【正文】 行平均計(jì)算，得到的數(shù)值便是該場(chǎng)的虛擬黑線中心的位置，舵機(jī)和電機(jī)根據(jù)這個(gè)值與目標(biāo)中心值進(jìn)行比較，小車根據(jù)這個(gè)偏差來做下一步的調(diào)整。 c(t) u(t)+++ + e(t) r(t)比例積分微分被控對(duì)象圖22 PID控制器原圖框圖 () ()式中，K為采樣序號(hào)，k = 0，1，2；r(k)為第 k 次給定值；c(k)為第 k 次實(shí)際輸出值；u(k)為第 k 次輸出控制量；e(k)為第 k 次偏差；(k1)為第 k1 次偏差；KP為比例系數(shù)；I為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)；J為采樣周期。因而產(chǎn)生了增量式 PID 控制的控制算法，所謂增量式 PID 是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量△u(k)。 PID參數(shù)整定運(yùn)用 PID 控制的關(guān)鍵是調(diào)整 KP、KI、KD 三個(gè)參數(shù)，即參數(shù)整定。圖23黑線位置與動(dòng)態(tài)Kp的二次函數(shù)曲線圖經(jīng)不斷調(diào)試，最終選擇了一組 PID 參數(shù)，得到了較為理想的轉(zhuǎn)向控制效果。在實(shí)際測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)小車直道和彎道相互過渡時(shí)加減速比較靈敏，與舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制配合得較好。在賽車左右后輪分別安裝一個(gè)伺服電機(jī)，控制剎車片抱死后輪，以達(dá)到剎車的功能，和實(shí)際車輛的剎車原理相似。綜合以上三種剎車方式，制定了快速減速的方案：在速度差較大時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，速度差較小時(shí)賽車滑行，效果良好。圖25 半橋驅(qū)動(dòng)原理圖 MOSFET組成的全橋驅(qū)動(dòng)使用MOS管搭的全橋電路，它的導(dǎo)通內(nèi)阻比以往使用的MC33886的內(nèi)阻要小的多，可以較快的實(shí)現(xiàn)智能車的加減速，其電路圖如圖26所示。圖27 BTS7970B組成的全橋驅(qū)動(dòng)原理圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BT7970B簡(jiǎn)介驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)芯片是采用兩塊BTS7970B半橋驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片負(fù)載電流可以達(dá)到63A，而內(nèi)阻為16 mΩ。在本文設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中，起到了隔離的作用，隔離的作用就是防止驅(qū)動(dòng)芯片損毀單片機(jī)I/O口。就目前常用的有四種方案可供選擇：(1)霍爾傳感器配合稀土磁鋼：在主后輪驅(qū)動(dòng)齒輪處，通過打孔，將幾塊很小的稀土磁鋼鑲在里面，然后將霍爾元件安裝在附近，通過檢測(cè)磁場(chǎng)變化，可以得到電脈沖信號(hào)，獲取后輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度。利用車模后軸的齒輪將轉(zhuǎn)速傳動(dòng)至編碼器，使編碼器輸出一定頻率的方波信號(hào)，在速度不太慢的情況下輸出與實(shí)際速度的線性關(guān)系較好。圖34 歐姆龍E6A2編碼盤實(shí)物圖表2 歐姆龍E6A2編碼盤核心參數(shù)表項(xiàng)目參數(shù)產(chǎn)品型號(hào)E6A2CS3C供電電壓5V（串聯(lián)穩(wěn)壓）輸出信號(hào)方波（需要上拉電阻）輸出方式單相產(chǎn)品規(guī)格直徑25mm 軸徑4mm 編碼盤的安裝和使用方式E6A2CS3C型編碼器的輸出方式為電壓輸出，因此本系統(tǒng)將編碼器的輸出接一個(gè)5K上拉電阻再與PT0口相連。根據(jù)系統(tǒng)電路板的資源，本設(shè)計(jì)方案中，使用PAD3—PAD15對(duì)傳感器進(jìn)行采樣，PWM2和PWM3口級(jí)聯(lián)后控制直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，PWM6和PWM7級(jí)聯(lián)后控制直流電機(jī)反轉(zhuǎn)，PWM0和PWM1級(jí)聯(lián)后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)角。在小車的調(diào)試過程中遇到了小車卡住停車的問題，經(jīng)過分析，找到了解決小車卡住停車的辦法：在小車行駛的過程中，賽車沖出跑道是常有的事。在CodeWarrior軟件中可以使用匯編語言或C語言，以及兩種語言的混合編程（邵貝貝，2004）。