【正文】 詳細介紹了智能小車系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及其硬件設(shè)計。MC9S12XS128就是S12X系列中的一個成員[5]。由于S12單片機內(nèi)部集成了電壓調(diào)整器模塊，電壓調(diào)整器模塊產(chǎn)生單片機內(nèi)部需要的其他電壓，因此只要向S12單片機提供+5V外部電源就可以了。而且如果使用上電復(fù)位，容易產(chǎn)生復(fù)位不成功。電源系統(tǒng)是整個系統(tǒng)能否穩(wěn)定工作的關(guān)鍵所在，其標稱容量為2000mAh，該電池可在2A的工作電流下持續(xù)工作1小時。IN=1且INH=1時，高邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出高電平；IN=0且INH=1時，低邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出低電平。當(dāng)沒有鍵按下時，IO讀入高電平，有鍵按下是，IO口讀入低電平，電路如310所示。通過檢測相應(yīng)的電磁場的強度和方向可以反過來獲得距離導(dǎo)線的空間位置，這正是我們進行電磁導(dǎo)航的目的。再根據(jù)導(dǎo)線磁場分布規(guī)律，則線圈中感應(yīng)電動勢可近似為： (35) 即線圈中的感應(yīng)電動勢的大小正比于電流的變化率，反比于線圈中心到導(dǎo)線的距離。（4）載流子自旋相互作用磁場測量方法：自旋閥巨磁效應(yīng)磁敏電阻、自旋閥三極管磁場 傳感器、隧道磁致電阻效應(yīng)磁敏電阻。我們先討論一種最簡單的線圈設(shè)置方案：雙水平線圈檢測方案。根據(jù)上面(35)公式可以知道感應(yīng)電動勢大小與成正比[8]。由于霍爾元件和磁阻傳感器的檢測精度比較低，價格比較高。在檢測幅值之前必須進行有效的放大，放大倍數(shù)一般要大于100倍（40db）。圖321傳感器電路 Sensor circuit 硬件的抗干擾措施 硬件干擾的基本要素有三個： 1）干擾源：指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號。② 布線時避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。 3）提高敏感器件的抗干擾性能① 布線時盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。要進行的外部控制輸出有：舵機轉(zhuǎn)向輸出、驅(qū)動電機動力輸出、以及調(diào)試用的狀態(tài)信息通過LCD顯示輸出。側(cè)翻現(xiàn)象可以通過降低汽車重心的辦法來避免。規(guī)則規(guī)定，賽道上中心線的最小半徑是50cm，采用中一內(nèi)一外的過彎路徑可以使賽車實際行駛的半徑在180176。圖45 小S彎最優(yōu)軌跡 Optimal track for Sangle 舵機調(diào)節(jié)經(jīng)實際調(diào)試，舵機采用PD控制方可確保其閉環(huán)穩(wěn)定性。此外，微分作用也使得系統(tǒng)對擾動變得敏感。因此連續(xù)PID控制算法不能直接使用，需要進行離散化處理。三個參數(shù)選擇的好壞，直接影響到控制效果的好壞，合理的參數(shù)會使控制效果優(yōu)良，不合理的選擇會使系統(tǒng)的動靜態(tài)性能變差，有時甚至使系統(tǒng)閉環(huán)不穩(wěn)定。2）調(diào)速范圍寬，高精度，機械特性及調(diào)節(jié)特性線性好，且運行速度平穩(wěn)。到90176。舵機被放置在車體的最前方，控制前輪的轉(zhuǎn)向。 //鎖相環(huán)電路允許SYNR =0XC7。通過配置寄存器可設(shè)置PWM 的使能、每個通道脈沖極性、輸出脈沖的對齊方式、時鐘源以及通道位數(shù)（8位通道或者16位通道）。PWMPER01 =20000。ATD模塊共有20個外部引腳，其中有4個電源相關(guān)引腳和16路模擬量輸入引腳。 ATD0CTL1=0x20。 PERT = 0XFF。 TSCR1_TFFCA = 1。所以本設(shè)計對汽車的設(shè)計，實現(xiàn)其職能汽車的自動道路識別也是對智能汽車這個大的方向研究的一個方面，即具有很強的理論性，也包含現(xiàn)況的要求。實時記錄各個電磁傳感器信號、車速信號、電池電壓信號、舵機轉(zhuǎn)向信號，以分析各種控制策略的好壞及控制參數(shù)的優(yōu)劣。