【正文】 模塊的布局與安裝以及各種機(jī)械部件的制作與裝配。 小車機(jī)械整體布局 小車整體機(jī)械布局圖如圖 21 所示 圖 21 小車簡化俯視圖 小車的整體機(jī)械機(jī)構(gòu)主要由以下幾個(gè)部件組成： 1. 光電管電路板，橫向置于車體前方2. 延伸連桿，平行連接車體和光電管電路板；3. 舵機(jī)及舵機(jī)連桿，位于兩前輪之間；4. 底盤；5. 電路底板，固定于車體中后方；6. 電池，位于電路底板下方；7. .車輪；8. 電機(jī)，位于后輪之間；9. 霍爾傳感器，包括霍爾元件和磁鐵，霍爾元件固定在底板上，磁鐵固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸的小鋼圈上；.，連接電機(jī)轉(zhuǎn)軸和車輪。 舵機(jī)的安裝 舵機(jī)通過一對(duì)連桿分別連接兩前輪內(nèi)側(cè)固定點(diǎn)，通過兩連桿在舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力帶動(dòng)下的橫向運(yùn)動(dòng)來控制兩車輪的轉(zhuǎn)向，安裝要注意的問題是是調(diào)整好兩連桿的長度，使得兩前輪保持平行并且使得舵機(jī)在零轉(zhuǎn)角時(shí)車輪方向亦為零轉(zhuǎn)角。 測速機(jī)構(gòu)的安裝測速機(jī)構(gòu)使用了霍爾傳感器，其安裝主要包括霍爾傳感元件的安裝和磁鐵的安裝，我們將磁鐵均勻的安裝在小車電機(jī)轉(zhuǎn)軸的小鋼圈上，如圖 34 所示，安裝中要注意的問題包括：：為了使得霍爾元件能夠感應(yīng)到磁鐵，二者之間的距離不能太遠(yuǎn)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測量，并且磁鐵的極性要安裝正確；：為了能夠較為實(shí)時(shí)的測量出測速，理論上磁鐵之間距離越小越好，但距離太小時(shí)各個(gè)分布的磁鐵之間的距離誤差系數(shù)增大，會(huì)導(dǎo)致測量的速度誤差較大。 圖 24 霍爾元件測速機(jī)構(gòu)安裝側(cè)視圖 第三節(jié) 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 智能車硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本次智能車大賽智能只用唯一的 MCU（MC9SDG128）作為系統(tǒng)的中央處理單元，所以電動(dòng)車的所有輸入量都必須最終讀入 MC9SDG128 進(jìn)行計(jì)算，而所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)全部由 MC9SDG128 直接進(jìn)行控制。 圖 31 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 光電檢測電路路徑識(shí)別模塊是智能車系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，這里我們才用的方案是采用14 對(duì)發(fā)射接收紅外光電管對(duì)來對(duì)前方道路的黑線進(jìn)行識(shí)別，我們之所以采用紅外光電管是為了盡量減少環(huán)境光以及照相機(jī)閃光燈對(duì)光電管影響，由于紅外接收管有一層深色玻璃套，可以有效的濾除其它環(huán)境光的干擾，這樣就省去了我們?cè)陔娐分袑?duì)光電管進(jìn)行調(diào)制，濾波以及接收電路的制作，大大簡化了電路的復(fù)雜程度。其電路工作原理如圖 32 所示。圖 43 中電阻的阻值可以根據(jù)不同光電管通過實(shí)驗(yàn)測量選取。 圖 34 光電管布局圖光電傳感器的排列方法、個(gè)數(shù)、彼此之間的間隔都與控制方法密切相關(guān)。 基于霍爾傳感器的測速電路 霍爾效應(yīng)簡介霍爾效應(yīng)是霍爾于 1879 年發(fā)現(xiàn)的。同時(shí)霍爾器件還具有線性特性好，靈敏度高，穩(wěn)定性好，控制簡單、方便等特點(diǎn)。如在一些具有四遙（遙調(diào)、遙控、遙測、遙信）功能的設(shè)備上，霍爾效應(yīng)產(chǎn)品隨處可見。在自動(dòng)裝置、家用電器和儀器儀表等電路中應(yīng)用這種傳感器，可簡化電路和提高可靠性。 圖 35 霍爾開關(guān)型傳感器 CS1018 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖我們?cè)诤筝喩腺N了 N 個(gè)磁鐵，輪子每轉(zhuǎn) 1/N 圈，霍爾元件就會(huì)輸出一個(gè)脈沖，只要測量每兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間就可以知道當(dāng)前車速。 