東華大學(xué)開題報(bào)告

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告課 題 名 稱 ： 飛思卡爾杯智能汽車競(jìng)賽 機(jī)械系統(tǒng)與道路識(shí)別軟件設(shè)計(jì) 學(xué) 院 ： 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 專 業(yè) ： 機(jī) 械 工 程 及 自 動(dòng) 化 姓 名 ： _ 學(xué) 號(hào) ： 指 導(dǎo) 教 師 ： 二0一三 年 一 月 十五 日飛思卡爾杯智能汽車競(jìng)賽機(jī)械系統(tǒng)與道路識(shí)別軟件設(shè)計(jì)一、 背景介紹1.1研究背景當(dāng)今世界，科技日新月異，生活豐富多彩，汽車早已走進(jìn)了大眾生活，作為一種交通工具，是人們出行的第一選擇，汽車行業(yè)也是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分。近些年，伴隨著控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等學(xué)科知識(shí)的發(fā)展，智能汽車已經(jīng)成為當(dāng)今汽車行業(yè)研究發(fā)展的一個(gè)重要

2、方向。為此，與之相關(guān)的各類智能汽車競(jìng)賽也應(yīng)運(yùn)而生，而影響最為深遠(yuǎn)的便是飛思卡爾杯智能汽車競(jìng)賽（全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽）。飛思卡爾杯智能汽車競(jìng)賽是教育部舉辦的九大賽事之一（其中還包括大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、機(jī)械設(shè)計(jì)競(jìng)賽、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽、挑戰(zhàn)杯、MEMS傳感器應(yīng)用大賽、物流設(shè)計(jì)大賽、英語競(jìng)賽），是以“立足培養(yǎng)、重在參與、鼓勵(lì)探索、追求卓越”為指導(dǎo)思想，以智能汽車為競(jìng)賽平臺(tái)的多學(xué)科專業(yè)交叉的創(chuàng)意性科技競(jìng)賽，是面向全國(guó)大學(xué)生的一種具有探索性的工程實(shí)踐活動(dòng)，旨在促進(jìn)高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識(shí)運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)

3、際、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神。智能汽車競(jìng)賽在我國(guó)已經(jīng)成功舉辦七屆，今年第八屆競(jìng)賽將在哈爾濱工業(yè)大學(xué)舉辦。該競(jìng)賽分競(jìng)速賽、創(chuàng)意賽和技術(shù)方案競(jìng)賽三類比賽。競(jìng)速賽是在規(guī)定的模型汽車平臺(tái)上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位、32位微控制器作為核心控制模塊（Kinetis 、ColdFire等系列），自主構(gòu)思控制方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括傳感器信號(hào)采集處理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制以及控制算法軟件開發(fā)等，制作一部能夠自主識(shí)別道路的模型汽車，按照規(guī)定路線行進(jìn)，以完成時(shí)間最短者為優(yōu)勝。大賽根據(jù)道路檢測(cè)方案不同分為電磁、光電平衡與攝像頭三個(gè)賽題組。使用四輪車模通過感應(yīng)由賽道中心電線產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)進(jìn)行路

4、經(jīng)檢測(cè)的屬于電磁組；使用四輪車模通過采集賽道圖像（一維、二維）或者連續(xù)掃描賽道反射點(diǎn)的方式進(jìn)行進(jìn)行路經(jīng)檢測(cè)的屬于攝像頭組；使用指定兩輪車模保持車體直立行走的車模屬于平衡組。為加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，我校機(jī)械學(xué)院將于今年第一次派出代表隊(duì)參加第八屆全國(guó)智能汽車競(jìng)賽。作為攝像頭組代表隊(duì)，在運(yùn)用本科期間所學(xué)控制、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械以及比賽相關(guān)的模式識(shí)別、傳感技術(shù)等知識(shí)下，將分別就機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)、軟件編寫、控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行思考設(shè)計(jì)，本課題將重點(diǎn)就機(jī)械系統(tǒng)與道路識(shí)別兩方面進(jìn)行研究。1.2研究意義（1）飛思卡爾杯智能汽車競(jìng)賽作為教育部支持的九大科技人文競(jìng)賽之一，屬于高級(jí)別、

