【正文】 1 5 0 0 1 9 0 0—45 +45脈 寬 — 轉(zhuǎn) 角 （ + 順 時(shí) 針 方 向 ）脈 寬 / u s e c轉(zhuǎn) 角 / （ 度 ） 圖 39 舵機(jī)轉(zhuǎn)角與 PWM 脈寬的關(guān)系 江西理工大學(xué) 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 路徑識(shí)別模塊 路徑識(shí)別模塊是智能車系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識(shí)別 方案的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣。傳感器的收發(fā)距離對(duì)于車子的前瞻性有著直接的影響。 對(duì)于紅外對(duì)管的選取和電路設(shè)計(jì)，我們作了幾個(gè)方案論證。優(yōu)點(diǎn)： 發(fā)射距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)；缺點(diǎn)：接收方向范圍過(guò)大（大于 135 度），不利于對(duì)道路黑 線位置檢測(cè)，硬件軟件較復(fù)雜。優(yōu)點(diǎn)：硬件電路簡(jiǎn)單，方便；缺點(diǎn)：可以收發(fā)距離太近。優(yōu)點(diǎn)：發(fā)射功率大，距離比一體化發(fā)射 /接收管稍遠(yuǎn)；缺點(diǎn)：硬件電路稍復(fù)雜。 紅外傳感器作為智能車上的“眼睛”，對(duì)小車的路徑識(shí)別起了決定性的作用。下圖為反射式紅外傳感器電路原理圖 圖 310 紅外 光電管 檢測(cè)電路 上圖為紅外光電管檢測(cè)電路主要用來(lái)獲取路徑信息，工作原理是 左邊的發(fā)光江西理工大學(xué) 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 二極管通電產(chǎn)生光源，根據(jù)跑道黑白顏色的不同，黑色跑道吸收光線，白色跑道反射光線的不同，由于黑色跑道吸收全部的光線，而使右邊的光敏三極管截止，使比較器 LM339 的同相輸入端為高電平接近 5V，通過(guò)比較器 LM339 使輸出為1 告知單片機(jī) MC9S12XS128，智能車現(xiàn)處在黑色位置上。從而使 LM339 同相輸入端為低電平接近零伏，通過(guò)比較器 LM339 使輸出為 0 告知單片機(jī) MC9S12XS128，智能車現(xiàn)處 在白色位置上。 速度測(cè)量模塊 為了實(shí)現(xiàn)小車的智能化，必須利用傳感器來(lái)采集跑道信息，再把車模運(yùn)動(dòng)的速度采集給單片機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能調(diào)速，實(shí)現(xiàn)車模的智能化。 方案一：利用霍爾傳感器和磁鋼測(cè)量速度：將霍爾傳感器和磁鋼分別安裝在車架和車軸的適當(dāng)位置，小車行駛時(shí)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，霍爾傳感器產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)，通過(guò)在單位時(shí)間對(duì)其計(jì)數(shù)可計(jì)算出車輛行駛的瞬時(shí)速度。優(yōu)點(diǎn)：精度高，安裝簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：成本較高；通過(guò)比較，采用霍爾傳感器測(cè)量速度，磁鋼如果粘的不穩(wěn)的話，車子速度太快磁鋼容易脫落，整個(gè)速度測(cè)量系統(tǒng)將產(chǎn)生很大誤差。 速度傳感 器的 工作原理 ： 此次設(shè)計(jì)用到的速度傳感器是 光電編碼器 。近 10幾年來(lái)，發(fā)展為一種成熟的多規(guī)格、高性能的系列工業(yè)化產(chǎn)品，在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀、地面指揮儀、高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。典型的光電編碼器由碼盤（ Disk）、 檢測(cè)光柵（ Mask）、光電轉(zhuǎn)換電路（包括光源、光敏器件、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路）、機(jī)械部件等組成。按編碼器運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)方式來(lái)分，可以分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。