【文章內(nèi)容簡介】 t)=r(t)y(t)。在PID調(diào)節(jié)作用下，控制器對誤差信號e(t)分別進(jìn)行比例(P)，積分(I)，微分運(yùn)算(D)，其結(jié)果的加權(quán)和構(gòu)成系統(tǒng)的控制信號u(t)，送給被控對象加以控制。 PID控制器的數(shù)學(xué)描述為式41 式41 式中，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分時間常數(shù)，Kd為微分時間常數(shù)。 比例環(huán)節(jié)的主要作用是：Kp的值增大時，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)的幅值增加。當(dāng)達(dá)到某個Kp值，系統(tǒng)將趨于不穩(wěn)定。 當(dāng)增加積分時間常數(shù)Ki的值時，系統(tǒng)超調(diào)量減小，而系統(tǒng)的響應(yīng)速度將變慢。因此，積分環(huán)節(jié)的主要作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，其作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)Ki的大小。 模糊控制以模糊集合理論為基礎(chǔ)，而模糊集合靠隸屬度函數(shù)來描述。采用的模糊推理方式為IF A AND B THEN C(以A表示誤差，用B表示誤差變化率，而C則是控制量。)模糊控制步驟：精確量輸入模糊化規(guī)則推理反模糊精確量輸出現(xiàn)在稍稍介紹一下我組的系統(tǒng)，我的系統(tǒng)是基于Freescale公司MC9S12DG128的一個隨動系統(tǒng)，要求能跟隨目標(biāo)的變化而作相應(yīng)的角度，速度的變化。D系列的產(chǎn)品具有模糊推理的功能，有模糊指令集，而且有模糊機(jī)例程。而我組正是在該模糊機(jī)例程的基礎(chǔ)上做的模糊控制。第五章 智能車硬件制作在整個系統(tǒng)中，最重要的是硬件和軟件部分。硬件是整個系統(tǒng)的軀體，是整個系統(tǒng)的核心部分?？紤]到自身的情況，我們決定自己制作電路板，將我們說需要用的外圍電路都集中在一塊電路板上。單片是是整個電路的核心部分，它能不能正常的工作決定了整個系統(tǒng)的是否能正常運(yùn)行。 單片機(jī)電路 時鐘電路時鐘電路在單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中往往是一個關(guān)鍵的部分，因?yàn)榫д耋w的工作頻率很高，設(shè)計(jì)不當(dāng)很有可能使其工作時的產(chǎn)生的高頻信號對其他電路造成干擾，尤其是對模擬部分如AD轉(zhuǎn)換輸入信號的干擾；或者甚至晶振體不工作，導(dǎo)致整個單片機(jī)系統(tǒng)無法運(yùn)行。MC9S12系列單片機(jī)的時鐘輸入接口在其46(EXTAL)和47(XTAL)引腳上(112引腳封裝)，通常是接一個16M的晶振體。外部振蕩器的連接分為串聯(lián)型，并聯(lián)型和使用外部有源振蕩器3種方式。最后一種的穩(wěn)定性比較高，MC9S12系列單片機(jī)專門設(shè)計(jì)了外部振蕩器的連接設(shè)置引腳PE7，要求我們在使用串聯(lián)型電路時將該引角置高，在使用并聯(lián)型和外部有源振蕩器電路時將該引腳置低。本系統(tǒng)采用的是第二種連接方式，也就是并聯(lián)連接方式，其中的電容CC2稱為負(fù)載電容,它們分別與晶振體連接后接地,為的是削減諧波對電路的穩(wěn)定性的影響,也就是濾波,取值為22pF；R1是為了保證起振，大小通常取1M。 S12單片機(jī)濾波電路設(shè)計(jì)濾波電路常用于濾去電壓中的紋波，保證系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。它一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容、電感組成而成的各種復(fù)式濾波電路。S12系列單片機(jī)內(nèi)部帶有電壓調(diào)整器,它主要負(fù)責(zé)為單片機(jī)的內(nèi)部提供不同的電壓，因此其電源端VDDPLL(43引腳)與XFC(44引腳)需要外部連接濾波電路才能保證其正常運(yùn)行。同樣Freescale也要求我們?yōu)镾12單片機(jī)的VDD1(13引腳)VDD2(65引腳)外接濾波電容。當(dāng)然單片機(jī)的其他的各個外接電源端也一定要有濾波電路。 S12單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)為了降低硬件電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，本系統(tǒng)未引入專門的復(fù)位芯片，而是采用了一種簡單的復(fù)位電路。該電路不具備低壓復(fù)位保護(hù)功能并且使用電容的充電模仿復(fù)位芯片的復(fù)位信號。因?yàn)樵趶?fù)位按鍵松開，系統(tǒng)上電時，電容開始充電，電壓不能突變只能緩慢上升，所以可以保持一段時間的低電平。