【正文】 飛思卡爾半導體公司資助舉辦的以 HCS12 單片機為核心的大學生課外科技競賽。 所以，這樣的競賽應該在全國高校范圍內大力推廣，使其成為高校學生的全民運動。所有傳感器在車前進行“一”字型排列，根據高電平的位置判斷黑線圖 模型車整體 第二章 模型車總體技術方案 3 的位置。所以，對 12 芯片的外圍電路進行了重新的設計和布置，重新制作電路板并將其它的功能模塊電路也整合到同一張電路板上，這樣不僅減輕了總重量更具有條理性也更穩(wěn)定。向驅動芯片 MC33886 輸出一定占空比的 PWM 信號驅動直流電機，并帶動后輪轉動。這其中使用 了 UA7805C 提供 5V 電壓，使用 L7806VC 提供6V 電壓。 紅外傳感器 所使用的紅外傳感器為電子市場中直接購買的集成產品 ,如圖 所示 。 在傳感器底部有三個接口，分別是電源線（ +）、地線（ ）、信號線（ 0）。 首先，使用集成紅外傳感器的缺點是它對路徑的檢測不是連續(xù)的，是離散的量。其二，由于比賽規(guī)則在傳感器的數量上做 了限制，在個體之間布置的過密的話，則傳感器整體的寬度也受到了限制，檢測范圍縮窄。由組委會統(tǒng)一制定的黑線寬度為 25mm。理論上講，傳感器伸出距離越長，越有利于模型車對賽道形狀的突然變化做出響應。 傳感器排列方式 傳感器的排列方式一般有“一 ”字型和“牛角”型，“一”字型很好理解，所謂“牛角”型是指從中間向兩側，傳感器的位置逐漸向前延伸，像一對牛角一樣。 同時，在模型車的調試過程中，通過對各種方案的實際使用效果比較發(fā)現(xiàn)，每一種方案都沒有絕對的優(yōu)勢和劣勢，只是每種方案對應的方向控制策略有所不同，最終模型車的行駛效果是相差甚微的。如果直流電機的驅動控制效果不好，也會造成直線路段速度上不去，入彎時速度過快等問題。具體的主程序流程圖如圖 所示。為了盡可能提高模型車的平均速度，應使模型車在直道以盡可能快的速度行駛，而在大彎和 S 彎受到賽道附著系數、舵機響應時間等物理極限的影響，應使模型車的速度控制在合理的范 圍內。右大彎目標轉速程序流程圖如圖 所示，直道和左大彎目標轉速程序流程圖與之相似。 flag1=1? t1++, t2=t3=0 t1z? Y Y 右大彎目標轉速 n1 過渡目標轉速 n1 N N 開始 結束 第四章 智能模型車系統(tǒng)控制軟件設計 17 圖 S 彎目標轉速程序流程圖 開始 有右側傳感器檢測值？ 利用數組記 錄黑線位置 s1=1 s1=0 Y N 有中間傳感器檢測值？ s2=1 s2=0 Y N 有左側傳感器檢測值？ s3=1 s3=0 Y N s1=s2=s3=1？ S 彎目標轉速 n1 Y N 過渡目標轉速 n1 結束 第一界 全國大學生智能汽車邀請賽技術報告 18 控制算法的實現(xiàn) 周期法測速 在智能模型車系統(tǒng)中，如果模型車速度控制效果不好，會造成直線路段速度上不去，入彎時速度過快等問題。本系統(tǒng)采用 T 法測速，下面將詳細介紹 T 法測速的原理特點，以及在模型車系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。因此，在模型車系統(tǒng)中，采用 T法測速，實現(xiàn)速度閉環(huán)控制速度檢測，是可行的。位置 PID算法要計算 u(k)，不僅需要本次的偏差信號 e(k)和 e(k1)而且還要在積分項把歷次偏差信號 e(j)進行相加。無論是采用位置式還是增量式 PID 算法，都需要選擇一組合適的參數和適當的采樣周期。 在模型車速度閉環(huán)的 PID 控制中，每產生一次輸入捕捉中斷，對速度進行一次采集，接著調用 PID 調節(jié)程序，對 速度進行調節(jié)。 圖 前排紅外傳感器的固定 圖 被拆除的減震彈簧 第一界 全國大學生智能汽車邀請賽技術報告 24 模型車絕大部分時間是在平整的二維賽道路面上行駛，其一般不會受到路面的沖擊力，所以減震器存在的意義并不大。每個電池座是通過一前一后兩個螺釘固定 在底盤上的。同 時，將紅外傳感器固定于后輪電機的支架上，能夠照射到環(huán)形紙的地方。