【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）基于S12DG128單片機(jī)，內(nèi)嵌入U(xiǎn)COS操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)的智能汽車制作

I 目 錄 摘要： . 一章 引言 . 1 第二章 方案選擇 . 3 統(tǒng)硬件框圖 . 3 線識(shí)別傳感器的選擇 . 3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇 . 5 速度檢測(cè)傳感器的選擇 . 6 穩(wěn)壓電源的選擇 . 6 軟件運(yùn)行平臺(tái)的選擇 . 7 述 . 7 作系統(tǒng)的選擇： . 7 用的優(yōu)越性： . 8 第三章 功能實(shí)現(xiàn)原理以及算法 . 9 度測(cè)量的原理及方法 . 9 線檢測(cè)的原理及方法 . 9 徑走向預(yù)測(cè)原理及方法 . 11 減速機(jī)構(gòu)的原理及方法 . 13 彎角度控制原理及方法 . 14 錯(cuò)性 . 15 第四章 小車的制作和參數(shù) . 17 型車機(jī)械部分安裝及改造 . 17 用單片機(jī)的硬件資源 . 17 件參數(shù) . 17 跑數(shù)據(jù) . 18 第五章 結(jié)論 . 19 參考文獻(xiàn) . 21 附錄 A . 23 1、 系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度 . 23 2、 移植程序 . 24 3、 部分核心程序 . 26 摘要 本系統(tǒng)使用了 16 位單片機(jī) 為主控芯片，嵌入 行穩(wěn)定，調(diào)試快捷，使用 動(dòng)電機(jī)，利用紅外發(fā)射接收管作為的路徑識(shí)別傳感器，充分利用單片機(jī)的片上資源，使用 示路徑 信息 數(shù)據(jù)以及鍵盤輸入進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。 關(guān)鍵 詞 ： 作系統(tǒng) 、 動(dòng)電機(jī)、紅外發(fā)射接收管 6 CU as It ED to of on of CD is to 1 第一章 引言 本智能小車采用了飛思卡爾公司的 片機(jī)作為主控芯片， 內(nèi)嵌入作系統(tǒng)為程序設(shè)計(jì)提供基本軟件平臺(tái)。 為其提供穩(wěn)定的 +5使用了較為便宜的紅外發(fā)射接收管作為黑線位置的檢測(cè)， 使用片上 數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。從而可以進(jìn)行識(shí)別路徑。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用的是 使用了霍爾元件來測(cè)量速度，相關(guān)的信息在 128*64塊上顯示 ，為收集到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的數(shù)據(jù)提供了很好人機(jī)界面。 本報(bào)告分成四章 ,第一章引言 部分主要 介紹智能汽車制作 基本情況 ,第二章 :簡(jiǎn)述制作過程的方案選 擇 黑線識(shí)別傳感器的方案選擇 , 軟件運(yùn)行平臺(tái)的選擇 , 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇 等等 ,通過 對(duì) 各種的方案的比較分析 ,選取 最適合設(shè)計(jì)方案 功能實(shí)現(xiàn)原理以及算法 ,是智能汽車設(shè)計(jì)的重點(diǎn)及難點(diǎn) 如 :黑線檢測(cè) , 路徑走向預(yù)測(cè) , 加減速機(jī)構(gòu)， 轉(zhuǎn)彎角度控制 ，數(shù)據(jù)的 容錯(cuò)性 控制 等等原理及方法 。 第四章：綜述：綜合簡(jiǎn)述了在智能汽車制作調(diào)試過程所遇到的問題及解決的方法。 在 一個(gè)多月 的時(shí)間內(nèi) ， 經(jīng)過 隊(duì)員的共同努力下， 智能汽車 制作 終于完成。希望通過這份報(bào)告， 我們隊(duì)的智能汽車的制作經(jīng)驗(yàn)對(duì) 大家 有所幫 助 。 由于時(shí)間倉促， 不當(dāng)之處懇請(qǐng)讀者指正。 3 第二章 方案選擇 統(tǒng)硬件框圖 系統(tǒng) 硬件電路原理圖 如下圖所示。主要包括 片機(jī)最小系統(tǒng)、路況采集模塊、速度檢測(cè)模塊、穩(wěn)壓電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 、 數(shù)據(jù)顯示模塊、鍵盤輸入。 