度測量測量放大后的感應(yīng)電動勢的幅值E可以有多種方法。 2）傳播路徑：指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。 因此，抗干擾設(shè)計的基本原則就是：抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能。② 注意晶振布線。盡可能把干擾與敏感元件遠(yuǎn)離?？蓽p小壓降，并降低耦合噪聲。同時分析了系統(tǒng)的抗干擾措施。 總體控制流程圖整個系統(tǒng)由單片機為主控MCU，對模擬和數(shù)字傳感器信號進行采集處理，并對輸出的PWM分別控制，進行舵機和電機的控制，控制舵機來決定賽車的角度，通過電路驅(qū)動來控制電機，決定賽車的速度。圖41 總體控制流程圖 The flow chart overall control 控制策略分析由于賽車在行駛路線上有很多的選擇，所以凈速度快的賽車在比賽中是有優(yōu)勢的，而在硬件條件成熟之后，賽車在直道上和彎道上的速度都是有極限的。在地面附著力一定的情況下，減小汽車行駛速度或者增大汽車轉(zhuǎn)彎半徑都有利于防止汽車的側(cè)滑。圖42 賽車?yán)硐胲壽E Ideal track for car基于微處理器的智能車控制系統(tǒng)開發(fā)與研究因此采取中一內(nèi)一外的過彎路徑，如圖43所示。這樣過彎路線有利于增大轉(zhuǎn)彎半徑，提高過彎速度，防止側(cè)滑。PID控制策略其結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，可靠性高，并且易于實現(xiàn)，使其成為工程中應(yīng)用最多的控制方法。 (41)程序調(diào)試中，須反復(fù)調(diào)試試驗，逐漸逼近最佳狀態(tài)，確定合適的Kp、Kd參數(shù)，并在程序中區(qū)分不同的賽道狀況，動態(tài)切換不同的Kp、Kd參數(shù)組合，最終實現(xiàn)最佳狀態(tài)的循跡效果。微分調(diào)節(jié)D作用：微分控制可改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，如減小超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時間，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度等。微分控制可以預(yù)測偏差，產(chǎn)生超前校正作用，因此可以較好的改善動態(tài)性能[10]。u接著被送到了執(zhí)行機構(gòu)，這樣就獲得了新的輸出信號u，這個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，這個過程就這樣周而復(fù)始地進行。由式（44）、（45）、（46）可得數(shù)字PID位置型控制算式為： (47) (48)所謂增量型控制是指數(shù)字控制器的輸出是控制器的增量。 3）采用增量型算法，易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。在實際生產(chǎn)過程中，由于受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，常規(guī)控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳、對運行環(huán)境的適應(yīng)性較差。如下圖所示： 圖47 賽道中兩種引導(dǎo)線 Two guide wire in the racetrack 電機控制策略 驅(qū)動電機采用直流伺服電機，大賽選用飛思卡爾統(tǒng)一型號的伺服電機，這是因為直流伺服電機具有優(yōu)良的速度控制性能，它輸出較大的轉(zhuǎn)矩，直接拖動負(fù)載運行，同時它又受控制信號的直接控制進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。4）電機的負(fù)載特性硬，有較大的過載能力，確保運行速度不受負(fù)載沖擊的影響。舵機插頭及舵機隨時間的線性變化曲線如圖47所示：脈寬/μs1250750250–42轉(zhuǎn)角/（o）+42脈寬轉(zhuǎn)角（+為順時鐘方向））舵機插頭GNDVCC信號線BLACKREDWHRIT圖48 舵機插頭及舵機隨時間的線性變化曲線 The variation curve of servo plug and servo along with time linear 舵機由伺服電機構(gòu)成，其轉(zhuǎn)動角度取決于控制端的輸入脈沖。%時舵機指向0176。~42176。為了縮短A/D的采樣時間，縮短采樣周期，增加采樣點數(shù)。fBus_Clk = fPLL/2。 CRGFLG=0X40。 PWM模塊初始化 PWM模塊有8路8位的獨立的PWM通道，每個通道都配有專門的計數(shù)器，可獨立的設(shè)置周期和占空比，也可以將兩個通道合起來作為一路輸出，形成16位通道。 //0:左對齊輸出；1：中心對齊輸出PWMPRCLK =0x11。//0：ClockA作為相應(yīng)通道時鐘源 1：ClockSAPWMSCLB =16。PWMPER23 =20000。PWME =0xa8。VDDA和VSSA兩個引腳為ATD模塊提供工作電源和電源地。ATD0DIEN=0x00。 ATD0CTL3=0xA0。測速模塊所用的PT0口采用輸入捕捉的方式。 TCTL3 = 0X00。 TIE_C1I = 1。 本章小結(jié)本章對控制決策進行了分析，選擇了最優(yōu)控制路徑，在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上，分析并應(yīng)用了PID控制和PD控制，以達(dá)到更好的控制效果。整個過程使用的工具和元器件都非常簡化，所以在制作的過程中容易實現(xiàn)。6 結(jié)論 系統(tǒng)調(diào)試方面結(jié)論在整個的開發(fā)過程中，系統(tǒng)的調(diào)試時間占了很大的一個比重，特別是在開發(fā)的后期階段，系統(tǒng)的調(diào)試對系統(tǒng)的性能起決定性的作用。靜態(tài)調(diào)試也包括在整個系統(tǒng)設(shè)計完成之后，來調(diào)試舵機的轉(zhuǎn)向，來檢驗其性能是否達(dá)到設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)，也可以對驅(qū)動電機進行調(diào)試，測試不同電池電壓情況下及不同PWM脈寬輸出時的電機速度特性，以及整個系統(tǒng)的聯(lián)級。 總結(jié)經(jīng)過四個月時間的準(zhǔn)備，我完成了計劃中所需完成的內(nèi)容。② 系統(tǒng)硬件設(shè)計在硬件設(shè)計過程中，按照先總體后局部的原則，即先按照要求從理論上進行分析、構(gòu)建系統(tǒng)的總體框架，然后將系統(tǒng)局部化、具體化，分成幾個大的模塊進行設(shè)計。軟件設(shè)計使用的是Metrowerks公司專門為freescale公司開發(fā)的CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境。① 舵機響應(yīng)延時問題。針對這一問題，采用如下措施：首先，加大舵機工作電壓，增加舵機抗負(fù)載能力。除了調(diào)整賽車機械結(jié)構(gòu)，只能通過彎道減速的辦法，實現(xiàn)平穩(wěn)順滑過彎。穩(wěn)定可靠的獲取當(dāng)前速度，對于賽車調(diào)試來說，具有相當(dāng)重要的意義。電機調(diào)速的精確控制，隨著比賽競爭的激烈，對車速的要求越來越高，因此，只有將車速控制更接近理論極限速度，從而要求對電機的控制更為精確。3）軟件控制算法方面。張老師嚴(yán)謹(jǐn)求實，敢于探索的治學(xué)態(tài)度，認(rèn)真細(xì)致的工作作風(fēng)，不但使本人的專業(yè)知識水平有很大的提高，而且為人方面也收益菲淺，這里特別向張老師致以誠摯的謝意。單片機由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。其中最成功的是INTEL的8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。90年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術(shù)得到了巨大提高。當(dāng)代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機上?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機。 單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。同時，學(xué)習(xí)使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 單片機是靠程序運行的，并且可以修改。 單片機在硬件資源方面的利用率必須很高才行，所以匯編雖然原始卻還是在大量使用。它由主機、鍵盤、顯示器等組成。因為它體積小，通常都藏在被控機械的“肚子”里?，F(xiàn)在有些工廠的技術(shù)人員或其它業(yè)余電子開發(fā)者搞出來的某些產(chǎn)品，不是電路太復(fù)雜，就是功能太簡單且極易被仿制?！皠?chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。 單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了SOC化趨勢。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機