自循跡輪式移動機器人的控制系統(tǒng)設計-論文

PAGEPAGE28摘要隨著社會發(fā)展和科技進步，機器人在當前生產生活中得到了越來越廣泛的應用。尤其是一種具有道路記憶功能、使用靈活方便、應用范圍較廣的輪式移動機器人。本研究是一種基于瑞薩H8單片機的自循跡輪式智能車的設計與實現(xiàn)，研究具有人類認知機理的環(huán)境感知、信息融合、規(guī)劃與決策、智能控制等理論與方法，本文所述的智能車控制系統(tǒng)可以分為兩個大的子控制系統(tǒng)，它們分別是方向控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)。其核心控制單元為瑞薩公司H8系列8位單片機H8/3048F-ONE，系統(tǒng)采用反射式紅外傳感器檢測賽道白線，在運行過程中能夠識別賽道的不同情況，并能夠根據(jù)信息反饋即時控制智能車的方向和速度，在預定的路徑上進行快速移動。智能車的設計要達到競速和巡線的目的，競速環(huán)節(jié)主要包括動力提供，速度控制兩部分；巡線環(huán)節(jié)包括路面信息，轉向控制兩部分。通過對智能車運動模型的建立與分析，本文詳細闡述了方向控制系統(tǒng)與速度控制系統(tǒng)等重要控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，使智能車能夠完整通過直道、彎道、坡道和換道的過程，快速穩(wěn)定的尋白線行駛。關鍵詞：H8單片機自循跡運動模型控制系統(tǒng)AbstractWiththesocialdevelopmentandscientificandtechnologicalprogress,Robotinthecurrentproductionandlifehasbeenmorewidelyused.Inparticular,thewheeledmobilerobotiswithmemoryfunction,usedofflexible,widerangeofapplication.ThisstudyisbasedonRenesasH8MCUwheeledself-trackingdesignandrealizationofintelligentvehicle,Researchofthetheoriesandmethodsaboutenvironmentalperception,informationfusion,planninganddecision-makingandintelligentcontrolwhichlikeMechanismofhumancognition.Thisintelligentvehiclecontrolsystemdescribedcanbedividedintotwomajorsub-controlsystem,Theyarethedirectionandspeedcontrolsystem.ThecorecontrolunitfortheRenesasH8seriesof8-bitmicrocontrollerH8/3048F-ONE.Systemusesinfraredsensorstodetecttrackreflectivewhitelines,duringoperationtoidentifythedifferentcircumstancescircuit.Andaccordingtothefeedbackcontrolthedirectionandspeedofsmartcarsreal-time.Fastmovingonthepredeterminedpath.Intelligentvehicledesigntoachievethepurposeofracingandthetransmissionline.RacinglinksincludepowerprovidedandSpeedcontrol;Transmissionlinelinksincludingroadinformationandsteeringcontrol.Throughthemovementmodelingandanalysisonsmartvehicle.Thispaperdescribesthedirectionandspeedcontrolsystemandotherimportantrealization.Sotheintelligentvehiclecanthroughthestraight,curved,rampandlanechangingprocess.Fastandstablesearchingthewhite

