【正文】 模糊控制的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)中模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)使用的是軟件法。本設(shè)計(jì)中模糊控制器是個(gè)雙輸入單輸出的系統(tǒng)，輸入量為小車(chē)檢測(cè)到的前方黑線的角度 angleindex 和小車(chē)當(dāng)前行駛速度 velocitycount，輸出量為控制電機(jī)速度的 PWM 波的占空比，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 57 所示： 圖 48 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、輸出量模糊化1. 角度量 angleindex 和當(dāng)前速度 velocitycount 的模糊化考慮到角度量 angleindex 正負(fù)對(duì)速度控制沒(méi)有影響，故將角度量論域劃分為 8 個(gè)模糊子集，模糊子集序號(hào)越大，角度量越大，即角度偏差越大，其隸屬度函數(shù)如圖 58 所示（注：圖中角度量論域沒(méi)有按坐標(biāo)畫(huà)）。模糊化的具體過(guò)程如下： a) 首先對(duì)輸入量進(jìn)行處理變成模糊控制器要求的輸入量 b) 對(duì)經(jīng)過(guò)上述變換的輸入量進(jìn)行尺度變換，使其變換到各自的論域范圍 c) 確定各變量的模糊語(yǔ)言取值及相應(yīng)的隸屬函數(shù)，即進(jìn)行模糊化。 數(shù)字 PID 控制介紹 PID 算法簡(jiǎn)介 圖 41 模擬 PID 控制系統(tǒng)在工業(yè)控制中，常常采用如圖 41 所示的 PID 控制，其控制規(guī)律為[5]： 由于方向偏離角度和舵機(jī)的控制量之間是近似的線性關(guān)系，而且也基本上可以看作是線性定常系統(tǒng)，所以適宜采用 PID 算法。當(dāng)通過(guò)給 IN1 和 IN2 兩個(gè)輸入引腳加不同的 PWM信號(hào)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的正像驅(qū)動(dòng)，反向驅(qū)動(dòng)，正向制動(dòng)以及反向制動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理 一個(gè)電動(dòng)小車(chē)整體的運(yùn)行性能，首先取決于它的電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。圖 43 中電阻的阻值可以根據(jù)不同光電管通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量選取。 第六節(jié)：對(duì)智能車(chē)進(jìn)行測(cè)試優(yōu)化，調(diào)整參數(shù)，改善智能車(chē)的性能。S12 系列單片機(jī)的 BDM調(diào)試模式有這種功能。原理參照?qǐng)D6:圖15PWM時(shí)鐘選擇寄存器PWMCLKPWMCLK 寄存器每一位如圖3 所示： 復(fù)位默認(rèn)值：0000 0000B圖2 PWMCLK 寄存器每一個(gè)通道的 PWM 輸出使能都可以由編程來(lái)控制。提高舵機(jī)控制前輪轉(zhuǎn)向速度的另外一個(gè)方法是采用杠桿原理，在舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)盤(pán)上安裝一個(gè)較長(zhǎng)的輸出臂，將轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿連接在輸出臂末端。另外一根連線（藍(lán)色或者黃色）為控制信號(hào)線。 調(diào)試電路模塊調(diào)試電路用于模型車(chē)模型車(chē)開(kāi)發(fā)調(diào)試階段工作中，特別是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中。轉(zhuǎn)速達(dá)到14060r/min時(shí)，工作效率最大。經(jīng)典控制方法是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。但市場(chǎng)上測(cè)速發(fā)電機(jī)應(yīng)用于低壓市場(chǎng)的比較少，而且都比較重，不適用于模型車(chē)，并且要將側(cè)速發(fā)電機(jī)安裝到電動(dòng)車(chē)上需要對(duì)電動(dòng)車(chē)模型進(jìn)行較大改動(dòng)，由于其質(zhì)量較重，可能會(huì)嚴(yán)重影響電動(dòng)車(chē)的機(jī)動(dòng)性能，除非自制。光電傳感器尋跡方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、信號(hào)處理速度快。~6V的范圍內(nèi)，電流100mA左右。，主要為后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊提供電源。