【正文】 用傳統(tǒng)的“感知建模規(guī)劃執(zhí)行”算法，其直線跟蹤速度達(dá)到 20km/h，避障速度達(dá)到 510km/h。目前，國內(nèi)的許多高校和科研院所都在進(jìn)行 ITS 關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備的研究。并且各交通、汽車企業(yè)越來越加大了對 ITS 及智能車輛技術(shù)研發(fā)的投入，整個社會的關(guān)注程度在不斷提高。相信經(jīng)過相關(guān)領(lǐng)域的共同努力，我國 ITS 及智能車輛的技術(shù)水平一定會得到很大提高 [7]。我們要結(jié)合我國國情，在某一方面或某些方面，對智能車進(jìn)行深入細(xì)致的研究，為它今后的發(fā)展及實際應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。而目前能夠用于智能車輛路徑識別的傳感器主要有光電傳感器和CCD/CMOS 傳感器 [8]。在比較了兩種傳感器優(yōu)劣之后，我們決定選用應(yīng)用光電傳感器，相信通過選用成熟的大前瞻光電傳感器，加之先進(jìn)的程序控制算法和較快的信息處理速度，光電傳感器還是可以達(dá)到極好的控制效果的。在選定智能車系統(tǒng)采用光電傳感器方案后，賽車的位置信號由車體前方的光電傳感器采集，經(jīng)XS12 MCU 的I/O 口處理后，用于賽車的運動控制決策，同時內(nèi)部PulseWidth 模塊發(fā)出PWM 波，驅(qū)動電機(jī)對智能車進(jìn)行加速和減速控制，以及舵機(jī)對賽車各個部位的轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，使賽車在賽道上能夠自主行駛。圖 21 系統(tǒng)總體方框圖根據(jù)以上系統(tǒng)方案設(shè)計，賽車共包括以下幾大模塊：單片機(jī)模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、車速檢測模塊、道路檢測模塊以及其他輔助電路。電源模塊，為整個系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源。 車速檢測模塊，檢測反饋智能車后輪的轉(zhuǎn)速，用于速度的閉環(huán)控制。輔助調(diào)試模塊主要用于智能車系統(tǒng)的功能調(diào)試、賽車狀態(tài)監(jiān)控等方面。在今后的章節(jié)中，將對整個系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制模塊和控制算法等三個方面的實現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。從而再針對具體的設(shè)計方案來調(diào)整賽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并在實際的調(diào)試過程中不斷的改進(jìn)和提高 [12]。 智能車車體機(jī)械建模 本設(shè)計選用的智能車競賽專用車模。智能車的外形大致如下：圖 31 智能車外形圖表 31 模型車基本尺寸參數(shù) 基本尺寸 尺寸 軸距 198mm 前輪距 137mm 后輪距 138mm/146mm 車輪直徑 52mm 主減傳動比 18/76 智能車前輪定位的調(diào)整 主銷后傾角 主銷后傾角是指在縱向平面內(nèi)主銷軸線與地面垂直線之間的夾角。所以，主銷后傾角越大，車速越高，前輪自動回正的能力就越強(qiáng)，但是過大的回正力矩會使車輛轉(zhuǎn)向沉重。3176。以便增加其轉(zhuǎn)向的靈活性。角度越大前輪自動回正的作用就越強(qiáng)，但轉(zhuǎn)向時也就越費力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動回正的作用就越弱。主銷內(nèi)傾的調(diào)整應(yīng)該保持在一個合適的范圍，“一般來說0176。范圍內(nèi)皆可” [13]。左右就會對于過彎性能有明顯的改善。在實際制作中，這個角度調(diào)節(jié)為8 176。 對于模型車，通過調(diào)整前橋的螺桿的長度可以改變主銷內(nèi)傾角的大小，由于過大的內(nèi)傾角也會增大轉(zhuǎn)向阻力，增加輪胎磨損，所以在調(diào)整時可以近似調(diào)整為0176。