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文檔簡介

1、(第二屆 中南民族)10.3 整體策略分析在確定的賽道上,對于機械確定的車輛,總有一個理論的最高速度。能否接近這個速度就取決于控制策略的好壞。采用直線高速彎道低速還是直線、彎道都采用中速,在不同的賽道上可能各有優(yōu)點。與其采用一個適應各種賽道的控制策略不如使用撥碼開關,根據(jù)現(xiàn)場不同的情況來人為調節(jié)不同的策略。10.1 急彎急彎在這里指半徑65cm以下,圓弧超過90度的彎道。急彎是限制智能車速度的主要因素。急彎處,攝像頭將會發(fā)現(xiàn)車身與賽道之間的偏差,這種偏差的發(fā)現(xiàn)有一個過程,總是先看到較小的偏差,而后看到較大的偏差。在看到較小偏差時(圖中狀態(tài)1)采用低速,大幅度偏差(圖中狀態(tài)2)時采用中速。在直線

2、上采用高速。這種速度分配比直線高速,小偏差中速,大偏差低速有更好的急彎通過性能(急彎通過性能指按照規(guī)則能夠順利通過彎道的最快速度。速度越快,通過性越好)。10.2 小蛇形彎小蛇形彎指圓弧切點與中心線之間的距離小于8cm的彎道。如下圖所示。目的是在小蛇形彎道直線通過。 采用區(qū)間加權平均的辦法處理蛇形彎。區(qū)間指只有偏差在設定的范圍以內才作加權平均處理。使用九行數(shù)據(jù)作加權平均。實際加權平均的效果由于攝像頭可視范圍的限制,并不是很明顯。能夠直線行駛快速通過蛇形彎道是因為,在區(qū)間范圍以內將伺服電機的轉動角度給的很小。 在實際的測試中,對于偏差大于10cm的蛇形彎就不會當作直線來處理了。(第三屆 武漢科技

3、 首安)4.2 轉角的控制對于舵機的控制,我們采用開環(huán)控制,由于舵機的控制精度高,一個PWM占空比對應一個角度,因此開環(huán)控制的效果較好。我們采用的是PD控制,因為這樣可以讓舵機的控制速度更快,輸入黑線位置和黑線位置的變化率,通過分段比例控制輸出相應的PWM值。因為小車處于彎道和直道的轉向模型不同,統(tǒng)一的比例帶過大會導致小車振蕩,過小導致最大控制量偏小,小車轉向不足,過彎時沖出賽道。使用分段比例控制既方便又可以解決以上兩種問題。 當小車處于直道時,最中間的光電管檢測到信號,當處于不同曲率的彎道時,上排兩側不同的光電管將檢測到信號。所以,根據(jù)上排光電管檢測到的不同信號,可以判斷出小車所處的位置。然

4、后,根據(jù)小車的位置再相應的調整舵機。調整舵機的原則是:小車處于直道,則擺正舵機。小車處于彎道的曲率越大,則將舵機的轉角擺的越大。除此之外,小車還會遇到黑色交叉線的特殊情況,對此,本系統(tǒng)將保持原有的小車方向與速度,使小車不受交叉線的干擾。如果小車轉過的彎過大,則可能使上排光電管全部偏離黑色軌跡,從而沒有一個光電管檢測到黑線,這時本系統(tǒng)將會把舵機轉至最大角,讓小車急轉駛回黑線,同時,將速度降至最低,防止小車沖出軌跡。(PPT教程里的)6.3.4 控制策略及控制算法v 為保證小車一直沿著黑色引導線快速行駛,系統(tǒng)主要的控制對象是小車的轉向和車速。即應使小車在直道上以最快的速度行駛。在進入彎道的過程中盡

