【正文】 ) e (k e c = k 12 (44) 式中 kl， k2 為 e 和 ec 的變換比例因子，設(shè) e 和 ec 的實(shí)際變化范圍分別為 [em， em]和 [ecm， ecm]，經(jīng)變換和量化后的模糊變量分別為 E 和 EC，根據(jù)車速的控制精度要求，將 E 和 EC 的論域定義為： E,EC={6,5,4,3,2,1,0,l,2,3,4,5,6} 其模糊子集為： E,EC={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB} 上式子集中元素分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。 電源控制環(huán)節(jié)Du/dtPID控制器參數(shù)校正KPKiKd控制對象U ecry 圖 模糊 PID 控制結(jié)構(gòu)圖 ①輸入輸出變量的確定及模糊化 模糊控制器的輸入變量為速度的偏差 e 及其偏差變化率 ec，輸出變量為 PID 控制校正參數(shù) ΔKp、 ΔKi、 ΔKd。 速度控制算法 由上面對 PID 控制算法和模糊控制算法特點(diǎn)的介紹可以看出， PID 控制算法簡單、容易計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，但其參數(shù)的準(zhǔn)確整定困難，而模糊控制算法剛好彌補(bǔ)了這一缺陷，因而我們選取模糊 PID 作為智能車速度和轉(zhuǎn)向的控制算法。更加具有使用性。 模糊控制有以下的特點(diǎn)： 1. 盡管模糊控制的算法是運(yùn)用模糊集理論來進(jìn)行的的計(jì)算方法，但是最終得到的控制數(shù)據(jù)時(shí)確定的，定量的。 在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果 修改。 (41) ?????? ??????? ??? )2( 211 iiidiiii eeeTTeTTeeKu 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 [6] ① PID 控制介紹 PID 控制算法是根據(jù)偏差的值，按照一定的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，用所得的運(yùn)算結(jié)果對系統(tǒng)進(jìn)行控制。 圖 跑道的 4種情況 要實(shí)現(xiàn)在最短的時(shí)間能實(shí)現(xiàn)對智能小車的控制，并完成所要達(dá)到的任務(wù)，那么這就要求我們在直道上要用全速的狀態(tài)來行駛，同時(shí)在“ S”道轉(zhuǎn)向不 大的情況下要盡量做到直道行駛的速度來行駛，最后在進(jìn)入彎道時(shí)要合理的減速，既不能太大也不能過小，以使得在彎道上能夠及時(shí)的轉(zhuǎn)向，在彎道中和出彎的時(shí)候要及時(shí)的提高小車的速度，以使得在小車在進(jìn)入直道時(shí)候就能夠很快達(dá)到最高速度。 圖 H 橋內(nèi)部電路 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 13 4 智能車系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 控制算法的簡要介紹 智能小車的控制，實(shí)際上就是對智能車的運(yùn)行車速和運(yùn)行方向的控制，本課題通過對各種算法的 比較，最終采用了比較適合的算法 —— PID 控制， PID 控制是一種新型的算法，這種算法來源于模糊數(shù)學(xué)模型，模糊推理的控制就是利用了這種算法來實(shí)現(xiàn)對圖像的合理處理的。其 實(shí)就是把波形作用于電機(jī)驅(qū)動的使用端， PWM 控制是一種在控制領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的控制方式，通過對波形或者說是脈沖的占空比加以控制，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的控制，靈活應(yīng)用合理分配是 PWM 波的一種很強(qiáng)的優(yōu)勢，因此對于電機(jī)運(yùn)行的速度，我們可以通過對 PWM波的占空比來實(shí)現(xiàn)對脈沖頻率的控制，來達(dá)到轉(zhuǎn)速的合理控制。圖 為電源模塊。