【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 壓電路。 其典型應(yīng)用如圖 所示 ： 圖 PWM 斬波升壓電路 通過計(jì)算，有 Vout=Vin*1/(1a)。其中 a 為占空比，可以知道若 Vin=5V,那么a=， 輸出電壓為 12V． 這里的 FET 選 用的是 IRFR2807。 信號(hào)采集單元 在對(duì) 賽道 路面信息的檢測(cè)方面， 主要敘述 CCD 的 應(yīng)用， 在 CCD 的應(yīng)用 硬件方面 需要 考慮這幾方面 的問題 ： 驅(qū)動(dòng) 電路設(shè)計(jì) 、同步分離、 AD 轉(zhuǎn)換 、和 CCD供電部分。 CCD 的 供電部分在上面 已 有敘述。 由于 我們所 選 用的這款 CCD 傳感器自帶 有 處理電路，故不 再 需考慮 外部驅(qū)動(dòng) 電路 。 同步分離及 AD 轉(zhuǎn)換原理如 圖 ： 圖 同步分離電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案 設(shè)計(jì) 相對(duì)較為簡(jiǎn)單， 驅(qū)動(dòng)芯片采用 freescare 公司的半橋式驅(qū)動(dòng)芯片 MC33886。典型應(yīng)用電路見圖 。該芯片集成了內(nèi)部邏輯控制電路，升壓電荷泵，門極驅(qū)動(dòng)等。正常工作時(shí)其工作電壓范圍為 540V，導(dǎo)通電阻 120毫歐，輸入信號(hào)為 TTL 或 CMOS 信號(hào)。其連續(xù)感性負(fù)載電流可達(dá) 5A，輸出的脈寬調(diào)制 PWM 波頻率最高可高達(dá) 10kHZ。芯片還具有短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)等。在 使 用過程中，為增加其驅(qū)動(dòng)能力，我們把兩路半橋并 聯(lián) 。 考慮到在電機(jī)驅(qū)動(dòng)過程中，芯片發(fā)熱量較大 我們?cè)?PCB 板芯片的上下兩面都貼了散熱片。 圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 舵機(jī) 驅(qū)動(dòng)單元 在對(duì)小車的方向控制方面，我們使用大賽提供的 SANWA（ 三和） SRM102Z舵機(jī)。 舵機(jī)為一種控制方法 相對(duì) 簡(jiǎn)單的伺服電機(jī)， 只需兩根電源線，一根信號(hào)線就能實(shí)現(xiàn)控制， 且控制精度較高。 該款舵機(jī)的基本參數(shù)為： 速度 176。() 扭力 () 尺寸 重量 45g 表 舵機(jī)基本參數(shù)表 舵機(jī)的 典型的控制周期是２０毫秒，為了加快它的響應(yīng)速度，除了把它的工作電壓提升到了６ V 外，還將其控制周期 由 ２０ ms 縮短為１０ ms， 經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 ， 降低控制周期對(duì)舵機(jī)的控制 有 較 好的效果． 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)控制 核心 算法結(jié)構(gòu) 我們的 設(shè)計(jì) 是 基于光電傳感器和 CCD 結(jié)合的 信號(hào)檢測(cè) 方案。 光電傳感器操作簡(jiǎn)單，控制周期短，但其賽道分辨率低，識(shí)別到的道路信息 量比較 少，前瞻性差，且易受環(huán)境光線干擾；而 CCD 則不存在這些問題，然而， CCD 卻有著在檢測(cè)和處理時(shí)速度相對(duì) 較 低的缺點(diǎn)。我們?cè)谲浖O(shè)計(jì)中綜合了兩者的特點(diǎn)，使整個(gè)系統(tǒng)在這兩方面達(dá)到一定的互補(bǔ)效果。 程序 算法結(jié)構(gòu)包括圖像采集、圖像處理、光電開關(guān)識(shí)別， 辨識(shí)并 提取信息 、PID 控制等模塊 。 實(shí)際的應(yīng)用中是以 CCD 為主，以光電管為輔 的方 法 ． 通過光電管來校正 CCD 的 信號(hào)檢測(cè)不足 。 其軟件流程圖如下所示 ： 圖 軟件總體流程圖 CCD 圖像檢測(cè) 數(shù)據(jù)擬合 是否為 錯(cuò)誤狀態(tài) 光電管檢測(cè) 是 特殊曲線算法 一般算 法 是否為特殊曲線 是 否 否 系統(tǒng)軟件功能模塊設(shè)計(jì) CCD 傳感器圖像處理 圖像處理的算法是采用動(dòng)態(tài)閾值比較 并 對(duì)信號(hào)進(jìn)行二值化處理，得到每行中心線的水平信息，然后通過擬合參數(shù)得到中心線在圖像坐標(biāo)系中的位置、方向及曲率等信息。 