【正文】 軸 齒輪 的 轉(zhuǎn)速會比 差速器殼體的 轉(zhuǎn)速 小，行星 齒輪帶動左側(cè)半軸會更費力，這時行星 齒輪會產(chǎn)生自轉(zhuǎn)， 把 更多的扭矩傳遞到右側(cè)齒輪半軸上。 車輪定位 智能車 在正常 行駛 過程中，為了使汽車直線行駛穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向后能自動回正，減少輪胎和轉(zhuǎn)向 系零件 的磨損等，在轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向節(jié)和前軸之間形成一定的相對安裝位置，叫這輪定位 ， 其主要參數(shù)有：前輪前束、前輪外傾、后輪外傾。 第 2 章 車模 系統(tǒng) 機械 設(shè)計 4 圖 24 前輪前束 Toe 角度 （ 束角 ） 是 描述從車的正上方看，車輪的前段和車輛 縱線 的夾角。 當(dāng)車輪 有了外傾角后，在 滾動 時 就類似于圓錐滾動，從而導(dǎo)致兩側(cè)車輪向外滾開。 在 安裝車輪時，可以使兩輪的前邊緣距離 R 小雨后邊緣 距離 A， 從而 使 輪胎 滾動時的偏斜方向抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象 將 會減少。 模型車 是由舵機帶動左右橫拉桿 實現(xiàn) 轉(zhuǎn)向的， 改變 左右橫拉桿的長度即可改變前輪前束的大小 和Toe 角度，經(jīng)過 多次試驗， 選擇 了車輪前輪向內(nèi)傾，即 Toe_in。 圖 25 前輪傾角示意 第 2 章 車模 系統(tǒng) 機械 設(shè)計 5 從車頭 望向車尾， 若 輪胎上端向外傾斜即左右輪呈 V 形 ， 稱之為 正外傾角 ； 若輪胎呈 八字 形張開則稱之為 負(fù)外傾角 。它的 作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安全性和轉(zhuǎn)向操縱的輕便 性 。路面 對車輪會產(chǎn)生垂直反作用力，一旦滿載車輪就容易產(chǎn)生變形，可能引起車輪上部向內(nèi)傾斜，導(dǎo)致車輪鏈接件損壞。 （ 3）后 輪 外傾 智能車的穩(wěn)定性和抓地力與 后輪 外傾 角有關(guān) ，通過調(diào)整后懸掛長柄萬向節(jié)上的拉桿的長度來改變后輪的外傾角；也可通過改變后懸掛長柄萬向節(jié)車身一端的固定位置來獲得不同的外傾角。由于 車模 本身質(zhì)量較輕，在拐彎處， 將會使 車的中心向外傾斜，當(dāng)摩擦力 較小 的時候，智能車整體將滑出賽道。外傾角越負(fù)， 智能車 過彎道 時 受到的摩擦力就越大，但是車模會出現(xiàn)彎道 前輪 上下抖動現(xiàn)象， 會 影響車輛過彎道時的速度。綜合 考慮 過彎道特性以及穩(wěn)定性，調(diào)整使得前輪外傾角 為 正 2176。 由于 智能車的 底盤 較低，在上坡路段時，后底盤可能會摩擦到賽道，導(dǎo)致 智能車不能正常行駛 ， 需要將后輪的車輪降低，從而提高后部底盤的 高度 。舵機的 轉(zhuǎn)角精度直接影響到智能車 是否 能準(zhǔn)確的按賽道路線行駛。舵機 的 靈活轉(zhuǎn)向控制取決于機械系統(tǒng)中各個零部件 之間 的協(xié)調(diào)運行。 舵機連 桿是將舵機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成橫擺運動的一種機構(gòu)，通過它將舵機轉(zhuǎn)矩傳遞到橫拉桿，實現(xiàn)前輪的左右轉(zhuǎn)動。 連桿的作用力越大，反應(yīng) 就 越靈敏，舵機的轉(zhuǎn)向速度就越快；當(dāng)轉(zhuǎn)矩一定時，連桿越長，作用力就越小，因而連桿不能太長。 舵機 連桿采用標(biāo)準(zhǔn)化的 連接方式 和舵機尺寸，適當(dāng)?shù)丶娱L舵機力臂，并保 證力矩作用于水平方向 從而 減少其他方向上的損失， 使 舵機輸出的力臂增大，即當(dāng)舵機轉(zhuǎn)動一個小角度時前輪轉(zhuǎn)動一個大角度， 但 這樣在一定程度上 減少了 力矩，因而力臂不能加得太長 。 