【正文】 芯片，以運算速度很快的CPU12內核為核心的單片機，經(jīng)過鎖相環(huán)后，時鐘頻率可達到64MHz，內部Flash高至128KB，擁有2組各8路10位A/D、16路I/O口，有功能強大的8位PWM輸出共8路，以及8路16位增強型定時器(ECT)。(2)道路識別模塊道路檢測模塊用于完成賽道相對智能車的偏移量、方向、曲率等信息的采集，通過連接線把信息傳送給中央控制單元，使智能車沿著跑道軌跡穩(wěn)定前行，獲取更多、更遠、更精確的賽道信息是提高智能車運行速度的關鍵。(4)舵機驅動模塊對模型車上的舵機進行驅動，達到快速準確控制賽車方向。(6)速度檢測模塊通過速度檢測模塊對模型車的速度進行檢測，實現(xiàn)閉環(huán)控制，以便調整彎道和直道的速度，從而提高平均速度，使小車能夠平穩(wěn)快速的跑完全程。通過控制算法對賽車發(fā)出控制命令，通過轉向舵機和驅動電機對賽車的運動軌跡和速度進行實時控制。 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(jù)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。(2)當小車遇到十字交叉路段或是脫離軌跡等特殊情況時，智能車應當保持與上次正常情況一致的方向行駛，速度則相應降低。十字交叉段如圖9所示。智能車行進過程中，從長直道進入連續(xù)彎道時，由于曲率變化很小，此時轉速的設定值較大，加之舵機響應時間的限制，智能車極易脫離軌跡。高速區(qū)低速區(qū)中速區(qū)高速區(qū)圖8 彎道策略圖 圖9 十字交叉段本文主要設計了一個智能車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了快速自動尋跡功能。此外，系統(tǒng)還完成了對加長轉臂舵機的控制，實現(xiàn)了轉向伺服電機與車速的配合控制。實現(xiàn)這一目標有兩個難點：一是各種外界干擾因素作用于系統(tǒng)，影響被控對象偏離控制規(guī)律，例如道路變化，檢測信號的噪聲和電池電壓不穩(wěn)等；二是控制對象車模本身的惰性使得被控量變化不能夠靈活自如。模型車控制系統(tǒng)一般可看作隨動系統(tǒng)，使得模型車跟隨道路的變化而運行，另一方面，模型車在走直線或蛇形線時，也可以看作一個恒值調節(jié)系統(tǒng)，能夠跟隨道路變化而更加平穩(wěn)快速的運行。建立起模型車運動力學模型進行分析過于復雜。首先，當模型車近似沿著道路中心線運行時，改變舵機輸出轉角即可改變模型車前輪轉向，并改變模型車與道路中心線的相對位置，位置的改變量近似等于舵機輸出轉角的隨著距離的積分。從上面簡化的車模運動模型可以看出，車模與賽道中心線的相對位置是舵機輸出轉角的積分。合理選擇比例值的大小即可達到恒值無偏差調節(jié)，同時又可以將跟隨調節(jié)的動態(tài)誤差減小到足夠小，滿足小車穩(wěn)定運行的要求。其主要的因素是小車本身的控制惰性，這個惰性主要來源于控制模型車的前輪轉向的舵機。該時間延遲使得模型車的動態(tài)性能變差，甚至使得模型車沖出跑道，該特性在設計算法時應該特別重視。系統(tǒng)的控制方法在具體的算法上，還有許多具體的形式。PID控制器本身是一種基于過去，現(xiàn)在和將來對信息進行估計的簡單控制法。根據(jù)PID控制器的原理得知，PID控制器的主要作用是平穩(wěn)的消除系統(tǒng)產(chǎn)生的偏差。換言之，當黑線不在賽車中央的時候，賽車即產(chǎn)生了一個水平偏差，此時應用PID控制算法來消除這個水平偏差，從而達到讓黑線保持在賽車中央的目的。 模糊控制方法離散式增量PID控制方法是基于模型車簡化運動模型基礎上，并假設模型車的位置與方向都接近跑道中心線的情況下提出的。它無需知道被控對象的精確模型，也不必考慮對象的模型過于復雜。 賽道記憶方式由于比賽規(guī)則要求車輛在跑道上行駛兩圈，因此車輛第一圈時通過記錄轉速傳感器采集到的脈沖數(shù)、轉向舵機的轉角等信息，來判斷區(qū)分直道、彎道、S彎道以及轉彎的方向與轉彎半徑等等信息。直道上采用最高速加速，在進入彎道之前提前進行減速，減至過彎的極限最高車速，對于不同半徑的彎道，選擇不同的車速。但是由于賽道信息在比賽前是不公布的，而且現(xiàn)在比賽的賽道越來越復雜，因此采用賽道記憶算法存在很大的風險，一旦出現(xiàn)差池，如賽道材質與預賽稍有不同、連續(xù)彎道要求極限過彎車速降低、多個十字賽道交叉等因素影響，賽車可能出現(xiàn)沖出跑道的問題。在模糊算法與PID算法中，本文最后選取的是PID算法，雖然模糊算法是一種很好的算法，正如上文所述，但是模糊算法需要較多的時間來調試和總結，才能達到理想的效果。3 控制算法仿真與開發(fā)環(huán)境智能小車采用MC9S12XS128芯片作為核心控制單元，該芯片為16位單片機擁有豐富的資源，包括CAN通訊口、BDLC模塊、PWM模塊、ATD模塊、電源管理模塊、BDM模塊等。 for HCS12軟件。包括集成開發(fā)環(huán)境IDE，處理器專家?guī)?