采用的方法主要有三個(gè)： 直線的擬合 圓周的擬合 “ S” 曲線的擬合 其中，直線的擬合為基礎(chǔ)，方法如下： 按照普通方法設(shè)直線方程為 baxy ?? .以 圖 一幅典型的 CCD拍攝的賽道圖像 為例 (圖象經(jīng)過二值化處理 )： 圖 賽道圖像 可以 連接任意相鄰的兩個(gè)點(diǎn)得到一個(gè)斜率，通過斜率的變化 可以 簡(jiǎn)單判斷當(dāng)前 賽道 是直線，圓周還是 S 曲線，從而 轉(zhuǎn) 到 相應(yīng) 的擬合 算法 ,并判斷前方賽道的狀況 ,控制賽車沿正確方向行進(jìn) ． PID 算法 對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制，通過下面 算法 實(shí)現(xiàn)。 1n n nM V M V M V?? ? ? 1 1 1 2( ) ( ( ) ( ) )n n n n n n n nM V Kp e e Ki e Kd e e e e? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 其中， nMV 、 1nMV? ：當(dāng)前和上次操作量 nMV? ：當(dāng)前操作量微分 ne 、 1ne? 、 2ne? ：當(dāng)前，上次，上上次偏差 Kp 、 Ki 、 Kd 數(shù)值 需 通過實(shí)驗(yàn)得到。為得到與目標(biāo)速度的偏差， 對(duì) 當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度 我們使用自制的光電編碼器進(jìn)行 測(cè)量 。 實(shí)際使用中，我們采用的時(shí)間常數(shù)是 50ms（因?yàn)殡姍C(jī)的線數(shù)太低） ，通過調(diào)試，得到了比較好的速度性能．基本滿足了控制的要求 ．具體代碼請(qǐng)見附錄A 部分 。 光電傳感器 信號(hào)采集處理及小車狀態(tài)檢測(cè)校正算法 當(dāng)使用 5 組 光電傳感器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)可用下表表示： 說明：此狀態(tài)圖與前面提到的光電傳感器的安裝直接相關(guān)． 軟件設(shè)計(jì)流程 主程序流程圖： 4 3 2 1 0 NO 狀態(tài)與功能 0 0 0 0 0 0 若轉(zhuǎn)向，保持狀態(tài)；直線則停止 0 0 0 0 1 1 右 偏，左移，中速小角度 校正 0 0 0 1 0 2 直線，高速直線行駛 0 0 0 1 1 3 微向右偏，中高速 0 0 1 0 0 4 左偏，右移，中速小角度校正 0 0 1 0 1 5 —— —— —— 0 0 1 1 0 6 微向左偏，中高速 0 0 1 1 1 7 —— —— —— 0 1 0 0 0 8 右偏，左移，低速大角度 0 1 0 0 1 9 右移或 不移動(dòng)，中速 0 1 0 1 0 10 右移，中速中角度 0 1 0 1 1 11 同上 0 1 1 0 0 12 右移 ，大角度低 中 速 0 1 1 0 1 13 —— —— —— 0 1 1 1 0 14 右移，大角度低中速 0 1 1 1 1 15 —— —— —— 1 0 0 0 0 16 右移，大角度低速 1 0 0 0 1 17 左移大角度低中速 1 0 0 1 0 18 左移中角度中速 1 0 0 1 1 19 左移，中角度中速 1 0 1 0 0 20 左移或不移，中速 1 0 1 0 1 21 —— —— —— 1 0 1 1 0 22 左移或不移，中速 1 0 1 1 1 23 —— — — —— 1 1 0 0 0 24 —— —— —— 1 1 0 0 1 25 左移，大角度低速 1 1 0 1 0 26 —— —— —— 1 1 0 1 1 27 —— —— —— 1 1 1 0 0 28 右移，大角度低速 1 1 1 0 1 29 —— —— —— 1 1 1 1 0 30 —— —— —— 1 1 1 1 1 31 —— —— —— 各功能子程序： 子程序模塊包括 PID 算法子程序，電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序，舵機(jī)控制子程序，圖像采集子程序 。 其中有的已在相關(guān)功能介紹過程中作了說明 ,現(xiàn)限于篇幅 ,不在此一一介紹了 . 