【正文】 狀態(tài)顯示、上位機(jī)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定等。電池檢測電路圖如圖 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 23 圖 電磁檢測電路 按該電路制作電路如圖 圖 電機(jī)檢測電路板 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 24 智能車軟件設(shè)計 車模是否能夠正常高速穩(wěn)定運(yùn)行，需要通過軟件編寫和調(diào)試來完成。通過實驗驗證這個方法可以有效判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向并進(jìn)行速度控制。通過他的頻率測量得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速?？梢酝ㄟ^這個關(guān)系判斷電機(jī)是否正反轉(zhuǎn)。如果電機(jī)正轉(zhuǎn)，第二個脈沖落后 90176。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 22 圖 速度傳感器電路 由于光電管器件直接輸出數(shù)字脈沖信號，因此可以直接將這些脈沖信號連接到單片機(jī)的計數(shù)器端口。 圖 兩片 33886 組成的電機(jī)驅(qū)動電路 為了防止電機(jī)輸出電流對于電源的沖擊，在電路板的電源輸入（ ） 端口并聯(lián)了一個 1000 微法的電容。兩個電機(jī)總共需 4路 PWM 信號。如圖 。圖 33886芯片 組成電機(jī)驅(qū)動電路。實際的電路圖如圖 。放大倍數(shù)需要根據(jù)選取的傳感器輸出靈敏度設(shè)計。電路圖如圖 所示。 傾角傳感器電路 車模傾角傳感器電路主要是將陀螺儀信號進(jìn)行放大濾波。 （ 5） 串口監(jiān)控 UART 接口： a) RXD（ PIN1）； b) TXD（ PIN3）。 （ 3） 電機(jī) PWM 驅(qū)動接口 a) PWM03（ PIN23,24,28,29）：電機(jī)驅(qū)動。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 18 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 （ 1） 模擬量檢測接口 a) ANA0（ PIN12）：陀螺儀電壓； b) ANA1（ PIN11）：加速度計電壓； c) ANB0（ PIN5）：右側(cè)電感檢波電壓； d) ANB1（ PIN6）：左側(cè)電感檢波電壓。 主要外設(shè)包括 （ 1） PWM 6 通道； （ 2） AD 6 通道， 12bit； （ 3）定時器， 16bit， 4 通道； （ 4）外部串行接口： SCI， I2C， SPI； （ 5） IO 口：最多可以提供 26 路。 整體電路框圖如圖 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 17 圖 整體電路框圖 根據(jù)圖 ，控制電路劃分為如下子模塊： （ 1） 單片機(jī)最小系統(tǒng)：包括 DSC 處理器，程序下載調(diào)試接口等； （ 2） 電磁線檢測：包括兩路相同的電磁感應(yīng)信號放大與檢波電路； （ 3） 陀螺儀與加速度計：包括兩個姿態(tài)傳感器信號放大濾波電路； （ 4） 速度檢測：檢測電機(jī)光電碼盤脈沖頻率； （ 5） 電機(jī)驅(qū)動 ：驅(qū)動兩個電極運(yùn)行電路； （ 6） 電源：電源電壓轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓、濾波電路； （ 7） 設(shè)置與調(diào)試：顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、速度設(shè)定、程序下載與監(jiān)控。 （ 4） 通訊接口（備用） a) SCI（ UART）：一路，用于程序下載和調(diào)試接口； b) I2C：（備用）如果選擇飛思卡爾公司的數(shù)字加速度 計，可以通過 I2C 接口直接讀取加速度值。 （ 2） PWM 接口（ 4 路） a) 控制左右兩個電極雙方向運(yùn)行，需要四路 PWM 接口。 c) 加速度計：一路，測量加速度 Z 軸輸出電壓。 系統(tǒng)的輸入輸出包括： （ 1） AD 轉(zhuǎn)換接口（至少 4 路） a) 電磁監(jiān)測：左右兩路，用于測量左右兩個感應(yīng)線圈電壓。車模轉(zhuǎn)向控制是在車速控制基礎(chǔ)之上，調(diào)節(jié)兩個電機(jī)驅(qū)動電壓差使得電機(jī)運(yùn)行速度出現(xiàn)差動，進(jìn)而調(diào)整車模的方向。車模減速過程與此類似，由速度控制算法減少了電機(jī)的電壓，電機(jī)開始減速運(yùn)行。當(dāng)車模速度達(dá)到設(shè)定值，由車模速到控制算法使得電機(jī)進(jìn)入恒速運(yùn)行。 車模加速前進(jìn)時，由速度控制算法給出電機(jī)增加的正向電壓，電機(jī)開始逐步加速旋轉(zhuǎn)。速度 和方向控制的輸出量是直接疊加在電機(jī)控制電壓上。 車模的三種控制（直立、速度、方向）最終是將控制量疊加在一起作為電機(jī)輸出電壓控制量。 需要進(jìn)行如下控制環(huán)節(jié)，控制車模電機(jī)轉(zhuǎn)動： （ 1）車模直立控制：使用車模傾角的 PD（比例、微分）控制； （ 2）車模速度控制：使用 PI（比例、積分）控制； （ 3）車模方向控制：使用 P（比例）控制。此后，加速度計的輸出只是消除積分的偏移，輸出角度不會出現(xiàn)很大的偏差。 為了避免輸出角度 θ跟著 θg過長，可以采取以下兩個方面的措施： （ 1）仔細(xì)調(diào)整陀螺儀的放大電路，使得它的零點偏置盡量接近于設(shè)定值，并且穩(wěn)定。這樣，加速度的噪聲信號經(jīng)過比例、積分后，在輸出角度信息中就會非常小了。 加速度計所產(chǎn)生的角度信息 θg 中會疊加很強(qiáng)的有車模運(yùn)動加速度噪聲信號。從圖 ，對于加速度計給定的角度 θg，經(jīng)過比例、積分環(huán)節(jié)之后產(chǎn)生的角度 θ必然最終等于 θg 。 圖 角度積分漂移 對于積累誤差的消除，可以通過上面的加速度傳感器獲得的角度信息對此進(jìn)行校正，如圖 。如果角速度信號存在微小的偏差，經(jīng)過積分運(yùn)算之后，變化形成積累誤差。因此車?？刂扑枰慕嵌群徒撬俣瓤梢允褂猛勇輧x所得到的信號。因此該信號中噪聲很小。如圖 。當(dāng)旋轉(zhuǎn)器件時會改變振動頻率從而反映出物體旋轉(zhuǎn)的角速度。選用 EN03 系列的加速度傳感器。因此對于車模直立控制所需要的傾角信息需要通過另外一種器件獲得，那就是角速度傳感器 陀螺儀。 圖 車模運(yùn)動引起加速度計信號波動 車模運(yùn)動產(chǎn)生的振動加速度使得輸出電壓在實際傾角電壓附近波動，可以通過數(shù)據(jù)平滑濾波將其濾除。 只需要加速度就可以獲得車模的傾角，再對此信號進(jìn)行微分便可以獲得傾角加速度。變化的規(guī)律為 Δ u = kg sinθ 式中， g為重力加速度； θ 為車模傾角； k為比例系數(shù)。車模直立時，固定加速度器在 Z 軸水平方向，此時輸出信號為零偏電壓信號。 圖 三軸加速度傳感器 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 12 通過設(shè)置可以使得 MMA7260 最大輸出靈敏度為 800mV/g。通過集成的開關(guān)電容放大電路量測電容參數(shù)的變化，形成了與加速度成正比的電壓輸出。它與相鄰的電極形成了兩個電容。該系列的傳感器采用了半導(dǎo)體表面微機(jī)械加工和集成電路技術(shù)，傳感器體積小，重量輕。 加速度傳感器 加速度傳感器可以測量由地球引力作用或者物體運(yùn)動所產(chǎn)生的加速度。因此車模傾角以及傾角加速度的測量成為控制車模直立的關(guān)鍵。因此車模差動控制一般只需要進(jìn)行簡單的比例控制就可以完成車模方向控制。如圖 所示。線圈一般采用 10mH 的工字型電感。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 10 圖 電機(jī) PI 反饋控制 電機(jī)速度控制采用了 PI 調(diào)節(jié)器，具體實現(xiàn)可以通過單片機(jī)軟件編程實現(xiàn)。 