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)汽車(chē)?yán)碚摰幕A(chǔ)知識(shí)，可以在實(shí)際組建當(dāng)中進(jìn)行調(diào)整，以使汽車(chē)獲得最佳的性能。圖1 安裝有自動(dòng)控制器的智能車(chē)設(shè)計(jì)自動(dòng)控制是制作智能車(chē)的核心環(huán)節(jié)?？煽康碾娫捶桨甘钦麄€(gè)硬件電路可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。電源模塊由若干相互獨(dú)立的穩(wěn)壓電路組成。本次智能車(chē)模競(jìng)賽的賽道是白底黑線，路徑識(shí)別即識(shí)別白底地面上的黑線軌道的檢測(cè)，常用的方案有： 方案一： 采用 CCD 攝像頭 圖7 CCD 攝像頭探測(cè)路徑 使用 CCD 攝像頭采集路面圖像采用圖像處理與分析的方法判斷路徑，是路徑識(shí)別中常用的方法之一。 本方案需要注意的問(wèn)題如下：我們需要把光電管盡量貼近地面，以減小干擾；盡量密集排布光電管收發(fā)對(duì)，提高測(cè)量精度；程序上，需要確定合理的算法，得到當(dāng)前的路況。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(dòng)。模糊控制是基于人們的經(jīng)驗(yàn)的，而經(jīng)驗(yàn)是人們智能活動(dòng)的結(jié)晶，故而模糊控制反映著人們的智能對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制作用。例如可以將兩片33886電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片pin to pin并聯(lián)使用，借助驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部輸出特性實(shí)現(xiàn)兩片輸出電流均衡。此外，也可以利用舵機(jī)進(jìn)行機(jī)械剎閘制動(dòng)、位置傳感器主動(dòng)掃描等操作。影響舵機(jī)控制特性的一個(gè)主要參數(shù)是舵機(jī)的響應(yīng)速度即舵機(jī)輸出軸 轉(zhuǎn)動(dòng) 角速度， 這個(gè)參數(shù)一般以舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)60176。選擇在車(chē)模上安裝1個(gè)或是2個(gè)加速度傳感器輔助判斷車(chē)模的穩(wěn)定性。 HCS12原理及應(yīng)用PWM寄存器說(shuō)明1 PWM啟動(dòng)寄存器PWMEPWME 寄存器每一位如圖 1 所示： 復(fù)位默認(rèn)值：0000 0000B圖 1 PWME 寄存器PCKA0~PCKA2 是對(duì)ClockA進(jìn)行預(yù)分頻。 PWM工作原理S12微控制器PWM模塊是由獨(dú)立運(yùn)行的8位脈沖計(jì)數(shù)器PWMCNT、兩個(gè)比較寄存器PWMPER和PWMDTY組成。雖然存在著這些限制，但是對(duì)于我們這次的智能車(chē)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)已經(jīng)是足夠了。然而，Altium 的理念是讓電子設(shè)計(jì)變得更容易，Altium Designer 讓每一位工程師都能使用最新的設(shè)計(jì)功能。綜合考慮，我們小車(chē)在電機(jī)轉(zhuǎn)軸的小鋼圈上對(duì)稱的安裝了 2 個(gè)磁鐵。 霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)集成化霍爾開(kāi)關(guān)傳感器（CS1018）具有靈敏可靠、體積小巧、無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、使用壽命長(zhǎng)、功耗低以及不怕塵土、油污、濕熱等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng) SS2 導(dǎo)通時(shí)，S S4 關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動(dòng)；當(dāng) SS4 導(dǎo) 通時(shí)，SS2 關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動(dòng)。圖 312 PWM 編程時(shí)的程序流程圖本系統(tǒng)中使用的 MC9S12DG128 單片機(jī)就提供了 PWM 模塊，只要對(duì)該模塊編程就可以產(chǎn)生需要 PWM 波，該模塊的特性如下：8 個(gè)可編程控制周期和占空比的 PWM 通道； 專(zhuān)用的 PWM 計(jì)數(shù) 軟件選擇脈沖極性； 周期和占空比的值雙緩沖； 高電平邊沿或中心對(duì)稱方式； 8 個(gè) 8 位通道，或是 4 個(gè) 16 位通道； 4 個(gè)時(shí)鐘源； 緊急關(guān)閉； 電源模塊電源模塊是整個(gè)電動(dòng)車(chē)系統(tǒng)的動(dòng)力中樞，穩(wěn)定良好的電源模塊是整個(gè)電動(dòng)車(chē)能順利完成比賽的基礎(chǔ)。 