【正文】 盡量提高直道上的車速并保持入彎后車速足夠安全，賽車必須能在最短時(shí)間內(nèi)剎車。另一方面是沒有考慮到實(shí)際比賽中長(zhǎng)直道急速?zèng)_刺的情況，賽前在程序中人為設(shè)定直線速度不夠靈活不夠合理，所以在程序中根據(jù)賽道狀態(tài)動(dòng)態(tài)提高了直線速度，使車能夠在長(zhǎng)直道上充分發(fā)揮潛能。一方面是車在從彎道入直道時(shí)加速和從直道入彎道 時(shí)減速達(dá)不到最好的控制效果，彎道入直道減速不夠快速，直道入彎道加速的時(shí)機(jī)不夠及時(shí)。在實(shí)際測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)小車直道和彎道相互過渡時(shí)加減速比較靈敏，與舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制配合得較好。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PID控制算法當(dāng)速度接近設(shè)定值時(shí)，采用了增量式 PID 控制算法，基本思想是直道加速，彎道減速。本文對(duì)控制模型進(jìn)行改進(jìn)，在大誤差下使用BangBang控制，在速度接近設(shè)定值時(shí)，切換為PID控制。（孫同景，2008）由于硬件上安裝了車速傳感器(歐姆龍200線編碼器)，通過單片機(jī)脈沖累加模塊可以計(jì)算出賽車當(dāng)前的車速，然后使用PID閉環(huán)控制，可以及時(shí)快速地調(diào)節(jié)車速達(dá)到預(yù)定值。圖23黑線位置與動(dòng)態(tài)Kp的二次函數(shù)曲線圖經(jīng)不斷調(diào)試，最終選擇了一組 PID 參數(shù)，得到了較為理想的轉(zhuǎn)向控制效果。所以本文對(duì)P參數(shù)進(jìn)行了非線性處理，即非線性PD控制算法，其策略如下：(1) 將積分項(xiàng)系數(shù)置零，相比穩(wěn)定性和精確性，舵機(jī)在這種隨動(dòng)系統(tǒng)中對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的要求更高。此外，本文先后實(shí)驗(yàn)了幾種動(dòng)態(tài)改變 PID 參數(shù)的控制方法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)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(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。 PID參數(shù)整定運(yùn)用 PID 控制的關(guān)鍵是調(diào)整 KP、KI、KD 三個(gè)參數(shù)，即參數(shù)整定。但增量式 PID 也有其不足之處：積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影響大。 (3) 算式中不需要累加。 (2)手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。因而產(chǎn)生了增量式 PID 控制的控制算法，所謂增量式 PID 是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量△u(k)。 位置式PID控制算法位置式 PID 中，由于計(jì)算機(jī)輸出的 u (k) 直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如閥門)，u(k)的值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置(如閥門開度)是一一對(duì)應(yīng)的，所以通常稱公式()為位置式 PID 控制算法。微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在該偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。 c(t) u(t)+++ + e(t) r(t)比例積分微分被控對(duì)象圖22 PID控制器原圖框圖 () ()式中，K為采樣序號(hào)，k = 0，1，2；r(k)為第 k 次給定值；c(k)為第 k 次實(shí)際輸出值；u(k)為第 k 次輸出控制量；e(k)為第 k 次偏差；(k1)為第 k1 次偏差；KP為比例系數(shù)；I為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)；J為采樣周期。PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差。即當(dāng)本文不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。