基于霍爾開關(guān)的測速電路霍爾開關(guān)的電路非常簡單，并且易于在車上安裝，其電路圖如圖 46： 圖 36 霍爾元件測速電路我們根據(jù)電動(dòng)車的實(shí)際情況，在車模上一共安裝了 2 個(gè)磁鐵，裝在車輪的軸上，如圖 24 所示，當(dāng)電動(dòng)車的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，霍爾開關(guān)將輸入 2 個(gè)脈沖到單片機(jī)。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理 一個(gè)電動(dòng)小車整體的運(yùn)行性能，首先取決于它的電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電動(dòng)小車的驅(qū)動(dòng)不但要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)矩重量比、寬調(diào)速范圍、高可靠性，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性受電源功率的影響，這就要求驅(qū)動(dòng)具有盡可能寬的高效率區(qū)。直流電機(jī)的控制很簡單，性能出眾，直流電源也容易實(shí)現(xiàn)。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用最廣泛的就是 H 型全橋式電路，這種驅(qū)動(dòng)電路可以很方便實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)。全橋式驅(qū)動(dòng)電路的 4 只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)，SS2 為一組，SS4為另一組，兩組的狀態(tài)互補(bǔ)，一組導(dǎo)通則另一組必須關(guān)斷。M Ｈ橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖 在小車動(dòng)作的過程中，我們要不斷地使電機(jī)在四個(gè)象限之間切換，即在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是在 SS2 導(dǎo)通且 SS4 關(guān)斷，到 SS2 關(guān)斷且S S4 導(dǎo)通，這兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。 PWM 電機(jī)驅(qū)動(dòng) PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，通常 配合橋式驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速，非常簡單，且調(diào)速范圍大，它的原理就是直流斬波原理。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的速度與占空比成比例，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快，當(dāng)占空比 α＝1 時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大。當(dāng)通過給 IN1 和 IN2 兩個(gè)輸入引腳加不同的 PWM信號(hào)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的正像驅(qū)動(dòng)，反向驅(qū)動(dòng)，正向制動(dòng)以及反向制動(dòng)。 舵機(jī)的結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)向舵機(jī)由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì) 5k，直流電機(jī)、控制電路板等；其工作原理如下：控制信號(hào)→控制電路板→電極轉(zhuǎn)動(dòng)→齒輪組減速→舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)→位置反饋電位計(jì)→控制電路板反饋。通過調(diào)整脈沖的寬度（在頻率不變的情況下改變占空比）來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角。另一方面也可以通過機(jī)械方式，利用舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距余量，將角度進(jìn)行放大，加快舵機(jī)響應(yīng)速度；舵機(jī)的響應(yīng)速度是控制電動(dòng)車運(yùn)行中一個(gè)非常關(guān)鍵的因素，由于舵機(jī)響應(yīng)的滯后，可能導(dǎo)致電動(dòng)車的運(yùn)行不穩(wěn)定，必須在算法中予以補(bǔ)償。