【導(dǎo)讀】磁引導(dǎo)的智能車(chē)系統(tǒng)，而且在此基礎(chǔ)上研究了一套切實(shí)可行的路徑取優(yōu)方案。并且其超強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力有望在未來(lái)得以大范圍的應(yīng)用。穩(wěn)定性及快速性要求。本文詳細(xì)的介紹了智能汽車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件電路。設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和理論分析以及模型車(chē)的控制算法設(shè)計(jì)。明，然后介紹了所使用的數(shù)據(jù)擬合和路徑取優(yōu)的算法。

　　

【正文】 片機(jī)內(nèi)部設(shè)置實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)的初始化主要是對(duì) MC9S12XS128內(nèi)部各寄存器，各端口進(jìn)行設(shè)置，并定義自變量，分配存儲(chǔ)空間，使之滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。下面僅給出單片機(jī)初始化的結(jié)果，未涉及到的端口與模塊不予描述 [17]。 工作模式 ： 通過(guò)軟件與硬件的結(jié)合，選定單片機(jī)工作模式為普通彈片模式。 時(shí)鐘設(shè)置 ： 單片機(jī)內(nèi)部的總線(xiàn)頻率為 24MHz， CPU單元工作頻率是總線(xiàn)頻率的 2倍，即 48MHz。 存儲(chǔ)空間分配 ： 對(duì) 內(nèi)部地址資源的分配采用普通單片工作模式初始化時(shí)默認(rèn)的配置，即 $0000到 $0400為寄存器地址空間， $2020到 $3FFF為內(nèi)部 RAM地址空間， $4000到 $7FFF為一塊固定的 Flash EEPROM地址空間， $8000到 $BFFF為頁(yè)面 Flash EEPROM地址空間， $C000到 $FFFF為一塊固定的 Flash EEPROM地址空間，其中 $FF00到 $FFFF為中斷向量地址空間。 復(fù)用端口設(shè)置 ： A端口為普通輸入端口 ； J端口為中斷輸入端口 ； P端口為PWM信號(hào)輸出端口 。 各模塊初始化 ： PWM模塊 0通道獨(dú) 立使用， 5通道合并為一 16位的 PWM通道使用； PWM時(shí)鐘選擇為總線(xiàn)頻率 8分頻即 3MHz； 定時(shí) /計(jì)數(shù)器模塊全部通道設(shè)置為定時(shí)模式；時(shí)鐘選擇為總線(xiàn)頻率 8分頻即 3MHz； 此外，初始化時(shí)也對(duì)下面需用到的自變量進(jìn)行了定義與賦初值，在此不作贅述。 路徑識(shí)別算法分析及選定 智能模型車(chē)的路徑搜索算法（ Line Searching Algorithm）是智能車(chē)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，智能車(chē)設(shè)計(jì)的大部分工作都是圍繞它來(lái)展開(kāi)的 [21]。 我們約定沿著電流前進(jìn)方向?yàn)?Y 軸，垂直 Y 軸向上為 Z 軸，垂直 Y 軸水平向右為 X軸，符合右手規(guī)則， 即右手坐標(biāo)系，同時(shí) 1）電感線(xiàn)圈軸線(xiàn)平行于 Z軸為“立式”， 2） 電感線(xiàn)圈軸線(xiàn)平行于 X軸為“臥式”， 3）電感線(xiàn)圈軸線(xiàn)平行于 X軸為“臥式” 。 第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 21 經(jīng)過(guò)分析，一般有兩種不同的路徑搜索方法。（巡線(xiàn)和前瞻） (1) 巡線(xiàn) —— 利用 3個(gè)電感線(xiàn)圈傳感器，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了 AD轉(zhuǎn)換，為了消除各個(gè)電感線(xiàn)圈傳感器之間的差異，我們對(duì) AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理。在對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的控制。這樣對(duì)有利于舵機(jī)的 PID 位置調(diào)節(jié)，并且能夠提高舵機(jī)響應(yīng)速度。 (2) 前瞻 —— 使用 3個(gè)電感線(xiàn)圈傳感器， 模糊控制是基于啟發(fā)性的知識(shí)及語(yǔ)言決策規(guī)則設(shè)計(jì)的， 這有利于模擬人工控制的過(guò)程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平 ， 模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線(xiàn)性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制。 通過(guò)這兩種算法的結(jié)合，車(chē)可以在基本巡線(xiàn)的情況下選擇最佳路徑行駛，例如大彎切內(nèi)線(xiàn)跑， S彎可以基本直線(xiàn)行駛。（我們將在下面詳細(xì)介紹） 基于電感線(xiàn)圈排布理論分析 由法拉第電磁感應(yīng)知道 [20]： 0 2B= 4 Idl rdB r?? ???? (1) 使用高等數(shù)學(xué)的矢量積分容易得到 直道的磁場(chǎng)分布： 0B=2 Ir?? (2) 所以進(jìn)一步深入分析可得： 0222X I hB xh???? ? (3) 0222Z I xB xh???? ? (4) 其中 h 是電感線(xiàn)圈距離地面的垂直距離。為了討論的方便，記： 39。22Z xB xh? ? (5) 39。22X hB xh? ? (6) 下圖是我們使用 MATLAB和 Ansoft Maxwell 軟件分析電感線(xiàn)圈傳感器在同一地點(diǎn)不同方向得來(lái)得圖表： 第 八 屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 22 圖 “立式”線(xiàn)圈 圖 “大彎”內(nèi)磁場(chǎng)分布 (1) B39。X是 x的偶函數(shù)，在 Y軸兩側(cè)單調(diào) 。B39。Z是 x 的奇函數(shù) （注： 在此所有數(shù) 全部取正） ，在 Y 軸兩側(cè)沒(méi)有單調(diào)關(guān)系 。 (2) 在相同的高度下， B39。X幅值是 B39。Z 的兩倍，但是在 x=20 的時(shí)候， B39。X 只有B39。Z 的一半左右了，因此 B39。X 的衰減較 B39。Z 快很多。綜上可推知，水平線(xiàn)圈比較適合做 x 的正負(fù)判別，垂直線(xiàn)圈比較適合用來(lái)解算 x 的具體數(shù)值， B39。Z 較 B39。X 衰減慢得多，說(shuō)明水平線(xiàn)圈對(duì)遠(yuǎn)處道路狀況相對(duì)比較敏感，可以用來(lái)預(yù)測(cè)前方的彎道。 第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 23 圖 “臥式”線(xiàn)圈 各個(gè)電感線(xiàn)圈傳感器的布局間隔將影響車(chē)對(duì)路徑的識(shí)別精度以及對(duì)舵機(jī)的控制算法的優(yōu)劣。 我們將電感線(xiàn)圈傳感器由一種狀態(tài)起始到下一種狀態(tài)起始所需移動(dòng)的距離稱(chēng)為有效距離，有效距離越短，則電感線(xiàn)圈傳感器在該狀態(tài) 的停留時(shí)間短，可能造成該狀態(tài)為瞬態(tài)，而越長(zhǎng)，則可能造成某一狀態(tài)過(guò)長(zhǎng)，舵機(jī)控制算法成跳躍式響應(yīng)，造成軟件無(wú)法彌補(bǔ)的缺陷。 經(jīng)過(guò)對(duì)于“臥式”電感線(xiàn)圈傳感器的理論分析和大量實(shí)驗(yàn)，我們確定其為“巡線(xiàn)”跑，“臥式”電感線(xiàn)圈傳感器的穩(wěn)定性相當(dāng)高！干擾小，車(chē)速還比較高。 為了有效的利有所有 6路“橫式”電感線(xiàn)圈傳感器并且不超出車(chē)寬限制，我們最終確定 6路電感線(xiàn)圈傳感器的排布方式如圖 所示 。 圖 電感線(xiàn)圈 排布方式 圖 第 八 屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 24 電感線(xiàn)圈傳感器接收防干擾算法 電感線(xiàn) 圈傳感器的干擾主要分為兩種，一是結(jié)構(gòu)化賽道導(dǎo)線(xiàn)之間的干擾，二是電感線(xiàn)圈傳感器之間的相互干擾，三是車(chē)子上工作的 PWM信號(hào)和電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)電感線(xiàn)圈的干擾，由于電感線(xiàn)圈傳感器的感應(yīng)電壓值和磁場(chǎng)方向以及磁感應(yīng)強(qiáng)度有著密切的聯(lián)系，當(dāng)賽道導(dǎo)線(xiàn)相互之間離得很近時(shí)，磁場(chǎng)相互交織，相當(dāng)復(fù)雜，因此，賽道導(dǎo)線(xiàn)相互之間離得很近時(shí)，易于使電感線(xiàn)圈傳感器誤判，這就產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)化賽道導(dǎo)線(xiàn)之間的干擾。而當(dāng)兩電感線(xiàn)圈傳感器的距離較近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一路電感線(xiàn)圈傳感器不僅感應(yīng)導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，甚至也受到臨路電感線(xiàn)圈傳感器的干擾，這樣便產(chǎn)生了電感 線(xiàn)圈傳感器之間的相互干擾。同時(shí)，當(dāng)電感線(xiàn)圈傳感器離驅(qū)動(dòng)電路或者電機(jī)很近時(shí)，產(chǎn)生的干擾更為嚴(yán)重，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路，電路中的 PWM信號(hào)會(huì)產(chǎn)生干擾，對(duì)于電機(jī)，電機(jī)產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生干擾。這樣就產(chǎn)生了車(chē)子上工作的 PWM 信號(hào)和電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)電感線(xiàn)圈的干擾。 結(jié)構(gòu)化賽道導(dǎo)線(xiàn)之間干擾 的消減 : 由于結(jié)構(gòu)化賽道我們無(wú)法提前預(yù)知，所以我們無(wú)法提前預(yù)知磁場(chǎng)如何交織疊加。而為了減小結(jié)構(gòu)化賽道導(dǎo)線(xiàn)之間的干擾，我們采用兩種方式，（ 1）不用“前瞻”，使用“臥式”電感線(xiàn)圈傳感器，其特性是衰減快，對(duì)于“巡線(xiàn)”，程序易于實(shí)現(xiàn)，（ 2）減小“前瞻”，對(duì)于“立式”電感線(xiàn)圈傳感器，干擾是很大的，將電感線(xiàn)圈傳感器電路的放大倍數(shù)減小。 電感線(xiàn)圈傳感器之間的干擾的消減 經(jīng)過(guò)理論研究和大量實(shí)驗(yàn)，我們采用特殊體位（互相垂直）克服相互電感線(xiàn)圈傳感器之間的干擾。 車(chē)子上工作的 PWM 信號(hào)和電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)電感線(xiàn)圈干擾的消減 為了電磁屏蔽，采用鋁箔將車(chē)子上所有導(dǎo)線(xiàn)包住，并且用鋁箔把電機(jī)包住。為了防止電路板短路，在鋁箔與電路板之間再添加一層絕緣膠帶。這樣，即可以防短路，又可以利用絕緣膠帶作為鋁箔的襯子，防止鋁箔破損。 第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 25 舵機(jī)控制 算法 舵機(jī)作為車(chē)的方向控制結(jié)構(gòu)，其控制算法直接影響到車(chē)的整體質(zhì)量，如果舵機(jī)的控制算法不好，會(huì)導(dǎo)致舵機(jī)轉(zhuǎn)角不平滑，過(guò)彎時(shí)多次轉(zhuǎn)彎，使車(chē)速在彎道時(shí)大大的減小，因此，使舵機(jī)平滑及時(shí)的過(guò)渡是舵機(jī)機(jī)控制算法的主要目的。 車(chē)體與舵機(jī)轉(zhuǎn)角方向測(cè)定 我們知道，當(dāng)給舵機(jī)一個(gè)固定的角度的話(huà)，那么可以車(chē)將會(huì)一個(gè)恒定的半徑做圓周運(yùn)動(dòng)，因此，只需測(cè)出圓的周長(zhǎng)，那么就可以算出車(chē)的轉(zhuǎn)彎半徑。因此我們制作了一個(gè)計(jì)算智能車(chē)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在車(chē)兩次經(jīng)過(guò)同一點(diǎn)時(shí)計(jì)錄在這段時(shí)間內(nèi)的碼盤(pán)計(jì)數(shù)總值，通過(guò)該值的推算，就可算出圓的周長(zhǎng)。 為了消除偶然誤差的影響，我們采用了多次實(shí)驗(yàn)取平均值的方式來(lái)算出舵機(jī) PWM占空比對(duì)應(yīng)的車(chē)轉(zhuǎn)彎半徑。 實(shí)際數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄： 經(jīng)過(guò) matlab擬合，實(shí)驗(yàn)的對(duì)應(yīng)圖如圖 : 圖 — PWM占空比實(shí)際圖 圖 徑 — PWM占空比實(shí)際圖 第 八 屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 26 舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度分配 舵機(jī)轉(zhuǎn)角的分配一般分為兩種方式，分別為 1：查表方式，即每種電感線(xiàn)圈傳感器狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)角。該方式具有反應(yīng)速度快，控制策略簡(jiǎn)單，時(shí)實(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，但是賦值是離散化的，因此造成了舵機(jī)轉(zhuǎn)向不連續(xù)，無(wú)法進(jìn)行預(yù)測(cè)功能的缺點(diǎn)。 2： PID方式，即使用 PID調(diào)節(jié)方式對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，該方式在反應(yīng)速度，舵機(jī)轉(zhuǎn)向連續(xù)以及轉(zhuǎn)角預(yù)測(cè)上都優(yōu)于查表方式，因此，在實(shí)際過(guò)程中，舵機(jī)控制我們采用了 PID控制和模糊控制相結(jié)合的算法。 PID控制就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的， P的作用僅是放大誤差的幅值， D能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)， I消除穩(wěn)態(tài)誤差，但 I能產(chǎn)生嚴(yán)重超調(diào)，所以我們選擇了 PD 控制，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例 +微分 (PD)控制器能 改善系統(tǒng)在 調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。但由于 PID在控制非線(xiàn)性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過(guò)程時(shí)，工作地不是太好。最重要的是，如果 PID控制器不能控制復(fù)雜過(guò)程，無(wú)論怎么調(diào)參數(shù)都沒(méi)用。 舵機(jī) PID 整定 對(duì)于 PID控制的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，我們需要的是反復(fù)調(diào)節(jié) PID的各個(gè)參數(shù)，使得舵機(jī)的控制達(dá)到最佳狀態(tài)。 由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn) I值對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)角的影響較小，而在直道與彎道上 PID參數(shù)的最優(yōu)值 P參數(shù)相差較大，因此采用的方法是 P值分?jǐn)嗳≈档?PD調(diào)節(jié)方式，具體參數(shù)值為多組數(shù)據(jù)測(cè)量取較優(yōu)參數(shù)得到。 電機(jī) PID速度控制算法 智能車(chē)系統(tǒng)速度控制是指用在一定的給定速度條件下，使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定的速度。使用速度電感線(xiàn)圈傳感器檢測(cè)小車(chē)當(dāng)前速度，與給定速度做比較，形成閉環(huán)反饋控制。 為了證明閉環(huán)控制的必要性，我們分別測(cè)試了電機(jī)在賽道上開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制的響應(yīng)曲線(xiàn)。 第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 27 測(cè)試開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制響應(yīng)曲線(xiàn) 在長(zhǎng)直道上測(cè)試電機(jī)分別在開(kāi)環(huán)與 閉環(huán) PID控制之下的響應(yīng)曲線(xiàn) ，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 和 。 圖 開(kāi)環(huán)控制占空比 80%電機(jī)速度曲線(xiàn) 圖 中橫軸為時(shí)間軸一格為 1s，縱軸為單位采樣時(shí)間內(nèi)碼盤(pán)數(shù)，開(kāi)環(huán)控制占空比為 80%，車(chē)速 =比例因子 *單位采樣時(shí)間內(nèi)碼盤(pán)數(shù) ,比例因子為 。 圖 PID控制下電機(jī)響應(yīng)曲線(xiàn) 圖 是在增量式 PID 控制下，給定值 1400，比例因子 ,，橫軸一格為1s。 第 八 屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 28 從圖 ，開(kāi)環(huán)控制在 5 s后達(dá)到穩(wěn)定速度，即響應(yīng)時(shí)間約為 5s。在穩(wěn)定之后，紋波較小。 從圖 ， PID控制在參數(shù)未經(jīng)過(guò)細(xì)調(diào)的情況下，響應(yīng)時(shí)間約為，穩(wěn)定之后有 5% 的紋波。 對(duì)比圖 和圖 ，發(fā)現(xiàn)閉環(huán)控制在響應(yīng)速度上有很大的優(yōu)勢(shì)。在比賽中，若要求電機(jī)以最快速度響應(yīng)設(shè)定值，因此閉環(huán) 控制是必須的。 測(cè)試開(kāi)環(huán)控制下 PWM 占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系 為了在控制策略中分配給電機(jī)合適的速度，需要知道 PWM占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。為此，做了以下測(cè)試。 在長(zhǎng)直道上分別給不同的占空比，測(cè)的單位采樣時(shí)間內(nèi)碼盤(pán)值，比例因子 ,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果 如表 。 表 占空比與轉(zhuǎn)速關(guān)系數(shù)據(jù)表 占空比 穩(wěn)定后的速度 (m/s) 30% 18* 35% 25* 40% 31* 45% 37* 50% 43* 55% 49* 60% 56* 65% 63* 70% 71* 75% 76* 80% 80* MATLAB 中繪圖并擬合曲線(xiàn)如圖 ： 第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 29 10 20 30 40 50 60 70 8020304050607080