圖 電機(jī)速度監(jiān)測 利用控制單片機(jī)的計數(shù)器測量在固定時間間隔內(nèi)速度脈沖信號的個數(shù)可以測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)速度控制需要測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度可以通過安裝在電機(jī)輸出軸上的光電編碼盤方便獲得。 車模運(yùn)行速度調(diào)整時間相對很長，此時，電機(jī)速度與施加在其上的電壓成正比。 調(diào)整車模直立時間常數(shù)很小，此時電機(jī)基本上運(yùn)行在加速階段。 圖 電機(jī)在不同電壓下的速度 由圖 可以看出，電機(jī)運(yùn)動明顯分為兩個階段：第一個階段是加速階段；第二個階段為恒速階段。施加在電機(jī)上一個階躍電壓 Eu(t),電機(jī)的速度變化曲線為 ω (t)=Ekm(1et/T1)u(t) (24) 式中， E為電壓； u(t)為單位階躍函數(shù)； T1為慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)； km為電機(jī)轉(zhuǎn)速常數(shù)。 電機(jī)運(yùn)動控制是通過改變施加在其上的驅(qū)動電壓實現(xiàn)的。 （ 2）通過電機(jī)速度控制，實現(xiàn)車模恒速運(yùn)行和靜止。 車模速度控制 車模運(yùn)行速度是通過控制車輪速度實現(xiàn)的，車輪通過車模兩個后輪電機(jī)經(jīng)由減速齒輪箱驅(qū)動，因此通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)對車輪的運(yùn)動控制。其中， k1決定了車模是否能夠穩(wěn)定到垂直位置，它必須大于重力加速度； k2 決定了車?；氐酱怪蔽恢玫淖枘嵯禂?shù)，選取合適的阻尼系數(shù)可以保證車模盡快穩(wěn)定在垂直位置。因此，可得控制車輪加速度的控制 算法 a=k1θ +k2θ’ (23) 式中， θ 為車模傾角； θ’為角速度； k k2均為比例系數(shù)；兩項相加后作為車輪加速度的控制量。 此外，為了使得倒立擺能夠盡快地在垂直位置穩(wěn)定下來，還需要增加阻尼力，與偏角的速度成正比，方向相反。這樣倒立擺所受到的回復(fù)力為 F = mg sinθ ma ≈ mgθ mk1θ (21) 式中，假設(shè)控制車輪加速度與偏角 θ成正比，比例為 k1。 控制倒立擺底部車輪，使得它作加速運(yùn)動。 如何通過控制使得倒立擺能夠像單擺一樣，穩(wěn)定在垂直位置呢？要達(dá)到這一目的，只有兩個辦法：一個是改變重力的方向；另一個是增加額外的受力，使得恢復(fù)力與位移方向相反才行。 為什么倒立擺在垂直位置時，在受到外部擾動的情況下，無法保持穩(wěn)定呢？分析倒立擺的受力，如圖 所示。阻尼力過?。ㄇ纷枘幔沟脝螖[產(chǎn)生震蕩，阻尼力過大（過阻尼）會使得單擺到達(dá)平衡位置時間拉長。 如果沒有阻尼力，單擺會在垂直位置左右擺動。圖 顯示出不同阻尼系數(shù)下，單擺的運(yùn)動曲線?？諝獾淖枘崃εc單擺運(yùn)行速度成正比，方向相反。這個力稱之為回復(fù)力，其大小為 F = mg sinθ ≈ mgθ 在此回復(fù)力作用下，單擺便進(jìn)行周期運(yùn)動。如圖 所示。 重力場中使用細(xì)線懸掛著重物經(jīng)過簡化便形成理想化的單擺模型。為了使得同學(xué)們能夠比較清楚理解其中的物理過程。如圖 所示。因為車模有兩個輪子著地，因此車體只會在輪子滾動的方向上發(fā)生傾斜。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 圖 通過反饋保持木棒的直立 車模直立也是通過負(fù)反饋實現(xiàn)的。這兩個條件缺一不可，實際上就是控制中的負(fù)反饋機(jī)制，參見圖 。這需要兩個條件：一個是托著木棒的手掌可以移動；另一個是眼睛可以 觀察到木棒的傾斜角度和傾斜趨勢（角加速度）。 車模直立控制 控制車模直立的直觀經(jīng)驗來自于雜技表演。車模在加速和減速的時候，直立控制一直在起作用，它會自動改變車 模的傾角，移動車模的重心，使得車模實現(xiàn)加速和減速。