【正文】 Kd—— 微分系數(shù)。位置式 PID 控制算法如下。 對于窄道，根據(jù)三角標(biāo)志 inflag==1；當(dāng) inflag==1 時；既要防止速度過高從賽道外側(cè)沖出跑道，又要防止速度過慢而從內(nèi)道沖出賽道，通過實(shí)驗(yàn)得出設(shè)定合適的速度；當(dāng)出窄道標(biāo)志 outflag==1；時給 定較高設(shè)定速度讓其立馬提升速度。據(jù)此就將小 S 賽道和一般的賽道區(qū)別開來。 對于小 S 賽道，判斷條件是 breaknumber 也會大于 2；再根據(jù)遠(yuǎn)端的黑線中心在賽道中的位置一般不會達(dá)到整幅圖像的左右邊界，其有一定的范圍。賽道彎曲程度越大，其 breaknumber 值越大。 通過實(shí)驗(yàn)，對于在直道上，相鄰兩行的黑線中心之差一般不會超過 2，也就是斷點(diǎn)數(shù)目不會增加維持 2 不變，據(jù)此條件我們是設(shè)定了速度為最高速度。就是：根據(jù)提取到得整幅畫面信息中的黑線中心，判斷相鄰兩行黑線中心之差，如果大于 2，則在此設(shè)置斷點(diǎn)，變量 breaknumber自加記錄斷點(diǎn)的數(shù)目。采用的策略是直道全加速行駛，在由直道變?yōu)閺澋罆r使其迅速減速。 直到上防止小車在高速行駛時的左右晃動，盡量將 P 值取的小一些。 在小 S 道因其最遠(yuǎn)端黑線中 心偏移也不會太大，而且要讓小車超近道行駛，以直線取代小 S，對應(yīng)方法是對賽道黑線中心進(jìn)行橫向積分，然后與圖像的中心值相減，這樣可以對 S 賽道進(jìn)行了正負(fù)偏移量的抵消，相當(dāng)于直線。我們應(yīng)用舵機(jī)的轉(zhuǎn)動與占空比的線性關(guān)系第五章 開發(fā)工具及制作調(diào)試過程 而采用 P 控制策略，控制策略是在不通的賽道應(yīng)用不同的控制方法： 為了抵消舵機(jī)的慣性和延遲，在彎道盡量利用提取到得黑線最遠(yuǎn)端偏離車身的水平距離與其黑線的長度比值，也就是斜率。使用時，常選擇帶死區(qū)、積分分離等改進(jìn) PID 控制算法?？刂圃隽俊?u(k)的確定僅與最近 k 次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。此外，當(dāng)計算機(jī)發(fā)生故障時 ， 由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故能保持原值。DI p D pITTe k e k e k K K K KTT? ? ? ? ? ? 公式 ()稱為增量式 PID 控制算法，可以看出由于 一般計算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期 T，一旦確定了 KP、 TI 、 TD，只要使用前后三次測量值的偏差，即可由式 ()求出控制增量。 10( 1 ) { ( 1 ) ( ) [ ( 1 ) ( 2 ) ] }k Dp jI TTu k K e k e j e k e kTT??? ? ? ? ? ? ? ??() 0( ) { [ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2 ) ] }( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ]k DpjIp I DTTu k K e k e k e k e k e k e kTTK e k K e k K e k e k?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ??() 式中 ( ) ( ) ( 1 ) 。 （ 2）增量式 PID 當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量 (例如：驅(qū)動步進(jìn)電機(jī) )時，可由式 ()推導(dǎo)出提供增量的 PID 控制算式。 