【正文】 8/3048FONE, system uses infrared white line detection sensor circuit. Intelligent vehicle movement through the model and analysis, the use of photoelectric sensor array discrete collection of path information, control processor with digital PID control strategy and PWM control techniques to model the rate and direction of vehicle control. On the steering gear and the drive motor, respectively, a PID control algorithm and indirect PID control algorithm so as to avoid the smart car and speed towards the steptype changes in regulation to eliminate the overshoot and oscillation, reaching results similar to continuous control. Studies have shown that this design can be black and white (or color difference greater) on a good track tracing the effect of autonomy. The technology can be widely used in unmanned aerial vehicles, unmanned factories, warehouses, service robots and other fields. KEY WORDS smart cars。 photoelectric sensor。 PID control 目錄 1. 前言 ???????????????????????????? 4 2. 系統(tǒng)構成與設計安裝 ????????????????????? 5 總體構成 ? ??????????????????????? 5 主控制模塊 ? ???????????????????? 6 電源管理模塊 ? ??????????????????? 6 路徑識別模塊 ? ??????????????????? 6 轉向舵機模塊 ? ??????????????????? 7 電機驅動模塊 ? ??????????????????? 8 車速檢測模塊 ? ??????????????????? 9 3. 控制策略設計 ???????????????????????? 9 方向控制方案的設計 ??????????????????? 10 方向計算算法 ? ??????????????????? 10 方向控制算法 ??????? ????????????? 10 速度控制方案的設計 ??????????????????? 12 賽道分析 ? ????????????????????? 12 行駛策略 ?????????????????????? 12 速度給定算法 ???????????????????? 13 速度閉環(huán) ?????????????????????? 14 4. 軟件算法設計 ? ?????????????????????? 14 智能車的數(shù)學模型及其控制算法的實現(xiàn)目標 ????????? 14 關于 PID ? ????????????????????? 14 參數(shù)的選擇 ????????????????????? 14 名詞解釋 ?????????????????????? 14 參數(shù)的 作用 ????????????????????? 15 具體應用中的數(shù)值量化處理 ???????????????? 16 參數(shù)的設定與調整 ???????????????????? 17 流程圖 ????????????????????????? 18 具體代碼 ???????????????????????? 18 主程序 ? ?????????????????????? 19 PWM ???????????????????????? 23 PID ?????? ?????????????????? 24 PID 控制器的參數(shù)調整 ??????????????????? 27 5. 結論 ????????????????????????????? 28 致謝 ?? ????????????????????????????? 28 參考文獻 ????????????????????????????? 29 言 眾所周知， 近年來 ， 機器人的發(fā)展遍及機械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領域，機器人的智能水平不斷提高。 安全、節(jié)能、環(huán)保以及智能化和信息化是未來汽車的發(fā)展趨勢。智能汽車作為一種智能化的交通工具，體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動控制、計算機等多個學科領域理論技術的交叉和綜合，是現(xiàn)今汽車領域研究的重點方向之一。 本文所述為一種基于瑞薩 H8/3048FONE 單片機的智能尋跡模型車的設計與實現(xiàn)，其核心控制單元為瑞薩公司 H8 系列 8 位單片機 H8/3048FONE，系統(tǒng)采用紅外傳感器檢測 黑底 賽道 上的 白線。 