lane.Keywords：H8MCUself-trackingmotionmodelcontrolsystem目錄摘要 IAbstract II緒論 11課題要求及總體設計方案 21.1課題要求 21.2課題主要內容及設計方案 21.2.1課題主要內容 21.2.2總體設計方案 22系統(tǒng)硬件設計及實現(xiàn) 42.1硬件組成及各部分作用 42.2舵機的工作原理及驅動 52.2.1舵機的工作原理 52.2.2舵機的驅動 62.2.3舵機的標定和修正 72.3傳感器的工作原理及控制 82.3.1傳感器的工作原理 82.3.2傳感器的采集及處理 82.4電機的工作原理及驅動 92.4.1電機的選擇 92.4.2電機的工作原理 102.4.3電機驅動 102.5車體結構 112.5.1硬件電路板的功能需求分析 112.5.2結構需求分析 122.5.3賽道基本要求 133系統(tǒng)軟件設計 143.1智能車的數(shù)學模型及其控制算法的實現(xiàn)目標 153.2方向計算算法 163.2.1彎道處理 163.2.2換道處理 163.2.3坡道處理 173.2.4過渡處理部分 173.3方向控制算法 173.4速度控制算法 193.4.1賽道分析 203.4.2行駛策略 203.4.3速度給定算法 203.4.4速度閉環(huán) 204智能車調試與注意事項 214.1智能車的硬件調試 214.2系統(tǒng)的軟件調試 224.2.1單元調試 224.2.2系統(tǒng)的組裝調試 224.2.3系統(tǒng)調試 224.3注意事項 22結論 24致謝 25參考文獻 26附錄 27緒論智能機器人具有識別、推理、規(guī)劃和學習等智能機制，它可以把感知和行動智能化結合起來，因此能在非特定的環(huán)境下作業(yè)。智能化機器人具有感知功能與識別、判斷及規(guī)劃功能。而感知本身，就是人類和動物所具有的低級智能。因此機器人的智能分為兩個層次：具有感覺、識別、理解、和判斷功能；具有總結經驗和學習的功能。隨著社會進步的步伐日益加快，對自動化的需求正在從制造業(yè)向工程、社會、生活等廣泛領域擴展。原來在工廠結構化環(huán)境下工作的自動化機器或工業(yè)機器人，適合于大規(guī)模、較少柔性和變動的生產環(huán)境，對智能程度并無過高要求，而在廣泛領域內所需的自動機器，則要滿足不同的非結構環(huán)境下的不同需求，必須具有綜合集成和自主的能力，向以技術集成為特征的智能機器人發(fā)展。信息技術需要載體，用信息化改造傳統(tǒng)工業(yè)和各行各業(yè)，最后都要落實到用自動機器去完成信息的物化，機器人就是其載體之一。另一方面，信息技術的發(fā)展，特別是高性能計算機、通訊網(wǎng)絡和電子器件、模式識別和信號處理、軟件等技術的進展，又可促進機器人本身‘智力’和‘體質’的增強，為機器人向智能化、多樣化發(fā)展創(chuàng)造條件，機器人技術與信息技術的這種互動發(fā)展在信息技術飛速發(fā)展的今天更為突出，這種機器人的高科技含量不斷得到提升，始終處于高科技的前沿。機器人由于本身具有無限的想像空間，歷來是概念創(chuàng)新、技術創(chuàng)新的源泉，可根據(jù)需要設想出具有對應功能的智能機器人，而且這種想象空間由低到高，永無止境。當前，由于自動化的概念正在急速向廣泛領域擴展，而信息技術的發(fā)展又極大的提高了機器人的在智能程度，使這種想象空間的擴展有了需求和實現(xiàn)的可能，從而會更加激勵圍繞機器人的概念創(chuàng)新和技術創(chuàng)新，并蘊含著產生各種競爭前核心技術的可能性，從而必然是國際科技創(chuàng)新的重要競爭點[1]。未來的智能機器人技術將沿著自主性、智能通信和適應性三個方向發(fā)展。本課題主要是研究在瑞薩單片機RenesasH8/3048F-ONEMCU作為控制單元，RY3048F-ONE作為底板的基礎上進行自循跡輪式移動機器人控制系統(tǒng)設計。1課題要求及總體設計方案1.1課題要求隨著社會發(fā)展和科技進步，機器人在當前生產生活中得到了越來越廣泛的應用。此次設計是針對一種具有道路識別功能、使用靈活方便、應用范圍較廣的輪式移動機器人。該模型由四輪驅動，運行過程中能夠自動識別路徑，并由電機、舵機、紅外傳感器及編碼器協(xié)調控制速度和方向。1.2課題主要內容及設計方案1.2.1課題主要內容本課題的主要內容是設計并制作一個具備自循跡功能的四輪移動機器人，在預定的路徑上進行快速移動。在不移動預定路徑的前提條件下能夠快速穩(wěn)定地從起點到終點的運動控制，速度能夠達到2m/s。具體技術要求如下：（1）采用RenesasH8/3048F-ONEMCU作為主版微控制單元。（2）電源采用5號堿性電池或者5號（鎳氫、鎳鎘、鋰電子等）充電電池來充當電源，數(shù)量不可超過8節(jié)。（3）輪式機器人的外形尺寸要控制在：寬300mm、高150mm以內。（4）識別的路徑表面，由黑白灰三色組成。由內至外為：白色中心線寬20mm、兩側灰線寬10mm、外側黑色寬100mm、最外側的路肩白線寬30mm。（5）路徑由直道、彎道、連續(xù)S彎、直角彎、變道、坡道等構成。1.2.2總體設計方案本設計最終實現(xiàn)的是一個自循跡輪式機器人，設計采用Renesas公司的8位單片機H8/3048F-ONE為核心控制器，由電源模塊、路徑識別模塊、車速檢測模塊、轉向控制模塊和電機驅動模塊組成。為處理好決策與運動控制之間的關系，采用了三級控制的策略，即將控制系統(tǒng)分為組織級、協(xié)調級和執(zhí)行級對機器人進行控制。組織級根據(jù)傳感器提供的信息，對機器人自身狀態(tài)和所處環(huán)境進行分析，運算后給出機器人的運動規(guī)劃；協(xié)調級根據(jù)組織級發(fā)出的動作指令，結合機器人自身的運動特性、電機特性及碼盤信息，向執(zhí)行級發(fā)出指令和數(shù)據(jù)；執(zhí)行級則根據(jù)協(xié)調級輸出的期望值驅動電機工作，完成機器人的行走與動作控制。