【正文】 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 40 結(jié)論 本文基于飛思卡爾 MC9S12XS128 為控制核心設(shè)計(jì)了以傳感器識(shí)別路線的智能車系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能小車按給定速度沿黑色引導(dǎo)線行走。此時(shí)可以使用熱熔膠將光電對(duì)管固定在后輪支架上固定光電對(duì)管，使得光電 碼盤在對(duì)管的中間縫隙中通過(guò)。 （ 6） 車模方向控制調(diào)試：?jiǎn)?dòng)車模的直立控制、速度控制和方向控制。 以下為程序參數(shù)調(diào)試步驟： （ 1）電機(jī) PWM 輸出調(diào)試：程序給出兩個(gè)電機(jī)固定的 PWM 輸出。 } else if(g_nCarSpeedCount == 1) { ADC_Measure(0)。 g_nMotorLeftRightDiff = nP。 g_nLeftMotorOutSpeed = g_nRightMotorOutSpeed = nValue。 int nDeltaValue, nP, nI。 g_nRightMotorOut = nRight 6。然后逐步增加這兩個(gè)數(shù)值，直到車模開(kāi)始抖動(dòng)，然后略減少這兩個(gè)數(shù)值即可。 lnDeltaValue = (int)CV_ACCE_VAL。這個(gè)數(shù)值需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。 nLeftVal = g_nLeftMotorOut。 nRightVol = nRightVol。 取值范圍： 0x8000 至 0x7fff：代表定點(diǎn)小數(shù) 至 。累積電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。該程序通過(guò)讀取加速度計(jì)的數(shù)值判斷車模是否處于直立狀態(tài)。電機(jī)的轉(zhuǎn)向是通過(guò)施加在電機(jī)上的電壓正負(fù)進(jìn)行判斷的。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 圖 傳感器電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 車模有兩個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，需要兩組電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋電路。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)選擇 MC9S12XS128。在此同時(shí)，車模直立控制會(huì)迅速進(jìn)行調(diào)整，使得車模往前傾斜，車模開(kāi)始加速。由于加速度計(jì)獲得的角度信息不會(huì)存在積累誤差，所以最終將輸出角度 θ中的積累誤差消除了。 角速度傳感器 陀螺儀 陀螺儀可以用來(lái)測(cè)量物體的旋轉(zhuǎn)角速度?；驹砣鐖D 圖 加速度傳感器 通過(guò)微機(jī)械加工技術(shù)在硅片上加工形成了一個(gè)機(jī)械懸臂。如圖 所示。 因此控制車模穩(wěn)定，需要下列兩個(gè)條件： （ 1）能夠精確測(cè)量車模傾角 θ 的大小和角速度 θ’的大?。? （ 2）可以控制車輪的加速度。阻尼力會(huì)使得單擺最終停止在垂直位置。控制輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，抵消傾斜的趨勢(shì)便可以保持車體直立了。由于車模同時(shí)受到三種控制的影響，從車模直立控制的角度，其它兩個(gè)控制就成為它的干擾。 轎車自主駕駛的基本原理是仿人駕駛。 本科畢業(yè)論文 基于飛思卡爾 16 位單片機(jī)電磁型智能小車的設(shè)計(jì) BASED ON FREESCALE 16BITMICROCONTROLLER SMART CAR DESIGN 學(xué)院（部）： 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 機(jī)設(shè) 0912 20xx 年 月 日 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于飛思卡爾 16 位單片機(jī)電磁型智能小車的設(shè)計(jì) 摘要 本文是以飛思卡爾智能車競(jìng)賽為背景設(shè)計(jì)的一個(gè)智能小車運(yùn)行系統(tǒng)。