圖 為電機(jī)驅(qū)動模塊。主要特點(diǎn)是：高的工作電壓最大可達(dá) 46V；比較大的輸出電流，具有 3A 瞬間峰值電流，實(shí)驗(yàn)報(bào)告檢測其持續(xù)工作電流可達(dá) 2A，具有 25W 額定功率。 L298 是 ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。 L298 作為小車電機(jī)驅(qū)動芯片，驅(qū)動能力很強(qiáng)，廣泛被智能小車控制作用，硬件簡單，操作性極強(qiáng)，而且價(jià)格也適合，非常適合初學(xué)者來 應(yīng)用，在該課題中，小車的驅(qū)動主要依靠該模塊來實(shí)現(xiàn)，攝像頭采集的信息通過 CPU 的處理，從而調(diào)節(jié)小車的運(yùn)行情況，是該課題的主要模塊。 電 源 模 塊電 機(jī) 模 塊C O R TE X —— M 3攝 像頭 模速 度控 制 圖 方案框圖 電路設(shè)計(jì)與原理 直流電機(jī)應(yīng)用 L298 為雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動芯片，內(nèi)含 4 信道邏輯驅(qū)動電路，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL邏輯信號，可驅(qū)動 46V、 2A 以下的步進(jìn)電機(jī)，且可直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓。圖 為系統(tǒng)硬件整體框圖。眾所周知，一個(gè)系統(tǒng)的硬件是一個(gè)系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)智能車硬件的總體架構(gòu)時(shí)，該系統(tǒng)充分考慮了這方面的因素，使該系統(tǒng)能夠很好的運(yùn) 行，使小車的行駛速度更快更穩(wěn)定。 綜合以上分 析，為了更好的獲得路況信息和取得大的前瞻，本設(shè)計(jì)選擇方案三，并對其進(jìn)行可改進(jìn)。但是面陣 CMOS 攝像頭的延時(shí)比較大（ 20ms），因此對信息的采集和處理有一定的約束。這樣不僅可以識別道路的中心位置，同時(shí)還可以得到跑道的方向，跑道的曲率等信息。 圖 CMOS 攝像頭小車 方案三：基于面陣 CMOS 傳感器的控制 基于黑白面陣 CMOS 攝像頭傳感器的路徑檢測方法具有以上 兩種方案的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)面陣 CMOS 攝像頭輸出的復(fù)合視頻信號，采集到的信息將是前方整個(gè)一副圖像。這樣不僅能夠克服傳統(tǒng)光電傳感器的缺點(diǎn)，又能夠精確的感知黑色引導(dǎo)線的位置，為智能車的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。而且這樣還可以提高轉(zhuǎn)彎的最高速度。為了獲得遠(yuǎn)方的信息需要將傳感器伸的盡可能遠(yuǎn)，從而增加了車體高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)動慣量，限制了智能車的最高速度。 基于反射式紅外傳感器的光電傳感器陣列的路徑檢測方法具有較高的可靠性與穩(wěn)定性，信息更新速度快且易于單片機(jī)處理。這樣就能夠在一定程度上避免由外部光線引起的路線識別不正確的問題。 下面的圖 為 8 路紅外發(fā)射管方案，圖 為 3 路紅外發(fā)射管方案。 [3] 下圖 和 是兩種典型的光電循跡的方案，圖 中模型車采用了 8 對光電傳感器分布得比較寬；圖 中模型車只采用了 3 對光電傳感器，放置在向外伸出的小電路板 上，探測的范圍比較小。但一般的認(rèn)識是：在不受外部因素影響的情況下、能夠感知前方的距離越遠(yuǎn)，行駛的效率越高。用于提供小車行駛的動力，速度快，靈敏度高，使之滿足題目要求。 我們選擇直流電機(jī)，利用 L298 集成芯片組成驅(qū)動電路可產(chǎn)生 PWM 脈沖。步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的器件，其精度高，效率高，可靠性高，另外，步進(jìn)電機(jī)只有周期誤差而無積累誤差，可以精確的控制轉(zhuǎn)動的角度和位移。缺點(diǎn)： 不易于精確調(diào)節(jié)和準(zhǔn)確定位。 