它在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、D/A 變換等場合有著廣泛的應(yīng)用。由于電動(dòng)車的電源是 電池組，而單片機(jī)要求5V 供電，轉(zhuǎn)向舵機(jī)電壓要求 6V，而驅(qū)動(dòng)芯片 MC33886 則要求電壓在所能承受范圍內(nèi)越高越好（由于大賽規(guī)定禁止使用 DCDC 升壓電路，所以我們能向MC33886 提供的最高電壓為電池組電壓 ）。整個(gè)電源模塊的原理圖如下圖 414所示： 圖 314 電動(dòng)車電源模塊原理圖 第四節(jié) 算法設(shè)計(jì)在第一章控制算法的方案選擇和論證時(shí)，我們最終選擇了 PID 算法控制轉(zhuǎn)角；選擇模糊控制方法控制速度和制動(dòng)。本章中，我們首先將介紹 PID 控制算法在數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用方法，和轉(zhuǎn)角（橫向）PID 控制算法的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定方式；接下來介紹模糊控制算法的基本原理，和速度和制動(dòng)（縱向）模糊控制算法的設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整方法。 數(shù)字 PID 控制介紹 PID 算法簡介 圖 41 模擬 PID 控制系統(tǒng)在工業(yè)控制中，常常采用如圖 41 所示的 PID 控制，其控制規(guī)律為[5]： 由于方向偏離角度和舵機(jī)的控制量之間是近似的線性關(guān)系，而且也基本上可以看作是線性定常系統(tǒng)，所以適宜采用 PID 算法。 控制輸入量控制輸入量是光電管檢測到的黑線位置，光電管以離散的形式在小車前方以一定的規(guī)律橫向排列，必須對(duì)檢測到的黑線位置進(jìn)行數(shù)字量化作為 PID 算法的控制輸入量?？紤]到黑線寬度和轉(zhuǎn)彎時(shí)可能有多個(gè)光電管落在黑線上方，此時(shí)偏差值取其坐標(biāo)平均值。 控制輸出量控制輸出量為 PWM 波的占空比， PWM 波占空比和舵機(jī)角度對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖 54： 圖 44 PWM 波占空比與舵機(jī)角度對(duì)應(yīng)關(guān)系本設(shè)計(jì)中使用 50Hz 的 PWM 波控制舵機(jī)，設(shè)定一個(gè)周期總計(jì)數(shù)值為 30000，根據(jù)圖 54 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以算出翻轉(zhuǎn)電平計(jì)數(shù)值（設(shè)為 duty）為 2250 時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)角為 0 度；在舵機(jī)轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，翻轉(zhuǎn)電平計(jì)數(shù)值每改變大約 17，舵機(jī)角改變 1 度。根據(jù)湊試法的步驟，開始先知考慮比例作用，則有： K p = 25 式411 由于在直道上要盡量消除車體左右擺動(dòng)，所以需要加入死區(qū)算法，由于輸出范圍確定所以需要加入抗積分飽和的算法，具體實(shí)現(xiàn)參考第六章軟件實(shí)現(xiàn)部分，參數(shù)確定參考第七章調(diào)試部分。1965 年，美國的 創(chuàng)立了模糊集合論；1973 年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)的定理。這一開拓性的工作標(biāo)志著模糊控制論的誕生[6]。控制作用集均為一組被量化了的模糊語言集，如“正大”、“負(fù)大”、“低”、“高”、“正常”等。模糊化的具體過程如下： a) 首先對(duì)輸入量進(jìn)行處理變成模糊控制器要求的輸入量 b) 對(duì)經(jīng)過上述變換的輸入量進(jìn)行尺度變換，使其變換到各自的論域范圍 c) 確定各變量的模糊語言取值及相應(yīng)的隸屬函數(shù)，即進(jìn)行模糊化。然后對(duì)所選取的模糊集定義其隸屬函數(shù)，可取三角形隸屬函數(shù)(如圖 46所示)或梯形，并依據(jù)問題的不同取為均勻間隔或非均勻的；也可采用單點(diǎn)模糊集方法進(jìn)行模糊化。數(shù)據(jù)庫主要包括語言變量的隸屬度函數(shù)，尺度變換因子以及模糊空間的分級(jí)數(shù)等。模糊規(guī)則通常山一系列的關(guān)系詞連接而成，如:IF –THEN；或總結(jié)為模糊控制規(guī)則表，如表 51 中所示，可直接由 e 和 c 查詢相應(yīng)的控制量 u。 圖 46 隸屬度函數(shù)取法示意3. 