【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 車上打孔，進(jìn)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(shí)間的智能車制作調(diào)試過(guò)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(shí)間和肉眼觀測(cè)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(cè)試，反復(fù)修改，以達(dá)到最好的效果。這樣的調(diào)試比較盲目，缺乏目的性，也浪費(fèi)了大量的時(shí)間和精力在做重復(fù)性勞動(dòng)，效果不好。并且，由于光電傳感器本身的特性，使得前瞻性遠(yuǎn)不如ccd圖象識(shí)別，使得電機(jī)控制效果很不好；并且，由于采集信號(hào)是離散的，轉(zhuǎn)角的控制也顯得不平滑。這時(shí)，為了能和ccd 圖像識(shí)別進(jìn)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(guò)一圈,并將賽道信息保存下來(lái)，第二圈根據(jù)保存下來(lái)的信息進(jìn)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(jī)，這一算法在目前智能車競(jìng)賽中是比較先進(jìn)的。要實(shí)現(xiàn)賽道記憶算法，智能車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是必不可少的。8．1智能車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總述 本系統(tǒng)主要完成將智能車行駛過(guò)程中的各種狀態(tài)信息（如傳感器亮滅，車速，舵機(jī)轉(zhuǎn)角，電池電量等）實(shí)時(shí)地以無(wú)線串行通信方式發(fā)送至上位機(jī)處理，并繪制各部分狀態(tài)值關(guān)于時(shí)間的曲線。有了這些曲線就不難看出智能車在賽道各個(gè)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(duì)于電機(jī)控制PID參數(shù)的選取，通過(guò)速度—時(shí)間曲線可以很容易發(fā)現(xiàn)各套PID參數(shù)之間的差異。對(duì)于采用CCD傳感器的隊(duì)伍來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)便成為了調(diào)試者的眼睛，可以見(jiàn)智能車之所見(jiàn)，相信對(duì)編寫循線算法有很大幫助。而且還可以對(duì)這些數(shù)據(jù)作進(jìn)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(jì)方案主要分成四部分：起跑信號(hào)發(fā)送裝置，車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，手持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，PC機(jī)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(dòng)后第一次經(jīng)過(guò)起跑信號(hào)發(fā)送裝置時(shí)，觸發(fā)計(jì)時(shí)器啟動(dòng)，并且定時(shí)器通過(guò)無(wú)線串行數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送起跑信號(hào)，在未收到該信號(hào)前，車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PC機(jī)及手持監(jiān)控系統(tǒng)均處于偵聽狀態(tài)，當(dāng)收到該信號(hào)時(shí)，車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始采集智能車的運(yùn)行數(shù)據(jù)并發(fā)送至PC機(jī)和手持監(jiān)控系統(tǒng)，而PC機(jī)和手持監(jiān)控系統(tǒng)均進(jìn)入正常工作模式，開始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。8．1．2系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)軟件方面PC機(jī)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(dòng)態(tài)繪圖程序，以及對(duì)一些外設(shè)（如鼠標(biāo)，鍵盤等）事件響應(yīng)程序。而起跑信號(hào)發(fā)送裝置、車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及手持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均使用ATMEL公司的8位單片機(jī)，開發(fā)語(yǔ)言均為C語(yǔ)言。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)控制框圖如圖22所示，PC會(huì)通過(guò)串口通信模塊來(lái)接收數(shù)據(jù)，并把接收來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，然后根據(jù)程序繪制四條曲線，即速度—時(shí)間，轉(zhuǎn)角—時(shí)間，傳感器—時(shí)間和電池電壓—時(shí)間曲線。而手持系統(tǒng)則把數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，動(dòng)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(shí)狀態(tài)PC機(jī)數(shù)據(jù)處理并畫圖顯示瞬時(shí)狀態(tài)起跑信號(hào)發(fā)送車各部分信息第一次觸發(fā)時(shí)發(fā)送啟動(dòng)單片機(jī)命令檢測(cè)發(fā)送車實(shí)時(shí)狀態(tài)8．2起跑信號(hào)發(fā)送裝置智能車在賽道上行使過(guò)程中，為了可以了解賽車在賽道各個(gè)位置的狀態(tài)以及將兩次數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，我們就要設(shè)置監(jiān)測(cè)的起始點(diǎn)。因?yàn)槿绻谫愜噯?dòng)后立刻發(fā)送數(shù)據(jù)，那么任意兩次的監(jiān)控圖像就會(huì)發(fā)生錯(cuò)位，不方便比較，而且沒(méi)有起始點(diǎn)，也不方便把采到的數(shù)據(jù)對(duì)映到賽道各部分上去。因此在賽車沖過(guò)起跑線時(shí)，整個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)才正式運(yùn)轉(zhuǎn)，而起跑信號(hào)發(fā)送裝置就是用來(lái)發(fā)送這個(gè)標(biāo)志信號(hào)的。8．2．1起跑信號(hào)發(fā)送裝置工作原理起跑信號(hào)檢測(cè)裝置由一組激光對(duì)射管構(gòu)成，當(dāng)激光對(duì)射管之間無(wú)障礙物遮擋光線時(shí)，激光發(fā)射管發(fā)出的光正好照射到接收管上，接收信號(hào)端為低電壓，當(dāng)發(fā)射與接收間被障礙物隔斷時(shí)，光線被阻斷，接收信號(hào)端變?yōu)楦唠妷?。