【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 感器與地面信息的的方向，從而使光電傳感器可以獲得更遠(yuǎn)地方的路面的跑道情況。[3]，；，放置在向外伸出的小電路板上，探測(cè)的范圍比較小。具體在實(shí)際中將采用哪種方案更合適，這個(gè)與光電傳感器掃描前方的距離和寬度以及所控制的策略是十分相關(guān)的。 8路紅外發(fā)射管方案 3路攝像頭方案在光電循跡方案中，為了得到質(zhì)量較高的接收信號(hào)，一般還附加一些電阻電容組成的RC高通濾波器。這樣就能夠在一定程度上避免由外部光線引起的路線識(shí)別不正確的問題。有的模型車設(shè)計(jì)的傳感器離地面距離較遠(yuǎn)，為了能夠接收到更多的從發(fā)光傳感器發(fā)射過來的光線，也有使用凸透鏡的情況?；诜瓷涫郊t外傳感器的光電傳感器陣列的路徑檢測(cè)方法具有較高的可靠性與穩(wěn)定性，信息更新速度快且易于單片機(jī)處理。但是它易受環(huán)境光線的干擾，而且存在著檢測(cè)距離近的的問題，硬件電路復(fù)雜。為了獲得遠(yuǎn)方的信息需要將傳感器伸的盡可能遠(yuǎn)，從而增加了車體高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，限制了智能車的最高速度。方案二：基于面陣CCD傳感器的控制基于面陣CCD傳感器的路徑檢測(cè)方法具有探測(cè)距離遠(yuǎn)（后文將這種前方探測(cè)距離稱為“前瞻“）的優(yōu)勢(shì)，能夠盡可能早地感知前方路徑的信息并進(jìn)行預(yù)判斷，實(shí)現(xiàn)提前減速過彎。而且這樣還可以提高轉(zhuǎn)彎的最高速度。同時(shí)還可以結(jié)合利用單片機(jī)內(nèi)部的A/D,在小車的前方虛擬出24個(gè)光電傳感器，采用單一傳感器，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且高速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，從而增加了小車的最高速度。這樣不僅能夠克服傳統(tǒng)光電傳感器的缺點(diǎn)，又能夠精確的感知黑色引導(dǎo)線的位置，為智能車的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。但是，在調(diào)試過程中我們發(fā)現(xiàn)這樣面陣攝像頭在市場(chǎng)上很少，不易購(gòu)買。 CMOS攝像頭小車方案三：基于面陣CMOS傳感器的控制基于黑白面陣CMOS攝像頭傳感器的路徑檢測(cè)方法具有以上兩種方案的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)面陣CMOS攝像頭輸出的復(fù)合視頻信號(hào)，采集到的信息將是前方整個(gè)一副圖像。利用單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，并配合從視頻信號(hào)分離出的同步信息，該單片機(jī)可以直接將圖像信號(hào)采集到內(nèi)部的RAM中，然后通過軟件對(duì)圖像信息進(jìn)行處理。這樣不僅可以識(shí)別道路的中心位置，同時(shí)還可以得到跑道的方向，跑道的曲率等信息。這樣可以有效地對(duì)車模進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，提高車模路徑跟蹤速度和運(yùn)行速度。但是面陣CMOS攝像頭的延時(shí)比較大（20ms），因此對(duì)信息的采集和處理有一定的約束。綜合以上分析，為了更好的獲得路況信息和取得大的前瞻，本設(shè)計(jì)選擇方案三，并對(duì)其進(jìn)行可改進(jìn)。3 智能車系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 智能車系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)是利用了市面上很流行的處理器STM32作為本系統(tǒng)的主要控制模塊，我們采用了CMOS攝像頭作為識(shí)別路面信息的傳感器，通過控制器STM32對(duì)攝像頭采集過來的信息進(jìn)行分析和判別，才實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車直流電機(jī)的控制從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡的目的。眾所周知，一個(gè)系統(tǒng)的硬件是一個(gè)系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)智能車硬件的總體架構(gòu)時(shí)，該系統(tǒng)充分考慮了這方面的因素，使該系統(tǒng)能夠很好的運(yùn)行，使小車的行駛速度更快更穩(wěn)定。，并在此基礎(chǔ)上選擇了最佳的硬件電路和器件，后面將分成各個(gè)模塊加以介紹。[4] 系統(tǒng)硬件整體框圖 STM32最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 方案總結(jié)1 電機(jī)模塊：直流電機(jī)2 控制模塊：Cortexm33 車體選擇：四輪圓形車身4 攝像頭模塊：OV7670模塊 方案框圖。 