5、有難度、有挑戰(zhàn)的大型比賽，參加這樣的比賽，對(duì)于學(xué)生關(guān)于專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)、合作能力的加強(qiáng)、人文素質(zhì)的培養(yǎng)大有裨益，同時(shí)對(duì)于所在院系、學(xué)校，也是一個(gè)展示軟實(shí)力、強(qiáng)化學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)的一個(gè)好途徑；（2）充分利用所學(xué)和所需知識(shí)，在對(duì)智能車模型進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)分析、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)研究、行駛狀況觀察后，在可行范圍內(nèi)，就直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、舵機(jī)控制機(jī)構(gòu)與安裝方式、光電編碼器、攝像頭、光電管與PCB板電路系統(tǒng)等安裝位置等機(jī)械相關(guān)工藝進(jìn)行研究與改進(jìn)，對(duì)各種機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方案進(jìn)行計(jì)算、比較、實(shí)驗(yàn)，選擇合適的、最優(yōu)的傳動(dòng)方案，同時(shí)，就車模運(yùn)行過程中重心的位置（主要是前后和高低）與車速、舵機(jī)轉(zhuǎn)向等之間的關(guān)系研究，探尋諸多因素影響下

6、車如何平穩(wěn)、快速的行駛，防止側(cè)翻，如何在車行駛中就速度和穩(wěn)定性尋求最優(yōu)配合關(guān)系，這些研究方向與結(jié)果對(duì)于日后參加比賽的學(xué)生有參考意義，同時(shí)對(duì)于現(xiàn)實(shí)生活中的汽車生產(chǎn)、駕駛、安全等相關(guān)方面有實(shí)際意義；（3）汽車智能化已經(jīng)成為當(dāng)代汽車發(fā)展的一個(gè)重要課題，利用傳感器采集信號(hào)、汽車電子電氣傳遞信號(hào)、微控制器處理信號(hào)與傳遞控制指令、控制電機(jī)和舵機(jī)等，運(yùn)用圖像二值化技術(shù)、單片機(jī)系統(tǒng)、PID控制與模糊控制、PWM控制等方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型車的智能控制，對(duì)于現(xiàn)實(shí)生活中，關(guān)于汽車預(yù)警、導(dǎo)航、安全駕駛等方面有實(shí)際參考與借鑒意義。1.3應(yīng)用前景（1）通過對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)、車體重心位置與速度關(guān)系的分析、各主要

7、部件安裝位置與工藝的選擇等，在保證車快速行駛的情況下，保持車的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，力爭(zhēng)在參加智能汽車競(jìng)賽中取得理想成績(jī)；（2）課題研究中的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化、傳動(dòng)方案改進(jìn)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號(hào)采集處理、汽車運(yùn)動(dòng)與安全等相關(guān)成果與結(jié)論可以衍伸到現(xiàn)實(shí)生活中的汽車設(shè)計(jì)、制造、駕駛等方面；（3）通過參加比賽獲得的關(guān)于傳感技術(shù)、電子電氣、控制系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等知識(shí)、技能與經(jīng)驗(yàn)，可以應(yīng)用于今后的科研與工作中，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的傳遞與貫通。二、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀汽車智能化研究已經(jīng)成為現(xiàn)今汽車發(fā)展的一個(gè)重要方向，僅現(xiàn)在已經(jīng)用于汽車內(nèi)部的智能化就已經(jīng)有很多，比如智能導(dǎo)航、倒車警報(bào)、車門和安全帶警報(bào)等，本文主要就智能車競(jìng)賽為出發(fā)點(diǎn)探

