農(nóng)業(yè)曲辰之星技術(shù)報(bào)告

第一章引 第二章技術(shù)方案概要說 智能車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè) 第三章機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)說 智能車后輪齒輪機(jī)構(gòu)調(diào) 第四章硬件電路設(shè)計(jì)說 S12單片機(jī)最小系 第五章設(shè)計(jì)說 PID控制以及PID參數(shù)的整 光電智能車模糊PID控制方 第六章模型車各項(xiàng)參 第七章 附錄A模型車控制主程序代 思卡爾”杯大學(xué)生智能車大賽以邀請(qǐng)賽的方式使的學(xué)校和同學(xué)有了探索的機(jī)會(huì)。現(xiàn)在歷經(jīng)四屆，每一屆都較前一屆無論是速度還是穩(wěn)定性都有新的突破。大學(xué)生智能模型車競(jìng)賽是在飛思卡爾半導(dǎo)體公司資助下舉辦的以HCS12單片機(jī)為的大學(xué)生課外科技競(jìng)賽。將提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車模型、直流電機(jī)和可充電式電池，參賽隊(duì)伍要制作一個(gè)能夠自主識(shí)別路線的智能車，在專門設(shè)計(jì)的跑道上自動(dòng)識(shí)別道路行駛，誰最快跑完全程而沒有沖出跑道，誰就為了追求小車的高速和穩(wěn)定的目的，人們對(duì)人工智能與機(jī)器人技術(shù)，汽車技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)各方面都進(jìn)行了更廣泛、更深入的層面展開研究,這樣無疑對(duì)學(xué)術(shù)研究和生產(chǎn)應(yīng)用都有很強(qiáng)的實(shí)際意義。比賽涉及到的專業(yè)知識(shí)有自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科，對(duì)學(xué)生的知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)有重大的意義，對(duì)高等學(xué)?？刂萍捌囯娭悄苄≤囅到y(tǒng)由HCS12微控制器、電源管理單元、路徑識(shí)別電路、車速檢測(cè)模塊、舵機(jī)控制單元和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制單元組成。本系統(tǒng)以飛思卡爾公司的16位微處理器MC9S12XS128為控制，并采用CodeWarrior編程和BDM調(diào)試工具。運(yùn)用反射式紅外傳感器進(jìn)行道路信息，并采用技術(shù)來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向和電機(jī)轉(zhuǎn)速。舵機(jī)控制主要采用信號(hào)開環(huán)控制,而速度控制方面，由數(shù)據(jù)表來設(shè)定速度，PID控制來調(diào)整速度。通過將總線頻率超頻到40M來更快更準(zhǔn)確地進(jìn)行控制。各個(gè)部分經(jīng)過MCU的協(xié)調(diào)處理，能夠以較快的速度在指定的軌跡上行駛，在進(jìn)彎道之前能夠提前并改變角度，達(dá)到平滑過彎和減小路程的效果。分為六個(gè)章節(jié)：第一章為引言介紹；第二章主要介紹了智能車機(jī)械設(shè)計(jì)與安裝；第三章主要介紹了智能車機(jī)械設(shè)計(jì)與調(diào)試；第四章主要介紹了智能車硬件電路設(shè)計(jì)；第五章為智能車設(shè)計(jì)；第六章為智能車技術(shù)參數(shù)說明；第二章智能車機(jī)車輛設(shè)計(jì)思車輛對(duì)路況的判斷距離越遠(yuǎn)，越能提前得到路況信息，對(duì)車輛行駛速度越有幫助。算法就是基于遠(yuǎn)距離探測(cè)配合近距離探測(cè)控制的算法。所以，使層紅外探測(cè)設(shè)備，組成兩層探測(cè)體系，兩層探測(cè)體系再結(jié)合控2.1整車參輛是由下發(fā)的，車輛運(yùn)動(dòng)部分是改動(dòng)的，這樣，首先用的一種較便宜，容易改裝的模型車初步設(shè)計(jì)方案，結(jié)合控制算在經(jīng)過調(diào)試確定最佳方案后，對(duì)實(shí)際比輛提出最終方案。并利用簡(jiǎn)易PCB板，利用輕質(zhì)塑料板材進(jìn)行機(jī)械加工。盡可能在機(jī)械加為了確和安裝要求，使用了床和鉆孔行加根據(jù)車輛的行駛特性，調(diào)整了車輛的重心和車輪的內(nèi)束角，取得了很好的效果。