【正文】 2（a）所示。~3。 圖22（a）主銷后傾示意圖 圖22（b）主銷內(nèi)傾示意圖 圖22（c）車輪外傾示意圖 圖22（d）車輪束角主銷內(nèi)傾角：有使車輪自動(dòng)回正的作用，有利于出彎回正，其示意圖如圖22（b）所示，內(nèi)傾角不宜過(guò)大，過(guò)大會(huì)增加輪胎與賽道的摩擦阻力，降低車速，降低防滑膠套壽命。車輪外傾示意圖如圖22（c）所示。前束能使車輪向內(nèi)側(cè)滑移，增大車輪摩擦力；當(dāng)轉(zhuǎn)向輪在后面后，前束的實(shí)質(zhì)其實(shí)是之前的后束，因?yàn)檫@樣可以實(shí)現(xiàn)過(guò)彎時(shí)，外輪打角會(huì)比內(nèi)輪小，四個(gè)輪子的轉(zhuǎn)彎半徑將在一個(gè)圓心上，使轉(zhuǎn)彎的狀態(tài)達(dá)到最佳。關(guān)于后輪轉(zhuǎn)向束角的示意圖如圖23所示。圖23 后輪轉(zhuǎn)向束角示意圖根據(jù)上述理論和實(shí)際的測(cè)試，我們將車模的轉(zhuǎn)向輪最終調(diào)整為如下圖24所示。因?yàn)楸敬蜝型車是前輪驅(qū)動(dòng)，B型車的電機(jī)可達(dá)到的轉(zhuǎn)速比較高，所以在車模高速跑出賽道時(shí)，連接車身和電機(jī)的軸很容易被撞斷，經(jīng)組委會(huì)討論，同意在底盤(pán)固定PCB板材質(zhì)的板材固定車身和電機(jī)，這樣整個(gè)車身變成了硬固定。為了獲得更為精確的電機(jī)轉(zhuǎn)速返回值，我們?cè)谲嚹Ｉ习惭b的是歐姆龍500線編碼器。最終綜合考慮了讀數(shù)精準(zhǔn)和重心分布兩大因素，用自制固定板和專業(yè)的齒輪進(jìn)行了安裝配合，盡量使得傳動(dòng)齒輪軸保持平行，傳動(dòng)部分輕松、流暢，不存在過(guò)大噪音和丟數(shù)情況。圖25 編碼器安裝原裝車模的舵機(jī)安裝在車身中間，連接著車模的避震，但考慮到需要通過(guò)改變電池的位置來(lái)獲得比較滿意的中心分布，同時(shí)為了主板的安裝以及車模轉(zhuǎn)向性能，我們對(duì)舵機(jī)安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較大的調(diào)整。舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和功率是一定，要想加快轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度，唯一的辦法就是優(yōu)化舵機(jī)的安裝位置及其力矩延長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度。最終，我們參考了一套舵機(jī)的安裝方式，保持舵機(jī)直立的方案，并改變其位置與車尾，綜合考慮了速度與力矩的關(guān)系，再根據(jù)模型車底盤(pán)的具體結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了安裝方式，經(jīng)多次測(cè)試，這樣的安裝方式能實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。圖26 舵機(jī)安裝車模的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)主要是靠舵機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，關(guān)于舵機(jī)和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向關(guān)系的分析就顯得尤為重要。但是舵機(jī)的打角和轉(zhuǎn)向輪的打角并不是簡(jiǎn)單得線性關(guān)系。轉(zhuǎn)向輪打角越小時(shí)，隨著打角變化，轉(zhuǎn)彎半徑變化越明顯，即小轉(zhuǎn)角對(duì)半徑的變化會(huì)更加明顯，對(duì)直道和大半徑的彎道有較大的影響，因而從前橋到舵機(jī)連片的機(jī)械固定需牢靠，盡量減少虛位。在某一特定高度下是可以實(shí)現(xiàn)線性變化的，當(dāng)然這對(duì)機(jī)械的要求非常高，在多次嘗試后，我們決定在讓兩者關(guān)系盡量線性的基礎(chǔ)上，加一定的二次曲線補(bǔ)償，這樣我們就可以在在思路上為通過(guò)舵機(jī)轉(zhuǎn)角改變從而獲得所要前輪轉(zhuǎn)角提供便利。為了降低整車重心，我們摒棄了以往通過(guò)鋁合金夾持組件來(lái)固定攝像頭，采用我們自行設(shè)計(jì)的PCB材質(zhì)的攝像頭固定板。底部采用定制的鋁合金固定件固定碳卷管。攝像頭的安裝如圖27所示。可靠性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一要求，我們對(duì)電路設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)都進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計(jì)，做好各部分的接地、屏蔽、濾波等工作，將高速數(shù)字電路與模擬電路分開(kāi)，使本系統(tǒng)工作的可靠性達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。我們?cè)趯?duì)電路進(jìn)行了詳細(xì)分析后，對(duì)電路進(jìn)行了簡(jiǎn)化，合理設(shè)計(jì)元件排列、電路走線，使本系統(tǒng)硬件電路部分輕量化指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。考慮到MK60N512ZVLQ10的最小系統(tǒng)板比較大，會(huì)占據(jù)較大的主板空間，在電池及其他結(jié)構(gòu)調(diào)整時(shí)主板的空間有限，所以在設(shè)計(jì)主板時(shí)，直接將MCU設(shè)計(jì)在主板上，直接形成信號(hào)采集、信號(hào)處理、電機(jī)控制、舵機(jī)控制單元。驅(qū)動(dòng)部分做了隔離，同時(shí)為避免元器件過(guò)于密集而引起的信號(hào)與地串?dāng)_的問(wèn)題，我們?cè)谠O(shè)計(jì)PCB時(shí)，將板子設(shè)計(jì)為四層板，這樣主板整體的信號(hào)比原先的二層板好很多。