【正文】 0。（注：此實(shí)驗(yàn)是針對一個(gè)特定的舵機(jī)，不同的舵機(jī)經(jīng)過同樣的實(shí)驗(yàn)可能得出不同的平均反應(yīng)時(shí)間） 實(shí)驗(yàn)過程如下：將激光管貼到小車一邊輪胎上，激光管照射到白色墻面上，墻面上事先粘貼一條黑色膠帶，首先讓激光照射到白色墻面上，然后給定一個(gè)輸入量 D， 同時(shí)開始計(jì)時(shí)，讓舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并在結(jié)束時(shí)激光照射到黑色膠帶上，讓 IO 口獲得一個(gè)上升沿的同時(shí)停止 計(jì)時(shí)，記錄此時(shí)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)所需要的時(shí)間。而動(dòng)態(tài)的，給定一個(gè)新的 D 以后，舵機(jī)需要一定的反應(yīng)時(shí)間才能到達(dá)預(yù)定的 θ ，這個(gè)反應(yīng)時(shí)間正是需要通過實(shí)驗(yàn)測得的。則可認(rèn)為舵機(jī)的輸入量為 D，輸出量為 θ 。 建立舵機(jī)模型，首先需要知道舵機(jī)的控制量，它為周期 20ms，具有一定正脈沖寬度的 PWM 波，正脈沖的寬度 D/20ms 為 PWM 波的占空比，由于周期固定，程序中設(shè)定舵機(jī)控制量時(shí)直接給定 D 即可， D 的單位為 μs。 圖 轉(zhuǎn)向外套消除 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁 舵機(jī)模型 由于 T170A 從給定一個(gè)脈沖到舵機(jī)轉(zhuǎn)角到達(dá)給定脈沖對應(yīng)的轉(zhuǎn)角，具有較長的反應(yīng)與調(diào)節(jié)時(shí)間。 45176。此范圍內(nèi)舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角與輸入的周期性正脈沖寬度具有良好線性關(guān)系。從舵機(jī)的工作原理中可以了解到，舵機(jī)最初設(shè)計(jì)表的范圍是 177。 26176。同時(shí)兩邊使用相同長度的舵機(jī)臂，保證轉(zhuǎn)向的一致性。所以 不采用 加長 的 舵機(jī)臂，將舵機(jī)從車頭移到車的 前端 ，直接安裝在車的底盤上 ，如圖 所示 。 舵機(jī)的安裝及其 轉(zhuǎn)角的擴(kuò)大 通過實(shí)驗(yàn) 測試了加長舵機(jī)臂的效果，加長舵機(jī)臂對提高舵機(jī)的響應(yīng) 速度確實(shí)有一定的效果。 90176。而且，超出此范圍時(shí)，脈沖寬度轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的線性關(guān)系也會變差 。 45176。的偏差也是正常的。 普通的模擬微型伺服馬達(dá)不是一個(gè)精確的定位器件，即使是使用同一品牌型號的微型伺服馬達(dá)產(chǎn)品，他們之間的差別也是非常大 的，在同一脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)，不同的伺服馬達(dá)存在 177。對于多數(shù)伺服馬達(dá)來說，速度的單位由 “ 度數(shù)/秒 ” 來決定。 ~90176。但其平均運(yùn)動(dòng)速度可通過分段停頓的控制方式來改變，例如，我們可把動(dòng)作幅度為 90176。 輸入一個(gè)周期性的正向脈沖信號，這個(gè)周期性脈沖信號的高電平時(shí)間通常在 1ms～2ms 之間，而低電平時(shí)間應(yīng)在 5ms～ 20ms 之間，并不很嚴(yán)格， 圖 表示出一個(gè)典型的20ms 周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達(dá)的輸出臂位置的關(guān)系。 電源線與地線用于提供內(nèi)部的直流馬達(dá)及控制線路所需的能源，電壓通常介于 4V— 6V 之間，該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因?yàn)樗欧R達(dá)會產(chǎn)生噪音）。 圖 伺服馬達(dá)工作原理圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁 標(biāo)準(zhǔn)的微型伺服馬達(dá)有三條控制線，分別為：電源 線 、地 線 及控制 信號線 。 