【文章內(nèi)容簡介】 車上打孔，進行定位，這樣既保證了齒輪良好得嚙合，而且又減輕了賽車的重量。第八章 賽道記憶經(jīng)歷了一段時間的智能車制作調(diào)試過程后，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的調(diào)試方法有著比較大的弊端。傳統(tǒng)的調(diào)試方法是調(diào)車者跟據(jù)智能車?yán)@行賽道一圈的時間和肉眼觀測到的智能車在賽道上的行駛路徑作為修改智能車參數(shù)的指標(biāo)，然后反復(fù)測試，反復(fù)修改，以達到最好的效果。這樣的調(diào)試比較盲目，缺乏目的性，也浪費了大量的時間和精力在做重復(fù)性勞動，效果不好。并且，由于光電傳感器本身的特性，使得前瞻性遠不如ccd圖象識別，使得電機控制效果很不好；并且，由于采集信號是離散的，轉(zhuǎn)角的控制也顯得不平滑。這時，為了能和ccd 圖像識別進行抗衡，賽道記憶策略就發(fā)揮了作用。賽道記憶算法是指在比賽的第一圈以最安全的速度緩慢駛過一圈,并將賽道信息保存下來，第二圈根據(jù)保存下來的信息進行車速和轉(zhuǎn)角決策的相應(yīng)最優(yōu)化，從而在第二圈取得好成績，這一算法在目前智能車競賽中是比較先進的。要實現(xiàn)賽道記憶算法，智能車運動狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)是必不可少的。8．1智能車運動狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)總述 本系統(tǒng)主要完成將智能車行駛過程中的各種狀態(tài)信息（如傳感器亮滅，車速，舵機轉(zhuǎn)角，電池電量等）實時地以無線串行通信方式發(fā)送至上位機處理，并繪制各部分狀態(tài)值關(guān)于時間的曲線。有了這些曲線就不難看出智能車在賽道各個位置的狀態(tài)，各種控制參數(shù)的優(yōu)劣便一目了然了。尤為重要的是對于電機控制PID參數(shù)的選取，通過速度—時間曲線可以很容易發(fā)現(xiàn)各套PID參數(shù)之間的差異。對于采用CCD傳感器的隊伍來說，該系統(tǒng)便成為了調(diào)試者的眼睛，可以見智能車之所見，相信對編寫循線算法有很大幫助。而且還可以對這些數(shù)據(jù)作進一步處理，例如求取一階導(dǎo)數(shù)，以得到更多的信息。8．1．1系統(tǒng)整體硬件架構(gòu)設(shè)計方案主要分成四部分：起跑信號發(fā)送裝置，車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，手持監(jiān)測系統(tǒng)，PC機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。系統(tǒng)基本構(gòu)建如下圖21所示。 系統(tǒng)基本架構(gòu)示意圖當(dāng)小車啟動后第一次經(jīng)過起跑信號發(fā)送裝置時，觸發(fā)計時器啟動，并且定時器通過無線串行數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送起跑信號，在未收到該信號前，車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PC機及手持監(jiān)控系統(tǒng)均處于偵聽狀態(tài)，當(dāng)收到該信號時，車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始采集智能車的運行數(shù)據(jù)并發(fā)送至PC機和手持監(jiān)控系統(tǒng)，而PC機和手持監(jiān)控系統(tǒng)均進入正常工作模式，開始監(jiān)測數(shù)據(jù)。8．1．2系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)軟件方面PC機數(shù)據(jù)處理程序依靠Visual C++ ，軟件主體包括串口通信程序，數(shù)據(jù)分類程序，動態(tài)繪圖程序，以及對一些外設(shè)（如鼠標(biāo)，鍵盤等）事件響應(yīng)程序。而起跑信號發(fā)送裝置、車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及手持監(jiān)測系統(tǒng)均使用ATMEL公司的8位單片機，開發(fā)語言均為C語言。在系統(tǒng)正常運行時，整個系統(tǒng)控制框圖如圖22所示，PC會通過串口通信模塊來接收數(shù)據(jù)，并把接收來的數(shù)據(jù)進行分類，然后根據(jù)程序繪制四條曲線，即速度—時間，轉(zhuǎn)角—時間，傳感器—時間和電池電壓—時間曲線。而手持系統(tǒng)則把數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，動態(tài)的顯示在液晶屏上。