單片機(jī)檢測(cè)到激光對(duì)射管輸出端電壓變化，得到啟動(dòng)信號(hào)，并控制無(wú)線串口發(fā)送啟動(dòng)信息給車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，手持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，PC機(jī)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(jì)及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集是整個(gè)系統(tǒng)較為核心的一部分，無(wú)論后面對(duì)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(lái)的信號(hào)有錯(cuò)誤，是無(wú)法彌補(bǔ)的，故本章將會(huì)從各種信號(hào)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(xì)的介紹數(shù)據(jù)。采集方案設(shè)計(jì)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(hào)，并由單片機(jī)進(jìn)行采集，處理，最后通過(guò)無(wú)線串口將這些信息以字節(jié)為單位發(fā)射出去。8．4機(jī)數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)這部分工作主要是利用PC機(jī)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(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)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(guò)程，因?yàn)榇藭r(shí)車載檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)不斷發(fā)出小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，所以PC機(jī)要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、分類、顯示以及將分好類的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在臨時(shí)文件中。當(dāng)智能車行駛結(jié)束后，PC機(jī)接收數(shù)據(jù)結(jié)束，此時(shí)就系統(tǒng)就需要轉(zhuǎn)到靜態(tài)數(shù)據(jù)分析模式。由于動(dòng)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(shí)文件中，故在此模式下用戶可以直接察看任意時(shí)刻的智能車運(yùn)動(dòng)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(yùn)行程序時(shí)，臨時(shí)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(jìn)行研究，分析和對(duì)比。主程序的流程如51圖所示，主程序經(jīng)過(guò)初始化后根據(jù)用戶作選擇的模式進(jìn)行工作，程序默認(rèn)為動(dòng)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(dòng)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?jǐn)?shù)據(jù)接收及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)對(duì)于PC機(jī)數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，接收大量的數(shù)據(jù)后繪出圖像效果比較好，但是如果說(shuō)想精確地知道賽道上某一點(diǎn)的賽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就比較困難了。因?yàn)镻C機(jī)數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)繪制出來(lái)的圖像橫軸為時(shí)間軸，而智能車在賽道上行駛時(shí)速度是不斷變化的，所以要想通過(guò)時(shí)間來(lái)推算出智能車在賽道上的位置就很不精確了。然而手持?jǐn)?shù)據(jù)接收及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正是用來(lái)彌補(bǔ)這一不足，因?yàn)橛脩艨梢阅弥驹谫惖肋吷?，或是同智能車一起行進(jìn)，想查看某一位置智能車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)只需要按一下按鍵，系統(tǒng)就可以把當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，使用起來(lái)簡(jiǎn)單方便。，整個(gè)系統(tǒng)的電力來(lái)源是9V的疊層電池，經(jīng)穩(wěn)壓電路穩(wěn)至5V后提供給無(wú)線串口通信模塊，單片機(jī)模塊和液晶模塊進(jìn)行工作。無(wú)線串口收發(fā)模塊用來(lái)接收車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)射出來(lái)的數(shù)據(jù)，當(dāng)單片機(jī)接收到按鍵所觸發(fā)的外部中斷時(shí)，便通過(guò)無(wú)線串口進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，然后控制液晶模塊進(jìn)行顯示。ATmega16單片機(jī)穩(wěn)壓模塊+5VGND按鍵（外部中斷）INT012864液晶模塊+5VGNDDATA無(wú)線串口通信模塊DATA+5VGND疊層電池GND+9V動(dòng)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(guò)程中，PC機(jī)不斷接收新的數(shù)據(jù)并不斷將窗口重繪，以顯示出實(shí)時(shí)的智能車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖像。通過(guò)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，我們就可以得到賽道信息特征，并記錄在單片機(jī)中。在第二圈中，提取記憶的賽道特征和第二圈的即時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配及修正。這樣我們就可以在直道上加速，彌補(bǔ)了光電傳感器前瞻差的劣勢(shì)。并且，得到的彎道數(shù)據(jù)，也這樣就可以通過(guò)第一圈的數(shù)據(jù)對(duì)第二圈進(jìn)行修正。 第九章 賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整9．1舵機(jī)安裝調(diào)整為了解決舵機(jī)轉(zhuǎn)向不夠靈活得問(wèn)題，我們采用舵機(jī)立式安裝方式，這樣能使左右拉桿得長(zhǎng)度保持一致。這樣左右轉(zhuǎn)向時(shí)力是一樣得，保證了左右轉(zhuǎn)向控制相同。并且在立式時(shí)，舵機(jī)得位置相當(dāng)于提高。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度最大時(shí)，舵機(jī)連桿與拉桿的夾角達(dá)到90度。這樣可以使轉(zhuǎn)動(dòng)最大角度時(shí)的力量達(dá)到最大。這樣也可以使賽車在直道跑動(dòng)時(shí)，舵機(jī)單位改變量使輪子改變的角度小于在彎道（舵機(jī)已有很大轉(zhuǎn)角）時(shí)舵機(jī)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(gè)項(xiàng)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(dòng)回正。