車內(nèi)的環(huán)境識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別出道路狀況，測(cè)量前方車輛的距離和相對(duì)速度，相當(dāng)于駕駛員的眼睛；車載主控計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的路徑規(guī)劃軟件根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺(jué)提供的道路信息、車前車輛情況以及自身的安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 行駛狀態(tài)，決定是沿道路前進(jìn)還是換道準(zhǔn)備超車，相當(dāng)于駕駛員的大腦；接著，自動(dòng)駕駛控制軟件按 照需要跟蹤的路徑和汽車行駛動(dòng)力學(xué)，向方向盤控制器、油門控制器和剎車控制器發(fā)出動(dòng)作指令，操縱汽車按規(guī)劃好的路徑前進(jìn)，起到駕駛員的手和腳的作用。因此在速度、方向控制的時(shí)候，應(yīng)該盡量平滑，以減少對(duì)于直立控制的干擾。如圖 所示。阻尼力過(guò)?。ㄇ纷枘幔?huì)使得單擺產(chǎn)生震蕩，阻尼力過(guò)大（過(guò)阻尼）會(huì)使得單擺到達(dá)平衡位置時(shí)間拉長(zhǎng)。 車模速度控制 車模運(yùn)行速度是通過(guò)控制車輪速度實(shí)現(xiàn)的，車輪通過(guò)車模兩個(gè)后輪電機(jī)經(jīng)由減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)，因此通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪的運(yùn)動(dòng)控制。 圖 電機(jī)速度監(jiān)測(cè) 利用控制單片機(jī)的計(jì)數(shù)器測(cè)量在固定時(shí)間間隔內(nèi)速度脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)可以測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。它與相鄰的電極形成了兩個(gè)電容。選用 EN03 系列的加速度傳感器。 加速度計(jì)所產(chǎn)生的角度信息 θg 中會(huì)疊加很強(qiáng)的有車模運(yùn)動(dòng)加速度噪聲信號(hào)。當(dāng)車模速度達(dá)到設(shè)定值，由車模速到控制算法使得電機(jī)進(jìn)入恒速運(yùn)行。 主要外設(shè)包括 （ 1） PWM 6 通道； （ 2） AD 6 通道， 12bit； （ 3）定時(shí)器， 16bit， 4 通道； （ 4）外部串行接口： SCI， I2C， SPI； （ 5） IO 口：最多可以提供 26 路。圖 33886芯片 組成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這個(gè)方法可以有效判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向并進(jìn)行速度控制。如果一旦處于直立狀態(tài)則 啟動(dòng)車模直立控制、方向控制以及速度控制。累積電機(jī)速度，為后面車模速度控制提供平均數(shù)； （ 2）啟動(dòng) AD 轉(zhuǎn)換。正負(fù)號(hào)表示電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 nRightVol = mult(nRightVol, nPeriod)。 nRightVal = g_nRightMotorOut。在車模 保持直立靜止時(shí)，讀出兩個(gè)通道的數(shù)值，便是相應(yīng)的零偏值。 lnDeltaValue = lnDeltaValue (int)CV_ACCE_OFFSET。 這個(gè)過(guò)程需要反復(fù)調(diào)整，直到車?？梢员容^穩(wěn)定的達(dá)到直立平衡。 if(g_nLeftMotorOut MOTOR_OUT_MAX) g_nLeftMotorOut = MOTOR_OUT_MAX。 int nSpeed。 }。 } 程序 車模方向控制子程序 中斷服務(wù)程序 void TI1_OnInterrupt(void){ unsigned int nLeftMotorSpeed, nRightMotorSpeed。 } else if(g_nCarSpeedCount == 2) { CarVoltageGet()。測(cè)試電機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向是否符合設(shè)定的要求。將車模放在電磁導(dǎo)引跑道上，車?？梢苑€(wěn)定在跑道上運(yùn)行。如圖 所示。 在小車的硬件設(shè)計(jì)部分，采取了模塊化的設(shè)計(jì)，其組成部分為單片機(jī)最小系統(tǒng)、傾角傳感器電路、速度傳感器電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電磁線檢測(cè)電路。 此外，也可以在防撞支架上安裝車模跌倒檢測(cè)開(kāi)關(guān)，一旦車模傾倒，控制電路便立即停止運(yùn)行。