智能車激光傳感器車上系統(tǒng)手持設(shè)備顯示瞬時狀態(tài)PC機數(shù)據(jù)處理并畫圖顯示瞬時狀態(tài)起跑信號發(fā)送車各部分信息第一次觸發(fā)時發(fā)送啟動單片機命令檢測發(fā)送車實時狀態(tài)8．2起跑信號發(fā)送裝置智能車在賽道上行使過程中，為了可以了解賽車在賽道各個位置的狀態(tài)以及將兩次數(shù)據(jù)進行對比，我們就要設(shè)置監(jiān)測的起始點。因為如果在賽車啟動后立刻發(fā)送數(shù)據(jù)，那么任意兩次的監(jiān)控圖像就會發(fā)生錯位，不方便比較，而且沒有起始點，也不方便把采到的數(shù)據(jù)對映到賽道各部分上去。因此在賽車沖過起跑線時，整個實時監(jiān)測系統(tǒng)才正式運轉(zhuǎn)，而起跑信號發(fā)送裝置就是用來發(fā)送這個標(biāo)志信號的。8．2．1起跑信號發(fā)送裝置工作原理起跑信號檢測裝置由一組激光對射管構(gòu)成，當(dāng)激光對射管之間無障礙物遮擋光線時，激光發(fā)射管發(fā)出的光正好照射到接收管上，接收信號端為低電壓，當(dāng)發(fā)射與接收間被障礙物隔斷時，光線被阻斷，接收信號端變?yōu)楦唠妷骸纹瑱C檢測到激光對射管輸出端電壓變化，得到啟動信號，并控制無線串口發(fā)送啟動信息給車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，手持監(jiān)測系統(tǒng)，PC機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。8．3車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集是整個系統(tǒng)較為核心的一部分，無論后面對數(shù)據(jù)做如何的處理，這一部分都是基礎(chǔ)，如果采集回來的信號有錯誤，是無法彌補的，故本章將會從各種信號的采集方法，數(shù)據(jù)格式的定義以及到數(shù)據(jù)傳送方式作以詳細的介紹數(shù)據(jù)。采集方案設(shè)計這部分系統(tǒng)功能主要是將智能車的速度、方向、傳感器狀態(tài)以及電池電量等物理信息轉(zhuǎn)換為電信號，并由單片機進行采集，處理，最后通過無線串口將這些信息以字節(jié)為單位發(fā)射出去。8．4機數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)這部分工作主要是利用PC機的串行通信接口和VC++程序?qū)④囕d數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)射出來的數(shù)據(jù)進行采集，保存，分類和處理。該系統(tǒng)分為兩種工作模式，一種是動態(tài)數(shù)據(jù)接收及顯示模式，另一鐘是靜態(tài)數(shù)據(jù)分析模式，前一種模式應(yīng)用于智能車在賽道上行駛過程，因為此時車載檢測系統(tǒng)會不斷發(fā)出小車運動狀態(tài)數(shù)據(jù)，所以PC機要對數(shù)據(jù)進行接收、分類、顯示以及將分好類的數(shù)據(jù)存儲在臨時文件中。當(dāng)智能車行駛結(jié)束后，PC機接收數(shù)據(jù)結(jié)束，此時就系統(tǒng)就需要轉(zhuǎn)到靜態(tài)數(shù)據(jù)分析模式。由于動態(tài)數(shù)據(jù)接收及顯示模式中已經(jīng)剛收到的數(shù)據(jù)已經(jīng)被保存在臨時文件中，故在此模式下用戶可以直接察看任意時刻的智能車運動參數(shù)。而且，用戶可以將數(shù)據(jù)保存到其他新的TXT格式文件中，以免下次運行程序時，臨時文件內(nèi)數(shù)據(jù)被更新，造成有用數(shù)據(jù)丟失，用戶也可以把以前保存的數(shù)據(jù)文件（TXT文件格式）打開進行研究，分析和對比。主程序的流程如51圖所示，主程序經(jīng)過初始化后根據(jù)用戶作選擇的模式進行工作，程序默認為動態(tài)數(shù)據(jù)接收及顯示模式。10開始程序初始化模式選擇Flag = ?動態(tài)數(shù)據(jù)接收及顯示模式靜態(tài)數(shù)據(jù)分析模式執(zhí)行相應(yīng)操作 主程序的流程圖8．5手持數(shù)據(jù)接收及監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)對于PC機數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)來說，接收大量的數(shù)據(jù)后繪出圖像效果比較好，但是如果說想精確地知道賽道上某一點的賽車運動狀態(tài)就比較困難了。因為PC機數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)繪制出來的圖像橫軸為時間軸，而智能車在賽道上行駛時速度是不斷變化的，所以要想通過時間來推算出智能車在賽道上的位置就很不精確了。