【正文】 （ 2）本設(shè)計(jì) 中軟件控制 的 關(guān)鍵在于 把 一種 基于分段的路徑識(shí)別方法 和 PID 算法 加入智能玩具 小車(chē)的設(shè)計(jì)中， 因此 在復(fù)雜的路徑 條件 下，小車(chē)依然能夠較好的完成 預(yù) 定 功能。 無(wú)線模塊功能和 液晶顯示正常。 圖 測(cè)試場(chǎng)地示意圖 測(cè)試記錄數(shù)據(jù)如下表 和表 。其中選取 其中兩個(gè)傳感器進(jìn)行 5次硬件測(cè)試記錄如下表 ： 表 尋跡硬件測(cè)試記錄 測(cè)試次數(shù) 第 1 次 第 2 次 第 3 次 第 4 次 第 5 次 放置位置 雙管黑線上 左管黑線上 右管黑線上 左管黑線上 雙管黑線上 放置距離 3CM 2CM 2CM 3CM 5CM 電壓 電壓 由上表可以看出小車(chē)的尋跡紅外線管只要放置在離地面 4CM 之內(nèi)一般都可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸出，而實(shí)際車(chē)頭離地面的距離也只有 2~4CM，可以實(shí)現(xiàn)有效控制。 系統(tǒng)調(diào)試 本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分：硬件調(diào)試，軟件 參數(shù) 調(diào)試和場(chǎng)地 實(shí)際 調(diào)試。 小車(chē)的車(chē)體是控制電路平臺(tái)的載體。如果只進(jìn)行寫(xiě)操作，主機(jī)只需忽略接收到的字節(jié)；反之，若主機(jī)要讀取從機(jī)的一個(gè)字節(jié)，就必須發(fā)送一個(gè)空字節(jié)來(lái)引發(fā)從機(jī)的傳輸。 （ 2） MOSI 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入。 void Servo_Angle_Set(unsigned char k) { unsigned int pwmval。 小車(chē) 電機(jī) 前進(jìn) 的控制程序如下： void Motor_Go(void) { GPIO_SetBits (GPIOC, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_2)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)， PWM 頻率為 1~10Khz 時(shí)，電機(jī)的調(diào)速性能較好，這里我們使用 2KHz。 電動(dòng)機(jī) PID 控制 為了使智能玩具車(chē)在直道上以較快速度運(yùn)行，在轉(zhuǎn)彎時(shí)防止汽車(chē) 沖出跑道，則必須將智能車(chē)的速度降低，這就要求智能車(chē)的速度控制具有良好的加、減速功能 [7]。反 之 T1 大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可以使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。 PID 控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠、調(diào)整方便 ，因此問(wèn)世 70 多年來(lái) 成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 （ a） （ b） （ c） 圖 S 型彎的循跡 U 型彎道與 S 型彎道類(lèi) 似，先要判斷是否為特殊彎道，在進(jìn)一步判斷彎道類(lèi)型。將傳感器當(dāng)前數(shù)據(jù)和上一次檢測(cè)數(shù)據(jù)共同參與路徑判斷，能夠提高識(shí)別的精確度。需要注意的是，該流程圖是單一子程序算法的流程，因此僅僅代表算法的一部分，當(dāng)小車(chē)路徑不為設(shè)定的直道或簡(jiǎn)單彎道時(shí)，流程圖實(shí)際上箭頭是指向結(jié)束的。處于對(duì)穩(wěn)定性的考慮，避免小車(chē)在直道進(jìn)入彎道時(shí)沖出賽道，賽車(chē)在連續(xù)直道時(shí)不能開(kāi)足馬力，全速前進(jìn)，影響小車(chē)性能。 } 下面列出的是整個(gè)程序的宏定義以及全局變量定義： define CLP // 定義的是觸碰開(kāi)關(guān)端口 CLP define Near // 定義的是接近傳感器端口 Near define SS1 // 下面定義的是 SS1~SS5 這 5 個(gè)光電傳感器的端口 define SS2 define SS3 define SS4 define SS5 define Servo_PWM // 定義舵機(jī)信號(hào)端口 define Motor_L_PWM // 定義左電機(jī) PWM 端口 define Motor_R_PWM // 定義右電機(jī) PWM 端口 define Motor_Dead 15 // 電動(dòng)機(jī)死區(qū)補(bǔ)償 define Motor_MAX 250 define Motor_MIN 250 float Gyro_Data, // PID 參數(shù) 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 speed_P=, speed_I=。整體的控制使用 5ms 定時(shí)器中斷，所有的控制環(huán)節(jié)都在中斷服務(wù)子程序中運(yùn)行。為了 擺脫 線纜的束縛，可以采用無(wú)線通信方式。 最終經(jīng)過(guò) PCB 設(shè)計(jì)制 做 的模塊實(shí)物如圖 所示。 圖 光電對(duì)管檢測(cè)電路原理圖 小車(chē)循跡原理是 當(dāng) 小車(chē)在畫(huà)有黑線的白 色 路面上行駛 時(shí) ，由于黑線和白 色地板 對(duì) 紅外 光線的反射系數(shù)不同， 因此 可根據(jù) 傳感器 接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷黑線。 光電式脈沖傳感器可以將機(jī)械唯一、轉(zhuǎn)角或速度變化轉(zhuǎn)換成點(diǎn)脈沖輸出。 圖 舵機(jī)實(shí)物圖 圖 舵機(jī)的伺服系統(tǒng) 舵機(jī)的伺服系統(tǒng)由可變寬度的脈沖來(lái)進(jìn)行控制， 其波形類(lèi)似與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的 PWM 波形。 