第 3 章 圖像 處理算法研究 7 第 3 章 智能車硬件電路設(shè)計 對 智能車 而言 ，硬件系統(tǒng) 設(shè)計的 可靠性是 智能車 能穩(wěn)定工作的基本要求， 硬件電路 設(shè)計的好壞直接決定智能車行駛的穩(wěn)定性。智能車 與速度 控制相關(guān)的硬件電路主要包括以下幾個部分： 9S12 最小系統(tǒng) 、 電源 管理模塊 、 電機驅(qū)動 模塊、速度測量模塊、舵機模塊。 圖 31 智能車 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 本 系統(tǒng)是以飛思卡爾公司 生產(chǎn) 的 9S12XSMAA 單片機 為處理核心，設(shè)計出在較為嚴(yán)格的循線的基礎(chǔ)上智能車能以最優(yōu)化的速度 繞 賽道行駛。 利用 Altium designer Summer 軟件 畫出 電路 原理圖和 PCB 板圖。 依照 攝像頭 處理過的圖像信息，利用光 電編碼器來實現(xiàn)測速的測量，并將測量的車速進行反饋從而形成閉環(huán)。 9S12XSMAA 最小系統(tǒng) 9S12XSMAA 系列 單片機是飛思卡爾公司生產(chǎn)的 16 位 單片機 ， 是基于速度更快的第 3 章 圖像 處理算法研究 8 CPU12 內(nèi)核 的單片機系列，具備 片上 的糾錯能力。 MC9S12 系列 串行接口豐富，時鐘發(fā)生器模塊內(nèi)設(shè)有鎖相環(huán)PLL。[3] 圖 32 MC9S12XEMAA 開發(fā)板原理圖 MC9S12 系列的 低功耗晶振、復(fù)位控制、 實時 中斷以及看門狗 等 配置和功能更加有助于系統(tǒng)的可靠運行 。其 基 本特性為： ? 16bit CPU ? 8 位和 4 位的帶中斷功能的接口 ? 存儲器： 64K Flash EEPROM ? 2 個八通道的數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換器，精度達到 10bit ? 外部轉(zhuǎn)換觸發(fā)功能 1M bit/s 第 3 章 圖像 處理算法研究 9 ? 4 個獨立的中斷通道，分別對應(yīng) Rx, Tx, error 和 wake_up ? 低通濾波器喚醒功能 ? 增強型捕捉時鐘功能 ? 8 個可編程輸入捕捉通道 /輸出比較通道 ? 4 個 8 位 /2 個 16 位脈沖累加器（ pulse accumulator） ? 8 個 PWM 通道：周期和占空比系數(shù)可編程控制 ? 8 位八通道 /16 位 4 通道 ? 串行接口：異步 SCI 和同步 SPI ? 112 引腳封裝 /80 引腳封裝 ? 帶驅(qū)動能力的 5V I/O 線路和 5V A/D 轉(zhuǎn)換 ? 50MHz 工作頻率，相當(dāng)于 25MHz 總線速度 支持開發(fā)應(yīng)用 MC9S12 單片機 主要有 3 個低電源模式 ： Stop, Pseudo Stop 和 Wait。通過復(fù)位和外部中斷可以從該模式當(dāng)中喚醒。在該模式當(dāng)中振蕩器任然在工作，并且實時中斷和（ RTI）和看門 狗（ COP）可以停留在激活狀態(tài)。該模式比 full STOP 模式產(chǎn)生更多電流 ,但是喚醒時間很明顯縮短。該模式當(dāng)中 CPU 不執(zhí)行指令。所有外設(shè)保持激活狀態(tài)。 電源管理 模塊 穩(wěn)定 的電源對于一個控制系統(tǒng)而言至關(guān)重要，電源的穩(wěn)定性關(guān)系到 系統(tǒng) 能否正常工作 。在 設(shè)計 智能車系統(tǒng) 時 為各個功能模塊配置了 穩(wěn)定 、合適的電源并在電路的設(shè)計上 要 避免不同電源 之間 、相同電源不同模塊之間的干擾，從而保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。 