系統(tǒng)初始化 讀取任務(wù)數(shù)據(jù) 處理并提取參數(shù) 辨識(shí)分析進(jìn)行相應(yīng)代碼處理 執(zhí)行動(dòng)作 第五章 總結(jié) 說明 前面 各章節(jié) 主要介紹了 賽 車 及控制 ,檢測(cè)系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 方案及硬件 ,軟件設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中 .我們發(fā)現(xiàn)傳感器的排布，定位等都與實(shí)際控制精度有著密切關(guān)系。并且在整個(gè)調(diào)試過程中 ,還發(fā)現(xiàn)有一些問題在方案設(shè)計(jì)時(shí)沒有充分考慮到，比如小車的重心位置對(duì)超調(diào)的影響等。 在使用光電管 時(shí)，由于我們用到的光電管輸出信號(hào)是數(shù)字量信號(hào)，相鄰兩光電管之間的道路信息實(shí)際上是采集的盲區(qū)，光電管陣列之間的間隔會(huì)影響到信號(hào)采集分辨率。同時(shí)在循線時(shí)若要對(duì)前方道路信息進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以提前檢驗(yàn)，傳感器陣列的排布形狀也會(huì)對(duì)算法產(chǎn)生一定影響。在試驗(yàn)中調(diào)整光電陣列的排布的目的主要在于盡量將道路信息的采集過程優(yōu)化，提高采集精度 ,使算法更為準(zhǔn)確。 而 CCD 的安裝定位也很重要，鏡頭的高度和安裝角度主要影響圖像視野。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小車機(jī)械響應(yīng)慢時(shí)，圖像視野應(yīng)該偏遠(yuǎn)，當(dāng)小車機(jī)械響應(yīng)快時(shí)，圖像視野則應(yīng)稍近一些。此時(shí)視野對(duì)算法 的設(shè)計(jì)有著較大的影響。 因此我們的試驗(yàn)就是基于上述問題開展的。另外，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中使用了軟件閉環(huán)，電機(jī)控制算法采用 PID 校正算法，于是在調(diào)節(jié)傳感器定位參數(shù)前，我們先將 PID 參數(shù)進(jìn)行了調(diào)節(jié)。 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程簡(jiǎn)介 試驗(yàn)步奏： a) 首先調(diào)節(jié) PID 參數(shù)，使得小車在實(shí)際行駛時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定。 b) 單獨(dú)使用光電開關(guān)進(jìn)行循線時(shí)，在試驗(yàn)過程中，根據(jù)大賽組委會(huì)提供的比賽賽道參數(shù)信息，以及我們所調(diào)整后小車的尺寸信息，適當(dāng)調(diào)整光電管陣列之間的間隔，并對(duì)我們?cè)谠囼?yàn)前提出的光電傳感器的扇形排布進(jìn)行驗(yàn)證，并不斷對(duì)布局進(jìn)行優(yōu)化 ,使傳感器 的布局日趨合理。在試驗(yàn)的同時(shí)，逐步完善系統(tǒng)狀態(tài)表，使小車行駛狀態(tài)得到及時(shí)的校正。 c) 調(diào)整 CCD 的安裝角度 ,觀察 CCD 的賽道檢測(cè)視野，已達(dá)到最合理狀態(tài) .以便選擇合適的算法進(jìn)行處理。 d) 將兩種方案結(jié)合起來，并以 CCD 為主，進(jìn)一步試驗(yàn)并改進(jìn)算法。使算法達(dá)到優(yōu)化。 e) 最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的綜合特性，即電路、機(jī)械兩方面進(jìn)行測(cè)試，對(duì)硬線電路的功耗，慣量等進(jìn)行測(cè)量，以便細(xì)化、改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 方案。 試驗(yàn)所得參數(shù) 光電開關(guān)陣列兩兩之間水平間距大概在 2mm 左右，整體呈扇形狀，最外兩邊角度大約是 120 度。 光電開關(guān)及 CCD 結(jié)合起來循線，采樣頻率大概為 20 毫秒。光電開關(guān)距離地面最遠(yuǎn)距離大約為 15~17mm； CCD 采樣精度為單片機(jī) AD 采樣精度，即10 位。 智能汽車技術(shù)指標(biāo) 目前我們的智能賽車在學(xué)校統(tǒng)一 制作 的賽道 （參考韓國(guó)的比賽賽道制作）上可以 跑