線 識(shí)別傳感器的選擇 （ 1） 使用紅外發(fā)射接收管來檢測(cè)黑線： 用紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線，經(jīng)過賽道的反射回來，由于白紙和黑線吸收紅外線的強(qiáng)度不同，不同位置上的紅外接收管接收到強(qiáng)弱不同的紅外光，因此可以判斷出黑線相對(duì)小車的位置。這種檢測(cè)的方法明顯的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)速度快，檢測(cè)的方法簡(jiǎn)單，成本相對(duì)低廉。但是比賽規(guī)定傳感器不能超過 16 個(gè)，這樣就限制了水平分辨率。不能精確的分辨黑線的位置，同時(shí)也許 垂直分辨率可能只有一 線，不能很好的預(yù)測(cè)路徑的走線 。 總的來說使用這種方法優(yōu)點(diǎn)很明顯，缺點(diǎn)也很明顯。 （ 2） 使用線陣的 象傳感器： 由于線陣的 象傳感器水平分辨率很高，雖然垂直分辨率只有一線，但是可以克服紅外發(fā)射接收管 水平分辨率 低的問題，當(dāng)然成本 會(huì) 很高，處理數(shù)據(jù)量也 比紅外發(fā)射接收管的 增大了很多，檢測(cè)速度比紅 外發(fā)射接收管慢，但不影況采集 速度檢測(cè) 穩(wěn)壓電源 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 數(shù)據(jù)顯示 鍵盤輸入 圖 系統(tǒng)硬件框圖 第一屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 響正常使用。 （ 3） 使用面陣的 象傳感器： 面陣的 象傳感器成象是一個(gè)平面，無論是水平分辨率還是垂直分辨率都很高，識(shí)別上具有很大的優(yōu)勢(shì)，可以做到提前預(yù)測(cè)路徑 ，是最理想的路徑檢測(cè)傳感器；但是數(shù)據(jù)量比前兩種方案都大很多，單片機(jī)的速度不經(jīng)超頻難以勝任（比賽規(guī)定不可以使用輔助處理器）。 這樣穩(wěn)定性可能因超頻而降低了。同時(shí)因?yàn)樾≤嚨囊苿?dòng)引起傳感器的擺動(dòng)，可能會(huì)影響成象的準(zhǔn)確，需要使用軟件的特殊處理，更加加劇了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。 仔細(xì)分析紅外可以通過軟件處理的方法把水平分辨率 致少可以 提高一倍， 13 對(duì)紅外 發(fā)射接收 管 利用細(xì)分的方法 可以 得到 25 個(gè) 檢測(cè) 點(diǎn)（長(zhǎng)度是 22 厘米），這個(gè)分辨率用在路面黑線位置的檢測(cè)也夠了。 路徑的 走向 檢測(cè)可以 通過 加快檢測(cè)的頻率， 聯(lián)合 當(dāng)前和前面的數(shù)據(jù) 處理并 做出判斷，事實(shí)上這個(gè)效果非常好 ，只要紅外探測(cè)的距離足夠遠(yuǎn)，路徑的變化還是可以預(yù)測(cè)的，但是這種由于沒有攝象頭預(yù)測(cè)距離那么遠(yuǎn) 、那么精確， 只能 知道當(dāng)前的狀態(tài)，此后需要試探式前進(jìn)，這樣試探的算法變的非常重要。 總的來說使用紅外發(fā)射接收管來檢測(cè)黑線這個(gè)方案具有其他兩種所不具有的優(yōu)勢(shì)：廉價(jià)、快速、算法簡(jiǎn)單。因此我們選擇了方案 （ 1）。 D S 1 D S 2 D S 3 D S 4 D S 5 D S 6D S 7 D S 8 D S 9 D S 10 D S 11 D S 12D S 13S O ?S O ?S O ?S O ?S O ?S O ?S O ?R? R? R? R? R? R? R?R? R? R? R? R? R? R?P A 0 P A 1 P A 2 P A 3 P A 4 P A 5 P A 6V C 外發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路 第二章 方案選擇 5 23 5 7 11 10 Q 13R? R? R? R? R? R? R?R? R? R? R? R? R?P A N 0 P A N 1 P A N 2 P A N 3 P A N 4 P A N 5 P A N 6P A N 7 P A N 8 P A N 9 P A N 10 P A N 11 P A N 12+5+5 圖 紅外接收電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇 電機(jī) 的驅(qū)動(dòng)可以使用專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 、達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)、場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)。