【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 能車(chē)控制系統(tǒng)主要是通過(guò)制動(dòng)力控制汽車(chē)的橫擺運(yùn)動(dòng)，根據(jù)各傳感器輸入到計(jì)算機(jī)的信號(hào)推測(cè)駕駛員所期望的汽車(chē)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩和各車(chē)輪制動(dòng)力進(jìn)行控制，以減小汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)的過(guò)度轉(zhuǎn)向特性，以及抑制因后輪側(cè)滑所引起的急旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)發(fā)生，提高汽車(chē)操縱響應(yīng)能力和緊急躲避障礙能力。(7)顯示系統(tǒng)：它包括底視顯示系統(tǒng)、頂視顯示系統(tǒng)和控制中心顯示系統(tǒng)。底視顯示系統(tǒng)顯示汽車(chē)行駛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、車(chē)門(mén)狀態(tài)（鎖死/微開(kāi)） 、燃油狀態(tài)，還監(jiān)控轉(zhuǎn)向盤(pán)上用來(lái)選擇合適娛樂(lè)工作模式的各按鈕狀態(tài)；頂視顯示系統(tǒng)安裝于汽車(chē)擋風(fēng)玻璃上，可以為駕駛員傳遞路況信息、衛(wèi)星導(dǎo)航信息，控制中心顯示系統(tǒng)的液晶顯示觸摸屏能夠?yàn)轳{駛員提供各種信息界面顯示，如電話(huà)、溫度控制、電視、車(chē)輛狀態(tài)信息、車(chē)載移動(dòng)辦公、導(dǎo)航、網(wǎng)站瀏覽、娛樂(lè)等。乘客通過(guò)連接在座椅上的通訊接口，也能享受這些功能。信息融合技術(shù)是當(dāng)今智能汽車(chē)的發(fā)展前景，信息融合技術(shù)使得車(chē)輛能夠利用多傳感器集成技術(shù)以及融合技術(shù)，結(jié)合環(huán)境信息、交通狀況信息做出一個(gè)最優(yōu)決策，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛自動(dòng)感知前方的障礙物，及時(shí)采取措施進(jìn)行避讓?zhuān)煌ㄟ^(guò)對(duì)前方信號(hào)的識(shí)別，自動(dòng)停車(chē)或繼續(xù)運(yùn)行；通過(guò)對(duì)路標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別，避免違章行為等，從而可以大大降低車(chē)輛事故的發(fā)生，同時(shí)減輕司機(jī)駕駛的負(fù)擔(dān)，盡量降低司機(jī)疲勞駕駛的可能性。當(dāng)然，智能汽車(chē)的發(fā)展還有很長(zhǎng)的路要走，但是未來(lái)交通必然是由智能車(chē)主宰，再配合上智能交通系統(tǒng)，人們的夢(mèng)想——高速安全便捷的交通運(yùn)輸將不再是夢(mèng)。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)62 系統(tǒng)方案論證本文所述的智能車(chē)是一種自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)，能夠在給定的區(qū)域內(nèi)沿著軌跡自動(dòng)行進(jìn)。小車(chē)運(yùn)行過(guò)程由方向檢測(cè)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)部分進(jìn)行控制，采用與白色地面顏色有較大差別的黑色線(xiàn)條作為引導(dǎo)。智能車(chē)尋跡系統(tǒng)采用紅外反射式光電管識(shí)別路徑上的黑線(xiàn)，并以最短的時(shí)間完成尋跡，用 MC9S12XS128 單片機(jī)掃描光電傳感器組，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析處理并作出邏輯判斷后，得到行進(jìn)方向，再通過(guò)加長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)智能車(chē)的尋跡行進(jìn)。智能車(chē)的驅(qū)動(dòng)采用直流電機(jī)，并采用 PWM 實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速，為使智能車(chē)快速、平穩(wěn)地行駛，系統(tǒng)必須把路徑識(shí)別、相應(yīng)的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制以及直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制準(zhǔn)確地結(jié)合在一起。