【正文】 導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)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(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。現(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。它由主機(jī)、鍵盤、顯示器等組成。 單片機(jī)是靠程序運(yùn)行的，并且可以修改。 單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)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(jī)上。其中最成功的是INTEL的8031，因?yàn)楹唵慰煽慷阅懿诲e(cuò)獲得了很大的好評(píng)。張老師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)，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(shí)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。電機(jī)調(diào)速的精確控制，隨著比賽競(jìng)爭的激烈，對(duì)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(duì)電機(jī)的控制更為精確。除了調(diào)整賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)，只能通過彎道減速的辦法，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)順滑過彎。① 舵機(jī)響應(yīng)延時(shí)問題。② 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)在硬件設(shè)計(jì)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(jìn)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(gè)大的模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。靜態(tài)調(diào)試也包括在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，來調(diào)試舵機(jī)的轉(zhuǎn)向，來檢驗(yàn)其性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，也可以對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試，測(cè)試不同電池電壓情況下及不同PWM脈寬輸出時(shí)的電機(jī)速度特性，以及整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)級(jí)。整個(gè)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(shí)現(xiàn)。 TIE_C1I = 1。測(cè)速模塊所用的PT0口采用輸入捕捉的方式。ATD0DIEN=0x00。PWME =0xa8。//0：ClockA作為相應(yīng)通道時(shí)鐘源 1：ClockSAPWMSCLB =16。 PWM模塊初始化 PWM模塊有8路8位的獨(dú)立的PWM通道，每個(gè)通道都配有專門的計(jì)數(shù)器，可獨(dú)立的設(shè)置周期和占空比，也可以將兩個(gè)通道合起來作為一路輸出，形成16位通道。fBus_Clk = fPLL/2。~42176。舵機(jī)插頭及舵機(jī)隨時(shí)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(shí)鐘方向））舵機(jī)插頭GNDVCC信號(hào)線BLACKREDWHRIT圖48 舵機(jī)插頭及舵機(jī)隨時(shí)間的線性變化曲線 The variation curve of servo plug and servo along with time linear 舵機(jī)由伺服電機(jī)構(gòu)成，其轉(zhuǎn)動(dòng)角度取決于控制端的輸入脈沖。如下圖所示： 圖47 賽道中兩種引導(dǎo)線 Two guide wire in the racetrack 電機(jī)控制策略 驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流伺服電機(jī)，大賽選用飛思卡爾統(tǒng)一型號(hào)的伺服電機(jī)，這是因?yàn)橹绷魉欧姍C(jī)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(dòng)負(fù)載運(yùn)行，同時(shí)它又受控制信號(hào)的直接控制進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。 3）采用增量型算法，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無沖擊切換。u接著被送到了執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這樣就獲得了新的輸出信號(hào)u，這個(gè)新的輸出信號(hào)被再次送到感應(yīng)器以發(fā)現(xiàn)新的誤差信號(hào)，這個(gè)過程就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行。微分調(diào)節(jié)D作用：微分控制可改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，如減小超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時(shí)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。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(shí)現(xiàn)，使其成為工程中應(yīng)用最多的控制方法。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。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(shì)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。同時(shí)分析了系統(tǒng)的抗干擾措施。盡可能把干擾與敏感元件遠(yuǎn)離。 因此，抗干擾設(shè)計(jì)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。 