飛思卡爾智能車光電組技術(shù)報(bào)告

1、第十屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯華北賽智能汽車競(jìng)賽技術(shù)報(bào)告目錄目 錄 11第一章 方案設(shè)計(jì) 111.1系統(tǒng)總體方案的選定 111.2系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 111.3 小結(jié) 22第二章 智能汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化 332.1智能汽車車體機(jī)械建模 332.2 智能汽車傳感器的安裝 442.2.1速度傳感器的安裝 442.2.2 線形 CCD的安裝 552.2.3車模傾角傳感器 552.3重心高度調(diào)整 552.3.1 電路板的安裝 662.3.2 電池安放 662.4 其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整 662.5 小結(jié) 66第三章 智能汽車硬件電路設(shè)計(jì) 773.1主控板設(shè)計(jì) 773.1.1電源管理模塊 773.1.2

2、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 883.1.3 接口模塊 993.2智能汽車傳感器 1.0.1.0. .3.2.1 線性 CCD 傳感器1.0.1.0.3.2.2 陀螺儀 1.0.1.0. .3.2.3 加速度傳感器 錯(cuò). 誤!未定義書簽。錯(cuò)誤 !未定義書簽。3.2.3 編碼器 1.1.1.1. .3.3 鍵盤，數(shù)碼管 錯(cuò).誤 !未定義書簽。錯(cuò)誤 !未定義書簽。3.4 液晶屏 1.2.1.2 3.5 小結(jié) 1.2.1.2 第四章 智能汽車控制軟件設(shè)計(jì) 1.3.1.3.4.1線性 CCD傳感器路徑精確識(shí)別技術(shù) 1.3.1.34.1.1新型傳感器路徑識(shí)別狀態(tài)分析 1.4.1.44.1.2 線性 CCD傳感器路徑識(shí)

3、別算法 1.5.1.54.2彎道的處理 1.5.1.5 4.2.1彎道策略分析 1.5.1.5. .4.3 對(duì)速度的閉環(huán)控制 1.6.1.6. .4.4障礙的處理 1.7.1.7 4.5小結(jié)1.7.1.7 第五章 開發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過(guò)程 1.8.1. 85.1 開發(fā)工具 1.8.1.8 5.2 調(diào)試過(guò)程 1.8.1.8 第六章 模型車主要參數(shù) 1.8.1.8. .6.1 智能汽車外形參數(shù) 1.8.1.8. .6.2 智能汽車技術(shù)參數(shù) 1.8.1.8. .結(jié) 論 2.0.2.0 參 考 文 獻(xiàn) 錯(cuò) 誤. ! 未定義書簽。錯(cuò)誤 ! 未定義書簽。3 / 26第一章 方案設(shè)計(jì)本章主要介紹智能汽

4、車系統(tǒng)總體方案的選定和總體設(shè)計(jì)思路，在后面 的章節(jié)中將整個(gè)系統(tǒng)分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制模塊、控制算法等三部分對(duì)智能 汽車控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的介紹和分析。1.1 系統(tǒng)總體方案的選定本屆智能汽車大賽光電組比賽對(duì)傳感器有著嚴(yán)格的規(guī)定，用到了線性 ccd,但是由于需要鏡頭成像，所以會(huì)帶來(lái)成像失真，靜電干擾嚴(yán)重等問(wèn)題。 由于平衡車的特殊性，車身在循跡前進(jìn)的過(guò)程中，必須保持車身的平衡。 根據(jù)最基本保持車身平衡的基本原理，我們需要知道車身當(dāng)前的角度和角 速度。因此在保持車身平衡方面，我們確定以加速度計(jì)作為角度傳感器， 陀螺儀作為角速度傳感器。另外，車身轉(zhuǎn)向控制方面，我們組沒(méi)有使用陀 螺儀作為轉(zhuǎn)向反饋。這樣會(huì)讓車轉(zhuǎn)彎