第 3 章 圖像 處理算法研究 10 圖 33 電源 管理系統(tǒng)框架圖 12V 穩(wěn)壓電路 電機 驅(qū)動電路采用 12V 電源供電，由 鎳鎘電池作為 12V 穩(wěn)壓電 路 的 輸入 電壓 ，由于 電機驅(qū)動電路的電流較大，因此采用 MC34063 大電流升壓變換器電路 得到12V 的輸出電壓，并且該電路 比較 穩(wěn)定，相對較為可靠。MC34063 片內(nèi)包含有溫度補償帶隙基準(zhǔn)源、 大電流 輸出開光和驅(qū)動器、 一個占空比周期控制振蕩器，能 夠 輸出 的開關(guān)電流。 [5] MC34063 有 如下 特點： ? 能在 的輸入電壓下工作 ? 工作振蕩頻率從 100HZ 到 100KHZ ? 短路電流限制 ? 輸出電壓可調(diào) ? 低靜態(tài)電流 ? 輸出開關(guān)電流可達 （無外接三極管） MC34063 的電路原理如圖 34 所示。充 電和放電 時 電流都是恒定的， 振蕩器 的 振蕩頻率僅 僅由 外接定時電容的容量 決定 。在 振蕩器在 定時電容 放電期間， C 輸入端 變?yōu)榈碗娖剑|發(fā)器 的 R 端 變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)器 被復(fù)位， 觸發(fā)器的 Q 端 變?yōu)楦唠娖?，此時 輸出開關(guān)管處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)檢測到 7 腳之間電阻上的電壓降接近超過 300 mV 時，芯片將啟動內(nèi)部過流保護功能 ， 電流限制電路開始工作 。 第 3 章 圖像 處理算法研究 12 圖 35 DCDC 升壓電路 （ 轉(zhuǎn) 12V） TPS7350Q 穩(wěn)壓電路 9S12XSMAA 最小系統(tǒng) 和 OV7620 攝像頭 的 供電電壓均為 5V， 由于 單片機 是 整個控制系統(tǒng)的核心，因此單片機 供電電源 的穩(wěn)定性尤其重要，并且考慮到 單片機 和攝像頭的額定電流較小，所以采用 TPS7350Q 搭 建 穩(wěn)壓電路 專為 9S12XSMAA 最小系統(tǒng) 和OV7620 攝像頭 進行供電。 圖 36 TPS7350Q 穩(wěn)壓 電路（ 轉(zhuǎn) 5V） LM2940 穩(wěn)壓電路 舵機 SD5 的 工作電壓只能在 以下，正常工作電流為 200mA，具有 堵 轉(zhuǎn) 保護第 3 章 圖像 處理算法研究 13 功能 ，堵轉(zhuǎn)電流 為 800mA， 舵機在 堵轉(zhuǎn)后 3s 開始 啟用保護功能，降低電流， 保護 馬達和電板 。利用 一個穩(wěn)壓 電路 專門 用于舵機 SD5 供電 ，另一個 5V 穩(wěn)壓電路 則用于給液晶 、藍牙、撥碼開關(guān)等其他外設(shè)及芯片的供電。 電機 的速度與施加在電機上的電壓 成正比 ，輸出轉(zhuǎn)矩與電機的電流成正比。 PWM 信號可以 由 9S12XSMAA 單片機 產(chǎn)生， 用精準(zhǔn) 的脈沖寬度可以調(diào)節(jié)直流電機的轉(zhuǎn)速，并且要優(yōu)化 PWM 信號 的 頻率 ，以防止電機抖動。 智能車采用了 540 電機 ， 該電機 的工作電壓為 12V。 H 橋驅(qū)動電路 主要包括 4個 MOS 管 和 兩片 MOS 管驅(qū)動芯片 ， MOS 管具有內(nèi)阻小、開關(guān)速度快等優(yōu)點， 并 且方便加散熱片 。如圖 38 所示 ，要是電機 M 轉(zhuǎn)動， 必須導(dǎo)通 對角線 上 的一對 MOS 管 ，根據(jù) 不同的 MOS 管 對 的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或者從右至左 流過 電機，從而控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。 