對(duì)在模型車的制作中我們得出了一些經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)如下。在算法方面，我們結(jié)合路況調(diào)整車速，做到直線加速，彎道減速，并在上一屆的基礎(chǔ)上做了控制算法的一些創(chuàng)新和改進(jìn)。 //Error[2]} PID。unsigned char flag=0。 _asm(nop)。 //使能定時(shí)器 PACTL = 0x40。//16位定時(shí)器初值設(shè)定。 //ClockA 8分頻=BusClock/8=6MHz 。 PWMDTY23=0。 //比例常數(shù)Proportional Const sptrIntegral =I_DATA。 //存儲(chǔ)誤差，用于下次計(jì)算 return(iIncpid)。 DDRB=0XFF。 g_Flagamp。 HAVE_NEW_VELOCITY) { PWM_Value=IncPIDCalc(CurrentVelocity)。 PIT_Init()。 //E[k－2]項(xiàng) sptrPrevError = sptrLastError。 //Error[1] sptrPrevError = 0。 //電機(jī)設(shè)置 1，3 通 PWMDTY01=0。 //選擇輸出模式為左對(duì)齊輸出模式 PWMPOL = 0xFF。 //8位定時(shí)器初值設(shè)定。 //通道0上升沿觸發(fā),通道 1 下降沿觸發(fā) OC7M = 0x00。 POSTDIV=0X00。 //標(biāo)志位////定義全局變量//unsigned int CurrentVelocity=0。 //微分常數(shù)Derivative Const int LastError。但實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)車子行駛不穩(wěn)定。7 總結(jié)在設(shè)計(jì)的過程中，我們不僅可以把所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際，還自學(xué)了大量新學(xué)科新知識(shí)。 開發(fā)軟件的使用與調(diào)試 開發(fā)軟件的使用本文采用大賽提供的Code 。圖38 NRF905無線模塊圖39 無線采集賽道圖 總體調(diào)試在每一部分子程序調(diào)試通過后，給外圍電路對(duì)所有子程序進(jìn)行整合，根據(jù)小車工作原理，編寫出完整的主程序。圖35 速度傳感器實(shí)物圖圖36 速度檢測(cè)模塊原理圖6 模塊調(diào)試及開發(fā)軟件的使用與調(diào)試 模塊調(diào)試在軟件設(shè)計(jì)中，要用到PWM 模塊、電源模塊以及無線模塊等。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組A/B相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測(cè)量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。同理排除光電傳感器的直射型方案。智能車要想在賽道上快速穩(wěn)定的運(yùn)行，就要做好加速和減速控制，也就是說，要選擇較好的速度傳感器。圖28 BTS7970BBTS7970引腳介紹如表1所示。同時(shí)BTS7970B輸入信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，直接與單片機(jī)相連就可以了，電路布線簡(jiǎn)單，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。我們采用的MOS管是IRF7832，內(nèi)阻4 mΩ，承載電流1620A ，與一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯MC33886 內(nèi)阻120mΩ，承載電流5A 相比，至少加速性能遠(yuǎn)勝于MC33886，同時(shí)獲取足夠的驅(qū)動(dòng)電流，還可以采用多片并聯(lián)的方式。由于本模型車后輪裝有差速器，允許左右輪和傳動(dòng)齒輪分別以不同速度轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)與賽車后輪轉(zhuǎn)向相反時(shí)，他們之間的摩擦力能使賽車很快減速。為了盡量提高直道上的車速并保持入彎后車速足夠安全，賽車必須能在最短時(shí)間內(nèi)剎車。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PID控制算法當(dāng)速度接近設(shè)定值時(shí)，采用了增量式 PID 控制算法，基本思想是直道加速，彎道減速。所以本文對(duì)P參數(shù)進(jìn)行了非線性處理，即非線性PD控制算法，其策略如下：(1) 將積分項(xiàng)系數(shù)置零，相比穩(wěn)定性和精確性，舵機(jī)在這種隨動(dòng)系統(tǒng)中對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的要求更高。