【文章內(nèi)容簡介】 。只需設(shè)置一個(gè)合理的閾值，把圖像處理成只有黑白兩種顏色，便于我們采集到賽道兩邊的黑線信息，然后再進(jìn)行濾波，把信號(hào)采集中出現(xiàn)的椒鹽噪聲所引起的一些孤立黑點(diǎn)給去除掉，從而可以提取出一條清晰的賽道信息，把賽道信息傳給主控芯片，由主控芯片產(chǎn)生一個(gè)PWM波，PWM波是一個(gè)占空比可調(diào)的，再由PWM波去控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)，從而控制小車的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，雙向電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)速度也是由PWM波控制的，最終使小車在賽道上平穩(wěn)快速的行使。 CodeWarrior介紹 CodeWarrior簡介CodeWarrior包括構(gòu)建平臺(tái)和應(yīng)用所必需的所有主要工具 IDE、編譯器、調(diào)試器、編輯器、鏈接器、匯編程序等。另外，CodeWarrior IDE支持開發(fā)人員插入他們所喜愛的工具，使他們可以自由地以希望的方式工作。CodeWarrior開發(fā)工作室將尖端的調(diào)試技術(shù)與健全開發(fā)環(huán)境的簡易性結(jié)合在一起，將C/C++源級(jí)別調(diào)試和嵌入式應(yīng)用開發(fā)帶入新的水平。開發(fā)工作室提供高度可視且自動(dòng)化的框架，可以加速甚至是最復(fù)雜應(yīng)用的開發(fā)，因此對(duì)于各種水平的開發(fā)人員來說，創(chuàng)建應(yīng)用都是簡單而便捷的。它是一個(gè)單一的開發(fā)環(huán)境，在所有所支持的工作站和個(gè)人電腦之間保持一致。在每個(gè)所支持的平臺(tái)上，性能及使用均是相同的。無需擔(dān)心主機(jī)至主機(jī)的不兼容。CodeWarrior開發(fā)工作室包括完成大多數(shù)嵌入式開發(fā)項(xiàng)目所需的所有工具。 CodeWarrior功能項(xiàng)目管理器：為軟件開發(fā)人員處理最高級(jí)別的文件管理；按照主要組別組織項(xiàng)目條目；追蹤狀態(tài)信息（例如文件修改日期）；確定每個(gè)構(gòu)建中特定文件的構(gòu)建順序及內(nèi)容；協(xié)調(diào)插件程序以提供箱版本控制和RTOS支持這樣的業(yè)務(wù)。文本編輯器：支持源代碼和其他文本文件的創(chuàng)建和處理。與其他的IDE功能完全集成。搜索引擎：查找特定的文字串；以替代文字替換找到的文字；支持常規(guī)表達(dá)的使用；提供文件比較及差別功能。源瀏覽器：保存用于程序的符號(hào)數(shù)據(jù)庫；包括變量及功能的名稱和值的符號(hào)的舉例；使用符號(hào)數(shù)據(jù)庫協(xié)助代碼瀏覽；將每個(gè)符號(hào)與此符號(hào)相關(guān)代碼的其他位置鏈接；處理目標(biāo)導(dǎo)向和程序語言。構(gòu)建系統(tǒng)：使用編譯器從源代碼生成可重新定位的目標(biāo)代碼，并使用鏈接器從目標(biāo)碼生成最后的可執(zhí)行圖像。CodeWarrior C/C++編譯器工具包括業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的C/C++語言CodeWarrior編譯器，包括標(biāo)準(zhǔn)模板庫（STL）及各種其他工具。源級(jí)別調(diào)試器：提供高性能窗口的源級(jí)別調(diào)試器，配備最新的高效率增強(qiáng)型圖形性能，縮短板的bringup和應(yīng)用開發(fā)時(shí)間；使用符號(hào)數(shù)據(jù)庫，提供源級(jí)別調(diào)試；支持符號(hào)格式，例如CodeView、Debug With Arbitrary Records Format（DWARF）和STABS。指令組模擬器：用于jumpstarting應(yīng)用開發(fā)的集成指令組模擬器（僅適用于特定的結(jié)構(gòu)）。版本控制工具：市場中眾多的版本控制工具與CodeWarrior產(chǎn)品兼容。 系統(tǒng)的初始化設(shè)置在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，用到了7個(gè)單片機(jī)基本功能模塊:時(shí)鐘模塊、PWM輸出模塊、外部中斷模塊、ECT模塊以及普通IO模塊。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了初始化配置，通過對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器或狀態(tài)寄存器的讀寫，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。 時(shí)鐘模塊單片機(jī)中有四個(gè)不同的時(shí)鐘，即外部晶振時(shí)鐘、鎖相環(huán)時(shí)鐘、總線時(shí)鐘和內(nèi)核時(shí)鐘。本文采用的是8MHz的外部晶振，因此外部晶振時(shí)鐘為8MHz，默認(rèn)設(shè)置下，鎖相環(huán)時(shí)鐘為64MHz，總線時(shí)鐘為SMHz，內(nèi)核時(shí)鐘為64MHz。鎖相環(huán)時(shí)鐘與外部晶振時(shí)鐘的倍、分頻關(guān)系由SYNR、REFDV兩寄存器決定?？偩€時(shí)鐘用作片上外圍設(shè)備的同步，而內(nèi)核時(shí)鐘則用作CPU的同步，它決定了指令執(zhí)行的速度。