如圖 所示 圖 使用復(fù)合膠水將光電碼盤固定在電機(jī)輸出軸上 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 38 粘合碼盤之后，再固定檢測(cè)光電對(duì)管。然后再給定一個(gè)設(shè)定速度，車?？梢苑€(wěn)定的前行或者后退。實(shí)際優(yōu)化參數(shù)需要通過(guò)一定的工程步驟最終確定，這個(gè)過(guò)程稱為參數(shù)整定。 g_nRightMotorSpeedCount += g_nRightMotorSpeed。 nP = (int)(lnDelta * CMA_P_MAX / nSigma) / 2。 nValue = nValue * (g_nCarMotionCount + 1) / (CAR_MOTION_PERIOD 1) + g_nMotorOutSpeedOld。 速度控制子程序代碼如下： void MotorSpeedAdjustCal(void) { int nLeftSpeed, nRightSpeed。 g_nLeftMotorOut = nLeft 6。此時(shí)再逐 步增大 CAR_AA_D_INT，消除震蕩。 ADC_GetValue16(g_nCarVoltage)。 對(duì)于讀取的陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)值需要減去零偏值。 void MotorSpeedOut(void) { int nLeftVal, nRightVal。} else {setReg(PWM_PWMVAL2, 0)。 函數(shù)輸入?yún)?shù)： nLeftVol， nRightVol：分別表示左右兩個(gè)電機(jī)輸出電壓數(shù)值。 這些任務(wù)包括： （ 1）電機(jī)測(cè)速脈沖計(jì)數(shù)器讀取與清除。 初始化完成后，首先進(jìn)入車模直立檢測(cè)子程序。通過(guò)他的頻率測(cè)量得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。實(shí)際的電路圖如圖 。 整體電路框圖如圖 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 圖 整體電路框圖 根據(jù)圖 ，控制電路劃分為如下子模塊： （ 1） 單片機(jī)最小系統(tǒng)：包括 DSC 處理器，程序下載調(diào)試接口等； （ 2） 電磁線檢測(cè)：包括兩路相同的電磁感應(yīng)信號(hào)放大與檢波電路； （ 3） 陀螺儀與加速度計(jì)：包括兩個(gè)姿態(tài)傳感器信號(hào)放大濾波電路； （ 4） 速度檢測(cè)：檢測(cè)電機(jī)光電碼盤脈沖頻率； （ 5） 電機(jī)驅(qū)動(dòng) ：驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電極運(yùn)行電路； （ 6） 電源：電源電壓轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓、濾波電路； （ 7） 設(shè)置與調(diào)試：顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、速度設(shè)定、程序下載與監(jiān)控。 車模加速前進(jìn)時(shí)，由速度控制算法給出電機(jī)增加的正向電壓，電機(jī)開(kāi)始逐步加速旋轉(zhuǎn)。從圖 ，對(duì)于加速度計(jì)給定的角度 θg，經(jīng)過(guò)比例、積分環(huán)節(jié)之后產(chǎn)生的角度 θ必然最終等于 θg 。因此對(duì)于車模直立控制所需要的傾角信息需要通過(guò)另外一種器件獲得，那就是角速度傳感器 陀螺儀。該系列的傳感器采用了半導(dǎo)體表面微機(jī)械加工和集成電路技術(shù)，傳感器體積小，重量輕。電機(jī)速度控制需要測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度可以通過(guò)安裝在電機(jī)輸出軸上的光電編碼盤方便獲得。其中， k1決定了車模是否能夠穩(wěn)定到垂直位置，它必須大于重力加速度； k2 決定了車模回到垂直位置的阻尼系數(shù)，選取合適的阻尼系數(shù)可以保證車模盡快穩(wěn)定在垂直位置。 如果沒(méi)有阻尼力，單擺會(huì)在垂直位置左右擺動(dòng)。因?yàn)檐嚹Ｓ袃蓚€(gè)輪子著地，因此車體只會(huì)在輪子滾動(dòng)的方向上發(fā)生傾斜。 在上述三個(gè)任務(wù)中保持車模直立是關(guān)鍵。該自主駕駛轎車在正常交通情況下，在高速公路上行駛的最高穩(wěn)定速度為 130 公里 /小時(shí)，最高峰值速度為 170 公里 /小時(shí)，并且具有超車功能，其總體技術(shù)性能和指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。本系統(tǒng)是以飛思卡爾 MC9S12XS128 單片機(jī)為核心通過(guò)傳感器識(shí)別道路的智能 車控制系統(tǒng)。 