8、討智能車國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀。在智能汽車競(jìng)賽方面，國(guó)內(nèi)正規(guī)的競(jìng)賽就有飛思卡爾杯智能汽車競(jìng)賽、瑞薩智能車比賽、全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽等，其他林林總總的各種以智能車為平臺(tái)的競(jìng)賽更是數(shù)不勝數(shù)，可見智能車研究已經(jīng)發(fā)展為一種社會(huì)現(xiàn)象。對(duì)于國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀分析，首先，就近幾年國(guó)內(nèi)各項(xiàng)競(jìng)賽的情況來看，智能車制作主要集中在硬件電路的制作和軟件程序以及算法的設(shè)計(jì)，關(guān)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究比較匱乏，主要原因在于車模較小，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，質(zhì)量較輕，重心比較低，一般參賽隊(duì)伍都會(huì)放棄對(duì)機(jī)械部分的研究。其次，在對(duì)于控制算法的研究，普遍局限于PID控制或者PID矯正控制，對(duì)于國(guó)外研究較多的模糊控制、棒棒控制、PWM控制等研究較少。本課題本著開拓創(chuàng)新

9、的宗旨，將把重點(diǎn)放在機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化、控制算法和道路識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，力爭(zhēng)在這些領(lǐng)域可以做出研究。本課題研究機(jī)械部分，通過優(yōu)化電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、改進(jìn)舵機(jī)控制結(jié)構(gòu)與安裝方式、調(diào)整底盤高度和輪胎內(nèi)（外）束角、賽車整體重心位置確定等多方面考慮，使小車可以行駛更平穩(wěn)、更快速。軟件部分，運(yùn)用攝像頭圖像處理技術(shù)、道路識(shí)別技術(shù)以及控制技術(shù)，完成道路系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，并與系統(tǒng)底層軟件有機(jī)結(jié)合，達(dá)到正式比賽控制要求，把整個(gè)系統(tǒng)安裝在智能車上，完成軟件系統(tǒng)的調(diào)試。三、課題研究?jī)?nèi)容學(xué)習(xí)和掌握飛思卡爾32位智能車比賽用單片機(jī)芯片，研究飛思卡爾32位智能車攝像頭硬件系統(tǒng)組成，完成智能車三維造型設(shè)計(jì)，優(yōu)化傳動(dòng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改善系統(tǒng)運(yùn)

10、動(dòng)平穩(wěn)性，并把所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)加工、裝配、調(diào)試。同時(shí)了解和掌握攝像圖像處理技術(shù)、道路識(shí)別技術(shù)以及控制技術(shù)，完成飛思卡爾智能車比賽攝像處理與道路識(shí)別軟件技術(shù)，系統(tǒng)各個(gè)模塊獨(dú)立調(diào)試以及整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試，機(jī)械與軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，并做好比賽準(zhǔn)備工作。具體研究?jī)?nèi)容包括：(1)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊在比賽規(guī)則允許范圍內(nèi)，經(jīng)研究分析智能車現(xiàn)有直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，對(duì)其傳動(dòng)部分提出改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)并加工出傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，裝配在智能車整車上，使得智能車可以更加平穩(wěn)快速的行駛；(2)舵機(jī)模塊在比賽規(guī)則允許范圍內(nèi)，經(jīng)研究分析智能車舵機(jī)傳動(dòng)控制方案，對(duì)其提出改進(jìn)方法，設(shè)計(jì)并加工出傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，裝配在智能車整車上，使得智能車行駛更加平穩(wěn)、

11、方向控制更加穩(wěn)定； (3)重心模塊整車重心位置的選擇與確定，重心前后位置確定將影響到整車的轉(zhuǎn)型性能、平穩(wěn)性能與加速性能，重心的高度與智能車的平穩(wěn)性能、過障礙和爬坡性能息息相關(guān)，如何選擇與確定需要通過大量的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)決定；(4)道路識(shí)別模塊道路識(shí)別部分主要涉及傳感器包括攝像頭和光電管的選擇與安裝，傳感器的工作模式，路徑信號(hào)和起跑終止線信號(hào)的采集與處理，信號(hào)處理結(jié)果的輸出，道路識(shí)別時(shí)智能車一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)；(5)控制系統(tǒng)模塊控制系統(tǒng)主要包括直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度控制和舵機(jī)的轉(zhuǎn)向控制，是智能車的核心部分，控制使汽車實(shí)現(xiàn)智能化。四、技術(shù)路線4.1技術(shù)路線（1）分析電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，研究其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在可行范圍內(nèi)對(duì)機(jī)