由于一場(chǎng)有許多行(本文設(shè)定采取了120行)，全部用上，單片機(jī)會(huì)處理不過來，所以本文選取了遠(yuǎn)場(chǎng)的8行，然后對(duì)這8行的虛擬中心點(diǎn)進(jìn)行平均計(jì)算，得到的數(shù)值便是該場(chǎng)的虛擬黑線中心的位置，舵機(jī)和電機(jī)根據(jù)這個(gè)值與目標(biāo)中心值進(jìn)行比較，小車根據(jù)這個(gè)偏差來做下一步的調(diào)整。第二次開始搜索時(shí)，就不全掃描了，在上一行的兩個(gè)基點(diǎn)位置，對(duì)本行的黑線進(jìn)行搜索，往外搜3個(gè)點(diǎn)(搜索范圍越小，抗干擾性越高，但容易丟失，所以搜索范圍要適當(dāng))。由于黑線是連續(xù)的，因此當(dāng)前行和上一行的變化不會(huì)很大，只會(huì)相差幾個(gè)點(diǎn)（周斌，等，2010）。該模塊的功能是準(zhǔn)確的計(jì)算出黑線與小車中心的相對(duì)位置。圖21 0V5116攝像頭為了能使小車循線，就必須及時(shí)地將當(dāng)前賽道信息的變化提供給控制算法部分，才能調(diào)整小車的狀態(tài)。系統(tǒng)初始化檢測(cè)道路信息計(jì)算智能車位置智能車速度控制智能車方向控制輸出開始圖19 程序框圖中斷開始 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)采樣濾波是否有效？?jī)?chǔ)存數(shù)據(jù)重置標(biāo)志位恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)中斷返回否是圖20 定時(shí)器采樣中斷 路徑識(shí)別模塊由于本文側(cè)重于直流電機(jī)和舵機(jī)的控制系統(tǒng)，所以對(duì)于路徑識(shí)別模塊就做簡(jiǎn)單的介紹，使用的是CMOS動(dòng)態(tài)攝像頭OV5116。在主循環(huán)體中通過調(diào)用位置識(shí)別和控制策略程序，及時(shí)地調(diào)整舵機(jī)以及后輪驅(qū)動(dòng)的輸出，最終達(dá)到使小車中心沿著黑線行走的目的。 Command：命令行，具體的命令可以鍵入help查看。 Registers：顯示當(dāng)前寄存器的值。在對(duì)攝像頭的調(diào)試中，能查看所有采集點(diǎn)的對(duì)應(yīng)數(shù)值，從而找出對(duì)應(yīng)的黑線位置。二者相互結(jié)合能很快的找出程序里的BUG?，F(xiàn)對(duì)其各窗口功能作簡(jiǎn)單介紹如下。單擊Make后如無錯(cuò)誤，可單擊Debug，出現(xiàn)對(duì)話框單擊OK進(jìn)行下載，出現(xiàn)如圖17和圖16所示，下載成功。復(fù)位可以通過選擇TBDML HCS12|Reset菜單命令或者單擊工具欄的快捷圖標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。圖13 Hiwave調(diào)試環(huán)境設(shè)置圖14 Hiwave選擇BDM接口標(biāo)準(zhǔn)圖15 選擇目標(biāo)單片機(jī)型號(hào) 程序下載BDM連接成功之后，就可以向單片機(jī)下載程序了。如圖15所示。將BDM與單片機(jī)連接，回車確認(rèn)后有提示選擇相應(yīng)型號(hào)的單片機(jī)，在此選擇MC9S12XS128，單擊[OK]。(3)選擇BDM接口標(biāo)準(zhǔn)，如圖14所示，【Component】菜單中【Set Target…】選項(xiàng)。在右下角命令窗口中輸入set gdi命令，同樣要添加光盤2TBDML DLL Driver文件夾下的bin_tbdml_gdi_dll_11文件，添加完確認(rèn)后會(huì)提示設(shè)置相關(guān)參數(shù)，(M)。圖12 程序啟動(dòng)界面(2)安裝BDM for S12(TBDML)的驅(qū)動(dòng)程序。 BDM調(diào)試器的使用 Hiwave初始化參數(shù)設(shè)置(1)，雙擊它即可打開調(diào)試軟件。在CodeWarrior 軟件中可以使用匯編語言或C 語言，以及兩種語言的混合模式。 開發(fā)軟件簡(jiǎn)介 for HCS12軟件。PWM信號(hào)的周期大于某一閾值后可驅(qū)動(dòng)舵機(jī)工作，保持周期、調(diào)節(jié)PWM的占空比即可調(diào)節(jié)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。BTS7970B根據(jù)PWM信號(hào)的周期和占空比來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度。在要求精度不高的情況下，PWM波可以用作D/A轉(zhuǎn)換，最簡(jiǎn)單的方法就是在PWM輸出口加入一個(gè)低通濾波，可以將PWM波轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。