【正文】 量 ,其底盤(pán)和前橋上承受的載荷不大 ,所以外傾角調(diào)整為 0176。 舵機(jī)安裝 舵機(jī)延時(shí)分析 舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間對(duì)于控制非常重要 ,舵機(jī)能夠及時(shí)響應(yīng)微控制器發(fā)出的指令并產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作可以保障智能車(chē)在高速行駛過(guò)程中能夠及時(shí)轉(zhuǎn)彎 ,不脫離軌道。例如 ,微控制器已經(jīng)根據(jù)賽道信息發(fā)出了轉(zhuǎn)彎指令 ,但舵機(jī)響應(yīng)控制信號(hào)延遲 ,則會(huì)出現(xiàn)已經(jīng)到了彎道跟前 ,但是舵機(jī)卻還沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的情況 ,智能車(chē)在慣性的作用下依舊向前沖 ,等舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)小車(chē)車(chē)身已經(jīng)偏離出軌道了。情況壞的則會(huì)沖出賽道 ,導(dǎo)致攝像頭檢測(cè)不到正確的賽道信息 ,不能夠繼續(xù)行駛。在此 ,我們對(duì)舵機(jī)延時(shí)的原因做一個(gè)比較詳細(xì)的分析 ,以便做出相應(yīng)的改進(jìn)。而控制 PWM 波周期和占 空比是通過(guò) K60 微控制器的一個(gè) 16 位的內(nèi)部寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的 ,它們是 PWMPERx(PWM Period)和 PWMDTYx(PWM Duty),其中 x 代表 0~7 通道的序號(hào)。 當(dāng)智能車(chē)檢測(cè)到前方有彎道時(shí) ,經(jīng)過(guò)運(yùn)算得出需要的占空比和所對(duì)應(yīng)的寄存器的值 ,將這個(gè)值賦給 PWMDTYx寄存器 ,隨后輸出 PWM波的占空比就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。 PWMDTYx 寄存器為雙緩沖結(jié)構(gòu) ,由于 K60 微控制器內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)的原因 ,當(dāng)在 PWM 信號(hào)輸出過(guò)程中進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí) ,寫(xiě)入的值將進(jìn)入緩沖器 ,而不是直接進(jìn)入該寄存器 ,直到通道被禁止或當(dāng)前周期結(jié)束 ,計(jì)數(shù)器重新被寫(xiě)入 (計(jì)數(shù)器回 0)時(shí)才能進(jìn)入該寄存器。 假設(shè)我們產(chǎn)生的 PWM 波的頻率是 300Hz,即周期為 。如果那一時(shí)刻剛好在 C 點(diǎn) ,即一個(gè)周期即將結(jié)束的時(shí)刻 ,那么我們運(yùn)算的結(jié)果能夠立刻進(jìn)入 PWMDTYx 寄存器 ,使下一周期的占空比發(fā)生變化 。因此 ,這就是第一次延時(shí)產(chǎn)生的原因所在。我們將這個(gè)延時(shí)叫做微控制器輸出周期延時(shí)。所需要的時(shí)間表示。而帶了負(fù)載之后 ,響應(yīng)速度還會(huì)略微下降。例如 ,當(dāng)舵機(jī)收到從 0176。的信號(hào)時(shí) ,要經(jīng)過(guò) 160ms 才會(huì)達(dá)到我們預(yù)期的角度值。 舵機(jī)的安裝與控制延時(shí)解決辦法 因此 ,舵機(jī)的控制輸出延時(shí)由微控制器輸出周期延時(shí)和舵機(jī)機(jī)械延時(shí)兩部分組成 ,由上分析可知 ,延時(shí)最大時(shí)會(huì)達(dá)到將近 +。因此提高舵機(jī)的響應(yīng)速度是提高智能車(chē)平均速度的一個(gè)關(guān)鍵。指定舵機(jī)可接收的 PWM 信號(hào)頻率范圍為 50 ? 300Hz,對(duì)應(yīng)的周期為 20ms ? ,通過(guò)上述分析可知 ,頻率越高 ,微控制器輸出周期延時(shí)就越短 ,因此我們?cè)谠O(shè)置 K60微控制器 PWM模塊輸出信號(hào)時(shí)選用 300Hz的頻率 ,可以有效減少延遲時(shí)間。在上述分析中可以看出 ,工作電壓越高 ,響應(yīng)速度則越 快 ,我們使用電池電壓為 ,略高于舵機(jī)標(biāo)定的工作電壓范圍 ,但是可以直接舵機(jī)供電。 3. 安裝更長(zhǎng)的舵機(jī)輸出臂。這樣就可以在舵機(jī)輸出較小的轉(zhuǎn)角下 ,取得較大的前輪轉(zhuǎn)角 ,從而提高了整個(gè)車(chē)模轉(zhuǎn)向控制的速度。 