【正文】 僅看起來顯得凌亂，也增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。 同時，模型車還做了很多機械方面的小改動，比如，拆除不必要構件以減輕重量：將模型車中對行駛和支撐沒有影響的構件都進行了拆除，減輕重量，減少占用空間，可以對電池和電路板的位置根據(jù)需要進行合理的布置。 要使模型車有理想的穩(wěn)定的運行狀態(tài)，還需要各個模塊之間通過算法進行默契的配合。 模型車的工作邏輯過程 首先，由前排的紅外傳感器檢測出黑線相對于車身的位置，并將代表此位置關系的數(shù)字信號傳輸給 MCU， MCU 接收到信號之后做出相應的判斷，根據(jù)黑線的位置偏移的距離大小，輸出具有特定占空比的 PWM 信號，控制舵機（伺服電機）的轉角帶動前輪轉向，跟蹤前方的黑線，以消除車輛中心線和黑線之間的偏移距離。 同時， MCU 根據(jù)紅外傳感器所傳送來的數(shù)字信號，總結出黑線相對于車身的變化規(guī)律，判斷出模型車所處于的運行狀態(tài)，能夠判斷出模型車是在直道、 MCU 伺服電機 直流電機 轉速傳感器 PWM信號 PWM信號 MC33886（驅動芯片） 后輪轉動 脈沖信號 前輪轉向 紅外傳感器組 前方黑線位置 數(shù)字信號 跟蹤黑線 檢測黑線 圖 系統(tǒng)結構組成示意圖 第二章 模型車總體技術方案 5 大彎或是 S 彎，并根據(jù)各種形狀道路的行駛特點輸出特定的目標轉速。速度傳感器采集速度信號，傳送給 MCU 與目標轉速相比較，調整 PWM 信號的占空比，形成了閉環(huán)控制。 在各模塊的相互配合之下，模型車根據(jù)黑線的形狀或加速或減速，在黑線路徑上的每一段都充分利用了賽道所能提供的極限物理條件，在保證行駛穩(wěn)定的前提下，大大提高平均行駛速度。電池只能提供單一的電壓值，但是各模塊對供電電壓的需求是不同的。所以需要各種電壓調節(jié)器，將電池電壓調節(jié)至各模塊所需電壓值。 第一界 全國大學生智能汽車邀請賽技術報告 6 模型車整體電源方案可 如圖 所示 電池 2020mAh Nicd UA7805C （ 5V） L7806VC （ 6V） MC33886 （ PWM 控制） 單片機及外圍電路 紅外傳感器 速度傳感器 轉向伺服電機 驅動電機 主電源 調節(jié)器 各模塊 圖 電源供電示意圖 7 第三章 路徑檢測方案 采用怎樣的路徑識別方案是各參賽隊伍要面對的重要問題之一 ,根據(jù)以往韓國比賽情況，參賽隊伍所使用的路徑識別方案大致可分為兩種：使用光電傳感器和使用 CCD 攝像頭，其中尤以光電傳感器方案最為常用。如 圖 所示。承接安裝傳感器的底板是整塊的 PCB 板，設計板時直接按此形狀設計。在板面的底端留有四個孔，通過螺釘螺母與模型車底盤固定連接。其將紅外發(fā)射管和接收管集于自身，白色為發(fā)射管，黑色為接收管。不同顏色對紅外光線有不同的發(fā)射率，白色的很高，而黑色的很低，當照射至白色路面時，大部分光線被反射由接收管接收，傳感器輸出低電平，當照射至黑色路面時，大部分光線被吸收接收管接收不到足夠的光線而輸出高電平。 該傳感器在 5V 電源下工作，正常檢測照射前方距離為 2~5cm。通過調整將15 只傳感器性能基本一致，并符合感應距離以及靈敏度的要求，保證路徑檢測的穩(wěn)定性。如圖 所示。注意，要使傳感器的信號線輸出穩(wěn)定的高電平，需要接入上拉電阻。 紅 外傳感器布置參數(shù) 橫向間隔距離 傳感器的橫向間隔距離（由于集成傳感器有一定的寬度，這里指的是兩傳感器中心線之間的距離）是傳感器布置中的一個重要參數(shù)。不同的間隔距離，對應著具有不同特點的控制算法。所以不能連續(xù)關注到黑線位置的變化，當黑線位置 相對于車中心線 偏移達到一定程度時，才能被傳感器所感應到。當傳感器的橫向間隔距離比較稀疏時，這個偏離距離 也會相應地增大，這樣在模型車進行方向糾正的時候就產(chǎn)生了在黑線兩側 較大的波動。應當盡可能地縮小。尤其是該模塊固定于模型車的前端，質量增加會加大模型車的轉動慣量，在轉彎時慣性比較大，不利于過彎。同樣不利于模型車的穩(wěn)定行駛。 為了減小模型車在直線行駛方向校正時的擺動，應該使舵機每次的轉角輸出相對減小，這就要求傳感器布置的比較密集。此時，在確定間距時可以考慮讓兩個傳感器能夠單獨檢測到黑線的同時也能做到相鄰兩個傳感器同時檢測到黑線，這樣就細化了傳感器檢測黑線的精度，在黑線位置稍有變動的情況下 也能被傳感器檢測到，傳感器跟蹤黑線的實時性得到了提高。 