5、快減速,且轉向要適合彎道的曲率,確保小車平滑地轉彎,并在彎道中保持恒速。從彎道進入直道時,小車的舵機要轉至中間,速度應該立即得到提升,直至以最大的速度行進。為實現(xiàn)上述控制思想,可以采用不同的控制方法來控制小車的轉角和速度。 轉角的控制v 為了使舵機迅速地轉至期望的角度,先通過前排發(fā)射接收光電管檢測黑線,當小車處于直道時,最中間的光電管檢測到信號,當處于不同曲率的彎道時,前排兩側不同的光電管將檢測到信號。所以,根據(jù)前排光電管檢測到的不同信號,可以判斷出小車所處的位置。然后,根據(jù)小車的位置再對調整舵機進行相應的調整。 v 調整舵機的原則是:小車處于直道時,擺正舵機。小車處于彎道的曲率越大,則舵機轉

6、角越大。除此之外,小車還會遇到黑色交叉線的特殊情況,對此,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。如果小車轉過的彎過大,則可能使前排光電管全部偏離黑色軌跡,從而沒有一個光電管檢測到黑線,故應使舵機保持原角度,讓小車急轉駛回正道。同時,將速度適當降低,防止小車沖出軌跡。 v 這里采用比例和微分相結合的PD控制方法。 v (1)比例控制:通過前面提取的position與中心位置相減得到比例控制的偏差量,然后再根據(jù)偏差量的大小采用比例系數(shù)控制舵機轉向。 v (2)微分控制:通過存儲連續(xù)20次采樣所得到的黑線位置,可以計算出相應的黑線位置變化率,進而根據(jù)這個變化率的大小,來調整微分系

7、數(shù),以控制舵機轉向。 4.2.3.2 最小轉彎半徑根據(jù)比賽規(guī)則,賽道的最小轉彎半徑為500mm,所以需要測試在在沒有側滑的情況下賽車的前輪轉向半徑能否滿足該條件。由于機械限位,PWM 波脈寬設置范圍在(),經(jīng)過實際測量,在設定在兩端極限的情況下,沒有發(fā)生側滑。注:測試是在驅動電機PWM 為80的情況下進行的。因此系統(tǒng)最小轉彎半徑為1.8ms 脈寬和1.2ms 脈寬下的左轉最小轉彎半徑約為421mm,右轉為395mm,可滿足實際要求。4.3 程序代碼運行電機的轉速以及舵機的轉角,在軟件上都是通過對 PWM 波占空比進行設置來相應控制的。前面提到,舵機轉角控制需要將兩個八位寄存器合成為一個十六位寄

8、存器。要將程序中的舵機位置信號,比如6000,要分配給PWM0 和1,分配時這2個端口的賦值必須是16 進制,比如6000 的十六進制為0x1770,那么賦值時就必須為PWMDTY0= 0x17,PWMDTY1= 0x70,因此這就牽涉到如何將1 個十進制數(shù)分配為2 個十六進制數(shù)問題。有2 種方案,一種是除法取余,另一種是移位操作,前者編譯生成的代碼比后者要多,所以采用移位操作來實現(xiàn),即取高位時與0xFF00 先作“&”計算,然后將所得到的數(shù)向右移8 位(>>8),即可取得高8 位;同理,取低8 位時只要與0x00FF 作“&”計算即可。程序代碼如下:PWMCTL_

9、CON01 = 1; / PWM01 合并 16 btPWMPRCLK = 0x33; / A=B=32M/8=4MPWMSCLA = 100; / SA=A/2/100=20kPWMSCLB = 1; / SB=B/2/1 =2000kPWMCLK = 0b00011100; / PWM0,1-A; PWM2,3-SB; PWM4-SAPWMPOL = 0xff; / 位極性1 DutyHigh TimePWMCAE = 0x00; / 對齊方式左對齊PWMPER0 = 0x9c; /PWMPER1 = 0x40; / 20000 = 0x4e20; Frequency=A/20000=20

