全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)大賽技術(shù)報(bào)告

1、比賽技術(shù)報(bào)告-光電組王奉獻(xiàn)該智能循跡小車(chē)以MC9s12XS128片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，輔以電源模塊、圖像 采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和運(yùn)行調(diào)試模塊。小車(chē)通過(guò)龍邱線性CCD5集賽道信息， 經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)并優(yōu)化算法，小車(chē)可以完美地識(shí)別各種賽道信息。 經(jīng)過(guò)圖 像處理后，通過(guò)轉(zhuǎn)向控制策略與PID算法驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)路徑的檢測(cè)與識(shí)別。這份技術(shù)報(bào)告中，我將通過(guò)對(duì)整體方案、軟件算法、機(jī)械結(jié)構(gòu)、調(diào)試參數(shù)等方 面進(jìn)行介紹。一機(jī)械結(jié)構(gòu)根據(jù)比賽規(guī)則，此次比賽選用 C型車(chē)模，對(duì)車(chē)模本身進(jìn)行改造。 首先去除原有車(chē)模的減震模塊。（根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)用處不大；且影響車(chē)模重心； 占電池?cái)[放位置）為防止摩擦對(duì)車(chē)模前軸槽進(jìn)行磨除。改

2、變?cè)械倪B接方法改用硬連接。前軸加入墊片；增大軸距。（不影響正常轉(zhuǎn)動(dòng)）后軸同樣處理。（解決電機(jī)聲音大的問(wèn)題，齒輪咬合不好）使用3D打印制作的連接座作為碳桿連接。（注意放置在車(chē)模正中間）改變主銷(xiāo)后傾，主銷(xiāo)內(nèi)傾和前束，其具體作用見(jiàn)下：a主銷(xiāo)后傾和主銷(xiāo)內(nèi)傾都有使轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)回正的作用。但主銷(xiāo)后傾的回正作用與車(chē)速有關(guān)，而主銷(xiāo)內(nèi)傾的回正作用與車(chē)速無(wú)關(guān)。因此，高速時(shí)主要靠主銷(xiāo) 后傾的作用，而低速時(shí)主要靠主銷(xiāo)內(nèi)傾的作用。b前束的作用主要是為了使車(chē)輛具有自動(dòng)回正的功能。前束一般為正。前束過(guò)小，方向不能自動(dòng)回正（前輪前束過(guò)?。?；過(guò)大會(huì)導(dǎo)致輪胎外側(cè)過(guò)度偏磨或 者輪胎“起級(jí)”。同時(shí)，方向盤(pán)轉(zhuǎn)向較沉（前輪前束過(guò)大）。c

3、主銷(xiāo)內(nèi)傾角的作用：在車(chē)載重時(shí)，能平衡掉懸掛系統(tǒng)因負(fù)重時(shí)產(chǎn)生的位移。使車(chē)輪在車(chē)輛負(fù)重時(shí)，能垂直于地面，減小輪胎的磨損。d從車(chē)頭望向車(chē)輪，車(chē)輪與鉛垂線的夾角稱(chēng)為外傾角，若輪胎上端向外傾斜即左右輪呈V形，稱(chēng)為正外傾角，向內(nèi)傾斜為負(fù)外傾角?；旧希忭暯?的設(shè)定有較佳的靈活度，而負(fù)外頃角具較穩(wěn)定的直進(jìn)性。在某些位置添加墊片降低車(chē)模整體高度，提升穩(wěn)定性。（如前后輪的墊片；電機(jī)座的墊片）二軟件算法A CCD介紹：CCD電荷耦合元件?？梢苑Q(chēng)為 CCDS像傳感器，也叫圖像控制器。CC比一種半導(dǎo)體器件, 能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。 CCM作用就像膠片一樣， 但它是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)。 CCDk有許多排列