每個模塊的設(shè)計都是經(jīng)過查閱資料、科學(xué)論證、方案驗證、電路設(shè) 塊的性能得以優(yōu)化和完善。由于賽車高速運行，控制算法頻率為50Hz，因此每20ms，就需向舵機發(fā)送一次控制命令。③ 賽車實際速度獲取速度檢測是為了反饋小車當(dāng)前速度，了解當(dāng)前狀態(tài)并決定控制策略的一個環(huán)節(jié)。2）硬件傳感器方面。最后，還要感謝我的家人，感謝他們的默默付出和對我的支持。基于這一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。 單片機比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。一個不是很復(fù)雜的功能要是用美國50年代開發(fā)的74系列，或者60年代的CD4000系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大PCB板！但是如果要是用美國70年代成功投放市場的系列單片機，結(jié)果就會有天壤之別！只因為單片機的通過你編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于單片機對成本是敏感的，所以目前占統(tǒng)治地位的軟件還是最低級匯編語言，它是除了二進制機器碼以上最低級的語言了，既然這么低級為什么還要用呢？很多高級的語言已經(jīng)達到了可視化編程的水平為什么不用呢？原因很簡單，就是單片機沒有家用計算機那樣的CPU，也沒有像硬盤那樣的海量存儲設(shè)備。這種計算機就是把智能賦予各種機械的單片機（亦稱微控制器）。 單片機誕生于20世紀70年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段。 Philips公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢，將MCS51從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。因此，單片機的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。 （Micro Controller Unit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力?，F(xiàn)在，這種單片機的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。 可以說，二十世紀跨越了三個“電”的時代，即電氣時代、電子時代和現(xiàn)已進入的電腦時代。我們現(xiàn)在用的全自動滾筒洗衣機、排煙罩、VCD等等的家電里面都可以看到它的身影！......它主要是作為控制部分的核心部件。而個人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機在工作。而傳統(tǒng)的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。INTEL的Z80是最早按照這種思想設(shè)計出的處理器，從此以后，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。其次，還可以考慮仿真平臺的搭建，這對算法調(diào)試來說是很有意義的，但是性能仿真這一塊，由于缺乏精確的數(shù)學(xué)模型，只能對模型車系統(tǒng)性能進行初步的仿真.，仿真結(jié)果只能作為設(shè)計參考。因為實驗和摸索是提高成績的根本，只有經(jīng)過反復(fù)實驗才能得到可靠的算法。在實際賽道測試中，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整算法參數(shù)，可以很好地彌補響應(yīng)延時。2）開發(fā)所遇到問題及分析解決在整個車模開發(fā)過程中，并不是一帆風(fēng)順的，期間遇到了各種軟硬件問題。1）系統(tǒng)設(shè)計① 系統(tǒng)總體概述及主要部件的標定從總體上對整個系統(tǒng)進行了相關(guān)的論述，主要說明系統(tǒng)的主要構(gòu)成模塊。在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，不同階段都會有不同情況的調(diào)試，系統(tǒng)的調(diào)試主要包括系統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)試和系統(tǒng)動態(tài)調(diào)試。