5、不連續(xù)和平滑，最重要的是限制了車 模的速度，不用轉(zhuǎn)向陀螺儀車模的極限速度大概率在一米三左右。有了轉(zhuǎn) 向的陀螺儀可以 2 米以上。1.2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)遵照本屆競(jìng)賽規(guī)則規(guī)定，智能汽車系統(tǒng)采用飛思卡爾的 32 位微控制器 MK60DN256ZVLL10 單片機(jī)作為核心控制單元用于智能汽車系統(tǒng)的控制。 線性 CCD 采集賽道明暗信息，返回到單片機(jī)作為轉(zhuǎn)向控制的依據(jù)。加速度 計(jì) &陀螺儀返回的模擬信號(hào)作為車身當(dāng)前角度的信號(hào)。主控輸出 PWM 波控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速以保持車身的平衡和鎖定賽道。同四輪車不同，平衡組需要 使用左右輪的差速來(lái)轉(zhuǎn)彎。為了控制的準(zhǔn)確性和快速性，我們使用編碼器 作為速度傳感器。編碼器

6、返回的信號(hào)可以形成閉環(huán)，使用 PID 控制電機(jī)的 轉(zhuǎn)速。平衡組強(qiáng)烈的加減速會(huì)導(dǎo)致車身的傾角劇烈的變化，這并不利于車1 / 26身保持平衡。因此整個(gè)調(diào)試過(guò)程就是要保證車身穩(wěn)定的前提下不斷提高車 模前進(jìn)的平均速度。根據(jù)以上系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，賽車共包括六大模塊： MK60DN256ZVLL10 主控模塊、傳感器模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測(cè)模塊和輔助 調(diào)試模塊。各模塊的作用如下：MK60DN256ZVLL10 主控模塊，作為整個(gè)智能汽車的“大腦”，將采集 CCD 傳感器、陀螺儀，加速度計(jì)和光電編碼器等傳感器的信號(hào)，根據(jù)控制算法做出控制決策，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)完成對(duì)智能汽車的控制；傳感器模塊，是智能

7、汽車的“眼睛”，可以通過(guò)一定的前瞻性，提前感知前方的賽道信息，為智能汽車的“大腦”做出決策提供必要的依據(jù)和充足的反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)使用陀螺儀和加速度計(jì)計(jì)算車模行進(jìn)過(guò)程中的實(shí)時(shí) 角速度和加速度信息，用以保持車模穩(wěn)定行進(jìn)；電源模塊，為整個(gè)系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和伺服電機(jī)完成智能汽車的加減速控制 和轉(zhuǎn)向控制；速度檢測(cè)模塊，檢測(cè)反饋智能汽車輪的轉(zhuǎn)速，用于速度的閉環(huán)控制；輔助調(diào)試模塊，主要用于智能汽車系統(tǒng)的功能調(diào)試、賽車狀態(tài)監(jiān)控。1.3 小結(jié)本章重點(diǎn)分析了智能汽車系統(tǒng)總體方案的選擇，并介紹了系統(tǒng)的總體 設(shè)計(jì)和總體結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)要地分析了系統(tǒng)各模塊的作用。在今后的章節(jié)中，將 對(duì)整個(gè)系

8、統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。第二章 智能汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化智能汽車各系統(tǒng)的控制都是在機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，因此在設(shè)計(jì) 整個(gè)軟件架構(gòu)和算法之前一定要對(duì)整個(gè)模型車的機(jī)械結(jié)構(gòu)有一個(gè)全面清晰 的認(rèn)識(shí)，然后建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，從而再針對(duì)具體的設(shè)計(jì)方案來(lái)調(diào)整賽 車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并在實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中不斷的改進(jìn)優(yōu)化和提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定 性。本章將主要介紹智能汽模型車型車的機(jī)械結(jié)構(gòu)和調(diào)整方案。2.1 智能汽車車體機(jī)械建模此次競(jìng)賽選用的智能車競(jìng)賽專用模型車（D 型模型車 ），配套的電機(jī)型號(hào)為 RN260-CN-2875 。智能車的控制采用的是雙后輪驅(qū)動(dòng)方案。智能車的外形 大致如下：圖 2.1 智能汽車外形圖2.2