角度越大前輪自動(dòng)回正的作用就越強(qiáng)烈，但轉(zhuǎn)向時(shí)也越費(fèi)力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動(dòng)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(shí)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(dòng)恢復(fù)到原來(lái)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(duì)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(dòng)時(shí)，其慣性力會(huì)自然將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動(dòng)時(shí)的偏斜方向就會(huì)抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象會(huì)減少。第十章 賽車的基本參數(shù) 賽車總重量：1200克長(zhǎng)：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(gè)；速度傳感器一個(gè)。，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(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)方面進(jìn)行了介紹。雖沒(méi)能參加第一屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽，但是我校對(duì)這項(xiàng)比賽有很大的興趣，看到冠軍隊(duì)使用光電傳感器仍然以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)戰(zhàn)敗其他對(duì)手，我們認(rèn)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(lái)調(diào)制式激光傳感器的前瞻是很近的，為了彌補(bǔ)這個(gè)不足我們決定運(yùn)用賽道記憶算法。當(dāng)然要實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法還是需要對(duì)智能車各項(xiàng)系統(tǒng)又充分理解才行，我們?cè)谶@個(gè)過(guò)程中也碰到許多問(wèn)題與困難，以下就是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)從構(gòu)思到實(shí)現(xiàn)的回顧。 從第一屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)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(guò)不懈的努力，對(duì)智能車進(jìn)行深入地研究，對(duì)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(jì)方案，一些細(xì)節(jié)則是通過(guò)各項(xiàng)試驗(yàn)才決定的。同時(shí)對(duì)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(guò)對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)建模，充分發(fā)揮動(dòng)手能力把想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并配以合理的理論解釋，將智能車的硬件設(shè)計(jì)、軟件輔助設(shè)計(jì)清晰表達(dá)出來(lái)。比賽規(guī)則中表明只允許運(yùn)用15個(gè)傳感器，我們通過(guò)試驗(yàn)采用性價(jià)比最為合適的激光管作為傳感器，采用自主設(shè)計(jì)的電路板實(shí)現(xiàn)對(duì)黑線的識(shí)別。通過(guò)比對(duì)測(cè)試和理論計(jì)算最后采用前十后五排列方式，并實(shí)現(xiàn)賽道記憶的功能。 由于光電傳感器的前瞻較近，彌補(bǔ)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(yuǎn)”了。在開發(fā)階段我們自主開發(fā)了賽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)獲取賽車的信息，通過(guò)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(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)賽車在轉(zhuǎn)彎處主要靠舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)提供轉(zhuǎn)角，雖然舵機(jī)的性能是固定的，但是不同的舵機(jī)安裝方式會(huì)使其性能有所不同。最終采用立式舵機(jī)固定方式，使兩端距兩輪的距離相等，便于改變轉(zhuǎn)角。可是舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)定位，合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)也會(huì)使舵機(jī)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(huì)產(chǎn)生靜電。受靜電影響賽車會(huì)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?cè)谫愜嚽凹由辖饘俑?，吸收部分靜電；也可以在車底貼上錫箔紙防止靜電穿過(guò)單片機(jī)；從電路板的設(shè)計(jì)角度出發(fā)，改變電路板設(shè)計(jì)也可以有效防止靜電。3）重量分配方案 賽車在運(yùn)動(dòng)中重心會(huì)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(dòng)。通過(guò)各種試驗(yàn)，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(jì)時(shí)要同時(shí)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(shí)光電傳感器裝態(tài)會(huì)有亂碼出現(xiàn)。針對(duì)此問(wèn)題，我們適當(dāng)調(diào)整傳感器前瞻距離和光電管的光強(qiáng)，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(yùn)行中，行駛軌跡的微小變化以及車輪的打滑都會(huì)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(shí)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(guò)比賽的方式讓我們學(xué)到了許多，對(duì)于汽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)、光電傳感器、軟件設(shè)計(jì)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(shí)有限，同學(xué)們對(duì)于各項(xiàng)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(jì)方案還存在一些問(wèn)題，我們暫時(shí)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(gè)平臺(tái)，讓大家在智能車比拼中感受到速度的快感和知識(shí)的樂(lè)趣。參考文獻(xiàn)[1] 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