【正文】 圖 17 BDM 模塊框圖 Altium Designer 簡介 Altium Designer ，它是完全一體化電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的下一個版本。 第三節(jié)：詳細介紹了智能車硬件系統(tǒng)設(shè)計的具體內(nèi)容。 路徑檢測機構(gòu)的安裝路徑檢測機構(gòu)安裝示意圖如圖 32 所示： 路徑檢測機構(gòu)安裝側(cè)視圖路徑檢測機構(gòu)是一個布局了 14 個光電管的橫向電路板，其安裝過程中主要包括三個方面：：由于使用反射式紅外光電管來探測路徑（黑線），光電管距離地面的高度對路徑檢測的準(zhǔn)確度有很大影響，根據(jù)實驗測量，我們通過使用墊片將光電管固定在距地面大約 1cm 的高度；，光電管探測的前方黑線越遠，對小車速度的提高越有利，因此我們通過連桿將光電管電路板向前延伸了約 10cm；，兩個連桿平行連接小車及光電管電路板，在電路板前方受到碰撞壓力時連桿能夠歪斜，起到了壓力緩沖作用，這樣有利于小車碰撞時對電路板的損壞。由于賽道中存在軌跡指示黑線，落在黑線區(qū)域 內(nèi)的光電二極管接收到的反射光線強度與白色的賽道有顯著的差異，由此判斷行車的方向。隨后，根據(jù)該效應(yīng)生產(chǎn)的霍爾器件，既可以檢測磁場，也可以檢測電流，還可以檢測位移、振動以及其它只要能轉(zhuǎn)換成位移量變化的非電量的物理量。要提高測速的速度可以適當(dāng)增加 N 值，但相應(yīng)測到速度的精度就會下降，但考慮到實際運行系統(tǒng)對速度精度要求不高，所以在調(diào)試階段可以根據(jù)情況增減 N 值。本文即主要介紹這種直流電機的驅(qū)動及控制。如圖 411 所示，若 SS4 關(guān)斷，SS2 受 PWM 控制，假設(shè)高電平導(dǎo)通，忽略開關(guān)管損耗，則在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間為 t，周期為 T，則電機兩端的平均電壓為： U=Vcc t/T=αVcc ，其中，α=t/T 稱為占空比，Vcc 為電源電壓（電源電壓減去兩個開關(guān)管的飽和壓降）。 圖 311 PWM 的波形與轉(zhuǎn)角關(guān)系舵機的響應(yīng)時間對于控制非常重要，一方面可以通過修改 PWM 周期獲得。 控制算法的設(shè)計本來應(yīng)該從屬于軟件設(shè)計，但由于控制算法需要比較多的理論分析，而且控制算法在本系統(tǒng)中有著至關(guān)重要的作用，所以我們把控制算法的設(shè)計作為一章詳細介紹。如果偏離黑線，輸入為上一次的輸入，保證小車盡可能回到賽道上。 45 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖模糊控制的基本思想是把對特定的被控對象或過程的控制策略總結(jié)成一系列以 IF(條件)和 THEN(作用)形式表示的控制規(guī)則，通過模糊推理得到控制作用集，作用于被控對象或過程。規(guī)則庫用于存放語言控制規(guī)則，規(guī)則是基于專家知識或手動操作熟練人員長期積累的經(jīng)驗，按人的自覺推理的一種語言表示形式。去模糊化方法有最大隸屬度法，中位數(shù)法，加權(quán)平均，重心法，求和法或估值法等等，針對系統(tǒng)要求或運行情況的不同而選取相適應(yīng)的方法，從而將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量，用以實施最后的控制策略。為了實現(xiàn)快速性的要求，輸出隸屬函數(shù)采用單點值，采用單點值隸屬函數(shù)占用內(nèi)存少，運算速度快。根據(jù)以上幾點規(guī)則，可得模糊控制規(guī)則表如表 553 所示：輸出控制量PWMDTY1角度量01234567當(dāng)前速度001237777101236777201235677301234567401233456501232345601231234701230123 表 PWMDTY1 模糊控制規(guī)則表輸出控制量PWMDTY0角度量01234567當(dāng)前速度022210000122221000222222100322222210422222221 表 43 速度控制量 PWMDTY0 模糊控制規(guī)則表522222222622222222722222222 輸出量反模糊化為了減少運算量，在反模糊化前沒有對規(guī)則強度不同的相同后件進行處理，而是直接將得到的各后件用重心法得到模糊輸出量，如式 513 PWMDTYx = ∑ (Pi Fi )/∑ Pi 式 513式中 Pi 指各后件的概率，F(xiàn)i 指各后件對應(yīng)隸屬度函數(shù)中的值。