控制規(guī)則： 47 模糊控制規(guī)則表舉例uc ： Nc ： Zc ： Pe ： NPBPMZe ： ZPSZNSe ： PZNMNB4. 模糊推理:是模糊控制器的核心。該推理過程是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)含關(guān)系及推理規(guī)則來進(jìn)行的。去模糊化：推理得到的控制量(模糊量)變換為實(shí)際用于控制的清晰量它包含以下兩部分內(nèi)容a) 將模糊的控制量經(jīng)去模糊化變換變成表示在論域范圍的清晰量。b) 將表示在論域范圍的清晰量經(jīng)尺度變換變成實(shí)際的控制量。本設(shè)計(jì)中模糊控制器是個(gè)雙輸入單輸出的系統(tǒng)，輸入量為小車檢測到的前方黑線的角度 angleindex 和小車當(dāng)前行駛速度 velocitycount，輸出量為控制電機(jī)速度的 PWM 波的占空比，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 57 所示： 圖 48 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、輸出量模糊化1. 角度量 angleindex 和當(dāng)前速度 velocitycount 的模糊化考慮到角度量 angleindex 正負(fù)對(duì)速度控制沒有影響，故將角度量論域劃分為 8 個(gè)模糊子集，模糊子集序號(hào)越大，角度量越大，即角度偏差越大，其隸屬度函數(shù)如圖 58 所示（注：圖中角度量論域沒有按坐標(biāo)畫）。同樣將論域劃分為 8 個(gè)模糊子集，模糊子集的序號(hào)越高表示當(dāng)前測得速度越低。設(shè) PWMDTY1 和PWMDTY0 分別為兩端輸入的 PWM 波的翻轉(zhuǎn)電平計(jì)數(shù)值，PWM 波一個(gè)周期的計(jì)數(shù)值設(shè)為 200，對(duì) PWM 模塊進(jìn)行設(shè)定，使得 PWDTY1 和 PWMDTY0 越小，電機(jī)正反轉(zhuǎn)速度越快，根據(jù)電機(jī)性能和速度要求可確定輸出控制PWMDTY1 和 PWMDTY0 的論域。將 PWMDTY1 論域劃分為 8 個(gè)模糊子集，分別用 0、7 代表，模糊子集序列號(hào)越小，表示輸出速度越快。 圖 411 速度控制量 PWMDTY1 圖 412 速度控制量 模糊控制規(guī)則根據(jù)車體的物理運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律和日常生活中的經(jīng)驗(yàn)，為了使車行駛的平均速度最大且保證不偏離車道，可以總結(jié)出一下規(guī)則：根據(jù)車體的物理運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律和日常生活中的經(jīng)驗(yàn)，為了使車行駛的平均速度最大且保證不偏離車道，可以總結(jié)出一下規(guī)則：規(guī)則 1：如果車在直道上，以最快速度行駛。規(guī)則 3：彎道角度越大，行駛速度要越慢。規(guī)則 5：彎道上速度太慢時(shí)要加速。在本設(shè)計(jì)中，由于角度量的測量是非連續(xù)的，測得的角度量對(duì)相應(yīng)模糊子集的概率相同，例如第 2 個(gè)光電管處于黑線上時(shí)，就認(rèn)為角度量對(duì)應(yīng)模糊子集 2 。 模糊控制的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)中模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)使用的是軟件法。 第五節(jié) 軟件設(shè)計(jì) 開發(fā)環(huán)境介紹本系統(tǒng)使用了 Metrowerks 公司提供的 CodeWarrior for HCS12 教學(xué)用版本，它是面向以 HC12 或 S12 為 CPU 的單片機(jī)嵌入式應(yīng)用開發(fā)的軟件包，包括集成開發(fā)環(huán)境 IDE、處理專家?guī)欤酒抡?、C 交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及 BDM 調(diào)試器。軟件流程可分為以下幾部分：初始化、得到 AD 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為角度偏差、根據(jù)角度偏差控制舵機(jī)、根據(jù)角度偏差和當(dāng)前速度控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和制動(dòng)。 初始化初始化主要包括各個(gè)模塊工作寄存器的設(shè)置、工作時(shí)鐘設(shè)置、中斷設(shè)置、全局變量和控制規(guī)則表的初始化