幅度測(cè)量測(cè)量放大后的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值E可以有多種方法。如下圖所示： 圖319 工字磁材電感 The word magnetic inductance 信號(hào)選頻放大使用電感線圈可以對(duì)其周圍的交變磁場(chǎng)感應(yīng)出響應(yīng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。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(cè)范圍以及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小。由于磁場(chǎng)分布是以z軸為中心的同心圓，所以在計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度的時(shí)候我們僅僅考慮坐標(biāo)(x,y)。如果在通電直導(dǎo)線兩邊的周圍豎直放置兩個(gè)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(chǎng)向量的兩個(gè)垂直分量，進(jìn)而可以獲得磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。（2）霍爾效應(yīng)磁場(chǎng)測(cè)量方法：半導(dǎo)體霍爾傳感器、磁敏二極管，磁敏三極管。根據(jù)法拉第定律，線圈磁場(chǎng)傳感器的內(nèi)部感應(yīng)電壓E與磁場(chǎng)、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(dòng)勢(shì)方向可以用楞次定律來確定。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。安裝部位結(jié)構(gòu)如圖圖39所示：圖39 實(shí)際安裝 The actual installation 調(diào)試模塊 鍵盤模塊 我們采用4個(gè)按鍵構(gòu)成鍵盤，四個(gè)鍵用于調(diào)試參數(shù)。INH引腳為高電平，使能BTS7960。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(jìn)轉(zhuǎn)向等動(dòng)作，各部分都需要由電路支持，電源管理尤為重要。 圖33 晶振電路 The circuit of crystal oscillator 3）復(fù)位電路：雖然單片機(jī)片內(nèi)集成有上電復(fù)位電路，單片機(jī)上電時(shí)可自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，但加上一個(gè)手動(dòng)復(fù)位按鈕會(huì)給調(diào)試帶來方便。MC9S12XS128的最小硬件系統(tǒng)可以分為以下幾個(gè)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?？偩€頻率最高可達(dá)40 MHz。不論是某一路采集信號(hào)的誤判還是單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制的失當(dāng)，都會(huì)引起智能車在行駛過程中產(chǎn)生抖動(dòng)甚至偏離賽道。當(dāng)壓在輪胎上的重量或滑動(dòng)量發(fā)生改變的時(shí)候，這兩個(gè)因素的比例就會(huì)發(fā)生改變。滑動(dòng)量0100%μ摩擦系數(shù)圖26滑動(dòng)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(dòng)量，從0%(沒有滑動(dòng)，輪胎僅僅是向前滾動(dòng))，到100%(輪胎垂直于地面且垂直于車輛行進(jìn)的方向)。這也產(chǎn)生了所謂的“測(cè)滑角(Slip Angle)”。因?yàn)檩喬ナ擒囕v和地面的唯一聯(lián)系，而這個(gè)聯(lián)系僅僅取決于輪胎和地面的接觸面的摩擦力。但后輪側(cè)滑特別是轉(zhuǎn)彎時(shí)外側(cè)滑危險(xiǎn)性極大，因?yàn)樗鼤?huì)加大轉(zhuǎn)向角速度，導(dǎo)致越滑越烈，如“抱死”，路面越滑，制動(dòng)時(shí)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(shí)就會(huì)翻車。當(dāng)車輛在正常的過彎行進(jìn)中 (假設(shè)：無轉(zhuǎn)向不足亦無轉(zhuǎn)向過度)，此時(shí)4個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速(輪速)皆不相同，依序?yàn)椋和鈧?cè)前輪＞外側(cè)后輪＞內(nèi)側(cè)前輪＞內(nèi)側(cè)后輪。對(duì)于汽車的操縱性，操縱穩(wěn)定性好就必須有不足轉(zhuǎn)向特性，并且不足轉(zhuǎn)向不應(yīng)過大。圖23舵機(jī)安裝圖 Servo Installation Diagram 主控板的連接與固定 采用接插件與焊接結(jié)合的方式連接傳感器、主控板、編碼器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)、賽道起始檢測(cè)等單元，既考慮可靠性，又兼顧結(jié)構(gòu)調(diào)整與安裝的便利性。所以事先將車輪校偏一個(gè)外八字角度，這個(gè)角度約在1176。角度越大前輪自動(dòng)回正的作用就越強(qiáng)烈，但轉(zhuǎn)向時(shí)也越費(fèi)力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動(dòng)回正的作用就越弱。 傳感器的安裝傳感器采用的是2個(gè)磁場(chǎng)檢測(cè)電感一字均勻分布的布局安裝，如圖22所示。2 汽車模型機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 智能車的設(shè)計(jì)涵蓋了控制、模式識(shí)別、電子、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，但是總的來說歸納為硬件和軟件兩個(gè)方面。汽車制造商認(rèn)為，人工智能系統(tǒng)將能幫助人們駕駛，最終完全承擔(dān)駕駛?cè)蝿?wù)；研究者希望他們的技術(shù)將有助于減少交通事故。本文以第八屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽為背景，對(duì)智能車控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入的討論，以作者參與制作的智能模型車為例簡要介紹了智能模型車的設(shè)計(jì)制作全過程,主要涉及到機(jī)械、電子、傳感器技術(shù)、驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、自動(dòng)控制、人工智能等多個(gè)領(lǐng)域的研究及技術(shù)融合。