最后對系統(tǒng)的初始化進行了簡單的介紹。 TSCR2 = 0X07。 ATD0CTL5=0x30。另外，還能夠配置A/D外部觸發(fā)功能。PWMPER45 =3200。 //通道7開始高電平PWMCTL =0xFC。 //vcoclk頻率和目標頻率的誤差已在允許的范圍內(nèi) CLKSEL_PLLSEL =1。時鐘的倍、分頻關(guān)系由SYNR、REFDV 兩寄存器決定。%時舵機指向90176。 舵機控制策略舵機的連接方式為三線連接法既黑線為地線、紅線為電源線()、白線為信號線(PWM信號)。通過實際測試與整定，可得PID調(diào)節(jié)的控制參數(shù)基本參數(shù)，記作。由式(47)可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因為要累加偏差e(i)，不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此可對式(47)進行改進，即得數(shù)字PID增量型控制算式為： (49) 增量型算法與位置型相比，有下列優(yōu)點：1）增量型算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān)，計算誤差或計算精度問題對控制量的計算影響較小，而位置型算法要用到過去所有誤差的累加值，這樣就容易產(chǎn)生較大的累加誤差。 .(42)式中 、 、別為比例系數(shù)、積分時間、微分時間。增大比例系數(shù)將加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在有靜態(tài)誤差的系統(tǒng)中有利于減小靜差，加大比例系數(shù)則能減小靜差，卻不能從根本上消除靜差。圖43 賽車最優(yōu)軌跡Fig43 Optimal track for car圖44直角車最優(yōu)軌跡 Optimal track for rightangle當(dāng)智能車通過小S彎時，采用直線通過的形式，這樣既避免了過彎時減速，又減少了行駛路徑的長度，如圖45所示： 控制方法的選擇及分析智能車在運行過程中，會變換的遇到直道、大S彎、小S彎、急彎、坡道等不同路況，車速需要根據(jù)時間路況進行調(diào)整才能達到快速穩(wěn)定的目的。由物理知識和Fl賽車的啟發(fā)，賽車在通過彎道時選擇外一內(nèi)一外的路徑是合理的，如圖42所示。智能小車的控制軟件采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)。 ④ IC器件盡量直接焊在電路板上，少用IC座。③ 電路板合理分區(qū)。 3）敏感器件：指容易被干擾的對象。上述電路諧振頻率為： 。如下圖所示。因此在位移0~30cm之間，電動勢差值Ed與位移x是一個單調(diào)函數(shù)。這兩個線圈的間隔為L，線圈的高度為h，參見下圖315所示。我們需要選擇適合車模競賽的檢測方法，除了檢測磁場的精度之外，還需要對于檢測磁場的傳感器的頻率響應(yīng)、尺寸、價格、功耗以及實現(xiàn)的難易程度進行考慮。（電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)、磁滯電阻效應(yīng)）、磁機械效應(yīng)、磁光效應(yīng)、核磁共振、超導(dǎo)體與電子自旋量子力學(xué)效應(yīng)。圓上的磁場強度大小相同，并隨著距離導(dǎo)線的半徑r增加成反比下降。 路徑識別模塊 導(dǎo)線周圍的電磁場根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，交變的電流會在周圍產(chǎn)生交變的電磁場。電磁編碼器的安裝精度較高，要求編碼器軸與賽車后軸同軸，通過齒輪與賽車差速器相聯(lián)。AMS11175穩(wěn)壓芯片有兩個版本：固定輸出版本和可調(diào)版本，、具有1%精度，發(fā)熱小，穩(wěn)壓需要很小壓差；AMS11175內(nèi)部集成過熱保護和限流電路，是電池供電和便攜式計算機的最佳選擇。BDM接口通信示意圖如圖35所示：圖35 BDM下載電路 The circuit of BDM download完成這4部分電路，就可以對單片機進行開發(fā)，可以向單片機下載程序、調(diào)試程序等，可以在此基礎(chǔ)之上進行進一步的開發(fā)。其外部晶振電路有兩種接線方式，一種是串聯(lián)振蕩電路，另一種是并聯(lián)振蕩電路。內(nèi)部寄存器組中的寄存器、堆棧指針和變址寄存器均為16位。