和小車配送來的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 部具有過流保護(hù)電路，剎車效應(yīng)好，接口簡(jiǎn)單易用，雖然能夠提供比較大的驅(qū)動(dòng)電流，但對(duì)于小車驟然加速時(shí)所需的電流還是不夠的，發(fā)熱量也比較大，若使用達(dá)林頓管作驅(qū)動(dòng)管，其等效電阻 也相對(duì)比較大，發(fā)熱量也會(huì)比較大，不利于電機(jī)轉(zhuǎn)速的驟起驟降驅(qū)動(dòng)，使用 場(chǎng)效應(yīng)管作為驅(qū)動(dòng)管，其導(dǎo)通電阻可以達(dá)到毫歐級(jí)，且可以提供強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)電流，但要另外需要加制動(dòng)電路，考慮到要小車 起動(dòng) 越快越好這一主要因素，最后選用場(chǎng)效應(yīng)管做驅(qū)動(dòng)電路，再另外加一個(gè)制動(dòng)電路，電路如 圖 示： F 54 0 P 14 5S O 1s s 80 50V C S T )12 S T ) M 7S T O 74 H C 08 74 H C 08 N S O 2s s 80 50S O 3s s 80 5012 S T )1 2 S T )12 S T )V C ?s s 80 50123J P ?H e a de r 3 M O T O R +M O T O R 機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 第一屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 速度檢測(cè)傳感器的選擇 考慮到小車在 加速和減速時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)輪胎與賽道打滑的現(xiàn)象，就采用檢測(cè)被動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速作為小車的當(dāng)前速度。速度檢測(cè)的方法主要有透射光柵輪檢測(cè) 、霍爾開關(guān)檢測(cè)。 透射光柵輪的柵距比較小，對(duì)速度的反應(yīng)很靈敏，精度比較高，速度的實(shí)時(shí)檢測(cè)比較好，但是由于小車車身 的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，很難安裝在前面兩個(gè)被動(dòng)輪上檢測(cè)速度，實(shí)現(xiàn)難度很大。霍爾開關(guān)的開關(guān)速度比較快，精度容易調(diào)節(jié)（只需調(diào)節(jié)小磁鐵塊的個(gè)數(shù)與間距），安裝方便，磁鐵可以直接安裝在車輪上，安裝難度相對(duì)比較容易，由于小車的速度不是很快，完全可以滿足小車速度的測(cè)量。 綜合以上兩種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)中采用霍爾開關(guān)來測(cè)量速度。元件如圖 示。 圖 爾開關(guān)接線圖 穩(wěn)壓電源的選擇 提供單片機(jī)電源 的 常用 電源穩(wěn)壓芯 片 是 7805， 因?yàn)樗哂型鈬?jiǎn)單，價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。但是，從實(shí)際使用的場(chǎng)合來考慮，小車的電源只 左右，一但電壓下降到 7 伏以下時(shí)， 7805 輸出的 5 伏穩(wěn)壓就難以保證，造成單片機(jī)的復(fù)位；使用開關(guān)穩(wěn)壓管 輸出 5 伏穩(wěn)壓，穩(wěn)壓管的輸入電壓可以下降到 還可以穩(wěn)出 5 伏的電壓，考慮到小車電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流比較大，優(yōu)其是在小車的起動(dòng)與加速時(shí)，可能會(huì)造成電池比較大的輸出壓降?？紤]到這一點(diǎn)，最佳的選擇。 第二章 方案選擇 7 a c / O F 25 75100壓電路 軟件運(yùn)行平臺(tái)的選擇 述 本設(shè)計(jì)采用 入操作系統(tǒng)作為應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)的基本平臺(tái)。使得應(yīng)用程序的編寫變得簡(jiǎn)易。降低了程序的維護(hù)難度，而且滿足小車控制的實(shí)時(shí)性的要求。 節(jié)主要介紹的是本次智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，是否使用嵌入式操作，選擇哪個(gè)嵌入式的操作系統(tǒng)。 節(jié)介紹使用 作平臺(tái)的所體現(xiàn)出來的優(yōu)越性。 作系統(tǒng)的選擇： 本小節(jié)主要是比較分析使用操作系統(tǒng)與沒有使用操作系統(tǒng)的優(yōu)劣性。結(jié)合本次智能小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的難度及片上資源的情況。