然而手持數(shù)據(jù)接收及監(jiān)測系統(tǒng)正是用來彌補這一不足，因為用戶可以拿著它站在賽道邊上，或是同智能車一起行進，想查看某一位置智能車運動狀態(tài)時只需要按一下按鍵，系統(tǒng)就可以把當(dāng)前時刻的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，使用起來簡單方便。，整個系統(tǒng)的電力來源是9V的疊層電池，經(jīng)穩(wěn)壓電路穩(wěn)至5V后提供給無線串口通信模塊，單片機模塊和液晶模塊進行工作。無線串口收發(fā)模塊用來接收車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)射出來的數(shù)據(jù)，當(dāng)單片機接收到按鍵所觸發(fā)的外部中斷時，便通過無線串口進行數(shù)據(jù)接收，然后控制液晶模塊進行顯示。ATmega16單片機穩(wěn)壓模塊+5VGND按鍵（外部中斷）INT012864液晶模塊+5VGNDDATA無線串口通信模塊DATA+5VGND疊層電池GND+9V動態(tài)數(shù)據(jù)接收及顯示模式主要是應(yīng)用于智能車在賽道上行駛過程中，PC機不斷接收新的數(shù)據(jù)并不斷將窗口重繪，以顯示出實時的智能車運動狀態(tài)圖像。通過運動狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，我們就可以得到賽道信息特征，并記錄在單片機中。在第二圈中，提取記憶的賽道特征和第二圈的即時數(shù)據(jù)進行匹配及修正。這樣我們就可以在直道上加速，彌補了光電傳感器前瞻差的劣勢。并且，得到的彎道數(shù)據(jù)，也這樣就可以通過第一圈的數(shù)據(jù)對第二圈進行修正。 第九章 賽車機械結(jié)構(gòu)調(diào)整9．1舵機安裝調(diào)整為了解決舵機轉(zhuǎn)向不夠靈活得問題，我們采用舵機立式安裝方式，這樣能使左右拉桿得長度保持一致。這樣左右轉(zhuǎn)向時力是一樣得，保證了左右轉(zhuǎn)向控制相同。并且在立式時，舵機得位置相當(dāng)于提高。當(dāng)轉(zhuǎn)動角度最大時，舵機連桿與拉桿的夾角達到90度。這樣可以使轉(zhuǎn)動最大角度時的力量達到最大。這樣也可以使賽車在直道跑動時，舵機單位改變量使輪子改變的角度小于在彎道（舵機已有很大轉(zhuǎn)角）時舵機單位改變量改變的輪子的轉(zhuǎn)角。9．2前輪傾角的調(diào)整前輪定位的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。前輪是轉(zhuǎn)向輪，由主銷內(nèi)傾、主銷后傾、前輪外傾和前輪前束等4個項目決定，反映了轉(zhuǎn)向輪、主銷和前軸三者在車架上的位置關(guān)系。 主銷內(nèi)傾是指主銷裝在前軸略向內(nèi)傾斜的角度，它的作用是使前輪自動回正。角度越大前輪自動回正的作用就越強烈，但轉(zhuǎn)向時也越費力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動回正的作用就越弱。主銷后傾是指主銷裝在前軸，上端略向后傾斜的角度。它使車輛轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的離心力所形成的力矩方向與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反，迫使車輪偏轉(zhuǎn)后自動恢復(fù)到原來的中間位置上。由此，主銷后傾角越大，車速越高，前輪穩(wěn)定性也愈好。前輪外傾角對汽車的轉(zhuǎn)彎性能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安全性和轉(zhuǎn)向操縱的輕便性。如果車輪垂直地面一旦滿載就易產(chǎn)生變形，可能引起車輪上部向內(nèi)傾側(cè)，導(dǎo)致車輪聯(lián)接件損壞。前輪前束的作用是保證汽車的行駛性能，減少輪胎的磨損。前輪在滾動時，其慣性力會自然將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動時的偏斜方向就會抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象會減少。第十章 賽車的基本參數(shù) 賽車總重量：1200克長：寬： 高：電路功耗：21 w總電容約：1200181。F。傳感器類型為光電編碼器，共15個；速度傳感器一個。，頻率為370赫茲。 圖一 第十一章 總結(jié) 本文從智能車的硬件結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計、軟件實現(xiàn)方面進行了介紹。雖沒能參加第一屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽，但是我校對這項比賽有很大的興趣，看到冠軍隊使用光電傳感器仍然以絕對優(yōu)勢戰(zhàn)敗其他對手，我們認為在光電產(chǎn)感器方面還是有很大的開發(fā)潛力。與攝像頭比較起來調(diào)制式激光傳感器的前瞻是很近的，為了彌補這個不足我們決定運用賽道記憶算法。