本系統(tǒng)雖然只是一個(gè)模型，但具有充份的科學(xué)性、實(shí)用性和先進(jìn)性，對(duì)真實(shí)智能車控制系統(tǒng)所遇到的問題，都有所研究。 我國的發(fā)展現(xiàn)狀 我國于2006年8月舉辦第一屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽，此次比賽吸引了來自全國59所著名學(xué)校的112支代表隊(duì)的參與，大賽分預(yù)賽和決賽兩個(gè)階段。對(duì)于智能車系統(tǒng)來說擁有穩(wěn)定而結(jié)構(gòu)合理的硬件是智能車在比賽中取得好成績的基礎(chǔ)。 傳感器伸出車體一定的距離以獲得相應(yīng)的前瞻性[1]。 主銷后傾 主銷后傾是指主銷裝在前軸，上端略向后傾斜的角度。左右[2]。具體安裝結(jié)構(gòu)如圖24所示圖24 主控板的連接與固定 Connection with the fixed control board 重心調(diào)整 汽車重心的改變會(huì)影響汽車的動(dòng)力性、制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性、平順性和通用性等重要特性。謂不足轉(zhuǎn)向性，是指轉(zhuǎn)向盤保持一固定轉(zhuǎn)角的情況下，緩慢加速或以不同車速等速行時(shí)，隨著車速的增加，車輛的轉(zhuǎn)向半徑增大。此次所使用賽車配備的是后輪差速機(jī)構(gòu)。四輪側(cè)滑較少出現(xiàn)[4]。讓我們來看看摩擦力是如何產(chǎn)生的。在圖中右邊的部分，在兩個(gè)表面之間的滑動(dòng)處于支配地位。而縱軸表示摩擦系數(shù)，在圖中左邊的部分， 發(fā)生于輪胎內(nèi)部的滑動(dòng)處于支配的地位，就是常說的“輪胎蠕動(dòng)”。舉例說：當(dāng)滑動(dòng)量比較大的時(shí)候，變形力就會(huì)大于粘合力，占支配地位。所以，對(duì)智能車總系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和科學(xué)性就顯得尤為重要。S12X系列單片機(jī)目前又有幾個(gè)子系列：MC9S12XA系列、MC9S12XB系列、MC9S12XD系列、MC9S12XE系列、MC9S12XF系列、MC9S12XH系列和MC9S12XS系列。S12單片機(jī)片 較高的I/O電平有利于抗外界干擾，所以S12單片機(jī)特別適合于那些工作環(huán)境惡劣的控制系統(tǒng)。一般的人使用的阻容復(fù)位穩(wěn)定性較差，常常有按了復(fù)位沒反應(yīng)，要按一段時(shí)間才能復(fù)位的經(jīng)歷。一旦電源出現(xiàn)問題，各部分電路的功能將受到很大的影響。IN引腳用于確定哪個(gè)MOSFET導(dǎo)通。由于單片機(jī)IO口內(nèi)部有上拉電阻，按鍵可不接上拉電阻，串聯(lián)一個(gè)小的限流電阻接地，輸出口接單片機(jī)IO口。如下圖所示： 圖311 電流周圍的電磁場(chǎng)示意圖 Electromagnetic field around current schematic導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，按照一定規(guī)律分布。 由于本設(shè)計(jì)中導(dǎo)線通過的電流頻率較低位20KHz，且線圈較小，令線圈中心到導(dǎo)線的距離為，認(rèn)為小范圍內(nèi)磁場(chǎng)分布是均勻的。（3）各向異性電阻效應(yīng)（AMR）磁場(chǎng)測(cè)量方法。 不同的線圈軸線擺放方向，可以感應(yīng)不同的磁場(chǎng)分量。由于線圈的軸線是水平的，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反映了磁場(chǎng)的水平分量。我們需要選擇合適車模競(jìng)賽的檢測(cè)方法，除了檢測(cè)磁場(chǎng)的精度之外，還需要對(duì)于檢測(cè)磁場(chǎng)的傳感器的頻率響應(yīng)、尺寸、價(jià)格、功耗以及實(shí)現(xiàn)的難易程度進(jìn)行考慮。這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)具有以下特點(diǎn)：（1）信號(hào)弱：感應(yīng)電壓只有幾十個(gè)毫伏。最簡單的方法就是使用二極管檢波電路將交變的電壓信號(hào)檢波形成直流信號(hào)，然后再通過單片機(jī)的AD采集獲得正比于感應(yīng)電壓幅值的數(shù)值。 基于以上抗干擾設(shè)計(jì)的原則，在控制器的PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 1）抑制干擾源① ~1μ高頻電容，以減少IC對(duì)電源的影響。④ 在單片機(jī)口線，電源線，電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件，如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器、屏蔽罩等，可顯著提高電路的抗干擾性能。4 軟件設(shè)計(jì)根據(jù)此次我們對(duì)于智能車的整體設(shè)計(jì)方案，我們從傳感器得到的外部信息輸入有：電磁傳感器得到的中心線位置、速度傳感器得到的智能車即時(shí)速度。比賽中經(jīng)常會(huì)看到凈速度很快的車卻不能取得好成績，甚至不能完成比賽，原因分析如下：如果賽車在通過彎道時(shí)路徑不合理或者速度過快都容易發(fā)生側(cè)滑或者側(cè)翻，這兩種現(xiàn)象都會(huì)造成賽車的失控，是很危險(xiǎn)的。在通過直角彎的時(shí)候采取同樣的策略，如圖44所示。其缺點(diǎn)在于控制器的參數(shù)整定繁瑣，因此我們?cè)跐M足要求的情況下，選擇了PID速度控制，PD舵機(jī)控制。但應(yīng)當(dāng)注意，微分時(shí)間常數(shù)偏大或偏小時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量仍然較大，調(diào)節(jié)時(shí)間仍然較長，只有合適的微分時(shí)間常數(shù)，才能獲得比較滿意的過渡過程。 數(shù)字式PID增量式的PID算法公式如下： (44)由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。但增量型也有其不足之處，如積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差，溢出的影響大。在很多方面有優(yōu)越性，具體來說，它具有以下優(yōu)點(diǎn):1）具有較大的轉(zhuǎn)矩，以克服傳動(dòng)裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。可轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為90176。之間。