【正文】 方式和擺臂的長度后，我們發(fā)現(xiàn)，本來想要刻意設(shè)計成的阿克曼轉(zhuǎn)角由這種方式巧妙地達(dá)成了。圖29 阿克曼轉(zhuǎn)角為了保持車體尋跡具有較好的前瞻性，并且固定方法簡單、輕巧并具有一定的剛度，我們最終選擇了直徑1cm碳纖維管，把線性CCD放在了車體較前的位置，撐出高度340mm，兼顧了線性CCD的高度要求與整車的重心高度要求，圖210和圖211為CCD傳感器支架的安裝實物圖。對射式光柵的重量相對較輕，阻力也相當(dāng)?shù)男?，但由于整個裝置暴露在外界空氣中，容易受到外界光線或粉塵的影響；并且一般外置式的光電碼盤分割條數(shù)有限，返回線數(shù)較少，可能會造成計速不準(zhǔn)確，而編碼器就不存在此類問題。規(guī)則中不允許對輪胎進行任何改變輪胎性能的處理，因此在調(diào)試過程中，我們盡量選擇對稱、圓的輪胎，對不規(guī)則的輪胎進行適度的打磨；盡量減少調(diào)試時間和調(diào)試次數(shù)；在不調(diào)試的時間里盡量避免四輪與地面接觸，保證輪胎的形狀不發(fā)生改變。當(dāng)重心高度偏高時，智能車在轉(zhuǎn)彎過程中會發(fā)生后輪抬起，即‘抬腳’現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至翻車。智能車的重心應(yīng)該越低越好，降低地盤時實現(xiàn)重心下降的較為直接的方式。但是由于賽道中坡道的限制，底盤的高度在低于5mm時將會沖撞坡道，并不使地盤受到不必要的磨損和震蕩，劇烈的沖擊甚至?xí)矇霓D(zhuǎn)向機構(gòu)。降低底盤的方式可以通過在前橋、后橋處增加墊片來實現(xiàn) 。使重量的分布盡量靠近底盤。三、緊固螺絲：在智能車對于緊固程度要求不高的地方，如電路板固定螺絲，傳感器定位螺絲等，采用尼龍材質(zhì)的螺絲；在車底盤等高度較低的地方采用模型車原配螺絲；在安裝外設(shè)的時候，盡量采用規(guī)格合適的螺絲釘。小車的性能與機械結(jié)構(gòu)有著非常密切的聯(lián)系。在同等的控制環(huán)境下，機械機構(gòu)的好壞對其速度的影響十分顯著。電池盡量安裝在靠近底盤處，由于模型車的自身特點，模型車底盤可利用空間很小，硬件組成員改進了電路板形狀，使電路板和模型車的底盤形成了完美契合。其中可靠性是硬件設(shè)計中的重中之重，小車的功能實現(xiàn)完全是建立在硬件電路穩(wěn)定發(fā)揮作用的基礎(chǔ)之上的，在設(shè)計中我們充分考慮了EMC，盡量避免在主控電路下走高速信號，在對單片機供電的電路中使用了二級穩(wěn)壓的方法，以增強其穩(wěn)定性。 系統(tǒng)硬件電路主要由以下幾個部分構(gòu)成：1)K60最小系統(tǒng)：龍邱K60；2)電源電路：包括5v穩(wěn)壓電路、3V3穩(wěn)壓電路3)賽道檢測電路：采用TSL1401線性CCD傳感器；4)電機驅(qū)動電路：電機驅(qū)動采用全橋驅(qū)動；5)舵機驅(qū)動電路：，不能直接適用于舵機，所以需要對舵機外加穩(wěn)壓電路； 6)車速檢測電路：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。設(shè)計中我們注意了電源轉(zhuǎn)換效率、噪聲、干擾等。首先了解一下不同電源的特點，電源分為開關(guān)電源和線性電源，線性電源的電壓反饋電路是工作在線性狀態(tài)，開關(guān)電源是指用于電壓調(diào)整的管子工作在飽和和截至區(qū)即開關(guān)狀態(tài)的。從其主要特點上看：線性電源技術(shù)很成熟，制作成本較低，可以達(dá)到很高的穩(wěn)定度，波紋也很小，而且沒有開關(guān)電源具有的干擾與噪音，開關(guān)電源效率高、損耗小、可以降壓也可以升壓，但是交流紋波稍大些。2A/h的可充電鎳鎘電池提供?！CD供電電路設(shè)計由于整個系統(tǒng)中+5V電路功耗較小且CCD輸出像素信號時為峰峰值很小的正弦波，如圖33所示，所以極容易受到電源紋波的影響，我們本來打算使用高效率的開關(guān)電源穩(wěn)壓芯片LM2576S5，但為了降低電源紋波，故選擇使用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，如圖34所示。于是我們?nèi)∠铝酥靼迳辖oCCD供電的電源線，將一個4F ，由于該電容儲電量巨大，所以可供CCD取電相當(dāng)長的時間。后來我們用示波器檢測小車懸空，電機加減速時LM2940的電壓變化情況，發(fā)現(xiàn)在電機加減速時LM2940將出現(xiàn)將近1V的壓降。之后我們將LM2940換為了TI公司的一款LDO，TPS76850，該芯片擁有超快的反應(yīng)速度，能在輸入端電壓變化劇烈時保持輸出電壓不變，經(jīng)我們示波器實際觀測在電池電壓劇烈波動時其輸出電壓毫無波動，后來確定最終使用該穩(wěn)壓芯片。因此ccd的選取必須慎重，既要保證圖像質(zhì)量好，滿足后續(xù)處理和賽道識別的要求，又要考慮到單片機采集和處理的能力。因為這樣只會徒增單片機的負(fù)擔(dān)。