電機(jī)選擇與驅(qū)動模塊的介紹 方案一，使用直流電機(jī)。另外小車車體中加載 9V 可充電電池（環(huán)保且可持續(xù)利用），通過穩(wěn)壓模塊穩(wěn)定為 5V和 ，分別給小車驅(qū)動和 M3 處理器等模塊供電。功耗和靈敏度明顯優(yōu)于方案二。 方案三，使用圓形車體。小車功耗較低，運(yùn)動靈活，車速較快。缺點(diǎn)：功耗大，靈敏度低。 車身車體的介紹 方案一，使用坦克式小車。 ARM 雖然在性能上優(yōu)于另外兩個(gè)方案，但其價(jià)格高。但小車 實(shí)時(shí)處理要求高，處理速度應(yīng)盡量快。 方案三，采用 ARM7， ARM7 底層驅(qū)動很復(fù)雜，平時(shí)用的也不是很多。這款單片機(jī) 采用了 TailChaining 中斷技術(shù)，完全基于硬件進(jìn)行中斷處理，最多可減少 12 個(gè)時(shí)鐘周期數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中可減少 70%中斷。 51 單片機(jī)價(jià)格便 宜，應(yīng)用廣泛，但是功能單一，但其運(yùn)算速度低， RAM、 ROM 空間小，如果系統(tǒng)需要增加語音播報(bào)功能，還需外接語音芯片，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜；另外 51 單片機(jī)需要仿真器來實(shí)現(xiàn)軟硬件調(diào)試，較為煩瑣。圖 為像素?cái)?shù)據(jù)輸出時(shí)序圖，圖 為幀與行有效信號時(shí)序圖。根據(jù) OV7670 的輸出信號時(shí)序就能正確地采集整幀圖像。 OV7670 的數(shù)字圖像輸出 OV7670 的輸出信號時(shí)序 像素?cái)?shù)據(jù)輸出時(shí)序和幀與行有效信號時(shí)序分別如圖 和圖 所示。 4. 支持 VGA， GIF，和 CIF 到 40x30 的各種尺寸。 2. 很低的電壓適合嵌入式的應(yīng)用。 OV7670 模塊 ， 帶 AL422 FIFO，超寬工作電壓 ,帶 24MHZ 有源晶振 ， 帶 380KB 大容量的 FIFO AL422B，非常適合慢速 MCU 直接通過 I/O 采集圖象數(shù)據(jù) ， 帶 OV7670 必須的穩(wěn)壓 LDO， 超寬單工作電源 ~5V， I/O 直接連接無須電平轉(zhuǎn)換，工作溫度 0~50 度 ，鏡頭為全玻璃鏡片 ，鏡頭焦距 毫米 650nm 波段 。 OV7670 的性能特點(diǎn)與工作方式 OV7670 的性能和參數(shù) OV7670 是一款采用 24 腳封裝的芯片， 30 萬像素 CMOS VGA 圖像處理傳感器。 （ 3）光譜響應(yīng) 光譜響應(yīng)受半導(dǎo)體材料限制，同種硅材料的光譜響應(yīng)基本一致，與 CCD 的光譜響應(yīng)基本一致。（并非所有 CMOS 傳感器都具有這個(gè)功能，如果生產(chǎn)廠家沒有給您提供）這個(gè)特性在跟蹤、尋的、搜索及室外拍照等的應(yīng)用前景非常之好。結(jié)果與CCD 相機(jī)一樣損失了光電轉(zhuǎn)換的 線性，正因?yàn)榇隧?xiàng)，它也受限于灰度的測量。 CMOS 圖像 傳感器 的特點(diǎn) CMOS 圖像傳感器的特性 （ 1）光照特性 CMOS 圖像傳感器的主要應(yīng)用也是圖像的采集，也要求能夠適應(yīng)更寬的光照范圍。轉(zhuǎn)速受旋轉(zhuǎn)體機(jī)械強(qiáng)度的限制，氣隙磁通密度則受 鐵磁飽和限制，都不能過高。實(shí)用上應(yīng)盡可能加多并聯(lián)電刷的數(shù)目 ,采用接觸電壓降小的銅 石墨電刷，或用導(dǎo)電和導(dǎo)熱更好的液態(tài)金屬，如水銀或鈉鉀合金等做電刷。電壓只有幾伏或十幾伏，而電流可達(dá)幾百安，幾千安，甚至上萬安。此電動勢由電刷從電樞兩端引出。當(dāng)兩個(gè)環(huán)形勵磁線圈 通直流電時(shí)，電機(jī)氣隙的整個(gè)圓周上將產(chǎn)生單一極性的磁場。它是一種低壓大電流無換向器的直流電機(jī)。 該實(shí)驗(yàn)課題，我用的是單級直流電機(jī)。 關(guān)于直流電機(jī)的簡要介紹 直流電機(jī)里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生洛倫磁力，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場平行時(shí)，再繼續(xù)轉(zhuǎn) ， 受到的磁場方向?qū)⒏淖儯?