本文對(duì)智能車(chē)的尋跡、避障及速度控制等進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)自動(dòng)控制器是制作智能車(chē)的核心環(huán)節(jié)。自動(dòng)控制器是以單片機(jī)為核心，配合有傳感器、電機(jī)、舵機(jī)、電池、以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，它能夠自主識(shí)別路徑，控制模型車(chē)高速穩(wěn)定運(yùn)行在跑道上。 道路檢測(cè)方案設(shè)計(jì)智能小車(chē)需要實(shí)現(xiàn)自主尋跡，因而需要選擇合適的尋線(xiàn)傳感器。針對(duì)這個(gè)系統(tǒng)，傳感器主要負(fù)責(zé)采集路面信息。賽道路面用專(zhuān)用白色基板制作，跑道表面為白色，中心有連續(xù)黑線(xiàn)作為引導(dǎo)線(xiàn)，黑線(xiàn)寬 25mm。由于探測(cè)條件比較寬松，所以傳感器的選擇余地很大。大致可以分為兩種方案。 （1）紅外發(fā)射/接收管檢測(cè)方式，也即光電傳感器檢測(cè)方式。通過(guò)紅外發(fā)光管發(fā)射紅外線(xiàn)光照射跑道，跑道表面與中心線(xiàn)具有不同的反射強(qiáng)度，白色反射回來(lái)，而遇黑色吸收，利用紅外接收管可以檢測(cè)到這些信息。這種光電傳感器一般安裝在小車(chē)的前端，可以安裝一排，也可以前后安裝兩排，總共大約十幾個(gè)，這樣，可以根據(jù)道路顏色反射回來(lái)的信息來(lái)確定小車(chē)中心與黑色中心線(xiàn)之間的位置關(guān)系。通過(guò)合理安排紅外發(fā)射/接收管的空間位置就可以檢測(cè)到模型車(chē)前方道路相對(duì)小車(chē)的位置。 （2）CCD/CMOS 攝像頭檢測(cè)方式。將攝像頭認(rèn)為是一種傳感器，利用單片機(jī)采集道路前面的圖像，通過(guò)軟件處理獲取賽道的各種參數(shù)。由于賽道本身只包括黑白兩種顏色，采用黑白圖像傳感器即可滿(mǎn)足要求。CCD/CMOS 攝像頭有面陣和線(xiàn)陣兩種類(lèi)型，它們?cè)诮涌陔娐?、輸出信?hào)以及檢測(cè)信息等方面有著較大的區(qū)別，面陣攝像頭可以獲取前方賽道圖像信息，而線(xiàn)陣 CCD 只能獲取賽道一條直線(xiàn)上的圖像信息。所以線(xiàn)陣的 CCD 可以看做分辨率很高的紅外檢測(cè)方式。道路檢測(cè)也可以采用紅外與攝像頭混合檢測(cè)方式，但是這種方式安裝有很大的難度。 光電傳感器尋跡方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、信號(hào)處理速度快，但是其前瞻距離有限；光電管通過(guò)紅外收發(fā)管檢測(cè)接收到的反射光強(qiáng)弱，以此判斷賽道黑線(xiàn)，具有反應(yīng)速度快，電路簡(jiǎn)單，檢測(cè)信息速度快，成本低的優(yōu)點(diǎn)；CCD 攝像頭則是通過(guò)圖像采集，動(dòng)態(tài)安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)7拾取路徑信息來(lái)進(jìn)行尋線(xiàn)判斷。采用 CCD 攝像頭尋跡則能大幅度提升小車(chē)的前瞻距離，有利于小車(chē)提高車(chē)速。但是它是以實(shí)現(xiàn)小車(chē)視覺(jué)為目的的，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，檢測(cè)信息更新速度慢，數(shù)據(jù)處理量比較大，算法較為復(fù)雜。如何對(duì)攝像頭記錄的圖像進(jìn)行處理和識(shí)別，加快處理速度是攝像頭方案的難點(diǎn)之一。比較見(jiàn)表 21 所示。表 21 兩種道路檢測(cè)方法優(yōu)劣比較資料來(lái)源：學(xué)做智能車(chē)—挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯在比較了兩種傳感器優(yōu)劣之后，考慮到光電傳感器前瞻比較近單行掃描，視野比較小而且檢測(cè)精度不夠高，決定選用攝像頭，相信通過(guò)選用合適的攝像頭，加之精簡(jiǎn)的程序控制和較快的信息處理速度，攝像頭還是可以極好的控制效果的。選擇光攝像頭需要分析比較解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。 （1）根據(jù)其原理不同分?jǐn)z像頭主要分為兩種：CCD(Charge Coupled Device)攝像頭，CMOS 攝像頭。CCD 也稱(chēng)電耦合器件，其工作原理是：被攝物體反射光線(xiàn)到攝像頭上，經(jīng)過(guò)鏡頭聚焦到 CCD 感光芯片上，感光芯片根據(jù)光線(xiàn)的強(qiáng)弱積聚相應(yīng)電荷，經(jīng)周期性放電而產(chǎn)生表示圖像的電信號(hào)。CMOS 攝像頭其實(shí)跟 CCD 差不多，也是將光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。