模糊控制介紹 模糊控制原理簡(jiǎn)介模糊邏輯控制 (Fuzzy Logic Control)簡(jiǎn)稱模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。它具有模擬人的基于模糊概念的推理能力。規(guī)則 2：如果車(chē)在彎道上，則要減速。程序流程如圖 53 。其隸屬度函數(shù)如圖 510 所示，而將PWMDTY0 論域劃分為三個(gè)模糊子集，分別用 0、2 代表，由 PWM 波占空比與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的特性可知，0 代表緊急制動(dòng)，1 代表輕微制動(dòng)，2 代表不制動(dòng)，其隸屬度函數(shù)如圖 511 所示。存放控制規(guī)則的規(guī)則庫(kù)的“準(zhǔn)確性”不僅與規(guī)則條數(shù)相關(guān)，還與專(zhuān)家知識(shí)的準(zhǔn)確度有關(guān)。 PID 控制的實(shí)現(xiàn)輸入為方向偏離 angle，采用式 55 描述的位置型 PID 算法： 舵機(jī)控制量 duty 范圍在[1850，2650]之間，輸入 angle 在[16，16]之間，所以，可以初步定 K p = ?800 / 32 ≈ 25 ，這樣在最大輸入方向偏差下，舵機(jī)可以輸出最大轉(zhuǎn)角，已經(jīng)達(dá)到控制的最大范圍。 單片機(jī)PWM波產(chǎn)生PWM（Pulse Width Modulate）即脈寬調(diào)制，脈寬調(diào)制波是一種可用程序來(lái)控制波形占空比、周期、相位的波形。 它的基本原理圖如圖 37 所示。所以，霍爾器件在自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制和信息技術(shù)等方面得到了廣泛地應(yīng)用。 安裝示意圖如圖 23 所示： 圖23 舵機(jī)安裝側(cè)視圖 電路底板的安裝底板電路部分上插有單片機(jī)最小系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，是小車(chē)系統(tǒng)的核心模塊，必須保證安裝的穩(wěn)固性，減小振動(dòng)等對(duì)電路板上焊點(diǎn)等的破壞，同時(shí)考慮到底板的大小及重量，我們通多四根立柱將底板固定在小車(chē)車(chē)體后部。 Altium Designer 是兩年之內(nèi)的第六次更新，極大地增強(qiáng)了對(duì)高密板設(shè)計(jì)的支持，可用于高速數(shù)字信號(hào)設(shè)計(jì)，提供大量新功能和改進(jìn)，改善了對(duì)復(fù)雜多層板卡的管理和導(dǎo)航，可將器件放置在 PCB 板的正反兩面，處理高密度封裝技術(shù)，如高密度引腳數(shù)量的球型網(wǎng)格陣列 (BGAs)。 2．系統(tǒng)板引腳圖第3節(jié) 智能小車(chē)的設(shè)計(jì)步驟智能小車(chē)的設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)步驟： ①掌握開(kāi)發(fā)工具的基本使用方法 ②小車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ③小車(chē)的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ④小車(chē)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) ⑤算法設(shè)計(jì) ⑥軟件設(shè)計(jì) ⑦系統(tǒng)整體調(diào)試階段⑧相關(guān)技術(shù)參數(shù) 第二章 智能汽車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第1節(jié) 開(kāi)發(fā)工具介紹與使用方法 CodeWarrior for HCS12 簡(jiǎn)介 Metrowerks 公司提供的 CodeWarrior for HCS12 教學(xué)用版本，它是面向以 HC12 或 S12 為 CPU 的單片機(jī)嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)的軟件包，包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 IDE、處理專(zhuān)家?guī)?，全芯片仿真、C 交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及BDM 調(diào)試器。PWMPRCLK 寄存器包括ClockA預(yù)分頻和ClockB預(yù)分頻的控制位。具有遇到緊急情況關(guān)閉程序的功能。 加速度傳感器 加速度傳感器可以測(cè)量車(chē)模運(yùn)行穩(wěn)定性、車(chē)輪是否打滑以及賽道是否有坡道等信息。改變占空比常數(shù)可以改變輸出脈沖 圖13舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與控制信號(hào) 的寬度。 輔助電路方案設(shè)計(jì) 舵機(jī)驅(qū)動(dòng) 舵機(jī)最早出現(xiàn)在航模運(yùn)動(dòng)中，控制航模上的發(fā)動(dòng)機(jī)、翼舵轉(zhuǎn)向。