組織級的軟件設計包括硬件初始化、傳感信號的采集與處理、系統(tǒng)狀態(tài)判斷、運動決策等；協(xié)調級的軟件則包括碼盤信號的處理及速度控制等。在組織級采用了模糊控制的策略,協(xié)調級則采用PID算法對驅動電機進行速度控制[2]。智能車控制系統(tǒng)總體結構如圖1-1所示；智能車安裝包括電池部分的安裝，舵機的安裝，傳感器的安裝以及車速檢測模塊的安裝，智能車結構如圖1-2所示[3]。圖1-1智能車控制系統(tǒng)總體結構圖1-2模型車結構示意圖2系統(tǒng)硬件設計及實現(xiàn)2.1硬件組成及各部分作用機器人的系統(tǒng)硬件主要包括單片機、運動控制芯片、傳感器、直流電機、舵機及編碼器。單片機主要對傳感器檢測的各種信息進行處理并按照程序對其他外圍器件進行協(xié)調控制，運動控制芯片則根據(jù)編碼器的反饋信息專門對驅動電機進行精確控制。單片機：采用瑞薩8位單片機H8/3048F-ONE為控制核心芯片，其主要特點是片內硬件資源非常豐富、高速、低耗、大容量、易于拓展、支持C語言編程，H8/3048系列特別適合電池供電設備的使用。是主控制模塊的主要器件，可以利用PWM模塊產生PWM調制信號來控制電機和舵機，通過A/D轉換器獲取位置傳感器的信息和車速傳感器的信息。電源：電源是電源模塊的構成，是一個系統(tǒng)正常工作的基礎，因此電源的設計至關重要。智能車中接受供電的部分包括：路徑識別模塊、轉向舵機模塊、電機驅動模塊、車速檢測模塊。尋跡智能車使用8節(jié)5號2000mAh充電電池作為系統(tǒng)主電源。由于系統(tǒng)各模塊所需電壓和電流容量不同，因此需要通過不同的DC-DC轉換電路實現(xiàn)電壓調節(jié)。為防止電機和舵機等大功率器件在反復啟動狀態(tài)下對系統(tǒng)產生干擾，主要功能模塊均采用單獨供電。微控制器的工作電壓由LM2940穩(wěn)定在5V，舵機的工作電壓由可調集成穩(wěn)壓器LM350調節(jié)在6V，而驅動電機電源為電池組電壓。傳感器：智能車路徑識別模塊的設計是整個智能車設計中的重要的一部分,而此部分就是靠傳感器來實現(xiàn)，其作用相當于人的眼睛和耳朵?？紤]到要使車輛的行駛過程穩(wěn)定，尋跡智能車采用8對反射式紅外傳感器作為路徑識別元件。每對傳感器由紅外發(fā)射管和紅外接收管組成，水平均勻分布在智能車前部的傳感器板上,傳感器間距約為20mm。系統(tǒng)針對紅外路徑識別前瞻能力較弱的缺點，將傳感器板前伸至距車頭30cm處，使得智能車的“預判”性能大大增強。這樣不僅能保證車有足夠的前瞻性，還可以牢牢“鉗”住白線，使車在跑直線時快速平穩(wěn)，不會搖晃。編碼器：車速的檢測是對車速進行閉環(huán)控制的基礎，直接影響到將來控制的效果。本設計采用的是在后軸中點位置再增設一個均勻分布有黑白條紋的編碼盤的測速輪的方法，根據(jù)光電反射原理，在車輪轉動時，紅外接收管接收到反射光強弱高低變化，通過A/D傳感器將車速信息傳遞到單片機相應接口。車速檢測模塊檢測模型車在前進和后退不同行駛方向時速度的大小和方向。舵機：轉向控制系統(tǒng)中最重要的部分就是舵機。舵機的主要作用是控制智能車的轉向，其過程是單片機首先通過A/D轉換器將傳感器采集的路面信息進行處理，再通過PWM技術對智能車的舵機進行適時的控制。本文所述的智能車采用較為獨特的前軸轉向方式，將舵機輸出盤固定在智能車前軸的中點上，利用舵機轉動帶動智能車轉向。智能車舵機的轉向是由PWM來控制的，當紅外傳感器檢測到的信號滿足舵機脈沖占空比要求時，舵機就會使前輪轉動一定的角度，8個紅外傳感器在智能車前對稱排開。舵機對每個傳感器做出的反應也是不一樣的，中間的起到正舵的作用是使智能車沿著跑道行駛，越靠近對稱軸的傳感器要求智能車的轉向角度越小，越遠離對稱軸的傳感器要求智能車的轉向角度越大。電機：尋跡智能車采用四輪驅動方式，由四個RC-260型直流電機分別對每個車輪進行獨立驅動。在智能車行駛的過程中，由于四個車輪能夠同時提供抓地力，因此智能車的動力性和行駛穩(wěn)定性得到大大增強。對于電機的控制采用了基于“H”橋驅動電路的PWM控制。電機驅動模塊選用大功率場效應晶體管IRL3803作為H橋開關元件。經測試，當IRL3803的柵源電壓VGS為16V時，其導通電阻僅有6mΩ左右，因此可以管壓降顯著降低，電機的驅動功率得到有效提高。系統(tǒng)對電機采用全橋驅動，因此可以在智能車速度過快時對電機實施反向制動，從而迅速降低車速。實驗證明，當智能車車速由70%降至40%時（PWM占空比），采用全橋驅動方式，電機響應時間僅為0.2s左右，減速效果十分顯著[4]。2.2舵機的工作原理及驅動2.2.1舵機簡單的說就是集成了直流電機、電機控制器和減速器等，并封裝在一個便于安裝的外殼里的伺服單元。能夠利用簡單的輸入信號比較精確的轉動給定角度的電機系統(tǒng)。舵機的主體結構主要有以下幾個部分：外殼、減速齒輪組、電機、電位器、控制電路。舵機的工作原理是：PWM信號由接收通道進入信號解調電路進行解調，獲得一個直流偏置電壓。該直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出送入電機驅動集成電路，以驅動電機正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉直到電壓差為O，電機停止轉動。舵機的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。