杭州電子科技大學(xué)-極光一隊(duì)技術(shù)報(bào)告

1、第三屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技 術(shù) 報(bào) 告學(xué) 校：杭州電子科技大學(xué) 隊(duì)伍名稱：極光一隊(duì) 參賽隊(duì)員：張青 龔成龍 劉偉帶隊(duì)教師：高明煜 曾毓關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解第三屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽關(guān)保留、使用技術(shù)報(bào)告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會(huì)和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁(yè)上收錄并公開參賽作品的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會(huì)出版論文集中。參賽隊(duì)員簽名： 帶隊(duì)教師簽名： 日 期： 摘 要本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以MC68S912DG128微控制器為核心，通過(guò)多個(gè)紅外光電傳感器

2、檢測(cè)模型車的運(yùn)動(dòng)位置和運(yùn)動(dòng)方向，編碼器檢測(cè)模型車的速度，運(yùn)用PWM技術(shù)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的方向，同時(shí)用PID控制及模糊控制算法，完成對(duì)模型車運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的閉環(huán)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 紅外光電傳感器 編碼器 PWM PIDAbstractThe system is based on the micro-controller unit MC9S12DG128. The micro-controller adjusts the model cars moving position and direction by some infrared electricit

3、y sensors. And use the Hall sensor measure the cars moving speed. And it uses PWM technique adjusting the rotate speed of driving electromotor and direction of steering electromotor. In the same time it uses PID controlling arithmetic accomplishing closed loop control of model cars moving speed and

4、direction .The result of experiment indicate that the design scheme of system is doable.Keywords: micro-controllerinfrared sensor Encoder PWM PID目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc207013294 第一章 引言 PAGEREF _Toc207013294 h 1 HYPERLINK l _Toc207013295 第二章 方案的選擇與論證 PAGEREF _Toc207013295 h 3 HYPERLINK l

5、 _Toc207013296 2.1電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速模塊 PAGEREF _Toc207013296 h 3 HYPERLINK l _Toc207013297 2.2路徑識(shí)別模塊 PAGEREF _Toc207013297 h 3 HYPERLINK l _Toc207013298 2.3速度檢測(cè)模塊 PAGEREF _Toc207013298 h 4 HYPERLINK l _Toc207013299 2.4 車速控制方法 PAGEREF _Toc207013299 h 4 HYPERLINK l _Toc207013300 2.5小結(jié) PAGEREF _Toc207013300 h 5 H

6、YPERLINK l _Toc207013301 第三章 系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc207013301 h 5 HYPERLINK l _Toc207013302 3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc207013302 h 5 HYPERLINK l _Toc207013303 3.1.1 MCU模塊 PAGEREF _Toc207013303 h 5 HYPERLINK l _Toc207013304 3.1.2 路徑識(shí)別模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc207013304 h 7 HYPERLINK l _Toc207013305 3.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

7、 PAGEREF _Toc207013305 h 8 HYPERLINK l _Toc207013306 3.1.4 測(cè)速模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc207013306 h 9 HYPERLINK l _Toc207013307 3.1.5 電源模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc207013307 h 10 HYPERLINK l _Toc207013308 3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc207013308 h 11 HYPERLINK l _Toc207013309 3.2.1 主程序 PAGEREF _Toc207013309 h 11 HYPERLINK l _T

8、oc207013310 3.2.2 路徑計(jì)算 PAGEREF _Toc207013310 h 12 HYPERLINK l _Toc207013311 3.2.3 舵機(jī)控制 PAGEREF _Toc207013311 h 13 HYPERLINK l _Toc207013312 3.2.4 速度控制 PAGEREF _Toc207013312 h 14 HYPERLINK l _Toc207013313 3.2.5 突發(fā)情況判斷 PAGEREF _Toc207013313 h 18 HYPERLINK l _Toc207013314 第四章 調(diào)試與測(cè)試結(jié)果 PAGEREF _Toc207013

9、314 h 22 HYPERLINK l _Toc207013315 4.1調(diào)試軟件 PAGEREF _Toc207013315 h 22 HYPERLINK l _Toc207013316 4.2紅外傳感器測(cè)試 PAGEREF _Toc207013316 h 22 HYPERLINK l _Toc207013317 4.3編碼器測(cè)試 PAGEREF _Toc207013317 h 22 HYPERLINK l _Toc207013318 4.4車速測(cè)試 PAGEREF _Toc207013318 h 23 HYPERLINK l _Toc207013319 4.5剎車測(cè)試 PAGEREF _

10、Toc207013319 h 23 HYPERLINK l _Toc207013320 4.6實(shí)際跑道測(cè)試 PAGEREF _Toc207013320 h 23 HYPERLINK l _Toc207013321 4.7模型車的主要技術(shù)參數(shù)說(shuō)明 PAGEREF _Toc207013321 h 24 HYPERLINK l _Toc207013322 結(jié) 論 PAGEREF _Toc207013322 h 25 HYPERLINK l _Toc207013323 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc207013323 h 26 HYPERLINK l _Toc207013324 附 錄 PAGER

