【正文】 ANWA SRM102型舵機(jī)，該舵機(jī)可以輸出力矩驅(qū)動(dòng)智能車轉(zhuǎn)向。例如：在時(shí)間周期內(nèi)累計(jì)個(gè)脈沖，輪子周長(zhǎng)為，則車速為。因?yàn)辇X輪齒輪2的齒數(shù)比為1：1，所以智能車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈即可以用360個(gè)脈沖表示。： 旋轉(zhuǎn)編碼器的安裝圖在旋轉(zhuǎn)編碼器的中軸上安裝有一直徑為4cm的齒輪1（齒數(shù)為76），其咬合在與后輪同軸的傳動(dòng)齒輪2（齒數(shù)為76）上。本系統(tǒng)將旋轉(zhuǎn)編碼器的A相輸出接一10k的上拉電阻到5V電源，保證其有效輸出。旋轉(zhuǎn)編碼器通過(guò)旋轉(zhuǎn)可以從輸出口獲得脈沖信號(hào)。 車速檢測(cè)模塊本系統(tǒng)車速檢測(cè)模塊采用韓國(guó)Autonics公司的E30S36032型旋轉(zhuǎn)編碼器作為車速檢測(cè)器件。參考本次比賽賽道說(shuō)明，系統(tǒng)中將十一個(gè)光電管的檢測(cè)范圍劃分成21個(gè)區(qū)間，所以本系統(tǒng)對(duì)路徑的識(shí)別共有22種電平狀態(tài)。因此“一”字形的排布以及這種安裝可以應(yīng)對(duì)靈活多變的跑道。整個(gè)路徑識(shí)別模塊電路板安裝在車頭的兩個(gè)金屬支架上，支架上相隔1cm的孔，、以應(yīng)對(duì)不同的賽道。且JY043具有聚光性（非漫反射型），因此選擇每個(gè)光電管的相互間隔為2cm，依次排開(kāi)。如圖所示，發(fā)射管1串接一100～200的電阻，向反射平面（跑道）發(fā)出紅外光，如果紅外光被黑色路徑吸收，則LM393比較器的2號(hào)腳將呈現(xiàn)底電平，通過(guò)與3號(hào)腳設(shè)定的參考電平比較，產(chǎn)生高電平輸出；相反則產(chǎn)生低電平輸出。 路徑識(shí)別模塊本系統(tǒng)的路徑識(shí)別模塊采用收發(fā)一體的紅外反射式光電傳感器JY043作為路徑的基本檢測(cè)元件。智能車系統(tǒng)中電源分配如下：①考慮到單片機(jī)系統(tǒng)的核心作用，主控制器模塊使用單獨(dú)的穩(wěn)壓電路進(jìn)行供電，從而保證控制核心的穩(wěn)定性；而系統(tǒng)中的路徑識(shí)別電路（）、車速檢測(cè)電路及直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制電路都采用另一相同的穩(wěn)壓電路供電（）；②鑒于是舵機(jī)是一個(gè)時(shí)滯性器件，在規(guī)則允許下，本隊(duì)將電源正極串接一個(gè)二極管后直接加在舵機(jī)上，這樣可以進(jìn)一步提升它的響應(yīng)速度；③電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33886的電源由電池直接供給，它的輸出將直接供給直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。： 穩(wěn)壓電路圖由于單片機(jī)需要5V電源才能工作，所以穩(wěn)壓電路采用7805集成穩(wěn)壓塊，該集成電路輸出電壓穩(wěn)定，加之直流供電，不需要復(fù)雜的濾波系統(tǒng)。 電源模塊為滿足智能車各部分正常工作的需要， 2000mAh Nicd蓄電池作為能量源。其配套的編程環(huán)境支持C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)以及C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言的混合程序設(shè)計(jì)，極大地方便了用戶的使用，提高了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率。飛思卡爾公司的16位微處理器MC9S12DG128主要特點(diǎn)就是功能高度的集中，并且易于擴(kuò)展。 硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)硬件部分由電源模塊、主控制器模塊、路徑識(shí)別模塊、車速檢測(cè)模塊、舵機(jī)控制模塊和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊組成。該系統(tǒng)速度給定根據(jù)路徑狀況分為三檔，分別為直道行駛速度給定值、進(jìn)彎速度給定值和彎道行駛速度給定值。而各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)與協(xié)作是通過(guò)單片機(jī)來(lái)完成的。PI控制器用于對(duì)車速的調(diào)節(jié)與控制，從而控制系統(tǒng)的加速與減速。 智能車系統(tǒng)整體效果圖智能車尋跡系統(tǒng)利用紅外反射式傳感器實(shí)現(xiàn)其路徑識(shí)別功能。模型車機(jī)械部分改造、其中包括舵機(jī)轉(zhuǎn)臂的加長(zhǎng)及舵機(jī)安裝、尋跡傳感器及車速傳感器的安裝、系統(tǒng)電路板的固定。技術(shù)報(bào)告共分為五個(gè)部分：第一章為引言；第二章是智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)，介紹智能車總體設(shè)計(jì)和軟、硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案；第三章是控制算法設(shè)計(jì)，詳述智能車軟件實(shí)現(xiàn)；第四章是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，闡述采用PI控制器控制的實(shí)驗(yàn)效果；第五章是總結(jié)。該系統(tǒng)以飛思卡爾公司的16位微處理器MC9S12DG128為控制核心，主要由電源模塊、核心控制模塊、路徑識(shí)別模塊、車速檢測(cè)模塊、舵機(jī)控制模塊和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊組成。文[10]介紹了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID速度控制器的實(shí)現(xiàn)方法。