圖 伺服馬達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 伺服馬達(dá)是一個(gè)典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理可由圖 表示。 舵機(jī)工作原理 伺服馬達(dá)內(nèi)部包括了一個(gè)小型直流馬達(dá)；一組變速齒輪組；一個(gè)反饋可調(diào)電位器；及一塊電子控制板 ，如圖 所示 。 舵機(jī)在小車控制系統(tǒng)中起著重要的作用，它決定了小車的行進(jìn)方向。如果 PORTA_PA7 == 0，則 sensorss 保持初始化值不變（即為 0），表示此時(shí)發(fā)射管照射到了白線上。 圖 信號采集程序截選 圖 如圖 所示，信號采集程序截選， 用 MC9S12XS128 的 PORTB_PB7 輸出高電平點(diǎn)亮其中一個(gè)激光發(fā)射管，即是圖 中的 SET_BIT0 為高電平。故采用循環(huán)點(diǎn)亮的方式，即每次只點(diǎn)亮一個(gè)發(fā)射管和其對應(yīng)的接收管，實(shí)驗(yàn)測定每個(gè)激光管從發(fā)射到接受到信號需要 100μs ～ 900μs不等的時(shí)間，從而需要試驗(yàn)獲得每個(gè)激光管需要點(diǎn)亮的時(shí)間。此時(shí)，單片機(jī)只需要使用普通的 IO 口讀取接受管傳回來的 0、 1 信號即可知道當(dāng)前發(fā)射管照射到黑色中心線上，還是白色賽道上。既增加了賽道檢測點(diǎn)（一個(gè)激光發(fā)射管對應(yīng)賽道上的一個(gè)檢測點(diǎn)）個(gè)數(shù)，又滿足比賽要求的傳感器個(gè)數(shù)。 圖 激光發(fā)射管分布圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁 激光 接收 管理論上需要 16 個(gè)，即一個(gè)發(fā)射管對應(yīng)一個(gè)接收管，但通過實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證，激光接收管不必安裝在激光發(fā)射管的正上方或者 正 下方才能接受到反射光， 可以安裝在激光發(fā)射管向左或者向右 6cm 范圍內(nèi)，均可接受到反射光，所以接收管的安裝方案為：在相間的 8 個(gè)發(fā)射管的下方安裝 8 個(gè)激光接收管，每個(gè)接收管用于接收其上方發(fā)射管發(fā)射光的反射光和其相鄰發(fā)射管發(fā)射光的反射光。模型車也充分利用了往年的成熟的傳感器技術(shù)，其排布方式如圖 。然后將RECEIVE_0 直接接到單片機(jī)的 IO 口。在測量激光管的前瞻時(shí)，觀察 D2 的點(diǎn)亮與熄滅，便可方便的測出 不同激光管的前瞻。 反射回來的光（與發(fā)射光頻率相同）經(jīng)過透鏡，然后經(jīng)過 IC2 內(nèi)部處理，在 RECEIVE_0 口輸出數(shù)字信號，圖 中， D2 是為了測試用的。 由激光發(fā)射管發(fā)射的激光，照射到賽道上，如果照射到中心黑色引導(dǎo)線上，大部分的光被吸收，反射光強(qiáng)度非常小，而如果照射到白色賽道上，大部分的光將被反射，反射光強(qiáng)度大。 其中，與激光發(fā)射管串聯(lián)的電阻 R1 可以用電位器代替，這樣，就可以調(diào)節(jié)激光發(fā)射管的發(fā)射功率。 圖 激光發(fā)射管工作原理圖 如圖 ， IC1 是激光調(diào)制 器 ， OUT 輸出 200kHZ 的方波（調(diào)制脈沖）。激光具有 3 個(gè)重要特性 : ① 高方向性（即高定向性，光速發(fā)散角?。す馐趲坠锿獾臄U(kuò)展范圍不過幾厘米； ② 高單色性，激光的頻率寬度比普通光小 10 倍以上； ③ 高亮度，利用激光束會聚最高可產(chǎn)生達(dá)幾百萬度的溫度。反之，在頻率為 v 的光的誘發(fā)下，處于能級 E2 的原子會躍遷到低能級釋放能量而發(fā)光，稱為受激輻射。激光器的 工作 物質(zhì)，在正常狀態(tài)下，多數(shù)原子處于穩(wěn)定的低能級 E1， 在適當(dāng)頻率的外界光線的作用下，處于低能級的原子吸收光子能量受激發(fā)而躍遷到高能級 E2。它 發(fā)展 迅速，已廣泛應(yīng)用于國防、 生產(chǎn) 、醫(yī)學(xué)和非電測量等各方面。而激光傳感器主要面臨的就是大質(zhì)量的問題，傳感器的質(zhì)量直接影響小車本身的重心，所以激光傳感器的安放高度和位置都必須合理。 