【正文】 向滑動(dòng)(通常在5%到15%之間)時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到了最大值?；谇拜唫?cè)滑機(jī)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(cè)量前束處的輪輞直徑，L為模型車軸距，輪胎接地印跡長(zhǎng)度為前輪外傾角，r為輪胎滾動(dòng)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?cè)O(shè)計(jì)并安裝了舵機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機(jī)負(fù)載，對(duì)前輪的安裝角度，即前輪定位進(jìn)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(gè)分賽區(qū)。從八十年代以來，美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)競(jìng)相投入巨額資金和大量人力，開始大規(guī)模的進(jìn)行交通運(yùn)輸智能化的研究，取得了許多重要成果。通過比賽促進(jìn)了高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識(shí)運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，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(shí)際、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)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(gè)適當(dāng)?shù)闹?，?huì)更有利于過彎。舵機(jī)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(huì)發(fā)生變化，這時(shí)需要稍微調(diào)整兩根轉(zhuǎn)向拉桿的長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)，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(shí)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(dòng)的力，根據(jù)理論分析，我們認(rèn)為當(dāng)保持模型車過彎速度不變時(shí)（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(xì)算法見軟件算法一章。舉例說：當(dāng)滑動(dòng)量比較大的時(shí)候，變形力就會(huì)大于粘合力，占支配地位。3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本智能車系統(tǒng)采用“飛思卡爾”單片機(jī)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(chǎng)信息并傳到核心控制單元單片機(jī)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(jī)與直流電機(jī)，以實(shí)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(duì)單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)，可以向單片機(jī)下載程序、調(diào)試程序等，可以在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行進(jìn)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(chǎng)強(qiáng)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(jìng)賽的檢測(cè)方法，除了檢測(cè)磁場(chǎng)的精度之外，還需要對(duì)于檢測(cè)磁場(chǎng)的傳感器的頻率響應(yīng)、尺寸、價(jià)格、功耗以及實(shí)現(xiàn)的難易程度進(jìn)行考慮。因此在位移0~30cm之間，電動(dòng)勢(shì)差值Ed與位移x是一個(gè)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(dāng)智能車通過小S彎時(shí)，采用直線通過的形式，這樣既避免了過彎時(shí)減速，又減少了行駛路徑的長(zhǎng)度，如圖45所示： 控制方法的選擇及分析智能車在運(yùn)行過程中，會(huì)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(shí)間路況進(jìn)行調(diào)整才能達(dá)到快速穩(wěn)定的目的。 .(42)式中 、 、別為比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間。通過實(shí)際測(cè)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(shí)舵機(jī)指向90176。 //vcoclk頻率和目標(biāo)頻率的誤差已在允許的范圍內(nèi) CLKSEL_PLLSEL =1。PWMPER45 =3200。 ATD0CTL5=0x30。最后對(duì)系統(tǒng)的初始化進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)① 系統(tǒng)總體概述及主要部件的標(biāo)定從總體上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)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(shí)際賽道測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整算法參數(shù)，可以很好地彌補(bǔ)響應(yīng)延時(shí)。其次，還可以考慮仿真平臺(tái)的搭建，這對(duì)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(duì)模型車系統(tǒng)性能進(jìn)行初步的仿真.，仿真結(jié)果只能作為設(shè)計(jì)參考。而傳統(tǒng)的8位單片機(jī)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(dòng)滾筒洗衣機(jī)、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。現(xiàn)在，這種單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。因此，對(duì)單片機(jī)的理解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、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(shì)，將MCS51從單片微型計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展到微控制器。這種計(jì)算機(jī)就是把智能賦予各種機(jī)械的單片機(jī)（亦稱微控制器）。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)?；谶@一系統(tǒng)的單片機(jī)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(yùn)行，控制算法頻率為50Hz，因此每20ms，就需向舵機(jī)發(fā)送一次控制命令。實(shí)時(shí)記錄各個(gè)電磁傳感器信號(hào)、車速信號(hào)、電池電壓信號(hào)、舵機(jī)轉(zhuǎn)向信號(hào)，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(gè)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(huì)使控制效果優(yōu)良，不合理的選擇會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能變差，有時(shí)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(duì)擾動(dòng)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(shí)際行駛的半徑在180176。要進(jìn)行的外部控制輸出有：舵機(jī)轉(zhuǎn)向輸出、驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)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(shí)避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。在檢測(cè)幅值之前必須進(jìn)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(dòng)勢(shì)大小與成正比[8]。（4）載流子自旋相互作用磁場(chǎng)測(cè)量方法：自旋閥巨磁效應(yīng)磁敏電阻、自旋閥三極管磁場(chǎng) 傳感器、隧道磁致電阻效應(yīng)磁敏電阻。通過檢測(cè)相應(yīng)的電磁場(chǎng)的強(qiáng)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(jìn)行電磁導(dǎo)航的目的。IN=1且INH=1時(shí)，高邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出高電平；IN=0且INH=1時(shí)，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(gè)成員[5]。 