MK60N512ZVLQ10是K60系列MCU。K60內(nèi)存空間可擴(kuò)展，從32 KB閃存/ 8 KB RAM 到 1 MB 閃存 / 128 KB RAM，可選的16 KB 緩存用于優(yōu)化總線帶寬和閃存執(zhí)行性能。其他部分還包括電源濾波電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、串行通訊接口、JLink接口、AD接口和SDHC接口。+、SD卡模塊、撥碼開(kāi)關(guān)、液晶等供電；+5V為攝像頭、編碼器模塊、無(wú)線模塊供電；+；+12V和+5V共同給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中IR2104供電；而電機(jī)則直接由電池供電。另外，前輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)，電池電壓壓降較大，為提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，必須使用低壓降電源穩(wěn)壓芯片，選用了LM2940。使用這個(gè)芯片只需要極少的外圍元件就能構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。為配合攝像頭5V的正常供電，12V升壓需要有較大的容量，我們考慮使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路。實(shí)驗(yàn)證明LM2587能勝任整個(gè)系統(tǒng)的需要。其穩(wěn)壓性能優(yōu)越。圖34 我們的智能模型車自動(dòng)控制系統(tǒng)中使用Ov7620數(shù)字?jǐn)z像頭采集賽道信息。PCLK信號(hào)作為DMA的觸發(fā)信號(hào)，但因?yàn)槠漕l率過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致采圖過(guò)快，使得圖像數(shù)組不得不非常大。因此，若要合理利用攝像頭采集的信息，我們需要對(duì)PCLK信號(hào)進(jìn)行分頻。~6V，可以采用本系統(tǒng)中的電源供電；在正常供電情況下，最高輸入時(shí)鐘可以到達(dá)103M，對(duì)于對(duì)PCLK信號(hào)分頻完全夠用。PCLK分頻電路如圖35所示。數(shù)字?jǐn)z像頭不需要進(jìn)行場(chǎng)行分離，無(wú)需使用外部AD對(duì)模擬信號(hào)數(shù)字化；但是直接從數(shù)字?jǐn)z像頭輸出的信號(hào)，在傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)有串?dāng)_。同時(shí)數(shù)字?jǐn)z像頭很少采用硬件二值化，所以在處理上我們只能采用動(dòng)態(tài)閾值進(jìn)行二值化。該驅(qū)動(dòng)器主要由以下部分組成： PWM號(hào)輸入接口、IR2104控制電路、電源電路、功率 MOSFET 管柵極驅(qū)動(dòng)電路、橋式功率驅(qū)動(dòng)電路等。圖36 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖舵機(jī)接口電路包括，供電電路和PWM號(hào)輸入接口。圖37 舵機(jī)接口與供電原理圖主板上還包括撥碼開(kāi)關(guān)電路，和一些外設(shè)的接口，如圖38所示。我們?cè)O(shè)計(jì)的智能車系統(tǒng)采用CMOS攝像頭進(jìn)行DMA圖像采集，動(dòng)態(tài)二值化，邊線提取，賽道識(shí)別。在單片機(jī)采集圖像信號(hào)后需要對(duì)其進(jìn)行處理以提取主要的賽道信息，同時(shí)，由于十字、起點(diǎn)線的存在，光線、賽道遠(yuǎn)處圖像不清楚的干擾，圖像效果會(huì)大打折扣。在圖像信號(hào)處理中我們提取的賽道信息主要包括：賽道兩側(cè)邊沿點(diǎn)位置，賽道邊沿點(diǎn)附近的原始像素值，賽道類型。在賽道邊線提取上我們將賽道分為兩大類，一類是普通的彎道，直道，上下坡等，還有一類就是十字和虛線小S。圖41 連續(xù)彎圖像 圖42 彎道原始圖像圖43 十字交叉原始圖像邊沿提取算法的基本思想如下：(1) 逐行掃描最近處的原始圖像，根據(jù)設(shè)定的閾值提取黑白跳變點(diǎn)；(2) 利用賽道的連續(xù)性，根據(jù)上一行黑點(diǎn)的位置來(lái)確定本行的邊沿點(diǎn)；(3) 在彎道的時(shí)候賽道有回拐的情況，所以提取本行邊沿之前還要向前搜索回拐的邊沿點(diǎn)；(4) 求邊沿點(diǎn)時(shí)，因?yàn)榻幍膱D像穩(wěn)定，遠(yuǎn)處圖像不穩(wěn)定，所以采用由近及遠(yuǎn)的辦法；(5) 進(jìn)出十字的時(shí)候，有可能錯(cuò)誤的提線，因此要將直角以后的線濾除；邊沿提取算法的程序流程如圖44所示。圖45 連續(xù)彎處理后圖像 圖46 彎道處理后圖像特殊賽道提取算法的基本思想如下：(1)特殊賽道只是小S或十字，因此在能延伸到較遠(yuǎn)處。(3)由于圖像失真以及其他影響，導(dǎo)致單獨(dú)提取小S邊線時(shí)會(huì)很困難。原始邊沿提取算法的程序流程如圖47所示。圖48 十字校正后的效果圖49小S校正后的效果使用前方一定距離的偏差量來(lái)控制小車具有較強(qiáng)的魯棒性。有的隊(duì)伍加上了斜率，我們測(cè)試發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處斜率較為不穩(wěn)定，最后還是放棄了斜率算法，使用較為穩(wěn)定的偏差算法。之后通過(guò)取到的左線和左標(biāo)準(zhǔn)邊線作差，取到的右邊線和右標(biāo)準(zhǔn)線作差得出前方一定距離處的偏差量，用作后期控制等算法。在直道上由于速度較快，要選取遠(yuǎn)處的偏差，防止來(lái)不及轉(zhuǎn)向，當(dāng)在彎道內(nèi)，由于視野有限，應(yīng)該盡量使用能采集到的最遠(yuǎn)處的數(shù)據(jù)段，這樣能在連續(xù)彎的切換上較為流暢，在回環(huán)彎道上較為穩(wěn)定。