9、智能汽車傳感器的安裝車模中的傳感器包括有：速度傳感器，車模姿態(tài)傳感器（陀螺儀、加速度計(jì)） 以及線形CCD。下面分別介紹這些傳感器的安裝。2.2.1 速度傳感器的安裝速度編碼器我們采用了編碼器，安裝方法如下： 用十字扳手套筒將車的后輪拆卸后，安裝編碼器，固定編碼器的固定件是根據(jù) 車得尺寸及與編碼器的相對(duì)位置手工制作的連接固定件。 在安裝完后輪后，在利用十字扳手套筒將后輪裝上。 安裝時(shí)應(yīng)注意調(diào)整好齒輪間隙。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)車模的驅(qū)動(dòng)能力有很大的影響。齒輪傳動(dòng)部分安裝位置的不恰當(dāng)，會(huì)大大增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪的負(fù)載，會(huì)嚴(yán)重影響最 終成績(jī)。調(diào)整的原則是：兩傳動(dòng)齒輪軸保持平行 , 齒輪間的配合間隙要合適，過(guò)松

10、容易打壞齒輪，過(guò)緊又會(huì)增加傳動(dòng)阻力，浪費(fèi)動(dòng)力；傳動(dòng)部分要輕松、順暢，不能 有遲滯或周期性振動(dòng)的現(xiàn)象。判斷齒輪傳動(dòng)是否良好的依據(jù)是，聽一下電機(jī)帶動(dòng)后 輪空轉(zhuǎn)時(shí)的聲音。聲音刺耳響亮，說(shuō)明齒輪間的配合間隙過(guò)大，傳動(dòng)中有撞齒現(xiàn)象； 聲音悶而且有遲滯，則說(shuō)明齒輪間的配合間隙過(guò)小，或者兩齒輪軸不平行，電機(jī)負(fù) 載變大。調(diào)整好的齒輪傳動(dòng)噪音很小，并且不會(huì)有碰撞類的雜音，后輪減速齒輪機(jī) 構(gòu)就基本上調(diào)整好了，動(dòng)力傳遞十分流暢。如圖所示。編碼器安裝完畢2.2.2 線形 CCD 的安裝為了降低整車重心，需要嚴(yán)格控制 CCD鏡頭的安裝位置和重量，我們自行設(shè)計(jì) 了輕巧的鋁合金夾持組件并采用了碳纖維管作為安裝 CCD的主桅

11、，這樣可以獲得最 大的剛度質(zhì)量比，整套裝置具有很高的定位精度和剛度，使 CCD鏡頭便于拆卸和維 修，具有賽場(chǎng)快速保障能力。 CCD鏡頭的安裝如圖 2.4所示。圖 2.4 CCD 的安裝2.2.3 車模傾角傳感器車模傾角傳感器包括陀螺儀和加速度計(jì)。它們都是表貼元器件，單獨(dú)固定在一塊小電路板上，然后與車身相固定，從而保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。2.3 重心高度調(diào)整重心的高度是影響智能車穩(wěn)定性的因素之一。當(dāng)重心高度偏高時(shí)，智 能車在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中會(huì)發(fā)生抬輪現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至翻車。因此，從小車穩(wěn)定 性出發(fā)，我們盡量降低重心高度，從而保證小車可靠穩(wěn)定。5 / 262.3.1 電路板的安裝為了使小車具有較好的穩(wěn)定性及

12、轉(zhuǎn)向性能，我們?cè)诖罱ㄐ≤嚂r(shí)盡量選擇降低重 心，因此也將電路板安裝在了電機(jī)上方，從而實(shí)現(xiàn)降低重心，提高小車的穩(wěn)定性。2.3.2 電池安放同樣為實(shí)現(xiàn)降低重心，提高小車穩(wěn)定性的目的，學(xué)長(zhǎng) 3D打印了符合參賽規(guī)則的 電池支架，然后固定在電機(jī)下方，進(jìn)而用于固定電池，最大程度的降低了小車的重 心。2.4 其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整另外，在模型車的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面還有很多可以改進(jìn)的地方，比如說(shuō)車輪、傳感 器的保護(hù)等方面。由于直立小車的直立行駛及轉(zhuǎn)向都是通過(guò)后輪實(shí)現(xiàn)的，因此當(dāng)小 車在轉(zhuǎn)向時(shí)，模型車的輪胎與輪轂之間很容易發(fā)生相對(duì)位移，可能導(dǎo)致在加速時(shí)會(huì) 損失部分驅(qū)動(dòng)力，而且使小車的狀態(tài)不穩(wěn)。因此，我們?cè)趯?shí)際調(diào)試過(guò)程中對(duì)車輪

