【正文】 向滑動(通常在5%到15%之間)時，摩擦系數(shù)達到了最大值?；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。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]。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)。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。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)。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。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。主銷內(nèi)傾角給了一個適當?shù)闹担瑫欣谶^彎。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)。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。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。舉例說：當滑動量比較大的時候，變形力就會大于粘合力，占支配地位。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。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。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)。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)。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。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。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)。上述電路諧振頻率為： 。③ 電路板合理分區(qū)。智能小車的控制軟件采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)。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。 .(42)式中 、 、別為比例系數(shù)、積分時間、微分時間。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。%時舵機指向90176。 //vcoclk頻率和目標頻率的誤差已在允許的范圍內(nèi) CLKSEL_PLLSEL =1。PWMPER45 =3200。 ATD0CTL5=0x30。最后對系統(tǒng)的初始化進行了簡單的介紹。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。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。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。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?，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。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)。 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。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）。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機?；谶@一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。2）硬件傳感器方面。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。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。 TSCR1_TFFCA = 1。 ATD0CTL1=0x20。PWMPER01 =20000。 //鎖相環(huán)電路允許SYNR =0XC7。到90176。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。此外，微分作用也使得系統(tǒng)對擾動變得敏感。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。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。② 布線時避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。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）。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]。（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。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。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。而且如果使用上電復(fù)位，容易產(chǎn)生復(fù)位不成功。MC9S12XS128就是S12X系列中的一個成員[5]。 當橡膠的復(fù)合成分(pound)非常軟，而且穩(wěn)定較高、路面也比較平滑的時候 ，粘合力就會占支配地位[4]。這時候，輪胎會有一些橫向滑動。前輪定位參數(shù)、車速、輪胎氣壓、載荷和驅(qū)動方式都是引起前輪側(cè)滑的因素，但前輪定位參數(shù)中前束值與外傾角匹配是影響前輪側(cè)滑的最主要因素。相應(yīng)的具有中性轉(zhuǎn)向特性的汽車，其半保持不變，具有過多轉(zhuǎn)向特性的汽車其轉(zhuǎn)彎半徑越來越小。 舵機的安裝與改進 舵機響應(yīng)速度是整車過彎速度的一個瓶頸。圖22 傳感器的安裝 Sensor installation 前輪定位調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，在賽車過彎時，轉(zhuǎn)向舵機的負載會因為車輪轉(zhuǎn)向角度增大而增大。每年一屆，已成功舉辦四屆，此項比賽吸引了來自全國的100多所著名學(xué)校的200多支代表隊參與，由于參賽隊較多，大賽分為分賽區(qū)比賽和全國總決賽。