對舵機和驅動電機分別采用了 PID 控制算法和 間接 的 PID 控制算法，從而避免了智能車轉向及車速調節(jié)的階躍式變化，消除了超調及振蕩現(xiàn)象，達到了近似連續(xù)的控制效果。 本文所述的智能車控制系統(tǒng)可 以分為兩個大的子控制系統(tǒng)，它們分別是方向控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)。為保證智能車在行駛的過程中具有良好的操縱穩(wěn)定性和平順性，本文對智能車運動系統(tǒng)進行了建模與分析，針對賽道特點對智能車的方向控制和速度控制提出了較為理想的解決方案。最終的目的是使智能車能快速、穩(wěn)定地按給定的 白色 引導線行駛。 圖 賽道 圖 賽道由曲線彎道、上坡和直角彎道構成 總體構成 智能尋跡模型車的硬件部分以日本瑞薩公司 8 位單片機 H8/3048FONE 為核心控制器，主要包括主控制、電源管理、路徑識別、轉向舵機、電機驅動、車速檢測六大模塊組成。 圖 尋跡智能車硬件系統(tǒng)結構 圖 主控制模塊 智能車的控制核心為日本瑞薩公司的 8 位單片機 H8/3048FONE。同時可以利用 PWM 模塊產生PWM 調制信號來控制電機和舵機，通過 A/D 轉換器獲取位置傳感器的信息和車速傳感器的信息。智能車中接受供電的部分包括：路徑識別模塊、轉向舵機模塊、電機驅動模塊、車速檢測模塊。由于系統(tǒng)各模塊所需電壓和電流容量不同，因此需要通過不同的 DCDC 轉換電路實現(xiàn)電壓調節(jié)。智能車使用 LM2940 作為 5V 電壓的穩(wěn)壓芯片，同時使用 LM350 作為 6V 電壓的穩(wěn)壓芯片給舵機供電。 路徑識別模塊 １．MCU基板 ２．傳感器基板 ３．馬達驅動基板 ４．馬達 ５．伺服系統(tǒng) 圖 賽道由白、黑、灰三色組成，寬度為 30cm 智能車路徑識別模塊的設計是整個智能車設計中的重要的一部分 ,其作用相當于人的眼睛和耳朵。每對傳感器由紅外發(fā)射管和紅外接收管組成，水平均勻分布在智能車前部的傳感器板上 ,傳感器間距約為 20mm，如圖 所示。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點，在智能車 行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到 黑色 紙質地板時 被吸收 ， 接收管接受不到紅外光 ；如果遇到 白線 則紅外光發(fā)生漫反射，反射光被裝在智能車上 的接收管接收。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應超過 3cm。這樣不僅能保證車有足夠的前瞻性，還可以牢牢“鉗”住白線，使車在跑直線時快速平穩(wěn)，不會搖晃。舵機的主要作用是控制智能車的轉向，其過程是單片機首先通過 A/D 轉換器將傳感器采集的路面信息進行處理，再通過 PWM 技術對智能車的舵機進行實時的控制 。 智能車舵機的轉向是由 PWM 來控制的，當紅外傳感器檢測到的信號滿足舵機脈沖占空比的要求時，舵機就會使前輪轉動一定的角度， 如圖 ， 8 個紅外傳感器在智能車前對稱排開。 本設計智能車選取了 Hitec 公司的 HS425BB 型舵機作為轉向控制元件。轉角僅需 ，極大的提高了智能車轉向的靈敏度。 ? 中心為 [ms]的 ON 脈沖、在177。 90度的變化。在智能車行駛的過程中，由于四個車輪能夠同時提供抓地力，因此智能車的動力性和行駛穩(wěn)定性得到大大增強。電機驅動模塊選用大功率場效應晶體管 IRL3803 作為 H 橋開關元件。系統(tǒng)對電機采用全橋驅動，因此可以在智能車速度過快時對電機實施反向制動，從而迅速降低車速。 圖 H橋 車速檢測模塊 車速的檢測是對車速進行閉環(huán)控制的基礎，直接影響到將來控制的效果。 智能車系統(tǒng)根據檢測到的路況和車速的當前信息 ,控制轉向舵機和直流驅動電機 ,相應地調整小車的行駛方向和速度 。小車在行駛過程中會遇到以下兩種路況 : ①當小車由直道高速進入彎道時 ,轉角方向和車速應根據彎道的曲率迅速做出相應的改變 ,原則是彎道曲率越大則方向變化角度越大 ,車速越低。因此 ,對智能車的設計 ,要求具有實時路徑檢測功能和良好的調速功能。 小車轉向角的控制通過輸入 PWM 信號進行開環(huán)控制。考慮到實際舵機的轉向角與所給 PWM 信號的占空比基本成線性關系 ,所以舵機的控制方案采用查表法。 速度控制通過 PID 進行閉環(huán)控制， 以縮短小車的速度控制響應時間 ,減小穩(wěn)態(tài)誤差。智能車上 8 個紅外傳感器能夠檢測到 8 個精確的位置，加上相鄰兩個傳感器同時檢測到白線和沒有傳感器檢測到白線的情況，一共有 16 種檢測狀態(tài)，這樣就可以將智能車的水平偏移量求出來了。針對不同檢測狀態(tài)輸出不同智能車的舵機控制量以及目標車速，從而實現(xiàn)智能車尋跡行駛。 方向控制算法 智能車方向控制的作用好比是駕駛員和他所控制的方向盤。所謂 P 控制就是輸出方向和測得的白線位置成分段比例關系。根據幾何知識可以得出舵機轉角公式： θ＝ arctan(e/b) 式 在前面介紹的基礎上我們知道，智能車“看”到的路面情況一共有 16 種狀態(tài)，其中每一種狀態(tài)都有一個相應舵機轉角θ 值與之對應。這樣單片機就可以在傳感器 A/D 信號解讀后查表確定舵機的轉角大小，從而可以牢牢“鉗”住白線，使車在跑直線時快速平穩(wěn)，不會搖晃。方向控制系統(tǒng)除認為第 1 種情況為中間狀態(tài)外，同時也認為第 5 種情況為智能車處于跑道中間的狀態(tài)，舵機不輸出轉角。 在這里介紹兩個特別點： 16 種狀態(tài)， 8 個傳感器全部檢測到黑色賽道，沒有檢測到白色引導線，這說明智能車沖出跑道，為了保