它們的差異之處就是圖像的掃描方式不同，CCD 是采用連續(xù)掃描方式，即它只有等到最后一個(gè)像素掃描完成后才進(jìn)行放大；CMOS 傳感器的每個(gè)像素都有一個(gè)將電荷放大為電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。所以 CMOS 的功耗比 CCD 要小。但是 CCD 攝像頭可以通過(guò)升壓電路來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題（2）在小車(chē)行進(jìn)的過(guò)程中由于車(chē)身的抖動(dòng)，CMOS 攝像頭采集到的圖像有可能模糊不清，這樣將會(huì)導(dǎo)致在處理采集到的數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生誤差，最終影響小車(chē)的前進(jìn)路線(xiàn)。而 CCD 攝像頭則穩(wěn)定得多。所以最終決定選擇 CCD 攝像頭。（2）消除外界環(huán)境光線(xiàn)的干擾。攝像頭采集圖像的過(guò)程中對(duì)外界環(huán)境光線(xiàn)的要求很高，因?yàn)閿z像頭很容易受外界光線(xiàn)的干擾，從而導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確?？梢圆扇〉拇胧┯校涸跀z像頭的前端鏡片上固定一個(gè)偏光片，這也就可以避免外界一些光線(xiàn)的道路檢測(cè)方法 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)紅外檢測(cè)方法1. 電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單；2. 檢測(cè)信息速度快；3. 調(diào)試簡(jiǎn)單；4. 成本低1. 道路參數(shù)檢測(cè)精度低；2. 道路參數(shù)檢測(cè)種類(lèi)少；3. 傳感器個(gè)數(shù)多；4. 檢測(cè)前瞻距離較短；5. 耗電量較大攝像頭檢測(cè)方法1. 檢測(cè)前瞻距離大；2. 檢測(cè)范圍寬；3. 檢測(cè)道路參數(shù)多1. 電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要視頻信號(hào)同步分離、工作 12 電源電路等輔助電路；2. 軟件計(jì)算量大；3. 檢測(cè)信息更新速度慢安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)8干擾（3）圖像接收信號(hào)的接口電路。攝像頭采集圖像后根據(jù)圖像的灰度會(huì)產(chǎn)生變化的電壓，它可以反映出賽道中心線(xiàn)的位置。這個(gè)電壓信息可以通過(guò)外部的電壓比較器變成高低電平有單片機(jī)的 I/O 口端口讀取，也可以通過(guò)單片機(jī)的 A/D 端口直接讀取。通常單片機(jī)的 I/O 口數(shù)量比較多，可并行輸入傳感器的狀態(tài)，讀取速度快，這種方式需要增加多路電壓比較電路，增加了接口電路的復(fù)雜性，同時(shí)也將攝像頭上連續(xù)變化的電壓信息由于整形而丟失了。通過(guò)單片機(jī)的 A/D 口直接讀取電壓的變化量，不僅可以簡(jiǎn)化外部電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)還可以保留攝像頭的連續(xù)變化電壓信息，通過(guò)軟件算法進(jìn)行位置插值細(xì)化，不僅可以得到更加精確的位置信息，同時(shí)還可以消除環(huán)境光線(xiàn)的影響。 動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)直流電機(jī)是智能車(chē)前行的動(dòng)力所在。要驅(qū)動(dòng)、控制一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)需要設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。要驅(qū)動(dòng)、控制一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，既可以使用分立的功率元件如MOSFET 搭建驅(qū)動(dòng)電路，如半橋或 H 橋等；也可以使用集成的直流電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)芯片。由于使用分立的功率元件構(gòu)成電路會(huì)使得整個(gè)智能小車(chē)的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，因而使用集成的芯片會(huì)使小車(chē)的系統(tǒng)更簡(jiǎn)單明了。在此智能車(chē)系統(tǒng)中，采用的是 BTS7970 芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。BTS7970 是一種集成的 H 橋功率驅(qū)動(dòng)芯片，應(yīng)用的是 PWM 模塊來(lái)控制直流電動(dòng)機(jī)，芯片內(nèi)部是 H 橋結(jié)構(gòu),內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 21 所示。