HC12核心是16位高速CPU12核，總線速度8MHZ；HCS12系列單片機以速度更快的CPU12內(nèi)核為核心，簡稱S12系列，典型的S12總線速度可以達到25MHZ。3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計本智能車系統(tǒng)采用“飛思卡爾”單片機MC9S12XS128作為核心控制單元，由安裝在智能車前部的電磁傳感器獲得賽道空間磁場信息并傳到核心控制單元單片機中，由智能車“大腦”接收并處理從傳感器傳回的信息，PWM模塊產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波，通過輸出不同占空比控制智能車的轉(zhuǎn)向舵機與直流電機，以實現(xiàn)控制智能車按照規(guī)定賽道行駛。應(yīng)該注意的是：當(dāng)輪胎產(chǎn)生少量的橫向滑動(通常在5%到15%之間)時，摩擦系數(shù)達到了最大值。舉例說：當(dāng)滑動量比較大的時候，變形力就會大于粘合力，占支配地位。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)部的滑動處于支配的地位，就是常說的“輪胎蠕動”。經(jīng)過我們的分析，假設(shè)模型車勻速過彎，那么它所受到的向心力是不變的，設(shè)為F1，將F1分解為平行于模型車的力F2和垂直于模型車的力F3，如圖25所示： 圖25轉(zhuǎn)彎受力分析 Turn stress analysis 其中F2將影響模型車的前滑力，而F3是阻止模型車側(cè)向滑動的力，根據(jù)理論分析，我們認為當(dāng)保持模型車過彎速度不變時（即保持向心力不變），減小F2即能增大模型車的防側(cè)滑力F3，所以我們建立了一套較好的過彎算法，詳細算法見軟件算法一章。 防側(cè)滑理論 汽車側(cè)滑分為前輪側(cè)滑、后輪側(cè)滑和四輪側(cè)滑三種情況。通過以上理論分析并結(jié)合大量實驗，我們將汽車模型的重心調(diào)整在前后軸之間五分二左右的位置，并使其靠近前軸，這時智能車的行駛比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向也比較靈活，行路線平滑。制動方向的穩(wěn)定性與前后輪的抱死次序有關(guān)，而抱死次序則與重心位置有關(guān)，若重心靠前，則容易發(fā)生后輪側(cè)滑，對高速汽車危險性大；若重心后移，則前輪容易喪失轉(zhuǎn)向能力。舵機升高之后，直線行駛狀態(tài)下的車輪定位參數(shù)尤其是前束值會發(fā)生變化，這時需要稍微調(diào)整兩根轉(zhuǎn)向拉桿的長度，將前束值調(diào)整至合理的范圍內(nèi)。 前輪外傾前輪外傾角對汽車的轉(zhuǎn)彎性能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安全性和轉(zhuǎn)向操縱的輕便性。主銷內(nèi)傾角給了一個適當(dāng)?shù)闹?，會更有利于過彎。當(dāng)車輪上下跳動時，車輪平面沒有傾斜，但車距會發(fā)生較大變化，故車輪發(fā)生側(cè)向滑移的可能性較大。通過比賽促進了高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識運用能力、基本工程實踐能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實際、求真務(wù)實的學(xué)風(fēng)和團隊協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。德國寶馬公司也提供了不菲的資助，邀請3名獲獎學(xué)生到德國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。從八十年代以來，美國、日本、歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)競相投入巨額資金和大量人力，開始大規(guī)模的進行交通運輸智能化的研究，取得了許多重要成果。組委會將提供一個標準的汽車模型、直流電機和可充電電池，參賽隊伍要制作一個能夠自主識別路線的智能車，在專門設(shè)計的跑道上自動識別道路行駛，跑完整個賽程用時最短且技術(shù)報告評分較高的參賽隊為獲勝者。全國共分東北賽區(qū)、華北賽區(qū)、華東賽區(qū)、華南賽區(qū)及西南賽區(qū)五個分賽區(qū)。車模底盤參數(shù)優(yōu)化和前輪參數(shù)優(yōu)化等調(diào)整可以保證車體在機械結(jié)構(gòu)方面具有良好的性能，使其擁有較強的執(zhí)行能力，