、全芯片仿真、可視化參?shù)顯示工具、項目管理器、C交叉編譯器、匯編器、連接器及調試器等。 主控芯片MC9S12XS128簡介Freescale公司的16位單片機主要分為HC1HCS1HCS12X三個系列。HCS12X系列單片機是Freescale 公司于2005年推出的HCS12系列增強型產(chǎn)品，基于S12 CPU內核，可以達到25MHz的HCS12的25倍性能。S12X系列單片機目前又有幾個子系列：MC9S12XA系列、MC9S12XB系列、MC9S12XD系列、MC9S12XE系列、MC9S12XF系列、MC9S12XH系列和MC9S12XS系列。大賽組委會所提供了MC9S12XS128開發(fā)板，微控制器MC9S12XS128[16]可以工作在單片方式，也可以通過總線擴展存儲空間和增加I/O接口電路芯片，工作在擴展方式。MC9S12XS128有兩個8路10位精度A/D轉換器。MC9S12XS128的串行接口有以下三種。MC9S12XS128有2個具有位輸入信號沿產(chǎn)生中斷、喚醒CPU功能的8位并行口，即16個位輸入通道，這16位也可以設為輸出。最小系統(tǒng)板圖如圖11所示。(1)時鐘電路時鐘電路為單片機提供一個外接的16HZ的石英晶振。(2)BDM接口BDM接口允許用戶通過該接口向單片機下載和調試程序。BDMOUT接口是當開發(fā)上的應用程序為BDM調試器程序時，此接口可以用做BDM調試器的輸出口。通常需要采用濾波電路改善系統(tǒng)的電磁兼容性，降低系統(tǒng)對電源的高頻干擾。復位電路的作用是產(chǎn)生一個低電壓信號給MC9S12XS128的RESET端，使系統(tǒng)上電啟動。在系統(tǒng)目標板上通常添加一個手動復位按鈕，方便調試。圖11 最小系統(tǒng)板圖 功能模塊簡介PWM(Pulse Width Modulate)模塊：PWM調制波有8個輸出通道，每個通道都可以獨立的進行輸出。每個PWM輸出通道都能調制出占空比從0—100%變化的波形。它在電機驅動、D/A變換等場合有著廣泛的應用。本次大賽使用的電機驅動芯片為BTS7970B，其輸入信號即為一路PWM信號。大獎賽中使用的舵機也是用PWM來控制的。在沒有電機、舵機的具體參數(shù)的情況下，可寫一個可調周期、占空比的PWM輸出程序進行測試。該軟件包括集成開發(fā)環(huán)境IDE，處理器專家?guī)?、全芯片仿真、可視化參?shù)顯示工具、項目管理器、C交叉編譯器、匯編器、連接器及調試器等（hunter_xiaobao，2012）。Corewarrior IDE是Metrowerks為其DSP和微處理芯片所推出的專用可視化集成開發(fā)環(huán)境，功能強大，除了能編譯代碼外還具有芯片仿真等功能。Hiwave程序啟動如圖12所示。將BDM調試器與計算機相連，此時系統(tǒng)會提示安裝相應的驅動程序，選擇配套光盤目錄下2TBDML DLL Driver文件夾下的bin_tbdml_win_driver_11文件夾即可完成驅動的安裝。然后選擇OK，設置完成該項參數(shù)。(4)安裝選擇目標板S12單片機型號。也可以通過單擊【TBDML HCS12】菜單的【Select Derivative】實現(xiàn)。至此完成了所有基本參數(shù)的設置。下載程序之前必須通過Hiwave對單片機進行復位，否則會使Flash擦除不成功，甚至導致Flash保護等錯誤。復位后單片機程序停止運行，選擇TBDML HCS12菜單中Flash…命令打開如圖16所示內存擦寫窗口，先選中后三行內存進行擦除(Erase)，擦除之后下載(Load)新程序即可。圖16 程序擦寫窗口圖17 Debug操作執(zhí)行成功圖18 Unsecure操作成功 程序調試Hiwave 具有豐富的調試功能，在本車的調試過程中配合電視機的使用幾乎不需要使用別的上位機軟件。 Source：查看所下載的代碼，并具有設置斷點，單步調試等功能。 Data1：顯示程序中的靜態(tài)變量。 Assembly：顯示匯編代碼。 Memory：顯示內存數(shù)值。4 功能模塊的設計原理與流程圖本文的控制方案是根據(jù)路徑識別模塊和車速檢測模塊所獲得的當前路徑和車速信息，控制舵機和直流驅動電機動作，從而調整智能車的行駛方向和速度。主程序和中斷子程序框圖分別如圖19所示和圖20所示。如圖21所示。可以說道路識別模塊相當于小車的眼睛。本文采用的采集圖像策略是跟蹤算法。利用這個原理，在第一次搜索左右兩邊的黑線時，使用全掃描，從左邊第一個像素點到右邊最后一個像素點，分別記錄兩邊黑線內側的位置。將搜索到的左右兩邊黑線的中心位置相加再除以二，得到虛擬中心黑線的位置。 PID控制算法介紹在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID控制，又稱 PID 調節(jié)。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用 PID 控制技術最為方便。PID 控制，實際中也有 PI 和 PD 控制。