12、構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，用SolidWorks、Pro/E等進(jìn)行三維設(shè)計(jì)與仿真，并通過數(shù)控機(jī)床、線割機(jī)床等進(jìn)行加工，裝配于智能車上；（2）分析舵機(jī)模塊，通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，確定舵機(jī)安裝方式和安裝位置，研究其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在可行范圍內(nèi)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，用SolidWorks、Pro/E等進(jìn)行三維設(shè)計(jì)與仿真，并通過機(jī)床、線割機(jī)床等進(jìn)行加工，裝配于智能車上；（3）通過大量實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，確定重心與速度對(duì)于智能車過彎側(cè)翻影響，取得最快速度、最佳重心高度和位置與不側(cè)翻之間的數(shù)量值關(guān)系；確定底盤高度對(duì)智能車過障礙和爬坡的具體影響，在不影響過障礙和爬坡性能前提下對(duì)底盤進(jìn)行優(yōu)化；（4）確定最佳重心后，將硬件電路模塊、攝像頭、光電管、編

13、碼器等安裝在智能車上；（5） 確定攝像頭采集路徑信號(hào)的方法，設(shè)計(jì)路徑信號(hào)處理算法，先設(shè)計(jì)好直道算法，在直道算法確定后再設(shè)計(jì)彎道算法，多種算法進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證各算法的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，確定最終的攝像頭信號(hào)采集和信號(hào)處理算法；確定光電管對(duì)起跑線和終止線的信號(hào)采集方法，設(shè)計(jì)信號(hào)處理辦法，多種算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，確定最終的光電管相應(yīng)軟件算法編程；（6）直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制算法，分析直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)可行的控制算法，在實(shí)現(xiàn)基本直道和彎道算法情況下，比較各種算法的優(yōu)劣性，確定最終電機(jī)控制算法；（7）舵機(jī)控制算法，分析舵機(jī)控制的可行算法，在實(shí)現(xiàn)舵機(jī)直道穩(wěn)定和彎道平穩(wěn)快速轉(zhuǎn)彎的情況下，選取舵機(jī)控制的最優(yōu)算法；（8）在機(jī)

14、械結(jié)構(gòu)、道路識(shí)別系統(tǒng)、控制算法、硬件電路和底層算法所有相關(guān)內(nèi)容全部準(zhǔn)備就緒后，進(jìn)行整車調(diào)試和調(diào)整，做好比賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備。4.2可行性分析（1）計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使三維設(shè)計(jì)軟件有了很強(qiáng)大的功能，可以根據(jù)需要方便快捷地設(shè)計(jì)修改零件模型，另外，一些動(dòng)力學(xué)分析軟件可以對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的具體仿真、測(cè)試和分析。同時(shí)，學(xué)校訓(xùn)練中心可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的機(jī)械零件加工，為該課題的機(jī)械部分實(shí)驗(yàn)提供理論和實(shí)際依據(jù)；（2）嵌入式系統(tǒng)的快速發(fā)展，可供參考的 Freescale32位微處理器的技術(shù)資料非常豐富。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室一直從事機(jī)械、電氣和控制方面的研究，有大量的技術(shù)支持，為本課題的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件算法設(shè)計(jì)提供

15、了理論和實(shí)際依據(jù)；（3）由于作者在本科期間學(xué)習(xí)了部分相關(guān)專業(yè)知識(shí)，參加過機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)比賽和滅火機(jī)器人、瑞薩智能車等有關(guān)比賽，為本課題的機(jī)械結(jié)構(gòu)、道路識(shí)別、控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析提供了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)；（4）通過前期的準(zhǔn)備和智能車調(diào)試，現(xiàn)在智能車的應(yīng)用Freescale Kinetis K60 Cortex -M4微處理器作為核心，OV5116 CMOS攝像頭采用二值化處理圖像，直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過PID算法控制速度，舵機(jī)通過PWM占空比控制轉(zhuǎn)向，相關(guān)的空間結(jié)構(gòu)計(jì)算分析、重心研究等已經(jīng)取得部分成果，如今，智能車已經(jīng)可以通過中線巡線方法實(shí)現(xiàn)直線快速行駛，彎道算法正在論證曲率法、雙攝像頭法、中線修正法