圖12給出了使用MOS管組成的的點(diǎn)進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)這類(lèi)不具有任何數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象（或過(guò)程），運(yùn)用傳統(tǒng)控制理論，包括現(xiàn)代控制理論很難取得滿意的效果。電源系統(tǒng)主要要為單片機(jī)及光電檢測(cè)電路（+5V）、轉(zhuǎn)向舵機(jī)（+6V）、后輪驅(qū)動(dòng)電路（+5V和+）三大部分分別提供穩(wěn)定的直流電源。交流式光電管電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，在每個(gè)接收端都應(yīng)該有相應(yīng)的濾波器，這樣復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)和調(diào)試都是相當(dāng)復(fù)雜的。由于存在電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了避免電機(jī)在啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的沖擊電流對(duì)于電源的影響，應(yīng)盡量加大電池的電容容量，但不要超過(guò)大賽允許放入電容容量限制。除此之外，如果使用了其他芯片和傳感器，它們的工作電壓可能不在上述之內(nèi)，還需要通過(guò)專(zhuān)門(mén)的穩(wěn)壓電路，提供相應(yīng)的工作電壓。電源模塊為系統(tǒng)其他模塊提供所需要的電源。控制器自主識(shí)別引導(dǎo)線并控制模型車(chē)沿著賽道運(yùn)行。在保證模型車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定即不沖出跑道的前提下，跑完一圈的時(shí)間越小，成績(jī)?cè)胶谩?) 賽道路面用紙制作，跑道所占面積不大于 5000mm* 7000mm，跑道寬度不小于 600mm；2) 跑道表面為白色，中心有連續(xù)黑線作為引導(dǎo)線，黑線寬 25mm；3) 跑道最小曲率半徑不小于 500mm；4) 跑道可以交叉，交叉角為 90176。 如果采用CCD/CMOS圖像傳感器來(lái)進(jìn)行道路檢測(cè)，則需要12V工作電源。如果采用CCD或CMOS攝像頭作為道路傳感器，它們工作電壓在9~12V范圍內(nèi)。 缺點(diǎn)：感知前方賽道距離有限，受外界紅外頻段光線干擾，精度比較低。 圖9 測(cè)速發(fā)電機(jī)方案三： 霍爾傳感器 其工作原理是：利用霍爾開(kāi)關(guān)元件測(cè)轉(zhuǎn)速，內(nèi)部具有穩(wěn)壓電路、霍爾電勢(shì)發(fā)生器、放大器、施密特觸發(fā)器和輸出電路，其輸出電平和 TTL 電平兼容。PID控制應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟，其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易調(diào)整，不必求出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型就可以調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)品質(zhì)取決于 PID 控制器各個(gè)參數(shù)的整定。由于比賽中不需要模型車(chē)倒車(chē)，所以電機(jī)之工作在正轉(zhuǎn)方向上做功與發(fā)電兩個(gè)狀態(tài)。調(diào)試電路通常與制作電路制作在一起，也可以單獨(dú)制作成可拆分的模塊，在比賽時(shí)將其拆下來(lái)。舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與控制信號(hào)脈寬之間的關(guān)系如圖13所示。連接方式如圖14所示。周期和脈寬可以被雙緩沖。其中0、5 通道可選用ClockA和ClockSA，7 通道可選用ClockB、ClockSB 通道。對(duì)外輸出波形先是高電平然后再變?yōu)榈碗娖健12 單片機(jī)是 16 位單片機(jī)，每次讀操作可以讀入 2 條指令，對(duì)于下一個(gè)度指令周期來(lái)說(shuō)，就可能是一個(gè)空周期。第2節(jié) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械設(shè)計(jì)主要指小車(chē)車(chē)模各機(jī)械模塊的布局與安裝以及各種機(jī)械部件的制作與裝配。 圖 34 光電管布局圖光電傳感器的排列方法、個(gè)數(shù)、彼此之間的間隔都與控制方法密切相關(guān)。電動(dòng)小車(chē)的驅(qū)動(dòng)不但要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)矩重量比、寬調(diào)速范圍、高可靠性，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性受電源功率的影響，這就要求驅(qū)動(dòng)具有盡可能寬的高效率區(qū)。 舵機(jī)的結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)