將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱 PID控制器，原理框圖如圖 22 所示。PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)：及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強。數(shù)字 PID 控制算法通常分為位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。在實際代碼實現(xiàn)算法時，處理成一下形式： ()位置式 PID 控制算法的缺點是：由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關， 計算時要對過去 e(k)進行累加，計算機工作量大；而且因為計算機輸出的 u(k)對應的是 執(zhí)行機構的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化，會引起執(zhí)行機構位置的大 幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成嚴重的生產(chǎn)事故。 增量式PID控制算法對位置式加以變換，可以得到PID算法的另一種實現(xiàn)形式(增量式)： ()在實際代碼實現(xiàn)時，處理成： ()增量式 PID 具有以下優(yōu)點：(1)由于計算機輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷的方法關掉。此外，當計算機發(fā)生故障時， 由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故能保持原值。控制增量△u(k)的確定僅與最近 k 次的采樣值有關，所以較容易通過加權處理而獲得比較好的控制效果。使用時，常選擇帶死區(qū)、積分分離等改進 PID 控制算法。PID 參數(shù)的整定方法有兩大類：一是理論計算整定法。由于智能車系統(tǒng)是機電高耦合的分布式系統(tǒng)，并且要考慮賽道的具體環(huán)境，要建立精確的智能車運動控制數(shù)學模型有一定難度，而且對車身機械結構經(jīng)常進行修正，模型參數(shù)變化較為頻繁，理論計算整定法可操作性不強，最終本文采用了工程整定方法。 舵機轉向控制對舵機的閉環(huán)控制，一開始是選擇恒定P參數(shù)對小車進行控制，小車在跑動過程中，在直線上左右抖動很嚴重，彎道轉向不足等問題。更重要的是，在 KI 置零的情況下，通過合理調節(jié) Kp，發(fā)現(xiàn)車能夠在直線高速行駛時仍能保持車身非常穩(wěn)定，沒有震蕩，基本沒有必要使用 KI參數(shù)；(2) 微分項系數(shù) KD 使用定值，原因是舵機在一般賽道中都需要較好的動態(tài)響應能力； (3) 對 Kp，本文使用了二次函數(shù)曲線，Kp 隨黑線位置與中心值的偏差呈二次函數(shù)關 系增大，在程序中具體代碼如下： ()其中iError是黑線位置與中心值的偏差。 速度的閉環(huán)控制 閉環(huán)速度控制賽車在賽道上隨不同賽道情況負載隨時變化，如果單純地給定固定的PWM占空比進行開環(huán)控制，系統(tǒng)響應時間長，因此使用開環(huán)控制調速效果較差。從BangBang控制理論出發(fā)，為達到最快的速度響應，本文對速度閉環(huán)控制可以采取如下控制策略，當速度低于設定值時，電機以最高速度運轉，當速度超過設定值，電機停轉，即： ()通過實際測試發(fā)現(xiàn)，由于控制周期不可能足夠短，并且電機延遲較大，該方式實際效果不佳，賽車速度時快時慢，極不穩(wěn)定。 ()使用BangBang控制結合PID，賽車速度能被準確地控制在設定速度上，時間響應快。經(jīng)過反復調試，將每場圖像得到的黑線位置與速度 PID 參考速度值構成二次曲線關系。但是，該方法存在一定的局限。因此本文做了進一步的改進，根據(jù)入彎時黑線位置的特點動態(tài)改變二次曲線中最高點(直道的最高速度)和最低點(彎道的最低速度)的大小，結果表明，控制效果更好。圖24 黑線位置和給定速度的二次函數(shù)曲線 剎車功能的實現(xiàn)理想的賽車速度控制應當是直道上賽車以極限速度全速運行，在入彎的瞬間將速度降至通過該彎道安全車速，出彎后立即以極限速度運行。在現(xiàn)有的硬件上實現(xiàn)剎車有三種方法：(1)使用機械結構剎車。使用該方法需要增加兩個伺服電機，如果左右剎車量不一致，賽車就會發(fā)生偏移，所以需要對左右輪車速進行分別測試，并結合賽車轉向情況綜合計算，系統(tǒng)較為復雜，難以實現(xiàn)。本方式為常用的剎車功能，具體操作可以斷開驅動電路或給電機0占空比實現(xiàn)，實際效果是使賽車向前滑行，依靠輪胎與地面的摩擦力減速，但由于剎車距離較長，高速運行的賽車需要相當長的一段滑行才能達到轉彎的安全車速，所以效果并不理想。高速運行的賽車剎車時，對電機施加一個反向電流，在電機內部磁場發(fā)生反向，使轉子收