13、進(jìn) 行了粘胎處理，可以有效地防止由于輪胎與輪轂錯(cuò)位而引起的驅(qū)動(dòng)力損失的情況。為了保護(hù)模型車傳感器支架，在車模機(jī)械設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們?cè)鎏砹朔雷脖Ｗo(hù)裝 置，使一旦車模傾倒或者失控，防撞保護(hù)裝置可保護(hù)車模機(jī)械的安全性，保證小車 狀態(tài)的穩(wěn)定性。2.5 小結(jié)模型車的性能與機(jī)械結(jié)構(gòu)有著非常密切的聯(lián)系。良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)是模 型車提高速度的關(guān)鍵基礎(chǔ)。在同等的控制環(huán)境下，機(jī)械機(jī)構(gòu)的好壞對(duì)其速 度的影響十分顯著。我們非常重視對(duì)智能汽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，經(jīng)過(guò)大 量的理論研究和實(shí)踐，我們小車的大部分質(zhì)量都集中在兩輪前后，達(dá)到降 低重心的目的，從而提高了小車整體的穩(wěn)定性和可靠性。第三章 智能汽車硬件電路設(shè)計(jì)3.1 主控板設(shè)

14、計(jì)3.1.1 電源管理模塊首先了解一下不同電源的特點(diǎn)，電源分為開關(guān)電源和線性電源，線性 電源的電壓反饋電路是工作在線性狀態(tài)，開關(guān)電源是指用于電壓調(diào)整的管 子工作在飽和和截至區(qū)即開關(guān)狀態(tài)的。線性電源一般是將輸出電壓取樣然 后與參考電壓送入比較電壓放大器，此電壓放大器的輸出作為電壓調(diào)整管 的輸入，用以控制調(diào)整管使其結(jié)電壓隨輸入的變化而變化，從而調(diào)整其輸 出電壓，但開關(guān)電源是通過(guò)改變調(diào)整管的開和關(guān)的時(shí)間即占空比來(lái)改變輸 出電壓的。從其主要特點(diǎn)上看：線性電源技術(shù)很成熟，制作成本較低，可以達(dá)到 很高的穩(wěn)定度，波紋也很小，而且沒(méi)有開關(guān)電源具有的干擾與噪音，開關(guān)電 源效率高、損耗小、可以降壓也可以升壓，但是

15、交流紋波稍大些。電源模塊對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)極其重要，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)是否能夠 正常工作， 因此在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)選好合適的電源模塊。 競(jìng)賽規(guī)則規(guī)定， 比賽使用智能汽車競(jìng)賽統(tǒng)一配發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)車模用 7.2V 2000mAh Ni-cd 供電， 而單片機(jī)系統(tǒng)、路徑識(shí)別的 CCD 傳感器、陀螺儀和加速度傳感器均使用的 是 3.3V 的電源。編碼器需要 5V 電源，伺服電機(jī)工作電壓范圍為 4V 到 6V （為提高伺服電機(jī)響應(yīng)速度，采用 7.2V 供電），直流電機(jī)可以使用 7.2V 2000mAh Ni-cd 蓄電池直接供電，智能汽車電壓調(diào)節(jié)電路示例見圖3.1。圖 3.1 電源管理模塊原理圖電源的紋波將影響

16、傳感器的性能。減小電源的紋波的大小可以保證傳 感器的可靠性。3.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊我們自己用軟件劃了驅(qū)動(dòng)的圖，并根據(jù)此焊接了 4路 PWM 驅(qū)動(dòng)， 利用 BTS7960可以大大提高電的驅(qū)動(dòng)能力。3.1.3 接口模塊1CCD 接口。CCD 的外圍器件很少，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波等處理后就可以直接連接到K60 的 AD 端口上。接口極其簡(jiǎn)單，電路如下所示。圖 3.7 CCD 接口2陀螺儀接口陀螺儀在保持車身的平衡方面極其重要，為了方便更換，我們并未將陀螺儀直 接畫在主板上。由于使用的是單片機(jī)本身的 AD ，所以陀螺儀的接口很簡(jiǎn)單。電路 如下所示。9 / 26圖 3.8 陀螺儀接口3.2 智能汽車傳感器

