【正文】 圖像信息，顯得力不從心，CCD攝像頭尋跡方案的優(yōu)點(diǎn)是可以更遠(yuǎn)更早地感知賽道的變化，但是信號(hào)處理比較復(fù)雜，如何對(duì)攝像頭記錄的圖像進(jìn)行分割和識(shí)別，加快處理速度是攝像頭方案的難點(diǎn)之一。這種方法利用了路面不同的材料和顏色對(duì)光線的吸收和反射量不同，這樣我們檢測(cè)反射回來(lái)的光線就可以得到當(dāng)前位置的材料或者顏色。光電傳感器尋跡方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、信號(hào)處理速度快。 缺點(diǎn)：感知前方賽道距離有限，受外界紅外頻段光線干擾，精度比較低。 反射式紅外檢測(cè)方式又可以分為交流式和直流式。方案選擇論證：考慮到小車微處理器采用的是規(guī)定的S12單片機(jī)，其運(yùn)算速度決定了對(duì)圖像的處理與分析的時(shí)間很難達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求，控制精度很難達(dá)到要求的范圍，小車速度也必定不能提高。根據(jù)上面介紹的兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，權(quán)衡穩(wěn)定性、精度和速度后，我們選用了直流反射式紅外光電管方案。這些我們將在以下幾章詳細(xì)介紹。常用的測(cè)速方案有以下幾種：方案一： 光電測(cè)速傳感器原理是傳感器開(kāi)孔圓盤的轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)軸相連接，光源的光通過(guò)開(kāi)孔盤的孔和縫隙反射到光敏元件上，開(kāi)孔盤隨旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)一周，光敏元件上照到光的次數(shù)等于盤上的開(kāi)孔數(shù)，從而測(cè)出旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)速度。方案二： 測(cè)速發(fā)電機(jī)原理是將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，適合于測(cè)量速度較高的旋轉(zhuǎn)物體的速度。但市場(chǎng)上測(cè)速發(fā)電機(jī)應(yīng)用于低壓市場(chǎng)的比較少，而且都比較重，不適用于模型車，并且要將側(cè)速發(fā)電機(jī)安裝到電動(dòng)車上需要對(duì)電動(dòng)車模型進(jìn)行較大改動(dòng)，由于其質(zhì)量較重，可能會(huì)嚴(yán)重影響電動(dòng)車的機(jī)動(dòng)性能，除非自制。 圖9 測(cè)速發(fā)電機(jī)方案三： 霍爾傳感器 其工作原理是：利用霍爾開(kāi)關(guān)元件測(cè)轉(zhuǎn)速，內(nèi)部具有穩(wěn)壓電路、霍爾電勢(shì)發(fā)生器、放大器、施密特觸發(fā)器和輸出電路，其輸出電平和 TTL 電平兼容?；魻栭_(kāi)關(guān)固定在小磁鋼附近，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體以角速度 M 旋轉(zhuǎn)時(shí)，每當(dāng)一個(gè)小磁鋼轉(zhuǎn)過(guò)霍爾開(kāi)關(guān)，霍爾開(kāi)關(guān)便輸出一個(gè)脈沖，計(jì)算出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，即可確定旋轉(zhuǎn)體的速度。 電源模塊是整個(gè)智能車能否良好運(yùn)行的最重要的基礎(chǔ)，良好的電源模塊可以大大減小系統(tǒng)出現(xiàn)疑難故障的幾率，并且穩(wěn)定的電源模塊也是系統(tǒng)各個(gè)部分協(xié)調(diào)工作的必要條件之一。解決方案介紹，而輸出要求5V和6V，不能使用最普通的并且常見(jiàn)的直流穩(wěn)壓電源芯片7805和7806，因?yàn)樗麄円筝斎胼敵鲭妷簤翰钪辽僭?V以上，所以我們選用了低壓降的LM2940作為5V電壓的穩(wěn)壓模塊，并且由于舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)電源的影響很大，可能導(dǎo)致電源有較大紋波，為了盡可能的降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向舵機(jī)之間的干擾，我們采用另外一個(gè)穩(wěn)壓電源芯片專門為轉(zhuǎn)向舵機(jī)供電，我們選中LM1117為轉(zhuǎn)向舵機(jī)單獨(dú)提供電源，通過(guò)改變LM1117接地端（2引腳）的電勢(shì)，我們可以調(diào)節(jié)LM1117的輸出電壓，以滿足轉(zhuǎn)向舵機(jī)的電壓要求。