攝像頭支架的設(shè)計(jì)安裝 賽車(chē) CMOS 圖像傳感器的架設(shè)主要考慮以下幾個(gè)因素 : 確保 CMOS 圖像傳感器位置的居中且正對(duì)前方。 CMOS 圖像傳感器的安裝高度要足夠高。因?yàn)楫?dāng)攝像頭的角度過(guò)大時(shí)候 ,采集進(jìn)來(lái)的圖 像形變過(guò)大 ,且圖像中的干擾信息增多 ,對(duì)模型車(chē)的處理算法十分的不利。一般要求該范圍為 45cm 寬。這樣以便于 CMOS 圖像傳感器居中的校正 ,以及在實(shí)際調(diào)試中選擇最佳探測(cè)角度 ,以及對(duì) CMOS 圖像傳感器視野范圍進(jìn)行標(biāo)定。將 CMOS 圖像傳感器的視頻信息通過(guò)視頻采集卡傳到計(jì)算機(jī)中 ,通過(guò)調(diào)節(jié) CMOS 圖像傳感器各個(gè)旋轉(zhuǎn)變量使得攝像頭的圖像位置居中。 經(jīng)過(guò)上述設(shè)計(jì) ,前輪的靜態(tài)側(cè)翻極限是 55 度 ,后輪的側(cè)翻極限是 70度 ,而在賽道上側(cè)滑極限一般不會(huì)超過(guò) 50 度 ,所以賽車(chē)在側(cè)向加速度很大的極限情況下會(huì)先發(fā)生側(cè)滑而不會(huì)發(fā)生側(cè)翻。由于電池的安裝后移了 6cm,考 慮到賽車(chē)的空間 ,PCB 板應(yīng)設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方形以便于安裝。這個(gè)形狀有利于電路板的安裝 ,同時(shí)防止了前輪轉(zhuǎn)角過(guò)大時(shí)與電池接觸。主控制芯片采用官方推薦的 32 位微控制器 MK60DN512,但速度很高且工作性能較穩(wěn)定。 電源模塊 由于電源對(duì)高頻干擾具有較強(qiáng)的抑制作用。 電機(jī)供電與單片機(jī)供電分離電路 主電機(jī)在啟動(dòng)的瞬間和反轉(zhuǎn)的瞬間會(huì)產(chǎn)生高達(dá) 20A 的沖擊電流。而主電機(jī)和單片機(jī)都是由單獨(dú)電池供電 ,若在主電機(jī)電源和單片機(jī)電源系統(tǒng)之間不加任何隔離措施 ,有可能導(dǎo) 致在賽車(chē)行駛的過(guò)程中單片機(jī)復(fù)位 ,這是絕對(duì)不允許的。電路圖如圖 所示。 其典型應(yīng)用電路圖如圖 圖 單片機(jī)電源電路 攝像頭供電電路 CMOS 的工作電 壓為 5V,所以單獨(dú)采用一塊 TPS76850QD 給 CMOS 供電。CMOS 攝像頭體積小 ,耗電量小 ,圖像穩(wěn)定性較高。 對(duì)于 CMOS 攝像頭分為數(shù)字和模擬兩種。 編碼器測(cè)速模塊 光電編碼器是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器 , 這也是目前應(yīng)用最多的測(cè)速傳感器之一。 采用增量式 1024 線(xiàn)光電編碼器 ,其供電電壓為 5V,輸出為小幅值的正弦信號(hào)。 主控模塊 MCU 最小系統(tǒng)包括濾波電路 ,晶振模塊 ,主控芯片為 MK60DN512ZLV10。 K60 產(chǎn)品滿(mǎn)足了用戶(hù)對(duì)設(shè)計(jì)靈活性和平臺(tái)兼容性的需求 ,并在一系列汽車(chē)電子平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了可升級(jí)性、硬件和軟件可重用性、以及兼容性。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 驅(qū)動(dòng)單元是控制系統(tǒng)的重要組成 部分 ,驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)過(guò)改進(jìn) ,最終選取BTN7971B 作為驅(qū)動(dòng)芯片 ,其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,負(fù)載能力強(qiáng) ,為賽車(chē)的加速和制動(dòng)性能以及上限速度得到了很大程度的提高。 圖 H 橋控制電路 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件位于底層 ,是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ) ,系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)則根據(jù)硬件和控制需求來(lái)制定。然后 ,通過(guò)圖像采集模塊獲取前方賽道的圖像數(shù)據(jù) ,同時(shí)通過(guò)速度傳感器模塊獲取賽車(chē)的速度。