17、由于今年比賽規(guī)則對(duì)光電平衡組的傳感器有明確的規(guī)定，所以我們?cè)?傳感器的選擇上沒(méi)有花費(fèi)時(shí)間。對(duì)于的傳感器的優(yōu)化，我們也主要是傳感 器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性方面。3.2.1 線性 CCD 傳感器線性CCD內(nèi)部包含 128個(gè)光電二極管，相關(guān)的放大電路。其基本單元如圖圖 3.9 CCD 內(nèi)部感光單元光照射到光電二極管上，產(chǎn)生光電流，光電流被積分電路積分。在采樣期 間，積分電容的一端被連接到輸出端，積分后的輸出電壓與該點(diǎn)的光強(qiáng)和積分 時(shí)間成正比。因此為了適應(yīng)場(chǎng)地， CCD的積分時(shí)間應(yīng)該是可變的。3.2.2 陀螺儀大賽規(guī)定了陀螺儀和加速度計(jì)的選用范圍。經(jīng)過(guò)挑選 ,陀螺儀使用 ENC-03M， 加速度計(jì)使用 MMA

18、7361。我們小組直接選用了大家常用的陀螺儀 & 加速度計(jì)成品， 效果一般。經(jīng)過(guò)和獲得一等獎(jiǎng)的大神交流，其實(shí)選用相應(yīng)的標(biāo)貼原件并自己焊接效果會(huì)更好。其實(shí)是這樣的，希望之后的學(xué)弟學(xué)妹可以自己探索不斷超越。3.2.3 編碼器為了使用閉環(huán)控制，我們?cè)谄嚹Ｐ蜕细郊恿司幋a器。和其他元件相比，選用 編碼器可以使電路更加完善，信號(hào)更加精確。編碼器功耗低，重量輕，抗沖擊抗震 動(dòng)，精度高，壽命長(zhǎng)，非常實(shí)用。編碼器內(nèi)部無(wú)上拉電阻，因此編碼器接口出需要 設(shè)計(jì)上拉電阻。同時(shí)為了保證波形的穩(wěn)定， 主控板上使用了 74HC14非門隔離。K60 自身具有正交解碼功能，因此這里無(wú)需使用任何外圍計(jì)數(shù)輔助器件，只需要將接口 連

19、接到單片機(jī)上相應(yīng)的接口即可。接口如圖 3.11和圖 3.12所示。11 / 26圖 3.11 編碼器的接口部分、3.4 液晶屏液晶屏相對(duì)于數(shù)碼來(lái)說(shuō)具有顯示內(nèi)容直觀，可顯示圖像和漢字的優(yōu)點(diǎn)。在車身 添加液晶屏模塊可以使調(diào)試更加方便，因此本次車身上我們添加了液晶屏模塊。由 于模塊是直接購(gòu)買的成品。所以電路在這里不做介紹了。3.5 小結(jié)硬件電路是模型汽車系統(tǒng)的必備部分。只有穩(wěn)定的硬件電路才能保證程序的正確控制。為此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路之時(shí)，考慮了很多問(wèn)題，采用了 模擬部分與數(shù)字部分隔離等措施。我們的硬件電路的設(shè)計(jì)思想是在保證正 確檢測(cè)信號(hào)的前提下，盡可能精簡(jiǎn)電路。第四章 智能汽車控制軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖

20、：圖 4.1 程序流程圖4.1線性 CCD傳感器路徑精確識(shí)別技術(shù)在本屆大賽中，光電組的規(guī)則發(fā)生了翻天覆地的變化，不僅由傳統(tǒng)的四輪小車 變成了兩輪直立車 ，而且對(duì)于光電傳感器也做出了新的要求， 不允許使用傳統(tǒng)的激 光頭傳感器，而要求選擇使用線性 CCD 以及 LED 作為新一代的光電車的傳感器， 但由于 LED 的前瞻距離十分有限，所以線性 CCD 自然成為了較好的方案選擇。13 / 264.1.1 路徑識(shí)別狀態(tài)分析在使用 CCD 進(jìn)行賽道識(shí)別，傳統(tǒng)的傳感器搜索跳變沿算法可取之處不 是很大，不過(guò)不缺乏借鑒之處圖 4.2 CCD 傳感器返回值波形圖對(duì)于我們的模型車， CCD 在賽道上可能的狀態(tài)有：