位置式 PID 控制算法的缺點(diǎn)是：由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對過去 e(k)進(jìn)行累加，計算機(jī)工作量大；而且因?yàn)橛嬎銠C(jī)輸出的 u(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計算機(jī)出現(xiàn)故障， u(k)的大幅度變化，會引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場合，還可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。 數(shù)字 PID 控制算法通常分為位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 簡單說來， PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下 ： 比例環(huán)節(jié)：及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。將偏差的比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器，原理框圖如圖 所示。 PID 控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 PID控制算法介紹 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。解決的方法之一是利用數(shù)字計算機(jī)建立精確地系統(tǒng)模型；另一種更為有效地方法是前饋控制和反饋控制相結(jié)合，構(gòu)成前饋反饋控制系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)既具有前饋控制動作及時的特點(diǎn)，又保持了反饋控制的許多優(yōu)點(diǎn)。由于 S12 運(yùn)算能力以及系統(tǒng)快速性要求等方面的限制，決定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法并不是適合本系統(tǒng)的算法。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的運(yùn)算量大，要求的存儲單元多。但是如果采用模糊控制，最好的整定和調(diào)試工作相對于PID 控制來說變得比較困難。 （ 2）模糊控制算法 :飛思卡爾 HCS12 微處理器內(nèi)置模糊控制指令。并且有非常成熟的參數(shù)整定方法可用。 幾種控制算法的比較： （ 1） PID 算法： PID 算法的優(yōu)點(diǎn)是算法理論成熟，不要求有精確地被控對象數(shù)學(xué)模型。在經(jīng)過長期調(diào)試之后，得到了一套比較合適的參數(shù)，能夠有效優(yōu)化高速情況下的賽車路徑。而由于圖像分布不均，三分之二的行分布于車體前方 40cm 的范圍內(nèi)，求出的加權(quán)平均值受車體近處的圖像影響較大，因此整場圖像求加權(quán)的算法對于高速情況下的路徑優(yōu)化效果不是很明顯。為了增加視場寬度，增加每行采集的圖像點(diǎn)數(shù)之外，我們采用了廣角鏡頭，從而有效地增加了視場寬度。 視場的長度與單片機(jī)可以處理的圖像行數(shù)成正比。 對于賽車路徑的優(yōu)化， 主要 從兩方面來完 成： (1) 增加視場的長度和寬度 根據(jù)我們的分析，當(dāng)賽車采集到的圖像能夠覆蓋一個比較完整的 S 彎道時，通過加權(quán)算法計算出來的黑線中心就會處于視場中央附近，此時賽車會以一個比較好的路徑快速通過 S 彎道；相反，如果視場無法覆蓋一個完整的 S 彎道，賽車就會誤處理為普通的單向彎道，這樣賽車的速度就會大大減慢。 第五章 開發(fā)工具及制作調(diào)試過程 圖 黑線提取算法流程圖 處理后得到的黑線中心如圖 ～ 圖所示。在壓縮過程中，我們總結(jié)出賽道在圖像中出現(xiàn)的像素點(diǎn)的個數(shù)，對于賽道進(jìn)行識別，然后將其坐標(biāo)平均化，最終得到真實(shí)的賽道簡化圖，如圖所示：圖表 43 壓縮算法執(zhí)行之后的賽道 （ 2）導(dǎo)引黑線的提取 黑線提取算法的基本思想如下： (1) 直接逐行掃描原始圖像，根據(jù)設(shè)定的閾值提取黑白跳變點(diǎn)； (2) 黑線寬度有一個范圍，在確定的黑線寬度范圍內(nèi)提取有效黑塊，這樣可以濾除不在寬度范圍內(nèi)的黑點(diǎn)干擾； (3) 利用黑線的連續(xù)性，根據(jù)上一行黑線 中心的位置來確定本行求出的黑線中心是否有效； (4) 