其信號處理同反射式的傳感器一樣，都需要使用上拉電阻，前面詳細介紹過這里不再贅述。 方案三： 該方案使用的傳感器與方案二的相同，唯一不同的是沒有使用齒輪來產生脈沖。 舵機的升高方案 為了提高 舵機的響應速度，可以考慮延長舵機的擺臂。將三角形 OGH 繞 O圖 舵機升高位置確定 第五章 模型車機械部分安裝及改造 29 點向右旋轉 25? ，如圖 22HOG ，分別以 2G 和 2H 為圓心，以相對應的轉向拉桿長度為半徑畫圓，分別與直線 CD相交于 2L 和 2R 兩點。 1O 至 3G 3H 中點的距離即為延長后擺臂的長度。RS232 原是基于公用電話網的一種串行通信標準，推薦的最大電纜長度為 15m圖 電源電路 第六章 系統(tǒng)電路設計 31 （ 50 英尺），即傳輸距離一般不超過 15m。 在伺服系統(tǒng)中，一般都是需要雙向的四象限運行，對于 電機 放大器應圖 串行通訊接口電路 第一界 全國大學生智能汽車邀請賽技術報告 32 該能夠提供正的和負的電壓或電流 。速度檢測使用的是對射式紅外傳感器，數量為 1 只。 4） 反復試驗比較并最后確定了性能穩(wěn)定的速度傳感器。如果策略正確，最終行駛效果會比較理想。 3） 在經費允許的情況下，可以考慮加工制作一些關鍵性的替代零件，使其第一界 全國大學生智能汽車邀請賽技術報告 38 更靈活更耐磨，提高模型車的機械響應精度。 40 參考目錄 [1] 楊國田，白焰 編著 .Motorola 68HC12 系列微控制器原理、應用與開發(fā)技術 .北京：中國電力出版社， 2020 [2] 陶永華等編著 .新型 PID 控制及其應用 .北京：機械工業(yè)出版社 ， [3] 劉春華 .低壓直流電機控制技術 .北京： [4] 韓旭 . 電機驅動式油門伺服系統(tǒng)模塊化設計： [碩士學位論文 ] 北京理工大學， 2020 [5] 黃開勝，金華民，蔣狄南 . 韓國智能模型車技術方案分析 .電子產品世界， [6] 卓晴等 . 基于面陣 CCD 的賽道參數檢測方法 . 電子產品世界， [7] 周斌，李立國，黃開勝 . 智能車光電傳感器布局對路徑識別的影響研究 . 電子產品世界， [8] 陳宋，李立國，黃開勝 . 智能模型車底盤淺析 . 電子產品世界， [9] 余志生主編 .汽車理論 .北京：機械工業(yè)出版社， 1981 [10] 董景新等編著 .控制工程基礎 .北京：清華大學出版社 ， [11] 韓峻峰 等主編 .模糊控制技術 . 重慶 ： 重慶大學出版社 ， 2020 [12] 張幽彤主編 . MCS8098 系列實用大全 .北京：清華大學出版社， 1993 [13] 李鐵才，杜坤梅編著 .電機控制技術 . 哈爾濱 ： 哈爾濱工業(yè)大學出版社 ， 2020 [14] 陶永華 ,尹怡欣 ,葛蘆生編著 . 新型 PID 控制及其應用 . 北京 ： 機械工業(yè)出版社 ， 1998 [15] 王鑒光主編 . 電機控制系統(tǒng) . 北京 ： 機械工業(yè)出版社 ， 1994 41 附錄 A 源程序代碼 include /* mon defines and macros */ include /* derivative information */ /////*輸入捕捉中斷參數 *////////// unsigned int h,k,l,n2,n1。 float u=0,Kp=,Ki=。 第一界 全國大學生智能汽車邀請賽技術報告 42 q=l*9。 u=Kp*(e3e2)+Ki*e3。 e2=e3。 E2=E3。 INTCR=0。 //選時鐘 SA 作為通道 1 的時鐘源 //選時鐘 SB作為通道 3 的時鐘源 PWMCAE=0x00。 //設置 TC0 僅捕捉上升沿 DLYCT=0x01。 EnableInterrupts。 //1 燈 case 0x0003:N1=2。flag3=0。 flag1=1。break。flag2=0。 //5 燈 case 0x0030:N1=10。flag3=0。break。flag1=0。