為了提高外圍設(shè)備的工作性能，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行了超頻。本文通過實(shí)時(shí)中斷的時(shí)間間隔來控制參數(shù)采樣及控制指令輸出的周期，在系統(tǒng)中，由于各個(gè)任務(wù)的工作周期不相同。路徑識(shí)別傳感器的采樣周期為10ms，舵機(jī)的控制指令輸出的周期為5ms。為了滿足不同任務(wù)的需求，將單片機(jī)的實(shí)時(shí)中斷間隔時(shí)間設(shè)置為1ms，然后通過軟件計(jì)數(shù)的方式來產(chǎn)生不同周期的時(shí)間間隔。 PWM模塊脈寬調(diào)制模塊有8路獨(dú)立的可設(shè)置周期和占空比的8位PWM通道，每個(gè)通道配有專門的計(jì)數(shù)器。該模塊有4個(gè)時(shí)鐘源，能分別控制8路信號(hào)。通過配置寄存器可設(shè)置PWM的使能與否、每個(gè)通道的工作脈沖極性、每個(gè)通道輸出的對(duì)齊方式、時(shí)鐘源以及使用方式(八個(gè)8位通道還是四個(gè)16位通道)。在智能模型車系統(tǒng)中，一共用到四路PWM輸出，兩路用于舵機(jī)控制，兩路用于電機(jī)控制；為了提高控制精度，將兩路8位通道合并為一個(gè)16位通道來控制舵機(jī)，這樣可使舵機(jī)的控制精度從1/255提高到1/65536。對(duì)于電機(jī)的控制，8位的輸出精度可以滿足應(yīng)用要求，一路PWM輸出用于控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)，一路PWM輸出用于控制電機(jī)的反向制動(dòng)。 速度檢測模塊軟件設(shè)計(jì)前面我們介紹過速度檢測模塊采用光電編碼器，由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(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，脈沖直接接在單片機(jī)的輸入捕捉端口，每一個(gè)上升沿發(fā)生一次中斷，通過計(jì)算每10毫秒中斷的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 車體控制算法車體控制算法是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它直接關(guān)系到賽車的表現(xiàn)。在經(jīng)過對(duì)傳感器信息的處理后，利用CCD采集的路徑形狀信息來控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)和行進(jìn)電機(jī)的輸出量，其中轉(zhuǎn)向舵機(jī)采用PD控制算法，行進(jìn)電機(jī)的控制采用PID控制算法。 PID控制算法PID(比例、積分、微分)控制是一種建立在經(jīng)典控制理論基礎(chǔ)上，對(duì)過去、現(xiàn)在和未來信息進(jìn)行估計(jì)的控制算法。PID控制策略其結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，可靠性高，并且易于實(shí)現(xiàn)。其缺點(diǎn)在于控制器的參數(shù)整定相當(dāng)繁瑣，需要很強(qiáng)的工程經(jīng)驗(yàn)。相對(duì)于其他的控制方式，在成熟性和可操作性上都有著很大的優(yōu)勢(shì)。所以最后我們選擇了PID的控制方式。 PID模擬控制框圖PID控制器的數(shù)學(xué)模型為： 式（）式()中，Kp為比例系數(shù)，Ti不為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。u(t)經(jīng)被控對(duì)象獲得新的輸出信號(hào)y(t)。這個(gè)新的輸出信號(hào)被再次送到感應(yīng)比較器以發(fā)現(xiàn)新的誤差信號(hào)，這個(gè)過程就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行。由式()可得出，Kp值增大時(shí)，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)其達(dá)到某個(gè)Kp值，系統(tǒng)將趨于不穩(wěn)定；當(dāng)增加積分時(shí)間常數(shù)Ti的值時(shí)，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(shí)間常數(shù)界的大小。當(dāng)增加微分時(shí)間常數(shù)Td時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度增加，響應(yīng)的幅度也增加，同時(shí)由于該環(huán)節(jié)反應(yīng)了控制量信號(hào)的變化速率，因此微分環(huán)節(jié)還可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的預(yù)判，大大提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，但對(duì)控制量信號(hào)無變化，或者變化緩慢的系統(tǒng)不起作用。在本系統(tǒng)中，賽車位置信號(hào)為y(t)，由傳感器采集得到。其期望的運(yùn)行位置r(t)為預(yù)先設(shè)定好的定值輸出信號(hào)。y(t)可作為舵機(jī)的控制信號(hào)。運(yùn)用PID控制的關(guān)鍵是調(diào)整Kp，Ti和Td三個(gè)比例系數(shù)，即參數(shù)整定。