【正文】 舵機(jī) 。 在選定智能車系統(tǒng)采用攝像頭傳感器方案后 ，賽車的位置信號(hào)由車體上方的攝像頭傳感器采集，經(jīng) MC9SXS128 的 I/O 口處理后，用于賽車的運(yùn)動(dòng)控制決策，同 時(shí)內(nèi)部 ECT模塊發(fā)出 PWM 波，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)對(duì)智能車進(jìn)行加速和減速控制，以及伺服電機(jī)對(duì)賽車進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，使賽車在賽道上能夠自主行駛，并以最短的時(shí)間最快的速度跑完全程。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 3 智能車硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出分析情況，結(jié)合其軟硬件特點(diǎn)，在硬件上可將智能車系統(tǒng)劃分為電源、單片機(jī)、傳感器、動(dòng)力電機(jī)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)和通訊調(diào)試等幾個(gè)模塊。為了克服這些問(wèn)題，必須使智能車能夠提前檢測(cè)彎道必備并減速 過(guò)彎。 首先，智能車車體慣量較大，車體控制響應(yīng)頻率較低；其次動(dòng)力電機(jī)和舵機(jī)的響應(yīng)安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 速度有限；再次，智能車的差速機(jī)構(gòu)很差，不利于作大的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。 根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的 PID 控制算法在尋找機(jī)器人轉(zhuǎn)向控制中表現(xiàn)出來(lái)的性能很好，所以智能車的轉(zhuǎn)向控制算法也使用 PID 算法。在實(shí)際應(yīng)用中， PID 控制算法所控制規(guī)律為比例、積分、微分控制。即把測(cè)量到的關(guān)心的變量與期望值比較，然后用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。采用簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制，使用基于反饋控制的 PID 算法為主要的控制算法。本文采用的即為此方法。它的輸出脈沖的個(gè)數(shù)正比于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而使它的輸出脈 沖的頻率正比于轉(zhuǎn)速。分為絕對(duì)位置輸出或者增量式位置輸出兩種。在后輪齒輪傳動(dòng)盤上粘貼一個(gè)黑白相間的光碼盤，通過(guò)固定在附近的反射式紅外傳感器讀取光碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖。相比反射式光電檢測(cè)，它是具有齒槽結(jié)構(gòu)的圓盤固定在后輪驅(qū)動(dòng)機(jī)的輸出軸上，采用直射式紅外傳感器讀取齒槽圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖，比如 ST130 傳感器。采用同軸直連或者齒輪傳動(dòng)等方法，將測(cè)速發(fā)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連，它的輸出電壓正比與轉(zhuǎn)速。車速檢測(cè)一般式通過(guò)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的。 測(cè)速電路選擇 為了使模型車能夠平穩(wěn)地沿著賽道運(yùn)行，除了控制前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)以外，還需控制車速，使模型車在急轉(zhuǎn)彎時(shí)速度不要過(guò)快而沖出賽道。 對(duì)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)為一路 PWM 波，本設(shè)計(jì)采用兩種供電方式，即一路 6V供電一路 供電，平時(shí)使用 6V。 BTS7970 是一種集成的 H 橋功率驅(qū)動(dòng)芯片，應(yīng)用的是 PWM 模塊來(lái)控制直流電動(dòng)機(jī)，芯片內(nèi)部是 H 橋結(jié)構(gòu) ,內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 21 所示。由于使用分立的功率元件構(gòu)成電路會(huì)使得整個(gè)智能小車的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，因而使用集成的芯片會(huì)使小車的系統(tǒng)更簡(jiǎn)單明了。要驅(qū)動(dòng)、控制一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)需要設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。通過(guò)單片機(jī)的 A/D 口直接讀取電壓的變化量，不僅可以簡(jiǎn)化外部電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)還可以保留攝像頭的連續(xù)變化電壓信息，通過(guò)軟件算法進(jìn)行位置插值細(xì)化，不僅可以得到更加精確的位置信息，同時(shí)還可以消除環(huán)境光線的影響。