11、EF _Toc207013324 h 27- 第一章 引言本次車模競(jìng)賽要求賽制作一輛以MC68S912DG128微控制器為核心，能夠自主識(shí)別路線的模型車，在專門設(shè)計(jì)的跑道上自動(dòng)識(shí)別道路行駛，以最短的時(shí)間跑完全程。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要盡可能做到電路簡(jiǎn)潔、對(duì)路徑的識(shí)別達(dá)到一定的準(zhǔn)確度，對(duì)舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制足夠精確。具體研究?jī)?nèi)容主要有：1路徑識(shí)別路徑識(shí)別模塊是模型車系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識(shí)別方案的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣。現(xiàn)在常用的方案有采用CCD攝像頭尋跡方案和光電傳感器尋跡方案。用CCD攝像頭尋跡雖然可以更遠(yuǎn)更早地感知賽道的變化，但是信號(hào)處理比較復(fù)雜，占用的資源比較多，處理的速度也比較慢。相

12、對(duì)而言光電傳感器尋跡的方案更常用，所謂光電傳感器尋跡方案，即路徑識(shí)別電路由一系列發(fā)光二極管、接收三極管組成，由于賽道中存在軌跡指示黑線，落在黑線區(qū)域內(nèi)的光電二極管接收到的反射光線強(qiáng)度與白色的賽道不同，由此判斷行車的方向。該方案中，光電傳感器的排列方法、個(gè)數(shù)、彼此之間的間隔都與控制方法密切相關(guān)，在不受到外部因素影響的前提下，能夠感知前方的距離越遠(yuǎn)，行駛效率越高，由于光電傳感器電路板不可能伸出車體太遠(yuǎn)，因此我們采用了抬高光電傳感器電路板的高度并增加其與地面夾角的方法，以使光電傳感器可以感知更遠(yuǎn)一點(diǎn)的賽道情況。圖1.1 紅外傳感頭2 電機(jī)控制系統(tǒng)電機(jī)是模型車的核心部件，分為舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所以對(duì)電機(jī)

13、的控制非常重要，要做到足夠精確，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度控制最為重要。在八十年代以前，電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)主要是以線性電路為核心的模擬調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，用的是分立元件。進(jìn)入八十年代中期，隨著技術(shù)的發(fā)展，模擬調(diào)節(jié)器向緊湊型方向發(fā)展，調(diào)速裝置力求標(biāo)準(zhǔn)化，系列化。進(jìn)入八十年代后期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)尤其是單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直流調(diào)速裝置出現(xiàn)了以微處理器微核心的數(shù)字調(diào)速器產(chǎn)品，到九十年代在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已取代模擬調(diào)節(jié)裝置成為主流產(chǎn)品。用單片機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的速度有個(gè)非常好的優(yōu)點(diǎn)是靈活性，由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)控制方案不同的控制方案只要改變軟件，而無(wú)需改變硬件就能實(shí)現(xiàn)。至于控制算法，模糊控制算法、數(shù)字PID控制算法是工業(yè)控制中最常用的，對(duì)大

14、多數(shù)控制對(duì)象，均可以達(dá)到滿意的控制效果。利用數(shù)字PID控制算法來(lái)控制直流伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度是一個(gè)可行的方法。它能使模型車在行駛過(guò)程中更穩(wěn)和更快。模型車的整個(gè)制作和安裝過(guò)程遵循盡可能地減輕車子重量和合理安裝各個(gè)模塊這兩個(gè)宗旨。整個(gè)系統(tǒng)主要由路徑識(shí)別模塊、MCU模塊、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和車速檢測(cè)模塊這四部分組成，所以硬件電路板也分成這四塊來(lái)制作和安裝。在電路板的設(shè)計(jì)上，我們利用Protel DXP進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)，在確定方案絕對(duì)可行的情況后去電路板制作工廠制作了電路板，大大減少了模型車的制作和調(diào)試周期，而且，電路板的穩(wěn)定性也有了大大的提高，并且使使車體結(jié)構(gòu)緊湊又牢固而且外形美觀。本文內(nèi)容的安排如下

15、所示：第一章 引言 本章主要介紹了模型車系統(tǒng)主要技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，概述了車子的制作情況。第二章 方案的選擇與論證 本章對(duì)系統(tǒng)硬件模塊方案和軟件控制方法進(jìn)行了選擇與論證。第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本章對(duì)選定的系統(tǒng)方案從硬件和軟件這兩個(gè)方面對(duì)各個(gè)模塊作了詳細(xì)的介紹。第四章 調(diào)試與測(cè)試結(jié)果 本章主要介紹了模型車在實(shí)際場(chǎng)地上的調(diào)試、測(cè)試和結(jié)果。第二章 方案的選擇與論證根據(jù)題目要求，系統(tǒng)劃分為5個(gè)基本模塊，如圖2.1所示。下面分別對(duì)各模塊的方案進(jìn)行論證與選擇。圖2.1 系統(tǒng)模塊框圖2.1電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速模塊方案一：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為

16、簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案二：采用H橋進(jìn)行控制。這樣可以利用單片機(jī)來(lái)輸出的PWM波控制H橋從而達(dá)到了控制電機(jī)的目的，而且還保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，可靠性高是一種廣泛采用的直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)。基于上述理論分析，擬選擇方案二。2.2路徑識(shí)別模塊探測(cè)路面黑線的大致原理是：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱判斷是否偏離黑線。方案：采用CCD攝像頭尋跡。該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以更遠(yuǎn)更早地感知賽道的變化，信號(hào)數(shù)據(jù)量較大，容易受外界環(huán)境的干擾，大量占用CPU資源，還需要占用很大的存儲(chǔ)空間，處理速度慢是攝像頭方案的