表 光電車路徑傳感器比較 路徑傳感器類型 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 光電傳感器 電路設(shè)計(jì)相對簡單 檢測信息速度快 成本低 道路參數(shù)檢測精度低種類少 檢測前瞻距離短 耗電量大 占用 MCU 端口資源較多 容易受外界光線影響 激光傳感器 檢測前瞻距離遠(yuǎn) 受外界光干擾小 檢測信號數(shù)字化 電路設(shè)計(jì)相對復(fù)雜 成本高 質(zhì)量大 從表 中可以看出，激光具有大前瞻和受外界光干擾小等優(yōu)點(diǎn)?；谝陨蟽蓚€(gè)重要的因素， 路徑傳感器決定選擇激光管。由于舵機(jī)滯后等因素的影響，前瞻 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 成為光電車提速的重要因素之一。作為光電車，遠(yuǎn)前瞻是提高成績的重要保證之一。 表 路徑方案設(shè)計(jì)對比 路徑識別方法 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 光電傳感器方案 電路設(shè)計(jì)相對簡單 檢測信息速度快 成本低 道路參數(shù)檢測精度低種類少 檢測前瞻距離短 耗電量大 占用 MCU 端口資源較多 容易受外界光線影響 攝像頭傳感器方案 檢測前瞻距離遠(yuǎn) 檢測范圍寬 檢測道路參賽多 占用 MCU 端口資源少 電路設(shè)計(jì)相對復(fù)雜 檢測信息更新速度慢 軟件處理數(shù)據(jù)較多 基于組別的選擇，本文以選擇光電傳感器方案。所以，根據(jù)采集方式的不同，智能汽車競賽從第三屆開始出現(xiàn)光電組和攝像頭組。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁 3 控制系統(tǒng)組成 小車控制系統(tǒng)是一個(gè) 雙入雙出的 隨動(dòng)控制系統(tǒng)， 組成 包括：賽道檢測模塊、舵機(jī)控制模塊、速度檢測模塊、電機(jī)控制模塊、單片機(jī)模塊以及電源管理模塊。 MC9S12XS128 是一款飛思卡爾 16 位的單片機(jī)，其開發(fā)方法和工作特點(diǎn)都與常用的 8051 單片機(jī)有一定的區(qū)別。 （ 5） 轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 ，即 舵機(jī) 在單片機(jī)給定的 PWM 波下進(jìn)行轉(zhuǎn)向，亦是小車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 （ 4） 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制 直流 電機(jī) 兩 端電壓 ， 使電機(jī)在給定的速度下運(yùn)行，控制電機(jī)加減速， 是 小 車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 （ 3） 測速傳感器采集小車速度信息，為小車的速度控制提供反饋依據(jù)，使小車始終按照給定的速度行駛。在此基礎(chǔ)上要考慮傳感器的分布位置及其安裝方法，這些都是智能小車尋跡方案的硬件基礎(chǔ)。 （ 2） 尋跡傳感器 采集道路信息， 為智能 小 車 提供前進(jìn)方向 ，使 小 車始終 不偏離賽道的黑色引導(dǎo)線 。各個(gè)模塊設(shè)計(jì)有各自不同的 要求： MC9S12XS128 單片機(jī)控制核心 賽道 識別模塊 測速模塊 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 車速信號 舵機(jī)控制信號 四 輪驅(qū)動(dòng) PWM 方波信號 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 （ 1） 電源模塊為系統(tǒng)其他各個(gè)模塊提供所需要的電源 ，以保證各模塊的正常工作，是智能車運(yùn)行的基礎(chǔ)。在嚴(yán)格遵守規(guī)則中對于電路限制條件，保證智能車可靠運(yùn)行的前提下，電路設(shè)計(jì)盡量簡潔緊湊，以減輕系統(tǒng)負(fù)載，提高智能車的靈活性，同時(shí)以發(fā)揮創(chuàng)新為原則，并以穩(wěn)定性為首要前提，實(shí)現(xiàn)智能車快速運(yùn)行。車模自主識別引導(dǎo)線并控制模型車沿著賽道運(yùn)行。 圖 智能車整體框架結(jié)構(gòu)圖 控制 系統(tǒng) 各 模塊設(shè)計(jì)基本要求 比賽跑道表面為白色，中心由連續(xù)黑線作為引導(dǎo)線，黑線寬 。