【正文】 局與局部路徑規(guī)劃；HCU 完成底層車體控制與安全監(jiān)控。德國 VaMoRs—P 智能車輛系統(tǒng)。車體采用奔馳 500 型轎車。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括方向力矩電機(jī)、電子油門和液壓制動(dòng)器等。用于圖像特征抽取、物體識(shí)別、對象狀態(tài)估計(jì)、行為決策、控制計(jì)算、方向控制和信息通信、I/O 操作、數(shù)據(jù)庫操作、圖形顯示。國內(nèi)智能車輛研究由于起步晚，以及經(jīng)濟(jì)條件的制約，在智能車輛研究領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國家有一定的差距，目前開展這方面研究工作的單位主要包括一些大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)，具有代表性的系統(tǒng)有：7B．8 智能車輛系統(tǒng)。車體是由國產(chǎn)躍進(jìn)客貨車改制而成，車上安裝了攝像機(jī)、激光雷達(dá)、陀螺慣導(dǎo)定位、超聲波等傳感器。清華大學(xué) THMR 系列智能車輛系統(tǒng)。THMR—III 的車體選用 BJl022 面包車改裝而成。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用 Sun Spark 10 l 臺(tái)、PC486 2 臺(tái)和 8098 單片機(jī)數(shù)臺(tái)。控制系統(tǒng)采用多層次“感知一動(dòng)作”行為控制及基于模糊控制的局部路徑規(guī)劃及導(dǎo)航控制。吉林大學(xué) JLUIV 系列智能車輛系統(tǒng)。JUTIVIl 型智能車的車載傳感器系統(tǒng)有 CCD 攝像機(jī)、三維激光測距儀、GPS 定位系統(tǒng)、遠(yuǎn)、近距離避障傳感器，制動(dòng)拉壓力傳感器、光電編碼器等。目前 JLUIV 系列已發(fā)展到 JUTIVIII。比賽由國家教育部高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦，飛思卡爾半導(dǎo)體公司協(xié)辦。這樣，通過提供一個(gè)相同的比賽平臺(tái)，各參賽隊(duì)伍必須仔細(xì)研究車模的數(shù)學(xué)模型和控制方案，從檢測和控制的角度來解決這個(gè)問題。方案以 M68HCS12 單片機(jī)為核心，包括總體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，各部件需要的供電電源設(shè)計(jì)，傳感器電路河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書３設(shè)計(jì)，速度檢測電路的設(shè)計(jì)以及電機(jī)與舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)等；第三章為智能車軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)傳感器采集的道路信息，經(jīng)處理分析之后，控制轉(zhuǎn)角和速度以使智能車能夠快速的跑完賽道；第四章為總結(jié)?，F(xiàn)在常用的方案有 CCD 攝像頭尋跡和光電傳感器，電磁傳感器尋跡三種方案，本設(shè)計(jì)采用的是光電傳感器。電機(jī)與舵機(jī)控制模塊：電機(jī)是模型車的動(dòng)力，分為舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可想而知對電機(jī)的控制非常重要，要做到足夠精確。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書４2 智能車硬件電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)目標(biāo)要求所設(shè)計(jì)的小車具有自動(dòng)尋跡的功能，能在指定跑道上高速，穩(wěn)定地運(yùn)行。其背景色為白色，跑道中央有一條黑線作為小車行進(jìn)的依據(jù)。在智能車的賽道中，包括如下幾種路況：直道，圓弧彎道，連續(xù) S 形道，十字交叉道，如圖 21 所示。圖 21 智能車賽道小車在運(yùn)行的過程中，路況的變化是擾動(dòng)的主要來源。路況變化的劇烈，一方面由賽道本身決定，另外一方面由小車運(yùn)行的速度決定。前者影響穩(wěn)定性，后者影響小車運(yùn)行速度。智能車的硬件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，分為控制芯片MC9S12DG128B電路單元，電源的管理單元，路徑識(shí)別單元，車速檢測單元、舵機(jī)控制單元和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制單元，各單元設(shè)計(jì)如下： （1）電源管理單元主要為穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)及合理利用，電壓穩(wěn)壓到5伏給系統(tǒng)各部件供電。 （3）車速檢測單元主要作為小車速度閉環(huán)控制的反饋環(huán)節(jié)，該模塊主要采用旋轉(zhuǎn)編碼器作為車速檢測元件。 （4）舵機(jī)控制單元采用PWM查表法來對舵機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)通過加長舵機(jī)的力臂來提高舵機(jī)的響應(yīng)速度。 其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 22 所示。芯片引腳圖如圖 23 所示。晶振電路如圖 24 所示。復(fù)位電路如圖 25 所示。河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書９ 電源管理單元電源是智能車控制系統(tǒng)的動(dòng)力來源，為智能車上的硬件，如為處理器，傳感器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供穩(wěn)定可靠的電壓?？