軟件結(jié)構(gòu)框圖見圖 61： 圖 51 軟件結(jié)構(gòu)框圖程序流程如圖 62 所示： 開始 初始化 測量角度 舵機控制 電機控制 圖 52 主程序流程圖下面我將分別介紹各個模塊的實現(xiàn)原理和程序流程。 軟件結(jié)構(gòu)軟件主要包括：路徑識別、方向控制、速度測量、速度控制等四個模塊。規(guī)則 4：由高速行駛的直道突然轉(zhuǎn)為角度較大的彎道則要剎車。其隸屬度函數(shù)如圖 59 所示圖410 當(dāng)前速度隸屬度函數(shù)2. 輸出量的模糊化控制舵機驅(qū)動芯片包括兩個 PWM 波控制輸入端，一端輸入 PWM 波使車輪正轉(zhuǎn)，另一端輸入 PWM 波使車輪反轉(zhuǎn)，即起到制動作用。常見的模糊推理方法有最大最小推理和5..最大乘積推理兩種，可視具體情況選擇其一。2. 知識庫：由數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫組成。1974 年，英國的 首先用模糊控制語句組成模糊控制器，并把它應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機的控制，在實驗室獲得成功。其數(shù)學(xué)模型如下：以 14 個光電管的中心為坐標(biāo)原點，設(shè) 14 個光電管從左到右坐標(biāo)值如圖 53 所示： 圖 53 光電管坐標(biāo)設(shè)定值小車給定前進方向為前方直線方向，即給定值為坐標(biāo)原點 0，因此偏差即為黑線位置坐標(biāo)值，設(shè)為 angle。通過對整個電動車模型對電源的需求我們設(shè)計了如下電源模塊，如圖 413 所示 圖 313 電源模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由于電池組的輸出電壓只有 ，而輸出要求 5V 和 6V，不能使用最普通的并且常見的直流穩(wěn)壓電源芯片 7805 和 7806，因為他們要求輸入輸出電壓至少存在 3V 以上的壓差，所以我們選用了低壓降的 LM2940 作為 5V 電壓的穩(wěn)壓模塊，并且由于舵機和驅(qū)動電機對電源的影響很大，可能導(dǎo)致電源有較大紋波，為了盡可能的降低驅(qū)動電機和轉(zhuǎn)向舵機之間的干擾，我們采用兩套電源，另外選中 LM1117 專門為轉(zhuǎn)向舵機單獨提供電源，并且在電池組輸出端加上 1000u的電容，盡量減少電池組輸出電壓的波動。最終對用戶得到舵機的輸入輸出控制特性： 輸入←→舵盤角度 舵機的參數(shù)尺寸：**27.；重量：56g；工作速度: () ()；堵轉(zhuǎn)力矩: () ()；工作角度：45 度/400us； 舵機控制方法三線連接方法：黑線：底線；紅線：電源線；兩種標(biāo)準(zhǔn)：, 6V；藍線（黃線）：控制信號線；圖49 舵機輸入信號示意圖 本舵機采用 PWM 信號控制，對 PWM 波的要求入上圖 410 所示，PWM波的頻率必須在 50Hz 到 55Hz 之間。 由于電機在正常工作時對電源的干擾很大，如果只用一組電源時會影響單片機的正常工作，所以我們選用雙電源供電。我們所使用的電機一般為直流電機，主要用到永磁直流電機、伺服電機及步進電機三種。因此我們選用了霍爾開關(guān)型傳感器作為小車系統(tǒng)的測速元件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 45所示。由于控制輸出與控制輸入有一定延遲，一般的認(rèn)識是，在不受到外部因素影響的前提下，能夠感知前方的距離在一定范圍內(nèi)越遠，判斷越準(zhǔn)確，行駛效率越高。如圖 31 為系統(tǒng)硬件的頂層設(shè)計圖。機械設(shè)計的好壞直接關(guān)系到小車能否正常運行和小車的整體性能，除去車賽組委會提供好帶有四輪和電機的小車底盤，小車車模的機械設(shè)計主要包括小車機械整體布局、路徑檢測機構(gòu)的安裝、舵機的安裝、電路底板的安裝及測速機構(gòu)的安裝。AltiumDesigner 充分利用可得到的板卡空間和現(xiàn)代封裝技術(shù)，以更有效的設(shè)計流程和更低的制造成本縮短上市時間。BDM模式下的 S12 單片機就可以利用“偷”到的控周期，在應(yīng)用程序運行時動態(tài)的，實時地讀取 CPU 內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)，達到動態(tài)調(diào)試的效果。 