但增量式 PID 也有其不足之處：積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影響大。 位置式PID控制算法位置式 PID 中，由于計(jì)算機(jī)輸出的 u (k) 直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如閥門)，u(k)的值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置(如閥門開度)是一一對(duì)應(yīng)的，所以通常稱公式()為位置式 PID 控制算法。PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差。第二次開始搜索時(shí)，就不全掃描了，在上一行的兩個(gè)基點(diǎn)位置，對(duì)本行的黑線進(jìn)行搜索，往外搜3個(gè)點(diǎn)(搜索范圍越小，抗干擾性越高，但容易丟失，所以搜索范圍要適當(dāng))。系統(tǒng)初始化檢測(cè)道路信息計(jì)算智能車位置智能車速度控制智能車方向控制輸出開始圖19 程序框圖中斷開始 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)采樣濾波是否有效？?jī)?chǔ)存數(shù)據(jù)重置標(biāo)志位恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)中斷返回否是圖20 定時(shí)器采樣中斷 路徑識(shí)別模塊由于本文側(cè)重于直流電機(jī)和舵機(jī)的控制系統(tǒng)，所以對(duì)于路徑識(shí)別模塊就做簡(jiǎn)單的介紹，使用的是CMOS動(dòng)態(tài)攝像頭OV5116。在對(duì)攝像頭的調(diào)試中，能查看所有采集點(diǎn)的對(duì)應(yīng)數(shù)值，從而找出對(duì)應(yīng)的黑線位置。復(fù)位可以通過選擇TBDML HCS12|Reset菜單命令或者單擊工具欄的快捷圖標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。(3)選擇BDM接口標(biāo)準(zhǔn)，如圖14所示，【Component】菜單中【Set Target…】選項(xiàng)。在CodeWarrior 軟件中可以使用匯編語言或C 語言，以及兩種語言的混合模式。在要求精度不高的情況下，PWM波可以用作D/A轉(zhuǎn)換，最簡(jiǎn)單的方法就是在PWM輸出口加入一個(gè)低通濾波，可以將PWM波轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。通常使用低電壓復(fù)位芯片MC34064，使上電復(fù)位更加可靠。標(biāo)準(zhǔn)的MC9S12XS128單片機(jī)的時(shí)鐘電路，通過把一個(gè)16HZ的外部晶振接到單片機(jī)的外部晶振輸入接口EXTAL和XTAL上，讓后利用MC9S12XS128內(nèi)部的壓控振蕩器(VCO)和鎖相環(huán)(PLL)把這個(gè)頻率提高到25HZ，使之作為單片機(jī)工作的內(nèi)部總線時(shí)鐘。MC9S12XS128的脈寬調(diào)制模塊(PWM)可設(shè)置成4路8位或者2路16位，邏輯時(shí)鐘選擇頻率。HC12核心是16位高速CPU12核，總線速度8MHZ；HCS12系列單片機(jī)以速度更快的CPU12內(nèi)核為核心，簡(jiǎn)稱S12系列，典型的S12總線速度可以達(dá)到25MHZ（清華大學(xué)Freescale MCU/DSP應(yīng)用開發(fā)研究中心，2010）。所以最終決定用PID算法，并且本文在PID算法中加入了bangbang算法，使得該算法的魯棒性更好，性能更佳。它的控制規(guī)律是以前人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的條件語句表示，容易設(shè)計(jì)掌握，對(duì)于被控對(duì)象的參數(shù)變化有很強(qiáng)的魯棒性。該算法實(shí)際是一個(gè)非線性控制器，它是根據(jù)偏差，將偏差按比例，積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。通過上述分析可知僅僅控制模型車以最快的速度運(yùn)行是不可以的。在設(shè)計(jì)控制算法時(shí)，要既能滿足跟隨系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)又能滿足恒值調(diào)節(jié)的穩(wěn)定特性。采用加長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂的舵機(jī)及合理的路徑搜索算法，可以增強(qiáng)智能車對(duì)軌跡的跟隨性能。