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 4 圖 三層控制之間相互配合，底層盡量減 少多上層的干擾 上述三個控制各自獨(dú)立進(jìn)行控制，它們各自假設(shè)其它兩個控制都已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定。因此在速度、方向控制的時候，應(yīng)該盡量平滑，以減少對于直立控制的干擾。 在上述三個任務(wù)中保持車模直立是關(guān)鍵。 圖 車模運(yùn)動控制分解示意圖 直流電機(jī)的力矩最終來自于電機(jī)驅(qū)動電壓產(chǎn)生的電流。 以上三個任務(wù)都是通過控制車模兩個后輪驅(qū)動電機(jī)完成的。因此從控制角度來看，由控制車模兩個電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向及速度實現(xiàn)對車模的控制。為了能夠方便找到解決問題的辦法，首先將復(fù)雜的問題分解成簡單的問題進(jìn)行討論。 （ 4）控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計及實現(xiàn)，從單片機(jī)的功能入手完成系統(tǒng)各個模塊的設(shè)計，根據(jù)所選用的硬件，完成賽車信息的算法和車體的控制算法。 （ 2）機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整與完成，對智能汽車車模進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造，完成了定位參數(shù)的優(yōu)化、車輛重心位置的調(diào)整、轉(zhuǎn)向舵機(jī)的力臂的改造以及齒輪傳動機(jī)構(gòu)的調(diào)整等。車內(nèi)的環(huán)境識別系統(tǒng)識別出道路狀況，測量前方車輛的距離和相對速度，相當(dāng)于駕駛員的眼睛；車載主控計算機(jī)和相應(yīng)的路徑規(guī)劃軟件根據(jù)計算機(jī)視覺提供的道路信息、車前車輛情況以及自身的安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 行駛狀態(tài)，決定是沿道路前進(jìn)還是換道準(zhǔn)備超車，相當(dāng)于駕駛員的大腦；接著，自動駕駛控制軟件按 照需要跟蹤的路徑和汽車行駛動力學(xué)，向方向盤控制器、油門控制器和剎車控制器發(fā)出動作指令，操縱汽車按規(guī)劃好的路徑前進(jìn)，起到駕駛員的手和腳的作用。該自主駕駛轎車在正常交通情況下，在高速公路上行駛的最高穩(wěn)定速度為 130 公里 /小時，最高峰值速度為 170 公里 /小時，并且具有超車功能，其總體技術(shù)性能和指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。 由于 Kalmar 工廠采用 AGVS 獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，許多西歐國家紛紛效仿 Volvo 公司，并逐步使 AGVS 在裝配作業(yè)中成為一種流行的運(yùn)輸手段。 智能車輛的研究始于 20 世紀(jì) 50 年代初，美國 Barrett Electronics 公司開發(fā)出的世界上第一臺自動 引導(dǎo)車輛系統(tǒng)（ Automated Guided Vehicle System， AGVS）。智能車輛駕駛是一種通用性術(shù)語，指全部或部分完成一項或多項駕駛?cè)蝿?wù)的綜合車輛技術(shù)。 與以往的專業(yè)競賽不同，智能汽車競賽是以快速發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳 感技術(shù)、電子、電氣、計算機(jī)、機(jī)械等多個學(xué)科交叉的科技創(chuàng)新比賽，己經(jīng)成為各高校展示科研成果和學(xué)生實踐能力的重要途徑，同時也為社會選拔優(yōu)秀的創(chuàng)新人才提供了重要平臺。在智能小車運(yùn)動的控制中 ,對小車的轉(zhuǎn)向和速度采用 PID 控制算法 ,控制表來對智能小車進(jìn)行轉(zhuǎn)向和速度控制。本文 著重闡述了道路信息的獲取 ,處理和識別過程 ,并設(shè)計出 PID 控制器，運(yùn)用有效的控制算法對智