【正文】 改變施加在其上的驅動電壓實現(xiàn)的。（2）通過電機速度控制，實現(xiàn)車模恒速運行和靜止。 車模速度控制車模運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經(jīng)由減速齒輪箱驅動，因此通過控制電機轉速可以實現(xiàn)對車輪的運動控制。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；kk2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力為F = mg sinθ ma ≈ mgθ mk1θ (21)式中，假設控制車輪加速度與偏角θ成正比，比例為k1?？刂频沽[底部車輪，使得它作加速運動。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， 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。 顯示出不同阻尼系數(shù)下，單擺的運動曲線?？諝獾淖枘崃εc單擺運行速度成正比，方向相反。這個力稱之為回復力，其大小為F = mg sinθ ≈ mgθ在此回復力作用下，單擺便進行周期運動。 所示。重力場中使用細線懸掛著重物經(jīng)過簡化便形成理想化的單擺模型。為了使得同學們能夠比較清楚理解其中的物理過程。 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。 通過反饋保持木棒的直立車模直立也是通過負反饋實現(xiàn)的。這兩個條件缺一不可，實際上就是控制中的負反饋機制。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。 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立進行控制，它們各自假設其它兩個控制都已經(jīng)達到穩(wěn)定。因此在速度、方向控制的時候，應該盡量平滑，以減少對于直立控制的干擾。在上述三個任務中保持車模直立是關鍵。圖 車模運動控制分解示意圖直流電機的力矩最終來自于電機驅動電壓產(chǎn)生的電流。以上三個任務都是通過控制車模兩個后輪驅動電機完成的。因此從控制角度來看，由控制車模兩個電機旋轉方向及速度實現(xiàn)對車模的控制。為了能夠方便找到解決問題的辦法，首先將復雜的問題分解成簡單的問題進行討論。（4）控制系統(tǒng)軟件的設計及實現(xiàn)，從單片機的功能入手完成系統(tǒng)各個模塊的設計，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）機械結構的調整與完成，對智能汽車車模進行了結構改造，完成了定位參數(shù)的優(yōu)化、車輛重心位置的調整、轉向舵機的力臂的改造以及齒輪傳動機構的調整等。車內的環(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，相當于駕駛員的眼睛；車載主控計算機和相應的路徑規(guī)劃軟件根據(jù)計算機視覺提供的道路信息、車前車輛情況以及自身的行駛狀態(tài)，決定是沿道路前進還是換道準備超車，相當于駕駛員的大腦；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，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，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，其總體技術性能和指標已經(jīng)達到世界先進水平。由于Kalmar工廠采用AGVS獲得了明顯的經(jīng)濟效益，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輸手段。智能車輛的研究始于20世紀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車輛系統(tǒng)（Automated Guided Vehicle System，AGVS）。智能車輛駕駛是一種通用性術語，指全部或部分完成一項或多項駕駛任務的綜合車輛技術。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、電子、電氣、計算機、機械等多個學科交叉的科技創(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。在智能小車運動的控制中,對小車的轉向和速度采用PID控制算法,控制表來對智能小車進行轉向和速度控制。本文著重闡述了道路信息的獲取,處理和識別過程,并設計出PID控制器，運用有效的控制算法對智能小車進行控制,使智能小車能準確快速地對道路進行跟蹤。安徽理工大學畢業(yè)設計本科畢業(yè)論文基于飛思卡爾16位單片機電磁型智能小車的設計BASED ON FREESCALE 16BITMICROCONTROLLER SMART CAR DESIGN學院（部）： 機械工程學院 專業(yè)班級： 機設0912 2013年 月 日基于飛思卡爾16位單片機電磁型智能小車的設計摘要 本文是以飛思卡爾智能車競賽為背景設計的一個智能小車運行系統(tǒng)。本系統(tǒng)是以飛思卡爾MC9S12XS128單片機為核心通過傳感器識別道路的智能車控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過光電傳感器獲取當前道路信息，通過有效的數(shù)字圖像處理算法對原始圖像進行處理，對主要的有用信息進行分析和提取。關鍵詞：單片機，智能小車，PID控制算法Based on Freescale 16bit microcontroller smart car designAbstractIt is based on freescale intelligence car petition as the background design of a smart car running system in this article. This system is based on freescale MC9S12XS128 singlechip microputer as the core through the sensors to identify road intelligent car control article focuses on the acquisition,processing and recognition of the target path Fuzzy controller