10、0HzPWMDTY0 = 0x19; /PWMDTY1 = 0x00; / 舵機DTY 初始值PWME_PWME1 = 1; / 舵機enable(第四屆 北科大)4.2 彎道策略分析在車輛進彎時,需要對三個參數(shù)進行設定:切彎路徑、轉向角度、入彎速度。其中,切彎路徑主要決定了車輛是選擇內道過彎還是外道過彎。切內道,路經(jīng)最短,但是如果地面附著系數(shù)過小會導致車輛出現(xiàn)側滑的不穩(wěn)定行駛狀態(tài),原因是切內道時,曲率半徑過小,同時速度又很快,所以模型車需要的向心力會很大,而賽道本身是平面結構,向心力將全部由來自地面的摩擦力提供,因此賽道表面的附著系數(shù)將對賽車的運行狀態(tài)有很大影響。切外道,路徑會略長,但是有更

11、多的調整機會,同時曲率半徑的增加會使得模型車可以擁有更高的過彎速度。轉向角度決定了車輛過彎的穩(wěn)定性。合適的轉向角度會減少車輛在轉彎時的調整,不僅路徑可以保證最優(yōu),運動狀態(tài)的穩(wěn)定也會帶來效率的提高,減少時間。在考慮轉向角度設置時需要注意以下幾個問題:對于檢測賽道偏移量的傳感器而言,在增量較小時的轉向靈敏度;檢測到較大彎道時的轉向靈敏度;對于類似S 彎的變向連續(xù)彎道的處理。對于入彎速度的分析,應該綜合考慮路徑和轉向角度的影響。簡單而言,我們會采取入彎減速,出彎加速的方案,這樣理論上可以減少過彎時耗費的時間。然而,在過去幾屆比賽中,通過觀察各參賽車對彎道的處理后,我們發(fā)現(xiàn)并不是所有人都選擇了相同的方

12、案。正如前面說到的那樣,不聯(lián)系路徑和轉向角度,只是單純地分析過彎速度,會造成思路的局限甚至錯誤。例如,在不能及時判斷入彎和出彎的標志點就采取“入彎減速、出彎加速”的方案,會出現(xiàn)彎道內行駛狀態(tài)不穩(wěn)定、路徑差,同時出彎加速時機過晚,一樣會浪費時間。所以現(xiàn)在本系統(tǒng)參考實際駕駛時的一些經(jīng)驗,對過彎速度的處理方式確定為:入彎時急減速,以得到足夠的調整時間,獲得正確的轉向角度;在彎道內適當提速,并保持角度不變,為出彎時的加速節(jié)約時間;出彎時,先準確判斷標志,然后加速,雖然會耗費一些時間,但是面對連續(xù)變向彎道可以減少判斷出錯的概率,保證行駛狀態(tài)的穩(wěn)定性,而且彎道內的有限加速對后面的提速也有很大的幫助。綜合考

13、慮用可以接收的額外時間換回行駛穩(wěn)定性還是值得的。下面以常見的幾種彎道轉角處理方式解釋各方案的優(yōu)缺點,其中,橫坐標表示由傳感器采集回來的賽道中心線相對賽車中心線的偏移量,縱坐標表示轉角大小。a 圖表示偏移量與轉向角度呈線性關系,在計算及程序編寫上都比較簡單,也可以實現(xiàn)控制賽車行駛的目標,但是由于規(guī)則制定比較簡單,對賽車實際行駛狀態(tài)的分析不夠全面,所以在實際應用時不能簡單套用。b 圖表示的是在賽車略微偏離賽道中心時,不要對行駛方向作太大調整,而是在當偏離度大到預定值時急速調整轉角以保證過彎的及時,同時在以判斷出是急彎后,也不要進行大的變動,因為此時轉角的值已經(jīng)很大,僅需對舵機進行微調就可以保證方向