電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖10所示。本設(shè)計(jì)中，小車的控制包括橫向控制（即轉(zhuǎn)角控制）和縱向控制（即速度控制），必須根據(jù)不同傳感器控制輸入量的特性以及不同執(zhí)行部件控制輸出量的特性不同，選擇合適的控制算法，才能達(dá)到良好的控制效果.。 經(jīng)典控制理論是過(guò)去人們常用的控制理論，這種控制理論只能解決線性定常系統(tǒng)的控制問(wèn)題。經(jīng)典控制方法是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。PID控制應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟，其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易調(diào)整，不必求出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型就可以調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)品質(zhì)取決于 PID 控制器各個(gè)參數(shù)的整定。故而現(xiàn)代控制理論在航空航天和軍事上有很大的作用。 在控制工程中，有一些復(fù)雜的被控對(duì)象（或過(guò)程）的特性難以用一般物理及數(shù)學(xué)的已有規(guī)律來(lái)描述，而且沒(méi)有適當(dāng)?shù)臏y(cè)試手段，或測(cè)試儀器無(wú)法進(jìn)入被測(cè)區(qū)，以致不可能為其建立數(shù)學(xué)模型。 自從 1974 年英國(guó)的 Mamdani 首次用模糊邏輯實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽機(jī)的控制之后，模糊控制就成為一種有別于經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制的新的控制方式。故而模糊控制是比經(jīng)典和現(xiàn)代控制更高一級(jí)的控制方法，即智能控制方法。由于模糊控制采用人的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，有時(shí)也稱經(jīng)驗(yàn)控制或規(guī)則控制，模糊控制有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1． 無(wú)需預(yù)先知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，所以，可以對(duì)那些數(shù)學(xué)模型難以求取或無(wú)法求取的對(duì)象進(jìn)行有效控制；2． 由于控制規(guī)則是以人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的條件語(yǔ)句表示的，所以，對(duì)于對(duì)模糊控制理論不熟悉的人來(lái)說(shuō)，也很容易學(xué)懂和掌握模糊控制的方法；3． 對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)變化有較強(qiáng)的魯棒性；4． 由于表示控制知識(shí)是以人的語(yǔ)言形式，故有利于人機(jī)對(duì)話和系統(tǒng)的知識(shí)處理，從而有利于系統(tǒng)處理的靈活性和機(jī)動(dòng)性。根據(jù)對(duì)以上三種控制方法的分析比較，結(jié)合小車系統(tǒng)各個(gè)被控對(duì)象的特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)比較，本設(shè)計(jì)中小車的橫向控制采用經(jīng)典的 PID 算法，縱向控制則采用了模糊控制的方法。轉(zhuǎn)速達(dá)到14060r/min時(shí)，工作效率最大。由于比賽中不需要模型車倒車，所以電機(jī)之工作在正轉(zhuǎn)方向上做功與發(fā)電兩個(gè)狀態(tài)。圖11給出了基于MC33886全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的電路原理圖。