而圖像傳感芯片是攝像頭最重要的部分。單片機供電電路如圖33所示： 圖33 單片機供電電路電機驅(qū)動電路對于競速賽事的重要性是不言而喻的，一個好的加速與制動能力對小車整體速度的提升有著至關(guān)重要的作用。一般直流電機調(diào)速多采用PWM技術(shù)，通過控制方波的占空比來控制加在電機兩端的電壓，進而控制電機的轉(zhuǎn)速。由于IRF3205有著較低的漏源電阻，故我們認(rèn)為驅(qū)動性能將會很好。之后我們選用了Infineon公司的半橋驅(qū)動器BTN7971B，該款半橋芯片在25℃時集成的PMOS與NMOS導(dǎo)通內(nèi)阻分別為7毫歐與9毫歐，并且擁有著70A的電流上限，所以驅(qū)動能力較為強勁。雖然BTN7971B驅(qū)動能力很好，但我們?yōu)榱诉M一步減小內(nèi)阻與芯片的發(fā)熱量，采用了4片搭建兩個并聯(lián)的H橋的形式組成電路。圖34 電機驅(qū)動電路本系統(tǒng)中編碼器部分需要5v電壓供電，我們選用LM2940穩(wěn)壓芯片。它能夠減少接地電流時的輸入電壓和輸出電壓之間的差，LM2940提供低靜態(tài)電流，只有當(dāng)穩(wěn)壓器在漏失模式（VINVOUT≤3V）下才存在較高的靜態(tài)電流，但由于我們覺得tps76850有較高的穩(wěn)定性，所以最終我們選用tps76850穩(wěn)壓芯片。由于小車有兩個舵機需要用該芯片供電。其中，供電部分是重點，能夠為各個傳感器及單片機提供穩(wěn)定電源，為后續(xù)軟件運行及調(diào)試打下堅實基礎(chǔ)。第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)高效的軟件程序是智能車高速平穩(wěn)自動尋線的基礎(chǔ)。在智能車的轉(zhuǎn)向和速度控制方面，我們使用了經(jīng)典PID控制算法，配合使用理論計算和實際參數(shù)補償?shù)霓k法，使智能車能夠穩(wěn)定快速尋線。由于小車在正常行駛時基本位于賽道的中心所以黑線不會出現(xiàn)在小車視野的中心，故我們在檢測引導(dǎo)黑線的時候從圖像的中心向兩邊進行掃描，在檢測左邊線的時候，從最下面的一行開始向左邊逐個點進行判斷在檢測到黑點后再向左檢測兩個點，若仍然為黑點，則認(rèn)為該黑點有效，黑線位置判定準(zhǔn)確，再向上掃描的時候，從上一行檢測到黑點的地方向右5個點處再向左掃描。在提取黑線后，取兩邊黑線的平均值，提取出中線。所說的閾值就是將灰度或彩色圖像轉(zhuǎn)換為高對比度的黑白圖像，比閾值亮的像素轉(zhuǎn)換為白色；而比閾值暗的像素轉(zhuǎn)換為黑色。其中，切彎路徑主要決定了車輛是選擇內(nèi)道過彎還是外道過彎。切外道，路徑會略長，但是有更多的調(diào)整機會，同時曲率半徑的增加會使得模型車可以擁有更高的過彎速度。合適的轉(zhuǎn)向角度會減少車輛在轉(zhuǎn)彎時的調(diào)整，不僅路徑可以保證最優(yōu)，運動狀態(tài)的穩(wěn)定也會帶來效率的提高，減少時間。對于入彎速度的分析，應(yīng)該綜合考慮路徑和轉(zhuǎn)向角度的影響。然而，在過去幾屆比賽中，通過觀察各參賽車對彎道的處理后，我們發(fā)現(xiàn)并不是所有人都選擇了相同的方案。例如，在不能及時判斷入彎和出彎的標(biāo)志點就采取“入彎減速、出彎加速”的方案，會出現(xiàn)彎道內(nèi)行駛狀態(tài)不穩(wěn)定、路徑差，同時出彎加速時機過晚，一樣會浪費時間。綜合考慮用可以接收的額外時間換回行駛穩(wěn)定性還是值得的。其缺點在于控制器的參數(shù)整定相當(dāng)繁瑣，需要很強的工程經(jīng)驗。所以最后我們選擇了PID的控制方式。本方案中舵機轉(zhuǎn)角控制采用位置式的PD控制，速度閉環(huán)控制采用了增量式PID控制。試湊法是通過閉環(huán)試驗，觀察系統(tǒng)響應(yīng)曲線，根據(jù)各控制參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)試湊參數(shù)，以達(dá)到滿意的響應(yīng)，最后確定PID控制參數(shù)。在控制理論中已獲得如下定性知識：比例調(diào)節(jié)（P）作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。積分調(diào)節(jié)（I）作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD或PID控制器。如果系統(tǒng)靜差小到允許范圍，響應(yīng)曲線已屬滿意，那么只需比例控制即可，由此確定比例系數(shù)。若使用比例積分控制消除了靜差，但動態(tài)過程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不能滿意，則可加微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例、積分、微分控制器。