16、等方法，基本可以做到彎道部分慢速巡線，后期相的關(guān)硬件電路、底層軟件、機(jī)械優(yōu)化、道路識(shí)別和控制系統(tǒng)等工作也在分工進(jìn)行，基本可以在4月實(shí)現(xiàn)智能車的初步制作。綜上所述，從研究的方法、機(jī)械結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)、算法的控制等方面來看，機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和道路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是可行的，同時(shí)對(duì)于智能車來說，此課題研究必不可少，在特定的領(lǐng)域內(nèi)有應(yīng)用及參考價(jià)值。因此，本課題的研究及設(shè)計(jì)是可行的。五、關(guān)鍵技術(shù)介紹5.1舵機(jī)安裝方式及結(jié)構(gòu)優(yōu)化舵機(jī)簡(jiǎn)單的說就是集成了直流電機(jī)、電機(jī)控制器和減速器等，并封裝在一個(gè)便于安裝的外殼里的伺服單元。能夠利用簡(jiǎn)單的輸入信號(hào)比較精確的轉(zhuǎn)動(dòng)給定角度的電機(jī)系統(tǒng)。舵機(jī)安裝方式主要有：（1）平躺式固定：這種固

17、定方式是車模上舵機(jī)的原安裝方式。它的優(yōu)點(diǎn)：1）重心低，接近地盤，有利于車模的穩(wěn)定； 2）兩臂前輪不等長(zhǎng)，有利于車模的轉(zhuǎn)彎。 它的缺點(diǎn)：1）在舵機(jī)和角度調(diào)節(jié)頭之間有介子作為受力緩沖作用的，這在比賽中會(huì)延緩前輪的反應(yīng)時(shí)間，最好用AB膠將其固定死。 2）舵機(jī)的力臂太短。相比后兩種固定方式，舵機(jī)在相同的轉(zhuǎn)角下，前輪轉(zhuǎn)角會(huì)小得多，這在比賽中是很不利的。因?yàn)槎鏅C(jī)轉(zhuǎn)角是需要時(shí)間的，這樣就延緩了前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)效率。（2）站立式固定這種固定方式是舵機(jī)豎立在車身中間位置，用兩等長(zhǎng)的前輪推桿住鏈接前輪。它的優(yōu)點(diǎn)：1）力臂長(zhǎng)，前輪的反應(yīng)速度是平躺式的三倍左右2）兩拉桿軸是等長(zhǎng)的，所以車的左右轉(zhuǎn)是相同的它的缺點(diǎn)： 使車模車

18、頭整體重心過高，影響車模的穩(wěn)定性。（3）側(cè)臥式固定舵機(jī)轉(zhuǎn)頭朝下，固定在中間位置，用鋁板固定牢固。 它的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)上基本上和站立式固定方式相同，不過它克服了站立式固定的重心過高的缺點(diǎn)。是一種比較理想的固定方式。（4）反裝式固定這是其他隊(duì)的固定方式，很不錯(cuò)，使車模的重心后移減輕車頭轉(zhuǎn)向負(fù)擔(dān)。不過我們?yōu)榱私档蛙嚹Ｕw的重心和穩(wěn)定性，把主板壓低到底盤上。無法使用該固定方式。5.2直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)和舵機(jī)控制方式舵機(jī)和電機(jī)組成了智能車兩個(gè)最重要的部分，前者控制方向，后者控制速度，是智能車能夠?qū)崿F(xiàn)智能化的核心執(zhí)行部件?，F(xiàn)在智能車上比較流行的控制算法如下：（1）PWM控制脈沖寬度調(diào)制波通常由一列占空比不同的矩形脈