紤]到模擬道路的路況十分復(fù)雜，彎道多，直道少，鎳鎘、鎳氫等電池?zé)o法為智能車控制系統(tǒng)提供持續(xù)，穩(wěn)定的電壓。由于智能車電路系統(tǒng)中不同模塊所需的工作電壓和電流容量各不相同，因此電源轉(zhuǎn)換電路應(yīng)包括多個(gè)穩(wěn)壓電路。根據(jù)系統(tǒng)各部分正常工作的需要，本系統(tǒng)電壓值分為 5 伏、 伏和 伏三個(gè)檔。電路如圖 26 所示。 （3）直接供給直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 路徑識(shí)別單元探測路面黑線的基本原理：由發(fā)射管發(fā)射一定波長的紅外線，經(jīng)地面反射到接收管。而從外部觀測可以近似認(rèn)為接收管兩端輸出電壓不同，經(jīng)分壓后的電壓也就不同，從而可以將黑白路面區(qū)分開來。路面信息檢測原理圖如圖 27 所示。因?yàn)榇穗娐烦叽缧?、質(zhì)量輕、靈敏度高，外圍電路簡單。如圖 28 所示。理論上，小車能感知的距離越遠(yuǎn)，那么就有更多的時(shí)間來處理前方的情況，也會(huì)跑的更好。射向地面。圖 28 路面信息檢測原理圖圖 29 傳感器示意圖 車速檢測模塊旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速的裝置。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（幾十個(gè)到幾千個(gè)都有），和供電電壓等。本系統(tǒng)車速檢測單元采用日本 OMRON 公司的 E6A2CW3C 型旋轉(zhuǎn)編碼器作為車速檢測元件。其硬件電路如圖 210 所示。因?yàn)?E6A2CW3C 型旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出方式為電平輸出，所以本系統(tǒng)將旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出接一個(gè) 2K 上拉電阻再與 MC9S12DG128 的 I/O 口 PT0 相連。在旋轉(zhuǎn)編碼器的中軸上安裝一個(gè)直徑為 4cm，齒數(shù) 76，傳動(dòng)比 1：1 的齒輪，并將該齒輪與同軸于后輪的傳動(dòng)齒輪咬合。此時(shí)只需要測量一定時(shí)間(10ms)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖數(shù)就能準(zhǔn)確計(jì)算出車速。舵機(jī)控制采用電壓反饋閉環(huán)控制時(shí)，由于采用電位器檢測反饋電壓作為反饋回路，其檢測精度不高，達(dá)不到較好的控制效果，故舵機(jī)采用 PWM 信號開環(huán)控制。根據(jù)檢測的不同路徑，判斷出小車所在位置，按不同的區(qū)間給出不同的舵機(jī) PWM 控制信號，小車轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度。在程序中預(yù)先創(chuàng)建控制表，路徑識(shí)別單元檢測當(dāng)前的路況，單片機(jī)通過查表可知當(dāng)前的路況，然后給出相應(yīng)的 PWM 信號控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向。多少的脈寬對應(yīng)多少的轉(zhuǎn)角一目了然。其硬件電路如圖 212 所示。舵機(jī)的控制信號線與 MC9S12DG128 的 PWM3 口相連，為提高舵機(jī)的精度，加大 PWM 信號控制范圍，將 2 個(gè) 8 位 PWM 信號寄存器合并作為一個(gè) 16 位的寄存器進(jìn)行輸出。河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書１４圖 211 轉(zhuǎn)角與脈寬關(guān)系圖 212 轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制電路 直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制單元系統(tǒng)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制單元采用 RS380ST 型直流電機(jī)，由于路況十分復(fù)雜，彎道多，直道少，所以采用 MC33886 電機(jī)驅(qū)動(dòng) H 橋芯片作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)元件。MC33886內(nèi)部具有過流保護(hù)電路，接口簡單易用，能夠提供比較大的驅(qū)動(dòng)電流，考慮到實(shí)際驅(qū)動(dòng)電流可能很大，故采用 2 片 MC33886 并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)。為了提高 PID 控制的精度，將 PWM0 和 PWM1 兩個(gè) 8 位寄存器合并成 PWM01。MT_VCC 為 5 伏，IN1 和 IN2 分別為MC33886 的 PWM 信號輸入端口。DD2 為芯片的使能端。（1）單片機(jī)的初始化模塊包括：I/O模塊、PWM模塊、AD模塊、計(jì)時(shí)器模塊、定時(shí)中斷模塊初始化。（3）舵機(jī)控制模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊：通過直接輸出PWM信號控制。模糊控制算法把由各種傳感器測出的精確量轉(zhuǎn)換成為適于模糊運(yùn)算的模糊量，然后將這些量在模糊控制器中加以運(yùn)算，最后再將運(yùn)算結(jié)果中的模糊量轉(zhuǎn)換為精確量，以便對各執(zhí)行器進(jìn)行具體的操作控制。