使用紅外反射式傳感器感知與地面顏色有較大反差的引導(dǎo)線，從而實(shí)現(xiàn)自主式尋跡。該智能車的設(shè)計(jì)思路是：首先，通過(guò)路徑識(shí)別傳感器采集路徑信息，經(jīng)Freescale MC9S12DG128單片機(jī)處理輸出控制信號(hào)控制舵機(jī)；同時(shí)通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)車速進(jìn)行采樣，送入單片機(jī)作為車速控制的參數(shù)；再通過(guò)PI控制算法完成車速與路徑識(shí)別傳感器的信息的相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)智能車快速尋跡的目的。第一屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技 術(shù) 報(bào) 告附件A 程序源代碼附件B 基于路徑識(shí)別的智能車舵機(jī)控制 學(xué) 校： 武漢科技大學(xué)隊(duì)伍名稱： 武科大首安二隊(duì)參賽隊(duì)員： 劉 宇 吳斌華 楊 明帶隊(duì)教師： 黃衛(wèi)華 I關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解第一屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽關(guān)保留、使用技術(shù)報(bào)告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會(huì)和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁(yè)上收錄并公開(kāi)參賽作品的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會(huì)出版論文集中。參賽隊(duì)員簽名：劉 宇 吳斌華 楊 明帶隊(duì)教師簽名： 黃衛(wèi)華 日 期： 目錄第一章 引言 1第二章 智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 總體設(shè)計(jì) 2 硬件設(shè)計(jì) 2 主控制器模塊 3 電源模塊 3 路徑識(shí)別模塊 4 車速檢測(cè)模塊 5 舵機(jī)控制模塊 7 直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊 9 軟件設(shè)計(jì) 10第三章 控制算法設(shè)計(jì) 12 路徑搜索算法 12 PI控制算法 13 強(qiáng)行加減速控制算法 14第四章 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 16第五章 結(jié)論 18參考文獻(xiàn) 19附錄A 程序源代碼 20附錄B 研究論文 29 第一章 引言根據(jù)第一屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽比賽規(guī)則的要求,本隊(duì)已經(jīng)完成了智能車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作、安裝和調(diào)試。文[4]介紹了一種利用紅外反射式傳感器實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)尋跡導(dǎo)航的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。文[6]重點(diǎn)討論了智能小車多傳感器數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)和融合算法，其中數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)采用混合式，融合算法采用貝葉斯推理法。本文所述智能車尋跡系統(tǒng)采用紅外反射式傳感器識(shí)別路徑上的黑線，通過(guò)加長(zhǎng)舵機(jī)轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向，使用傳統(tǒng)的PI控制器實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的速度控制。為了使智能車更加快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確地行駛，本系統(tǒng)將路徑識(shí)別，車速的快速檢測(cè)與響應(yīng)，舵機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正確控制緊密地結(jié)合在一起。15 第二章 智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)第二章 智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中，智能車總重量1100g，長(zhǎng)388mm，寬206mm，高104mm；功耗為8～10w，電容總量、傳感器個(gè)數(shù)、直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)個(gè)數(shù)、舵機(jī)個(gè)數(shù)都滿足組委會(huì)的要求。以上改裝及安裝均在組委會(huì)允許的規(guī)則范圍內(nèi)進(jìn)行。視覺(jué)系統(tǒng)反饋的信息經(jīng)處理后最終作用于加長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂的舵機(jī)，舵機(jī)將幫助智能車轉(zhuǎn)向。通過(guò)光電旋轉(zhuǎn)編碼器采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)速度，作為PI控制的參數(shù)。總體控制方案分為角度控制和速度控制。路徑識(shí)別系統(tǒng)可以判斷智能車處于直道狀態(tài)、進(jìn)彎狀態(tài)還是彎道狀態(tài)，從而告知智能車系統(tǒng)轉(zhuǎn)向，同時(shí)通過(guò)速度給定值與當(dāng)前反饋值的比較決定加速還是減速，并使用PI控制器迅速將車速調(diào)節(jié)至給定值。