基于KEA128單片機(jī)的越野智能小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

題目：基于KEA128單片機(jī)的越野智能小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要本文主要介紹了越野小車控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路和軟件編程的設(shè)計(jì)過程。整個設(shè)計(jì)以微控制芯片S9KEA128為主控芯片，對車模機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造調(diào)整和各個模塊部分的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并以AR

EmbeddedWorkbench作為系統(tǒng)的開發(fā)平臺，來編寫程序和控制算法的優(yōu)化。智能小車的電磁循跡是以安裝在車體前瞻上的電感配合電磁檢測模塊來實(shí)現(xiàn)的，用編碼器來檢測速度信息完成對智能小車的閉環(huán)控制，結(jié)合程序控制舵機(jī)轉(zhuǎn)角進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小車的方向控制，將采集到的道路電磁信息和編碼器的速度信號反饋給單片機(jī)，通過程序算法的分析處理實(shí)現(xiàn)小車的速度控制，最終在實(shí)際調(diào)試中確定了其他各項(xiàng)控制參數(shù)。通過以上方式，本設(shè)計(jì)利用單電機(jī)、單舵機(jī)、采用差速器四輪驅(qū)動方式構(gòu)建越野車，解決了如下問題：第一，在車體較大，拐彎半徑較大的情況下通過直角彎；第二，采用標(biāo)志位的方法通過六邊形環(huán)；第三，利用紅外傳感器或超聲波傳感器通過路障；第四，適應(yīng)不同道路的復(fù)雜路況，如顛簸、砂石等路面。關(guān)鍵詞：智能小車越野電磁循跡閉環(huán)PID算法AbstractThisarticlemainlyintroducesthedesignprocessofthemechanicalstructure,circuitandsoftwareprogrammingoftheoff-roadcarcontrolsystem.Theentiredesigntakesthemicro-controlchipS9KEA128asthemaincontrolchip,studiesthetransformationandadjustmentofthecarmodelmechanicalstructureandthecircuitdesignofeachmodulepart,andusesAREmbeddedWorkbenchasthesystemdevelopmentplatformtowriteprogramsandoptimizecontrolalgorithms.Theelectromagnetictrackingofthesmartcarisrealizedbytheinductanceinstalledonthecarbodyandtheelectromagneticdetectionmodule.Theencoderisusedtodetectthespeedinformationtocompletetheclosed-loopcontrolofthesmartcar.Control,feedbackthecollectedroadelectromagneticinformationandthespeedsignaloftheencodertothesingle-chipmicrocomputer,realizethespeedcontrolofthecarthroughtheanalysisandprocessingoftheprogramalgorithm,andfinallydetermineothercontrolparametersinactualdebugging.Intheaboveway,thisdesignusesasinglemotor,asingleservo,andadifferentialfour-wheeldrivetobuildanoff-roadvehicle,whichsolvesthefollowingproblems:First,whenthecarbodyislargeandtheturningradiusislarge,itpassesthrougharightangle;Second,thewayofpassingthroughthehexagonalringusingthesignposition;Third,theuseofinfraredsensorsorultrasonicsensorstopassthroughtheroadblock;Fourth,adapttothecomplexroadconditionsofdifferentroads,suchasbumps,sandandotherpavements.Keywords:smartcar,off-road,electromagnetictracking,closedloop,PIDalgorithm目錄前言 -25-基于KEA128單片機(jī)的越野智能小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)前言智能汽車技術(shù)是近幾年在電子信息技術(shù)和其他高新技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是一種車體自己尋找前進(jìn)路徑、規(guī)避障礙、起到輔助駕駛的新興技術(shù)，最終可以運(yùn)用到自動駕駛的領(lǐng)域。智能車輛系統(tǒng)作為典型的高新技術(shù)的綜合體，它涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、各類傳感器、通信融合、視覺導(dǎo)航和自動控制等人工智能應(yīng)用方面的技術(shù),通過檢測、傳導(dǎo)并分析道路信息來做出相應(yīng)的控制決策。此次智能小車的設(shè)計(jì)包含了自動控制、嵌入式基本原理等幾門我在本科階段學(xué)習(xí)過的課程，再將這些書本知識穿插應(yīng)用于同一個載體上時，使得學(xué)過的知識不只是停留在紙上談兵的階段，與實(shí)踐相結(jié)合也增強(qiáng)了我的綜合能力。本文的主要內(nèi)容和設(shè)計(jì)的基本要求本文的正文結(jié)構(gòu)主要分為原理說明、電路設(shè)計(jì)、硬件機(jī)械的介紹和軟件程序的編寫四部分，第一章主要就小車循跡、路徑識別的原理進(jìn)行了論述，順便籠統(tǒng)的介紹了方向、速度控制的出發(fā)點(diǎn)。第二章則主要側(cè)重整個設(shè)計(jì)所有的電路部分進(jìn)行討論，各個必要模塊從設(shè)計(jì)電路到焊接PCB板都進(jìn)行了詳細(xì)分析。第三章對車體硬件設(shè)施的改進(jìn)和調(diào)整做出了方案，使得車體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固。第四章詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)中的軟件編程部分，對比說明了PID算法,引出了我采用的方向、速度控制的算法程序，最終概括了結(jié)論。而本次設(shè)計(jì)的智能越野小車，在計(jì)劃方案中要實(shí)現(xiàn)以下要求：電路部分的設(shè)計(jì)和軟件部分程序的編寫需要自行設(shè)計(jì)并完成；車模的硬件方面包括電路板的焊接、機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整等都需要自行搭建；最終設(shè)計(jì)完成后小車要實(shí)現(xiàn)的功能為：（1）能夠在開啟主控電源后自啟動；（2）能夠檢測到停車線并在規(guī)定的停車區(qū)域內(nèi)（50cm內(nèi)）完成自主停車；（3）完成閉環(huán)控制，如自主控制合理的轉(zhuǎn)向和速度（4）能夠自主避開路障（完成檢測出道路障礙物）。1.檢測及控制原理1.1路徑的識別在小車行駛道路的中心線上鋪設(shè)一條漆包線，首尾兩端連接至信號發(fā)生器，于是在回路內(nèi)就通有一定大小和頻率的交流電，根據(jù)電生磁原理，在漆包線通電后周圍會產(chǎn)生相應(yīng)的交變磁場。