這個(gè)電壓信息可以通過(guò)外部的電壓比較器變成高低電平有單片機(jī)的 I/O 口端口讀取，也可以通過(guò)單片機(jī)的 A/D 端口直 接讀取。可以采取的措施有：在攝像頭的前端鏡片上固定一個(gè)偏光片，這也就可以避免外界一些光線的干擾道路檢測(cè)方法 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 紅外檢測(cè)方法 1. 電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單； 2. 檢測(cè)信息速度快； 3. 調(diào)試簡(jiǎn)單； 4. 成本低 1. 道路參數(shù)檢測(cè)精度低； 2. 道路參數(shù)檢測(cè)種類少； 3. 傳感器個(gè)數(shù)多； 4. 檢測(cè)前瞻距離較短； 5. 耗電量較大 攝像頭檢測(cè)方法 1. 檢測(cè)前瞻距離大； 2. 檢測(cè)范圍寬； 3. 檢測(cè)道路參數(shù)多 1. 電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要視頻信號(hào)同步分離、工作 12電源電路等輔助電路； 2. 軟件計(jì)算量大； 3. 檢測(cè)信息更新速度慢 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 （ 3）圖像接收信號(hào)的接口電路。 （ 2）消除外界環(huán)境光線的干擾。而 CCD 攝像頭則穩(wěn)定得多。所以 CMOS 的功耗比 CCD 要小。 CMOS攝像頭其實(shí)跟 CCD 差不多，也是將光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。 （ 1）根據(jù)其原理不同分?jǐn)z像頭主要分為兩種： CCD(Charge Coupled Device)攝像頭， CMOS 攝像頭。 表 21 兩種道路檢測(cè)方法優(yōu)劣比較 資料來(lái)源： 學(xué)做 智能車 — 挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯 在比較了兩種傳感器優(yōu)劣之后，考慮到光電傳感器前瞻比較近單行掃描，視野比較小而且檢測(cè)精度不夠高，決定選用攝像頭，相信通過(guò)選用合適的攝像頭，加之精簡(jiǎn)的程序控制和較快的信息處理速度，攝像頭還是可以極好的控制效果的。 如何對(duì)攝像頭 記錄的圖像進(jìn)行處理和識(shí)別，加快處理速度是攝像頭方案的難點(diǎn)之一。采用 CCD 攝像頭尋跡則能大幅度提升小車的前瞻距離，有利于小車提高車速。道路 檢測(cè)也可以采用紅外與攝像頭混合檢測(cè)方式，但是這種方式安裝有很大的難度。 CCD/CMOS 攝像頭有面陣和線陣兩種類型，它們?cè)诮涌陔娐?、輸出信?hào)以及檢測(cè)信息等方面有著較大的區(qū)別，面陣攝像頭可以獲取前方賽道圖像信息，而線陣 CCD 只能獲取賽道一條直線上的圖像信息。將攝像頭認(rèn)為是一種傳感器，利用單片機(jī)采集道路前面的圖像，通過(guò)軟件處理獲取賽道的各種參數(shù)。通過(guò)合理安排紅外發(fā)射 /接收管的空間位置就可以檢測(cè)到模型車前方道路相對(duì)小車的位置。通過(guò)紅外發(fā)光管發(fā)射紅外線光照射跑道，跑道表面與中心線具有不同的反射強(qiáng)度，白色反射回來(lái)，而遇黑色吸收，利用紅外接收管可以檢測(cè)到這些信息。大致可以分為兩種方案。賽道路面用專用白色基板制作，跑道表面為白色，中心有連續(xù)黑線作為引導(dǎo)線，黑線寬 25mm。 道路檢測(cè)方案設(shè)計(jì) 智能小車需要實(shí)現(xiàn)自主尋跡，因而需要選擇合適的尋線傳感器。設(shè)計(jì)自動(dòng)控制器是制作智能車的核心環(huán)節(jié)。智能車的驅(qū)動(dòng)采用直流電機(jī)，并采用 PWM 實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速，為使智能車快速、平穩(wěn)地行駛，系統(tǒng)必須把路徑識(shí)別、相應(yīng)的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制以及直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制準(zhǔn)確地結(jié)合在一起。小車運(yùn)行過(guò)程由方向檢測(cè)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)部分進(jìn)行控制，采用與白色地面顏色有較大差別的黑色線條作為引導(dǎo)。當(dāng)然，智能汽車的發(fā)展還有很長(zhǎng)的路要走，但是未來(lái)交 通必然是由智能車主宰，再配合上智能交通系統(tǒng)，人們的夢(mèng)想 —— 高速安全便捷的交通運(yùn)輸將不再是夢(mèng)。乘客通過(guò)連接在座椅上的通訊接口，也能享受這些功能。 (7)顯示系統(tǒng)：它包括底視顯示系統(tǒng)、頂視顯示系統(tǒng)和控制中心顯示系統(tǒng)。 (6)控制系統(tǒng)：智能車控制系統(tǒng)車輛動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性與汽車的橫擺運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。為了提高通訊的質(zhì)量，要精心設(shè)計(jì)通訊電路及通訊協(xié)議。 (5)通訊系統(tǒng)：通訊系統(tǒng)保證各模塊之間以及車載體與控制中心之間的高質(zhì)量通訊 。各種智能算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊算法、遺傳算法等也可以應(yīng)用到構(gòu)造策略庫(kù)以及策略選擇過(guò)程中。策略應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行提取，并存在知識(shí)庫(kù)中。 (4)決策系統(tǒng)：決策系統(tǒng)主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，如交通狀況信息、環(huán)境信息完成決策或分類任務(wù)，安排汽車行走路線 。微波單片集成電路（ MMIC）的最新發(fā)展，使固態(tài)收發(fā)模塊在雷達(dá)中的應(yīng)用達(dá)到實(shí)用階段。 (3)微波多普勒雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)：車載微波探測(cè)雷達(dá) 由窄波束天線、集成化發(fā)射機(jī)和接收機(jī)以及數(shù)字信息自理裝置等組成。 (2)視覺子系統(tǒng)，視覺子系統(tǒng)是智能汽車的圖像信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，由攝像頭、圖形卡等硬件設(shè)備和圖像處理軟件組成。衛(wèi)星向地面廣播編碼位置與時(shí)間信號(hào)，而接收器則負(fù)責(zé)接收這些信號(hào)，實(shí)現(xiàn)全天候、大范圍、多車輛的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位、調(diào)度、監(jiān)控，改進(jìn)車輛運(yùn)行管理，增強(qiáng)突發(fā)事件的反應(yīng)能力，提高車輛運(yùn)行率和行車安全度，并為應(yīng)用的行業(yè)規(guī)避經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。 (1)便攜式 GPS 定位與導(dǎo)航：便攜式衛(wèi)星導(dǎo)航集成了衛(wèi)星定位技術(shù)（ GPS）、地理信息管理（ GIS）和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以電子地圖為基礎(chǔ)，通過(guò) GPS 接收衛(wèi)星信號(hào)，能夠完成智能路徑規(guī)劃、全程語(yǔ)音提示、電子地圖瀏覽、衛(wèi)星定位導(dǎo)航等功能。通過(guò)應(yīng)用電子信息技術(shù)，使車輛實(shí)現(xiàn)高智能化，極大地改善車輛人機(jī)系統(tǒng)的安全性，避免事故的發(fā)生和減少傷害程度。計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為汽車的智能化提供了廣闊的前景。這一新興學(xué)科吸引著越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)、學(xué)者加入到智能車相關(guān)技術(shù)開發(fā)研究中來(lái)。國(guó)防科大成功試驗(yàn)了第四代無(wú)人駕駛汽車，它 的最高時(shí)速達(dá)到了 ，創(chuàng)國(guó)內(nèi)最高紀(jì)錄。清華大學(xué)汽車研究所是國(guó)內(nèi)最早成立的主要從事智能汽車及智能交通的研究單位之一，在汽車導(dǎo)航、主動(dòng)避撞、車載微機(jī)等方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究。到 2020年將在日本全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)施 SmartWay 計(jì)劃。本田公司、尼桑公司和豐田公司也各自在先進(jìn)安全性車輛計(jì)劃中發(fā)展行車安全子系統(tǒng)，它們包括：車道定位系統(tǒng)、前車距離控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、障礙物警報(bào)系統(tǒng)、駕駛員打盹報(bào)警系統(tǒng)和夜間行 人報(bào)警系統(tǒng)等。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)行駛了1600公里，其中 95%的部分是自動(dòng)駕駛的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)，能夠使交通事故減少 20%。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 歐洲開發(fā)基金資助進(jìn)行駕駛員監(jiān)測(cè)、道路環(huán)境的感知、視覺增強(qiáng)、前車距控制以及傳感器融合方面的研究。進(jìn)入 20世紀(jì) 90年代以來(lái)，隨著汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈程度的日益加劇和智能運(yùn)輸系統(tǒng)（ ITS）研究的興起，國(guó)際上對(duì)于智能汽車及其相關(guān)技術(shù)的研究成為熱門，一批有實(shí)力、有遠(yuǎn)見卓識(shí)的汽車行業(yè)大公司、研究院所和高等院校也正展開智能汽車的研究。智能車輛的主要特點(diǎn)是以技術(shù)彌補(bǔ)人為因素的缺陷，使得即便在很復(fù)雜的道路情況下，也能自動(dòng)地操縱和駕駛車輛繞開障礙物，沿著預(yù)定的道路軌跡行駛。 