flag3=0。 //4 燈 case 0x0018:N1=8。flag2=0。break。 flag1=1。flag3=0。 //定時器使能 } /////////////////*主程序 *//////////// void main(void) { /* put your own code here */ DisableInterrupts。 //通道 1PWM 使能 //通道 3PWM 使能 //輸入捕捉 TC0 TIOS=0xFE。 //設定時鐘 SB=8MHz/5/2=800KHz PWMPOL=0x0A。 第一界 全國大學生智能汽車邀請賽技術報告 44 DDRJ=0xFF。 } if(U11235) {U1=1235。} else if(u1100) { u1=100。 } ////////*速度 PID 控制 *////////// void PID_Speed(void) { e3=n1n2。 l=t*65535+hk。 static unsigned char a[9]={0},N1=15,N2=15,z1=9,i=0,s1=0,s2=0,s3=0。 還要感謝清華大學本次大賽組委會邵貝貝教授、卓晴副教授 在技術上所給予的耐心的講解和熱情的幫助。將模型車行駛過程中的關 鍵數據 進行實時記錄，或通過無線傳輸即時傳送出來，或停車后讀取，進而進行分析。這些因素在模型車的行駛穩(wěn)定方面都有很大的影響 ，提早發(fā)現(xiàn)有助于更好地解決問題。 3） 精心設計了舵機的升高方案。實物如圖 所示。 傳送到負載（ 電機 ）上的功率值取決于開關頻率 、導通角度及負載電感的大小 。 串行通訊接口電路 串行通訊接口 電路的作用是使得 ECU可以與 PC 機的 RS232 串行接口 連接并進行通訊。 8） 過 3G 3H 的中點做垂線，其與直線 EF 的交點 1O ，即為舵機升高后的轉動中心。 做圖步驟： 1） 首先確定地平面 AB 以及距離地平面 32mm 的兩根轉向拉桿外側支點所在的高度線 CD； 2） 確定舵機轉動中心 O點所在的垂直線 EF，并根據其距地面的高度確定 O點在 EF 上的位置； 3） 測量出兩根轉向拉桿內側支點相對于 O點的位置關系，并在圖中確定其位置 GH（直向行駛時）； 4） 測量出左輪轉向拉桿兩支點間的長度為 67mm，以此距離為半徑，以 G點為圓心畫圓，圓與直線 CD 的交點為 L1， L1點即為左輪轉向拉桿的外側支點。齒輪帶動圓環(huán)轉動，利用圓環(huán) 和其上的小孔，實現(xiàn)對紅外光線的遮擋和通透，從而產生脈沖信號。 該方案特點：雖然增加了傳感器的種類，但是傳感器的原理不變，而且與前者相比較更增加了穩(wěn)定性。當發(fā)射端和接收端沒有被遮擋，接收到紅外光線時，信號輸出為低電平。 速度傳感器的安裝固定 方案一：此方案采用的速度采集裝置與用于路徑檢測的紅外傳感器一樣。這樣盡量利用底盤上本來就有的孔，可以避免改變車模底盤的強度和剛度，保持車模原有的特性。同時又足夠承受車模在沖出跑道撞擊時 產生的彎矩和力。在實際選擇采樣周期時，必須綜合考慮。另外，控制變量不宜過大，以免系統(tǒng)過載。為 方便計算機實現(xiàn) PID 控制，以一些采樣時刻點 kT 代替連續(xù)時間 t，用求和代替積分，用差商代替微分，對式（ 41）進行離散化，可得離散化后的 PID表達式： ? ?)1()(0 )()()( ??????? kekeDKkj jeIKkePKku （ 42） 式中， e(k)為 第 k 次采樣時的偏差值； k 為采樣序號 k=0， 1， 2? ； u(k)為第 k 次采樣時調節(jié)器的輸出， KI=KPT/TI為積分系數， KD=KPTD/T 為微分系數。 T法測速在模型車系統(tǒng)中可按下面的方法實現(xiàn)，首先，將速度傳感器輸出脈沖直接送入 MC9S12DG128B 的輸入捕捉通道 PT0，并設置速 度傳感器輸出脈沖的正跳變?yōu)橐粋€事件，這樣輸入捕捉寄存器 TC0 就自動捕獲速度傳感器輸出脈沖的正跳變；然后，根據控制器