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 圖 2403ND 直流 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 實(shí)物圖 接口定義 在 2403ND 驅(qū)動(dòng)模塊的接口 定義 中， +5V 和 GND 為控制信號(hào)電源，如果控制信號(hào)為 ，那么 +5V 接 ； ENA、 ENB 分別為電機(jī)接口 1 和電機(jī)接口 2 的使能信號(hào)，可以外接 PWM； IN1~IN4 為兩路電機(jī)正反轉(zhuǎn)、制動(dòng) （ 或稱(chēng)剎車(chē) ） 控制信號(hào)。 圖 H 橋原理電路 如圖 所示為最基本的 H 橋原理電路圖 ， H 橋 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 是用 4 個(gè) 功率開(kāi)關(guān)管（ 三極管 或 MOSFET）倆倆級(jí)聯(lián)， 電機(jī) 兩端分別接上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管 。想實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速，并不能像普通玩具車(chē)一樣用恒定電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電。 表 給出了智能玩具車(chē)常用模塊的供電需求情況。這個(gè)部分是該智能小車(chē)系統(tǒng)的執(zhí)行部門(mén)，它將上一部分處理的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的速度、角度等物理量。 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 最終方案選擇 綜合以上各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)和本論文設(shè)計(jì)的智能玩具小車(chē)的實(shí)際要求，現(xiàn)將最終決定的設(shè)計(jì)方案列出： 硬件方案： （ 1） 主控芯片采用 ARM CortexM3 內(nèi)核的 STM32F103 嵌入式處理器； （ 2） 電源方案采用線性穩(wěn)壓模塊與 DCDC 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓模塊相結(jié)合。 可以選用大量成熟方案的 H 橋驅(qū)動(dòng)模塊。 電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊 方案 一 ：采用電阻網(wǎng)絡(luò) 和 數(shù)字 繼電器 構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路 ， 通過(guò)改變繼電器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而達(dá)到分壓的目的。線性穩(wěn)壓電源是 一種 工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源，是 經(jīng)典的 、 較早使用的電源電路。但是，目前看來(lái)， 51 平臺(tái)已經(jīng)過(guò)于老舊了，硬件性能也開(kāi)始捉襟見(jiàn)肘，軟件開(kāi)發(fā)局限性較大，不利于后續(xù)產(chǎn)品升級(jí)。 因此本文研究 的 智能玩具車(chē)忽略其機(jī)械、電氣性能，著重于自動(dòng)控制硬件系統(tǒng)和軟件算法的研究。 目前對(duì)智能車(chē)輛的研究主要致力于提高汽車(chē)的安全性、舒適性，以及提供優(yōu)良的人車(chē)交互界面 [1]。本文實(shí)現(xiàn)的智能玩具小車(chē)，通過(guò)對(duì)玩具車(chē)電子硬件 、傳感器設(shè)計(jì) 和對(duì)嵌入式處理器軟件的編程、調(diào)試，設(shè)計(jì) 了 根據(jù)不同路徑環(huán)境下的循跡控制算法，完成了玩具小車(chē)在規(guī)定路徑上的智能循跡行駛功能。 關(guān)鍵詞 ：智能循跡小車(chē)；嵌入式；傳感器；自動(dòng)控制 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 II Abstract Intelligent Vehicle is a collection of environmental awareness, planning decisions, multilevel driver assistance functions in an integrated system, which focused on the use of puters, modern sensor, information fusion, munications and automatic control technology. This thesis simulated intelligent unmanned vehicles, to achieve its basic functionality through the toy car. Among them, the use of embedded microprocessors and various sensors on the installation and toy car to achieve its induction surroundings change, access to road information, after processing, realtime munication with the puter via the wireless munication module. Implementation of this intelligent toy car, toy cars by electronic hardware and sensor design modifications and programming software for embedded processors, debugging, design control algorithms based on tracking different paths environments, finished toy car on a predetermined path intelligent tracking travel functions. Keyword: Intelligent TrackingVehicle。