BDM 開發(fā)工具 后臺調(diào)試模式（Background Debug Mode）是當(dāng)代單片機普遍采用的調(diào)試方式之一，在 BDM 模式下主要可以實現(xiàn)一下 3 個方面的功能[3]： 首先是應(yīng)用程序的下載與在線更新。 中心對齊方式周期計算方法左對齊方式：輸出周期 = 通道周期 PWMPERx中心對齊方式：輸出周期 = 通道周期 PWMPERx 2脈寬計算方法左對齊方式：占空比 = [ (PWMPERx PWMDTYx) / PWMPERx ] 100%中心對齊方式：占空比 = [ PWMDTYx / PWMPERx ] 100% 飛思卡爾核心板XS128_112 系統(tǒng)板使用說明歡迎使用智能車制作網(wǎng)站推出的 XS128_112 系統(tǒng)板，請在使用前仔細閱讀以下內(nèi)容：1. S1用來確定 BDM 接口定義模式，焊接 51 歐電阻至板上標(biāo)識的圓點處 BDM 接口為清華定義，否則為飛思卡爾定義。當(dāng)PWM使能后，計數(shù)器PWMCNT從0開始對時鐘信號遞增計數(shù)，開始一個輸出周期。其計算公式為：Clock SA=Clock A /(2*PWMSCLA)PWMSCLB 寄存器與PWMSCLA 寄存器相似，Clock SB 就是通過對PWMSCLB 寄存器的設(shè)置來對 ClockB 進行分頻而產(chǎn)生的。該寄存器用來實現(xiàn)幾個通道時鐘源的選擇。它相當(dāng)于一個開關(guān)，用來啟動和關(guān)閉相應(yīng)通道的 PWM 波形輸出。當(dāng)通道關(guān)閉或 PWM 計數(shù)器為 0 時，改變周期和脈寬才起作用。PWM 調(diào)制波有 8 個輸出通道，每一個輸出通道都可以獨立的進行輸出。 圖 14 舵機輸出結(jié)構(gòu)示意圖 此外，將驅(qū)動舵機脈沖波形的周期從原來的20ms減小到10ms增加舵機控制信號的更新頻率，減少舵機控制環(huán)節(jié)中延時。SRM 176。脈寬─轉(zhuǎn)角（+為順時針方向） 控制舵機的脈沖可以使用MCS9S12DG128 +45 的1路PWM產(chǎn)生。舵機本身是一個位置隨動系統(tǒng)。調(diào)試模塊顯示模型車控制電路的工作參數(shù)的方式有：1） 利用BDM開發(fā)工具的調(diào)試能力，顯示單片機運行時其內(nèi)部存儲器中的數(shù)據(jù)；2） 利用DG128核心板上提供的串口通信接口，實現(xiàn)單片機與計算機通信，將單片機中的運行狀況反映在計算機的調(diào)試軟件中；3） 制作無線通信模塊，可以將模型車在快速運行中的狀態(tài)，通過無線通信方式發(fā)送到計算機中進行在線實時監(jiān)控；4） 制作獨立的調(diào)試板，其中帶有LCD或者LED數(shù)碼管等可以顯示單片機內(nèi)部信息，有的隊伍選用了HD7279A43S擴展了LED數(shù)碼管以及鍵盤輸出；5） 利用單片機內(nèi)部的EEPROM或RAM對于模型車運行中的參數(shù)進行存儲，然后再通過串口或者BDM調(diào)試工具送到計算機進行后期分析。電機驅(qū)動電路的電源可以直接使用電池兩端的電壓?？梢允褂么蠊β示w管、全橋或者半橋電路，輸出PWM波形實現(xiàn)對于電機的控制。 智能控制方法是現(xiàn)在發(fā)展起來的最新控制方法，目前還在不斷完善和發(fā)展之中，模糊控制則是智能控制方法中的一種方法。 現(xiàn)代控制理論可以解決時變系統(tǒng)的控制問題，在時變系統(tǒng)中，輸入量和輸出量的關(guān)系隨時間的變化而變化。 圖 10 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 控制算法方案控制系統(tǒng)算法是整個系統(tǒng)設(shè)計的核心，是自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)“自動控制”的靈魂，控制算法的選擇和實現(xiàn)直接關(guān)系到系統(tǒng)工作的方式和性能。在待測旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)軸上裝上一個圓盤，在圓盤上裝上若干對小磁鋼，小磁鋼愈多分辨率越高。 速度檢測方案小車的實際行駛速度是小車速度控制的控制輸入量，準(zhǔn)確實時的測量小車的速度才能實現(xiàn)小車的速度控制，即縱向控制。光電管相對的感知距離較近并且只能提供非常少的前方車道的走勢信息。采用CCD最大的優(yōu)勢是通過對車輛前方圖像的處理我們能夠準(zhǔn)確的判斷出車輛前方較長一段距離跑道的走向，從而為當(dāng)前車輛狀態(tài)的控制提供了大量的信息，我們可以根據(jù)攝像頭