【正文】 現(xiàn)差速。齒輪差速器利用齒輪之間的相互嚙合來(lái)實(shí)現(xiàn)差速，優(yōu)點(diǎn)是阻力很小，差速效果好。差 速 作用能使內(nèi)外車輪可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，并使兩輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度的平均值等于整驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度；限滑作用則可以在兩輪相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生阻力，限制兩輪速度差，防止其中一個(gè)輪子發(fā)生過(guò) 度打滑和空轉(zhuǎn)。差速器的性能對(duì)于賽車過(guò)彎時(shí)的表現(xiàn)有著非常重要的影響，因此，對(duì)于差速器的調(diào)整 也 是賽車機(jī)械調(diào)整的重要環(huán)節(jié)。 圖 前輪傾角安裝 后輪 差速 賽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)外兩側(cè)車輪會(huì)移動(dòng)不同的曲線距離，外側(cè)車輪移過(guò)的距離大于內(nèi)側(cè)車輪。外八字還可以使轉(zhuǎn)向時(shí)靠近彎道內(nèi)側(cè)的輪胎比靠近彎道外側(cè)的輪胎的轉(zhuǎn)向程度更大，則使內(nèi)輪胎比外輪胎的轉(zhuǎn)彎半徑小，有利與轉(zhuǎn)向。但由于拉桿的作用使車輪不可能向外滾開(kāi)，車輪會(huì)出現(xiàn)邊滾變向內(nèi)劃的現(xiàn)象，從而增加了輪胎的磨損。 前輪傾角的調(diào)整 前輪前束是前輪前端向內(nèi)傾斜的程度，當(dāng)兩輪的前端距離小后端距離大時(shí)為內(nèi)八字，前端距離 大后端距離小為外八字。 圖 攝像頭安 裝位置示意 關(guān)于攝像頭的高度與角度， 攝像頭看得太近或者太遠(yuǎn)都不是很好。 本次的舵機(jī)安裝方位與以往不同，舵機(jī)連桿面朝向車體前方，如下圖 和圖 所示。分析舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向的愿力可以發(fā)現(xiàn)，在相同舵機(jī)轉(zhuǎn)向的條件下，轉(zhuǎn)向連桿在舵機(jī)一端的連接點(diǎn)離舵機(jī)軸心距離越遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向變化越迅速，所以適當(dāng)?shù)募娱L(zhǎng)連桿就相當(dāng)于增大力臂長(zhǎng)度，能夠提高線速度。 表 B 車模參數(shù) 類別 參數(shù) 長(zhǎng) *寬 *高 （ mm 280*186*420 前輪距 （ mm 110 后輪距 （ mm） 98 車輪直徑 （ mm） 60 4 4 車模實(shí)物圖 所示。 第三章 智能 車機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 車模參數(shù) 根據(jù)比賽規(guī)則，此次比賽選用 B 型車模， 如圖 所示。這些因素會(huì)造成賽車運(yùn)行不穩(wěn)定。為了使得賽車能夠平穩(wěn)地沿著賽道運(yùn)行，需要控制車速，使賽車在急轉(zhuǎn)彎時(shí)速度不至過(guò)快而沖出賽道。 3 3 小車角度的控制采用開(kāi)環(huán)控制。小車在行駛過(guò)程中會(huì)遇到以下幾種情況： （ 1）當(dāng)小車由直道高速進(jìn)入彎道時(shí)，轉(zhuǎn)角方向和車速應(yīng)根據(jù)彎道的曲率迅速做出相應(yīng)的改變，原則是彎道曲率越大則方向變化角度越大，車速越低。 （ 公 式 2） 公 式 2中的 ek1 為上一時(shí)刻的 ek,經(jīng)過(guò)增量式 PID 算法，以及對(duì)其參數(shù)的反復(fù)調(diào)試，我們就可以得出 PWM 輸出信號(hào)，該信號(hào)可以控制后輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)調(diào)整小車行駛速度。 ek = speed_enactment – speed?；谝陨蠋c(diǎn) 考慮，本系統(tǒng)選擇了 PID控制算法來(lái)控制轉(zhuǎn)速。 車速的控制 由于 小車比賽的賽道是未知的，彎道的分布情況也不能確定，小車可能頻繁的進(jìn)出彎道， 且 不停的調(diào)整速度來(lái)適應(yīng)不同軌跡。 2 2 轉(zhuǎn)角的控制 調(diào)整舵機(jī)的原則是：小車處于直道，則擺正舵機(jī)。從彎道進(jìn)入直道時(shí)，小車的舵機(jī)要轉(zhuǎn)向至中間，速度應(yīng)該立即得到提升，直至以最大的速度行進(jìn)。比賽要求在不違反大賽規(guī)則的情況下以最短時(shí)間完成單圈賽道 競(jìng)速 。 三 個(gè) 系統(tǒng)相互合作，幫助小車跑的更快 更好 。 自主決策系統(tǒng)： 通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)決策控制。 環(huán)境感知系統(tǒng) ： 主要包括感知路面信息的傳感器和感知車體狀態(tài)的傳感器。 1 第八 屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生 智能汽車競(jìng)賽 技 術(shù) 報(bào) 告 基于 PID算法的 圖像 處理 智能車 控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 目 錄 第一章 引言 ................................................................ 1 第二章 系統(tǒng)控制策略 ........................................................ 