近年來(lái)， 隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展， 智能車(chē)輛 與下一代移動(dòng)通信技術(shù)和云計(jì)算相結(jié)合， 己經(jīng)成為世界車(chē)輛工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和汽車(chē)工業(yè)增長(zhǎng)的新動(dòng)力，很多發(fā)達(dá)國(guó)家都將其納入到重點(diǎn)發(fā)展的智能交通系統(tǒng)當(dāng)中 [2]。 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 2 設(shè)計(jì)方案 硬件設(shè)計(jì)方案 在智能玩具小車(chē)的整體設(shè)計(jì)中硬件的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。并且，片上系統(tǒng)集成度較低，實(shí)際運(yùn)用需要大量的外圍電路，不利于系統(tǒng)的小型化和穩(wěn)定性。線性穩(wěn)壓直流電源的 優(yōu) 點(diǎn)是 反應(yīng)速度 最 快、輸出紋波小，工作噪聲低；然而，它的的缺點(diǎn)是 在大功率條件下電源 效率較低、發(fā)熱量大。但 該方案的缺點(diǎn)就是繼電器的工作頻率有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高頻 PWM調(diào)節(jié) 。 循跡電路 方案一：采用發(fā)光二極管 （ LED） 或著 鹵素?zé)舻?其他外部光源 ，用光敏二極管 或顏色傳感器 接收 發(fā)射的光線信息 。 （ 3） 電機(jī) 和 驅(qū)動(dòng) 模塊 采用 集成 MOS 管電機(jī)驅(qū)動(dòng) ，小車(chē)轉(zhuǎn)向采用舵機(jī)控制； （ 4） 循跡電路 傳感器采用集成式光電傳感器，小車(chē)行駛時(shí)記錄編碼器的輸出脈沖； 軟件方案： （ 1） 開(kāi)發(fā)軟件 采用 MDKARM 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 （ 2） 調(diào)試軟件采用 串口調(diào)試助手軟件 和 JLINK 仿真軟件 。 （ 3） 信息交互部分包括 LCD 顯示模塊和無(wú)線通信模塊。 表 智能車(chē)常用模塊的電壓需求情況 模塊名稱(chēng) 需求電壓 典型單元 單片機(jī)供電 舵機(jī)供電 編碼器供電 I/O 外設(shè) 光電傳感器 常用 IC 芯片 5~6V 5V 5V/ 5V 5V/ STM32F103VBT6 FUTABA S3003 歐姆龍 E6A2CW3C Nokia 5110 LCD BFD1000 緩沖 IC 供電根據(jù)需求而定 其中，除了舵機(jī)電壓可以提升至 6V 外，大多數(shù)供電電壓需求為 5V 或 ，而電池電壓為 12V。電動(dòng)機(jī)的控制是通過(guò)脈寬調(diào)制（ PWM）實(shí)現(xiàn)的。導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)管 子就能使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，而每一側(cè)的開(kāi)關(guān)管不允許同時(shí)導(dǎo)通。控制邏輯如表 和表 所示。 控制線是用來(lái)傳送脈沖的。光電編碼器的最大特點(diǎn)就是 傳感器檢測(cè)非接觸 ， 不收機(jī)械運(yùn)動(dòng)的抖動(dòng)誤差影響， 因此它的 響應(yīng)快 、精度高、可靠性高。紅外對(duì)管裝有一對(duì)紅外發(fā)射管和紅外接收管，紅外 光 在不同顏色的表面具有 不同的 反射性質(zhì) 。 圖 循跡模塊實(shí)物圖 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 輔助及調(diào)試電路設(shè)計(jì) 在智能玩具車(chē)基本硬件模塊組裝完成之后還需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行調(diào)試，在調(diào)試過(guò)程中需要一些輔助的調(diào)試設(shè)備。 圖 NRF24L01 模塊實(shí)物圖 常用的無(wú)線通信模塊為 NRF24L01， 圖 為該模塊的實(shí)物圖。 圖 主程序流程圖 以下是主程序的基本框架： int main(void) { 軟硬件初始化 ()。 float speed。 因此，提出了一種改進(jìn)型方案，如圖 所示 ， 把 最 中間的傳感器 SS3 提到前面來(lái)。 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 圖 直道及簡(jiǎn)單彎道程序流程圖 垂直交叉路口的循跡方法 若小車(chē)行駛的賽道出現(xiàn)垂直的交叉路口，出現(xiàn)兩種情況， T 型路口和十 字路口，如圖 所示。 可以得出垂直交叉路口的算法程序流程圖，如圖 所示。如圖 所示， 判斷最邊上的傳感器（ SS1 或 SS5） 是否檢測(cè)到黑線，轉(zhuǎn)彎一段路程進(jìn)入到彎道中部，此時(shí)再判斷各個(gè)傳感器狀態(tài)。當(dāng)被控制對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其他技術(shù)難以應(yīng)用，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)參數(shù)必訓(xùn)靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)決定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最方便 [7]。 微分調(diào)節(jié)作用反應(yīng)系統(tǒng)信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此