由于CCD的前瞻性很好，故采用PD控制，基本的行駛策略是使賽車保持在引圖43 大S最優(yōu)路線圖導(dǎo)線的中心線上，但這只適用于直道，對于普通彎道與大S彎道，如果不改變策略，肯定會影響全程時間，所以根據(jù)不同道路曲率調(diào)整舵機的參數(shù)，選取最優(yōu)路線以減少路程，實線為實際道路，虛線為選取的行駛路線。圖44 小S最優(yōu)路徑智能車中機械和硬件是基礎(chǔ)，而算法程序就是小車的靈魂，因此軟件系統(tǒng)的設(shè)計起著至關(guān)重要的作用，在小車的調(diào)試過程中我們曾幾度修改過小車的循跡與控制算法，但最后發(fā)現(xiàn)還是經(jīng)典的PID控制算法更適合我們的小車調(diào)試，所以后來我們保留了最基本最經(jīng)典的控制算法。包括集成開發(fā)環(huán)境、處理器專家?guī)臁⑷酒抡?、可視化參?shù)顯示工具、項目工程管理器、C交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試器。在智能汽車的調(diào)試過程中，有針對性的開發(fā)一個便于人機交互的上位機系統(tǒng)，通過簡單明了的可視化界面直觀的顯示智能汽車的狀態(tài)對調(diào)試有很大幫助。智能汽車通過無線模塊與實時監(jiān)測系統(tǒng)進行通訊。實時監(jiān)測系統(tǒng)還有一些其他輔助功能，為智能汽車調(diào)試過程提供了大量有用的信息。該系統(tǒng)通過PC機串口與無線模塊連接。從一開始只能接收并處理一些簡單的信息到最后可以完整的畫出賽道圖，我們的上位機軟件有了很大的進步。：圖51智能車調(diào)試工具和在該版本監(jiān)控系統(tǒng)中，我們不僅可以監(jiān)控智能汽車行駛過程中的狀態(tài)，并且可以保存一些重要信息，比如各種特殊道路上傳感器的狀態(tài)，速度及賽車路徑圖等。車模主要技術(shù)參數(shù) 模型車技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計表項目參數(shù)車模幾何尺寸（長、寬、高）（毫米）270185285車模軸距/輪距（毫米）164車模平均電流（勻速行駛）(毫安)1800電路電容總量（微法）1739傳感器種類及個數(shù)CCD2個，500線編碼器2個新增加伺服電機個數(shù)0賽道信息檢測空間精度（毫米）10賽道信息檢測頻率（次/秒）33除K60之外其它主要芯片TPS76850， LM2576車模重量（帶有電池）（千克） 第七章 結(jié)論我們從認(rèn)識智能車比賽，到參與到其中，組裝機械，焊接電路，編寫程序再到參加比賽，經(jīng)過了將近大半年的時間，在此期間，我們從對只能車的模糊認(rèn)識，再到讓小車以令人滿意的速度跑起來，進行了了大量的摸索與探究，其間，有令人歡欣鼓舞的突破，也有令人絕望心碎的瓶頸，但我們都沒有放棄對智能車速度與穩(wěn)定性提升的追求。參考文獻[1] 卓晴，黃開勝，——挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯[C].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.[2] 尹念東. 智能車輛的研究及前景[J].上海汽車 技術(shù)導(dǎo)向，1994. 2008.[3] [M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.[4] 余星毅，徐斌，余春賢，.[5] Codewarrior使用指南.[6] [M]. 北京：中國鐵道出版社，.[7] 吳銘鴻，葉增軟，.[8] 齊鵬遠(yuǎn)，易筱，.附錄：源程序代碼include struct Pid{ float SetSpeed。 //誤差 signed int ErrorLast。 //P I D signed int Integrel。 //定義電壓值unsigned int ActualSpeed。 //實際角度unsigned int MidPoint。 //中值unsigned char Pixel[132]。 //平均值unsigned int leftPoint。 //右黑線位置unsigned int highspeed。 //電機最低速度unsigned int Angle。 //PWMunsigned int Speed。struct Pid Motor,Motor1,Motor2,Ccd,Send,Steering,DJ,Ccd1。unsigned int Time=0,tt=0。extern volatile unsigned int Motor1Speed。unsigned char static slowflag=0。 //丟線標(biāo)志unsigned char static fastflag=0。 //弛懈標(biāo)志unsigned char stopflag=0。//電機目標(biāo)速度unsigned char static highspeed=130。 //電機最小速度unsigned char static bangbangset=10。 //速度控制PID變量float static A=,B=35