其中，第一章為引言，主要介紹了智能 汽 車研究背景 以及智能車競賽的 現(xiàn)狀 與發(fā)展 ；第二章為 小 車 控制 系統(tǒng) 總體 方案的設(shè)計(jì)，主要包括 小 車系統(tǒng)模板設(shè)計(jì)的基本要求和框架結(jié)構(gòu)；第三章為 小車控制系統(tǒng)的組成，詳細(xì)地介紹了小車控制系統(tǒng)的組成部分，包括：激光傳感器、轉(zhuǎn)向舵機(jī)、電機(jī)、測速編碼器以及 MC9S12XS128 微控制器 ；第四章為 智能小車控制策略介紹 ， 包括起跑線、十字交叉線等道路識別以及賽道類型判 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁 斷 和舵機(jī)、電機(jī)控制算法 ；第 五 章介紹了在智能 小 車 調(diào)試 工具 。 論文安排 本 控制 系統(tǒng)以飛思卡爾公司生產(chǎn)的 16 位微控制器 MC9S12XS128 作為核心控制單元， 并 包括 激光 傳感器 賽道信息 采集 與 處理、 轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制 、光電編碼器速度采集、 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 等，最終實(shí)現(xiàn)一套能夠自主 尋跡 的智能 小 車 軟硬件 控制系統(tǒng) 。前 四 屆比賽決賽分別由清華大學(xué)、上海交通大學(xué) 、 東北大學(xué) 和北京科技大學(xué) 承辦。全國大學(xué)生智能汽車競賽是在競賽組委會提供的統(tǒng)一汽車模型平臺上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的 8位、16 位微控制器作為核心控制模塊 [3]，通過設(shè)計(jì)道路識別傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、編寫相應(yīng)軟件及裝配模型車，制作一個(gè)能夠自主識別道路的模型 汽車，按照規(guī)定路線（路線賽前未知）行進(jìn)，以完成時(shí)間最短者為優(yōu)勝。教育部為了加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作精神的培養(yǎng)，委托教育部高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會主辦了每年一度的全國大學(xué)生智能汽車競賽。德國寶馬公司也提供了不菲的資助，并邀請 3 名獲獎(jiǎng)學(xué)生到德國寶馬公司研究所訪問， 2020 年 SUNMOON 大學(xué)的參賽者獲得了這一殊榮 [2]。每年韓國大約有 100 余支隊(duì) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁 伍參賽，該項(xiàng)賽事得到了眾多高校和大學(xué)生的歡迎，也逐漸得到了企業(yè)的關(guān)注。正是 基于這一點(diǎn)，國際上正在形成智能汽車研究、設(shè)計(jì)、開發(fā)、競賽的熱潮。 智能汽車競賽的現(xiàn)狀及發(fā)展 智能汽車是一種高新技術(shù)密集型的新型汽車，是今后的主流汽車產(chǎn)品。結(jié)合傳感器技術(shù)和自動(dòng)駕駛技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)汽車的自適應(yīng)巡航并把車開得又快又穩(wěn)、安全可靠；汽車夜間行駛時(shí)，如果裝上紅外攝像頭，就能實(shí)現(xiàn)夜晚汽車的安全輔助駕駛；它也可以工作在倉庫、碼頭、工廠或危險(xiǎn)、有毒、有害的工作環(huán)境里，此外它還能擔(dān)當(dāng)起無人值守的巡邏監(jiān)視、物料的運(yùn)輸、消防滅火等任務(wù)。目前智能車輛技術(shù)在轎車和重型汽車上主要應(yīng)用于碰撞預(yù)警系統(tǒng)、防撞及輔助駕駛系統(tǒng)、智能速度適應(yīng)、自動(dòng)操作等，其在軍事上的應(yīng)用更加廣泛和重要。 智能汽車的設(shè)計(jì)和開發(fā)，將從根本上改變現(xiàn)有汽車的信息采集處理、數(shù)據(jù)交換、行車導(dǎo)航與定位、車輛控制的技術(shù)方案與體系結(jié)構(gòu)。 關(guān)鍵詞 ： MC9S12XS128， 激光 傳感器 ， 舵機(jī)模型 ， 路徑識別算法， PID 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 II 頁 Control system of smart car to identify the path based on laser sensors Author： Weng N