當(dāng)然要實現(xiàn)這個想法還是需要對智能車各項系統(tǒng)又充分理解才行，我們在這個過程中也碰到許多問題與困難，以下就是對整個系統(tǒng)從構(gòu)思到實現(xiàn)的回顧。 從第一屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽落下帷幕就開始著手此次比賽，在指導(dǎo)老師的幫助下大家經(jīng)過不懈的努力，對智能車進行深入地研究，對飛思卡爾16控制器MC9S12DG128有了深入地了解。最終決定了主要的設(shè)計方案，一些細節(jié)則是通過各項試驗才決定的。同時對于CodeworriorIED開發(fā)環(huán)境有了相當(dāng)充分的了解，并熟練掌握BDM的調(diào)試方法。通過對整個設(shè)計建模，充分發(fā)揮動手能力把想法變?yōu)楝F(xiàn)實，并配以合理的理論解釋，將智能車的硬件設(shè)計、軟件輔助設(shè)計清晰表達出來。比賽規(guī)則中表明只允許運用15個傳感器，我們通過試驗采用性價比最為合適的激光管作為傳感器，采用自主設(shè)計的電路板實現(xiàn)對黑線的識別。通過比對測試和理論計算最后采用前十后五排列方式，并實現(xiàn)賽道記憶的功能。 由于光電傳感器的前瞻較近，彌補其最好的方法就是采用賽道記憶算法，這樣第二圈中的前瞻就變“遠”了。在開發(fā)階段我們自主開發(fā)了賽車運動狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)獲取賽車的信息，通過算法把賽車的速度、轉(zhuǎn)角最優(yōu)化，充分發(fā)揮其性能。1）舵機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)賽車在轉(zhuǎn)彎處主要靠舵機轉(zhuǎn)動提供轉(zhuǎn)角，雖然舵機的性能是固定的，但是不同的舵機安裝方式會使其性能有所不同。最終采用立式舵機固定方式，使兩端距兩輪的距離相等，便于改變轉(zhuǎn)角?？墒嵌鏅C轉(zhuǎn)動的靈活性還是與理論中存在著很大差距的，所以準(zhǔn)確地為舵機定位，合理的機械結(jié)構(gòu)也會使舵機得到充分發(fā)揮。2）靜電干擾 由于賽車車輪與賽道間摩擦，會產(chǎn)生靜電。受靜電影響賽車會產(chǎn)生許多異常情況，如重起、傳感器狀態(tài)紊亂等等。為此我們在賽車前加上金屬杠，吸收部分靜電；也可以在車底貼上錫箔紙防止靜電穿過單片機；從電路板的設(shè)計角度出發(fā)，改變電路板設(shè)計也可以有效防止靜電。3）重量分配方案 賽車在運動中重心會影響其穩(wěn)定性，所以準(zhǔn)確確定賽車重心可以在高速狀態(tài)下減少賽車的晃動。通過各種試驗，調(diào)整電池、主板的位置及高度，找到比較適合車身質(zhì)量的重心位置，重心偏低可以提高賽車的穩(wěn)定性，所以在電路板設(shè)計時要同時考慮其形狀要求。4）坡道傳感器狀態(tài)不穩(wěn)定比賽介紹中提到了決賽中有坡道，為了有比較大的前瞻，在上坡時光電傳感器裝態(tài)會有亂碼出現(xiàn)。針對此問題，我們適當(dāng)調(diào)整傳感器前瞻距離和光電管的光強，并在程序中增加了濾波功能，降低了此狀態(tài)出現(xiàn)的概率。5）賽道記憶算法不能準(zhǔn)確校核 賽車在高速運行中，行駛軌跡的微小變化以及車輪的打滑都會使前后兩圈的路程校準(zhǔn)產(chǎn)生較大誤差。所以要在提高速度的同時保證賽車的穩(wěn)定性，并且在程序上減小誤差，提高校準(zhǔn)精度，使賽道記憶算法得到充分的利用。 通過比賽的方式讓我們學(xué)到了許多，對于汽車的機械結(jié)構(gòu)、光電傳感器、軟件設(shè)計有了深入的了解，并擁有了一整套較為完善的軟件系統(tǒng)。但是由于知識有限，同學(xué)們對于各項內(nèi)容的理解還不夠，在算法上還有很大的提高空間。當(dāng)然現(xiàn)在的設(shè)計方案還存在一些問題，我們暫時還不能夠解決，希望在比賽中可以學(xué)到更多，在以后的比賽中得以提高。最后感謝飛思卡爾公司為我們提供這樣一個平臺，讓大家在智能車比拼中感受到速度的快感和知識的樂趣。參考文獻[1] 王英濤，印永華，蔣宜國等．我國實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及實施策略研究．電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（11）：44～48．[2] 趙翔，李著信，蕭德云等．故障診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢．機床與液壓，2002，No4：3～7． [3] 潘俊榮，王明凱，郭諄欽等．計算機輔助監(jiān)測診斷系統(tǒng)的發(fā)展和趨勢．機械，2002，29（增刊）：4～6． [4] 王琳，商周，王學(xué)偉．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用．電測與儀表，2004