【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 能車控制系統(tǒng)主要是通過制動(dòng)力控制汽車的橫擺運(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轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩和各車輪制動(dòng)力進(jìn)行控制，以減小汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的過度轉(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)顯示汽車行駛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、車門狀態(tài)（鎖死/微開） 、燃油狀態(tài)，還監(jiān)控轉(zhuǎn)向盤上用來選擇合適娛樂工作模式的各按鈕狀態(tài)；頂視顯示系統(tǒng)安裝于汽車擋風(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、溫度控制、電視、車輛狀態(tài)信息、車載移動(dòng)辦公、導(dǎo)航、網(wǎng)站瀏覽、娛樂等。乘客通過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)今智能汽車的發(fā)展前景，信息融合技術(shù)使得車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)車輛自動(dòng)感知前方的障礙物，及時(shí)采取措施進(jìn)行避讓；通過對(duì)前方信號(hào)的識(shí)別，自動(dòng)停車或繼續(xù)運(yùn)行；通過對(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，智能汽車的發(fā)展還有很長(zhǎng)的路要走，但是未來交通必然是由智能車主宰，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是一種自動(dòng)導(dǎo)引小車，能夠在給定的區(qū)域內(nèi)沿著軌跡自動(dòng)行進(jìn)。小車運(yùn)行過程由方向檢測(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條作為引導(dǎo)。智能車尋跡系統(tǒng)采用紅外反射式光電管識(shí)別路徑上的黑線，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)智能車的尋跡行進(jìn)。智能車的驅(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)智能小車需要實(shí)現(xiàn)自主尋跡，因而需要選擇合適的尋線傳感器。針對(duì)這個(gè)系統(tǒng)，傳感器主要負(fù)責(zé)采集路面信息。賽道路面用專用白色基板制作，跑道表面為白色，中心有連續(xù)黑線作為引導(dǎo)線，黑線寬 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。通過紅外發(fā)光管發(fā)射紅外線光照射跑道，跑道表面與中心線具有不同的反射強(qiáng)度，白色反射回來，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)道路顏色反射回來的信息來確定小車中心與黑色中心線之間的位置關(guān)系。通過合理安排紅外發(fā)射/接收管的空間位置就可以檢測(cè)到模型車前方道路相對(duì)小車的位置。 （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足要求。CCD/CMOS 攝像頭有面陣和線陣兩種類型，它們?cè)诮涌陔娐贰⑤敵鲂盘?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，而線陣 CCD 只能獲取賽道一條直線上的圖像信息。所以線陣的 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，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)7拾取路徑信息來進(jìn)行尋線判斷。采用 CCD 攝像頭尋跡則能大幅度提升小車的前瞻距離，有利于小車提高車速。但是它是以實(shí)現(xiàn)小車視覺為目的的，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。比較見表 21 所示。表 21 兩種道路檢測(cè)方法優(yōu)劣比較資料來源：學(xué)做智能車—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 也稱電耦合器件，其工作原理是：被攝物體反射光線到攝像頭上，經(jīng)過鏡頭聚焦到 CCD 感光芯片上，感光芯片根據(jù)光線的強(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 攝像頭可以通過升壓電路來解決這個(gè)問題（2）在小車行進(jìn)的過程中由于車身的抖動(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，最終影響小車的前進(jìn)路線。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)境光線的干擾。攝像頭采集圖像的過程中對(duì)外界環(huán)境光線的要求很高，因?yàn)閿z像頭很容易受外界光線的干擾，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的位置。這個(gè)電壓信息可以通過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)智能小車的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，因而使用集成的芯片會(huì)使小車的系統(tǒng)更簡(jiǎn)單明了。在此智能車系統(tǒng)中，采用的是 BTS7970 芯片來驅(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，還需控制車速，使模型車在急轉(zhuǎn)彎時(shí)速度不要過快而沖出賽道。在車輪沒有打滑情況下，車速正比于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。車速檢測(cè)一般式通過檢測(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)盤上粘貼一個(gè)黑白相間的光碼盤，通過固定在附近的反射式紅外傳感器讀取光碼盤轉(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。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?？梢酝ㄟ^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)出來的性能很好，所以智能車的轉(zhuǎn)向控制算法也使用 PID 算法。但是由于智能車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 控制無法有效地控制智能車，必須加入一些基于駕駛經(jīng)驗(yàn)的方法。首先，智能車車體慣量較大，車體控制響應(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)候使得智能車的控制滯后較大，且彎道性能較差。為了克服這些問題，必須使智能車能夠提前檢測(cè)彎道必備并減速過彎。在實(shí)際的智能車系統(tǒng)中，PID 算法的運(yùn)用存在一些問題：（1） 實(shí)際沒有對(duì)速度進(jìn)行限制，故需要對(duì)速度進(jìn)行定義；（2） 對(duì)直線上的偏差進(jìn)行不斷地修正，即使是很小的偏差，小車也會(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。在選定智能車系統(tǒng)采用攝像頭傳感器方案后，賽車的位置信號(hào)由車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)智能車進(jìn)行加速和減速控制，以及伺服電機(jī)對(duì)賽車進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，使賽車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)賽車的速度進(jìn)行精確的控制，在智能車后軸上安裝光電編碼器，采集車輪轉(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通過彎道時(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)。智能小車競(jìng)賽是基于同一開發(fā)平臺(tái)上設(shè)計(jì)的小車競(jìng)速比賽，因而智能小車的速度和穩(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