決定選擇嵌入式操作系統(tǒng) 在沒有嵌入式操作系統(tǒng)的情況下，可以減少 資源的消耗，但程序的編寫變得復(fù)雜 ,程序順序流難以控制。加大了調(diào)試難度，一旦程序出錯(cuò)，檢錯(cuò)困難使得程序員難以集中精力編寫算法程序。而且團(tuán)隊(duì)的分工合作難以諧調(diào)。功能程序的添加以及應(yīng)用更新會(huì)造成全局的影響難以預(yù)見。 使用操作系統(tǒng)時(shí)，大大地提高了開發(fā)的效率及開發(fā)的周期。如當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，可以由系統(tǒng)自己高效地保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 存器組。還可以支持中斷嵌套，這樣，程序員不必理會(huì)程序的順序流的保護(hù)，控制及斷點(diǎn)的恢復(fù)等等操作?？梢园寻赐瓿赡承┕δ軇澐秩蝿?wù)，通過設(shè) 置任務(wù)的優(yōu)先級(jí)及任務(wù)的調(diào)試機(jī)制，可以高效地控制應(yīng)用程序的順序流的控制。降低編程的難度，提高系統(tǒng)的性能，便于程序代碼的測(cè)試，同時(shí)可以把 功能模塊當(dāng)作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序。然后經(jīng)過測(cè)試穩(wěn)定達(dá)到要求后，可以直接的掛接到系統(tǒng)上去，這樣就減少各個(gè)功能模塊之間的出錯(cuò)的干擾。編程員不必理會(huì)底層驅(qū)動(dòng)程序編寫情況，直接可以調(diào)用底層功能模塊提供的接口函數(shù)及操作系統(tǒng)提供的函數(shù)便可以控制好程序第一屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 的順序流的設(shè)計(jì)，所以選擇操作系統(tǒng)作為軟件的基本平臺(tái)。 在眾多的嵌入式操作系統(tǒng)中（如 ， 核小，代碼開放，移植的難度低，而且網(wǎng)上有很關(guān)于 植的成功例子。對(duì)硬件的資源要求比較低。具有較好的可裁剪性 ,作系統(tǒng)內(nèi)核可以經(jīng)過裁剪到最小只有 2K 左右。 用量要視任務(wù)的個(gè)數(shù)，任務(wù)棧大小設(shè)置及事件控制塊的個(gè)數(shù)等等而定。 部有 128 2 8 以結(jié)合 上資源，移植嵌入操作系統(tǒng) 耗片上 源是非常少的，根本上不會(huì)造成的內(nèi)存資源的緊張。本的嵌入式操作作為本次系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的軟件基本平臺(tái)。 用的優(yōu)越性： 一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的可剝奪型的實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核， 95%以上的代碼用C 語言編寫，可移植性好，該內(nèi)核簡(jiǎn)單易懂。對(duì)于小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為適合。結(jié)合上資源，其優(yōu)越性主要表現(xiàn)為以下的幾點(diǎn)： （） 任務(wù)切換速度快，經(jīng)測(cè)試，任務(wù)的之間的切換時(shí)間為 400 460 個(gè) 果使用 時(shí)鐘周期為 f=48次的任務(wù)的切換只需： 以高效地控制小車的實(shí)時(shí)性能。 （）提高了開發(fā)的效率及開發(fā)的周期，降低應(yīng)用程序的復(fù)雜性。增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù) 性，可以按照任務(wù)模塊修改當(dāng)前任務(wù)的程序而不影響其它任務(wù)的程序，使得隊(duì)員之間的分工合作諧調(diào)。只需編寫或修改更新自己的功能模塊程序。無需關(guān)心功能模塊的編寫情況 所以選擇 入式操作系統(tǒng)是最為適合不過了。 9 第三章 功能 實(shí)現(xiàn) 原理 以及算法 度測(cè)量的原理及方法 經(jīng)過測(cè)量車輪胎的周長(zhǎng)為 17 厘米，所以把一個(gè)圓周分成 17 份，通過霍爾傳感器，小車每前進(jìn)一厘米產(chǎn)生一個(gè)上升沿的方波脈沖輸出。使用 的輸入捕捉功能對(duì)輸入脈沖進(jìn)行二次的捕捉后。計(jì)算出二次脈沖之間的時(shí)間 t，從而可以較精確地計(jì)算出速度 v=1/t (cm/s)。 線檢測(cè)的原理及方法 黑色的物體對(duì)紅外線的吸收比白色物體強(qiáng)很多，利用這個(gè)特性，通過紅外接收管接收經(jīng)路面發(fā)射回來 的 紅外發(fā)射管發(fā)出的光線 的強(qiáng)度不同，可以判斷出黑線還是白紙。