21、在普通的賽道處、在 起點(diǎn)處、在十字交叉線處、小 S 虛線處、路障處。由于傳感器的改變以及規(guī) 則的變更，使得今年對(duì)于賽道識(shí)別的工作量變得更加復(fù)雜，難度大大增加，情 況也顯得錯(cuò)綜復(fù)雜，矛盾點(diǎn)層出不窮。我們的小車僅采用一路 CCD對(duì)賽道信息進(jìn)行識(shí)別，一個(gè)CCD包含128個(gè)像素點(diǎn)， 但這 128個(gè)點(diǎn)并不是所有的點(diǎn)都能夠被準(zhǔn)確獲取灰度值，我們選擇采用左右各 48個(gè) 像素點(diǎn)來(lái)對(duì)賽道信息進(jìn)行采集。這些像素點(diǎn)中每個(gè)點(diǎn)的灰度值理論上都有 0到255這 28種狀態(tài)（實(shí)際上我們只能取到不到 50的返回值），我們分別把左右各 48個(gè)像素點(diǎn) 記為left 1663和right 64111。在直道時(shí)，兩側(cè)都會(huì)檢測(cè)到賽道邊

22、沿，且大體處于中間位置，左右較對(duì) 稱；在小彎道時(shí)，兩側(cè)都會(huì)檢測(cè)到賽道邊沿，但會(huì)有小幅地左右擺動(dòng)；在 其它彎道時(shí)，會(huì)出現(xiàn)左右側(cè)跳變沿出賽道的狀況，這時(shí)主要依靠一側(cè) CCD 進(jìn)行巡線；在十字的時(shí)候，回旋全白的時(shí)候，在傳感器穩(wěn)定的前提下，能 出現(xiàn)全白的也只會(huì)在十字的時(shí)候出現(xiàn)，當(dāng)然小 S 虛線位置也不排除會(huì)有全 白的情況發(fā)生， 雖說(shuō)黑白線時(shí)左右對(duì)稱的， 但是黑白條的長(zhǎng)度固定十公分， 內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度遠(yuǎn)不及外側(cè)長(zhǎng)度，無(wú)可避免的會(huì)多次出現(xiàn)單側(cè)全白的情況；終點(diǎn)線依靠 CCD 返回值具有駝峰形狀的賽道信息返回值來(lái)測(cè)得。4.1.2 線性 CCD 傳感器路徑識(shí)別算法路徑識(shí)別算法是我們使用的是由 CCD 中心向兩側(cè)搜索提取

23、跳變沿的算 法，通過(guò)提取到的兩側(cè)跳變沿相加除二來(lái)得到小車轉(zhuǎn)向需要的轉(zhuǎn)向值。具 體算法介紹如下：(1) 通過(guò) CCD 返回的 像素值 ，利用 17 閾值來(lái) 找到 跳變 沿， 計(jì)算 black_center ；(2) 當(dāng)傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)相應(yīng)的傳感器返回中線值。(3) 對(duì)于直立車來(lái)說(shuō)， 在控制過(guò)程中， 不僅要考慮雙電機(jī)差速轉(zhuǎn)向問(wèn)題， 還要考慮直立與速控問(wèn)題，這三個(gè)重要的量都是在兩個(gè)車輪上完成，復(fù)雜 度極高，我們采用線性相加的方式將其擬合在一起，并對(duì)其上下限做出限 制，當(dāng)超出這個(gè)限制時(shí)，強(qiáng)制到限制的最大值處。4.2 彎道的處理4.2.1 彎道策略分析其中，切彎路徑主要決定了車輛是選擇內(nèi)道過(guò)彎還是外道

