【正文】 其重要性絲毫不亞于良好的控制決策，而保證被控對象的輕便與靈活同樣有利于提高控制效果。為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機負載，對前輪的安裝角度，即前輪定位進行了調(diào)整。由此，主銷后傾角越大，車速越高，前輪穩(wěn)定性也愈好。為了加快車輪轉(zhuǎn)向速度，我們設(shè)計并安裝了舵機轉(zhuǎn)向機構(gòu)。 附著力與路面附著系數(shù)和驅(qū)動軸的軸荷相關(guān)，而驅(qū)動軸的軸荷取決于重心的水平位置，故重心位置必須保證驅(qū)動輪能夠提供足夠的附著力。汽車重心靠前則具備不足向性；重心靠后則具備過多轉(zhuǎn)向特性[3]。以此次使用的后輪差速器為例，在過彎時，因外側(cè)前輪輪胎所遇的阻力較小，輪速便較高；而內(nèi)側(cè)前輪輪胎所遇的阻力較大，輪速便較低?；谇拜唫?cè)滑機理的分析，考慮輪胎側(cè)偏特性和模型車結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，建立前輪前束值與外傾角理論匹配關(guān)系： (21) 公式(21)中d為測量前束處的輪輞直徑，L為模型車軸距，輪胎接地印跡長度為前輪外傾角，r為輪胎滾動半徑。 對于橡膠輪胎來說，摩擦系數(shù)并不是恒定的。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。這也產(chǎn)生了所謂的“測滑角(Slip Angle)”。 本章小結(jié)本章對智能車系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與調(diào)試進行了闡述。 智能車系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 智能車控制系統(tǒng)以單片機為核心，包括舵機和為小車提供動力的直流電機兩個執(zhí)行機構(gòu)、安裝在小車前方的尋跡傳感器、安裝在齒輪上的測速傳感器等反饋機構(gòu)、以及為系統(tǒng)各部分提供電源的電源管理模塊等。 MC9S12XS128性能概述 MC9S12XS128作為S12系列的一種，這種單片機的中央處理器CPU12由以下三部分組成：算術(shù)邏輯單元ALU、控制單元和寄存器組。為了穩(wěn)定這些不同的電壓，需要外接一些電容，這些電容有兩類，電容值比較大的如luF、10uF等稱為儲能電容，儲能電容消除吞吐數(shù)字電路1變0，0變1，即三極管導(dǎo)通、截止時的電流變化；，去掉單片機運行產(chǎn)生的高頻躁聲。電容的溫度性比較敏感，在特殊環(huán)境中，復(fù)位的電平寬度變化十分大，造成芯片不動作，或者在強干擾下誤動作。電源模塊整體工作框圖如圖36所示：圖36 電源管理模塊框圖 The module of power management 為了保證各個部件的正常工作，電源的供給是十分重要的，單片機系統(tǒng)、舵機、編碼器等電路工作的電壓不同，需要想辦法來使得電壓滿足各自的需求，一種是利用升壓或者降壓的芯片來達到要求，另一種方法是利用雙電源供電的方法來實現(xiàn)各模塊的不同需要，由于電路模塊較多，該方案中仍需要升壓或者降壓芯片。SR引腳外接電阻的大小，可以調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷的時間，具有防電磁干擾的功能。圖310 按鍵電路 The circuit of key LCD顯示模塊 顯示與鍵盤模塊主要做調(diào)試用，此模塊配合操作系統(tǒng)能發(fā)揮很大的功能。由于賽道導(dǎo)航電線和小車尺寸l遠遠小于電磁波的波長，電磁場輻射能量很小，所以能夠感應(yīng)到電磁波的能量非常小。其中常數(shù)k與線圈擺放的方法、線圈面積和一些物理常量有關(guān)的一個量，具體的感應(yīng)電動勢常量需要實際測定來確定。（5）超導(dǎo)量子干涉（SQUID）磁場測量方法：SQUID薄膜磁敏元件。在車模前上方水平方向固定兩個相距L的線圈，兩個線圈的軸線為水平，高度為h，如下圖所示：圖314 雙水平線圈檢測方案 Dual horizontal coil detection scheme為了討論方便，我們在跑道上建立如下的坐標(biāo)系，假設(shè)沿著跑道前進的方向為z軸，垂直跑道往上為y軸，在跑道平面內(nèi)垂直于跑到中心線為x軸。 圖315 感應(yīng)線圈的布置方案Fig. 315 induction coil arrangement scheme假設(shè)h=5cm，x（15，+15）cm，計算感應(yīng)電動勢隨著線圈水平位置x的變化取值，如下圖所示： 圖316 感應(yīng)電動勢與x的函數(shù) Induced electromotive force as a function of x如果只是用一個線圈，感應(yīng)電動勢E是位置x的偶函數(shù)。因而我們選取最為傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)線圈，它具有原理簡單、價格便宜、體積小、頻率響應(yīng)快、電路實現(xiàn)簡單等特點。（2）噪聲多：一般環(huán)境下，周圍存在著不同來源、不同變化頻率的磁場。如雷電、電機、高頻時鐘等都可能成為干擾源。2）切斷干擾傳播途徑① 在系統(tǒng)各芯片的電源輸入端增加濾波電路，減少電源噪聲的干擾。