在這個(gè)過程中 遇到的 問題主要有：如何消除紅外管發(fā)射接收管的鄰近干擾；如何消除環(huán)境光線強(qiáng)度對(duì)接收管的干擾；如何解決功耗過大的問題 ；如何提高分辨率 。 減少紅外管發(fā)射接收管的鄰近干擾可以使用黑色的空心套管套住紅外接收管的來減少鄰近紅外發(fā)射管的影響，在一個(gè) 是選用直線性好的線性紅外發(fā)射管。這是在硬件上減少干擾的方法。但是實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)干擾依然很大，原因是黑色的空心套管的長(zhǎng)度受到限制。這樣就只能求助于軟件了，具體是紅外發(fā)射管不是同時(shí)點(diǎn)亮，而是隔足夠遠(yuǎn)的距離的兩個(gè)發(fā)射管同時(shí)點(diǎn)亮。 這樣就可以 把 鄰近干擾降到最底了。 實(shí)際測(cè)量中使用 ，直徑為 3黑色套管套住紅外接收管時(shí)，發(fā)射管發(fā)射的紅外線對(duì)相隔一個(gè)管的紅外接收的干擾幾乎已經(jīng)很小了。 功耗過大的問題主要是為了減少接收電路的復(fù)雜性，沒有使用放大器對(duì)接收管輸出進(jìn)行放大， 而是通過 提高發(fā)射管的發(fā)射功率來獲得更高的接收 靈敏度。上面提到紅外管發(fā)射接收管的鄰近干擾問題時(shí)已經(jīng)提出不能同時(shí)點(diǎn)亮所有的發(fā)射管了。所以采用輪流驅(qū)動(dòng)的方式既可以減少臨近干擾， 又 可以降低功耗，一舉 兩 得。 紅外接收管從有接收到紅外線到飽和穩(wěn)定需要一定的時(shí)延，為了縮短讀 換算成實(shí)際時(shí)間 計(jì)算速度 返回 速度值 圖 度測(cè)量流程圖 第一屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 處理時(shí)間，可以采用預(yù)亮的方法。所以對(duì) 13 對(duì)紅外發(fā)射接收管編碼后，輪流驅(qū)動(dòng)順序 ： 第一次： 亮： 1 、 8 預(yù)亮： 5 、 12 延時(shí) a/d 轉(zhuǎn)換 1 、 8 第二次： 亮： 5 、 12 預(yù)亮： 2 、 9 延時(shí) a/d 轉(zhuǎn)換 5 、 12 第三次： 亮： 2 、 9 預(yù)亮： 6 、 13 延時(shí) a/d 轉(zhuǎn)換 2 、 9 第四次： 亮： 6 、 13 預(yù)亮： 3 、 10 延時(shí) a/d 轉(zhuǎn)換 6 、 13 第五次： 亮： 3 、 10 預(yù)亮： 7 延時(shí) a/d 轉(zhuǎn)換 3 、 10 第六次： 亮： 7 預(yù)亮： 4 、 11 延時(shí) a/d 轉(zhuǎn)換 7 第七次： 亮： 4 、 11 延時(shí) a/d 轉(zhuǎn)換 4 、 11 環(huán)境光線強(qiáng)度對(duì)接收管影響很大，特別是在陽光很充足的白天。消除這種干擾 可以用交流調(diào)制的方法，但是我們面臨的將是龐大而復(fù)雜的硬件電路和功耗的上升。還有一種方法就是用直流驅(qū)動(dòng)，比較接收電路輸出的電平，根據(jù)環(huán)境的不同而設(shè)定不同的比較門限電壓。這樣比調(diào)制的抗干擾性能差，而且比較麻煩。但是如果用 a/d 轉(zhuǎn)換器采樣了接收電路的輸出電平后用軟件 濾波后再作 比較處理，對(duì)提高抗干擾性能是一個(gè)不錯(cuò)的方法。在 有 16 個(gè)通道的a/d 轉(zhuǎn)換器，足夠用了，這樣不但節(jié)省了硬件，還降低了功耗 ，充分利用了 提高分辨率使用了細(xì)分的方法，可以把檢測(cè)的有效點(diǎn)數(shù)提高到紅外發(fā)射管個(gè)數(shù) 的兩倍 ，例如使用了 13 對(duì)紅外傳感器可以檢測(cè) 25 個(gè)有效點(diǎn)。 圖 13 個(gè)管的細(xì)分圖 兩個(gè)都檢測(cè)成黑線 只有一個(gè) 檢測(cè)成黑線 圖 收情況示意圖 第三章 功能實(shí)現(xiàn)原理以及算法 11 徑走向預(yù)測(cè)原理及方法 描述路徑的變化可以用兩個(gè)描述量來表示： 一個(gè)是路徑的抖動(dòng)強(qiáng)度， 應(yīng)用數(shù)字 置型控制算法的思想，先對(duì)小車現(xiàn)在檢測(cè)到的路徑位置與前幾次走過的路徑位置求差值，把差值放大后進(jìn)行累加，然后再減去一個(gè)衰減常數(shù)，得到了小車走過的一段距離內(nèi)車子前進(jìn)方向與路徑擺 動(dòng)的強(qiáng)度，這種 路徑的抖動(dòng)強(qiáng)度說明了小車是否進(jìn)入了蛇行走線的狀態(tài)或者小車遇上了彎道。 當(dāng)路徑變化很快 時(shí) ， 由于 衰減常數(shù)比變化值小，就會(huì)在短路程內(nèi)把數(shù)據(jù)累加得很大，當(dāng)超過一定值的時(shí)候就可以認(rèn)為小車處在 了危險(xiǎn)狀態(tài) 。 