4、整齊的光電二極管，能感應(yīng)光線，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)外部采樣 放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)。對(duì)于路徑規(guī)劃采用的是補(bǔ)線原則:在CCD!來(lái)賽路元素情況無(wú)非三種：全丟邊單側(cè)丟邊不丟邊 對(duì)于不同的連接又有九種情況分別列寫(xiě)如下：a不丟邊-不丟邊自然過(guò)渡不作處理 bc不丟邊-單側(cè)丟邊 補(bǔ)線（右側(cè)邊界丟掉使用上一周期左邊界與中間值補(bǔ)出右邊） （左側(cè)邊界丟掉使用上一周期右邊界與中間值補(bǔ)出左邊）當(dāng)前猜測(cè)中間值=真實(shí)左邊界值+上一時(shí)刻中間值-上一時(shí)刻左邊值 右側(cè)丟邊當(dāng)前猜測(cè)中間值=真實(shí)右邊界值-上一時(shí)刻中間值-上一時(shí)刻右邊值 左側(cè)丟邊d不丟邊-全丟邊使用第二個(gè)CCM將采值作為當(dāng)前時(shí)刻使用值不覆蓋e單側(cè)

5、丟邊-不丟邊 自然過(guò)渡（單側(cè)丟邊補(bǔ)線后與不丟便無(wú)差別）f單側(cè)丟邊-單側(cè)丟邊（解決方案同不丟邊-單側(cè)丟邊）j單側(cè)丟邊-全丟邊 h全丟邊-不丟邊（解決方案同不丟邊-全丟邊） 自然過(guò)渡i全丟邊-單側(cè)丟邊 使用未覆蓋數(shù)據(jù)補(bǔ)線（具體方法同不丟邊-單側(cè)丟邊）g全丟邊-全丟邊仍使用第二個(gè)CCM將采值作為當(dāng)前時(shí)刻使用值不覆蓋使用上述方法得到中間值當(dāng)前中間值=（理論 現(xiàn)實(shí)右邊界值+理論 現(xiàn)實(shí)左邊界值）2B光電對(duì)射管：使用該元器件檢測(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速；并使用選擇器對(duì)左右輪檢測(cè)速度（奇數(shù)周期檢測(cè)左輪，偶數(shù) 周期檢測(cè)右輪）使用選擇器對(duì)通道選擇。MC9s12XS128直接累加脈沖數(shù)。C伺服舵機(jī)對(duì)于固定的PW險(xiǎn)有固定的打角；使用

6、PID算法對(duì)得到的中間值輸出一個(gè)打角（使用位置式PID下文將做介紹）D電機(jī)使用H橋驅(qū)動(dòng)電路對(duì)PWM4行處理，并給予電機(jī)一個(gè)電壓值獲得不同的轉(zhuǎn)速要 求；使用PID算法對(duì)光電對(duì)射管得到的脈沖數(shù)輸出一個(gè)轉(zhuǎn)速（使用增量式PID下文將做介紹）【PID控制總結(jié)】簡(jiǎn)介：在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制， 簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，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。當(dāng) 被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握， 或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的 其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)

7、驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定， 這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或 不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)， 最適合用PID控制技術(shù)。PID控制， 實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、 微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例(P)控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。 其控制器的輸出與輸入 誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差 (Steady-state error )。積分(I)控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)

8、誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)(System with Steady-state Error )。為了 消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。 積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積 分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí) 間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小， 直到等于零。 因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。微分(D)控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié))或有滯后 (delay) 組件，

9、具有抑制誤差的作用，具變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑 制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。 這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣， 具有比例+ 微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù) 值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。 所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。調(diào)節(jié)方法：PID控制器參數(shù)選擇的方法很多，例如試湊法、臨界比例度法、擴(kuò)充臨界比例度 法等。但是，對(duì)于PID控制而言，

10、參數(shù)的選擇始終是一件非常煩雜的工作，需要 經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)整才能得到較為滿(mǎn)意的控制效果。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般PID參數(shù)確定的 步驟如下：現(xiàn)場(chǎng)湊試法(1)確定比例系數(shù)Kp確定比例系數(shù)Kp時(shí)，首先去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，可以令Ti=0、Td=0, 使之成為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許輸出最大值的60%70%,比例系數(shù)Kp由0開(kāi)始逐漸增大，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過(guò)來(lái)，從此時(shí)的比例系數(shù)Kp逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的比例系數(shù)Kp,設(shè)定PID的比例系數(shù)Kp為當(dāng)前值的60%70%。(2)確定積分時(shí)間常數(shù)Ti比例系數(shù)Kp確定之后，設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù) Ti，然后逐漸減小Ti , 直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩

11、，然后再反過(guò)來(lái)，逐漸增大 Ti,直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此 時(shí)的Ti ,設(shè)定PID的積分時(shí)間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的150%180%。(3)確定微分時(shí)間常數(shù)Td微分時(shí)間常數(shù)Td 一般不用設(shè)定，為0即可，此時(shí)PID調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換為PI調(diào)節(jié)。 如果需要設(shè)定，則與確定Kp的方法相同，取不振蕩時(shí)其值的30%。（4）系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直到滿(mǎn)足性能要求。衰減曲線法是以4:1衰減作為整定要求的，先切除調(diào)節(jié)器的積分和微分作用 用湊試法整定純比例控制作用的比例帶 PB （比同時(shí)湊試二個(gè)或三個(gè)參數(shù)要簡(jiǎn)單 得多），使之符合4: 1衰減比例的要求，記下此時(shí)的比例帶PBs和振蕩周期Tso 如果加進(jìn)積分和微分作用

12、，可按表3-4-2給出經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。若按這種方式 整定的參數(shù)作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。對(duì)有些控制對(duì)象，控制過(guò)程進(jìn)行較快，難以從記錄曲 線上找出衰減比。這時(shí)，只要被控量波動(dòng)2次就能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可近似認(rèn)為是 4: 1的衰減過(guò)程，其波動(dòng)一次時(shí)間為 Tso臨界比例帶法，用臨界比例帶法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)，先要切除積分和微分作 用，讓控制系統(tǒng)以較大的比例帶，在純比例控制作用下運(yùn)行，然后逐漸減小PB, 每減小一次都要認(rèn)真觀察過(guò)程曲線，直到達(dá)到等幅振蕩時(shí)，記下此時(shí)的比例帶 PBk（稱(chēng)為臨界比例帶）和波動(dòng)周期Tk,然后按表3-4-3給出的經(jīng)驗(yàn)公式求出調(diào)節(jié) 器的參數(shù)值。按該表算出參數(shù)值后，要把比例帶放在比計(jì)算值稍大一點(diǎn)的

13、值上， 把Ti和Td放在計(jì)算值上，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察，如果比例帶可以減小，再將PB放在計(jì)算值上。這種方法簡(jiǎn)單，應(yīng)用比較廣泛。但對(duì) PBk很小的控制系統(tǒng)不適用。反應(yīng)曲線法，前三種整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的方法，都是在預(yù)先不知道控制對(duì)象特 性的情況下進(jìn)行的。如果知道控制對(duì)象的特性參數(shù)，即時(shí)間常數(shù)T、時(shí)間遲延士 和放大系數(shù)K,則可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的參數(shù)。利用這種方法整定的結(jié)果 可達(dá)到衰減率小=0.75的要求。本次做車(chē)中采用現(xiàn)場(chǎng)湊試法。加=玳幻一以后一 1） =十芯式左）+冗4（外一 A式上一 1）厲里工】以=匕幺/11 戶(hù)01位置式三調(diào)試參數(shù)本實(shí)驗(yàn)中主要的參數(shù)有舵機(jī)打角的PID電機(jī)驅(qū)動(dòng)的PID【調(diào)試方法參考上文】閾值（使用codewarrior查看并在線更改）最終比賽前期對(duì)車(chē)進(jìn)行設(shè)檔位，不同的期望速度下對(duì)應(yīng)不同的參數(shù)四賽道元素處理起跑線 灰度傳感器進(jìn)行處理，在車(chē)身兩側(cè)安裝灰度傳感器（使用功率大的 燈泡照射賽道并返回亮度值，使用光敏電阻接收，當(dāng)出現(xiàn)跳變，進(jìn)行停車(chē)處 理）坡道 陀螺儀進(jìn)行處理，設(shè)立閾值當(dāng)陀螺儀擬合