② 布線時，電源線和地線要盡量粗。良好的控制才能提高車子的平均速度，增加智能車的穩(wěn)定性，因此就要對小車的行駛速度和行駛方向進行控制算法研究，本文采用了PID控制電機速度，PD控制舵機角度。側(cè)滑現(xiàn)象與幾個因素有關(guān):汽車的速度、轉(zhuǎn)彎半徑以及地面的附著力。彎道上達到約70cm。基本原理是通過比較兩路A/D采集傳感器電壓大小，可以得知傳感器與賽道通電漆包線中心線之間的位置，通過傳感器采集到的賽車與賽道中心線的幾何偏移量，利用前后幾次偏移量之差進行PD控制。微分控制作用實質(zhì)上跟偏差變化速率有關(guān)。因此，必須把式(42)變換成差分方程，以一系列的采樣時刻點來代替連續(xù)時間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換： (45) (46)式中，T為采樣周期，k為采樣序號。所以，探求一種精確的整定方法有著重要的理論意義和工程應(yīng)用意義。3）具有快速響應(yīng)能力，可以適應(yīng)復(fù)雜的速度變化?？刂贫艘恢芷趹?yīng)該為50Hz～100Hz的方波，為使其快速響應(yīng)性能好，我們使用100Hz方波控制。 各個模塊初始化 時鐘模塊初始化 本設(shè)計采用16MHz 的外部晶振作為XS128的時鐘，這樣在默認(rèn)設(shè)置下，其鎖相環(huán)時鐘、總線時鐘和內(nèi)核時鐘分別為128MHz、64MHz和64MHz。 REFDV=0X81。初始化設(shè)置如下：PWMCAE =0x00。 PWMDTY01 =STEER_MID_VALUE。VRH、VRL兩個引腳為A/D轉(zhuǎn)換提供參考電壓的參考高電壓和參考低電壓。 ATD0CTL2=0x40。 TIOS = 0X00。 TSCR1_TEN = 1。由于本設(shè)計是在參加第八屆飛思卡爾智能汽車的背景上設(shè)計的小車，所以本設(shè)計對未來智能汽車的發(fā)展前景是提供智能汽車的雛形，為智能汽車的全智能化提供基礎(chǔ)。智能小車在該跑道上進行綜合測試時，直線上行駛過程中小車不會出現(xiàn)圍繞中心銅線左右擺動的情況，能夠全速前進；在彎道時小車能夠及時進行轉(zhuǎn)向，并且沿著內(nèi)彎行駛，不會沖出賽道或者沿外圈行駛。③ 系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計是基于相應(yīng)的硬件系統(tǒng)來進行設(shè)計的。而參考舵機說明書，并通過實際測試，發(fā)現(xiàn)舵機響應(yīng)延時大于20ms，無法及時響應(yīng)控制命令。除了尋線傳感器獲取到的車身偏移量，賽車運行速度是車身運動控制算法中的重要參數(shù)。目前，主要試過的路面檢測傳感器是電磁傳感器，賽車以檢測通以20KHZ、100mA的導(dǎo)線的電磁場為基礎(chǔ)，通過單片機采集到的磁感應(yīng)電壓信號，實現(xiàn)對賽車的轉(zhuǎn)向控制，進而識別賽道達到路徑尋跡的目的。45參考文獻[1][J]..[2][D].東北大學(xué),2009.[3]張茜,楊旭海,[J].電子元器件應(yīng)用,2012,(Z1):1216.[4]高金源,[M]..[5]擺玉龍,楊利君,[J].測控技術(shù),2011,(11):5964.[6][D].天津工業(yè)大學(xué),2007.[7][J].. 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Mizumoto PID type fuzzy controller and parameters adaptive method, Fuzzy Sets and Systems, no. 78, 1996.附錄A 譯文單片機單片機也被稱為微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多的計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。一個可視化高級語言編寫的小程序里面即使只有一個按鈕，也會達到幾十K的尺寸！對于家用PC的硬盤來講沒什么，可是對于單片機來講是不能接受的。顧名思義，這種計算機的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。 （Single Chip Microputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時，不要忘記Intel和Philips的歷史功績。 單片機廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個范疇： 單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計、EDA工具的發(fā)展，基于SOC的單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計會有較大的發(fā)展。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展道路上，Intel公司功不可沒。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個裝置就癱瘓了。