using an effective controlling algorithm for intelligent vehicle control makes the smart car track the road fast and the CCD camera the system obtains the current road information and deal with the original image,the main useful analysis and information extraction through effective digital image processing to the motion rules of the intelligent vehicle,fuzzy control algorithm and fuzzy PID algorithm can be applied to control the steering and speed of the intelligent vehicle control rules can be generated according to the requirement of the path tracking,which is followed by the generation of the fuzzy control table,then the steering and motion speed of the intelligent vehicle can be regulated after querying the fuzzy control tableaccording to the path information which is already inquired.KEYWORDS：mcu, smart car , PID,目錄摘要（中文） I摘要（外文） II緒論 1 智能汽車賽事概況 1 課題研究現(xiàn)狀 1 本課題的研究內容 2智能車原理 3 直立行走任務分解 3 車模直立控制 4 車模速度控制 8 車模方向控制 10 道路電磁中心線的偏差檢測 10 電機差動控制 10 車模傾角測量 11 加速度傳感器 11 角速度傳感器陀螺儀 12智能車硬件設計與軟件設計 16 16 整體電路框圖 16 單片機最小系統(tǒng) 17 傾角傳感器電路 19 電機驅動電路 20 速度傳感器 21 電磁線檢測電路 22 24 軟件功能與框架 24 單片機資源配置 27 主要算法及其實現(xiàn) 28 程序調試與參數(shù)整定 36智能車機械設計 37 車模簡化改裝 37 傳感器安裝 38 38 39 40 注意事項 40結論 42附錄 程序代碼 43參考文獻 48致謝 49緒論 智能汽車賽事概況“飛思卡爾杯”全國大學生智能汽車競賽是由教育部高等學校自動化專業(yè)教學指導分委員會主辦，飛思卡爾半導體公司協(xié)辦的全國性的比賽；全國大學生智能汽車競賽是在統(tǒng)一汽車模型平臺上，使用飛思卡爾半導體公司的8位、16位微控制器作為核心控制模塊，通過增加道路傳感器、設計電機驅動電路、編寫相應軟件以及裝配模型車，制作一個能夠自主識別道路的模型汽車，按照規(guī)定路線行進，以完成時間最短者為優(yōu)勝。 課題研究現(xiàn)狀智能車輛作為智能交通系統(tǒng)的關鍵技術，是許多高新技術綜合集成的載體。智能車輛的一個基本特征是在一定道路條件下實現(xiàn)全部或者部分的自動駕駛功能。1974年，瑞典的Volvo Kalmar轎車裝配工廠與Schiinder－Digitron公司合作，研制出一種可裝載轎車車體的AGVS，并由多臺該種AGVS組成了汽車裝配線，從而取消了傳統(tǒng)應用的拖車及叉車等運輸工具。中國第一汽車集團公司和國防科技大學機電工程與自動化學院于2003年7月研制成功我國第一輛自主駕駛轎車。轎車自主駕駛的基本原理是仿人駕駛。 本課題的研究內容本課題的主要研究內容包括：（1）競賽用智能賽車系統(tǒng)的總體設計，圍繞智能賽車系統(tǒng)要求，從而確定了控制系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計方案。（3）控制系統(tǒng)的硬件設計與完成，從電源模塊設計開始，完成道路信息采集模塊、速度測量模塊、驅動控制模塊、故障診斷模塊及串口模塊等的設計。3智能車控制原理 直立行走任務分解電磁組比賽要求車模在直立的狀態(tài)下以兩個輪子著地沿著賽道進行比賽，相比四輪著地狀態(tài)，車?？刂迫蝿崭鼮閺碗s。為了分析方便，根據(jù)比賽規(guī)則，假設維持車模直立、運行的動力都來自于車模的兩個后車輪，后輪轉動由兩個直流電機驅動。車模運動控制任務可以分解成以下三個基本任務：（1） 控制車模直立：通過控制兩個電機正反向運動保持車模直立狀態(tài)；（2） 控制車模速度：通過控制兩個電機轉速速度實現(xiàn)車模行進控制；（3） 控制車模轉向：通過控制兩個電機之間的轉動差速實現(xiàn)車模轉向控制。可以假設車模的電機可以虛擬地被拆解成三個不同功能的驅動電機，它們同軸相連，分別控制車模的直立平衡、前進行走、左右轉向， 所示。因此只要電機處于線性狀態(tài)，上述拆解可以等效成三種不同控制目標的電壓疊加之后，施加在電機上。由于車模同時受到三種控制的影響，從車模直立控制的角度，其它兩個控制就成為它的干擾。 所示。比如速度控制時，假設車模已經(jīng)在直立控制下保持了直立穩(wěn)定，通過改變電機的電壓控制車模加速和減速。下面分別討論三個任務的實現(xiàn)原理。一般的人通過簡單練習就可以讓一個直木棒在手指尖上保持直立。通過手掌移動抵消木棒的傾斜角度和趨勢，從而保持木棒的直立。世界上還沒有任何一個天才雜技演員可以蒙著眼睛使得木棒在自己手指上直立，因為沒有了負反饋。但相對于上面的木棒直立相對簡單?？刂戚喿愚D動，抵消傾斜的趨勢便可以保持車體直立了。 圖 通過車輪運動控制保持車體直立那么車輪如何運行，才能夠最終保持車體垂直穩(wěn)定？為了回答這個問題，一般的做法需要建立車模的運動學和動力學數(shù)學模型，通過設計最優(yōu)控制來保證車模的穩(wěn)定。下面通過對比單擺模型來說明保持車模穩(wěn)定的控制規(guī)律。直立著的車?？梢钥闯煞胖迷诳梢宰笥乙苿悠脚_上的倒立著的單擺。圖 車?？梢院喕傻沽⒌膯螖[普通的單擺受力分析如圖 所示 普通單擺受力分析當物體離開垂直的平衡位置之后，便會受到重力與懸線的作用合力，驅動重物回復平衡位置。在空氣中運動的單擺，由于受到空氣的阻尼力，單擺最終會停止在垂直平衡位置。阻尼力越大，單擺越會盡快在垂直位置穩(wěn)定下來。 單擺在不同阻尼下的運動