若重心前移，重心到后軸水平距離增大，易發(fā)生后軸側(cè)滑，對(duì)高速汽車性大；若重心后移，重心到后軸水平距離減小，前輪易喪失轉(zhuǎn)向能力。實(shí)踐證明前輪壓力大一點(diǎn)對(duì)車輛的轉(zhuǎn)向很有好處，因?yàn)檐嚨淖陨砉β瘦^小，不易加到很高的速度，所有，剎車性能的好壞對(duì)車輛影響有限，但轉(zhuǎn)向性能的提高，過彎速度的提高對(duì)比賽成績(jī)有決定性的影響。所以，車的重心通過使用了112腳的MC9S12XS128最小開發(fā)板進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)開發(fā)CodeWarrior編程和BDM組成的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)環(huán)境的控制方案簡(jiǎn)單的說就是利用遠(yuǎn)距離傳感器對(duì)遠(yuǎn)方路況信號(hào)進(jìn)行處理和判斷，然后控制車輛的轉(zhuǎn)角和速度，即控制車輛巡線行駛。同時(shí)，根據(jù)前方路況切換不同的控制算法，近距離傳感器則是對(duì)車輛行駛起間接控制作用，判斷車是否正常行駛和是否通過終點(diǎn)線。不同的控制算法都是通過遠(yuǎn)距離傳感器有效率高、受可見光影響較小、造價(jià)低廉、易于使用等優(yōu)點(diǎn)。所以在對(duì)路2.2智能車結(jié)第三章智能車機(jī)械部分安裝和調(diào)為了使轉(zhuǎn)彎更加靈活，對(duì)舵機(jī)相關(guān)部分作了部分改動(dòng)。首先，舵機(jī)力臂加長。這樣使同樣的轉(zhuǎn)彎角度值，只需更小的舵機(jī)轉(zhuǎn)角，減小了舵機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)慣性帶來的弊端。并且，通過降低舵機(jī)高度，降低整車重心，使小車轉(zhuǎn)3.1舵機(jī)改裝為為了增加前輪轉(zhuǎn)彎時(shí)的穩(wěn)定性，對(duì)前輪相關(guān)部分進(jìn)行了部分改動(dòng)。首先，更改前后墊片的數(shù)量，使前輪主銷后傾，這樣，車輪具有更好的自動(dòng)回正功能提供足夠側(cè)向力不發(fā)生側(cè)滑導(dǎo)致側(cè)向力不足，促使轉(zhuǎn)彎更加穩(wěn)定。再次，通過更改舵機(jī)連桿的長度，使前束與車輪傾角相適宜，同樣增加了前輪的為了提高運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，對(duì)地盤相關(guān)部分作了部分改動(dòng)。首先，前輪相關(guān)位置加墊片，降低了前輪重心。由于轉(zhuǎn)向大，對(duì)底盤的部分地方做了相應(yīng)處理，使其不和輪輞發(fā)生運(yùn)動(dòng)。其次，更改后輪車軸處的調(diào)節(jié)塊，使后3.2底盤 第四章智能車的電路統(tǒng)、車速傳感器電路需要5V電壓，路徑識(shí)別的光電傳感器和電路電壓工5V4.8V6V(或直接由電池提供)，直流電機(jī)可7.2V2000mAhNi-cd和LM2940作為穩(wěn)壓。經(jīng)試驗(yàn)電壓紋波小，完全可以滿足要求。電池2000mAhNi-4.1統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)4.2電源模塊示比賽最終比的是速度，需要模型車能夠以盡量快的速度跑完全程，有了好的算法之后，需要有驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。本系統(tǒng)使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板為一個(gè)由分立元件制作的直流電可逆雙極型橋式驅(qū)動(dòng)器其功率元件由四支NMOSFETS12輸出的波的占空比S1250%時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)，當(dāng)占空比50%時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，小于50%則反轉(zhuǎn)。原理圖如下：4.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為了提高檢測(cè)精度，最后確定為使用精度較高的光電編，光電編碼5V-24V5%-85%VCC的方波信號(hào)。這種測(cè)試方式電路較為復(fù)雜，需要增加電路，但相對(duì)于其帶來的，測(cè)量精度的提高和測(cè)量穩(wěn)定性的4.5光電現(xiàn)場(chǎng)由于賽道情況各有不同，彎道、直道數(shù)量個(gè)不相等，所以必須能在不改變程序的前提下進(jìn)行參數(shù)的調(diào)試，調(diào)試的方式界面可以有數(shù)字按鍵，撥盤開關(guān)等，經(jīng)過多種情況考慮，最后選擇了撥盤開關(guān)，由開關(guān)分別進(jìn)行參數(shù)選擇4.6撥碼4.7傳感器正18個(gè)激光發(fā)射管和六個(gè)接收管，每個(gè)接收管接收8第五章智能車設(shè)計(jì)與實(shí)高效穩(wěn)定的程序是智能車平穩(wěn)快速尋線的基礎(chǔ)。本智能車采用激光管和紅外對(duì)管作為尋線傳感器，數(shù)據(jù)的處理就成了整個(gè)的內(nèi)容。在智能車的轉(zhuǎn)向和速度控制方面，使用了增量式PID控制算法，配合使用理5ms產(chǎn)生5ms產(chǎn)生中開開開開停停ADC智能車的算法是車的部分，是影響車的動(dòng)態(tài)性能的重要因一。我傳感器的安裝和數(shù)學(xué)模型的建18個(gè)激光發(fā)射管，12cm4525cm，由于在該距離下接收在一字型排列中需要保證相鄰兩個(gè)傳感器的間距足夠大，但是不能大于黑了1.5m有傳感器能檢測(cè)到黑線，并且獲得準(zhǔn)確的路徑信息。5.2 5.3正常行5.4偏離跑5.5嚴(yán)重偏離跑圖5.6交叉線全5.7起跑線因此建立了一個(gè)相應(yīng)的坐標(biāo)軸來說明當(dāng)前所處位置即與黑線的位置關(guān)系，以的中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，左右對(duì)稱的數(shù)學(xué)模型，對(duì)應(yīng)傳感器的中心位置（6管）為原點(diǎn)，向左右兩個(gè)方向延伸。對(duì)的控制反映到坐標(biāo)軸上就是要平滑的移動(dòng)并確保對(duì)黑線的水平偏差為0，即黑線處于所建的數(shù)學(xué)模型的坐標(biāo)原點(diǎn)。若黑線在坐標(biāo)軸的正軸，說明向右偏，需要控制舵機(jī)左轉(zhuǎn)，水平偏移量越大，轉(zhuǎn)向程度越劇烈，由硬件設(shè)計(jì)部分可知，速度采用脈沖計(jì)數(shù)器，光電編的輸出接在定時(shí)器接口上。在里，通過每隔5ms的中斷處理程序一次脈沖次數(shù)，讀完后立即清零，等待下一次的中斷。并將數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，除去偶然誤差，做PID70來，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。單位反饋的PID控制原理框圖如圖5.2：5.2單位反饋的PID控制原理e，控制器算出誤差信號(hào)的積分值和微分值，并將它們與原誤差信號(hào)進(jìn)行線性組合。ukpeki

edtkd

kpkikd分別稱為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。uu,這個(gè)新的輸出信號(hào)被再次送到PID增大微分項(xiàng)系數(shù)可以加快動(dòng)態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)，但容易引起震蕩。一般增大比例系數(shù)能夠減小上升時(shí)間，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。增大積分系數(shù)能夠消除穩(wěn)態(tài)誤并且改善瞬時(shí)響應(yīng)。對(duì)連續(xù)系統(tǒng)中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)在計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)，是將上式轉(zhuǎn)換成差分方程，由此實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID調(diào)節(jié)器。PID用矩形數(shù)值積分代替上式中的積分項(xiàng)，對(duì)導(dǎo)數(shù)后向差分近，得到數(shù)字PID控制器的基本算式（位置算式：uk(e1

enen1T pn ekTTdik1T

公式其中T是采樣時(shí)間，kp、Ti、Td為三個(gè)待調(diào)參數(shù)， PreU=Kp*error+Ki*Integral+Kd* 公式PID算法的另一種實(shí)現(xiàn)形式（增量式uu ke 1eTd(e TT n TTi

nPreU+=（Kp*d_error+Ki*error+ 有更的要求者擾因素多，可對(duì)ID算法各種改如用梯形法做數(shù)值積分以提高精度，將差分改成一階數(shù)字濾波等等，在實(shí)際調(diào)車的過程中，確實(shí)遇到過由于碼盤采樣得到的脈沖上升下降沿不夠陡，使得速度采樣出現(xiàn)不穩(wěn)定和失真，但由于這些附加處理比較耗費(fèi)代碼的運(yùn)行時(shí)間，出于代碼效率和實(shí)際效果的比較，沒有采用這些改進(jìn)的方案，另外可PIDPID整定的方法有兩大類：一計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。由于智能車整個(gè)系統(tǒng)是機(jī)電高耦合的分布參數(shù)系統(tǒng)，并且要考慮賽體環(huán)境，要建立精確的智能車運(yùn)動(dòng)控制數(shù)學(xué)模型有一定難度，而且二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單，采用了這種方法，同時(shí)，先后實(shí)驗(yàn)了幾種動(dòng)態(tài)改變PID參經(jīng)典PID算法在本智能車上的應(yīng)本次設(shè)計(jì)中，采用增量式PID而位置型算法要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生大的累加誤差；增量型算法得出的是控制量的增量，而位置型算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動(dòng)作影響大；采用增量型算法，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無沖擊切換。在實(shí)際應(yīng)用中，采樣的反饋值，即為脈沖累加器中的10中的脈沖數(shù)，預(yù)設(shè)門限值在參數(shù)整定時(shí)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)，輸出值并不能直接用來控制電機(jī)，需要將其轉(zhuǎn)換為控制占空比然后用增大或減小占空比的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的加減10ms電機(jī)轉(zhuǎn)過的齒輪數(shù)和實(shí)際期望電機(jī)轉(zhuǎn)過的齒輪數(shù)，通過二者的差值，再乘以相應(yīng)的系數(shù)，即KP、KI、KD的協(xié)調(diào)控制，計(jì)算出相應(yīng)的占空比，實(shí)際上用的是DTY的5ms5ms對(duì)電機(jī)進(jìn)行一次PID調(diào)節(jié)。經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，選擇的PID調(diào)節(jié)策略具體在程序中k，ki，kd—PID參數(shù)值將傳感器的反饋值經(jīng)過算法處理后得到的黑線位置和對(duì)應(yīng)的舵機(jī)PID參照角度開始在較低速（2m/s以下）試驗(yàn)時(shí)，在偏離黑線很少的某個(gè)范圍，將KpKp值減小為原來的一半，在偏離較Kp原來的大小。取得的實(shí)際效果在彎道較多、直道較短的賽道上，車子轉(zhuǎn)彎流暢，直道也能基本保持直線加速，車身左右抖動(dòng)較小。但在提高車速至高速（2.5m/s以上）時(shí)，發(fā)現(xiàn)車身在跑直道特別是是長直道時(shí)，車身左右震蕩比較嚴(yán)重，究其原因，上自身編寫的PID舵機(jī)控制還不夠精細(xì)，動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力不夠，在從彎道進(jìn)直道的過程中，由于小車循黑線本質(zhì)上是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，積分項(xiàng)在彎道累積的偏差錯(cuò)誤地加在直道的上，造成在進(jìn)入直道時(shí)轉(zhuǎn)向不夠準(zhǔn)確，跑直道時(shí)雖然能黑線，但是轉(zhuǎn)向調(diào)整往往超調(diào)，導(dǎo)致車身在直道上左右震蕩，這種震蕩嚴(yán)重影響了車的整體表現(xiàn)，導(dǎo)致小車開始轉(zhuǎn)向，由于中間一直檢測(cè)到彎道，小車會(huì)沿S彎道左右震蕩，同時(shí)相應(yīng)會(huì)減速，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試PID參數(shù)，發(fā)現(xiàn)光調(diào)整PID參數(shù)很難使車在跑S彎和長直道時(shí)都選擇跑最佳路徑，并且不影響車拐普通彎。這就要求要智能地識(shí)別出當(dāng)前賽道是哪種類型，沒有選擇賽道等方法來判斷當(dāng)前賽道是哪種類型，僅僅根據(jù)黑線位置動(dòng)態(tài)改變PID參數(shù)，得到了較好的控制效果，經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，選擇的PID調(diào)節(jié)策略具體在程序中的代碼如下：其中：e1—當(dāng)前位置偏差值，e2—上一次的偏差值，ks，ksd—PIDcar-positn值，按不同的區(qū)間比例給出不同的控制信號(hào)，小車轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度。由于實(shí)際舵機(jī)轉(zhuǎn)角與信號(hào)的占空比基本成線性關(guān)系，所以采用了查表法，表的方式得出信號(hào)占空比，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)過一定的轉(zhuǎn)角。創(chuàng)建舵機(jī)控制表時(shí)，采用了擬合法，通過大量的實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了一組最優(yōu)的轉(zhuǎn)角值，轉(zhuǎn)角值與車當(dāng)前位置值car-positn的函數(shù)關(guān)系如圖5-85-8舵機(jī)響應(yīng)在速度控制中，采用了現(xiàn)在廣泛使用的PID控制算法，首先，在程序中給出一設(shè)定的理想速度值，理想速度值是根據(jù)不同的car-positn值來第六章智能車技術(shù)參數(shù)項(xiàng)參路徑檢測(cè)方法（賽題組光電車模幾何尺寸（長、寬、高（毫米車模軸距/輪距（毫米車模平均電流（勻速行駛）(毫安電路電容總量（微法傳感器種類及個(gè)新增加伺服電機(jī)0賽道信息檢測(cè)空間精度（毫米賽道信息檢測(cè)頻率（次/秒主要集成電路種類/數(shù)MC338863，LM29404車模重量（帶有電池（千克第七章。3自己最大的力量來解決問、題優(yōu)化方案和開拓創(chuàng)新，不僅把在課堂上所學(xué)的同時(shí)提高了綜合能力小組成員涉獵控制、模式識(shí)別傳感技術(shù)、、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科，并在這次磨練對(duì)的知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手能。在算法方面，使用C語言編程，利用比賽的開發(fā)工具調(diào)試程序，經(jīng)參考文[1]·單片機(jī)應(yīng)用的開發(fā)方法· ，[2]，白焰·摩托羅拉68HC12系列微控制器原理、應(yīng)用與開發(fā)技術(shù)·：中國電力，2003童詩白·模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)·：高等教育，閻石·數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)·：高等教育，張宇河，董寧·計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)·：理工大學(xué)，陶永華，尹怡欣，葛蘆生·新型PID控制及其應(yīng)用·：機(jī)械工業(yè)譚浩強(qiáng)·C程序設(shè)計(jì)· 侯國屏，王坤，葉齊鑫·LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)· HCS12SerialCommunicationInterface(SCI)BlockGuideV02.05S12SCIV2/Metrowerks·IDEHelpforCodeWarriorPlug-inforMotorola·MetrowerksSemiconductor,Inc.，朱衛(wèi)華.一種微機(jī)與單片機(jī)無線串行通信的設(shè)計(jì)方法.[D]學(xué)，2002年8月.周斌，李立國，.智能車光電傳感器布局對(duì)路徑識(shí)別的影響研究.電子產(chǎn)品世界，2006.5卓晴,，，學(xué)做智能車[M].:航天航空，．技術(shù)原理及應(yīng)用[M]．：理工大學(xué)張偉等．Pro高級(jí)應(yīng)用[M]．.人民郵電 首先要感謝工學(xué)院各位老師對(duì)的大力支持以及指導(dǎo)老師對(duì)的悉心指導(dǎo)，在本方案的設(shè)計(jì)過程中，老師經(jīng)常詢問進(jìn)度和鼓勵(lì)，使有信心面對(duì)各種和，順利的完成了對(duì)模型車的制作和調(diào)試。還有機(jī)械加工中心的師傅們，在調(diào)試智能車時(shí)，經(jīng)常來關(guān)心，詢問的，幫找工廠加工機(jī)械零件，使得的進(jìn)度大大加快。持使能夠順利完成本次競(jìng)賽。附錄 模型車控制主程序代#includeextern value externintspeed valuetemp= sor_error= //externint//externunsignedcharint//int//int/