減速齒輪組是由馬達驅動，其終端(輸出端)帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉角坐標轉換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產生調整脈沖，并驅動馬達正向或反向地轉動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，將調整脈沖趨于為0，從而達到使舵機精確定位的目的。典型20ms周期性脈沖的正脈沖寬度與舵機的輸出軸轉角關系如圖2-1所示。舵機的原理如圖2-2所示。圖2-1舵機輸出軸轉角與輸入信號脈沖寬度的關系比例電壓圖2-2舵機的原理圖2.2.2舵機的本方案采用單片機產生PWM來達到對舵機的控制，PWM(PulseWidthModulation)是脈沖寬度調制的英文縮寫，利用大功率晶體管的開關作用，將恒定的直流電源電壓變成一定頻率的方波電壓，并加在直流電機的電樞上，通過對脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓來控制電機的轉速。直流電機的轉速大小取決于加在其上的平均電壓，平均電壓越大，轉速越快。因而通過改變PWM波，也即改變平均電壓的大小，就可以控制直流電機的轉速。單片機系統(tǒng)實現(xiàn)對舵機輸出轉角的控制，必須首先完成兩個任務：首先是產生基本的PWM周期信號，本設計是產生20ms的周期信號；其次是脈寬的調整，即單片機模擬PWM信號的輸出，并且調整占空比。標準的舵機有3條導線，分別是：電源線、地線、控制線。電源線和地線用于提供舵機內部的直流電機和控制線路所需的能源．電壓通常介于4～6V，一般取5V。注意，給舵機供電電源應能提供足夠的功率。控制線的輸入是一個寬度可調的周期性方波脈沖信號，方波脈沖信號的周期為20ms(即頻率為50Hz)。當方波的脈沖寬度改變時，舵機轉軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。實驗中要求賽車沿著黑線前進，不能偏離黑線一定的距離。舵機的方向控制對于賽車安全穩(wěn)定前進的重要性不言而喻，對于舵機各種參數(shù)的測試顯得尤為重要包括舵機機械性能的調整、舵機工作性能與溫度的有關性，PWM波占空比與角度參數(shù)關系的標定，這些穩(wěn)定的舵機性能是角度控制的有力保證。2.2.3舵機作為一種簡單的位置伺服系統(tǒng)，其規(guī)范程度比較低。在將舵機應用于機器人關節(jié)驅動的時候，需要對關節(jié)進行精確的角度控制，所以需要設計一套標定方法，對舵機的脈寬——轉角關系進行標定。使用標定系統(tǒng)對舵機進行標定，對每10度記錄一次脈寬值，測定范圍從0-180度，每次傳送的角度信息都是從起始位置到目的位置的角度。實際系統(tǒng)中，為了保護舵機，在舵機兩個方向分別留了安全裕量，選定舵機控制從10-170度，所以不會出現(xiàn)超過這個范圍而造成舵機燒掉。舵機是整個賽車系統(tǒng)非常脆弱卻又極為重要的部件，多次運行舵機容易出現(xiàn)零漂現(xiàn)象，其穩(wěn)定性較差，嚴重影響了賽車的性能?？梢詫Χ鏅C進行機械上的調整改善舵機性能，調整主要是墊高舵機的安放位置，通過機械方式，利用舵機的輸出轉矩余量，將角度進行放大，加快舵機響應速度；實驗證明這對舵機的靈活性與穩(wěn)定性都有較大的提高。由于舵機正常運行的速度極限為45度，未進行機械調整以前，賽車運行2-3圈后即出現(xiàn)零漂、滯后等問題，調整后滯后性大大減小，運行時間也有所增加，不易出現(xiàn)零漂問題[5]。2.3傳感器的工作原理及控制2.3.1本設計采用反射式紅外傳感器，利用黑線對紅外線的吸收，白線對紅外線的發(fā)射來實現(xiàn)的。紅外反射式光電傳感器由一個發(fā)射管和一個接收管組成，LED發(fā)出紅外線，照射到賽道上，利用漫反射原理，采用與發(fā)射管配對的接收管采集反射回來的紅外光線，采集得到模擬電壓，相應于不同的路面條件（主要是反射程度），接收管接收到地面漫反射紅外線后其兩端電壓將有所不同。其電壓大小與路面情況有關：當路面的顏色為白色時，反射光較強，電壓較高；當路面的顏色為黑色時，反射光較弱，電壓較低。送回單片機的AD口，然后通過AD/DA轉換器變成數(shù)字信號，由于紅外線有明顯的不同，因此可以區(qū)分出黑線與白板便能夠通過程序來判斷賽道的路況。傳感器系統(tǒng)通過將多個傳感器進行合理配置,利用多傳感器提供的綜合信息,對外界環(huán)境進行判斷和分析,決定避障策略、路線規(guī)劃和動作調整。在正常情況下,機器人利用光電傳感器檢測車體偏離導航線的程度，對行進速度進行調整，使機器人保持正確的運動軌跡。2.3.2在本系統(tǒng)中，對車體前沿的8個紅外傳感器進行編碼，左1和右1傳感器分別緊貼導航線的兩側。當機器人沿導航線向正前方行進時，其編碼值應為0，即無偏差。由于左右輪的不一致，機器人所讀取的傳感器編碼將在正負碼值之間變化。MCU通過它提供的信號發(fā)出指令，通過傳感器板上面的單排LED現(xiàn)實其狀態(tài)，并控制智能車其它部件協(xié)同工作。單排LED原理：通過接收路面反射的主動發(fā)射的已知特性的光線強度進行路面類別和顏色的識別，如圖2-3所示。