但是相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。?驅(qū)動(dòng)集成電路并聯(lián)使用提供更大的驅(qū)動(dòng)電流。?可以為功率管或者集成驅(qū)動(dòng)電路添加散熱片，改善它們工作條件，提高它們過(guò)載能力。模型車在啟動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，一方面會(huì)對(duì)其他電路造成電池兩端的電壓下降，甚至?xí)陀诜€(wěn)壓電路所需要的最低電壓值，產(chǎn)生單片機(jī)復(fù)位現(xiàn)象。在啟動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓有一個(gè)漸變過(guò)程，使得電機(jī)啟動(dòng)速度略微降低從而減小啟動(dòng)沖擊電流的幅度。 調(diào)試電路模塊調(diào)試電路用于模型車模型車開(kāi)發(fā)調(diào)試階段工作中，特別是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中。調(diào)試電路通常與制作電路制作在一起，也可以單獨(dú)制作成可拆分的模塊，在比賽時(shí)將其拆下來(lái)。對(duì)控制電路的工作參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修改，可以避免對(duì)單片機(jī)中程序反復(fù)下載的麻煩，也可以比賽現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)對(duì)模型車運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行最后的設(shè)置于優(yōu)化。雖然調(diào)試電路的功能不對(duì)模型車直接進(jìn)行控制，但“磨刀不誤砍柴工”，好的調(diào)試電路（或者調(diào)試工具）再加上正確的調(diào)試方法可以大大提高模型車調(diào)試的工作效率，方便排除硬件和軟件的缺陷，能夠檢測(cè)模型車運(yùn)行性能，這些為尋找最優(yōu)的控制策略以及控制參數(shù)打下基礎(chǔ)。在模型車上，多級(jí)的輸出轉(zhuǎn)角通過(guò)連桿傳動(dòng)控制前輪轉(zhuǎn)向。比賽規(guī)則要求模型車中的舵機(jī)數(shù)不超過(guò)3個(gè)。它由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)和控制電路組成。在負(fù)載力矩小于最大輸出力矩的情況下，它的輸出轉(zhuǎn)角正比于給定的脈沖寬度。另外一根連線（藍(lán)色或者黃色）為控制信號(hào)線。舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與控制信號(hào)脈寬之間的關(guān)系如圖13所示。單片機(jī)中有8路獨(dú)立的PWM輸出端口，可以將其中相鄰的2路PWM輸出級(jí)聯(lián)成一個(gè) 16位PWM輸出。s侯，設(shè)置級(jí)聯(lián)PWM周期常數(shù)為60000，對(duì)應(yīng)PWM 周期為20ms，ＰＷＭ占空比常數(shù)為4500對(duì)應(yīng)－45輸出為1..5ms。 脈寬之間的關(guān)系車模采用大賽組統(tǒng)一提供的SRM102型舵機(jī)，工作電源為6V。所需要的時(shí)間表示。舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度有時(shí)間延遲，時(shí)間延遲正比于旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度，反比于舵機(jī)的響應(yīng)速度。盡量選擇最大的輸出電壓，可以提高舵機(jī)的響應(yīng)速度。提高舵機(jī)控制前輪轉(zhuǎn)向速度的另外一個(gè)方法是采用杠桿原理，在舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)盤上安裝一個(gè)較長(zhǎng)的輸出臂，將轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿連接在輸出臂末端。連接方式如圖14所示。 電池電壓檢測(cè) 蓄電池電壓的大小不僅影響電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)也對(duì)其他電源模塊也有影響。