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)9圖 21 BTS7970 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制伺服電動(dòng)機(jī)是把輸入的電壓信號(hào)變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速隨信號(hào)電壓的方向和大小而改變。對(duì)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)為一路 PWM 波，本設(shè)計(jì)采用兩種供電方式，即一路 6V 供電一路 供電，平時(shí)使用 6V。由于額定電壓為 5v～6v，但稍微高于額定電壓會(huì)有更好的響應(yīng)速度和扭力。 測(cè)速電路選擇為了使模型車(chē)能夠平穩(wěn)地沿著賽道運(yùn)行，除了控制前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)以外，還需控制車(chē)速，使模型車(chē)在急轉(zhuǎn)彎時(shí)速度不要過(guò)快而沖出賽道。在車(chē)輪沒(méi)有打滑情況下，車(chē)速正比于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。車(chē)速檢測(cè)一般式通過(guò)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的。電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)方法很多，大致有以下方法：（1） 測(cè)速發(fā)電機(jī)。采用同軸直連或者齒輪傳動(dòng)等方法，將測(cè)速發(fā)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連，它的輸出電壓正比與轉(zhuǎn)速。（2） 透射式光電檢測(cè)。相比反射式光電檢測(cè)，它是具有齒槽結(jié)構(gòu)的圓盤(pán)固定在后輪驅(qū)動(dòng)機(jī)的輸出軸上，采用直射式紅外傳感器讀取齒槽圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖，比如 ST130 傳感器。（3） 反射式光電檢測(cè)。在后輪齒輪傳動(dòng)盤(pán)上粘貼一個(gè)黑白相間的光碼盤(pán)，通過(guò)固定在附近的反射式紅外傳感器讀取光碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖。（4） 轉(zhuǎn)角編碼器。分為絕對(duì)位置輸出或者增量式位置輸出兩種。一般可使用增量式編碼盤(pán)。它的輸出脈沖的個(gè)數(shù)正比于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而使它的輸出脈沖的頻率正比于轉(zhuǎn)速。可以通過(guò)測(cè)量單位周期內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)或者脈沖周期得到脈沖的頻率。本文采用的即為此方法。 控制算法這里主要完成對(duì)轉(zhuǎn)向舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制。采用簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制，使用基于反饋控制的 PID 算法為主要的控制算法。包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。即把測(cè)量到的關(guān)心的變量與期望值比較，然后用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。在這種情況下，引入了 PID 控制器。在實(shí)際應(yīng)用中，PID 控制算法所控制規(guī)律為比例、積分、微分控制。PID 是一種有效而簡(jiǎn)單的控制器，能夠在保證不影響系統(tǒng)穩(wěn)定精度的前提下提高系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，并很好地改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的 PID 控制算法在尋找機(jī)器人轉(zhuǎn)向控制中表現(xiàn)出來(lái)的性能很好，所以智能車(chē)的轉(zhuǎn)向控制算法也使用 PID 算法。但是由于智能車(chē)本身存在一些特異安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)10的故有特性，單純的 PID 控制無(wú)法有效地控制智能車(chē)，必須加入一些基于駕駛經(jīng)驗(yàn)的方法。