單排LED，從安裝看：貼地式，抬起式；從信號格式看：模擬式，數(shù)字式；從信號傳輸看：直流式，調制式；從信號定位看：發(fā)射管定位，接收管定位。間隔圖2-3單排LED示意圖由于MCU信息處理及機械結構上存在延時，故在車速較快的情況下需要提前知道賽道的信息，故通過傳感器伸長板將傳感器前伸，以提高賽道信息的前瞻量[6]。2.4電機的工作原理及驅動2.4.1電機是機器人的主要動力機構，因此選擇一款合適的電機來驅動機器人十分重要。按照電機的特點，一般可將其分為直流電機、步進電機和舵機。步進電機：步進電機本質上是一種低速電機，所以它有一個優(yōu)點能實現(xiàn)精確運動，一旦到達指定位置后就能保持在那里。但也存在它的缺陷，功率與自重比小，體積大，較難與車輪裝配，負載能力低，功率小，控制復雜。在同等功率條件下，步進電機的尺寸顯得比直流電機要大且笨重，步進電機的輸出轉矩通常也不夠強勁，因此不推薦把它用在超過兩磅重的機器人上。舵機：舵機由直流電機、高效而輕便的齒輪箱以及控制電機速度和方向的控制器構成。它易于安裝，容易與車輪裝配，借口簡單，但功率不高，負載能力較低，速度調節(jié)范圍較小，一般適用于小型機器人和步行機器人。直流電機：直流電機實際上是機器人平臺的標準電機，有著極寬的功率調節(jié)范圍、適用性好、率大、接口簡單、具有很高的性價比，是一種最為通用的電機。到目前為止，直流電機仍是輸出功率最強勁的電機。適合較大型機器人。根據(jù)機器人所要完成的任務，我們選用直流電機，并且是自身帶有齒輪減速器的電機，這樣不但可以方便的將車輪的速度降至足夠低，而且用較小的功率就能獲得更強的輸出。2.4.2圖2-4直流電機的內部結構在繞有線圈的鐵心（轉子）的外周，有相同數(shù)目的定子（永久磁鐵）相向包圍。通過整流器的電刷轉子斷續(xù)的得到電流，轉子與定子的永久磁鐵反復相吸、排斥，結果無論它們的相互位置如何，轉子始終能夠沿著一定的方向回轉。在永久磁鐵（N、S極）之間的線圈有電流通過時，產生電磁力，對應于永久磁鐵產生的磁場，N極產生向上的力，S極產生向下的力，從而使線圈動作。結果導致線圈旋轉。在線圈轉動的同時，整流器也隨之旋轉，這樣就能保證電流流向的自動切換以便維持轉子向同一方向的連續(xù)轉動。于是，線圈中不斷的產生相同方向的旋轉力。根據(jù)弗萊明（Fleming）左手法則，電機產生轉矩，而電機一旦開始回轉，就使線圈磁場中轉動，再由弗萊明右手法則，應該有電壓產生，稱之為反電動勢，外部所施加的電壓克服反電動勢，線圈中就有電流流過[7]。2.4.3直流電機驅動中使用最廣泛的就是H型全橋驅動電路，如圖2-5所示。圖2-5H型全橋驅動電路當開關Q1與Q4閉合時，負載電流從電源由A流向B，此時負載端A點相對于B點是正電位，電機兩端承受正向電壓。開關Q1與Q4由控制邏輯來同步工作，在開關Q1與Q4閉合期間，控制邏輯使另一對開關Q2與Q3處于斷開狀態(tài)。反之，當開關Q2與Q3閉合時，開關Q1與Q4斷開，此時，負載電流從電源U由B流向A，負載端B點相對于A點是正電位，電機兩端承受反向電壓。通過調節(jié)PWM信號的占空比就可改變電機電樞兩端的平均電壓，從而控制電機的轉速或方向[8]。2.5車體結構2.5.1(1)電源部分：MCU板、紅外傳感器板、速度傳感器、舵機、四個輪子的電機；(2)電機驅動：安全、快速響應、低損耗；(3)人機交互：按鍵、撥碼開關、LED、蜂鳴器；(4)與外界機構的接口：MCU板、紅外傳感器板、速度傳感器、舵機、四個輪子的電機、電池、串口、車體安裝孔位；(5)傳感器：7+1個反射式傳感器，主要由S7136組成。2.5.2表2-6結構需求分析設計要求考慮因素總重1000g以內轉向、加速度總寬190mm左右轉向總長480mm左右轉向高度盡量低重心車輪設計方案要能保證車輪無偏擺穩(wěn)定性、加速度齒輪嚙合應做好選擇合適的模數(shù)和減速比在結構上考慮強度及剛度問題選擇合適的材料結構需求分析如上表2-6所示。成品性能分析：（1）能夠正常跑完賽道全程。（2）最大速度>=2m/s。（3）有較強的走直線能力。（4）轉彎靈活，反應迅速。（5）能夠適應一定程度的坡度，探測部分爬坡不受影響。底盤設計：底盤是整個賽車的承載基體，支承著舵機、電機、電池組、電路板等組件。車架的設計主要有以下幾個方面：車體幾何尺寸，包括軸距、輪距、傳感器前伸量等；車體結構，包括舵機安裝，驅勱電機安裝，傳感器安裝等；重心。軸距:就是汽車前軸中心到后軸中心的距離。汽車的軸距短，賽車長度就短，最小轉彎半徑和縱向通過半徑也小，賽車的機動性就好。但如果軸距過短，則后懸(車輛最后輪軸線與賽車最后端的距離)也會過長，就會造成行駛時縱向擺動大及制動、加速或上坡時質量轉移大，其操縱性和穩(wěn)定性就會變壞。如果軸距過長，就會使得車身長度增加，過彎、換道性能就會大打折扣。輪距：是前或后兩輪中心間距。輪距受車體結構的制約。輪距大，車體的穩(wěn)定性會得到提高，相同情況下側翻的概率會變小。不過大輪距使車輪外側距跑道邊沿的距離就會變小，對巡線的要求就會變高。此外，大輪距舵機對轉向的控制相對于差速對轉向的控制的權值就會減小，小輪距舵機對轉向的控制相對于差速對轉向的控制的權值就會加大。傳感器前伸量：是指傳感器至前輪中心的沿車長方向的距離。傳感器前伸量和車長有一定的關系，一般在1：1.2左右。對于舵機車，轉彎時根據(jù)轉彎半徑大小由不同的傳感器貼合賽道，故傳感器前伸量與車長和傳感器間距都有關系。