17、難點(diǎn)之一。方案二：反射式紅外發(fā)射接收尋跡方案的優(yōu)點(diǎn)是電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單、信號(hào)處理量小，控制速度快；缺點(diǎn)在于探測(cè)距離相對(duì)CCD較近。基于上述理論分析，我們選擇了方案二。2.3速度檢測(cè)模塊方案：采用霍爾集成傳感器。該器件內(nèi)部由三片霍爾金屬相組成，當(dāng)磁鋼正對(duì)金屬板時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)ǎ虼丝梢栽谲囕喩习惭b磁鋼、而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行車速測(cè)量。方案二：根據(jù)滾輪鼠標(biāo)的工作原理，采用斷續(xù)式光電開關(guān)。由于該開關(guān)是溝槽結(jié)構(gòu)，可以將其置于固定軸上，再在車輪上均勻地固定多個(gè)遮光條。讓其恰好通過(guò)溝槽，產(chǎn)生一個(gè)個(gè)脈沖。通過(guò)脈沖的計(jì)數(shù)，對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量。方案三：采用編碼器。編碼器

18、在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能輸出標(biāo)準(zhǔn)的方波，可以直接用單片機(jī)的IO口來(lái)讀取數(shù)據(jù)，而且轉(zhuǎn)動(dòng)一周輸出500個(gè)方波，能夠較精準(zhǔn)地做到速度的測(cè)量。以上三種都是比較可行的轉(zhuǎn)速測(cè)量方案。處于對(duì)簡(jiǎn)化硬件電路及速度測(cè)量的精準(zhǔn)性考慮，擬定采用方案三。2.4 車速控制方法方案一：采用開環(huán)控制方法?？刂蒲b置與受控對(duì)象（電機(jī)）之間只有順向作用而無(wú)反向聯(lián)系，每次給一個(gè)速度期望值，對(duì)應(yīng)有一個(gè)實(shí)際速度輸出，方法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的控制精度完全取決于電機(jī)的特性，。開環(huán)控制的缺點(diǎn)是抗擾動(dòng)能力差，當(dāng)有擾動(dòng)作用時(shí)都將使被控量偏離給定值，直接影響系統(tǒng)的控制精度。方案二：采用閉環(huán)控制方法。把系統(tǒng)的輸出量（實(shí)際車速）反饋到輸入端與輸入量（速度的期望值）

19、相減得到偏差，再由偏差產(chǎn)生一個(gè)控制量去消除偏差，如PID算法。這種控制方法使輸出量也參與了控制，相對(duì)復(fù)雜。但是它能有效地抑制內(nèi)部和外部各種形式的干擾，對(duì)干擾不甚敏感。因此可以對(duì)元件的精密度的要求有所降低。由于方案一相對(duì)來(lái)說(shuō)不夠可靠，智能車運(yùn)行中如果產(chǎn)生不穩(wěn)定狀況不能夠自我調(diào)節(jié)，而方案二可以完全解決此問(wèn)題，因此，我們采用方案二。2.5小結(jié)經(jīng)過(guò)上述方案比較，最終決定了方案如下：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與調(diào)速模塊：采用H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)。車輪檢速模塊：采用編碼器。路徑識(shí)別模塊：采用紅外反射式發(fā)射接收器。車速控制方法：閉環(huán)控制方法（PID）。第三章 系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖3.1所示。硬件電

20、路設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，由簡(jiǎn)單的接口互相連接，便于安裝和調(diào)試。圖3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖MCU通過(guò)檢測(cè)模型車頭部11對(duì)傳感器的輸出信號(hào)，來(lái)計(jì)算黑線所處的位置、偏移速度和偏移量，測(cè)速模塊向MCU發(fā)送測(cè)速中斷，根據(jù)中斷時(shí)間測(cè)出車輪轉(zhuǎn)速，MCU再根據(jù)當(dāng)前的黑線位置及車速對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。電池提供電源模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電力。3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1.1 MCU模塊為了減輕車模整體重量，降低重心，并且便于電路板的固定安裝，單片機(jī)部分電路板形狀根據(jù)車體實(shí)際情況進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，但電路完全按照組委會(huì)提供的核心S12的電路板基本電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，在其中放置了舵機(jī)控制、紅外探頭、編碼器測(cè)速、電機(jī)控速等接口，另外安裝了8

21、只LED指示燈，方便調(diào)試。舵機(jī)直接由單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)控制，無(wú)需外加驅(qū)動(dòng)電路。整個(gè)模塊的電路如圖3.2所示：圖3.2 MCU模塊電路圖I/O資源分配如圖3.3：圖3.3 I/O資源分配圖3.1.2 路徑識(shí)別模塊設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)試改進(jìn)，最終確定了較為合適的紅外探頭尺寸和探頭對(duì)數(shù)，即消除了盲區(qū)又增加了探測(cè)寬度。如圖3.4圖3.4 紅外傳感器布局圖圖 3.5 紅外信號(hào)發(fā)射電路紅外信號(hào)發(fā)射電路如圖 3.5，發(fā)射管電路較簡(jiǎn)單，為了達(dá)到增加紅外前瞻距離的目的，我們采用了10mm的紅外發(fā)射管以增加紅外的發(fā)射光強(qiáng)。 圖3.6 紅外信號(hào)檢測(cè)電路紅外信號(hào)的檢測(cè)放大電路如圖3.6，當(dāng)紅外管接收到紅外時(shí)，ce極間