首先，智能車(chē)車(chē)體慣量較大，車(chē)體控制響應(yīng)頻率較低；其次動(dòng)力電機(jī)和舵機(jī)的響應(yīng)速度有限；再次，智能車(chē)的差速機(jī)構(gòu)很差，不利于作大的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。這些特點(diǎn)時(shí)候使得智能車(chē)的控制滯后較大，且彎道性能較差。為了克服這些問(wèn)題，必須使智能車(chē)能夠提前檢測(cè)彎道必備并減速過(guò)彎。在實(shí)際的智能車(chē)系統(tǒng)中，PID 算法的運(yùn)用存在一些問(wèn)題：（1） 實(shí)際沒(méi)有對(duì)速度進(jìn)行限制，故需要對(duì)速度進(jìn)行定義；（2） 對(duì)直線(xiàn)上的偏差進(jìn)行不斷地修正，即使是很小的偏差，小車(chē)也會(huì)不斷地加速或減速，造成電能的損耗，影響速度的提高，并導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定；（3） 當(dāng)系統(tǒng)有干擾信號(hào)時(shí)，PID 調(diào)節(jié)會(huì)出現(xiàn)超調(diào)甚至震蕩現(xiàn)象，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)113 智能車(chē)硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出分析情況，結(jié)合其軟硬件特點(diǎn)，在硬件上可將智能車(chē)系統(tǒng)劃分為電源、單片機(jī)、傳感器、動(dòng)力電機(jī)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)和通訊調(diào)試等幾個(gè)模塊。系統(tǒng)模塊框圖如圖 31 所示。在選定智能車(chē)系統(tǒng)采用攝像頭傳感器方案后，賽車(chē)的位置信號(hào)由車(chē)體上方的攝像頭傳感器采集，經(jīng) MC9SXS128 的 I/O 口處理后，用于賽車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制決策，同 時(shí)內(nèi)部ECT 模塊發(fā)出 PWM 波，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)對(duì)智能車(chē)進(jìn)行加速和減速控制，以及伺服電機(jī)對(duì)賽車(chē)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，使賽車(chē)在賽道上能夠自主行駛，并以最短的時(shí)間最快的速度跑完全程。為了對(duì)賽車(chē)的速度進(jìn)行精確的控制，在智能車(chē)后軸上安裝光電編碼器，采集車(chē)輪轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)，經(jīng) MC9SXS128 捕獲后進(jìn)行 PID 自動(dòng)控制，完成智能車(chē)速度的閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中最重要的部分是舵機(jī)。智能小車(chē)采用舵機(jī)的型號(hào)為 HS3010，該舵機(jī)扭力大，穩(wěn)定性好，控制角度精確，但是響應(yīng)靈敏度較差，存在嚴(yán)重的機(jī)械滯后，而舵機(jī)的響應(yīng)速度直接影響模型車(chē)通過(guò)彎道時(shí)的最高速度，提高舵機(jī)的響應(yīng)速度是提高模型車(chē)平均速度的一個(gè)關(guān)鍵。由于速度是比賽的關(guān)鍵，那么在智能小車(chē)的設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)一個(gè)好的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路至關(guān)重要。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，而是采用了基于 H 橋驅(qū)動(dòng)電路的 PWM 控制技術(shù)，方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和制動(dòng)。智能小車(chē)競(jìng)賽是基于同一開(kāi)發(fā)平臺(tái)上設(shè)計(jì)的小車(chē)競(jìng)速比賽，因而智能小車(chē)的速度和穩(wěn)定性是決定比賽成績(jī)的關(guān)鍵。單片機(jī)控制模塊電源模塊賽道信息采集速度檢測(cè)模塊輔助調(diào)試模塊舵機(jī)控制模塊電機(jī)控制模塊安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)12圖 31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 CPU 小系統(tǒng)設(shè)計(jì) CPU簡(jiǎn)介MC9SXS128 是 HCS12 家族的一個(gè)成員。該器件包