電池電壓可以通過(guò)電阻分壓后通過(guò)單片機(jī)的A/D輸入端口進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)這些信息可以調(diào)整模型車速度保證運(yùn)行穩(wěn)定性。 MC9S12DG128單片機(jī)介紹 HCS12原理及應(yīng)用PWM模塊介紹 開(kāi)始介紹該MCU的PWM模塊。每 一個(gè)輸出通道都有一個(gè)精確的計(jì)數(shù)器（計(jì)算脈沖的個(gè)數(shù)），一個(gè)周期控制寄存器 和兩個(gè)可供選擇的時(shí)鐘源。PWM 的主要特點(diǎn)有：它有 8 個(gè)獨(dú)立的輸出通道，并且通過(guò)編程可控制其輸出波形的周期。每一個(gè)通道的 PWM 輸出使能都可以由編程來(lái)控制。周期和脈寬可以被雙緩沖。8 字節(jié)或 16 字節(jié)的通道協(xié)議。通過(guò)編程可以實(shí)現(xiàn)希望的時(shí)鐘周期。 每一個(gè)通道都可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)左對(duì)齊輸出還是居中對(duì)齊輸出。每一個(gè)PWM 的輸出通道都有一個(gè)使能位 PWMEx 。當(dāng)任意的 PWMEx 位置 1，則相關(guān)的 PWM 輸出通道就立刻可用。當(dāng)輸出通道工作在串聯(lián)模式時(shí)（PWMCTL 寄存器中的 CONxx 置1），那么）使能相應(yīng)的 16 位 PWM 輸出通道是由 PWMEx 的高位控制的，例如 ：設(shè)置 PWMCTL_CON01 = 1,通道0、1級(jí)聯(lián)，形成一個(gè)16位 PWM 通道，由通道 1 的使能位控制 PWM 的輸出。PWM時(shí)鐘選擇寄存器PWMCLKPWMCLK 寄存器每一位如圖3 所示： 復(fù)位默認(rèn)值：0000 0000B圖2 PWMCLK 寄存器其中0、5 通道可選用ClockA和ClockSA，7 通道可選用ClockB、ClockSB 通道。 復(fù)位默認(rèn)值：0000 0000B圖 3 PWMPRCLK 寄存器ClockA、ClockB的值為總線時(shí)鐘的1/2n (0≤n≤7)，具體設(shè)置參照?qǐng)D4和圖5圖 4 Clock A 預(yù)分頻設(shè)置圖5 Clock B 預(yù)分頻設(shè)置PCKB0~PCKB2 是對(duì)ClockB進(jìn)行預(yù)分頻。PWM分頻寄存器PWMSCLA、PWMSCLBPWMSCLA 寄存器每一位如圖 6 所示：圖6 PWMSCLA寄存器Clock SA 是通過(guò)對(duì) PWMSCLA 寄存器的設(shè)置來(lái)對(duì)ClockA 進(jìn)行分頻而產(chǎn)生的。其計(jì)算公式為：Clock SB=Clock B /(2*PWMSCLB) PWM寄存器說(shuō)明3PWM極性選擇寄存器PWMPOLPWMPOL 寄存器每一位如圖7 所示：對(duì)外輸出波形先是高電平然后再變?yōu)榈碗娖?。PWM波形對(duì)齊寄存器PWMCAEPWMCAE 寄存器每一位如圖 8 所示：PWMCAE 寄存器包含 8 個(gè)控制位來(lái)對(duì)每個(gè) PWM 通道設(shè)置左對(duì)齊輸出或中心對(duì)齊輸出。用法: PWMCAE_CAE0 = 1 通道0 中心對(duì)齊輸出 PWMCAE_CAE7 = 0 通道7 左對(duì)齊輸出注意：只有輸出通道被關(guān)閉后才能對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，即通道被激活后不能對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。左對(duì)齊方式在該方式下，脈沖計(jì)數(shù)器為循環(huán)遞增計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)初值為0 。當(dāng)計(jì)數(shù)值與占空比常數(shù)寄存器PWMDTY相等時(shí)，比較器1輸出有效，將觸發(fā)器置位，而PWMCNT繼續(xù)計(jì)數(shù)；當(dāng)計(jì)數(shù)值與周期常數(shù)寄存器PWMPER相等時(shí)，比較器2輸出有效，將觸發(fā)器復(fù)位，同時(shí)PWMCNT也復(fù)位，結(jié)束一個(gè)輸出周期。當(dāng)PWM使能后，計(jì)數(shù)器PWMCNT從0開(kāi)始對(duì)時(shí)鐘信號(hào)遞增計(jì)數(shù)，開(kāi)始輸出一個(gè)周期。