經(jīng)試驗(yàn)該復(fù)位電路可以滿足系統(tǒng)對穩(wěn)定性的要求。 BDM接口設(shè)計(jì) 下圖為具體的電路設(shè)計(jì)方案： BDM接口電路BDM接口是S12單片機(jī)用來連接BDM調(diào)試器的，BDM接頭通常設(shè)計(jì)為6針的雙排插頭，其中4個引腳分別為VDD、RESET、GND和BKGD(BACKGROUND)，另外2個針腳為空。從圖中可以看到，單片機(jī)的BKGD引腳還與VCC ，這是單片機(jī)的運(yùn)行模式?jīng)Q定的。圖中的R2大小為51歐，為的是充分保護(hù)單片機(jī)的該引角。 電源管理模塊的電路設(shè)計(jì)電源是一個系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，因此電源的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 2000mAh Nicd電池，本系統(tǒng)很多模塊還需要其它的電壓，： 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 電源管理電路圖 電源管理部分的設(shè)計(jì)原則是利用LM2940CT5V為S12單片機(jī)、圖像采集模 塊、伺服電機(jī)和速度檢測模塊提供穩(wěn)定的5V電壓，以保證各個模塊能夠正常穩(wěn) 定的工作。驅(qū)動電機(jī)獲得的電壓越高，它的轉(zhuǎn)速就越快。在整個系統(tǒng)中，電池 的電壓是最高的，所以將電池與驅(qū)動電機(jī)直接相連，使驅(qū)動電機(jī)獲得電池相同 的電壓。 :圖 LM2940 電路圖 LM29405 的相關(guān)資料LM29405 電源芯片能夠在 之間穩(wěn)定工作。組委會提供的是 ，達(dá)不到該電源芯片的上限值，較低的工作電壓保證了電池的電壓較低和電池電壓被驅(qū)動電機(jī)強(qiáng)行拉低以后保證系統(tǒng)能夠正常的工作，所以用LM29405能夠保證系統(tǒng)正常、穩(wěn)定的工作。LM29405還有一個特點(diǎn)是通過的電流較大，這也是系統(tǒng)穩(wěn)定的有一個保障。 速度采集模塊的電路設(shè)計(jì)為了使得智能車能夠平穩(wěn)地沿著道路行駛，需要進(jìn)行車速控制，使賽車在急轉(zhuǎn)彎時速度不至過快而沖出賽道。通過控制驅(qū)動電機(jī)上的平均電壓可以控制車速，但是如果開環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，會受很多因素影響，例如電池電壓、電機(jī)傳動摩擦力、道路摩擦力和前輪轉(zhuǎn)向角度等。這些因素會造成智能車運(yùn)行不穩(wěn)定。通過速度檢測，對車模速度進(jìn)行閉環(huán)控制，即可消除上述各種因素的影響，使得車模運(yùn)行得更穩(wěn)定。編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器件,電機(jī)轉(zhuǎn)動時,會帶動光柵盤旋轉(zhuǎn),經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號,其原理示意圖如圖48所示。,為判斷旋轉(zhuǎn)方向,碼盤還可提供相位差90o的兩路脈沖信號。編碼器可以根據(jù)檢測原理分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式編碼器，還可以根據(jù)刻度方法及信號輸出形式，分為增量式、絕對式以及混合式三種。在智能車系統(tǒng)中，我們就是使用了一種增量式編碼器，增量式編碼器是直接利用觀點(diǎn)轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡單，機(jī)械平均壽命在幾萬小時以上，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，可靠性高，適合于長距離傳輸；其缺點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息，非常適合速度測試。 編碼器原理圖 編碼器的使用 編碼器的電源分別與電路板上的+5V和0V相接，信號線與單片機(jī)的PP7引腳相連，就夠成了速度采集模塊的電路圖。編碼器的安裝已在第三章中說明,并帶有圖片,在此不再敘述。智能車在行進(jìn)的時候帶動編碼器一起轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動過程中軸編碼器的信號線不斷地向外輸出脈沖。MCU中的脈沖累加器工作在脈沖累加的模式下，每檢測到了一個脈沖，脈沖累加計(jì)算器就加一。由于我們采用了級聯(lián)的方式，組成了一個16位的計(jì)數(shù)器，所以絕對不會產(chǎn)生溢出的情況。我們所使用的編碼器在工作的時候，編碼器軸轉(zhuǎn)三周就會產(chǎn)生500個脈沖，編碼器的齒輪與驅(qū)動電機(jī)的相同，傳動比都為18/76。在程序上我們規(guī)定4ms讀取一次脈沖累加器的值，根據(jù)這個值可以計(jì)算出速度。反過來，我們也可以對智能車的最大速度和最小速度進(jìn)行設(shè)定等，保證智能車能順利的跑完全程，避免沖出跑道導(dǎo)致比賽失敗。 