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，我們通過試湊法來整定參數(shù)，試湊法是通過閉環(huán)試驗(yàn)，觀察系統(tǒng)響應(yīng)曲線，根據(jù)各控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)試湊參數(shù)，以達(dá)到滿意的響應(yīng)，最后確定PID控制參數(shù)。試湊不是盲目的，而是在控制理論指導(dǎo)下進(jìn)行的。在控制理論中已獲得如下定性知識(shí)：比例調(diào)節(jié)(P)作用:是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)(I)作用:是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強(qiáng)。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。微分調(diào)節(jié)(D)作用:微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時(shí)，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD或PID控制器。試湊法的具體實(shí)施過程為：整定比例部分，將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)靜差小到允許范圍，響應(yīng)曲線己屬滿意，那么只需比例控制即可，由此確定比例系數(shù)。如果在比例控制基礎(chǔ)上系統(tǒng)靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則加入積分環(huán)節(jié)，整定時(shí)首先置積分時(shí)間為很大值，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略微縮小()，然后減小積分時(shí)間，使得在保持系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)的情況下，靜差得到消除，在此過程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，以期得到滿意的控制過程，得到整定參數(shù)。若使用比例積分控制消除了靜差，但動(dòng)態(tài)過程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不能滿意，則可加微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例、積分、微分控制器。在整定時(shí)，先置微分時(shí)間為零，在第二步整定基礎(chǔ)上增大微分時(shí)間，同樣地相應(yīng)改變比例系數(shù)和微分時(shí)間，逐步試湊以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。以上簡要介紹了PID算法的原理和特性，在實(shí)際過程中，由于傳感器是按一定間隔周期獲取位置信息的，因此必須將連續(xù)PID控制算法離散化，這樣可得到數(shù)字位置式PID控制算法，其數(shù)學(xué)模型為 式()式()表示的控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置ui，所以被稱為位置式PID控制算法。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是其增量(如驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī))時(shí)，由式()可推導(dǎo)出數(shù)字增量式PID控制算法為 式() 式() 式() 式() 式()式中：e為引導(dǎo)線偏離車體中軸線的偏差值；K為比例系數(shù)；T為速度采樣周期；Ti為積分環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)；Td為微分環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)。 電機(jī)運(yùn)行的PID控制車速采用閉環(huán)控制，由PID控制器調(diào)節(jié)，其輸入量為目標(biāo)速度值與當(dāng)前速度值的差值，目標(biāo)速度根據(jù)當(dāng)前的路況信息以及路況更迭信息確定，PID調(diào)節(jié)器的輸出即為與行進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速成比例的數(shù)值，經(jīng)處理后，得到與所需速度相對(duì)應(yīng)的PWM脈寬信號(hào)。： 電機(jī)運(yùn)行的程序框圖 轉(zhuǎn)向舵機(jī)的PD控制舵機(jī)作為賽車的方向控制機(jī)構(gòu)，其控制算法直接影響到賽車的運(yùn)行質(zhì)量，如舵機(jī)的控制算法不好，會(huì)導(dǎo)致舵機(jī)轉(zhuǎn)角不平滑，過彎時(shí)出現(xiàn)多次轉(zhuǎn)彎，使車速在設(shè)計(jì)數(shù)字式PID控制算法時(shí)，對(duì)模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了許多簡化。首先，使用紅外射/接收管陣列作為位置信息的提取裝置，認(rèn)為其返回狀態(tài)的信息對(duì)應(yīng)于賽車的際位置，并通過它與理想狀態(tài)的偏差，彎道時(shí)大大的減小，因此，舵機(jī)控制