左右，不宜太大。不同之處是主銷內(nèi)傾的回正與車速無關(guān)，主銷后傾的回正與車速有關(guān)，因此高速時主銷后傾的回正作用大，低速時主銷內(nèi)傾的回正作用大。在汽車的橫向平面內(nèi)，輪胎呈“八”字型時稱為“負(fù)外傾”，而呈現(xiàn)“V”字形張開時稱為正外傾 [14]。所以事先將車輪校偏一個正外傾角度，一般這個角度約在1176。 模型車提供了專門的外傾角調(diào)整配件，近似調(diào)節(jié)其外傾角。即可，并且要與前輪前束匹配。前輪前束的作用是保證汽車的行駛性能，減少輪胎的磨損。像內(nèi)八字那樣前端小后端大的稱為“前束”，反之則稱為“后束”或“負(fù)前束”。 前束的調(diào)整總是依據(jù)主銷內(nèi)傾的調(diào)整。前輪前束的調(diào)整是方便的。而前束不會，所以調(diào)整前束是最安全、方便的。但是一定不要太大，適當(dāng)?shù)姆砰_一兩圈就夠了。主銷在垂直方向的位置確定后，改變左右橫拉桿的長度即可以改變前輪前束的大小。 調(diào)節(jié)合適的前輪前束在轉(zhuǎn)向時有利過彎，還能提高減速性。由于阻力比不調(diào)節(jié)前束時增大，所以直線加速會變慢。后一種策略可以適當(dāng)加大前束 [15]。 智能車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)調(diào)整 理想的轉(zhuǎn)向模型，是指在輪胎不打滑時，忽略左右兩側(cè)輪胎由于受力不均產(chǎn)生的變形，忽略輪胎受重力影響下的變形時車輛的的轉(zhuǎn)向建模。車輪滿足轉(zhuǎn)向原理，左右輪的軸線與后輪軸線這三條直線必然交于一點。合適的前橋和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以保證在車輛直線行駛過程中不會跑偏，能保證車輛行駛的方向穩(wěn)定性；而在車輛轉(zhuǎn)向時，合適的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以使車輛自行回到直線行駛狀態(tài)，具有好的回正性 [16]。 在模型車制做過程中，賽車的轉(zhuǎn)向是通過舵機(jī)帶動左右橫拉桿來實現(xiàn)的。由于功率是速度與力矩乘積的函數(shù)，過分追求速度，必然要損失力矩，力矩太小也會造成轉(zhuǎn)向遲鈍，因此設(shè)計時就要綜合考慮轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度與舵機(jī)力矩之間的關(guān)系，通過優(yōu)化得到一個最佳的轉(zhuǎn)向效果。圖33 舵機(jī)連片（轉(zhuǎn)向拉桿）舵機(jī)的安裝方式目前較為主流的是直立式安裝和倒置式安裝。然而舵機(jī)與連片的嚙合是類似齒輪的嚙合，由于連片的長度的以及齒寬的影響，很難調(diào)節(jié)到合適的舵機(jī)機(jī)械中值。圖34 舵機(jī)連片（中值可調(diào)）第 4章 電路設(shè)計硬件電路設(shè)計是系統(tǒng)的基礎(chǔ)。小車的硬件電路主要包括單片機(jī)模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、車速檢測模塊、道路檢測模塊以及其他輔助電路 [17]。圖41 MC9S12XS128開發(fā)板以MC9S12XS128為核心的單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計主要包括以下幾個部分：時鐘電路、電源電路、復(fù)位電路、BDM接口。 (2)、電源電路主要是給單片機(jī)提供5V電源。 (4)、BDM接口讓用戶可以通過BDM頭向單片機(jī)下載和調(diào)試程序。圖42 外部振蕩電路 電源模塊電源模塊為系統(tǒng)其它各個模塊提供所需要的電源。電源模塊為系統(tǒng)其他各個模塊提供所需要的電源，設(shè)計中除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲、防止干擾等方面進(jìn)行優(yōu)化。由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此需要電源穩(wěn)壓，轉(zhuǎn)換成所需要的5V。