1.1.1導(dǎo)線周圍的電磁場由上學(xué)期對電磁場與電磁波這門課程的學(xué)習(xí)，我了解到“交變磁場是通以交變電流產(chǎn)生的磁場，且磁場的大小和方向也將跟隨時間按照一定的規(guī)律變化”張發(fā)云,羅玉峰,李云明等.磁場應(yīng)用在硅晶體生長過程中的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2013(13):18-22.智能小車的行駛的道路，是利用通有頻率大小為交流電流的漆包線作為路徑導(dǎo)航。由畢奧·薩伐爾定律可得：穩(wěn)定的電流沿閉合且長度為的導(dǎo)線連續(xù)流過，會有感應(yīng)磁場在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生，如圖1.1所示，點(diǎn)P為距離導(dǎo)線處的一個空間點(diǎn)，P點(diǎn)的磁場強(qiáng)度B為：張發(fā)云,羅玉峰,李云明等.磁場應(yīng)用在硅晶體生長過程中的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2013(13):18-22.圖1.1直線電流的磁場(1-1)對（1-1）式進(jìn)行推導(dǎo)：(1-2)對于無限長直電流導(dǎo)線來說，上式中，，則有(1-3)感應(yīng)磁場在導(dǎo)線周圍的分布情況如圖1.2所示，而且磁場強(qiáng)度在以導(dǎo)線為軸心、與導(dǎo)線距離相等的圓周上時大小相等，并隨著半徑（與導(dǎo)線的距離）的增大而降低。圖1.2通電導(dǎo)線周圍的磁場強(qiáng)度1.1.2磁場檢測方法電磁感應(yīng)線圈（工字型電感）具有體積小、成本低、操作過程簡單等特點(diǎn)，并且能讓小車較快的完成導(dǎo)線磁場的檢測，方案性價比較高。所以在本次設(shè)計(jì)中選用了這種最實(shí)用的方法，漆包線產(chǎn)生的感應(yīng)磁場在道路上的具體情況如圖1.3所示。本次設(shè)計(jì)中我車體前瞻上安裝兩對垂直導(dǎo)線的工字型電感和兩個平行導(dǎo)線的工字型電感，垂直于導(dǎo)線的電感在直道時因?yàn)榍懈畹礁袘?yīng)磁場的磁感線，所以被用于檢測小車在直道時的磁場變化情況，但在彎道時垂直電感與磁場線的夾角變小，檢測會變得不靈敏，這時就需要平行于導(dǎo)線的電感來檢測磁場、指示小車的方向。垂直、水平電感互相配合、相輔相成，共同檢測出小車在直道、彎道等各種道路情況時感應(yīng)磁場在大小和方向上的變化。圖1.3導(dǎo)線周圍的感應(yīng)電磁場“交變磁場是通以交變電流產(chǎn)生的磁場，且磁場的大小和方向也將跟隨時間按照一定的規(guī)律變化?！睆埌l(fā)云,羅玉峰,李云明等.磁場應(yīng)用在硅晶體生長過程中的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2013(13):18-22.因?yàn)閷?dǎo)體在磁場里做切割磁感線的運(yùn)動時，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流和感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢的大小與線圈的匝數(shù)和線圈橫截面積有關(guān)，其關(guān)系有：張發(fā)云,羅玉峰,李云明等.磁場應(yīng)用在硅晶體生長過程中的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2013(13):18-22.(1-4)式中A為一圈的磁通量、N為線圈匝數(shù)、S為線圈橫截面積。在此次設(shè)計(jì)中，由于漆包線中流過的電流為100mA，20KHZ,頻率較小且電感線圈體積小，為了方便計(jì)算我們可以將導(dǎo)線周圍的感應(yīng)磁場看成一個勻強(qiáng)磁場。如圖1.3所示的的分布情況，可算出感應(yīng)電動勢的值約為：(1-5)由(1-5)式可知：電感線圈中感應(yīng)電動勢的大小受電感與導(dǎo)線的距離（高度）和交變電流的變化的影響，除此之外其他影響感應(yīng)電動勢大小的物理量被共同定義為常量K，具體的感應(yīng)電動勢的大小需要通過對不同電感、不同的擺放方式的實(shí)際調(diào)試測量來確定對常量帶來的影響。