如圖 所示。通過試 驗發(fā)現(xiàn)，對于單個的傳感器當其中心線位于黑線中部 16mm內時，才能夠檢測到黑線，向 MCU 輸出信號為高電平。同時受到傳感器總數(shù)的限制，以及保證整體檢 測寬度不能過小。數(shù)量為 15 個，整體檢測寬度為 205mm。 傳感器的縱向伸出長度主要關系到模型車對未知賽道的預知能力。使得模型車有相對比較充足的時間進行轉彎和降速。 同樣，縱向伸出長度加長也會帶來很多弊病。在傳感器的安裝強度不足時，還會出現(xiàn)傳感器的上下顫動，不僅增加了車身的不穩(wěn)定性，還非常容易使傳感器跳動出有效的檢測距離之外，引入干擾信號，導致模型車偏離 黑線沖出跑道。如，提高傳感器連接固定的強度；減輕傳感器的總重量；將傳感器之外其他各模塊的中心向后移等等。 “牛角”型的初衷也是將兩側的傳感器盡量向前延伸，提高對路徑檢測的前瞻性，提前對彎道的變化做出響應。因為在模型車的調試過程中免不了要有沖出賽道，撞擊到某物體上的情形。因此，我們放棄了“牛角”的方案。所以，在傳感 器的排列方式上，我們最終選擇的還是“一”字型。 11 第四章 智能模型車系統(tǒng)控制軟件設計 控制軟件的設計目標 智能模型車系統(tǒng)控制軟件需要實現(xiàn)的功能主要有： 1）轉向伺服電機控制 模型車轉向運動的動力主要由轉向伺服電機提供，轉向伺服電機轉動一定角度，帶動左右轉向橫拉桿，從而使左右轉向輪偏轉相應角度。轉向伺服電機控制的失當，會造成模型車嚴重擺動甚至偏離賽道。為了更好的完成模型車轉向控制，一般采用 PID 控制算法。直流驅動電機控制好壞，直接影響到模型車的速度控制。根據(jù)賽道的不同路段，應采 用不同的速度控制策略，主要包括：直線段加速行駛、高速穩(wěn)定行駛，入彎制動減速行駛、彎道低速行駛， S 彎間斷制動行駛。模型車的速度控制算法采用 PID 控制算法，能夠很好滿足模型車系統(tǒng)的控制要求。本系統(tǒng)的控制軟件需要處理速度傳感器輸入的頻率量和轉向紅外傳感器輸入的開關量。 控制軟件的模塊設計 第一界 全國大學生智能汽車邀請賽技術報告 12 主程序設計 在模型車系統(tǒng)控制軟件的設計中，主程序的任務主要是：完成單片機各接口設備初始化設置，包括 I/O 端口的設置，脈沖寬度調制（ PWM）初始化設置，輸入捕捉通道初始化設置；各變量和常量初始化；然后單片機進入查詢狀態(tài)，包括轉向紅外傳感器輸入端口的查詢，一旦傳感器的狀態(tài)發(fā)生變化，立即調用轉向控制子程序，修正轉向輪偏轉角度，使模型車始終跟 蹤黑線行駛，對標志位 Flag 進行查詢，該標志位通過輸入捕捉中斷程序控制的，每進一次中斷，標志位 Flag 便被置 1，主程序便對賽道進行判斷，以分辨出直道、大彎道和 S彎道，針對不同的路段情況確定各自的目標轉速，接著調用速度控制子程序，使模型車的速度逼近目標轉速。 第四章 智能模型車系統(tǒng)控制軟件設計 13 開始 禁止中斷 Init ( ) 允許中斷 STATE!=PORTAB？ 采集傳感器狀態(tài) PID_Steer ( ) Y Flag=1？ N 確定目標轉速 PID_Speed ( ) Y N 清除標識位 Flag=0 圖 主程序流程圖 第一界 全國大學生智能汽車邀請賽技術報告 14 自由定時器溢出中斷程序和輸入捕捉中斷程序設計 自由定時器的工作頻率直接決定輸入捕捉的分辨能力， 16 位的自由定時器按照設定的時鐘頻率在 $0000$FFFF 之間循環(huán)計數(shù)時，當某個被測信號的設定邊沿 到來時，輸入捕捉邏輯立即將自由定時器的內容捕捉到 16 位的輸入捕捉寄存器中，并設置中斷請求標志，隨后軟件可以響應中斷或根據(jù)標志做出處理 [1]。MC9S12DG128B 輸入捕捉（ IC）通道分為緩沖與非緩沖兩類，緩沖類又具有鎖存與隊列兩種工作方式。本程序選擇緩沖通道 PT0 作為輸入捕捉通道，并設置為隊列工作方式，當 連續(xù)兩次捕捉到速度傳感器輸出的頻率信號，才產(chǎn)生輸入捕捉中斷。 圖 輸入捕捉中斷程序流程圖 目標轉速程序設計 由于模型車的采用速度閉環(huán)的 PID 控制，合理確定目標轉速就顯得非常重輸入捕捉中斷 清除中斷標志 讀取 TC0， TC0H 計算車輪轉速 Flag=1 返回 第四章 智能模型車系統(tǒng)控制軟件設計 15 要。