充電電池 電機(jī) 舵機(jī) 7805 穩(wěn)壓電路（ 5V）光電激光管 單片機(jī) 接受管 轉(zhuǎn)速傳感器圖43 電源系統(tǒng)原理圖圖43中：(1)、5V電壓。(2)、7．2V電壓。通過各個部件的正常工作電壓我們可以知道，需要采取降壓穩(wěn)壓電路來實現(xiàn)。降壓穩(wěn)壓電路可以采用串聯(lián)穩(wěn)壓和開關(guān)穩(wěn)壓兩種芯片。本次設(shè)計中我采用的是7805穩(wěn)壓芯片，所采用的應(yīng)用電路如下：圖44 穩(wěn)壓電路其中 c1 為 220uf，c2 為 100uf。 電機(jī)驅(qū)動模塊電機(jī)驅(qū)動模塊為小車的“肌肉” 。本系統(tǒng)使用的電機(jī)驅(qū)動板為BTS7960全橋驅(qū)動電路，由此電路，通過設(shè)置MC9S12輸出的PWM波的占空比可以達(dá)到控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的效果。為了使得模型車能夠平穩(wěn)地沿著賽道運行，除了控制前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)以外，還需要控制車速，使模型車在急轉(zhuǎn)彎時速度不要過快而沖出跑道。要實現(xiàn)對模型車的閉環(huán)控制，需要時刻檢測模型車當(dāng)前速度，經(jīng)常使用的測速傳感器有以下幾種： (1)、測速電動機(jī)：其實就是普通的一個電動機(jī)，將電動機(jī)的軸連接到車子傳動軸或者車子的電機(jī)上，測速電動機(jī)隨著電動機(jī)的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速的快慢決定測速電動機(jī)所產(chǎn)生的電壓，然后通過AD采樣、量化，根據(jù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果大小來判斷速度的快慢。 (3)、光電編碼器：光電編碼器是一個封閉的光電編碼盤，相比后者優(yōu)點非常多，長時間使用穩(wěn)定性高，適應(yīng)能力強(qiáng)。唯一不足就是價格是前兩者的好幾倍甚至幾十倍。圖47 光電編碼器 道路檢測模塊 道路檢測模塊為小車的“眼睛”。為了獲得更大前瞻距離，為控制系統(tǒng)后續(xù)處理贏得更多的時間，在從眾多光電傳感器中選擇了大前瞻的激光傳感器，可以使小車更穩(wěn)定、快速的行駛。由于在黑色和白色上反射系數(shù)不同，在黑色上大部分光線被吸收，而白色上可以反射回大部分光線，所以接收到的反射光強(qiáng)是不一樣，進(jìn)而導(dǎo)致接收管的特性曲線發(fā)生變化程度不同，而從外部觀測可以近似認(rèn)為接收管兩端輸出電阻不同，進(jìn)而經(jīng)分壓后的電壓就不一樣，就可以將黑白路面區(qū)分開來 [22]。我選用了8個光電傳感器，每4個光電傳感器對應(yīng)一個接收管，所有的傳感器呈“一”字排布。通過單片機(jī)程序發(fā)出180KHz 頻率的振蕩波后，經(jīng)三極管放大，激光管發(fā)光；接收部份由一個相匹配180KHz 的接收管接收返回的光強(qiáng)，經(jīng)過電容濾波后直接接入S12 單片機(jī)的PB1 與PB5口，檢測返回電壓的高低。圖49 激光傳感器發(fā)射與接收電路為了簡化8 路激光傳感器的控制，減少激光傳感器相互之間的干擾，傳感器的控制采用了分時發(fā)光的策略，由S12的8個I/O口來控制8組激光傳感器的開斷，這樣接收管就接收不到相鄰傳感器發(fā)射的激光了，因而達(dá)到了防止相互傳感器之間干擾的目的。PWM模塊主要是用來控制前輪舵機(jī)和舵機(jī)的左右轉(zhuǎn)向，以及驅(qū)動電機(jī)的運行；ECT模塊主要是用在速度脈沖采集和傳感器信息采集上，捕捉中斷并計算處理；I/O模塊主要是用于控制激光的發(fā)射和接收，以及接收和輸出各種控制信號。 在掃描完之后，開始處理采樣數(shù)據(jù)，并計算出當(dāng)前黑線與車身的相對位置。單片機(jī)再根據(jù)上舵機(jī)PWM值與光點所得到的位置綜合給出下舵機(jī)的PWM值。速度控制采用PID控制算法實現(xiàn)閉環(huán)控制。我采用的是增量式 PID 控制算法來實現(xiàn)速度控制。PID 調(diào)節(jié)在連續(xù)系統(tǒng)中應(yīng)用比較成熟。