方案框圖 電路設(shè)計(jì)與原理 直流電機(jī)應(yīng)用L298為雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)含4信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓。然而本電路將M3控制器與L298驅(qū)動(dòng)結(jié)合，產(chǎn)生PWM脈沖，用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，在不影響直流電機(jī)速度快、帶負(fù)載能力強(qiáng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)較精確調(diào)節(jié)，可達(dá)到很好的效果。L298作為小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)，廣泛被智能小車控制作用，硬件簡(jiǎn)單，操作性極強(qiáng)，而且價(jià)格也適合，非常適合初學(xué)者來應(yīng)用，在該課題中，小車的驅(qū)動(dòng)主要依靠該模塊來實(shí)現(xiàn)，攝像頭采集的信息通過CPU的處理，從而調(diào)節(jié)小車的運(yùn)行情況，是該課題的主要模塊。L298是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：高的工作電壓最大可達(dá)46V；比較大的輸出電流，具有3A瞬間峰值電流，實(shí)驗(yàn)報(bào)告檢測(cè)其持續(xù)工作電流可達(dá)2A，具有25W額定功率。內(nèi)涵兩個(gè)H的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制：具有兩個(gè)智能控制端，在輸入信號(hào)合理的情況下允許或者禁止期間工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分工作在低電壓下模式下；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路，使用L298芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或者四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。[6] 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 電源分配電路設(shè)計(jì)電源分配電路中，所用的電池是蓄電池，電池要通過一些電壓的轉(zhuǎn)化電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)作用，，需要將蓄電池的電壓轉(zhuǎn)換過去，這部分，能夠得到穩(wěn)定性和波紋都很好的3,3V直流電壓，可直接利用該直流電壓給單片機(jī)和CMOS攝像頭傳感器供電。 電源模塊 H橋電機(jī)的驅(qū)動(dòng)本系統(tǒng)的直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用H型PWM電路，用STM32處理器來控制驅(qū)動(dòng)電路，使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的精確調(diào)整。其實(shí)就是把波形作用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的使用端，PWM控制是一種在控制領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的控制方式，通過對(duì)波形或者說是脈沖的占空比加以控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制，靈活應(yīng)用合理分配是PWM波的一種很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)于電機(jī)運(yùn)行的速度，我們可以通過對(duì)PWM波的占空比來實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖頻率的控制，來達(dá)到轉(zhuǎn)速的合理控制。 H橋內(nèi)部電路。 H橋內(nèi)部電路4 智能車系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 控制算法的簡(jiǎn)要介紹智能小車的控制，實(shí)際上就是對(duì)智能車的運(yùn)行車速和運(yùn)行方向的控制，本課題通過對(duì)各種算法的比較，最終采用了比較適合的算法——PID控制，PID控制是一種新型的算法，這種算法來源于模糊數(shù)學(xué)模型，模糊推理的控制就是利用了這種算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的合理處理的。 在對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和舵機(jī)控制之前，需要利用道路檢測(cè)信息來制定各種路況下的控制策略，道路路況不外乎4種。 