24、過(guò)彎。切內(nèi) 道，路經(jīng)最短，但是如果地面附著系數(shù)過(guò)小會(huì)導(dǎo)致車輛出現(xiàn)側(cè)滑的不穩(wěn)定 行駛狀態(tài)，原因是切內(nèi)道時(shí)，曲率半徑過(guò)小，同時(shí)速度又很快，所以模型 車需要的向心力會(huì)很大，而賽道本身是平面結(jié)構(gòu)，向心力將全部由地面的 摩擦力提供，因此賽道表面的附著系數(shù)將對(duì)賽車的運(yùn)行狀態(tài)有很大影響。 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。15 / 264.3 對(duì)速度的閉環(huán)控制圖 4.9 PID 控制工作原理PID 控制策略其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，可靠性高，并且易于實(shí)現(xiàn)。其缺點(diǎn)在于 控制器的參數(shù)整定相當(dāng)繁瑣，需要很強(qiáng)的工程經(jīng)驗(yàn)。相對(duì)于其他的控制方式，在成 熟性和可

25、操作性上都有著很大的優(yōu)勢(shì)。所以最后我們選擇了 PID 的控制方式。在小車跑動(dòng)中，因?yàn)椴恍枰紤]小車之前走過(guò)的路線，所以，我們舍棄了 I 控 制，將小車舵機(jī)的 PID 控制簡(jiǎn)化成 PD 控制。本方案中通過(guò)雙電機(jī)的差速控制采用 位置式的 PD控制，速度閉環(huán)控制采用了增量式 PID 控制。在本方案中，使用試湊 法來(lái)確定控制器的比例、積分和微分參數(shù)。試湊法是通過(guò)閉環(huán)試驗(yàn)，觀察系統(tǒng)響應(yīng)曲線，根據(jù)各控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大 致影響，反復(fù)試湊參數(shù)，以達(dá)到滿意的響應(yīng)，最后確定 PID 控制參數(shù)。試湊不是盲 目的，而是在控制理論指導(dǎo)下進(jìn)行的。在控制理論中已獲得如下定性知識(shí)： 比例調(diào)節(jié)（ P）作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)

26、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。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但 是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)（I）作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差，積分 調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取 決與積分時(shí)間常數(shù) Ti，Ti 越小，積分作用就越強(qiáng)。反之 Ti 大則積分作用弱，加入 積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。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。微分調(diào)節(jié)（ D）作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能 預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)

27、，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，已被 微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下， 可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)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。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí)， 微分作用輸出為零。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。4.4 障礙的處理在第八屆智能車競(jìng)賽中，規(guī)則中增加了黑色路障這一規(guī)則，路障的出現(xiàn)給直立 小車帶來(lái)了 非常大的影響，如若盲目的沖撞上去，必然會(huì)導(dǎo)致翻車兒無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行 本圈的比賽，因此，我們不得不對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng) CCD

28、 檢測(cè)到連續(xù) 4 場(chǎng)全黑的情 況下，我們便默認(rèn)為小車前方出現(xiàn)了路障，并對(duì)速控以及轉(zhuǎn)向進(jìn)行處理，進(jìn)而達(dá)到 平穩(wěn)過(guò)路障得效果4.5 小結(jié)本章詳細(xì)介紹了智能汽車的控制軟件的設(shè)計(jì)和思路。傳感器部分重點(diǎn) 介紹了 CCD 傳感器的原理和算法。 在控制策略上主要介紹了 PID 控制理論 和對(duì)彎道信息的處理和控制上。17 / 26第五章 開發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過(guò)程5.1 開發(fā)工具程序的開發(fā)是在組委會(huì)提供的 IAR 下進(jìn)行的，包括源程序的編寫、編 譯和鏈接，并最終生成可執(zhí)行文件。 IAR Systems 是全球領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng) 開發(fā)工具和服務(wù)的供應(yīng)商。公司成立于 1983 年，提供的產(chǎn)品和服務(wù)涉及到 嵌入式