PWM脈寬調(diào)制波是一種可用程序來控制波形占空比、周期、相位的波形。每個(gè)輸出通道都有一個(gè)精確的計(jì)數(shù)器、一個(gè)周期控制寄存器和兩個(gè)可供選擇的時(shí)鐘源。(5)調(diào)試用LED燈調(diào)試用LED燈和單片機(jī)的PORTK口相連，供程序調(diào)試使用。通常使用低電壓復(fù)位芯片MC34064，使上電復(fù)位更加可靠。(4)復(fù)位電路復(fù)位電路是通過一個(gè)復(fù)位芯片給單片機(jī)一個(gè)復(fù)位信號(hào)。(3)電源電路HCS12單片機(jī)的芯片內(nèi)部使用3V電壓，而I/O端口和外部供電電壓為5V。BDM接口是連接BDM調(diào)試工具的，其中BDMIN接口是接BDM調(diào)試工具，向MC9S12單片機(jī)下載程序使用的。標(biāo)準(zhǔn)的MC9S12XS128單片機(jī)的時(shí)鐘電路，通過把一個(gè)16HZ的外部晶振接到單片機(jī)的外部晶振輸入接口EXTAL和XTAL上，讓后利用MC9S12XS128內(nèi)部的壓控振蕩器(VCO)和鎖相環(huán)(PLL)把這個(gè)頻率提高到25HZ，使之作為單片機(jī)工作的內(nèi)部總線時(shí)鐘。各部分的功能分別如下。 S12 CPU128KB FLASH2個(gè)8路10位ADC增強(qiáng)型8路16位定時(shí)器8位8路/16位4路PWM2個(gè)SCI口3個(gè)SPI口I2CJ1850通信口最多5個(gè)增強(qiáng)型CAN總線接口12KB RAM4KB EEPROM16位鍵盤喚醒IRQ I/O口圖10 MC9S12XS128B單片機(jī)結(jié)構(gòu)組成 最小系統(tǒng)板簡(jiǎn)介以MC9S12XS128芯片為核心的最小系統(tǒng)主要包括以下幾部分：時(shí)鐘電路、BDM接口、供電電路、復(fù)位電路和調(diào)試用LED燈。(1)兩個(gè)異步串行通信接口模塊SCI；(2)一個(gè)I2C總線接口；(3)一個(gè)同步串行外設(shè)接口SPI。MC9S12XS128的脈寬調(diào)制模塊(PWM)可設(shè)置成4路8位或者2路16位，邏輯時(shí)鐘選擇頻率。地址總線20位，數(shù)據(jù)總線16位或8位，地址和數(shù)據(jù)總線占用3個(gè)8位并行I/O接口，在單片方式下這24位可做普通I/O接口用。MC9S12XS128就是S12X系列中的一個(gè)成員?？偩€頻率最高可達(dá)40 MHz。HC12核心是16位高速CPU12核，總線速度8MHZ；HCS12系列單片機(jī)以速度更快的CPU12內(nèi)核為核心，簡(jiǎn)稱S12系列，典型的S12總線速度可以達(dá)到25MHZ（清華大學(xué)Freescale MCU/DSP應(yīng)用開發(fā)研究中心，2010）。在CodeWarrior 軟件中可以使用匯編語言或C 語言，以及兩種語言的混合模式。該軟件是面向以HC12或S12為CPU的單片機(jī)嵌入式應(yīng)用開發(fā)軟件包。其中，電源管理模塊是該系列單片機(jī)的一個(gè)特色，按照需求通過該模塊可以為每個(gè)模塊單獨(dú)的供電，或可以關(guān)掉，以節(jié)約電源；同時(shí)該單片機(jī)的指令是流水線操作執(zhí)行速度特別的快，其指令執(zhí)行時(shí)間與總線的字周期幾乎相等。所以最終決定用PID算法，并且本文在PID算法中加入了bangbang算法，使得該算法的魯棒性更好，性能更佳。通過對(duì)比以上三種方式的對(duì)比，本文首先排除第三種方式，因?yàn)橛捎诃h(huán)境的不同，比如賽道的質(zhì)量的變化，會(huì)大大增加算法的風(fēng)險(xiǎn)。路徑記憶算法的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)于復(fù)雜的S彎道，可以實(shí)現(xiàn)類似CCD探測(cè)頭達(dá)到的效果，選用小的轉(zhuǎn)向角度通過，這樣可以大大縮短時(shí)間。根據(jù)第一圈記錄的數(shù)據(jù)信息，可以對(duì)第二圈的各個(gè)道路點(diǎn)進(jìn)行分段處理。它的控制規(guī)律是以前人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的條件語句表示，容易設(shè)計(jì)掌握，對(duì)于被控對(duì)象的參數(shù)變化有很強(qiáng)的魯棒性。模糊控制算法可以看成分段線性化的控制策略。積分作用可以消除靜差，但積分器可使動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，這對(duì)于對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常高的小車控制系統(tǒng)來說不適合使用，因此本文沒有使用積分控制，將PID控制簡(jiǎn)化為PD控制。根據(jù)賽車的數(shù)學(xué)模型，就需要控制舵機(jī)將黑線平滑的控制在車的中央。