圖像是遠(yuǎn)處小近處大，所以黑線寬度范圍和前后行黑線中心的位置差別都要動態(tài)調(diào)整； (5) 求黑線中心時，因?yàn)榻幍暮诰€穩(wěn)定，遠(yuǎn)處黑線不穩(wěn)定，所以采用由近及遠(yuǎn)的辦法； (6) 圖像數(shù)據(jù)量大，全部掃描一遍會浪費(fèi)很多時間，利用前面已經(jīng)求出的黑線中心位置判斷出黑線的趨勢，從而推斷出下一行的黑線大概位置，確定出掃描范圍，避免整行逐點(diǎn)掃描，節(jié)省時間； (7) 提取出整場所有有效行的黑線中心后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的權(quán)重計算出黑線中心的加權(quán)平均值，作為本場的黑線中心。 圖 起點(diǎn)原始圖像第五章 開發(fā)工具及制作調(diào)試過程 圖 彎道原始圖像圖 十字交叉原始圖像 圖像處理及黑線提取 （ 1）圖像采集及壓縮 圖像的采集，主要由硬件完成并實(shí)現(xiàn)二值化，這樣，單片機(jī)對于圖像的處理，只需要從外部 FIFO 中讀取黑點(diǎn)坐標(biāo)的位置，然后對于圖像進(jìn)行壓縮、簡化，最終提取出比較真實(shí)的道路，主要的；流程如下： 圖表 41 圖像處理流程 由于完整圖像在的分辨率為 192*72，在單片機(jī)中，這樣的數(shù)據(jù)時無法存儲的，更別說處理了。采用這個方案之后，賽車在通過小半徑彎道時基本上不會丟失黑線，在這個基礎(chǔ)上我們就比較好的解決了賽車通過十字交叉道時容易出錯的問題。在這種情況下，對十字交叉道的處理變得比較困難。 在后來的調(diào)試過程中，我們發(fā)現(xiàn)視場底部距離車體最前部越遠(yuǎn)，在通過半徑較小的 270176。原始圖像是一個將模擬圖像經(jīng)模擬電路轉(zhuǎn)換得到的二維數(shù)據(jù)矩陣，矩陣的每一個元素對應(yīng)一個像素點(diǎn)，圖像的第一行對應(yīng)最遠(yuǎn)處，大約 150cm 圖像的最 底部一行對應(yīng)最近處，大約 20cm。 由于攝像頭自身的特性，圖像會產(chǎn)生梯形式變形，這使得攝像頭看到的信息不真實(shí)。因此，在軟件上必須排除干擾因素，對賽道進(jìn)行有效識別，并提供盡可能多的賽道信息供決策使用。 圖像 處理及路徑優(yōu)化 方案 （攝像頭采用機(jī)制及采樣規(guī)劃，參加第二屆全國智能車大賽西南賽區(qū)獲獎?wù)撐乃觥Ｒ韵聦⑹紫冉榻B賽車設(shè)計過程中用到的各個軟件功能模塊的初始化設(shè)計，然后對賽道引導(dǎo)線的提取及車體控制 方案 進(jìn)行討論。程序主要用到 S12 芯片中的時鐘模塊、 PWM 模塊、外部中斷模塊、ECT 模塊、 A／ D 模塊、串口通信模塊、 I／ O 模塊等模塊化設(shè)計。 系統(tǒng)采用的 MC9S12DGl28微控制器是飛思卡爾公司 MC9S12系列 16位單片機(jī)中的一種，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有單片機(jī)基本部分和 CAN 功能模塊組成，包括 16 位中央處理器、 128KB 的第五章 開發(fā)工具及制作調(diào)試過程 Flash 存儲器、 8KB 的 RAM、 2KB 的 EEPROM、兩個異步串行通信接口、兩個串行外圍接口、一組 8通道的輸入捕捉或輸出捕捉的增強(qiáng)型比較定時器 (ECT)、兩組 8通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (AD)、一組 8 通道脈寬調(diào)制模塊 (PwM)、一個字節(jié)數(shù)據(jù)鏈路控制器、 29 路獨(dú)立的數(shù)字 I／ O 接口、20 路帶中斷和喚醒功能的數(shù)字 I／ O 接口、 5 個增強(qiáng)型 CAN 總線接口。方向控制系統(tǒng)能使智能車沿著導(dǎo)引黑線行駛而不至偏移。其中，狀態(tài)信息檢測部分包括道路信息檢測、速度檢測和路程檢測。 第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計方案 智能車軟件設(shè)計概述 智能車的軟件系統(tǒng)采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)。