22、就會(huì)有電流流過(guò)，呈導(dǎo)通狀態(tài)，電阻上會(huì)有壓降；反之，ce極間無(wú)電流流過(guò)，呈斷開狀態(tài)，電阻上無(wú)壓降。通過(guò)AD檢測(cè)采樣電阻兩端的壓降，然后經(jīng)過(guò)判斷后便可得知當(dāng)前的路面狀況。3.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)為了提高賽車在賽道行駛時(shí)的穩(wěn)定性，防止賽車速度過(guò)快沖出賽道，必須增加賽車的快速剎車功能。由于競(jìng)賽規(guī)則不允許改造輪軸，因此采用電機(jī)反向制動(dòng)的方式進(jìn)行剎車，從而要求電路具有極性轉(zhuǎn)換功能，為此采用H橋電路結(jié)構(gòu)，并用IRF9540(PMOS)和IRFZ44N(NMOS)作為橋臂開關(guān)，驅(qū)動(dòng)電路如圖3.7所示：圖3.7 H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)的速度由單片機(jī)產(chǎn)生的PWM占空比決定。PWM控制信號(hào)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流示意圖如3

23、.8，紅色箭頭(t0-t1)為電機(jī)正轉(zhuǎn)電流方向，綠色箭頭(t2-t3)為電機(jī)反轉(zhuǎn)電流方向。圖3.8 H橋驅(qū)動(dòng)示意圖 3.1.4 測(cè)速模塊設(shè)計(jì)按照編碼器的功能可以分為增量式和絕對(duì)式兩類。本電路采用增量式編碼器件OSS-05-1對(duì)車速進(jìn)行測(cè)量。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。單片機(jī)就可通過(guò)測(cè)量脈沖數(shù)和單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)來(lái)得知小車跑過(guò)的路程以及小車的速度，由于OSS-05-1編碼器規(guī)格為500P/R，即每轉(zhuǎn)一圈能輸出500個(gè)脈沖，故路程及速度的測(cè)量能達(dá)到較高的精度。圖3.9 編碼器安裝圖3.1.5 電源模塊設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)車模使用7.2V

24、2000mAh Ni-cd蓄電池，但整個(gè)系統(tǒng)中，單片機(jī)系統(tǒng)、路徑識(shí)別的光電傳感器和接收器電路、車速傳感器電路需要5V電壓，舵機(jī)伺服電機(jī)工作電壓6V，所以單獨(dú)設(shè)計(jì)了供電模塊如圖3.10，提供各個(gè)模塊所需要的正常工作電壓。圖3.10 系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)圖由于系統(tǒng)采用7.2V電池供電，考慮到紅外頭的電流較大、單片機(jī)供電電壓的穩(wěn)定性以及電壓轉(zhuǎn)換效率等問(wèn)題，最終我們選用LM2576-ADJ輸出6V電壓給舵機(jī)供電，AMS1117-5.0給單片機(jī)供電，LM2576-5.0給紅外傳感器、編碼器等設(shè)備供電。圖3.11 系統(tǒng)供電原理圖通過(guò)調(diào)節(jié)圖3.11中R24的值可調(diào)節(jié)輸出電壓，調(diào)節(jié)輸出電壓使其為6V然后再接入舵機(jī)即可

25、。3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的可讀性，可移植性。程序使用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫，極大的提高了編程效率，調(diào)試方便快捷。3.2.1 主程序圖3.12 主程序流程圖整個(gè)程序的總體結(jié)構(gòu)如圖3.12，主程序的主要功能是對(duì)開機(jī)參數(shù)進(jìn)行初始化，更新各個(gè)中斷輸出的數(shù)據(jù)，計(jì)算并轉(zhuǎn)換成其他程序模塊需要的數(shù)據(jù)格式，同時(shí)調(diào)度各個(gè)控制子程序?qū)嚹＿M(jìn)行實(shí)時(shí)控制。3.2.2 路徑計(jì)算對(duì)車模的路徑計(jì)算采用定時(shí)中斷的方式，每隔1毫秒就對(duì)傳感器進(jìn)行一次采樣，以確保車模在高速運(yùn)行狀態(tài)下能在足夠短的時(shí)間內(nèi)判斷出軌道的變化，并及時(shí)剎車，防止車速過(guò)快沖出跑道。經(jīng)過(guò)實(shí)際的測(cè)試，車模在運(yùn)行時(shí)并不需要很高的精度，為了簡(jiǎn)化

26、算法，加快計(jì)算速度，我們最終確定使用11對(duì)紅外傳感器對(duì)路徑黑線進(jìn)行探測(cè)，因?yàn)榧t外間距為22.5mm，小于黑線間距，所以存在兩個(gè)相鄰紅外同時(shí)檢測(cè)到黑線的情況，如圖3.13所示，黑線位置用1-23表示，其中1-11表示各個(gè)探頭的編號(hào)，1和23分別表示左邊出軌和右邊出軌。傳感器部分輸出模擬電壓(0-3.5V)，通過(guò)MC68S912DG128片內(nèi)的8路10位AD對(duì)其進(jìn)行采樣。白色反射面反射大部分的紅外線，而黑色的反射面則吸收大部分紅外線，根據(jù)實(shí)際測(cè)試，將傳感器放置在白反射面上測(cè)得的電壓約為1.7V,黑色反射面上為0.5V,AD測(cè)得的數(shù)據(jù)為100和350。當(dāng)數(shù)據(jù)低于150時(shí)認(rèn)為是黑線，高于300則認(rèn)為是