19、沖構(gòu)成，其占空比與信號(hào)的瞬時(shí)采樣值成比例。圖1所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個(gè)比較器和一個(gè)周期為Ts的鋸齒波發(fā)生器組成。語音信號(hào)如果大于鋸齒波信號(hào)，比較器輸出正常數(shù)A，否則輸出0。因此，從圖1中可以看出，比較器輸出一列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。通過MCU調(diào)節(jié)占空比輸出不同的PWM波，不但可以調(diào)劑舵機(jī)轉(zhuǎn)向，同時(shí)也可以調(diào)劑電機(jī)的驅(qū)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)兩部分的控制。（2）經(jīng)典PID控制PID 控制是工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律。問世至今70 多年來，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。單位反饋的PID 控制原理框圖如圖2 圖2 單位反饋

20、的PID 控制原理框圖單位反饋e 代表理想輸入與實(shí)際輸出的誤差，這個(gè)誤差信號(hào)被送到控制器，控制器算出誤差信號(hào)的積分值和微分值，并將它們與原誤差信號(hào)進(jìn)行線性組合，得到輸出量u。u=Kpe+Kiedt+Kddedt其中，分別稱為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。u 接著被送到了執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這樣就獲得了新的輸出信號(hào)u ,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)過程就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行。PID 各個(gè)參數(shù)作用基本介紹：增大微分項(xiàng)系數(shù)可以加快動(dòng)態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)，但容易引起震蕩。一般增大比例系數(shù)能夠減小上升時(shí)間，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。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。增大微分系數(shù)能夠增強(qiáng)系

21、統(tǒng)的穩(wěn)定特性，減小超調(diào)，并且改善瞬時(shí)響應(yīng)。對(duì)連續(xù)系統(tǒng)中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)在計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)，是將上式轉(zhuǎn)換成差分方程，由此實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID 調(diào)節(jié)器。（3）模糊控制模糊控制以模糊集合、模糊語言變量、模糊推理為其理論基礎(chǔ),以先驗(yàn)知識(shí)和專家經(jīng)驗(yàn)作為控制規(guī)則。其基本思想是用機(jī)器模擬人對(duì)系統(tǒng)的控制,就是在被控對(duì)象的模糊模型的基礎(chǔ)上運(yùn)用模糊控制器近似推理等手段,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。在實(shí)現(xiàn)模糊控制時(shí)主要考慮模糊變量的隸屬度函數(shù)的確定,以及控制規(guī)則的制定。模糊控制單元的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。它由規(guī)則庫(kù)、模糊化、模糊推理和清晰化4個(gè)功能模塊組成。模糊控制單元首先將輸入信息模糊化，然后經(jīng)模糊推理規(guī)則，給出模糊輸出，再將模糊指令清

22、晰化，得到操作控制變量。圖3 模糊控制基本單元智能車模糊控制采用二維模糊控制器, 輸入變量E、EC, 分別是激光管給出的黑線相對(duì)于中心線的橫向偏差和偏差變化率即曲率, 其輸出量U 是智能車舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角。模糊控制智能小車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4 模糊控制智能小車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)其中，L*為給定的黑線與小車中心的相對(duì)位置，L 為智能小車行駛過程中的實(shí)際黑線位置， e 為L(zhǎng)* 和L 進(jìn)行比較的偏差， ec 為偏差的變化率。圖中u 為模糊控制得出的PWM 占空比值。E、EC、U 分別為模糊控制的輸入、輸出。q為舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，舵機(jī)通過連桿帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制，使小車沿黑線前進(jìn)。六、要解決的技術(shù)問題