如果小車是處在蛇行走線的狀態(tài)時(shí)，速度過高了會(huì)進(jìn)入惡性循環(huán)，最終小車會(huì)完全偏離黑線，沖出跑道。所以路徑的抖動(dòng)強(qiáng)度 可以 檢測(cè)小車 是否 進(jìn)入這種危險(xiǎn)狀態(tài)，需 不需要啟動(dòng)平復(fù)程序把速度降到安全范圍內(nèi) 。 另 個(gè)是路徑偏離小車前進(jìn)方向的速度。 同樣是應(yīng)用數(shù)字 置型控制算法的思想，與 路徑的抖動(dòng)強(qiáng)度 不同的是只對(duì) 路徑偏離小車前進(jìn) 方向 的單一方向置求差值、放大、累加、衰減。這樣就 描述了路徑 向單一方向偏離 的速度，當(dāng)彎度越大，在單位路程內(nèi)路徑偏離 就越大，經(jīng)過累加衰減后的值也越大，那么偏離的速度就越大，偏離的速度事實(shí)上知道了拐彎 彎度 的大小。這個(gè)量通知了轉(zhuǎn)彎控制程序和加減速控制程序要作出什么樣的動(dòng)作。 現(xiàn)在知道了如何描述小車的狀態(tài)量的方法，程序如圖 序流程圖所示 n+1 N Y 點(diǎn)亮第 n 組燈，預(yù)亮 n+1 組燈 延時(shí)等待 時(shí)對(duì)第 n 組接收信號(hào)轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)處理 n6? 數(shù)據(jù)二次處理，返回黑線位置 圖 外傳感器驅(qū)動(dòng)流程圖 第一屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 路徑走向 小車運(yùn)動(dòng)方向 偏轉(zhuǎn)速度 V 路徑偏離小車前進(jìn)方向的速度 示意圖 波動(dòng)較大的路徑 波動(dòng) 為 0 的路徑 圖 路徑描述示意圖 蛇形走線 示意 軌跡 慢速 蛇形走線的 平伏 軌跡 快速 蛇形走線的 平伏 軌跡 路徑 路徑 路徑 圖 蛇形線的平伏軌跡 第三章 功能實(shí)現(xiàn)原理以及算法 13 減速機(jī)構(gòu)的原理及方法 加減速的性能是直接影響小車的速度的。加速不能突然把控制速度的 不可能出現(xiàn)打滑，導(dǎo)致小車旋轉(zhuǎn)，這樣是一個(gè)很危險(xiǎn)的動(dòng)作，直接危害小車的安全，另一方面如果加得不夠迅速的話又會(huì)使小車加速太慢而影響速度，所以需要有一個(gè)柔性加速的過程 。但描述一個(gè)速度的加減不應(yīng)該是精確的，是不確定的，要適應(yīng)不同的路徑就只能用模糊的控制方法，根據(jù)小車的狀態(tài)來加減速。運(yùn)用數(shù)字 置型控制算法已經(jīng)知道了當(dāng)前的路況，而綜合數(shù)字 量型控制算法得到了將要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，事實(shí)上現(xiàn)在我們根 據(jù)當(dāng)前速度就已經(jīng)知道了要加速還是要減速了。 對(duì)于加速我們發(fā)現(xiàn) 用 單位 距離 觸發(fā)加速程序明顯比用時(shí)間來觸發(fā)平穩(wěn)得多，而加速性能毫不遜色。結(jié)合當(dāng)前速度和黑線所處的位置來決定控制電機(jī) 占空比 要 加多少 ?，F(xiàn)在小車外部捕捉中斷是小車每走 1斷一次的，如果當(dāng)前速度是 150cm/s，黑線的位置處在中心附近，那么我們可以大膽加速，每次增加 占空比 ，加起速來平緩迅速而且不出現(xiàn)打滑，這就是我們簡(jiǎn)單的柔性加速控制的想法。 這樣和速度 聯(lián)系的相當(dāng) 緊密，要不然速度很慢的時(shí)候，加速也會(huì)很慢，同樣影響速度，所以設(shè)定一個(gè) 與速度相關(guān)的初始占空比更好一點(diǎn)，這樣可以禰補(bǔ)速度慢，加速慢的缺點(diǎn)。 減速性能越好，就越能保證越高的速度速入彎，相當(dāng)于提升了小車的最高速度。在減速 過程中要不斷監(jiān)控速度 ，因?yàn)樗俣炔荒軠p得太低， 太低了 不會(huì)嚴(yán)重影響減速后的起動(dòng)，不利于小車行走的速度 的增加 ?？傊疁p速的程度與跑道黑線位置信息 和前一次的數(shù)據(jù)做比較 ，計(jì)算差值 放大器 ，放大 n 倍 路徑抖動(dòng)強(qiáng)度累加器 路徑偏離速度累加器 路徑抖動(dòng)強(qiáng)度 衰減 器 路徑抖動(dòng)強(qiáng)度 衰減 器 控制數(shù)據(jù) 圖 徑狀況描述流程圖 第一屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 的彎度很大關(guān)系，能把彎度預(yù)測(cè)的越準(zhǔn)確，提前得越早，小車過彎的速度也越快。當(dāng)然減速還要結(jié)合當(dāng)前的速度，如果在安全的速度之下就沒必要減速了，如果遠(yuǎn)低于安全速度還應(yīng)該要加速。 