另外根據(jù)檢測(cè)到的速度 ,結(jié)合速度控制策略 ,對(duì)賽車(chē)速度不斷進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整 ,使賽車(chē)在符合比賽規(guī)則的前提下 ,沿賽道快速行駛。因此 ,在軟件上必須排除干擾因素 ,對(duì)賽道進(jìn)行有效識(shí)別 ,并提供盡可能多的賽道信息供決策使用。因此 ,在進(jìn)行賽車(chē)方向控制時(shí) ,進(jìn)行坐標(biāo)的校正顯得至關(guān)重要。 由于 CMOS 圖像傳感器所掃描到的圖像總是向外擴(kuò)張 ,掃描到的圖像并非為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)方形 ,在不考慮縱向畸變的情況下可以近似認(rèn)為是一個(gè)梯形 [7],嚴(yán)重影響到了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性 ,所以我們必須對(duì)掃描到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。按照賽車(chē)的安裝方法 ,在掃描到的數(shù)字量相同的情況下 ,在第 40 行處偏離中心位置的距離超過(guò)了第 0行偏離中心位置的 4倍還要多 ,故必須進(jìn)行校正 ,校正的方法就是在不同的行乘以一個(gè)不同的系數(shù) ,系數(shù)大小的確定是先進(jìn)行理論粗略的計(jì)算 ,然后再在事物上進(jìn)行校正。另外由于十字交叉也存在黑線(xiàn)不連續(xù)的特點(diǎn) ,我們?cè)诤诰€(xiàn)提取的過(guò)程中引入一次線(xiàn)性預(yù)測(cè)、黑線(xiàn)校驗(yàn)和一次線(xiàn)性插值等方法 ,這樣可以將黑線(xiàn)不連續(xù)的邊界也連接起來(lái)。對(duì)于左邊界 ,如果左邊兩列灰度值均小于閾值并且右邊一列大于等于閾值 ,則判斷為左邊界 。 Step2:從圖像的第 0 行開(kāi)始遍歷 ,直到連續(xù)三行找到圖像的左右邊界 ,置標(biāo)志變量 beginFlag 為 1。 Step3:當(dāng)找到該行的左右邊界時(shí) ,同時(shí)記錄下前三行已找到的邊界 (可以不連續(xù) ),如果前一行已找到的邊界所在行與當(dāng)前行不相鄰 ,則利用一次線(xiàn)性插值補(bǔ)全未找到邊界的行 。 Step4:利用前三行已找的邊界信息 ,進(jìn)行一次線(xiàn)性擬合出直線(xiàn)方程 ,并利用該直線(xiàn)方程預(yù)測(cè)改行邊界的位置 col,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)左右設(shè)定一個(gè)余量 e,在[cole,col+e]范圍內(nèi)搜索該行的黑線(xiàn)邊緣 ,當(dāng)搜索到邊緣后 ,進(jìn)行邊緣校驗(yàn) ,濾掉明顯不是邊緣的噪點(diǎn) 。 當(dāng)只有單邊黑線(xiàn)找到時(shí) ,則根據(jù)找到的邊界平移半個(gè)賽道寬度作為中心線(xiàn)的位置 。為了解決該問(wèn)題 ,我們利用前半部分連續(xù)的中心線(xiàn)一次線(xiàn)性預(yù)測(cè)下半部分第一行的中心線(xiàn)位置 ,則下半部分的中心線(xiàn)位置以該部分第一行的位置來(lái)計(jì)算。然而 ,當(dāng)速度本來(lái)就較快時(shí) ,由于智能車(chē)本身的結(jié)構(gòu)原因 ,很難再進(jìn)行提速 ,因?yàn)樗俣冗^(guò)快可能會(huì)導(dǎo)致翻車(chē)等一系列不利現(xiàn)象。觀察圖 可知 ,起跑線(xiàn)的顏色從左到右依次為“黑”→“白”→“黑”→“白”→“黑”→“白”→“黑” ,對(duì)應(yīng)于微控制器內(nèi)的數(shù)字信號(hào)即是 0→ 1→ 0→ 1→ 0→ 1→ 0,因此我們可以利用這個(gè)特征來(lái)識(shí)別起跑線(xiàn)。當(dāng)跑完第二圈 ,第三次檢測(cè)到起跑線(xiàn)時(shí) ,表明已經(jīng)完成了比賽 ,要在沖過(guò)起 跑線(xiàn)后剎車(chē) ,在三米范圍內(nèi)停車(chē)。 大彎的方向控制算法 在 道路中遇到大彎時(shí)需要轉(zhuǎn)彎 ,轉(zhuǎn)向角只受彎道的彎曲程度影響 ,但是距離大彎多遠(yuǎn)就開(kāi)始轉(zhuǎn)彎卻需要受到當(dāng)前速度的影響 ,因?yàn)槎鏅C(jī)在轉(zhuǎn)向時(shí)有一定的延時(shí) ,舵機(jī)轉(zhuǎn) 60度大約需要 110毫秒 ,而智能車(chē)的最快速度可以達(dá)到 10米 /秒 ,如果智能車(chē)當(dāng)時(shí)運(yùn)行的速度就是 10 米 /秒 ,那么當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)過(guò) 60 度時(shí)