(完整版)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1第一章方案設(shè)計(jì)11.1系統(tǒng)總體方案的選定112系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)11.3小結(jié)2第二章智能汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化32.1智能汽車車體機(jī)械建模32. 2智能汽車傳感器的安裝42. 2.1速度傳感器的安裝222線形CCD的安裝5223車模傾角傳感器52. 3重心高度調(diào)整52. 3.1電路板的安裝62. 3.2電池安放62.4其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整62. 5 /Jx結(jié)6第三章智能汽車硬件電路設(shè)計(jì)73.1主控板設(shè)計(jì)73.1.1電源管理模塊73.1.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊83.1.3接口模塊93. 2智能汽車傳感器10103. 2.1線性CCD傳感器3.

2、2. 2陀螺儀3. 2. 3加速度傳感器101112錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。3.3鍵盤(pán)，數(shù)碼管3. 2. 3編碼器錯(cuò)誤.！未定義書(shū)簽3. 4液晶屏3.5小結(jié)第四章智能汽車控制軟件設(shè)計(jì) 134.1線性CCD傳感器路徑精確識(shí)別技術(shù)13144.1.1新型傳感器路徑識(shí)別狀態(tài)分析1234.1.2線性CCD傳感器路徑識(shí)別算法154. 2彎道的處理154. 2.1彎道策略分析154. 3對(duì)速度的閉環(huán)控制164.4障礙的處理174.5小結(jié)17第五章開(kāi)發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過(guò)程 185.1開(kāi)發(fā)工具185.2調(diào)試過(guò)程18第六章模型車主要參數(shù)186.1智能汽車外形參數(shù)186. 2智能汽車技術(shù)參數(shù)18結(jié)論20#參考文獻(xiàn)錯(cuò)

3、誤!未定義書(shū)簽第一章方案設(shè)計(jì)本章主要介紹智能汽車系統(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

4、用陀螺儀作為轉(zhuǎn)向反饋。這樣會(huì)讓車轉(zhuǎn)彎不連 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

5、。編碼器返 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，是智能汽車的“

6、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)系統(tǒng)的

7、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-2875o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智能汽車外形圖第八屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車

8、邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告2.2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米用了編碼器，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，

9、過(guò)松容易打壞 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(tīng)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。編碼器女裝完畢第二章智能汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化222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

10、纖維管作為安裝CCD的主桅，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。52.3.1電路板的安裝為了使小車具有較好的穩(wěn)

11、定性及轉(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。232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)車輪進(jìn) 行

12、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)計(jì)3.1.

13、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(kāi)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(kāi)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(kāi) 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(kāi)關(guān)電源是通過(guò)改變調(diào)整管的開(kāi)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(kāi)關(guān)電源具有的干擾與噪音，開(kāi)關(guān)電源效率高、損耗小、可 以降壓也可以升壓，但是交流紋波稍

14、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 200OmAh 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 200OmAh Ni-Cd蓄電池直接供電，智能汽車電壓調(diào)節(jié)電路示例見(jiàn)圖3.1 o圖3.1電源管理模塊原理圖電源的紋波將影響傳感器的性能。減小電源的紋波的大小可

15、以保證傳感器的可靠性。3.1.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊911VrVI*第三章智能汽車硬件電路設(shè)計(jì)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 S口模塊1. CCD 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。9m接口FTEJiO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(huà) 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。陀螺儀接口第八屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告

16、圖3.8陀螺儀接口3.2智能汽車傳感器由于今年比賽規(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。其基本單元如圖十IntegratOrReSetOUtPUt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。在米樣期間，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勺積分時(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

17、范圍。經(jīng)過(guò)挑選，陀螺儀使用ENe-O3M,加速度計(jì)使用MMA7361 o我們小組直接選用了大家常用的陀螺儀&加速度計(jì)成品，第三章智能汽車硬件電路設(shè)計(jì)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(mén)隔離。K

18、60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JS2ENCoDER11編碼器IS 3.11編碼器的接口部分歹歹歹歹哆！T一 JK：ZXr 14 r圖3.12上拉電阻和非門(mén)第八屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 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(mǎi)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

19、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)第四章智能汽車控制軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖: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第八屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告4.1.1

20、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 缺乏借鑒之處對(duì)于我們的模型車，CCD在賽道上可能的狀態(tài)有：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O到255這K種狀態(tài)（實(shí) 際上我們只

21、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Ieft 1663 和 r ight 64111o在直道時(shí)，兩側(cè)都會(huì)檢測(cè)到賽道邊沿，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)第四章智能汽車控制軟件設(shè)計(jì)線依靠CC

22、D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bIack_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

23、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第八屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告4.3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，

24、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 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

25、 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)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Pl調(diào)節(jié)器或 PlD調(diào)節(jié)器。第四

26、章智能汽車控制軟件設(shè)計(jì)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(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏 差變化的趨勢(shì)，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

27、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第五章 開(kāi)發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過(guò)程第五章 開(kāi)發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過(guò)程5.1開(kāi)發(fā)工具程序的開(kāi)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(xiě)、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

28、式系統(tǒng)開(kāi)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)涉及到嵌入式系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)試的每一個(gè)階段，包括：帶有C/C卄編譯器和調(diào)試器的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和中間件、開(kāi)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(kāi)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

29、;車高：18Omm ;車重：1.4kg6.2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)

30、告，3中結(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(kāi)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QR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(kāi)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