前輪定位對于保證賽車車輪與地面的良好接觸非常重要。前輪定位的主要目的是使車輪在路面上做純滾動而無側滑。正確的前輪定位能為我們帶來良好的方向穩(wěn)定性，輕便的轉向，良好的輪胎觸地性以及少量的電池支出。重心：車的軸距WB是前車軸和后車軸之間的距離。F表示重心到前車軸的距離，B表示重心到后車軸的距離。則有分布在前車軸的重量=車重*（B/WB）（2-1）分布在后車軸的重量=車重*（F/WB）（2-2）如果重心的位置靠后的話，車會有更多的后輪抓地力。如果重心位置靠前的話，將帶給車更大的轉向力。賽車在較陡側坡行駛戒高速急轉彎時，會發(fā)生側向傾覆，為避免這種危險，重心應在保證最小離地間隙的前提下盡量降低。相對而言，賽車的底盤質量都較大，這樣可以降低賽車的重心，增加賽車行駛時的穩(wěn)度。四驅賽車重心盡量在離后軸1/3軸距處。底盤、電池及電路板：這些是賽車的主體，也是賽車重量組成的重頭，對他們進行合理的布局能有效提高賽車的綜合性能[9]。2.5.3全程賽道由直道、彎道、直角彎道（90°的左右彎道）、S字彎賽道設計道（內徑≥450mm）變線區(qū)域以及傾斜角在７°以內的斜坡組合而成。如圖2-7所示。圖2-7賽道模型3系統(tǒng)軟件設計控制系統(tǒng)中的軟件需要完成系統(tǒng)初始化以及控制過程的實現(xiàn)等功能，是一個控制系統(tǒng)的核心部分，軟件設計的好壞直接影響到系統(tǒng)的性能。單片機系統(tǒng)需要接收路徑識別電路的信號及車速傳感器的信號，并采用某種路徑搜索算法進行尋線判斷，進而控制轉向伺服電機和直流驅動電機的工作。這些功能的實現(xiàn)都是通過軟件實現(xiàn)的算法設計主要包括數(shù)學建模、方向控制算法和速度控制算法。核心控制部分分為直道彎道處理、直角彎換道識別與處理、坡道處理、過渡過程處理、穩(wěn)定性調試、角度與速度調試等。相應的主程序流程如圖3-1所示[10]。圖3-1主程序流程圖3.1智能車的數(shù)學模型及其控制算法的實現(xiàn)目標智能車傳感器采用一字形布置，這種布置形式使輸入信號簡單明確，抗干擾信號能力強，但是由于硬件條件的限制，智能車只能看到腳下的道路。我們對智能車進行數(shù)學建模時并不需要過多的計算，將智能車與現(xiàn)實世界結合起來，通過傳感器的信息采集我們就可以知道，智能車告訴我們的不是其處于彎道還是直道，是左轉還是右轉，將要走直線還是轉彎，而是說明的智能車當前的位置與白線的關系，所以我們可以建立一個以原點對稱的坐標軸來描述智能車的數(shù)學模型，如圖3-2所示。圖3-2智能車的數(shù)學模型坐標軸模型根據(jù)數(shù)學模型的原理可以看出，控制算法的實現(xiàn)目標就是將白線保持在坐標軸中央，即水平位移為0，如果白線在坐標軸的正半軸就控制智能車左轉，水平偏移量大那么轉向程度就大，反之亦然。3.2方向計算算法智能車采用的8個紅外傳感器能夠很好的檢測到地面白線的信息，同時充分利用了片上8路A/D轉換器的資源。智能車上8個紅外傳感器能夠檢測到8個精確的位置，加上相鄰兩個傳感器同時檢測到白線和沒有傳感器檢測到白線的情況，一共有16種檢測狀態(tài)，這樣就可以將智能車的水平偏移量求出來了。將每種檢測狀態(tài)下白線距智能車中心線的水平偏移量e標定出來作為智能車的控制參數(shù)。針對不同檢測狀態(tài)輸出不同智能車的舵機控制量以及目標車速，從而實現(xiàn)智能車尋跡行駛。針對賽道的不同，小車在行進過程中通過路面識別得到的信息，要能較好并且穩(wěn)定進行直道彎道、直角彎、換道坡道的處理。3.2.1彎道處理比賽彎道分為R450和R600兩種，兩種不同的彎道上運行是不一樣的，由于曲率半徑的不同導致差速不同和循線角度的不同。處理時用到了8個數(shù)字傳感器，假設初始狀態(tài)為00000000。在非特殊賽道時，當出現(xiàn)00000010、00000111、00000011、00000001等則認為進入了右彎道，左彎道與之對稱。彎道時當出現(xiàn)000x1x00（x為0或1）時，則回歸直道。3.2.2換道處理當傳感器檢測到換道標志時，控制芯片對其轉向（左轉右轉）做出判斷，并適當調整舵機方向和車速，保證智能車順利轉換。換道結束后，繼續(xù)調整車速和方向，以保證智能車在直道上進行加速。3.2.3車速很高時面對坡道時如不進行特殊處理，小車會沖出賽道。解決辦法：坡道檢測、適當限速。坡道檢測:自身傳感器識別和利用輔助傳感器識別。自身傳感器識別又分為模擬量識別和數(shù)字量識別。輔助傳感器識別主要有角度傳感器識別、加速度傳感器識別、超聲波測距、光電傳感器識別等。前者的優(yōu)點是充分利用資源，既可以用作循跡又可以識別坡道，不需要硬件電路，缺點是要求算法高，易誤判。后者的優(yōu)點是識別準確，缺點是浪費傳感器個數(shù)，有些傳感器需要復雜的外圍硬件電路，才能達到要求。自身傳感器模擬量識別：LED發(fā)出紅外線，照射到賽道上，利用漫反射原理，采用與發(fā)射管配對的接收管采集反射回來的紅外光線，采集得到的模擬電壓，送回單片機的AD口，由于紅外線有明顯的不同，因此可以區(qū)分出黑線與白板。利用此反射原理同樣可以分辨出上坡與下坡，車在進入上坡時，紅外線照射距離變進，當照射到白板時，AD口采集到的模擬電壓一致比在平地上大，當照射到黑線上是，AD口采集到的模擬電壓一致比在平地上小，并且會在一小段時間內保持相同的狀態(tài)，這樣就不會由于智能車在行駛時由于傳感器支架抖動而誤檢測，以此識別上坡。