23、（1）舵機(jī)舵機(jī)部分的要解決問題集中在：l 安裝位置與方式：安裝位置主要是相對(duì)于輪胎推桿位置，是推桿前面還是推桿后面；安裝方式是指舵機(jī)側(cè)臥安裝、平躺安裝、豎直安裝和反裝安裝。主要影響電路硬件與傳感器模塊安裝位置、重心高低、受力情況、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、平穩(wěn)性能、轉(zhuǎn)向性能等；l 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是指舵機(jī)軸到輪胎之間的空間機(jī)構(gòu)，其中有連桿機(jī)構(gòu)、球鉸鏈機(jī)構(gòu)等，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化又涉及到齒輪傳動(dòng)、連桿傳動(dòng)的選擇、加工與裝配；l 內(nèi)外束角：車輪的內(nèi)束角和外束角主要跟推桿長(zhǎng)度有關(guān)，輪胎內(nèi)束角使得智能車直線行駛和快速行駛更加穩(wěn)定，外束角使得智能車轉(zhuǎn)彎控制更加迅速；（2） 重心重心要解決問題主要在：l 重心位置和高度：影響

24、主要因素有底盤結(jié)構(gòu)、輪胎墊圈選擇、車體墊片選擇、編碼器安裝位置、硬件電路安裝位置、舵機(jī)安裝位置與安裝方式、攝像頭和光電管安裝位置與安裝方式等；l 重心與穩(wěn)定性：重心越高、速度越快，在過彎道時(shí)很容易發(fā)生側(cè)翻，如何確定重心、速度、轉(zhuǎn)角與發(fā)生側(cè)翻之間的關(guān)系需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算；重心越低，穩(wěn)定性越好，但是重心過低又會(huì)影響到智能車過障礙物和爬坡時(shí)的性能，如何在兩者之間實(shí)現(xiàn)平衡也要不斷的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算；（3） 道路識(shí)別道路識(shí)別部分要解決問題在于兩點(diǎn)：l 攝像頭信號(hào)采集模式：是選擇CCD還是CMOS攝像頭，如何選擇攝像頭處理模式，是一維還是二維，線陣還是點(diǎn)陣等；l 彎道算法：直線算法可以采用中線法，但是彎道

25、用中線難度很大，彎道算法和過彎舵機(jī)控制是重點(diǎn)，；（4） 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)分兩個(gè)模塊控制：l 舵機(jī)控制：舵機(jī)控制方式常用的有PWM控制和模糊控制等；l 電機(jī)控制：電機(jī)控制主要有PID控制、模糊控制和棒棒控制等；七、日程安排序號(hào)各階段名稱起止日期1調(diào)研、收集資料1213第一學(xué)期2文獻(xiàn)資料查閱1213第一學(xué)期3機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2周4智能車三位造型設(shè)計(jì)4周5圖像處理以及道路識(shí)別系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試8.5周6寫論文、答辯1.5周八、參考文獻(xiàn)1 怯肇乾.基于底層硬件的軟件設(shè)計(jì).北京航空航天大學(xué)版社.20122 楊鑄等深入淺出嵌入式底層軟件開發(fā)北京航空航天大學(xué)出版社.20113 王宜懷 曹金華嵌入式

26、系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)基于飛思卡爾S12X微處理器北京航空航天大學(xué)出版社.20114 華大年 唐之偉.機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì).紡織工業(yè)出版社.19855 張躍常 戴衛(wèi)恒Freescale系列單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講電子工業(yè)出版社.20106 江文杰 曾學(xué)文 施建華光電技術(shù)科學(xué)出版社.20097 孫桓 陳作模 葛文杰主編.機(jī)械原理（第七版）高等教育出版社.20068 華大年 華志宏連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用創(chuàng)新機(jī)械工業(yè)出版社.20089第八屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽組織委員會(huì). 第八屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽競(jìng)速比賽規(guī)則與賽場(chǎng)紀(jì)律. 全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽秘書處. 201210 程融 劉進(jìn)基于光電管的智能車路徑識(shí)別研究兵工自動(dòng)化.第28卷第12期.2009.1211 手創(chuàng)科技智能車專題培訓(xùn)教程201112 姜嘯 黃俊斌 竺德安徽大學(xué)風(fēng)行者隊(duì)技術(shù)報(bào)告全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽組委會(huì).200913 舒恩 云峰 王旭田 北京科技大學(xué)CCD2隊(duì)技術(shù)報(bào)告. 全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽組委會(huì).