圖 流程圖是由小車走 1距離觸發(fā)一次的，當(dāng)中斷來到的時(shí)候觸發(fā)一個(gè) 務(wù)，在任務(wù)中調(diào)度這個(gè)函數(shù)，完成一個(gè)循環(huán)。 彎角度控制原理及方法 給舵機(jī)輸入一個(gè)固定頻率不同占空比的 機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)過不同角度，但畢竟舵機(jī)反應(yīng)的速度是比較慢的，這就需要用軟件來禰補(bǔ)硬件的不足了，最基本的一點(diǎn)是當(dāng)速度足夠慢的時(shí)候，舵機(jī)是可以反應(yīng)過來的。小車在行進(jìn)中要不斷的調(diào)整前輪的轉(zhuǎn)向，在路徑波動(dòng)強(qiáng)度較低的時(shí)候，不能突然地改變轉(zhuǎn)向太多，特別是 高速 的時(shí)候，這樣會(huì)引起小車走蛇型線的 。為了在直線行走的時(shí)候避免走蛇行線， 轉(zhuǎn)彎 控制需要加上 柔性控 制。越是靠近小車的中心軸 ， 角度的改變小于 大于 大于 等于 小于 等于 控制數(shù)據(jù) 和黑線的位置 是否達(dá)到 剎車的速度條件 ？ 是否達(dá)到 加速的速度條件 ？ 剎車 測(cè)量速度 加速 信息處理判斷 柔性控制 圖 減速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)流程圖 第三章 功能實(shí)現(xiàn)原理以及算法 15 的比例就越小，可以分成幾個(gè)區(qū)間，根據(jù)黑線的位置，靠近 小車的中心軸 的改變得平緩一點(diǎn)，遠(yuǎn)離 小車的中心軸 的改變得劇烈一點(diǎn) 。 這樣得到了基本的轉(zhuǎn)彎角度。 上面所描述的控制還是太粗略，在實(shí)際應(yīng)用中還是不夠的，這就要應(yīng)用到數(shù)字 量型控制算法了，把從當(dāng)前的控制數(shù)據(jù)當(dāng)成前面的控制數(shù)據(jù)處理后的動(dòng)作反饋回來的信號(hào)，經(jīng)過比較，發(fā)現(xiàn)如果沒有達(dá)到或者超過預(yù)想的效果的話，就增加或者是減少，形成了圖 程圖中的加速處理輸出和回轉(zhuǎn)角度輸出，這樣在送進(jìn)柔性處理程序里，得到結(jié)合路徑的當(dāng)前位置得到了 更加合理的轉(zhuǎn)角輸出。 錯(cuò)性 在路徑是數(shù)據(jù)采集過程中，開辟了一個(gè)循環(huán)的字符型數(shù)組，把每次的路徑處理結(jié)果添加到數(shù)組里， 小車的動(dòng)作執(zhí)行程序就根據(jù)數(shù)組里的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。 當(dāng)檢測(cè)出錯(cuò)，例如檢測(cè)到的是全部是亮點(diǎn)，或者是不連續(xù)的的黑點(diǎn)，有或者是很長(zhǎng)的連續(xù)黑點(diǎn)，這些都屬于出錯(cuò)，新添進(jìn)數(shù)組里的數(shù)據(jù)和上次不變。 控制數(shù)據(jù) 基本轉(zhuǎn)角處理 加速 轉(zhuǎn)角處理 回轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)角處理 柔性處理 黑線位置 轉(zhuǎn)換成控制舵機(jī)的 沖信號(hào) 圖 度控制過程流程圖 第一屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 N Y 符合正常條件？ 更新歷史位置信息 不更新歷史信息 黑線位置信息 返回 圖 錯(cuò)流程圖 17 第 四 章 小車的制 作和參數(shù) 型車機(jī)械 部分 安裝 及 改造 對(duì)于模型車的組裝 是根據(jù)模型車的裝配圖按需要將主要部件組裝起來，首先調(diào)節(jié)好小車前輪的后傾角，使小車直線行駛時(shí)能夠保持穩(wěn)定；再調(diào)節(jié)好小車前輪的外傾角和前束角，使小車轉(zhuǎn)變輕便自如；為了使小車在行駛時(shí)更加穩(wěn)定，在裝配后輪時(shí)，我們選用了使小車車身最低的零部件。從測(cè)量小車實(shí)時(shí)速度的角度來考慮，測(cè)速傳感器安裝在從動(dòng)輪上是最佳的選擇，因?yàn)槿绻b在后輪上，在加減速時(shí)輪胎與賽道可能會(huì)出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，測(cè)出來的速度就不準(zhǔn)確了。所以速度傳感器就裝在前輪上。要想提高小車的速度和轉(zhuǎn)變性能就要預(yù) 知前面的路況，因?yàn)槲覀冇玫氖羌t外線探測(cè)路徑的方法，所以傳感器探測(cè)點(diǎn)越前越好，再將傳感器的高度和前向傾角增大，探測(cè)到的距離就更遠(yuǎn)了。 