該算法實(shí)際是一個(gè)非線性控制器，它是根據(jù)偏差，將偏差按比例，積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。 離散式PID控制方法單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制，它是一個(gè)離散時(shí)間控制系統(tǒng)，其參數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)確定，也可采用自整定PID調(diào)節(jié)算法。依靠簡(jiǎn)化的模型，盡量采用軟件方法來解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)潔化，各類功能易于實(shí)現(xiàn)，滿足各項(xiàng)的要求。由于舵機(jī)輸出給定角度需要一定的時(shí)間延遲，它正比于旋轉(zhuǎn)角度的大小。通過上述分析可知僅僅控制模型車以最快的速度運(yùn)行是不可以的。為此，最簡(jiǎn)單的控制規(guī)律可以采用比例負(fù)反饋控制，即P控制，使得舵機(jī)輸出角的大小正比于模型車與道路位置偏移量，且方向相反。 ()其中：d(l)是模型車與道路中心線的偏移量；k是系數(shù)；A(τ)為舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角；X為前輪轉(zhuǎn)向角度改變量與舵機(jī)輸出角度改變量之比。為了抓住問題的主要矛盾，需要將模型車的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行簡(jiǎn)化。在設(shè)計(jì)控制算法時(shí)，要既能滿足跟隨系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)又能滿足恒值調(diào)節(jié)的穩(wěn)定特性。為此，需要分析外部擾動(dòng)以及控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。控制模型車的轉(zhuǎn)向和速度，使其能夠跟隨道路的變化來運(yùn)行。在硬件上，該系統(tǒng)采用MC9S12XS128單片機(jī)為控制核心，車速檢測(cè)模塊、舵機(jī)控制模塊及直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊的工作；在控制算法上，采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車的舵機(jī)轉(zhuǎn)角和電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。采用加長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂的舵機(jī)及合理的路徑搜索算法，可以增強(qiáng)智能車對(duì)軌跡的跟隨性能。智能車路徑識(shí)別的關(guān)鍵在于快速地判斷彎道并快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)。因此，對(duì)智能車的設(shè)計(jì)，要求具有實(shí)時(shí)路徑檢測(cè)功能和良好的調(diào)速功能。彎道策略圖如圖8所示。智能車系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的路況和車速的當(dāng)前信息，控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，相應(yīng)地調(diào)整小車的行駛方向和速度；最終的目的是使智能車能快速、穩(wěn)定地按給定的黑色引導(dǎo)線行駛（卓晴，黃開生，邵貝貝，2007）。智能車的工作模式是：攝像頭探測(cè)賽道信息，轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)當(dāng)前車速，并將這些信息輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。(5)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩端電壓可以使模型車加速運(yùn)行，也對(duì)模型車進(jìn)行制動(dòng)。(3)電源模塊為各個(gè)電路模塊提供穩(wěn)定電源，可靠的電源方案是整個(gè)電路穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，電源模塊包含多個(gè)穩(wěn)壓電路，將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各模塊所需要的電壓。該單片機(jī)功能強(qiáng)大，完全能夠勝任小車的檢測(cè)和控制功能。MCUMC9S12XS128路徑識(shí)別攝像頭檢測(cè)模塊速度檢測(cè)模塊電源管理模塊調(diào)試接口直流電機(jī)電