原理參照?qǐng)D6:圖152. S2用來(lái)連接 LM1881 與單片機(jī) AD0 引腳，焊接 0 歐電阻或直接用焊錫連接該處單片機(jī)AD0 引腳將與 LM1881 視頻輸入引腳連接，這樣在 AD0 引腳輸入模擬視頻信號(hào)，單片機(jī)即可對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采集同時(shí)板載 LM1881 進(jìn)行視頻信號(hào)分離。4. MODESET單片機(jī)運(yùn)行模式設(shè)置，默認(rèn)情況下焊接 3 個(gè) 電阻至此則為單片運(yùn)行模式，若需要更改單片機(jī)的運(yùn)行模式，可將此處電阻焊下，通過(guò)對(duì)引腳 PE4,PE5,PE6,PE7 輸入對(duì)應(yīng)高低電平則可更改運(yùn)行模式。如同多數(shù)軟件開(kāi)發(fā)商一樣，Metrowerks 公司提供 CodeWarrior的教學(xué)版本（Special Edition），使用教學(xué)版本對(duì)成的代碼有一定的限制，不能超過(guò) 12KB，對(duì)工程包含的文件數(shù)目限制在了 30 個(gè)以內(nèi)[3]。關(guān)于CodeWarrior for HCS12 的詳細(xì)使用說(shuō)明，請(qǐng)參閱 freescale 網(wǎng)站上的技術(shù)手冊(cè)（）。在 BDM 模式下，可以對(duì) Flash 做寫入和擦除操作，故可以在產(chǎn)品出廠前即將應(yīng)用程序下載的產(chǎn)品當(dāng)中去，也可以在產(chǎn)品出廠后更應(yīng)用程序。一些 MCU 的內(nèi)部寄存器只能在 BDM 模式下操作，特別是一些單片機(jī)內(nèi)部詞源配置的寄存器。S12 系列單片機(jī)的 BDM調(diào)試模式有這種功能。S12 單片機(jī)是 16 位單片機(jī)，每次讀操作可以讀入 2 條指令，對(duì)于下一個(gè)度指令周期來(lái)說(shuō)，就可能是一個(gè)空周期。 S12 片內(nèi)的 BDM 模塊框圖如圖 12 所示，右邊的 BKGD 引腳與 BDM調(diào)試器相連，左邊接入片內(nèi)的 CPU 總線。Altium Designer 是業(yè)界首例將設(shè)計(jì)流程、集成化 PCB 設(shè)計(jì)、可編程器件（如FPGA）設(shè)計(jì)和基于處理器設(shè)計(jì)的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)功能整合在一起的產(chǎn)品。 以前這些高級(jí)的 PCB 設(shè)計(jì)技術(shù)被限定在‘高級(jí)’ 的 PCB 設(shè)計(jì)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品對(duì)于大多數(shù)工程師來(lái)說(shuō)價(jià)格昂貴。 Altium Designer 極大減少了帶有大量管腳的器件封裝在高密度板卡上設(shè)計(jì)的時(shí)間，簡(jiǎn)化了復(fù)雜板卡的設(shè)計(jì)導(dǎo)航功能，設(shè)計(jì)師可以有效處理高速差分信號(hào)，尤其對(duì)大規(guī)?？删幊唐骷系拇罅?LVDS 資源。 主要工作說(shuō)明 第二節(jié)：闡述了機(jī)械設(shè)計(jì)的具體方法。 第四節(jié)：系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)：比較了常用控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì) PID算法和模糊控制算法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并根據(jù)小車系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和運(yùn)行環(huán)境及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較對(duì)小車縱向控制和橫向控制算法進(jìn)行了合理選擇。 第六節(jié)：對(duì)智能車進(jìn)行測(cè)試優(yōu)化，調(diào)整參數(shù)，改善智能車的性能。第2節(jié) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械設(shè)計(jì)主要指小車車模各機(jī)械