因此，江西理工大學(xué) 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 只有在那些結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)方式都有利于使用直線式光電編碼器的場(chǎng)合才予使用。 也是目前應(yīng)用最多的傳感器。光電編碼器是由光柵和光電檢測(cè)裝置組成。由于光電碼盤與被測(cè)對(duì)象同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前被測(cè)對(duì)象的轉(zhuǎn)速。 RS232 電平轉(zhuǎn)換芯片可以實(shí)現(xiàn) TTL 電平與RS232 電平之間的轉(zhuǎn)換，然后再通過(guò) 9 芯串行口與 PC 進(jìn)行串口通信。而整個(gè)電路中，電源電路更加重要，特別是為單片機(jī)供電，一定要穩(wěn)定。對(duì)于提高電源穩(wěn)定性，并上幾個(gè)電容當(dāng)然是好的，但是電容的最大電容量有限制。為提高整板的穩(wěn)定性，自己設(shè)計(jì)電路，繪制 PCB 版圖，然后通過(guò)三氯化鐵腐蝕成板。 江西理工大學(xué) 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì)的基本原則是，首先考慮小車的穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上，盡量提高小車的速度。從結(jié)構(gòu)上看，系統(tǒng)程序主要包括一個(gè)主體循環(huán)程序，增量式 PID速度控制程序，中斷服務(wù)程序，循線控制算法程序，速度控制算法程序以及其他一些控制程序。這些卓越的性能，完全足夠滿足此次設(shè)計(jì)的要求。 表 41 控制模塊說(shuō)明 智能車控制算法監(jiān)測(cè)平臺(tái) 智能車的控制系統(tǒng)是一個(gè) 時(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，人的思維很難想象車在行進(jìn)過(guò)程中所處的狀態(tài)，因此針對(duì)某個(gè)控制算法，如果在測(cè)試中出現(xiàn)問(wèn)題，很難確定具體出在哪個(gè)環(huán)節(jié)。 監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以將智能車的采集信息，控制算法計(jì)算得到的控制信息以及其他調(diào)試時(shí)的有用信息發(fā)送到 PC端，用于觀察、記錄，以便反復(fù)分析、改進(jìn)。其中，定時(shí)中斷用于檢測(cè)小車當(dāng)前速度，作為小車速度閉環(huán)控程序?qū)崿F(xiàn)的功能 使用的模塊 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 PWM模塊 舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制 PWM模塊 PID反饋 光電 計(jì)數(shù) 定時(shí)器模塊， 光電 累加器 人機(jī)交互 SCI模塊 光電傳感器信號(hào)處理 普通 I/O端口 江西理工大學(xué) 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 制的反饋信號(hào)。 圖 41 小車主程序流程圖 系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu) 為了體現(xiàn)程序的系統(tǒng)性和連貫性，智能小車的控制軟件采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)。主要包括：系統(tǒng)初始化模塊、路徑數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、起跑線識(shí)別 模塊，再有，為了系統(tǒng)調(diào)試方便，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了串口調(diào)試模塊等。在安全允許范圍內(nèi)，我們使用鎖相環(huán)超可倍頻到 48MHZ。 void CLK_init(void) { //鎖相環(huán) 24M SYNR=2。 //PLL=2*OSC*(SYNR+1)/(REFDV+1) while(!(CRGFLG amp。 //設(shè)置總線時(shí)鐘為 PLL/2 ｝ 串口初始化 可以看到，不論 8位、 16位還是 32位單片機(jī)的最小系統(tǒng)都是通過(guò)異步串行口與人溝通的。 為了便于調(diào)試，本系統(tǒng)利用串口通信接口 SCI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。 以下是與串口有關(guān)的幾個(gè)初始化函數(shù) : /**********串口初始化 *************************/ void SCIinit(void) { SCI1BD=208。 SCI1CR2=0x2C。 while(SCI1SR1_RDRF!=1)。 return redata。 while(SCI1SR1_TDRE!=1)。 } PWM 初始化 PWM(Pulse Width Modulation)即脈寬調(diào)制，脈寬調(diào)制波是一種可用程序來(lái)控制波形占空比、周期、相位的波形。 PWM模塊特點(diǎn)： ? 8個(gè)帶周期占空比可程控的 PWM獨(dú)立通道 ? 4個(gè)可程控選擇的時(shí)鐘源 ? 每個(gè) PWM通道有專用的計(jì)數(shù)器 ? PWM每個(gè)通道脈沖極性可以選擇 ? 每個(gè) PWM通道可使能 /禁止 ? 周期和占空比雙緩沖 ? 每個(gè)通道有中心對(duì)齊和邊緣對(duì)齊方式 ? 分辨率 : 8位 (8通道 )， 16位 (4通道 ) ? 帶中斷功能的緊急切斷 PWM在本 系統(tǒng)中主要用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)伺服電機(jī)，一個(gè)是電機(jī)，另一個(gè)是舵機(jī)，而控制這兩個(gè)電機(jī)的 PWM信號(hào)是經(jīng)過(guò)路徑識(shí)別和系統(tǒng)決策后給出的，這樣就能實(shí)現(xiàn)小車的循線跑。另一方面也可以通過(guò)機(jī)械方式，利用舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩余量，將角度進(jìn)行放大，加快舵機(jī)的響應(yīng)速度。本設(shè)計(jì)中，通過(guò)測(cè)試找到了 40 度對(duì)應(yīng)的脈沖寬度。 // PWM01 合并 16 bt PWMPRCLK = 0x20。 // SA=A/2/12=1M PWMSCLB =150。 // PWM0,1SA。 PWMPOL = 0xff。 // 對(duì)齊方式－左對(duì)齊 PWMPER01 = 20200。 PWMPER4 = 100。 //Frequency=SA/300=10KHz PWMDTY4 = 0。 PWME = 0x32。 中斷程序流程 如圖 43所示： 進(jìn) 入 中 斷P I D 速 度 控 制返 回脈 沖 計(jì) 數(shù) 寄 存 器 清 零讀 取 碼 盤 脈 沖 值清 除 中 斷 標(biāo) 志 圖 43 中斷處理程序 小車控制算法 車體控制是整個(gè)控制算法的核心，它直接關(guān)系到小車的性能好壞。 為保證小車一直沿著黑色引導(dǎo)線快速行駛，系統(tǒng)主要的控制對(duì)象是小車的轉(zhuǎn)向和車速。在進(jìn)入彎道的過(guò)程中盡快減速，且轉(zhuǎn)向要適合彎道的曲率，確保小車平滑地轉(zhuǎn)彎，并在彎道中保持恒速。為實(shí)現(xiàn)上述控制思想，可以采用不同的控制方法來(lái)控制小車的轉(zhuǎn)角和速度。 江西理工大學(xué) 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 是是是否否否是預(yù) 判 算 法起 始 線P D 控 制直 道 ， 小 S 彎道角 度 控 制斜 率 控 制特 殊 控 制交 叉 線 大 S 彎 道 圖 44 小車控制流程圖 舵機(jī)控制 在對(duì)舵機(jī)的控制中，加入了預(yù)判算法，主要用來(lái)判別道路的不同類型，包括大 S 道，小 S 道，直道，彎道，空白和邊緣，再依據(jù)道路的不同，進(jìn)行相應(yīng)的控制。 對(duì)于小 S 道，直道和彎道則采用了 PD 控制算法，在預(yù)先判斷出各個(gè)軌道類型之后，選擇合適的控制點(diǎn)數(shù)，調(diào)節(jié) KP,KD 參數(shù)。 根據(jù)光電傳感器采集回來(lái)的道路信息，進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和計(jì)算。由前面得到的道路 狀態(tài)信息，而增加相應(yīng)權(quán)值不一樣的擺動(dòng)角度。當(dāng)智能小車的舵機(jī)擺角不正，跑直道有振蕩的時(shí)候，這樣可以使小車在直道高速運(yùn)行的時(shí)候，左右來(lái)回振蕩變小。更有利于轉(zhuǎn)過(guò)彎道而不至于跑出賽道。當(dāng)智能車在直線上高速行走的時(shí)候，中間 4 個(gè)傳感器檢測(cè)到黑線的舵機(jī)擺角，比原來(lái)基數(shù)的舵 機(jī)擺角更加小。當(dāng)剎車標(biāo)志位置 1 的時(shí)候，表明智能小車正在過(guò)彎道，可以把傳感器兩端 8 個(gè)傳感器相應(yīng)的擺動(dòng)角度變大，更有利于轉(zhuǎn)過(guò)彎。