本系統(tǒng)控制軟件采用 CodeWarrior 軟件及 BDM 作為調(diào)試工具，此外，編程環(huán)境支持 C 語言和匯編語言的程序設(shè)計(jì)，以及 C 語言與匯編語言的混合編程，大大方便了程序設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率?？刂葡到y(tǒng)中對被控對象的檢測是一個(gè)非常重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為保證小車一直沿著黑色引河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書１７導(dǎo)線快速行駛，系統(tǒng)主要的控制對象是小車的轉(zhuǎn)向和車速。從彎道進(jìn)入直道時(shí)，小車的舵機(jī)要轉(zhuǎn)向至中間，速度應(yīng)該立即得到提升。首先繪制出系統(tǒng)軟件流程圖，如圖 31 所示：單片機(jī)初始化定時(shí)器中斷使能 開始開始啟動(dòng)定時(shí)器實(shí)時(shí)路徑檢測輸出伺服電機(jī) PWM控制信號定時(shí)中斷速度采樣計(jì)算偏差和變化率輸入量模糊化 模糊推理 反模糊化 PID 控制PWM 控制信號驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)定速度 NY河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書１８圖 31 軟件流程圖 路徑的檢測我們采用模擬量對黑線的位置定位。小車行使過程中，將每個(gè)傳感器輸出的信號減去最小值，再除以該傳感器的輸出范圍即可得到其相對輸出值， 然后找到其中最大的那個(gè)值。就可以根據(jù)這三個(gè)值可以算出黑線的準(zhǔn)確位置，具體公式如式（31）所示：position=percent[j]*weight[j]+percent[j+1]*weight[j+1]+percent[j1]*weight[j1] （31）percent[j]為所占黑線的百分比，weight[j]為當(dāng)前光電管所在位置。 if(percent[10]50 amp。percent[14]50) { if(flag==0){ TIE_C1I=1。 TFLG1_C1F=1。 } for(i=11。i++) sum+=percent[i]。amp。 if(sum=220)iscrossing++。我們采用的是 PD 控制，因?yàn)檫@樣可以讓舵機(jī)的控制速度更快，輸入黑線位置和黑線位置的變化率，通過分段比例控制輸出相應(yīng)的 PWM 值。使用分段比例控制既方便又可以解決以上兩種問題。所以，根據(jù)上排光電管檢測到的不同信號，可以判斷出小車所處的位置。調(diào)整舵機(jī)的原則是：小車處于直道，則擺正舵機(jī)，使小車沿直線行駛。除此之外，小車還會(huì)遇到黑色交叉線的特殊情況，對此，本系統(tǒng)將保持原有的小車方向與速度，使小車不受交叉線的干河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書２０擾。 程序段如下：void angle_sample(void) { int pwmdty1=0。 //else { if(distance0) pwmdty1=fuzzy1()。 //} if(pwmdty160) pwmdty1=60。 PWMDTY23=ini_Angle+pwmdty1。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書２１ dif1=abs(distance)error1[error1num1]。j0。 error1[0]=abs(distance)。編碼器輸出的脈沖輸入到 PACN10，通過定時(shí)器申請中斷，間隔一定時(shí)間讀取 PACN10 的值，由于是一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，所以可以看成是電機(jī)速度。輸入黑線位置和黑線位置的變化率，通過模糊推理輸出一個(gè)當(dāng)前所需的速度量。 模糊控制設(shè)定速度因?yàn)閺澋赖姆植记闆r也不能確定，小車可能頻繁的進(jìn)出彎道，不停的調(diào)整速度來適應(yīng)不同軌跡。(2) 隸屬函數(shù)的確定MC9S12DG128B 的隸屬函數(shù)的數(shù)值描述有固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即起點(diǎn)的河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書２２坐標(biāo)值、終點(diǎn)的坐標(biāo)值、前沿斜率、后沿斜率；且輸出的隸屬函數(shù)須采用單值函數(shù)。設(shè)計(jì)輸入的隸屬函數(shù)如圖 32 所示：(a) 圖 32 隸屬函數(shù)(3)模糊規(guī)則庫的建立確定控制規(guī)則是模糊控制器設(shè)計(jì)的核心工作。具體可如下實(shí)現(xiàn)：首先可以結(jié)合自身現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)制定出初步規(guī)則表，然后結(jié)合串口調(diào)試工具實(shí)時(shí)返回?cái)?shù)據(jù)，對規(guī)則進(jìn)行微調(diào)。見表 31。MC9S12DG128B 單片機(jī)中規(guī)定各個(gè)前件之間只進(jìn)行模糊與運(yùn)算，而如果幾個(gè)規(guī)則的邏輯后件影響到同一個(gè)模糊輸出，它們之間隱含模糊或運(yùn)算。反模糊化采用重心法（COG 法） 。 PID 控制調(diào)整速度本系統(tǒng)采用的是增量式數(shù)字 PID 控制，它是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。 閉 環(huán)控 制 系 統(tǒng) 有 正 反 饋 和 負(fù) 反 饋 ， 若 反 饋 信 號 與 系 統(tǒng) 給 定 值 信 號 相 反 ， 則 稱