為使直道快速行駛，大彎和 S 彎以最大極限速度行駛，關鍵的是判斷出賽道的情況。直道、大彎的識別方法與 S 彎的識別方法不同，下面將分別討論。本模型車的路徑識別采用了 15 個紅外傳感器，在此將其平均分成三組，最右邊 5 個為一組，設置標志位 flag1 和計數(shù)器 t1，如果其中一個或兩個紅外傳感器檢測到黑線，將 flag1 置 1，并使計數(shù)器 t1加 1，同時將計數(shù)器 t2 和 t3 清零。同理，中間 5 個為一組，設置標志位 flag2 和計數(shù)器 t2，最左邊 5個為一組，設置標志位 flag3 和計數(shù)器 t3，便可識別出直道和左大彎道。 第一界 全國大學生智能汽車邀請賽技術報告 16 圖 右大彎目標轉速程序流程圖 S 彎識別方法。每產(chǎn)生一次輸入捕捉中斷，對傳感器的狀態(tài)進行一次采樣，并將結果保存在一個數(shù)組里。 S彎目標轉速程序流程圖如圖 所示。為了解決這些問題，本程序設計了直道末端制 動減速控制， S彎間斷制動控制等功能，這將有利于提高模型車的行駛速度和行駛穩(wěn)定性。為了實現(xiàn)模型車系統(tǒng)的速度控制，必須采用一定的控制算法保證系統(tǒng)控制性能達到要求，本系統(tǒng)采用了速度閉環(huán)的 PID控制方法。 電機速度的計算，可以根據(jù)控制器在一定時間內讀取脈沖數(shù)，結合一定測速算法，計算出來。 M 法測速是指在規(guī)定的時間間隔內，測量所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來獲得被測速度值。 M/T 法是同時測量檢測時間和在此檢測時間內脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖數(shù)來確定被測轉速 [3]。 T法測速又叫周期法測速，具體方法是用已 知頻率為 fc的時鐘脈沖（如單片機的內部分頻時鐘），向另一計數(shù)器（如單片機的輸入捕捉寄存器 TCn）發(fā)送時間脈沖指令，而該計數(shù)器則由速度傳感器的兩個相鄰測速脈沖控制起始和結束。另外，內部時鐘脈沖 m 計數(shù)時，總有一個脈沖的誤差。因此，也可以看出 T 法在低速時才有較好的測速效果。 在實際測速時，自由定時器的時鐘頻率設為 fc=125000，而速度傳感器在車輪轉動一圈產(chǎn)生脈沖為 P=9，由于 T法測速相對誤差比較大的時期，在車輪轉速高速運行階段，假設車輪轉速 1200 轉 /分鐘，此時相當于模 型車以 度行駛， T 法測速的分辨率為： 9120200 22 ???? ???? Pnf PnQ Tc T 轉 /分鐘 分辨率還相當高，此時， T法的相對誤差是： %1 4 9 5/1/1 ??? mT? 即車輪轉速誤差為 7 2 %1 4 2 0 0 ?? 轉 /分鐘，可見誤差還是很小。 速度傳感器 輸出脈沖 單片機分頻時鐘fc m 第一界 全國大學生智能汽車邀請賽技術報告 20 數(shù)字 PID 控制算法 數(shù)字 PID 控制算法在生產(chǎn)過程中是一種最普遍采用的控制方法，在冶金、機械、化工等行業(yè)中獲得廣泛應用。數(shù)字 PID 控制算法通常又分為位置式PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。 由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。 式（ 42）是數(shù)字 PID 算法的非遞推形式，稱全量算法或位置算法。這樣不僅計算繁瑣，而且為保存 e(j)還要占用很多內存。為此，有如下改進，即增量型數(shù)字 PID 算法 [36]。在各中干擾下，被控量應能保持在給定值附近。 第四章 智能模型車系統(tǒng)控制軟件設計 21 數(shù)字 PID 算法在模型車系統(tǒng)中的應用 在模型車系統(tǒng)中，對轉向伺服電機的控制采用位置式 PID 算法，對直流驅動電機的控制采用增量式 PID 算法。 PID 參數(shù)的選擇有兩種可用方法：理論設計法和試驗確定法。因此，用試驗確定法來選擇 PID 控制參數(shù)，就成為目前經(jīng)常采用的，并且是行之有效的方法。 采樣周期在電動機控制軟件的設計中是一個重要的參數(shù)。一般來說，控制精度越高，采樣周期應該越短；為了使連續(xù)信號采