一樣的道理，如果把巨型計算機上的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件拿到家用PC上來運行，家用PC的也是承受不了的。 單片機內(nèi)部也用和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，不過價錢也是低的，一般不超過10元即可......用它來做一些控制電器一類不是很復(fù)雜的工作足矣了。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有12部單片機。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。首先，可以繼續(xù)在模糊控制算法上進行深入，也可以引入記憶算法的研究。 展望通過對模型車系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)及研究，取得了一定的成果，但仍然有需要改進的地方，展望未來，在軟硬件方面可以進行更多的嘗試。其次，增加力臂長度，以加快舵機響應(yīng)。對于路徑識別模塊設(shè)計了基于傳感器離散分布的連續(xù)路徑識別算法；對于速度檢測模塊應(yīng)用了編碼器；對于電機控制采用了PI控制算法，舵機采用PD控制算法。回顧本次設(shè)計的主要內(nèi)容，從以下幾個方面進行一下總結(jié)。系統(tǒng)的調(diào)試效率，對系統(tǒng)的整個開發(fā)進度有很大的影響。使用連續(xù)算法進行路徑識別，有效的提高了路徑識別的分辨率，使舵機控制更加連續(xù)。 TCTL4 = 0X0a。 ATD0CTL4=0xe3。AN15~AN0是模擬量輸入通道15~0，也可配置為數(shù)字I/O口使用。 PWMDTY23 =STEER_MID_VALUE。 //A和B總線時鐘2分頻PWMPOL =0xAa。 //當(dāng)上電復(fù)位發(fā)生時PORF置1 系統(tǒng)復(fù)位不受影響 while(!(CRGFLG_LOCK==1))。本設(shè)計對單片機進行了超頻，將總線時鐘提高到64MHz。%時舵機指向90176。5）可以長時間地處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)而不會燒毀電機，一般電機不能長時間運行于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，電機長時間停轉(zhuǎn)時，穩(wěn)定溫升不超過允許值時輸出的最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩稱為連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的電樞電流為連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流。針對上述問題，長期以來，人們一直在尋求控制器參數(shù)的自整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高性能指標(biāo)的控制要求[12]。當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是其增量，則應(yīng)該采用增量型PID控制[11]。 模擬式PID調(diào)節(jié)比例P積分I微分D被控對象＋＋－＋r(t)e(t)y(t)u(t)圖46 模擬PID控制原理圖 The diagram of analog PID control principle 模擬PID控制原理如圖46所示，單位反饋e代表理想輸入與實際輸出的誤差，這個誤差信號被送到控制器，控制器算出誤差信號的積分值和微分值，并將它們與原誤差信號進行線性組合，得到輸出量u。比例調(diào)節(jié)(P)作用：比例調(diào)節(jié)器對于偏差e是及時反應(yīng)的，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用使被控量朝著偏差減小的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數(shù)的大小。這樣，系統(tǒng)的控制目的可以歸納為：在使智能車不發(fā)生側(cè)滑的情況下，用最快的速度沿著中一內(nèi)一外的行駛路徑通過彎道，可以說這是這個系統(tǒng)最優(yōu)的控制方法[9]?？梢缘贸鼋Y(jié)論：如何選擇合理的路徑與合理的瞬時速度，提高賽車的整體速度是提高比賽成績的關(guān)鍵。另外使用編碼器采集速度值，作為輔助速度控制。③ 將各芯片所有未用輸入引腳全部接數(shù)字地，所有未用輸出引腳全部接數(shù)字回路的電源。晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定。典型的干擾傳播路徑是通過導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。 圖320 為RLC并聯(lián)諧振 parallel resonant 上述電路中，E是感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電動勢，L是感應(yīng)線圈的電感量，R0是電感的內(nèi)阻，C是并聯(lián)諧振電容。 感應(yīng)磁場線圈檢測線圈可