下坡原理相同。適當限速：在小車后部添加編碼器，在行進的過程中通過碼盤轉動，測試小車當前速度，并通過信息反饋再由運動控制芯片發(fā)出指令。3.2.4所謂過渡處理，即是在不同的賽道類型間進行特殊的處理。因為隨著小車的速度提高，調試發(fā)現(xiàn)在不同的賽道間轉換時由于小車姿態(tài)很難及時調整好，所以在賽道切換后會出現(xiàn)各種各樣的問題。過渡處理包括：左右彎道間(即s彎)的短直道過渡、直道與坡道間的過渡、直角彎換道后與直道的過渡[11]。3.3方向控制算法智能車方向控制的作用好比是駕駛員和他所控制的方向盤。在這里我們采用基于白線偏差e的開環(huán)P控制（比例控制）的算法就能很好的控制小車的轉向，且這種方法具有實時性好，傳輸速度高等優(yōu)點。所謂P控制就是輸出方向和測得的白線位置成分段比例關系。比例關系的確定依據(jù)如圖3-3所示，設θ為舵機轉角，偏移量為e，前軸到傳感器間距為b。根據(jù)幾何知識可以得出舵機轉角公式：θ＝arctan(e/b)。圖3-3方向控制的實現(xiàn)在前面介紹的基礎上我們知道，智能車“看”到的路面情況一共有16種狀態(tài)，其中每一種狀態(tài)都有一個相應舵機轉角θ值與之對應。這樣就可以在程序中創(chuàng)建出每種傳感器狀態(tài)對應的白線偏差e與舵機轉角θ之間的二維映射表，如表3-4所示。這樣單片機就可以在傳感器A/D信號解讀后查表確定舵機的轉角大小，從而可以牢牢“鉗”住白線，使車在跑直線時快速平穩(wěn)，不會搖晃。表3-4傳感器狀態(tài)對應的白線偏差e與舵機轉角θ之間的二維映射表序號傳感器狀態(tài)白線便偏差e（mm）舵機轉角θ（度）1002-20-3.43203.44005006203.47407.486011.39-20-3.410-40-7.411-60-11.312-60-11.3136011.314-40-7.415407.41600

（代表檢測到白色引導線代表檢測到黑色賽道）考慮到智能車中控制的延時性，以及簡化控制系統(tǒng)的要求。方向控制系統(tǒng)除認為第1種情況為中間狀態(tài)外，同時也認為第4、5種情況為智能車處于跑道中間的狀態(tài)，舵機不輸出轉角。這樣簡化了控制系統(tǒng)，同時減少了舵機工作狀態(tài)，很好的提高了效率。在這里介紹兩個特別點：（1）表中的第16種狀態(tài)，8個傳感器全部檢測到黑色賽道，沒有檢測到白色引導線，這說明智能車沖出跑道，為了保護智能車，系統(tǒng)中的電機驅動系統(tǒng)將自動停止對電機供電來達到制動的目的，同時舵機輸出轉角為0，智能車不轉向，從而達到保護智能車的目的。（2）直角轉彎時，直角轉彎是比賽特定的難點所在，其賽道為距彎道前500mm處有兩條寬度為20mm、間隔為30mm的垂直于賽道的白線。也就是說在直角轉彎前500mm處傳感器將經歷兩次全為0的狀態(tài)，經過這兩個狀態(tài)后智能車開始減速，這時舵機并不輸出角度，智能車保持直線行駛。當智能車檢測到直角彎時，即8個檢測器中以智能車中心線為對稱軸的一邊4個檢測器同時檢測到白線，這時舵機輸出轉角θ為90°，智能車車速進一步降低，方向和速度控制系統(tǒng)相互協(xié)同的通過直角彎[12]。3.4速度控制算法速度控制能使智能車在直道上加速行駛而在入彎時剎車減速以盡量提高行駛速度和避免因入彎速度過快而造成的沖出跑道。所以速度的即時檢測尤為重要，在車速檢測模塊中可以達到此效果，車速檢測電路如圖3-5所示。圖3-5車速檢測電路3.4.1賽道分析經分析，賽道大致分為以下三種情況，如表3-6所示。表3-6賽道情況分析序號賽道特點行駛特點要求1直線賽道穩(wěn)定性好盡量高速290度直角轉彎穩(wěn)定性一般低速入彎，轉彎過程中可提高車速3一般彎道穩(wěn)定性一般中低速保證穩(wěn)定3.4.2行駛策略要使智能車沿著白色引導線行駛，最主要的就是保證舵機有足夠的靈敏度同時速度控制要足夠穩(wěn)定，即智能車在中間狀態(tài)時，速度控制能很好的加速，短時間內使速度達到最大，在傳感器發(fā)現(xiàn)偏離中間位置時能減速調整車的位置，在調整結束后用最短的時間加速。3.4.3速度給定算法速度給定算法由賽道分析及行駛策略可以看出其大致分為以下兩類：目標車速算法：對于目標車速的選擇問題，目前還沒有比較可靠的公式，只能根據(jù)駕駛經驗確定，在直線賽道上設置其為較高車速，在彎道時應該根據(jù)轉彎半徑的大小決定車速大小，即應該隨著賽道曲率半徑的變化改變車速；彎道車速算法：由于智能車四個車輪由四個單獨的電機驅動，所以在彎道時由于四個車輪所在的位置不同而有不同的車速，計算出彎道時每個車輪的速度，對智能車實現(xiàn)精確控制有著重要的意義，這樣可以防止車輪打滑和發(fā)生跑偏這樣影響行駛穩(wěn)定性的情況發(fā)生。3.4.4速度閉環(huán)通過分析知道，智能車在一個封閉的賽道上行駛，賽道由直道和形式不同的彎道組成，智能車在彎道處必須減速行駛而在直道處應該以最高車速行駛，那么智能車的車速就會發(fā)生不斷的變化，智能車通過傳感器感應到的路面信息經過單片機處理后就能判斷出此時智能車所處的狀態(tài)，通過對賽道的分析我們知道所處的狀態(tài)不同，智能車所要求達到的車速也是不同的，這就要求智能車在判斷完狀態(tài)后檢測當前車速，看車速是否符合當前狀態(tài)，如速度值小于給定車速，則將驅動電機PWM輸入的占空比置為100%，若速度大于給定車速則將電機的PWM占空比置為0，以達到控制車速的目的。