【文章內(nèi)容簡介】 壓電路。 其典型應用如圖 所示 ： 圖 PWM 斬波升壓電路 通過計算，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。 信號采集單元 在對 賽道 路面信息的檢測方面， 主要敘述 CCD 的 應用， 在 CCD 的應用 硬件方面 需要 考慮這幾方面 的問題 ： 驅(qū)動 電路設(shè)計 、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 電路 。 同步分離及 AD 轉(zhuǎn)換原理如 圖 ： 圖 同步分離電路 電機驅(qū)動單元 電機驅(qū)動方案 設(shè)計 相對較為簡單， 驅(qū)動芯片采用 freescare 公司的半橋式驅(qū)動芯片 MC33886。典型應用電路見圖 。該芯片集成了內(nèi)部邏輯控制電路，升壓電荷泵，門極驅(qū)動等。正常工作時其工作電壓范圍為 540V，導通電阻 120毫歐，輸入信號為 TTL 或 CMOS 信號。其連續(xù)感性負載電流可達 5A，輸出的脈寬調(diào)制 PWM 波頻率最高可高達 10kHZ。芯片還具有短路保護、欠壓保護、過溫保護等。在 使 用過程中，為增加其驅(qū)動能力，我們把兩路半橋并 聯(lián) 。 考慮到在電機驅(qū)動過程中，芯片發(fā)熱量較大 我們在 PCB 板芯片的上下兩面都貼了散熱片。 圖 電機驅(qū)動電路 舵機 驅(qū)動單元 在對小車的方向控制方面，我們使用大賽提供的 SANWA（ 三和） SRM102Z舵機。 舵機為一種控制方法 相對 簡單的伺服電機， 只需兩根電源線，一根信號線就能實現(xiàn)控制， 且控制精度較高。 該款舵機的基本參數(shù)為： 速度 176。() 扭力 () 尺寸 重量 45g 表 舵機基本參數(shù)表 舵機的 典型的控制周期是２０毫秒，為了加快它的響應速度，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)實驗驗證 ， 降低控制周期對舵機的控制 有 較 好的效果． 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)控制 核心 算法結(jié)構(gòu) 我們的 設(shè)計 是 基于光電傳感器和 CCD 結(jié)合的 信號檢測 方案。 光電傳感器操作簡單，控制周期短，但其賽道分辨率低，識別到的道路信息 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 卻有著在檢測和處理時速度相對 較 低的缺點。我們在軟件設(shè)計中綜合了兩者的特點，使整個系統(tǒng)在這兩方面達到一定的互補效果。 程序 算法結(jié)構(gòu)包括圖像采集、圖像處理、光電開關(guān)識別， 辨識并 提取信息 、PID 控制等模塊 。 實際的應用中是以 CCD 為主，以光電管為輔 的方 法 ． 通過光電管來校正 CCD 的 信號檢測不足 。 其軟件流程圖如下所示 ： 圖 軟件總體流程圖 CCD 圖像檢測 數(shù)據(jù)擬合 是否為 錯誤狀態(tài) 光電管檢測 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 CCD 傳感器圖像處理 圖像處理的算法是采用動態(tài)閾值比較 并 對信號進行二值化處理，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系中的位置、方向及曲率等信息。 采用的方法主要有三個： 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點得到一個斜率，通過斜率的變化 可以 簡單判斷當前 賽道 是直線，圓周還是 S 曲線，從而 轉(zhuǎn) 到 相應 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 ． PID 算法 對驅(qū)動電機的控制，通過下面 算法 實現(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? ：當前和上次操作量 nMV? ：當前操作量微分 ne 、 1ne? 、 2ne? ：當前，上次，上上次偏差 Kp 、 Ki 、 Kd 數(shù)值 需 通過實驗得到。為得到與目標速度的偏差， 對 當前驅(qū)動電機速度 我們使用自制的光電編碼器進行 測量 。 實際使用中，我們采用的時間常數(shù)是 50ms（因為電機的線數(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 ．具體代碼請見附錄A 部分 。 光電傳感器 信號采集處理及小車狀態(tài)檢測校正算法 當使用 5 組 光電傳感器進行檢測時，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，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，電機驅(qū)動子程序，舵機控制子程序，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) 辨識分析進行相應代碼處理 執(zhí)行動作 第五章 總結(jié) 說明 前面 各章節(jié) 主要介紹了 賽 車 及控制 ,檢測系統(tǒng) 的設(shè)計 方案及硬件 ,軟件設(shè)計。在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中 .我們發(fā)現(xiàn)傳感器的排布，定位等都與實際控制精度有著密切關(guān)系。并且在整個調(diào)試過程中 ,還發(fā)現(xiàn)有一些問題在方案設(shè)計時沒有充分考慮到，比如小車的重心位置對超調(diào)的影響等。 在使用光電管 時，由于我們用到的光電管輸出信號是數(shù)字量信號，相鄰兩光電管之間的道路信息實際上是采集的盲區(qū)，光電管陣列之間的間隔會影響到信號采集分辨率。同時在循線時若要對前方道路信息進行數(shù)據(jù)擬合，以提前檢驗，傳感器陣列的排布形狀也會對算法產(chǎn)生一定影響。在試驗中調(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。在試驗中發(fā)現(xiàn)，當小車機械響應慢時，圖像視野應該偏遠，當小車機械響應快時，圖像視野則應稍近一些。此時視野對算法 的設(shè)計有著較大的影響。 因此我們的試驗就是基于上述問題開展的。另外，我們在設(shè)計中使用了軟件閉環(huán)，電機控制算法采用 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)進行了調(diào)節(jié)。 系統(tǒng)實驗過程簡介 試驗步奏： a) 首先調(diào)節(jié) PID 參數(shù)，使得小車在實際行駛時，電機轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定。 b) 單獨使用光電開關(guān)進行循線時，在試驗過程中，根據(jù)大賽組委會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，適當調(diào)整光電管陣列之間的間隔，并對我們在試驗前提出的光電傳感器的扇形排布進行驗證，并不斷對布局進行優(yōu)化 ,使傳感器 的布局日趨合理。在試驗的同時，逐步完善系統(tǒng)狀態(tài)表，使小車行駛狀態(tài)得到及時的校正。 c) 調(diào)整 CCD 的安裝角度 ,觀察 CCD 的賽道檢測視野，已達到最合理狀態(tài) .以便選擇合適的算法進行處理。 d) 將兩種方案結(jié)合起來，并以 CCD 為主，進一步試驗并改進算法。使算法達到優(yōu)化。 e) 最后對整個系統(tǒng)的綜合特性，即電路、機械兩方面進行測試，對硬線電路的功耗，慣量等進行測量，以便細化、改進整個系統(tǒng)的設(shè)計 方案。 試驗所得參數(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)距離地面最遠距離大約為 15~17mm； CCD 采樣精度為單片機 AD 采樣精度，即10 位。 智能汽車技術(shù)指標 目前我們的智能賽車在學校統(tǒng)一 制作 的賽道 （參考韓國的比賽賽道制作）上可以 跑