PID 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，其框圖如下所示：KpKiKd對象r e u yD(S)_圖 52 PID 控制器原理圖比例調(diào)節(jié)器（P）是一種簡單的調(diào)節(jié)器，式中Kp 為比例系數(shù)，e 為偏差。增大可以減小靜態(tài)誤差，但不能完全消除，而且過大會產(chǎn)生振蕩。但積分調(diào)節(jié)器動作過于遲緩，因而在改善靜態(tài)品質(zhì)的同時，往往使調(diào)節(jié)的動態(tài)品質(zhì)變壞，過渡過程時間加長。微分作用主要用來加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小超調(diào)，克服振蕩。 經(jīng)過一定的采樣周期離散化后，數(shù)字PID 公式為: 00 )]1()()()([)( ukeTsdjeiskepukj ??????（） 上式為位置型 PID 公式。因此一般采用增量式 PID，增量式 PID 算法只要存儲最近的三次采樣值就可以。圖 53 增量式 PID 結(jié)構(gòu)框圖增量式PID算法有以下優(yōu)點如下：(1)、增量算法不需要作累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān)，計算誤差或計算精度的問題，對控制量的影響較小，而全量算法要用到過去的誤差的積累值，容易產(chǎn)生大的積累誤差。(3)、采用增量式算法，易于實現(xiàn)由手動到自動的無沖擊切換。)]2()1(2)[])( ?????kekeKdKipu 對象開 始 系統(tǒng)初始化開啟 ECT 和PIT 中斷 速度記錄SD_sum 自加1進(jìn)入 ECT 中斷？是否進(jìn)入 PIT 中斷？讀取 SD_sum值SD_sum 清零是否PID 控制算法結(jié) 束圖 54 速度采集流程圖 方向控制算法在本智能車系統(tǒng)中, 舵機(jī)控制最為關(guān)鍵的2個方面是: 提高響應(yīng)速度和克服舵機(jī)的不對稱性 [26]。而積分系數(shù)最小只能調(diào)到1，所以小車表現(xiàn)欠佳。引入積分項所帶來的好處消除靜態(tài)誤差對智能車的控制來說是不需要的。圖55 數(shù)字PD控制結(jié)構(gòu)圖賽道變化多樣，在比較PID、PD后，發(fā)現(xiàn)PD控制在舵機(jī)控制上有諸多優(yōu)點， 首先，PD調(diào)試較簡單，總體來說只有P,D兩個參數(shù)需要調(diào)整；而且，PD控制較直觀，單純P控制可認(rèn)為是位置直接對應(yīng)舵機(jī)，Kd參數(shù)可以認(rèn)為是預(yù)測，Kd參數(shù)的大小反映了預(yù)測能力的大小,調(diào)試初期先根據(jù)實際賽車行駛情況分配一個舵機(jī)量，然后逐漸加大Kd來分析賽車行駛情況，最終確定Kp，Kd參數(shù) [27]。入口采樣 y(k)x(k)y(k)→e(K)Kp e(k)+Kd [e(k)e(k1)]→u(k)u(k)→u(k1)。激光傳感器采集信號判斷小車位置是否有效？否是單片機(jī)進(jìn)行處理計算對轉(zhuǎn)角進(jìn)行 PD 控制系統(tǒng)初始化圖57 轉(zhuǎn)向控制流程圖第 6章 調(diào)試過程前面幾章一直是在為系統(tǒng)制定方案以及方案的細(xì)化。在細(xì)分的每個模塊中，大部分都涉及有眾多參數(shù)，對這些參數(shù)的確定就需要軟硬件聯(lián)合調(diào)試。包括程序源代碼的編輯以及編譯環(huán)境，參數(shù)調(diào)節(jié)與設(shè)定工具等。采用 CodeWarrior IDE，開發(fā)人員可以得益于采用各種處理器和平臺（從 Motorola 到 TI 到 Intel）間的通用功能性。而這只是流行的 CodeWarrior 軟件開發(fā)工具中的兩個 [28]。另外，CodeWarrior IDE 支持開發(fā)人員插入他們所喜愛的工具，使他們可以自由地以希望的方式工作。實時跟蹤是要求能夠跟蹤應(yīng)用程序的動態(tài)執(zhí)行路徑，這是實時系統(tǒng)的基本要求；在 BDM 調(diào)試方式下，處理器被停機(jī)， 大量的命令可以被發(fā)送到處理器中訪問內(nèi)存和寄存器，外部仿真系統(tǒng)使用一個三腳、串行的雙工通道與處理器通信；實時調(diào)試則可