1 智能車系統(tǒng)控制的特點(diǎn) ................................................ 1 轉(zhuǎn)角的控制 ................................................... 2 車速的控制 ................................................... 2 智能車系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì) …………………………………………………………………………………2 第三章 智能車機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ............................................. 3 ............................................................ 3 舵機(jī)的安裝 ......................................................... 4 攝像頭的安裝 ....................................................... 5 前輪傾角的調(diào)整 ..................................................... 5 后輪差速 …………………………………………………………………………………………………………….6 其他 ............................................................... 7 小結(jié) ............................................................... 7 第四章 智能車硬件電路設(shè)計(jì) .................................................. 8 單片機(jī)最小系統(tǒng) ..................................................... 8 電源管理 ........................................................... 9 圖像處理電路 ...................................................... 10 ....................................................... 12 撥碼開(kāi)關(guān)與按鍵 .................................................... 12 測(cè)速模塊 .......................................................... 12 2 起跑線檢測(cè) ........................................................ 13 第五章 軟件設(shè)計(jì) ........................................................... 14 ....................................................... 14 PID控制算法簡(jiǎn)介 ................................................... 15 ....................................................... 16 ....................................................... 16 第六章 總結(jié) ............................................................... 17 第七章 車模規(guī)格 ........................................................... 17 附錄 ………………………………………………………………………………………………………………………………….19 1 1 第一章 引言 智能汽車比賽關(guān)鍵就是能以較快的速度在符合組委會(huì)規(guī)定下完成比賽，由此我們把小車重要 控制 模塊分為三類：環(huán)境感知系統(tǒng)、自 主決策系統(tǒng)、操作執(zhí)行系統(tǒng)。這三個(gè)組成部分 相互聯(lián)系、相互制約，共同完成控制任務(wù)。我們選用 CCD攝像頭獲取賽道信息使用光電碼盤(pán)獲取 車 體當(dāng)前速度。 操作執(zhí)行系統(tǒng)：即硬件系統(tǒng)，主要 是相 關(guān) 驅(qū)動(dòng)電路。 比賽要求在組委會(huì)提供統(tǒng)一智能車競(jìng)賽車模下 選用飛思卡爾公司的 指定控制芯片，該車選用 32 位微處理器 MK60DN512VLQ10 為控制核心，應(yīng)用 BDM 在線調(diào)試，采用 IAR 軟件、無(wú)線串口、紅外遙控等作為調(diào)試工具進(jìn)行調(diào)試 ， 制作出一個(gè)能夠自主識(shí)別路線的智能車，它將在專門設(shè)計(jì)的跑道上自動(dòng)識(shí)別道路 來(lái) 行駛。 第二 章 系統(tǒng)控制策略 智能車系統(tǒng)控制的特點(diǎn) 為保證小車一直沿著 兩 根黑色的引導(dǎo)線快速行駛，我們對(duì) 小車的轉(zhuǎn)向和車速 特別關(guān)注， 即應(yīng)使小車在直道上以最快的速度行駛 ， 在進(jìn)入彎道的時(shí)刻適當(dāng)減速，且角度的轉(zhuǎn)向要適合彎道的曲率，確保小車平滑地轉(zhuǎn)彎，并在彎道中保持恒速 運(yùn)行 。為實(shí)現(xiàn)上述控制思想，我們采用不同的控制方法來(lái)控制小車的轉(zhuǎn)角和速度。小車處于彎道的曲率越大，則將舵 機(jī)的轉(zhuǎn)角擺的越大。