27、白色面。對(duì)于采樣的數(shù)據(jù)主要有兩個(gè)判斷,如圖3.14。因?yàn)楦?jìng)賽規(guī)則允許出現(xiàn)交叉跑道，而且在起跑線有兩條起跑黑線標(biāo)記，探頭將會(huì)探測(cè)到四個(gè)個(gè)或四個(gè)以上符合黑線要求的數(shù)據(jù)，所以程序首先判斷是否出現(xiàn)四條或四條以上黑線，如果是則輸出上次計(jì)算的黑線位置數(shù)據(jù)，車模將保持原有運(yùn)行狀態(tài)，順利通過(guò)起跑線或交叉跑道而不受影響；其次是判斷是否沒(méi)有黑線，如果是則讀取上次的黑線位置數(shù)據(jù)來(lái)確定出軌方向，數(shù)據(jù)為第23，探頭是右邊出軌，數(shù)據(jù)為第1，探頭則是左邊出軌。圖3.13 路徑計(jì)算示意圖圖3.14 路徑計(jì)算流程圖3.2.3 舵機(jī)控制車模自帶的舵機(jī)通過(guò)PWM來(lái)控制角度如圖3.15，經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，我們將舵機(jī)設(shè)置為1-23二十

28、三個(gè)檔位。根據(jù)路徑計(jì)算程序送出的數(shù)據(jù)，可以判斷賽車當(dāng)前所處的位置狀態(tài)，根據(jù)這個(gè)狀態(tài)給予相應(yīng)的舵機(jī)控制量，使其轉(zhuǎn)動(dòng)到并保持相應(yīng)角度。圖3.15 舵機(jī)控制流程圖3.2.4 速度控制直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的控制算法有很多，但工業(yè)控制中運(yùn)用最廣的是PID。PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高，此外PID控制方案并不需要建立精確的受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而且采取PID控制策略的控制效果一般是比較令人滿意的和成功的，所以PID一直以來(lái)被廣泛用于工業(yè)控制。所謂PID控制就是比例、積分和微分控制。對(duì)于實(shí)際的物理系統(tǒng)，其被控對(duì)象通常都有儲(chǔ)能元件存在，這就造成系統(tǒng)對(duì)輸入作用的響應(yīng)有一定

29、的慣性。另外，在能量和信息傳輸?shù)纫蛩貢?huì)引入一些時(shí)間上的滯后，往往導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)變差，甚至不穩(wěn)定。因此，為了改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，通常在系統(tǒng)中引入偏差的比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)的快速性、提高控制精度和消除系統(tǒng)慣性的影響。這就形成了按偏差PID調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，其控制結(jié)構(gòu)如圖3.16所示。其控制規(guī)律為： (2) 圖3.16 PID控制系統(tǒng)框圖式中：控制量； 系統(tǒng)的控制偏差； 比例增益； 積分時(shí)間； 微分時(shí)間； 系統(tǒng)給定的希望達(dá)到的速度值； 電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字式PID控制器，數(shù)字式PID控制器通常又分為增量式和位置PID控制算法，系統(tǒng)采用增量式PID。由于單片機(jī)控制

30、的是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此式（21）中的積分和微分項(xiàng)需要進(jìn)行離散化處理。離散化后： (3)增量式PID運(yùn)算的輸出增量為相鄰兩次采樣時(shí)刻所計(jì)算的位置值之差，即 (4)由式（3-3）可知： (5)所以 (6)式中：k時(shí)刻的速度給定量與速度反饋量的偏差 k時(shí)刻的輸出控制量圖3.17是根據(jù)公式 6的基于PID算法的速度控制器的子程序流程圖：圖3.17 基于PID算法的速度控制器的子程序流程圖但是，上述這種PID是一種理想的PID控制器，其實(shí)際控制效果并不理想。尤其是在直流伺服電機(jī)的啟動(dòng)、停止或大幅度改變給定值R（s）時(shí)，由于在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大的偏差，往往會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的積

31、分飽和現(xiàn)象，以致造成很大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的振蕩。這是不能容忍的。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用積分分離方法（PD-PID）控制,即在被控制量開始跟蹤時(shí)，取消積分作用；而當(dāng)被控制量接近給定值時(shí)，才利用積分作用，以消除靜差。首先，選擇一個(gè)合適的作為PD-PID算法的分界常數(shù)。一般來(lái)說(shuō)此分界常數(shù)要比輸出所允許的誤差大510倍。然后在每次采樣電機(jī)速度時(shí)計(jì)算偏差值en(k),根據(jù)偏差值與的大小比較來(lái)決定哪一種控制方式。所以對(duì)圖3.17作了一定的改進(jìn)。PD-PID控制程序框圖如圖3.18所示：圖3.18 PD-PID控制程序框圖在系統(tǒng)初始化程序中，應(yīng)當(dāng)設(shè)置好誤差初始值en(k)=en(k-1)=en(k-2)

32、=0,且控制初始值un(k-1)=0.在圖3.18的PID速度控制器的子程序中，關(guān)于Kp、Ki=KpT/Ti、Kd=KpTd/T等參數(shù)的整定可以采用解析法與經(jīng)驗(yàn)法相結(jié)合的方法。先給三個(gè)參數(shù)一個(gè)初值，在具體調(diào)試時(shí)，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)湊試法在上述理論值的基礎(chǔ)上作微調(diào)，即先整定比例部分，再整定積分部分，然后再整定微分部分。3.2.5 突發(fā)情況判斷對(duì)于突發(fā)情況的判斷，探頭的偏移量和偏移速度計(jì)算對(duì)于車體行駛狀態(tài)是非常重要的，該部分軟件采取定時(shí)中斷方式進(jìn)行，如圖3.19，定期的對(duì)測(cè)得的路徑情況進(jìn)行處理和判斷，根據(jù)這個(gè)情況來(lái)對(duì)車體的運(yùn)行速度進(jìn)行限制。圖3.19 突發(fā)情況判斷流程圖 第四章 調(diào)試與測(cè)試結(jié)果4.1調(diào)試軟

33、件模擬跑道：由18塊白色KT板相互拼接而成，總長(zhǎng)約為7.2m，寬5m的一個(gè)跑道。黑色引導(dǎo)線采用的是黑色不干膠，寬為2.5cm，跑道形狀華東賽區(qū)的預(yù)賽跑道，跑道總長(zhǎng)約為31m。MCU仿真器：清華大學(xué)Freescale MCU/DSP 提供的S12BDM。MCU編譯器：CodeWarrior IDE 4.6。示波器：TDS2024B。信號(hào)發(fā)生器：SP1631。數(shù)字電橋：TH2817。數(shù)字萬(wàn)用表：CDM-8045A。制版機(jī)：DM2100B。卷尺：精度0.001m秒表：精度0.01s4.2紅外傳感器測(cè)試調(diào)節(jié)紅外電路板的高度及傾角，通過(guò)改變前瞻距離來(lái)觀察傳感器反饋的電壓值，結(jié)果如表4.1。測(cè)試設(shè)備：數(shù)字

34、萬(wàn)用表(CDM-8045)、直尺(精度1mm)。表4.1 紅外傳感器測(cè)試參數(shù)白反射面距離(cm)1.55.06.57.58.09.09.613.018.030.0反饋電壓(v)3.02.82.72.52.32.22.22.00.80.24.3編碼器測(cè)試在主伺服電機(jī)(空載)加恒定電壓對(duì)編碼器輸出的信號(hào)進(jìn)行觀察，測(cè)試結(jié)果如表4.2。測(cè)試設(shè)備：穩(wěn)壓電源(MPS-3003L-3)、數(shù)字萬(wàn)用表(CDM-8045)、低頻示波器(CA4094)。表4.2 編碼器測(cè)試電機(jī)電壓(V)2.02.53.03.54.04.55.05.56.0輸出頻率(KHz)5.87.710.512.814.416.419.221.

35、525.04.4車速測(cè)試將車模放置于平直KT板面，測(cè)試距離10m,表4.3 最高車速測(cè)量測(cè)試次數(shù)12345678平均速度(m/s)3.783.833.773.803.693.713.883.813.784.5剎車測(cè)試 將車模放置于KT板面，測(cè)試程序控制車模運(yùn)行到最高速度時(shí)進(jìn)行剎車，并在剎車同時(shí)打開指示燈，對(duì)車模加載不同的反轉(zhuǎn)電勢(shì)時(shí)所需的剎車時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表4.4。測(cè)試設(shè)備：秒表(精度0.01s)。表4.4 剎車測(cè)試占空比(PWM4)1020304050607080剎車時(shí)間(s)3.122.541.340.750.340.851.021.13打滑否否否否否是是是經(jīng)過(guò)測(cè)試最佳剎車占空比為

36、50%。4.6實(shí)際跑道測(cè)試為了更好的測(cè)試車模的實(shí)際性能，我們將本屆華東賽區(qū)的初賽比賽跑道按照1：1的比例還原，并去掉帶坡度部分，對(duì)車模進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表4.5表4.5 實(shí)際跑道測(cè)試測(cè)試次數(shù)1234567平均速度(m/s)2.212.162.092.232.222.172.242.194.7模型車的主要技術(shù)參數(shù)說(shuō)明模型車的主要技術(shù)參數(shù)說(shuō)明如表4.6。表 4.6 模型車的主要技術(shù)參數(shù)外形電路功耗電容總量傳感器伺服電機(jī)賽道信息檢測(cè)名稱數(shù)量名稱數(shù)量精度頻率長(zhǎng)3平均功率10.78瓦1800uF紅外傳感器11對(duì)舵機(jī)12.1KHZ寬2主電機(jī)1高11.5編碼器1只其他無(wú)重量900結(jié) 論本文的研究對(duì)象是一輛以M

37、C68S912DG128微控制器為核心，能夠自主識(shí)別路線的模型車。在行駛過(guò)程中，微控制器通過(guò)多個(gè)紅外光電傳感器和霍爾傳感器采集模型車的運(yùn)動(dòng)位置、運(yùn)動(dòng)方向和速度這些信息，然后迅速做出判斷，輸出PWM波控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)和舵機(jī)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，路徑識(shí)別采用光電傳感器尋跡這種方案。它由一系列發(fā)光二極管和接受二極管組成，根據(jù)路面的反射光線強(qiáng)度的不同來(lái)判斷行車的方向。這種方案電路簡(jiǎn)單，信號(hào)處理快。直流電機(jī)控制由單片機(jī)的PWM信號(hào)來(lái)完成，驅(qū)動(dòng)采用IRF9540(PMOS)和IRFZ44N(NMOS)作為橋臂開關(guān)的H橋電路結(jié)構(gòu)，并采用數(shù)字PID控制算法，它使模型車在行駛過(guò)程中更穩(wěn)和更快。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是