此外，還有 BDM 接口和串口。 電路原理圖如下： 圖 41 控制器模塊原理圖 在控制器模塊中，內(nèi)置了一個八位的模式開關(guān)，用于根據(jù)不同的賽道特點(diǎn)，及時調(diào)整控制策略和參數(shù)。 主控制器模塊 控制器模塊采用飛思卡爾的 MC9S12DG128B 作為唯一的核心控制單元。將 PWM2 和 PWM3 合并為 16 位，用 A 時鐘源，這樣提供的精度就可以達(dá)到 1/216 ，不會出現(xiàn)精度不夠的問題，舵機(jī)中位為 6000，極限轉(zhuǎn)角為 5000 和 7000，之間的調(diào)節(jié)余地非常之大，這個精度問題隨之解決。為什么要采用兩路 PWM 通道控制舵機(jī)角度呢？因?yàn)樵谡{(diào)試中發(fā)現(xiàn)，如果只使用單個 PWM 通道，精度只有 1/28，舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角細(xì)分精度遠(yuǎn)不能滿足調(diào)試需要。 圖 461 舵機(jī)電路原理圖 第五章 開發(fā)工具及制作調(diào)試過程 實(shí)際電路中使用了三路 PWM 通道（ PP1， PP2， PP3），如圖 47。通過該模塊內(nèi)寄存器可設(shè)置 PWM 的使能與否，每個通道的工作脈沖極性，每 個通道輸出的中間還是左對齊方式，時鐘源，使用方式（是作為八個 8 位精度通道還是四個 16 位精度通道）。S12 脈寬調(diào)制模塊有 8 路獨(dú)立的可設(shè)置周期和占空比的 PWM 通道，每個通道配有專門的計數(shù)器。 圖 58 舵機(jī)響應(yīng)圖 舵機(jī)控制電路 舵機(jī)用于控制，其設(shè)置也尤為重要。由于實(shí)際舵機(jī)轉(zhuǎn)角與 PWM 信號的占空比基本成線性關(guān)系，所以我們采用了查表法，在程序中預(yù)先建立了控制表，路徑檢測單元檢測到不同的路況，單片機(jī)通過查表的方式得出 PWM 信號占空比，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)過一定的轉(zhuǎn)角 。 小車轉(zhuǎn)向角的控制通過輸入 PWM 信號進(jìn)行開環(huán)控制。 (5) 動作速度（ ）： (177。 (4) 輸出扭矩（ ）： (177。 (3) 消耗電流（ ，無負(fù)載）：停止時 15mA，動作時 145177。 舵機(jī)選型 舵機(jī)選用的是大賽組委會提供的 S3010 型舵機(jī)。 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際使用中，控制舵機(jī)的 PWM 信號周期在 8~20ms 之間都可以使舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，即舵機(jī)的擺角只與 PWM 信號的高電平持續(xù)時間有關(guān)，而與 PWM 的周期、占空比無關(guān)。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)?？刂菩盘栍山邮諜C(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。舵機(jī)能夠在微機(jī)電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)很容易與之相接。它是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并能夠保持的控制系統(tǒng)。舵機(jī)的主要性能取決于最大力矩和工作速度（一般以秒 /60176。 第五章 開發(fā)工具及制作調(diào)試過程 圖 MC33886外圍電路圖 圖 MC33886 驅(qū)動電路原理圖 舵機(jī)驅(qū)動模塊 舵機(jī)簡介 舵機(jī)英文稱 Servo。 因?yàn)檐嚹５募訙p速要求很高，所以使用一片 MC33886進(jìn)行驅(qū)動電機(jī)，芯片很容易發(fā)熱，故采用兩片 MC33886并聯(lián)的方式進(jìn)行驅(qū)動，并且外加散熱片，若控制方法合理，可以降低驅(qū)動芯片的發(fā)熱程度。在比賽中并不需要車模倒車，但需要電機(jī)提供反向力矩以實(shí)現(xiàn)制