本課題的研究?jī)?nèi)容 本課題的主要研究?jī)?nèi)容包括： （ 1）競(jìng)賽用智能賽車系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，圍繞智能賽車系統(tǒng)要求，從而確定了控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方案。三者之間的配合如圖 所示。 圖 通過(guò)車輪運(yùn)動(dòng)控制保持車體直立 那么車輪如何運(yùn)行，才能夠最終保持車體垂直穩(wěn)定？為了回答這個(gè)問(wèn)題，一般的做法需要建立車模的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)設(shè)計(jì)最優(yōu)控制來(lái)保證車模的穩(wěn)定。存在一個(gè)阻尼臨界阻尼系數(shù)，使得單擺最快穩(wěn)定在平衡位置。 電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制有三個(gè)作用： （ 1） 通過(guò)電機(jī)加速度控制實(shí)現(xiàn)車模直立穩(wěn)定。 對(duì)于電機(jī)速度 PID 控制方法如圖 所示。由于加速度使得機(jī)械懸臂與 兩個(gè)電極之間的距離發(fā)生變化，從而改變了兩個(gè)電容的參數(shù)。它利用了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的物體 會(huì)受到克里利奧力的原理，在器件中利用壓電陶瓷做成振動(dòng)單元。為了避免該信號(hào)對(duì)于角度 θ的影響，因此比例系數(shù) Tg應(yīng)該非常小。此時(shí)車模直立控制算法也會(huì)相應(yīng)調(diào)整車模出于直立狀態(tài)，車模恒速運(yùn)行。 單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路如圖 所示。 圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 為提高電源的應(yīng)用效率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的 PWM 波形采用單極性的驅(qū)動(dòng)方式。 電磁線檢測(cè)電路 道路中心線的電磁線檢測(cè)是保證車模能夠運(yùn)行在賽道上。 程序在主循環(huán)中不停發(fā)送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，在通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。由于 AD 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)到完成需要一定時(shí)間。 具體的程序參見(jiàn)如程序 所示。 setReg(PWM_PWMVAL3, nRightVol)。 if(nLeftVal 0) nLeftVal += MOTOR_OUT_DEAD_VAL。這個(gè)數(shù)值會(huì)帶有一定的誤差，往往會(huì)使得車模往一個(gè)方向加速行駛。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 31 g_nCarAcceVal = (int)lnDeltaValue。 由于現(xiàn)在還沒(méi)有加入速度閉環(huán)，所以由于加速度傳感器零偏的誤差，會(huì)導(dǎo)致 車模在直立的時(shí)候會(huì)往一個(gè)方向加速行駛。 if(g_nLeftMotorOut MOTOR_OUT_MIN) g_nLeftMotorOut = MOTOR_OUT_MIN。 nLeftSpeed = (int)g_nLeftMotorSpeedCount。 程序 車模速度控制子程序 車模方向控制子程序 車模方向控制是通過(guò)比較車模兩個(gè)電感檢波電壓進(jìn)行的。 g_nCarSpeedCount ++。 CarAngleAdjust()。在此過(guò)程中，測(cè)試車模電機(jī)死區(qū)補(bǔ)償電壓數(shù)值： MOTOR_OUT_DEAD_VAL。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 36 智能車機(jī)械設(shè)計(jì) 車模簡(jiǎn)化改裝 （ 1）去掉前輪及其支撐部件，去掉后輪懸掛緩沖支架拆卸后的情況如 圖 、 圖 。 圖 固定好碼盤和光電對(duì)管的后輪 由于電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)熱，而且振動(dòng)大，碼盤的固定一定要使用熱穩(wěn)定性比較好復(fù)合膠水。軟件部分的設(shè)計(jì)影響小車正常高速的穩(wěn)定運(yùn)行，主要包括單片機(jī)初始化模塊、車模運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)、