為了便捷的得到測量數(shù)據(jù)，我先采用了在小車前瞻上安裝兩個水平電感的簡易方案，這兩個電感與通電導(dǎo)線相互垂直，與平面距離為，位于前瞻的左右兩端并且關(guān)于通電導(dǎo)線對稱，如圖1.4所示：圖1.4雙水平線圈檢測方案我們將道路看作成一個平面，在該平面上建立如下的坐標(biāo)系:將垂直于通電直導(dǎo)線的水平方向設(shè)為x軸，將垂直于通電直導(dǎo)線的豎直方向設(shè)為y軸，將小車沿著道路前進(jìn)的方向設(shè)為z軸。位于前瞻左右兩端的電感之間相距為L，電感距離道路的高度為h，如圖1.5所示。由于小車是沿著z軸行駛的，所以z軸方向的感應(yīng)磁場強(qiáng)度對整個電磁檢測的影響可以忽略不計(jì)，用水平和垂直的坐標(biāo)(x，y)來計(jì)算即可，此時我們設(shè)左邊電感的坐標(biāo)為(x,h,z),則右邊的電感的坐標(biāo)即為(x-L,h，z)。又因?yàn)殡姼蟹胖梦恢檬瞧叫杏谕妼?dǎo)線的，所以感應(yīng)電動勢也能表示導(dǎo)線兩側(cè)水平方向的磁場分量。我采用兩側(cè)電感的感應(yīng)電動勢之差來確定是否偏離道路中心，所以當(dāng)兩個電感線圈連線的中心點(diǎn)恰好位于道路中央，也就是左側(cè)線圈和右側(cè)線圈之間的感應(yīng)電動勢差值為0時，此時小車就處在道路正中央，如果方向有偏離電勢差就會不為0，在程序判斷電勢差是否為0，來決定小車方向是否需要回正，從而保證小車始終跟隨道路中心線行駛。圖1.5建立道路坐標(biāo)系1.1.3傳感器的安裝小車通過電磁檢測來確定電磁中心線（通電漆包線）的位置是電磁檢測模塊可以正常使用的前提，同時傳感器安裝的位置又影響采集道路信息的多少，運(yùn)用布局合理的安裝位置，有助于提高小車采集、分析、處理道路信息的能力。如圖1.6所示，我在小車前瞻的橫梁上安裝了四個水平電感和兩個垂直電感，6個電感分為3組，每組關(guān)于橫梁中心線對稱，可以適當(dāng)增加支架的前瞻，來提高電磁檢測的精度、減少小車行駛途中的誤判，進(jìn)而改善小車識別信息的準(zhǔn)確性。此外，它還有助于后續(xù)的軟件編程。圖1.6電感的安裝位置1.2車體方向控制對小車方向的控制是為保證小車在彎道時安全行駛，利用電磁檢測模塊檢測小車前進(jìn)方向與通電漆包線的偏差來控制轉(zhuǎn)向角。根據(jù)車身檢測到的通電漆包線偏差的電位差，由小車的方向控制程序計(jì)算出舵機(jī)打角的角度，車體的轉(zhuǎn)向情況由轉(zhuǎn)向器（舵機(jī)）轉(zhuǎn)向角的多少控制，在行駛途中逐漸計(jì)算轉(zhuǎn)向角的大小最終消除車體與通電漆包線的偏差，使小車方向回正。1.3車體速度控制為確保小車在整個道路上安全行駛，我考慮使用兩種方法互相配合來控制小車行駛時的速度。第一：我為小車安裝了一個編碼器來檢測速度，通過編碼器計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后傳輸信號至單片機(jī)中，結(jié)合電磁檢測模塊采集的道路信息判斷是否需要加速/減速；第二，為防止小車通過編碼器自主調(diào)節(jié)速度的方法在一些復(fù)雜路況下反應(yīng)不夠靈敏的問題，我又對一些有特征的道路情況設(shè)立了標(biāo)志位，如直角彎道，環(huán)道等等，因?yàn)橛龅竭@些情況時電磁檢測模塊感應(yīng)到的電動勢是有規(guī)律的，所以利用這一點(diǎn)在程序中寫入相應(yīng)的檢測值，當(dāng)小車檢測到某一標(biāo)志位時，可以通過中斷來加速/減速。2．電路設(shè)計(jì)2.1整體電路的設(shè)計(jì)智能小車電子電路的設(shè)計(jì)是完成設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)，我主要對電磁檢測的放大模塊、電機(jī)的驅(qū)動模塊以及s9kea128核心板的主控電路板進(jìn)行了設(shè)計(jì)，整個車體控制電路的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。