38、可行的。由于時(shí)間限制，系統(tǒng)在PWM控制直流電機(jī)的算法方面，只采用了改進(jìn)型的PID算法，對(duì)其他的高級(jí)算法，如自適應(yīng)控制、模糊控制、模糊PID等方法還尚未設(shè)計(jì)，只能留待以后擴(kuò)充。參考文獻(xiàn)1 卓晴，黃開勝，昭貝貝等.學(xué)做智能車M.北京航空航天大學(xué)出版社，20071于海生，潘松峰，于培人，吳賀榮.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)M.清華大學(xué)出版社，20042邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法.清華大學(xué)出版社M，20043 趙亮，侯國(guó)銳.單片機(jī)C語(yǔ)言編程與實(shí)例.人民郵電出版社M，20034楊寧，胡學(xué)軍.單片機(jī)與控制技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社M，20055 呂平寶.直流電機(jī)智能型數(shù)?；旌螾WM調(diào)整速器的研究及應(yīng)用

39、.青島化工學(xué)院碩士學(xué)位論文D，20026 何濤. 數(shù)字式直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析.青島化工學(xué)院碩士學(xué)位論文。西安交通大學(xué)碩士學(xué)位論文D，20027 韓俊淑，曾銳利，李長(zhǎng)安.PID算法在蓄電池充電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用J.自動(dòng)控制技術(shù)與應(yīng)用.1003-7241(2005)09-0048-04，20058 劉遠(yuǎn)進(jìn)，李昌玉，張明雄.基于規(guī)則與優(yōu)化方法相結(jié)合的PID整定J.自動(dòng)控制技術(shù)與應(yīng)用.1003-7241(2005)03-0019-039 Motorola, Inc. MC9S12DT128B Device User Guide V01.09，200210 Motorola, Inc. PWM_8

40、B8C Block User Guide V01.16，200211 Motorola, Inc. ECT_16B8C Block User Guide V01.04，200212 Motorola, Inc. ATD_10B8C Block User Guide V02.10，2002附 錄車模源代碼主程序#include /* common defines and macros */#include /* derivative information */#includeHARDWARE.H#includedelay_ms.h#includeprintp.h#pragma LINK_INF

41、O DERIVATIVE mc9s12dg128bunsigned char ch;unsigned char i=0,j=0;unsigned char led_pos=0;unsigned int sample11=0,0,0,0,0,0,0,0,5,0,0;unsigned int sample_temp6=0,0,0,0,0,0;unsigned int position=0,position_temp=0,position_temp2=0,direction=1; /黑線位置寄存器，探頭偏移方向寄存器unsigned char GO_BACK=0;/剎車 unsigned char

42、SAFE_SPEED=22; /安全速度unsigned int out_timer=0;unsigned char find_way=1;/尋路寄存器unsigned int SPEED=500;unsigned int SPEED_LEVEL=0;unsigned int ms_timer=0,ms_timer2=0,ms_led_timer,ms_out_timer=0,ms_sample_timer=0; /毫秒計(jì)數(shù)器unsigned int distance=0;/position 偏移unsigned char second_timer=0;unsigned char speed_

43、test_step=0,speed_check=0;/測(cè)速度階段unsigned char print_mode=0;/打印模式選擇interrupt void SPEED_INTERRUPT() speed_check=1; switch(speed_test_step) case 1:ms_timer=0;speed_test_step=2;break; case 2:SPEED=ms_timer;speed_test_step=0;PIEJ=0X00;break; /* switch(shake_step) case 0:shake=0;break; case 1:SHAKE=shake

44、;break; */ /printp(%dn,TCNT); / PORTB_BIT7=!PORTB_BIT7; PIFJ_PIFJ7=1; interrupt void SHAKE_TIMER_INTERRUPT()/偏移量計(jì)算中斷 unsigned char i=0; if(position_temp!=position) if(positionposition_temp) distance=position-position_temp; direction=2; else distance=position_temp-position; direction=0; if(SPEED_LEVE

45、L60) SPEED_LEVEL=SPEED_LEVEL+distance/2; position_temp=position; else if(position!=0)&(position!=16) for(i=0;i18) SPEED_LEVEL=SPEED_LEVEL-1; distance=0; if(speed_check=0) SPEED=70; else speed_check=0;/ PORTB_BIT6=!PORTB_BIT6; TFLG1_C0F=1; /中斷標(biāo)志位清零 interrupt void DOWN_TIMER_INTERRUPT() ms_timer+; ms_

46、timer2+; ms_out_timer+; ms_led_timer+; INFRARED_SAMPLE(sample);/探頭采樣 position=DATA_PROCESSING(sample);/探頭數(shù)據(jù)處理 MCFLG_MCZF=1;interrupt void uart_interrupt() ch=SCI0DRL; switch(ch) case m: print_mode=!print_mode;break; case M: print_mode=!print_mode;break; printp(MCCNT=%dn,MCCNT); ch=SCI0DRL; void data