當(dāng) Q2 管和 Q3 管 導(dǎo)通時， 電流 就從電源正極經(jīng)過 Q3 管從右至左 流過電機，再由Q2 流回到 電源負(fù)極，此時 電機將逆 指針轉(zhuǎn)動。 IRLR7843 的 最小內(nèi)部只有 毫歐姆 ，最大允許連續(xù)源極電流為161A， 遠遠能滿足 要求 ， 并且 IRLR7843 具有 很 強 的驅(qū)動能力。具體 的 H 橋電機驅(qū)動電路如圖 39 所示 。 通過 控制 電機 驅(qū)動中 PWM 信號的占空比 來 控制電機的平均電壓，從而控制電機的轉(zhuǎn)速即控制智能車的 車速 。 這些 因素 都會造成智能車運行不穩(wěn)定。 檢測 測速的方法有很多種， 例如 用測速發(fā)動機、反射式光電檢測、 透射式 光電檢測等 。 其 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 310 所示。通過計算 每秒 光電編碼器輸出的 脈沖個數(shù) 就可以計算 出電機的轉(zhuǎn)速。 第 4 章 智能車速度 控制 軟件設(shè)計 16 第 4 章 智能車速度 控制軟件設(shè)計 速度控制 整體程序框架 智能車 速度控制系統(tǒng)的框架圖如圖 41 所示 ， 9S12XSMAA 單片機 為控制系統(tǒng)的核心， 由 單片機給電機一個給定速度即理論速度，建立模糊 PID 控制器， 利用 模糊 PID控制器來控制電機的轉(zhuǎn)速，即控制智能車的實際速度 。 SD5 舵機 采用 位置式 PD 控制 ， 舵角控制器對理論舵角進行處理得到舵角增量，通過 PWM 波傳給 SD5 舵機 ，舵機通過自帶的控制系統(tǒng)將舵角改變?yōu)榭刂?值 。 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。 CodeWarrior 是由 Metrowerks 公司開發(fā)的專門面向 Freescale 所有 DSP 與 MCU嵌入式應(yīng)用開發(fā)的一種軟件工具，它支持摩托羅拉匯編語言、 C++語言和 ANSI C 語言。其主要包括集成開發(fā)環(huán)境 IDE、全芯片仿真、處理器專家、項目工程管理、可視化參數(shù)顯示工具、 C 交叉編譯器、專家生成系統(tǒng)、鏈接器、匯編器以及調(diào)試器。每個應(yīng)用程序都經(jīng)過了使用例如 CodeWarrior 這樣的開發(fā)工具進行編碼、編譯、編輯、鏈接和調(diào)試的過程。 圖 42 CodeWarrior 主界面 控制策略 智能車 的車速主要采用增量式 PID 控制和位置式 PD 控制， 將 模糊控制與 PID控制相結(jié)合， 使 智能車 能夠在 賽道上平穩(wěn)快速的行駛。 PID 控制器結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好 、 工作可靠 、 調(diào)節(jié)方便而成為工 業(yè) 控制的主要技術(shù)之一。 PID 控制器 是一種 線性控制器 ，它根據(jù)給定值與實際輸出值 之間 形成偏差，將偏差的比例（ P） 、 積分（ I） 、 微分（ D） 通過 線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。 圖 43 PID 控制器原理框架圖 單位反饋 e 代表 理想輸入與實際輸出的偏差，將偏差信號 e 送入 控制器， 控制器算出 偏差 信號 e 的 微分值和積分 值 ，將計算出來的微分值 和 積分值與原來的誤差信號e 進行 線性組合，得到輸出量 u。 ?????? ??? ? dt tdeTdtteTiteKtu DP )()(1)()( （ 41） 其中 Kp、 Ki、 Kd 分別 成為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù) ； r(t)、 e(t) 、 u(t)分別 為控制器的 輸入信號 、