29、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和測(cè)試的每一個(gè)階段，包括：帶有 C/C+ 編譯器 和調(diào)試器的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和中間件、開發(fā)套件、硬件 仿真器以及狀態(tài)機(jī)建模工具。5.2 調(diào)試過(guò)程通過(guò)組委會(huì)提供的 IAR 編譯軟件的在線調(diào)試功能，可以得到大量的信 息，為智能汽車的調(diào)試提供了很大的幫助。在智能汽車的調(diào)試過(guò)程中，有針對(duì)性的開發(fā)一個(gè)便于人機(jī)交互的上位 機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)簡(jiǎn)單明了的可視化界面直觀的顯示智能汽車的狀態(tài)對(duì)調(diào)試有 很大幫助。第六章 模型車主要參數(shù)6.1 智能汽車外形參數(shù)經(jīng)過(guò)改裝后，智能汽車的外形參數(shù)為：車長(zhǎng)： 300mm ；車寬： 200mm ；車高： 180mm ；車重： 1.4kg6.2

30、智能汽車技術(shù)參數(shù)智能汽車相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表 6.1 所示：表 6.1 智能汽車技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)車模軸距/輪距（毫米）200/140車模平均電流（勻速行駛） （毫安）3000電路電容總量（微法）1800傳感器種類及個(gè)數(shù)激光/5路新增加伺服電機(jī)個(gè)數(shù)1賽道信息檢測(cè)空間精度（毫米）12賽道信息檢測(cè)頻率（次 /秒）250主要集成電路種類 /數(shù)量7/1219 / 26結(jié)論這次智能車華北賽，我們小組準(zhǔn)備的還不足。時(shí)間觀念也不是很強(qiáng)，主 動(dòng)性差。但是，有老師和學(xué)長(zhǎng)的教導(dǎo)也算是完成了目標(biāo)。第一，做平衡車，首先機(jī)械結(jié)構(gòu)很重要。重心要盡可能的低，而且要 對(duì)稱。對(duì)于直立車的結(jié)構(gòu)，可以參考第八屆太原理工技術(shù)報(bào)告， 3 中

31、結(jié)構(gòu)各 有所長(zhǎng)。第二，有了好的機(jī)械那么就是確定方案，進(jìn)行焊接或者制板。個(gè)人認(rèn) 為，電源和主板接口在一塊板，驅(qū)動(dòng)要盡可能的小。第三，編碼器的使用一定要會(huì)。我們小組把大部分時(shí)間都耽誤在了速 度控制上，沒(méi)有把轉(zhuǎn)向和提速搞的特別好。從其原理，和電路圖一定要清 楚，怎么用也要知道。只有速度受控了，才可以更好的直立和轉(zhuǎn)向。要不 車子就會(huì)告訴轉(zhuǎn)一個(gè)彎，就沖出跑到了（開環(huán)）。第四，角度的獲得是核心。首先加速度計(jì)&陀螺儀模塊一定要和車身安的平行，且穩(wěn)定。（如果是官方給的方案的話，自己的方案按照自己的來(lái) 安裝）。其次，一定要克服溫漂，盡量把它放在車身后面，前面靠近馬達(dá)， 結(jié)果會(huì)亂。最后，對(duì)于融合角度其實(shí)互補(bǔ)濾波就夠用了，但是如果想讓效 果更好，卡爾曼濾波是最好的。網(wǎng)上都有現(xiàn)成的程序，只需要把相應(yīng)的Q、R進(jìn)行估算就好了。最后，做直立平衡車，一定要有耐心。可一個(gè)月前 29 天你會(huì)發(fā)現(xiàn)什么 進(jìn)展都沒(méi)有，甚至感覺(jué)和之前比更差了，但往往第 30 天你會(huì)發(fā)現(xiàn)突然克服 了最大的技術(shù)障礙。所以小組組員要相互鼓勵(lì)配合好。不氣餒，多問(wèn)老師 和學(xué)長(zhǎng)，一定可以成功的。調(diào)試經(jīng)驗(yàn)一、角度環(huán)角度環(huán)的 P 參數(shù)（相當(dāng)于倒立擺回復(fù)力），讓車模開始有能力直立， 在一定范圍內(nèi) P 越大直立效果越好；但過(guò)大車模會(huì)來(lái)回?cái)[動(dòng)。角度環(huán)的 D 參數(shù)（相當(dāng)于倒立擺阻尼