14、的正確性。這種方案的優(yōu)點是綜合考慮了賽車對個彎道的適應程度,同時保證了在直線行駛時的穩(wěn)定性,和抗干擾性,但是對急彎的響應可能不夠及時,這是該方案的主要缺點。c 圖表示的對彎道的處理方案與B 圖恰好相反,它提高了相應靈敏度,降低了抗干擾性,對于多彎道,且彎道曲率半徑較小的賽道有比較好的適應性。d、e 圖是兩種比較特殊的處理方案,它們不能用于賽車的全程控制,只是考慮到賽車的實際運行特點對某部分的偏移量有特別要求是使用。對于傳統(tǒng)四輪車輛,轉向時前輪有比較嚴格的角度關系,而它們的得到是由轉向系統(tǒng)決定的。這樣兩套系統(tǒng)都對某個值做出了限制,必然會有矛盾,在車由0 度轉到最大轉角時,并不是每時每刻都能同時滿

15、足兩種條件的限制,那么為了賽車行駛的穩(wěn)定性,我們可能會在小范圍內對轉角波動,以得到附近最合適的轉角值,減小矛盾。4.3 彎道策略制定在智能車比賽中,我們使用的是通用二輸入一輸出系統(tǒng),其中兩個輸入量是中心線偏移量,和相鄰兩次檢測的偏移量差值;輸出量可以分別選用舵機轉角值和速度輸出值做兩套系統(tǒng)。中心線偏移量的隸屬度函數(shù)表為9 級:速度規(guī)則表為:速度精確值為:轉角規(guī)則表為:轉角精確值為:(第三屆 上海)5.3 控制策略 5.3.1 控制目標 只有合理的速度分配和轉角控制才能將車模的性能發(fā)揮出來,這不是多少半徑的彎就給多少速度那么簡單。飛思卡爾智能車比賽也是一種賽車比賽,只不過將賽車手換成了自動控制系

16、統(tǒng)。在賽車比賽中,車速并不是一切,要想跑出好的成績,還需要一條合理的行車線。因此,我們的目標不僅是讓車模能加到高速,并且要優(yōu)化車模的走線。在我們長期的測試中,以下賽道特征是最容易出問題的。1. 半徑500mm 60°S彎2. 半徑500mm 120°S彎3. 半徑500mm 270°彎4. 半徑500mm 發(fā)夾彎5. 大半徑弧線 在測試中我們發(fā)現(xiàn),車模只要能正常通過最小半徑的彎和最大半徑的彎,其余半徑的彎道多半不會有問題,變半徑的彎道也是如此。在小半徑急彎中,車模容易減速不及時而沖出跑道,而在大半徑彎中,車模容易切彎過度而沖出跑道。因此,以上幾個賽道特征是有代表性

17、的。我們的對于以上賽道特征的控制目標如下: 1. 60°S彎: 全速直走。2. 120°S彎: 保持中速切線。這里的難點在于要走切線,但不能過度切線。3. 270°彎: 速度降到最低,略微切線。這里切的程度與車模的機械性能有很大關系,盡管在270°彎中,沿線走不一定比切線走要慢,但若車模沖得太遠,圖像中容易丟失黑線,對圖像處理不利,因此最好能把行車線控制在小圈以內。4. 發(fā)夾彎: 速度降到最低,沿線通過。我們認為這是所有賽道特征里最嚴峻的彎道,因此只要能通過發(fā)夾彎,其它急彎都不是問題。5. 大半徑弧線: 高速切線通過下面將介紹我們速度和舵角的控制策略及其所達到的效果。(第三屆 東大獵鷹)3.3方向控制策略根據(jù)光電傳感器采集回來的道路信息,進行存儲、分析和計算。當不同位置的傳感器檢測到黑線,舵機的PWM模塊就給不同的值,使舵機擺動不同的角度。由前面得到的道路狀態(tài)信息,而增加相應權值不一樣的擺動角度。當智能車在直線上高速行走的時候,中間4個傳感器檢測到黑線的舵機擺角,比原來基數(shù)的舵機擺角更加小。當智能小車的舵機擺角不正,跑直道有振蕩的時候,這樣可以使小車在直道高速運行的時候,左右來回振蕩變

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