所以，根據(jù)前排光電管檢測(cè)到的不同信號(hào)，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時(shí)，擺正舵機(jī)。除此之外，小車還會(huì)遇到黑色交叉線的特殊情況，對(duì)此，本系統(tǒng)將保持小車原有的方向與速度，使小車不受交叉線的干擾。同時(shí)，將速度適當(dāng)降低，防止小車沖出軌跡。在預(yù)先判斷軌道類型的前提下，對(duì)各個(gè)軌道標(biāo)定各自的速度，利用閉環(huán) PID 進(jìn)行控 制。問(wèn)世至今 70年多年來(lái)，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主 要技術(shù)之一。 p i ddeu k e k ed t k dt? ? ?? (42) 其中，其中 pk ， ik ， dk 分別稱為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。這個(gè)新的輸出信號(hào)被再次送到感應(yīng)器以發(fā)現(xiàn)新的誤差信號(hào)，這個(gè)過(guò)程就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理 論計(jì)算整定法。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。增大積分系數(shù)能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，但會(huì)使瞬時(shí)響應(yīng)變差。 以上簡(jiǎn)要介紹了 PID 算法的原理和特性，實(shí)際過(guò)程中，由于傳感器是按一定間隔周期獲取位置信息的，因此必須將連續(xù) PID 控制離散化，這樣得到的就是數(shù)字 PID 算法。 江西理工大學(xué) 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 三個(gè)基本參數(shù) Kp， Ki， Kd 在實(shí)際控制中的作用： (1)比例調(diào)節(jié)作用 ： 是按比例反映系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。 積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti， Ti 越小，積分作用就越強(qiáng)。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 PI 調(diào)節(jié)器或 PID 調(diào)節(jié)器。因此，可以改善系統(tǒng) 的動(dòng)態(tài)性能。微分作用對(duì)于噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成 PD 或 PID 控制器。調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果模型車突然加速時(shí)，也會(huì)使水銀開(kāi)關(guān)閉合，這樣會(huì)帶來(lái)誤判。通過(guò)軟件算法，屏蔽了入彎與出彎的加速度帶來(lái)的誤判，于是就能精確地檢測(cè)坡道了。 其中，切彎路徑主要決定了車輛是選擇內(nèi)道過(guò)彎還是外道過(guò)彎。切外道，路徑會(huì)略長(zhǎng)，但是有更多的調(diào)整機(jī)會(huì)，同時(shí)曲率半徑的增加會(huì)使得模型車可以擁有更高的過(guò)彎速度。合適的轉(zhuǎn)向角度會(huì)減少車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)的江西理工大學(xué) 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 調(diào)整，不僅路徑可以保證最優(yōu)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的穩(wěn)定也會(huì)帶來(lái)效率的提高，減少時(shí)間。 對(duì)于入彎速度的分析，應(yīng)該綜合考慮路徑和轉(zhuǎn)向角度的影響。然而，在過(guò)去幾屆比賽中，通過(guò)觀察各參賽車對(duì)彎道的處理后，我們發(fā)現(xiàn)并不是所有人都選擇了相同的方案。例如，在不能及時(shí)判斷入彎和出彎的標(biāo)志點(diǎn)就采取“入彎減速、出彎加速 ”的方案，會(huì)出現(xiàn)彎道內(nèi)行駛狀態(tài)不穩(wěn)定、路徑差，同時(shí)出彎加速時(shí)機(jī)過(guò)晚，一樣會(huì)浪費(fèi)時(shí)間。綜合考慮用可以接收的額外時(shí)間換回行駛穩(wěn)定性還是值得