跑道的4種情況 要實(shí)現(xiàn)在最短的時(shí)間能實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車的控制，并完成所要達(dá)到的任務(wù)，那么這就要求我們?cè)谥钡郎弦萌俚臓顟B(tài)來行駛，同時(shí)在“S”道轉(zhuǎn)向不大的情況下要盡量做到直道行駛的速度來行駛，最后在進(jìn)入彎道時(shí)要合理的減速，既不能太大也不能過小，以使得在彎道上能夠及時(shí)的轉(zhuǎn)向，在彎道中和出彎的時(shí)候要及時(shí)的提高小車的速度，以使得在小車在進(jìn)入直道時(shí)候就能夠很快達(dá)到最高速度。對(duì)于十字交叉道路，可以按是直道處理，避免橫線的干擾。[6] ①PID控制介紹PID控制算法是根據(jù)偏差的值，按照一定的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，用所得的運(yùn)算結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。PID控制有位置式控制和增量式控制，方程如下： (41) (42) 利用PID控制器步驟如下： (1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。 在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。 ②模糊控制介紹 模糊控制實(shí)質(zhì)上是一種人性化的控制策略，其要求用計(jì)算機(jī)去按照操作人員的思想來控制小車的運(yùn)行，這樣可以很好的避開了對(duì)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型的處理，而是著力于對(duì)操作員想要的控制問題進(jìn)行研究，使控制問題能夠跟好的實(shí)現(xiàn)，使成功的幾率更方便，總結(jié)出知識(shí)，從中提煉出控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的控制。 模糊控制有以下的特點(diǎn)： 1. 盡管模糊控制的算法是運(yùn)用模糊集理論來進(jìn)行的的計(jì)算方法，但是最終得到的控制數(shù)據(jù)時(shí)確定的，定量的。 2. 對(duì)于一些實(shí)際系統(tǒng)，需要系統(tǒng)建立一些數(shù)學(xué)模型，而模糊控制算法則不需要根據(jù)機(jī)理與分析建立數(shù)學(xué)模型，從而簡(jiǎn)化了處理的復(fù)雜度。更加具有使用性。 ，模糊控制系統(tǒng)是設(shè)計(jì)員利用自然語言表達(dá)出來的規(guī)則，更加的人性化，此算法更接近于人的的思維方法和推理習(xí)慣，因此，便于現(xiàn)場(chǎng)操作人員的理解和使用，便于人機(jī)對(duì)話，以得到更有效的控制規(guī)律。 速度控制算法由上面對(duì)PID控制算法和模糊控制算法特點(diǎn)的介紹可以看出，PID控制算法簡(jiǎn)單、容易計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，但其參數(shù)的準(zhǔn)確整定困難，而模糊控制算法剛好彌補(bǔ)了這一缺陷，因而我們選取模糊PID作為智能車速度和轉(zhuǎn)向的控制算法。 模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖①輸入輸出變量的確定及模糊化 模糊控制器的輸入變量為速度的偏差e及其偏差變化率ec，輸出變量為PID控制校正參數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd。偏差和偏差變化率都是精確的輸入值，模糊化就是使之離散化，變?yōu)樵O(shè)定整數(shù)論域中的元素。 將e和ec定義如下： (43) (44)式中kl，k2為e和ec的變換比例因子，設(shè)e和ec的實(shí)際變化范圍分別為[em，em]和[ecm，ecm]，經(jīng)變換和量化后的模糊變量分別為E和EC，根據(jù)車速的控制精度要求，將E和EC的論域定義為： E,EC={6,5,4,3,2,1,0,l,2,3,4,5,6}其模糊子集為：E,EC={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB} 上式子集中元素分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。模糊子集的隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)。 輸出量ΔKiΔKpΔKd的論域、語言變量取值、隸屬度函數(shù)的選擇與E和EC相同。 ②模糊規(guī)則表的建立 表41 ΔKp的模糊規(guī)則表DKpEC ENBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNSNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNSNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表42 ΔKi的模糊規(guī)則表DKiEC ENBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBN