【導讀】電子、電氣、計算機、機械等諸多學科。為了使小車能夠快速穩(wěn)定的行駛，設(shè)計。在整個小車控制系統(tǒng)中，如何準確地識別路徑及實時地對。智能車的速度和方向進行控制是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。的速度給硬件電路加以控制，完成了在變負荷條件下對速度的快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)。和舵機以達到控制智能車的行駛速度和偏轉(zhuǎn)方向。驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和舵機的方向，完成對模型車運動速度和運動方向的閉環(huán)控制。智能車能夠準確迅速地識別特定的軌道，并沿著引導線以較高的速度穩(wěn)定行駛。經(jīng)過多次反復的測試，最終確定了現(xiàn)有的智能車模型和各項控制參數(shù)。

　　

【正文】 期獲得。另一方面也可以通過機械方式，利用舵機的輸出轉(zhuǎn)矩余量，將角度進行放大，加快舵機的響應(yīng)速度。而舵機的脈沖范圍，它對應(yīng)舵機旋轉(zhuǎn)角度，在設(shè)置時一方面應(yīng)考慮到舵機的極限位置；另一方面還要考慮到車模轉(zhuǎn)向的極限。本設(shè)計中，通過測試找到了 40 度對應(yīng)的脈沖寬度。 PWM 初始化程序流程圖 如圖 42 所示： 江西理工大學 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計 24 開 始選 擇 P W M 時 鐘允 許 P W M 通 道選 擇 周 期 、 脈 寬結(jié) 束 選 擇 極 性 、 脈寬 對 齊 方 式 圖 42 PWM初始化流程圖 具體程序如下： void pwminitial(void) { PWMCTL_CON01 = 1。 // PWM01 合并 16 bt PWMPRCLK = 0x20。 // A=24M/1=24M,B=24/4=6M PWMSCLA =12。 // SA=A/2/12=1M PWMSCLB =150。 // SB=B/2/150=20KHz PWMCLK = 0x3E。 // PWM0,1SA。PWM4,5SA,PWM2,3SB。 PWMPOL = 0xff。 // 位極性＝ 1 Duty＝ High Time PWMCAE = 0x00。 // 對齊方式－左對齊 PWMPER01 = 20200。 PWMDTY01 =1430 。 PWMPER4 = 100。 //Frequency=SA/300=10KHz PWMPER5 = 100。 //Frequency=SA/300=10KHz PWMDTY4 = 0。 PWMDTY5 = 0。 PWME = 0x32。 // 舵機使能 } 江西理工大學 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計 25 中斷處理 流程 中斷處理程序每 10 毫秒執(zhí)行一次，中斷處理函數(shù)的主要目的是定時讀取脈沖計數(shù)器的值并把該值反饋給 PID 控制程序，然后調(diào)用 PID 控制程序。 中斷程序流程 如圖 43所示： 進 入 中 斷P I D 速 度 控 制返 回脈 沖 計 數(shù) 寄 存 器 清 零讀 取 碼 盤 脈 沖 值清 除 中 斷 標 志 圖 43 中斷處理程序 小車控制算法 車體控制是整個控制算法的核心，它直接關(guān)系到小車的性能好壞。小車控制主要包括對舵機和電機的控制，結(jié)合各種算法的優(yōu)缺點 ，對舵機的控制選用了預判和 PD 算法結(jié)合的思想，對電機的控制，由于涉及到速度的準確性問題，選用了預判和 PID 算法結(jié)合的思想。 為保證小車一直沿著黑色引導線快速行駛，系統(tǒng)主要的控制對象是小車的轉(zhuǎn)向和車速。即應(yīng)使小車在直道上以最快的速度行駛。在進入彎道的過程中盡快減速，且轉(zhuǎn)向要適合彎道的曲率，確保小車平滑地轉(zhuǎn)彎，并在彎道中保持恒速。從彎道進入直道時，小車的舵機要轉(zhuǎn)至中間，速度應(yīng)該立即得到提升，直至以最大的速度行進。為實現(xiàn)上述控制思想，可以采用不同的控制方法來控制小車的轉(zhuǎn)角和速度。 具體控制流程圖如下圖 44 所示 。 江西理工大學 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計 26 是是是否否否是預 判 算 法起 始 線P D 控 制直 道 ， 小 S 彎道角 度 控 制斜 率 控 制特 殊 控 制交 叉 線 大 S 彎 道 圖 44 小車控制流程圖 舵機控制 在對舵機的控制中，加入了預判算法，主要用來判別道路的不同類型，包括大 S 道，小 S 道，直道，彎道，空白和邊緣，再依據(jù)道路的不同，進行相應(yīng)的控制。 對于大 S 道，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，如果利用 PD 控制的話，小車完全壓線行駛，舵機的轉(zhuǎn)向過于頻繁，這樣行駛下來不僅增加了小車行駛的路程，而且如果速度過快的話，小車會來不及轉(zhuǎn)向，而沖出軌道，考慮到這些因素，在數(shù)據(jù)處理中，選取合適的控制點數(shù)，建立最近點和最遠點的數(shù)學模 型，算出小車最佳行駛路線的弦線角度，采用角度控制，從而讓小車沿著算出的角度前進，這樣既減少了行駛的路程，也不容易沖出去 。 對于小 S 道，直道和彎道則采用了 PD 控制算法，在預先判斷出各個軌道類型之后，選擇合適的控制點數(shù)，調(diào)節(jié) KP,KD 參數(shù)。尤其對于小 S 道來說，參數(shù)的選擇尤為重要，因為對于小 S 到而言，最佳的控制策略是讓舵機盡量不動，從而使小車沿著一條直線行駛。 根據(jù)光電傳感器采集回來的道路信息，進行存儲、分析和計算。當不同位置江西理工大學 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計 27 的傳感器檢測到黑線，舵機的 PWM 模塊就給不同的值，使舵機擺動不同的角度。由前面得到的道路 狀態(tài)信息，而增加相應(yīng)權(quán)值不一樣的擺動角度。當智能車在直線上高速行走的時候，中間 4 個傳感器檢測到黑線的舵機擺角，比原來基數(shù)的舵機擺角更加小。當智能小車的舵機擺角不正，跑直道有振蕩的時候，這樣可以使小車在直道高速運行的時候，左右來回振蕩變小。當剎車標志位置為 1 的時候，表明智能小車正在過彎道，可以把傳感器兩端的 8 個傳感器相應(yīng)的擺動角度變大。更有利于轉(zhuǎn)過彎道而不至于跑出賽道。 由前面得到的道路狀態(tài)信息，而增加相應(yīng)權(quán)值不一樣的擺動角度。當智能車在直線上高速行走的時候，中間 4 個傳感器檢測到黑線的舵機擺角，比原來基數(shù)的舵 機擺角更加小。當智能小車的舵機擺角不正，跑直道有振蕩的時候，這樣可以使小車在直道高速運行的時候，左右來回振蕩變小。當剎車標志位置 1 的時候，表明智能小車正在過彎道，可以把傳感器兩端 8 個傳感器相應(yīng)的擺動角度變大，更有利于轉(zhuǎn)過彎。 為了使舵機迅速地轉(zhuǎn)至期望的角度，先通過前排發(fā)射接收光電管檢測黑線，當小車處于直道時，最中間的光電管檢測到信號，當處于不同曲率的彎道時，前排兩側(cè)不同的光電管將檢測到信號。所以，根據(jù)前排光電管檢測到的不同信號，可以判斷出小車所處的位置。然后，根據(jù)小車的位置再對調(diào)整舵機進行相應(yīng)的調(diào)整。 調(diào) 整舵機的原則是小車處于直道時，擺正舵機。小車處于彎道的曲率越大，則舵機轉(zhuǎn)角越大。除此之外，小車還會遇到黑色交叉線的特殊情況，對此，本系統(tǒng)將保持小車原有的方向與速度，使小車不受交叉線的干擾。如果小車轉(zhuǎn)過的彎過大，則可能使前排光電管全部偏離黑色軌跡，從而沒有一個光電管檢測到黑線，故應(yīng)使舵機保持原角度，讓小車急轉(zhuǎn)駛回正道。同時，將速度適當降低，防止小車沖出軌跡。 速度控制 小車的速度控制采用了預判算法和閉環(huán) PID 算法結(jié)合的思想。在預先判斷軌道類型的前提下，對各個軌道標定各自的速度，利用閉環(huán) PID 進行控 制。 PID控制是工程實際中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律。問世至今 70年多年來，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主 要技術(shù)之一。 PID 的控制 結(jié)構(gòu) 如圖 45 所示： 江西理工大學 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計 28 K i K dK p G ( S )++++eRYu 圖 45 PID 控制結(jié)構(gòu)圖 e 代表理想輸入與實際輸出的誤差，這個誤差信號被送到控制器，控制器計算出誤差信號的積分值和微分值，并將它們與原誤差信號進行線性組合，得到輸出量 u。 p i ddeu k e k ed t k dt? ? ?? (42) 其中，其中 pk ， ik ， dk 分別稱為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。 u接著被送到了執(zhí)行機構(gòu)，這樣就獲得了新的輸出信號 Y。這個新的輸出信號被再次送到感應(yīng)器以發(fā)現(xiàn)新的誤差信號，這個過程就這樣周而復始地進行。 運用 PID 控制的關(guān)鍵是調(diào)整三個比例系數(shù)，即參數(shù)整定。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理 論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。 一般來說，增大比例系數(shù)能夠減小上升時間 ,并減小穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除。增大積分系數(shù)能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，但會使瞬時響應(yīng)變差。增大微分系數(shù)能夠增強系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，減小超調(diào)，并且改善瞬時響應(yīng)。 以上簡要介紹了 PID 算法的原理和特性，實際過程中，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 控制離散化，這樣得到的就是數(shù)字 PID 算法。 0( ) { ( ) ( ) [ ( ) ( 1 )]}k dp jiTTu k k e k e j e k e k?? ? ? ? ?? (43) 在對電機速度的調(diào)節(jié)過程中發(fā)現(xiàn)，由于電機的振動，如果單純對電機用 PID進行控制的話，會導致調(diào)速不穩(wěn)定，所以在 PID 算法的基礎(chǔ)上，又加入了前饋控制，直接輸入給電機。 