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 主控制器模塊本系統(tǒng)中，主控制器模塊采用主委會(huì)提供的MC9S12EVKX電路板。該單片機(jī)的運(yùn)算能力強(qiáng)，自由度大，軟件編程靈活。另外，該芯片還內(nèi)置在線仿真及編程接口，可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，這大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和調(diào)試的復(fù)雜度。通過(guò)外圍電路的整定，電源被分配給各個(gè)模塊。所以7805可以滿足系統(tǒng)要求。考慮到直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)壓電路要承受1～2A的電流，穩(wěn)壓芯片都加裝了散熱片，保障系統(tǒng)的供電。該器件對(duì)黑白反應(yīng)靈敏，幾乎不受自然光線影響，反饋的電信號(hào)穩(wěn)定，硬件電路簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)。 路徑檢測(cè)電路圖，11個(gè)JY043按“一”字形排列在20cm長(zhǎng)的電路板上。如此可能出現(xiàn)兩個(gè)光電管同時(shí)檢測(cè)到黑線，從而增加了光電管檢測(cè)區(qū)間，相應(yīng)地提高了識(shí)別精度。電路板安裝越靠前，則智能車的預(yù)瞄性能越強(qiáng)，檢測(cè)連續(xù)彎道的效果突出；越靠后安裝，智能車的直道穩(wěn)定性越好。 光電傳感器排布圖本系統(tǒng)的路徑識(shí)別電路是開(kāi)關(guān)量輸出，因此路徑信息可以通過(guò)簡(jiǎn)單電平分析得到。由此可以簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)，從而縮減路徑判斷的時(shí)間，進(jìn)而迅速控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向。該旋轉(zhuǎn)編碼器不僅硬件電路簡(jiǎn)單，而且信號(hào)采集速度快，360線的精度足以滿足PI控制算法調(diào)節(jié)的需要。 車速檢測(cè)模塊電路圖E30S36032型旋轉(zhuǎn)編碼器為NPN型集電極開(kāi)路輸出，所以它的輸出需要上拉一電阻到電源。旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖信號(hào)通過(guò)PT0口傳輸給MC9S12DG128單片機(jī)，單片機(jī)的8位輸入脈沖累加模式將對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行累加計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的數(shù)值可以反映車速。當(dāng)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪2和齒輪1將驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生脈沖。此時(shí)只需要測(cè)量一定時(shí)間周期內(nèi)累加器的數(shù)值就能準(zhǔn)確地計(jì)算出車速。由于程序設(shè)計(jì)中定時(shí)器周期是人為設(shè)定地，因此為了減少程序運(yùn)算量，本系統(tǒng)直接用累加值來(lái)表示車速。其中控制信號(hào)線與MC9S12DG128的PWM1相連。但主辦方提供的舵機(jī)響應(yīng)速度有限，尤其是在尋跡連續(xù)S型緩彎時(shí)舵機(jī)響應(yīng)有滯后。 舵機(jī)轉(zhuǎn)臂加長(zhǎng)結(jié)構(gòu)分析圖(2)。當(dāng)舵機(jī)所需轉(zhuǎn)動(dòng)幅度一定時(shí)，長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂要比短轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械角要小，即響應(yīng)更快。因此對(duì)于相同的角速度，可得轉(zhuǎn)臂響應(yīng)時(shí)間。對(duì)于加長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂后的舵機(jī)的控制方法可以參看附錄B。 直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊本系統(tǒng)中，直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊由組委會(huì)提供的RS380SH型直流電機(jī)、功率驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003及電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33886及MC9S12DG128微處理器組成。功率驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003為單片高電流增益雙極型大功率高速集成電路，由7組達(dá)林頓晶體管陣列和相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)以及鉗位二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)7組大電流負(fù)載。 ULN2003驅(qū)動(dòng)單元。DD2為使能端，ININ2為PWM信號(hào)控制輸入端，OUTOUT2為MC33886輸出。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)給其以反向制動(dòng)力矩的降速效果肯定要優(yōu)于給占空比為零的PWM信號(hào)的效果。 直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)硬件控制電路圖MC33886的輸出OUTOUT2分別與RS380