所以，本系統(tǒng)需要對(duì)智能車的速度進(jìn)行 優(yōu)化 控制，使得 小車的速度能夠頻繁地變化，且能在很短的時(shí)間內(nèi)由當(dāng)前速度轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕霓D(zhuǎn)速。設(shè)計(jì)思路如下：小車后輪安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器可以在后輪旋轉(zhuǎn)一圈后產(chǎn)生 600個(gè)脈沖，所以，本系統(tǒng)通過(guò)每一段時(shí)間 （ dt） 讀入脈沖數(shù)間接測(cè)得轉(zhuǎn)速 （ speed） ，將 轉(zhuǎn)速（ speed） 與期望小車運(yùn)行 的速度 （ speed_enactment）比較，由以下公式求得速度偏差 （ ek） 與速度偏差率 （ dek） 。 （ 公式 1） dek = ek – ek1。 智能車系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)根據(jù)路徑識(shí)別單元和 車速檢測(cè)單元獲得的路徑和車速 當(dāng)前信息，控制轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)整智能車的行駛方向和速度 ，最終 目的是使智能車在直道行駛時(shí)方向迅速保持穩(wěn)定、不抖動(dòng)，同時(shí)速度迅速升到最大值并達(dá)到穩(wěn)定。 （ 2）小車還會(huì)遇到大小 S彎，回環(huán)彎等多種復(fù)雜的賽道，在判斷出前方賽道路況的基礎(chǔ)上，要根據(jù) 各種不同的路況對(duì)算法做出相應(yīng)的改變，以期能快速、平穩(wěn)地通過(guò)賽道。根據(jù)不同的檢測(cè)路徑，判斷出小車所在位置，按不同的區(qū)間給出不同的伺服電機(jī) PWM控制信號(hào)， 使 小車轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的角度。通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的平均電壓可以控制車速，但是如果 采用 開(kāi)環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，會(huì)受很多因素影響，例如電池電壓、電機(jī)傳動(dòng)摩擦力、道路摩擦力和前輪轉(zhuǎn)向角度等。通過(guò)速度檢測(cè)，對(duì)車模速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，即可消除上述各種因素的影響，使得車模運(yùn)行得更穩(wěn)定 。 圖 所用 B車模 圖形 車模各參數(shù)如表 所示。 圖 車模實(shí)物圖 舵機(jī)的安裝 舵機(jī)轉(zhuǎn)向是整個(gè)控制系統(tǒng)中延遲較大的一個(gè)環(huán)節(jié)，為了減小此時(shí)間常數(shù)，則需要改變舵機(jī)的安裝位置。但是舵機(jī)連桿也不能太長(zhǎng)，會(huì)燒壞舵機(jī)。 圖 舵機(jī)安裝示意圖（ 1） 5 5 圖 舵機(jī)安裝 示意圖（ 2） 攝像頭的安裝 鑒于本屆比賽與 往屆 規(guī)則的不同，要求攝像頭倒跑，而后輪處的底盤(pán)已經(jīng)提前決定放 置主控板，因此攝像頭固定的位置選擇靠近舵機(jī)，與舵機(jī)中心重合，見(jiàn) 圖 所示。太近了，就失去了攝像頭該有的前瞻性的特定；太遠(yuǎn)的話，干擾會(huì)比較大，經(jīng)一系列校準(zhǔn)與測(cè)試，最終確定了攝像頭的高度與角度。由于前輪外傾使輪子滾動(dòng)時(shí)類似 6 6 與圓錐滾動(dòng)，從而導(dǎo)致兩側(cè)車輪向外滾開(kāi)。前輪外八字與前輪外傾搭配，一方面可以抵消前輪外傾的負(fù)作用，另一方面由于賽車前進(jìn)時(shí)車輪由于慣性自然的向內(nèi)傾斜，外八字可以抵消其向內(nèi)傾斜的趨勢(shì)。 前輪傾角安裝示意如圖 所示。差速器的作用就是保證賽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)外驅(qū)動(dòng)輪能以不同的轉(zhuǎn)速作純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，避免發(fā)生車輪拖滑。 差速器的作用主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面 ： 一是差速 ， 二是限滑。差速器主要分兩種：齒輪差速器和滾珠差速器。缺點(diǎn)是體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。滾珠差速器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，適合于車模使用。滾珠差速器的差速效果與兩邊壓盤(pán)的夾緊力有關(guān)，如果壓緊力過(guò)大，那么滾珠之間的摩擦力就會(huì)隨著增大，相對(duì)滑動(dòng)困難，影響差速效果。因此，為保證良好的差速效果，在對(duì)差速器進(jìn)行調(diào)整的關(guān)鍵是要調(diào)節(jié)好壓盤(pán)和 7 7 滾珠之間的壓緊力。這樣賽車在入彎時(shí)既能靈活轉(zhuǎn)向，又能避免車輪側(cè)滑。所以經(jīng)常對(duì)差速器進(jìn)行潤(rùn)滑和清理是十分重要的。 其他 小車在行駛過(guò)程中難免出現(xiàn)意外沖出賽道，為了避免車體被撞壞，保護(hù)措施必不可少，一方面可以開(kāi)啟軟件識(shí)別保護(hù)，另一方面在車輪前一段距離加上防撞板或桿，材質(zhì)硬些比較好。編碼器的安裝如圖 所示。 第四章 智能車硬件電路設(shè)計(jì) 智能車控制系統(tǒng)電路由兩部分組成： MK60DN512 微控制器為核心的最小系統(tǒng)板和主板。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 整車以 MK60