智能車在行駛中的狀態(tài)是實時變化的，這就要求速度控制系統(tǒng)也要不斷變化，變化完畢后還要進行檢查。我們把這個檢測系統(tǒng)稱為速度閉環(huán)，如圖3-7所示[13]。圖3-7速度閉環(huán)控制4智能車調試與注意事項4.1智能車的硬件調試智能車的硬件調試主要包括車的質量，車輪和賽道等。賽道材質：賽道材質的不好將直接導致小車對賽道的黑白不分或區(qū)分清晰很難識別路徑，進而對控制過程造成很大影響。另外，在小車運行之前應將賽道上的粉塵擦干凈。（2）智能車得質量：對動力性能有較大影響，應盡量輕化。（3）車輪：增加抓力，調試時，選用合適的輪胎傾斜安裝角度，并進行前輪定位，以增強智能車穩(wěn)定性[14]。4.2系統(tǒng)的軟件調試4.2.1單元調試單元調試是要進行的最低級別的調試活動，在單元調試活動中，軟件的獨立單元將在與程序的其他部分相隔離的情況下進行調試。本系統(tǒng)的軟件基本都是用結構化編程語言C語言編寫，所以單元調試對象是函數(shù)或子過程。在單元調試中還包括代碼走讀，靜態(tài)分析和動態(tài)分析。靜態(tài)分析就是對軟件的源代碼進行研讀，查找錯誤或收集度量數(shù)據(jù)，并不需要對代碼進行編譯和執(zhí)行。動態(tài)分析就是通過觀察軟件運行時的動作，來提供執(zhí)行跟蹤、時間分析以及測試覆蓋度方面的信息[15]。以PWM模塊為例，它包括PWM初始化、PWM設置、延遲等子函數(shù)。對軟件的單元就是對這些子函數(shù)及主函數(shù)的獨立調試。4.2.2系統(tǒng)的組裝調試如PWM模塊，把它的主函數(shù)和各個子函數(shù)合起來組成一個PWM模塊，并對函數(shù)和過程間接口的調試，即為組裝調試。在調試過程中要檢測PWM模塊是否能有效驅動電機。4.2.3系統(tǒng)調試系統(tǒng)調試是將已經確認的軟件、硬件、外設等其他元素結合在一起，進行智能小車系統(tǒng)的各種組裝調試，其目的是通過與系統(tǒng)的要求相比較，發(fā)現(xiàn)所建成的系統(tǒng)與要求不符或矛盾的地方，并測試整個系統(tǒng)是否能正常協(xié)調的工作[16]。4.3注意事項（1）智能車部件發(fā)熱：需要采取適當?shù)纳岽胧员Ｗo電機及其芯片組。（2）避免過度轉向：過度轉向會嚴重損傷車體機械部件和輪胎。調試過程中，在彎道行駛時需要控制車輛的轉向速度。提高穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是智能車調試的核心，在調試過程中要在保證穩(wěn)定性的前提下提高智能車的速度。（4）提高轉向舵機的反應速度：可以在電機驅動輸出端并接一個大電容以提高驅動力。加大舵機的工作電壓，以增加舵機抗負載能力。（5）算法設計：調試中，為了適應各種各樣的賽道，簡單、可靠的控制方法往往比復雜的控制方法更能取得好的效果[17]。結論本文設計并實現(xiàn)了一種基于瑞薩H8/3048F-ONE單片機為核心的智能車，智能車通過8個紅外傳感器接收賽道信息，通過A/D轉換器將信息傳給主控制模塊，若賽道信息有變化，主控模塊根據(jù)當前智能車所處的狀況運用方向控制算法和速度控制算法分別對智能車方向和速度進行分析，通過改變舵機和電機PWM占空比的方法來改變智能車的方向和速度。同時智能車還采用一個編碼盤和紅外接收器的方式在智能車后軸部分進行測速，通過控制芯片對智能車車速進行控制，車速檢測設備是紅外傳感器的補充，兩者聯(lián)合起到達到控制車速的目的。實踐證明，開始啟動時，能夠快速穩(wěn)定的尋白線行駛，且速度響應時間快，穩(wěn)態(tài)誤差小，抗干擾能力強，最高車速可以達到1.5M/S左右。當紅外傳感器檢測到彎道、變道、坡道等路徑識別標志時，在智能車前排的LED燈將會出現(xiàn)明顯變化，此時能夠在運動控制芯片的控制下，進行速度和方向的調整，明顯看到智能車進行減速和角度的調整。當過渡過程結束后，智能車進入直道，又進行速度的調整，以盡量提高行駛速度。在不移動預定路徑的前提條件下能夠快速穩(wěn)定地從起點到終點的運動控制。致謝經過幾個月的時間，我終于完成了畢業(yè)設計和論文的撰寫。在這里，我首先要由衷地感謝我的指導老師陳強老師。從畢業(yè)設計的設定、資料的收集、到設計調試再到論文的撰寫和最終的修改，都是在陳老師的精心指導下完成的。我此次的畢業(yè)設計的內容是自循跡輪式移動機器人的控制系統(tǒng)設計，開始時對于如何設計毫無思路，因為我對于機器人并不是特別了解，尤其是對其進行智能控制，更不要說是設計了。陳老師建議我仔細閱讀瑞薩超級MCU模型大賽比賽細則、觀看比賽視頻及查看相關的資料，并且給我介紹認識以往參加機器人大賽的同學，在交流和學習中，讓我對課題有了清楚地認識。正是在陳老師耐心的指導幫助下，我的畢業(yè)設計任務才得以順利完成。

其次呢，還要感謝自動化系所有授課老師以四年來給予我的教誨。在此向我親愛的老師們、幫助過我的朋友、同學們致以誠摯的謝意。

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