對(duì)于賽車路徑的優(yōu)化，不能僅在勻速下調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)彎系數(shù)，應(yīng)該將變速考慮進(jìn)去。由于在彎道內(nèi)前瞻量有限，在提速的過(guò)程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)遲鈍，此時(shí)就停止調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向參數(shù)。 PID 控制算法介紹在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制，實(shí)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(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器，原理框圖如圖410所示。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)：及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，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(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。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。位置式PID控制算法的缺點(diǎn)是：由于全量輸出，所以每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)過(guò)去e(k)進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)工作量大；而且因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場(chǎng)合，還可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量(例如：驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī))時(shí)，可由公式(2)推導(dǎo)出提供增量的PID控制算式。 (3) (4)式中 ； ；公式(4)稱為增量式PID控制算法，可以看出由于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了KP、TI、TD，只要使用前后三次測(cè)量值的偏差，即可由公式(4)求出控制增量。(2) 手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。(3) 算式中不需要累加。但增量式PID也有其不足之處：積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影響大。(1) 不完全微分PID將微分環(huán)節(jié)引入智能車的方向和速度控制，明顯地改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，但對(duì)于誤差干擾突變也特別敏感，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定的不良影響。將一階慣性環(huán)節(jié)直接加到微分環(huán)節(jié)上，可得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： (5)將(5)式的微分項(xiàng)推導(dǎo)并整理，得到方程如下： (6)式中，由系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)和一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)決定的一個(gè)常數(shù)。分析公式(7)可知，引入不完全微分以后，微分輸出在第一個(gè)采樣周期內(nèi)被減少了，此后又按照一定比例衰減。(2) 微分先行PID由于智能車在跑道上行駛時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到轉(zhuǎn)彎的情況，所以智能車的速度設(shè)定值和方向設(shè)定值都會(huì)發(fā)生頻繁的變化，從而造成系統(tǒng)的振蕩。這樣，在設(shè)定值發(fā)生變化時(shí)，輸出量并不會(huì)改變，而被控量的變化相對(duì)是比較緩和的，這就很好地避免了設(shè)定值的頻繁變化給系統(tǒng)造成的振蕩，明顯地改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。由于前饋控制是開(kāi)環(huán)控制，所以前饋控制的響應(yīng)速度很快。運(yùn)用PID控制的關(guān)鍵是調(diào)整KP、KI、KD三個(gè)參數(shù)，即參數(shù)整定。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)；二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。此外，我們先后實(shí)驗(yàn)了幾種動(dòng)態(tài)改變PID參數(shù)的控制方法。在較低速(2m/s以下)試驗(yàn)時(shí)，在偏離黑線很少的某個(gè)范圍，將Kp直接置零，在偏離黑線較少的某個(gè)范圍，將Kp值減小為原來(lái)的一半，在偏離較大的其他情況，則保持Kp原來(lái)的大小。在提高車速至高速()時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)車身在直道上特別是長(zhǎng)直道上時(shí)，車身左右震蕩比較嚴(yán)重，究其原因，硬件上，我們認(rèn)為首先是輪軸本身的松動(dòng)并且轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)左右轉(zhuǎn)向性能可能存在不對(duì)稱性，設(shè)計(jì)有待改進(jìn)，軟件上，則是自身編寫(xiě)的PID舵機(jī)