47、_print() if(print_mode) printp(C0=%d,sample0); printp(C1=%d,sample1); printp(C2=%d,sample2); printp(C3=%d,sample3); printp(C4=%d,sample4); printp(C5=%d,sample5); printp(C6=%d,sample6); printp(C7=%d,sample7); / printp(position_temp2=%d,position_temp2); printp(position=%dn,position); else printp(posit

48、ion=%d,position); printp(volt=%d,ATD0DR7); printp(SPEED=%d,SPEED); printp(SPEED_LEVEL=%d,SPEED_LEVEL); printp(distance=%dn,distance); void led_refresh() if(ms_led_timer20) ms_led_timer=0; switch(led_pos) case 0:PORTB=0 x7f;break; case 1:PORTB=0 xbf;break; case 2:PORTB=0 xdf;break; case 3:PORTB=0 xef

49、;break; case 4:PORTB=0 xf7;break; case 5:PORTB=0 xfb;break; case 6:PORTB=0 xfd;break; if(led_pos!=6)led_pos+; else led_pos=0; void main(void) PWM_INIT(); COM_INIT(); AD_INIT(); PORTJ_INTERRUPT_INIT(); TIMER_INIT(); PUCR_PUPAE=0XFF; DDRA=0 x00; DDRB=0 xff; EnableInterrupts; while(1) /指示燈閃爍/ if(ms_tim

50、er2=500) ms_timer2=0; if(PORTA_BIT0=0) data_print(); /led_refresh(); if(PORTB_BIT0) if(GO_BACK) PORTB=0 x00; else PORTB=0 xff; / / /方向控制/ / switch(position) case 1: DIR_CONTROL(0);ms_out_timer=0; if(ms_out_timer3000) SPEED_LEVEL=35; if(ms_out_timer700)&(ms_out_timer3000) SPEED_LEVEL=20; if(ms_out_ti

51、mer700) SPEED_LEVEL=30; if(SPEED18) GO_BACK=1; if(SPEED18) SAFE_SPEED=35; if(SPEED3000) SPEED_LEVEL=35; if(ms_out_timer700)&(ms_out_timer3000) SPEED_LEVEL=20; if(ms_out_timer700) SPEED_LEVEL=30; if(SPEED18) GO_BACK=1; if(SPEED18) SAFE_SPEED=35; if(SPEED3) SPEED_LEVEL=30; if(SPEED20) GO_BACK=1; if(SP

52、EED18) SAFE_SPEED=25; if(SPEED17) SAFE_SPEED=30; if(SPEED16) SAFE_SPEED=35; if(SPEEDSAFE_SPEED) GO_BACK=0; SAFE_SPEED=22; /速度控制/ / if(SPEED_LEVELSPEED) SPEED_CONTROL(GO_BACK,GO_BACK,SPEED); else SPEED_CONTROL(1,GO_BACK,SPEED); / / 硬件配置程序#include /* common defines and macros */#include /* derivative

53、information */#includedelay_ms.h#includeprintp.hvoid PWM_INIT();void COM_INIT();void AD_INIT();void DIR_CONTROL(unsigned char dir);void SPEED_CONTROL(unsigned char speed,unsigned char go_back,unsigned int nonce_speed);void INFRARED_SAMPLE(unsigned char *sample);unsigned int DATA_PROCESSING(unsigned

54、int *sample);void BATTERY_CHECK();#includeHARDWARE.Hvoid PORTJ_INTERRUPT_INIT() PIEJ=0X80; DDRJ_DDRJ7=0;void TIMER_INIT() /CHANNAL0/ TIE_C0I=1; /計(jì)數(shù)中斷使能 TSCR2=0X05; /系統(tǒng)時(shí)鐘源選擇，1，2，4，8，16，128 TIOS_IOS0=1;/計(jì)數(shù)方式選擇 TC0=0X000F; /MOUDLES COUNT DOWN TIMER/ MCCTL=0XC4;/VECTORS 0XFFCA MCCNT=0X5BCC;/LOAD INIT VA

55、LUE /0 x5bcc 1ms/0 x2de6 0.5ms /MCFLG_MCZF=1;中斷標(biāo)志位清零 / TSCR1_TEN=1; /系統(tǒng)計(jì)數(shù)使能 / TFLG1_C0F=1; /中斷標(biāo)志位清零void COM_INIT() /串口初始化 SCI0CR2=0 x2c;/interrupt enable set /baudrate set/ SCI0BDH=0 x00; SCI0BDL=0 x9C; void PWM_INIT() PWMPRCLK=0X70;/clock-clock bus PWMCLK=0 x93;/clock-clock SB PWMSCLA=0X04; PWMSCLB

56、=0 x05; / clock SB=clock B/(2*PWMSCLB) PWMPOL=0 xFF;/ channel 7 polarity 1 PWMPER7=100;/ PWMDTY7=28; / 舵機(jī)轉(zhuǎn)正 PWMPER0=100;/ PWMDTY0=100;/START SPEED=0; PWMPER4=100; PWMDTY4=100; PWMPER1=255;/ PWMDTY1=128;/紅外探頭載波20KHZ調(diào)制 PWME=0 x93; /PWM-7-4-0-1 enablevoid AD_INIT() ATD0CTL2_ADPU=1; /電源使能 ATD0CTL5=ATD0CTL5&0XF8;/采樣從第一路AD開始 ATD0CTL5_DJM=1;/RIGHT MODE ATD0CTL3=0X78;/8 CHANNAL /連續(xù)采樣長(zhǎng)度選擇BIT6