通過(guò)對(duì)車輛智能化技術(shù)的研究和開發(fā)，可以提高車輛的控制與駕駛水平，保障車輛行駛的安全暢通、高效。近兩年來(lái)，一些特大型汽車行業(yè)巨頭紛紛合并、收購(gòu)或建立各種合作關(guān)系，從而在全球范圍內(nèi)掀起了新一輪汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的狂潮。它的意義和價(jià)值在于：大幅度提高公路的通行 能力，至少使現(xiàn)有高速公路的交通量增加 1倍；大量減少公路交通堵塞、擁擠，降低汽車油耗，可使城市交通堵塞和擁擠造成的損失分別減少 25%～ 40%左右，大大提高了公路交通的安全性。一旦出現(xiàn)駕駛員長(zhǎng)時(shí)間駕車、疲勞駕車、判斷失誤的情況，很容易造成交通事故。駕駛員既要接受環(huán)境如道路、擁擠、方向、行人等的信息，還要感受汽車如車速、側(cè)向偏移、橫擺角速度等的信息，然后經(jīng)過(guò)判斷、分析和決策，并與自己的駕駛經(jīng)驗(yàn)相比較，確定出應(yīng)該做的操縱動(dòng)作，最后由身體、手、腳等來(lái)完成操縱車輛的動(dòng)作。歐洲的一項(xiàng)研安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 究表明：汽車駕駛員只要在有碰撞危險(xiǎn)的 前得到“預(yù)警”，就可以避免至少 60%的追尾撞車事故、 30%的迎面撞車事故和 50%的路面相關(guān)事故；若有 1s 的“預(yù)警”時(shí)間，則可避免 90%的事故發(fā)生。智能汽車首先有一套導(dǎo)航信息資料庫(kù)，存有全國(guó)高速公路、普通公路、城市道路以及各種服務(wù)設(shè)施 (餐飲、旅館、加油站、景點(diǎn)、停車場(chǎng) )的信息資料；其次是 GPS 定位系統(tǒng)，利用這個(gè)系統(tǒng)精確定位車輛所在的位置，與道路資料庫(kù)中的數(shù)據(jù)相比較，確定以后的行駛方向；道路狀況信息系統(tǒng)，由交通管理中心提供實(shí)時(shí)的前方道路狀況信息，如堵車、事故等，必要時(shí)及時(shí)改變行駛路線；車輛防碰系統(tǒng)，包括探測(cè)雷達(dá)、信息處理系統(tǒng)、駕駛控制系統(tǒng)，控制與其他車輛的距離，在探測(cè)到障礙物時(shí)及時(shí)減速或剎車，并把信息傳給指揮中心和其他車輛；緊急報(bào)警系統(tǒng)，如果出了 事故，自動(dòng)報(bào)告指揮中心進(jìn)行救援；無(wú)線通信系統(tǒng)，用于汽車與指揮中心的聯(lián)絡(luò)；自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，用于控制汽車的點(diǎn)火、改變速度和轉(zhuǎn)向等。因此，許多專家都在尋找一種有效的方法控制汽車的動(dòng)態(tài)特性使之滿足要求，而智能控制的性能優(yōu)于傳統(tǒng)控制，因此在汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。從目前來(lái)看，單獨(dú)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯控制和遺傳算法優(yōu)化技術(shù)均存在不同程度的不足，常和其他的控制算法結(jié)合使用，或者幾種智能控制算法集成使用。 智能控制簡(jiǎn)介 智能控制是一類無(wú)需或僅需盡可能少的人干預(yù)就能夠獨(dú)立驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制。 80年代中期，傳統(tǒng)的控制技術(shù)（經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制理論的統(tǒng)稱）的應(yīng)用，使汽車振動(dòng)控制系統(tǒng)的性能有了較大的提高，相應(yīng)地也暴露出一些不足。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) i 目錄 摘 要 ..................................................................... I ABSTRACT ................................................................. II 1 緒論 .................................................................... 1 引言 ................................................................ 1 智能控制簡(jiǎn)介 .................................................... 1 智能汽車簡(jiǎn)介 .................................................... 1 開發(fā)智能汽車必要性 .................................................. 1 智能汽車研究現(xiàn)狀 .................................................... 2 未來(lái)智能車系統(tǒng) ...................................................... 3 2 系統(tǒng)方案論證 ..........................