因此此時(shí)轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的洛倫磁力方向不變，所以電機(jī)能保持一個(gè)方向轉(zhuǎn)動 。 還有就是電源管理部分，對于該智能小車中的不同的模塊，需要不同級別的電壓情況，需要采取一些措施來合理的分配電源的電壓，供給不同的應(yīng)用模塊，是小車正常的行駛。 再次，該智能小車需要一個(gè)穩(wěn)定的電量來源，給行駛的小車一個(gè)可靠的能量儲備，來驅(qū)動小車電機(jī)模塊和該智能小車的控制器等模塊的 能量利用。 首先要實(shí)現(xiàn)對路面信息采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測，并且要達(dá)到一定的抗干擾能力，從而給控制器 STM32 提供一個(gè)很好的決策依據(jù)。 智能車首先將路面上的白紙黑線信息進(jìn)行檢測，再將該智能車的姿態(tài)信息一起送給控制器 STM32，控制器 STM32 將采集過來的路面黑線信息和智能小車的行駛信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理、分析、決策、最終分別得出對電機(jī)的控制量和對智能小車的控制量，并對驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向加以控制，另外，通過速度檢測單元，將電機(jī)轉(zhuǎn)速 (即智能車的速度 )及時(shí)的反饋給控制器 STM32，從而實(shí)現(xiàn)對智能小車的合理控制，即達(dá)到實(shí)時(shí)性也達(dá)到對精度的控制。 路 徑識 別M C U轉(zhuǎn) 向 控 制信 號 輸 出速 度 控 制信 號 輸 出舵機(jī)電機(jī)小車速 度 反 饋實(shí) 時(shí) 位 置 圖 系統(tǒng)模型框圖 該系統(tǒng)通過面陣 CMOS 攝像頭來實(shí)現(xiàn)路徑識別功能，將 CMOS 攝像頭采集過來的視頻信號二值化后送入微處理器進(jìn)行處理，根據(jù)路面信息來決定智能小車的行駛方向；而車速控制采用的是 PID 算法。同時(shí)也作為識別道路狀況的標(biāo)志、該論文的整體智能車可以看作是一個(gè)自動控制的系統(tǒng)。 本文所研究的智能車是一個(gè)比較好的智能模型，通過攝像頭循跡來獲得路面的信息，通過處理后從而來引導(dǎo)小車的運(yùn)行，達(dá)到一定的智能化。 [1] 現(xiàn)在的智能控制在很多工廠和車間都有很大的應(yīng)用舞臺；人性化，智能化是下一代智能控制的研究方向，目前，我國的研究廣度和深度還是不夠大，在很多領(lǐng)域幾乎是零，需要我們進(jìn)一步的加深對智能控制的研究，比如汽車電子控制，航天控制，輪船控制等等，在芯片性能上，國內(nèi)的研究和開發(fā)也是欠缺的，芯片的穩(wěn)定性在很大程度 上限制了很多領(lǐng)域的進(jìn)展，大多都是被國外壟斷，這些都是需要我們來面對和改進(jìn)的地方，也正是發(fā)展的重點(diǎn)。然而這種智能化原型車研發(fā)，其整個(gè)過程得益于一些交 叉學(xué)科的相關(guān)領(lǐng)域知識，如機(jī)器人技術(shù)、人工智能、自動控制、電子通訊、信號處理技術(shù)等，從中得到許多新觀點(diǎn)，新方法。 [關(guān)鍵詞 ]智能車；圖像處理；比例積分微分 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 2 [Abstract]Now more and more like safety, energy conservation, environmental protection, intelligence and information of vehicles in the new era of smart cars, unmanned technology, has been flying over the development, became the new logo of the smart car era. The smart car has gradually increased the level of control and the st