用 單片機(jī) 的硬件資源 本系統(tǒng)充分利用了 片機(jī)上功能模塊資源，使用 能模塊中 13 路 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換對(duì)紅外接收管接收到信號(hào)的電平強(qiáng)弱進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化了光電檢測(cè)電路。采用 塊中的 (數(shù)計(jì)數(shù)器作為統(tǒng)時(shí)鐘，使用 入捕捉功能模塊為小車提供較為精確的速度測(cè)量。2 路的 出可調(diào)脈沖波形控 制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。充分利用片上腳 ,使用了 25 個(gè) 腳控制紅外發(fā)射接收管的開關(guān)以及 盤輸入輸出端口 件參數(shù) a) 模型車改造后的重量約 身長(zhǎng) 35 20度 車 模 所用的電池標(biāo)稱容量為 2000 b) 表 系統(tǒng)功耗 負(fù)載強(qiáng)度 輕負(fù)載 中等負(fù)載 重負(fù)載 電池電壓（ V） 流強(qiáng)度（ A） 耗（ W） c) 所用電容總?cè)萘考s為 1500 d) 所用傳感器有紅外發(fā)射接收對(duì)管和霍爾開關(guān)管兩種，紅外發(fā)射接收對(duì)管共第一屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 用了 13 對(duì)，霍爾開關(guān)管用了 1 個(gè) e) 只用到 車模原有的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵機(jī) 。 f) 賽道信息檢測(cè)精度 可達(dá) 0分布 25 個(gè)點(diǎn) ),檢測(cè)頻率為每厘米一次。 跑數(shù)據(jù) 在根據(jù)韓國(guó)賽道參數(shù)做出來的二維平面跑道中，我們測(cè)下了如下的記錄： 表 車實(shí)跑數(shù)據(jù) 圈次 1 2 3 4 5 出道次數(shù) 0 0 0 0 1 一圈的時(shí)間（ s） 上面的數(shù)據(jù)和實(shí)際觀察中，我得出了這樣的結(jié)論：小車在直線跑道中，如果晃動(dòng)的幅度比較大，和次數(shù)較多的話，小車的速度就很難提得上來；其中小車在拐彎的時(shí)候最容易摔出跑道，所以在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，小車一定要能剎得住車才可能順利走出跑道，還有在進(jìn)入蛇形路線的前進(jìn)中，小車的進(jìn)入角度猶其重要，一旦角度過偏的話，就很容易沖出跑道，增加所用的時(shí)間。 19 第 五 章 結(jié) 論 現(xiàn)在智能小車的設(shè)計(jì)已經(jīng)告一個(gè)段落，回顧設(shè)計(jì)過程的諸多辛 酸，不由舒心 地 笑起來。 確實(shí)設(shè)計(jì)過程中問題重重，首先遇到的是路徑檢測(cè)傳感器的鄰近干擾，功耗過大的問題，在我們隊(duì)員共同努力之下，很好的解決了這個(gè)問題，詳細(xì)請(qǐng)看第三章的功能實(shí)現(xiàn)與算法。在傳感器問題解決之后遇到了速度與轉(zhuǎn)彎的矛盾，速度高了，轉(zhuǎn)彎就來不急，要順利的轉(zhuǎn)彎速度卻上不去，為了協(xié)調(diào)這個(gè)問題， 必須找到哪里是直線，哪里是彎道，在直線上跑的速度要快，而在彎道上跑的速度要慢，最后發(fā)現(xiàn)可以用兩種變量描述，一種是路徑的波動(dòng)強(qiáng)度，一種是路徑的偏離速度，詳細(xì)請(qǐng)看第三章的功能實(shí)現(xiàn)與算法。而我們覺得最難解決的問題是如何實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn) 彎和柔性加速，這個(gè)結(jié)合了模糊控制的方法，成功的解決了 。 還有一點(diǎn)我們覺得使用了 為軟件的運(yùn)行平臺(tái)來編寫程序，不但輕松了許多，而且調(diào)試起來很方便，各個(gè)部分的功能程序協(xié)調(diào)得很好，很穩(wěn)定。 總的來說我們這次的設(shè)計(jì)思想是要盡量弱化硬件，硬件上的不足使用軟件來禰補(bǔ) ，盡量發(fā)掘 款單片機(jī)的潛力。由于水平的限制，難免有地方出錯(cuò)或者表達(dá)不清，懇請(qǐng)大家指 出 。 21 參考文獻(xiàn) 1單片機(jī)嵌入式的在線開發(fā)方法的應(yīng)用 . 北京 : 清華大學(xué)出版社 2白焰 列微控制器原理應(yīng)用與開發(fā)技術(shù) 中國(guó)電力出版 社 ,2003 3碧 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2003 4俞恢春 ,李思雄 層布局與 全與電磁兼容 ,2003 5林偉 理圖與 計(jì)實(shí)例 . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2006 6 第二版