串口部分的硬件設(shè)計(jì) 串行通信原理單片機(jī)在應(yīng)用中往往要與其他的設(shè)備通訊，最常見的通訊方式就是串行通訊。S12 單片機(jī)內(nèi)置了2個SCI串行通訊模塊。單片機(jī)在與PC 的通訊中，由于電腦的串口信號線為正負(fù)邏輯關(guān)系，即邏輯“1”為5~ 15V，邏輯“0”為+5~+15V，這與單片機(jī)的邏輯信號電壓定義不同，這樣就需要對兩者之間信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。最簡單的電平轉(zhuǎn)換方法可以利用幾個三極管，但是出于穩(wěn)定性和可靠性的考慮，一般使用電平轉(zhuǎn)換專用芯片MAX232。 MAX232簡介 Max232產(chǎn)品是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片。該器件包含2驅(qū)動器、2接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA232F電平。該器件符合TIA/EIA232F標(biāo)準(zhǔn)，每一個接收器將TIA/EIA232F電平轉(zhuǎn)換成5V TTL/CMOS電平。每一個發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA232F電平。下圖412為MAX232的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和外部接線圖： MAX232的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和外部接線 MAX232電路圖 MAX23電路圖第六章 設(shè)計(jì)與調(diào)試 開發(fā)工具智能車的開發(fā)使用組委會提供的CodeWarrior 、調(diào)試，使用串口將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)中，在PC中進(jìn)行顯示。 編譯環(huán)境在制作過程中，運(yùn)行的編譯環(huán)境為 CodeWarrior 。，具有直觀，易用的優(yōu)點(diǎn)。，代碼生成，語法敏感編輯器等，具有快速下載，單步調(diào)控的特點(diǎn)，同時可以融合C語言和匯編語言的混合編程。，單步運(yùn)行程序的功能，同時能夠觀察到主程序中定義的所有的變量的值。這一功能在進(jìn)行程序錯誤檢查和改正時起到了至關(guān)重要的作用。： 調(diào)試環(huán)境調(diào)試下載工具應(yīng)用的是由清華大學(xué)飛思卡爾研究中心開發(fā)的BDM調(diào)試器，支持在線仿真調(diào)試。 軟件的調(diào)試，: 調(diào)試環(huán)境 智能車圖像調(diào)試工具智能車的攝像頭拍攝到的圖片是一些數(shù)據(jù)存放在單片機(jī)中的,我們將這些數(shù)據(jù)通過串口傳送到了上位機(jī)中，利用上位機(jī)中的一個圖像顯示軟件，將圖像顯示出來，這樣對于攝像頭拍攝的距離、清晰度等都能非常直觀的反映出來。： 智能車圖像調(diào)試軟件 智能車圖像采集程序圖像的顏色不一樣，其灰度值也不一樣。圖像的灰度值越大，圖像的點(diǎn)越亮；圖像的灰度值越小，其點(diǎn)越暗，也就是越黑。在整個智能車行進(jìn)的過程中，我們所關(guān)注的也是點(diǎn)到底是黑點(diǎn)還是白點(diǎn)，也就是這個點(diǎn)的灰度值。所以在圖像采集的時候，我們只需要將圖像的灰度信息保存下來就完成了圖像信息采集。 智能車圖像采集策略 攝像頭所采集到的圖像數(shù)據(jù)是一行一行、一個點(diǎn)一個點(diǎn)地按節(jié)拍向單片機(jī)傳輸，要想精確判斷任意時刻像素點(diǎn)的位置，就必須抓住每一個節(jié)拍。智能車系統(tǒng)中，，即使單片機(jī)超頻到極限40M，但是一條C語言按多條匯編指令來執(zhí)行，所以單片機(jī)的速度很難跟上PCLK的時鐘節(jié)拍，所以該線未接入單片機(jī)。對此采取的方法是在HREF行信號上升沿（高電平時數(shù)據(jù)有效）之后，循環(huán)讀取Y口的數(shù)據(jù)，一次讀取算一個像素點(diǎn)，兩次讀取之間不加任何延時，這樣每一行大約可以采集到60~100個點(diǎn)，而且不必對每一行數(shù)據(jù)都采集，程序中每隔4行采集一行數(shù)據(jù)，總共采集70行。在只掃描60cm快的情況下，對于判斷黑線軌跡，這個分辨率已經(jīng)足夠了。這里指的是靠近攝像頭的區(qū)域，離攝像頭越遠(yuǎn)的地方，拍攝的圖像的寬度就越大。： 起跑線和直道圖像 彎道圖像 圖像采集程序void interrupt 56 PORTP_ISR(void) { DisableInterrupts。 //關(guān)中斷if(PIFP_PIFP4==0) { … } else if(PIFP_PIFP6==0) { … } PIFP=0xff。 //清除標(biāo)志位 } 智能車圖像處理程序調(diào)試過程： 智能車圖像處理程序策略智能車所取得的一切關(guān)于賽道