而作為智能車高速系統(tǒng)（Intelligent Vehicle Highway Systems，簡稱IVHS）的重要一部份，智能車在世界各國的研究也隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)的飛速發(fā)展而不斷深入。 本文的研究內(nèi)容1）查閱相關(guān)文獻，根據(jù)比賽規(guī)則要求，設(shè)計制定智能模型車系統(tǒng)方案；2）選擇及設(shè)計關(guān)鍵器件，并進行相應(yīng)的標定實驗及功能模塊設(shè)計；3）智能模型車系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計及研究；4）智能模型車系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計及研究；5）開發(fā)智能模型車系統(tǒng)開發(fā)平臺；6）智能模型車系統(tǒng)的調(diào)試與優(yōu)化。 主銷內(nèi)傾 主銷內(nèi)傾是指主銷裝在前軸，略向內(nèi)傾斜的角度，它的作用是使前輪自動回正。擺臂加長后，舵機空程會明顯，但是差別不大，通過程序微調(diào)舵機最大轉(zhuǎn)角能夠休整，所以可以忽略。 差速調(diào)整 差速機構(gòu)的作用是在賽車轉(zhuǎn)彎的時候，降低后輪與地面之間的滑動,并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會損害到電機。 輪胎影響因素 輪胎對于車輛能夠被很好的操控，是非常重要的。 當橡膠的復(fù)合成分(pound)非常軟，而且穩(wěn)定較高、路面也比較平滑的時候 ，粘合力就會占支配地位[4]。 為了使智能車能夠更加快速穩(wěn)定的行駛，S12 單片機必須把對賽道路徑的判斷、轉(zhuǎn)向舵機的角度控制以及對直流電機的控制緊密的聯(lián)系在一起。它具有很強的高級語言支持功能，內(nèi)部資源非常豐富，主要有以下部分：時鐘和復(fù)位模塊——PLL(鎖相環(huán)模塊)——COP看門狗——時鐘監(jiān)控存儲器——128KB Flash ——2KB EEPROM——8KB RAM16通道A/D轉(zhuǎn)換模塊 ADC——可選8位、10位、12位精度——具有外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換功能增強型捕捉定時器——16位主計數(shù)器，7位分頻系數(shù)——8個輸入捕捉通道或輸出比較通道——2個8位或1個16位脈沖計數(shù)器8路PWM通道——可編程周期以及占空比——8位8路/16位4路PWM——獨立控制各路PWM的周期和占空比——中間對齊和左對齊輸出——頻率范圍寬的可編程時鐘選擇邏輯——緊急時刻快速關(guān)閉輸出串行接口——兩個異步串行通信接口模塊SCI——1個IIC總線接口——2個同步串行外設(shè)接口SPI——3個1M/S，——背景調(diào)試模塊（BDM）——封裝：LQFP112和LQFP80圖32 單片機系統(tǒng) MCU system 單片機系統(tǒng)電路圖如圖32所示，雖然單片機將CPU、ROM、RAM以及IO統(tǒng)統(tǒng)集成在一個集成電路芯片中，但仍需要一些外部電路的支持，這些外圍電路主要為單片機系統(tǒng)提供電源、時鐘、IO驅(qū)動、通信口等[6]。 電源管理模塊 智能車雖以車為主體，但其任何行動完全由其電路控制。采用每轉(zhuǎn)500線的編碼器通過齒輪傳動安裝，固定于賽車尾部。 圖312 直線電流的磁場 Linear Current Magnetic圖313：無限長導(dǎo)線周圍的磁場強度:Infinite field strength around the wire 導(dǎo)線中的電流按照一定規(guī)律變化時，導(dǎo)線周圍的磁場也將發(fā)生變化，這線圈中將感應(yīng)出一定的電動勢。 通電導(dǎo)線周圍的磁場是一個矢量場，場的分布如上圖所示。可以使用這個量對于小車轉(zhuǎn)向進行負反饋控制，從而保證兩個線圈的中心位置跟蹤賽道的中心線。已知感應(yīng)電動勢的頻率感應(yīng)線圈電感為L=10mH，可以計算出諧振電容的容量為： (37)。強、弱信號，數(shù)字、模擬信號相隔離。程序整體框架如圖 41所示。在長直道行駛時，可將車速提高到最大，在進入彎道時進行適當?shù)臏p速，以防止沖出賽道和發(fā)生側(cè)滑，離開彎道時又要及時加速。也可寫作： (43)式中， 、 、 分別稱為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。 舵機和電機控制策略 賽道信息智能汽車競賽規(guī)則規(guī)定：跑道寬度不小于450mm，跑道表面為白色，中心有連續(xù)銅導(dǎo)線作為引導(dǎo)線。由于受車身結(jié)構(gòu)限制，實際的轉(zhuǎn)動角度只能在42176。 //系統(tǒng)時鐘由PLLCLK分頻（fBUS=fPLL/2） CLKSEL=0X00。 PWMDTY45 =0。 FATDCLk = [BusClock*]/[PRS+1] =125ns//ATD轉(zhuǎn)換時鐘頻率計算公式 TIM模塊增強型捕捉定時器模塊對端口功能進行了擴展，ECT模塊能實現(xiàn)輸入捕捉和輸出比較兩大功能。5 技術(shù)經(jīng)濟分析 本設(shè)計致力于智能汽車的開發(fā)和應(yīng)用上，設(shè)計的過程中從硬件電路的搭接，調(diào)試，保證硬件電路無任何的機械方面的故障和性能方面的不匹配，以及軟件的編程和調(diào)試。通過對主要部件的標定，以更為深入的了解各個系統(tǒng)及器件的特性，為后續(xù)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計及控制算法和控制策略的制定和選擇奠定基礎(chǔ)，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)更加精確和可靠的設(shè)計。② 賽車彎道速度控制問題實際賽道測試發(fā)現(xiàn)，如果不控制賽車在彎道時的速度，會出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足的問題。致謝首先感謝張國軍老師，本設(shè)計是在張國軍老師的指導(dǎo)下完成的，從課題選擇到論文完成的整個過程，張老師對此傾注了心血。目前，高端的32位單片機主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1美元，最高端[1]的型號也只有10美元。 它是一種在線式實時控制計算機，在線式就是現(xiàn)場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計算機的（比如家用PC）的主要區(qū)別。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞——“智能型”，