智能車系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的路況和車速的當(dāng)前信息，控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，相應(yīng)地調(diào)整小車的行駛方向和速度；最終的目的是使智能車能快速、穩(wěn)定地按給定的黑色引導(dǎo)線行駛（卓晴，黃開生，邵貝貝，2007）。該單片機(jī)功能強(qiáng)大，完全能夠勝任小車的檢測(cè)和控制功能。所以要先對(duì)智能小車的模型和控制算法進(jìn)行正確分析設(shè)計(jì)（張鵬，徐怡，任亞楠，2008）。德國(guó)寶馬公司也提供了不菲的資助，邀請(qǐng)3名獲獎(jiǎng)學(xué)生到德國(guó)寶馬公司研究所訪問，2005年SUNMOON大學(xué)的參賽者獲得了這一殊榮，圖3為他們?cè)O(shè)計(jì)的智能車模型（黃開勝，金華民，蔣狄南，2006）。該車通過影像處理尋找道路，周圍景物被處理成3D影像。進(jìn)入21世紀(jì)，為促進(jìn)無人駕駛車輛的研發(fā)，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目局(DARPA) 從2004年起開始舉辦機(jī)器車挑戰(zhàn)大賽(Grand Challenge)。利用開發(fā)工具CodeWarrior進(jìn)行編程開發(fā)，用BDM進(jìn)行程序下載，利用串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行在線調(diào)試。本智能小車以飛思卡爾公司的16位單片機(jī)MC9S12XS128B為核心控制器，利用CMOS視頻傳感器采集路況信息，配合速度傳感器、電機(jī)、舵機(jī)、電池等組成的電路進(jìn)行信息處理，以達(dá)到路徑識(shí)別的目的，控制模型車高速穩(wěn)定地在跑道上行駛。 and according to the characteristics of the smart car system, the digital PID algorithm is improved, the proportion parameter method is automatically adjusted, to improve the dynamic characteristics of the system。整個(gè)賽道有急轉(zhuǎn)彎、隧道、路口還有山路，比賽要求參賽車輛能夠自主完成全部路程。圖2 “途銳”行駛圖韓國(guó)大學(xué)生智能模型車競(jìng)賽是韓國(guó)漢陽大學(xué)汽車控制實(shí)驗(yàn)室在飛思卡爾半導(dǎo)體公司資助下舉辦的以 HCS12單片機(jī)為核心的大學(xué)生課外科技競(jìng)賽。比賽計(jì)時(shí)由電子計(jì)時(shí)器完成并實(shí)時(shí)在屏幕顯示，最終成績(jī)?nèi)Q于賽車最快單圈時(shí)間、技術(shù)報(bào)告評(píng)分以及賽車沖出賽道次數(shù)的綜合評(píng)判。單片機(jī)必須把路徑的判斷、相應(yīng)的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制以及直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制精密地結(jié)合在一起。(4)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)模型車上的舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，達(dá)到快速準(zhǔn)確控制賽車方向。(2)當(dāng)小車遇到十字交叉路段或是脫離軌跡等特殊情況時(shí)，智能車應(yīng)當(dāng)保持與上次正常情況一致的方向行駛，速度則相應(yīng)降低。此外，系統(tǒng)還完成了對(duì)加長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂舵機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)與車速的配合控制。首先，當(dāng)模型車近似沿著道路中心線運(yùn)行時(shí)，改變舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角即可改變模型車前輪轉(zhuǎn)向，并改變模型車與道路中心線的相對(duì)位置，位置的改變量近似等于舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的隨著距離的積分。該時(shí)間延遲使得模型車的動(dòng)態(tài)性能變差，甚至使得模型車沖出跑道，該特性在設(shè)計(jì)算法時(shí)應(yīng)該特別重視。換言之，當(dāng)黑線不在賽車中央的時(shí)候，賽車即產(chǎn)生了一個(gè)水平偏差，此時(shí)應(yīng)用PID控制算法來消除這個(gè)水平偏差，從而達(dá)到讓黑線保持在賽車中央的目的。直道上采用最高速加速，在進(jìn)入彎道之前提前進(jìn)行減速，減至過彎的極限最高車速，對(duì)于不同半徑的彎道，選擇不同的車速。 for HCS12軟件。S12X系列單片機(jī)目前又有幾個(gè)子系列