江西理工大學 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計 29 三個基本參數(shù) Kp， Ki， Kd 在實際控制中的作用： (1)比例調(diào)節(jié)作用 ： 是按比例反映系統(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)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) Ti， Ti 越小，積分作用就越強。反之 Ti 越大則積分作用越弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)相應(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)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，以被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng) 的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對于噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，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。 坡道的處理 當模型車上坡時，由于傳感器離地面的距離發(fā)生了改變，會導致傳感器誤判，從坡上“掉下來”，針對誤判，我們做如下處理：將一個雙向水銀開關(guān)水平放在模型車的正中間，當上坡時會使開關(guān)自動閉合，即認為來到彎道，此時屏蔽前排傳感器 ，只使用后排，由于后排對地照射，坡道不會有太大影響，同理檢測下坡，再次恢復使用兩排傳感器。調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，如果模型車突然加速時，也會使水銀開關(guān)閉合，這樣會帶來誤判。因為坡道只可能出現(xiàn)在直道，而我們只會在入彎進行剎車，出彎進行加速，加速度也只可能出現(xiàn)在這兩種情況。通過軟件算法，屏蔽了入彎與出彎的加速度帶來的誤判，于是就能精確地檢測坡道了。 彎道策略分析 在車輛進彎時，需要對三個參數(shù)進行設(shè)定：切彎路徑、轉(zhuǎn)向角度、入彎速度。 其中，切彎路徑主要決定了車輛是選擇內(nèi)道過彎還是外道過彎。切內(nèi)道，路經(jīng)最短，但是如果地面 附著系數(shù)過小會導致車輛出現(xiàn)側(cè)滑的不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，原因是切內(nèi)道時，曲率半徑過小，同時速度又很快，所以模型車需要的向心力會很大，而賽道本身是平面結(jié)構(gòu)，向心力將全部由來自地面的摩擦力提供，因此賽道表面的附著系數(shù)將對賽車的運行狀態(tài)有很大影響。切外道，路徑會略長，但是有更多的調(diào)整機會，同時曲率半徑的增加會使得模型車可以擁有更高的過彎速度。 轉(zhuǎn)向角度決定了車輛過彎的穩(wěn)定性。合適的轉(zhuǎn)向角度會減少車輛在轉(zhuǎn)彎時的江西理工大學 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計 30 調(diào)整，不僅路徑可以保證最優(yōu)，運動狀態(tài)的穩(wěn)定也會帶來效率的提高，減少時間。在考慮轉(zhuǎn)向角度設(shè)置時需要注意以下幾個問題： 對于檢測賽道偏移量的傳感器而言，在增量較小時的轉(zhuǎn)向靈敏度；檢測到較大彎道時的轉(zhuǎn)向靈敏度；對于類似 S彎的變向連續(xù)彎道的處理。 對于入彎速度的分析，應(yīng)該綜合考慮路徑和轉(zhuǎn)向角度的影響。簡單而言，我們會采取入彎減速，出彎加速的方案，這樣理論上可以減少過彎時耗費的時間。然而，在過去幾屆比賽中，通過觀察各參賽車對彎道的處理后，我們發(fā)現(xiàn)并不是所有人都選擇了相同的方案。正如前面說到的那樣，不聯(lián)系路徑和轉(zhuǎn)向角度，只是單純地分析過彎速度，會造成思路的局限甚至錯誤。例如，在不能及時判斷入彎和出彎的標志點就采取“入彎減速、出彎加速 ”的方案，會出現(xiàn)彎道內(nèi)行駛狀態(tài)不穩(wěn)定、路徑差，同時出彎加速時機過晚，一樣會浪費時間。所以現(xiàn)在本系統(tǒng)參考實際駕駛時的一些經(jīng)驗，對過彎速度的處理方式確定為：入彎時急減速，以得到足夠的調(diào)整時間，獲得正確的轉(zhuǎn)向角度；在彎道內(nèi)適當提速，并保持角度不變，為出彎時的加速節(jié)約時間；出彎時，先準確判斷標志，然后加速，雖然會耗費一些時間，但是面對連續(xù)變向彎道可以減少判斷出錯的概率，保證行駛狀態(tài)的穩(wěn)定性，而且彎道內(nèi)的有限加速對后面的提速也有很大的幫助。綜合考慮用可以接收的額外時間換回行駛穩(wěn)定性還是值得的。 江西理工大學 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計 31 第五章 開發(fā)與調(diào) 試 軟件開發(fā)環(huán)境介紹 Codewarrior 是 Metr