當(dāng)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(shí)候 ，粘合力就會(huì)占支配地位[4]。這時(shí)候，輪胎會(huì)有一些橫向滑動(dòng)。前輪定位參數(shù)、車速、輪胎氣壓、載荷和驅(qū)動(dòng)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(jī)的安裝與改進(jìn) 舵機(jī)響應(yīng)速度是整車過彎速度的一個(gè)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(shí)，轉(zhuǎn)向舵機(jī)的負(fù)載會(huì)因?yàn)檐囕嗈D(zhuǎn)向角度增大而增大。每年一屆，已成功舉辦四屆，此項(xiàng)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(duì)參與，由于參賽隊(duì)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(jiǎn)稱IVHS）的重要一部份，智能車在世界各國的研究也隨著計(jì)算機(jī)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?jī)?nèi)容1）查閱相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)比賽規(guī)則要求，設(shè)計(jì)制定智能模型車系統(tǒng)方案；2）選擇及設(shè)計(jì)關(guān)鍵器件，并進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及功能模塊設(shè)計(jì)；3）智能模型車系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)及研究；4）智能模型車系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計(jì)及研究；5）開發(fā)智能模型車系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)；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(dòng)回正。擺臂加長(zhǎng)后，舵機(jī)空程會(huì)明顯，但是差別不大，通過程序微調(diào)舵機(jī)最大轉(zhuǎn)角能夠休整，所以可以忽略。 差速調(diào)整 差速機(jī)構(gòu)的作用是在賽車轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，降低后輪與地面之間的滑動(dòng),并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會(huì)損害到電機(jī)。 輪胎影響因素 輪胎對(duì)于車輛能夠被很好的操控，是非常重要的。 當(dāng)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(shí)候 ，粘合力就會(huì)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(jī)必須把對(duì)賽道路徑的判斷、轉(zhuǎn)向舵機(jī)的角度控制以及對(duì)直流電機(jī)的控制緊密的聯(lián)系在一起。它具有很強(qiáng)的高級(jí)語言支持功能，內(nèi)部資源非常豐富，主要有以下部分：時(shí)鐘和復(fù)位模塊——PLL(鎖相環(huán)模塊)——COP看門狗——時(shí)鐘監(jiān)控存儲(chǔ)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(qiáng)型捕捉定時(shí)器——16位主計(jì)數(shù)器，7位分頻系數(shù)——8個(gè)輸入捕捉通道或輸出比較通道——2個(gè)8位或1個(gè)16位脈沖計(jì)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(dú)立控制各路PWM的周期和占空比——中間對(duì)齊和左對(duì)齊輸出——頻率范圍寬的可編程時(shí)鐘選擇邏輯——緊急時(shí)刻快速關(guān)閉輸出串行接口——兩個(gè)異步串行通信接口模塊SCI——1個(gè)IIC總線接口——2個(gè)同步串行外設(shè)接口SPI——3個(gè)1M/S，——背景調(diào)試模塊（BDM）——封裝：LQFP112和LQFP80圖32 單片機(jī)系統(tǒng) MCU system 單片機(jī)系統(tǒng)電路圖如圖32所示，雖然單片機(jī)將CPU、ROM、RAM以及IO統(tǒng)統(tǒng)集成在一個(gè)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(jī)系統(tǒng)提供電源、時(shí)鐘、IO驅(qū)動(dòng)、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(dòng)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(dòng)安裝，固定于賽車尾部。 圖312 直線電流的磁場(chǎng) Linear Current Magnetic圖313：無限長(zhǎng)導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度:Infinite field strength around the wire 導(dǎo)線中的電流按照一定規(guī)律變化時(shí)，導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)也將發(fā)生變化，這線圈中將感應(yīng)出一定的電動(dòng)勢(shì)。 通電導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)，場(chǎng)的分布如上圖所示?？梢允褂眠@個(gè)量對(duì)于小車轉(zhuǎn)向進(jìn)行負(fù)反饋控制，從而保證兩個(gè)線圈的中心位置跟蹤賽道的中心線。已知感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率感應(yīng)線圈電感為L(zhǎng)=10mH，可以計(jì)算出諧振電容的容量為： (37)。強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)相隔離。程序整體框架如圖 41所示。在長(zhǎng)直道行駛時(shí)，可將車速提高到最大，在進(jìn)入彎道時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p速，以防止沖出賽道和發(fā)生側(cè)滑，離開彎道時(shí)又要及時(shí)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(jī)和電機(jī)控制策略 賽道信息智能汽車競(jìng)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(shí)際的轉(zhuǎn)動(dòng)角度只能在42176。 //系統(tǒng)時(shí)鐘由PLLCLK分頻（fBUS=fPLL/2） CLKSEL=0X00。 PWMDTY45 =0。 FATDCLk = [BusClock*]/[PRS+1] =125ns//ATD轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率計(jì)算公式 TIM模塊增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器模塊對(duì)端口功能進(jìn)行了擴(kuò)展，ECT模塊能實(shí)現(xiàn)輸入捕捉和輸出比較兩大功能。5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 本設(shè)計(jì)致力于智能汽車的開發(fā)和應(yīng)用上，設(shè)計(jì)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(jī)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(duì)主要部件的標(biāo)定，以更為深入的了解各個(gè)系統(tǒng)及器件的特性，為后續(xù)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及控制算法和控制策略的制定和選擇奠定基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)更加精確和可靠的設(shè)計(jì)。② 賽車彎道速度控制問題實(shí)際賽道測(cè)試發(fā)現(xiàn)，如果不控制賽車在彎道時(shí)的速度，會(huì)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(jì)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(gè)過程，張老師對(duì)此傾注了心血。目前，高端的32位單片機(jī)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(hào)出廠價(jià)格跌落至1美元，最高端[1]的型號(hào)也只有10美元。 它是一種在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)，在線式就是現(xiàn)場(chǎng)控制，需要的是有較強(qiáng)的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計(jì)算機(jī)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(jī)，就能起到使產(chǎn)品升級(jí)換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞——“智能型”，