MCUMCU信號采集編碼器霍爾元件舵機(jī)顯示屏與按鍵電機(jī)驅(qū)動圖2.1電路整體結(jié)構(gòu)圖2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)選擇恩智浦公司生產(chǎn)的S9KEAZ128AMLK，它基于ARMCortex-M4RISC架構(gòu),內(nèi)核工作頻率最高可達(dá)48MHz，該單片機(jī)集成了128kB內(nèi)部閃存,16kB內(nèi)部RAM,一個12位SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器,MSCAN模塊(MSCAN)和71個通用I/O引腳，此外還帶有例如UART模塊、SPI模塊、I2C模塊等通信接口，擁有PWM模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、定時器模塊、串行接口等外接模塊，很適合用于本次設(shè)計(jì)的小車主控芯片，單片機(jī)核心板電路如圖2.2所示。圖2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)2.3電磁檢測模塊如果說主控芯片的控制模塊是智能車的“大腦”的話，那么電磁檢測模塊就是它的“眼睛”。要想實(shí)現(xiàn)小車穩(wěn)定運(yùn)行，準(zhǔn)確、靈敏而且穩(wěn)定的電磁檢測模塊是基礎(chǔ)。因?yàn)榈缆分虚g是通有頻率為、大小為電流的漆包線（直徑0.1mm），所以通電導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生感應(yīng)磁場，會有電磁信號的存在。那么，如何采集電磁波信號并經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)傳回芯片，進(jìn)行后續(xù)分析，成為設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的前提。2.3.1電磁放大為減小人工誤差，提高電路的魯棒性、穩(wěn)定性，我采用集成運(yùn)放來優(yōu)化設(shè)計(jì)電路。通過實(shí)驗(yàn)比較，我們決定采用性價比較高的運(yùn)放LM358，引腳圖如圖2.3所示.圖2.3LM358引腳運(yùn)放LM358的1腳是輸出端，2、3腳是反相、同相輸入端，4腳接地，5、6腳是同相、反相輸入端，7腳是輸出端，8腳是電源VCC。其中1、2、3腳是一個運(yùn)放通道，5、6、7腳為另一運(yùn)放通道，LM358常見用法如圖2.4所示。圖2.4LM358原理圖每一路電感連接一組運(yùn)放，6路放大器共同組成整個放大模塊，下圖中電位器R15阻值的大小將決定電路的放大倍數(shù)，可以在OLED屏上實(shí)時觀測增益效果，增益過大或不足時通過螺絲刀調(diào)節(jié)每個電位器的阻值以獲得合適的增益，最終將6路放大器的放大倍數(shù)調(diào)節(jié)至一致。電磁放大模塊的原理圖和PCB仿真電路圖如圖2.5和2.6所示。圖2.5LM358電磁放大檢波電路圖2.6電磁放大模塊的PCB仿真電路圖2.4電機(jī)驅(qū)動模塊我選用四片IRLR7843MOS管搭載相應(yīng)的外部電路來作為小車的驅(qū)動模塊。具體電路如圖2.7和2.8所示。圖2.7電機(jī)驅(qū)動模塊電路圖圖2.8電機(jī)驅(qū)動模塊PCB板電路圖2.5電源電壓轉(zhuǎn)換模塊電源作為整個車體的動力系統(tǒng)給各個模塊和組成部分供電，決定著小車是否能順利、穩(wěn)定工作。上文介紹過的KEA128主控芯片、運(yùn)算放大器、速編碼器等元器件的額定電壓為5V，SD-5舵機(jī)的工作電壓為6V,而給小車供電的電池輸出電壓為7.2V，因此，為保證電路的安全性，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)調(diào)試選擇，最終設(shè)計(jì)出了適合小車運(yùn)行的電源電壓降壓穩(wěn)壓模塊,如圖2.9和2.10所示。圖2.97.2V轉(zhuǎn)5V降壓穩(wěn)壓電路圖2.107.2V轉(zhuǎn)6V降壓穩(wěn)壓電路2.6停車檢測模塊道路的終點(diǎn)檢測則使用了霍爾元件的集成模塊，如圖2.11所示。其原理是當(dāng)霍爾元件在永磁鐵上方時，由于磁體的洛倫茲力作用在導(dǎo)體，將形成電場，當(dāng)磁通與電流變化時將引起電勢的變化，LED燈亮，同時給單片機(jī)一個低電平信號，進(jìn)入外部中斷使小車停車。圖2.11霍爾元件停車模塊3.車體機(jī)械調(diào)整3.1編碼器的安裝在原本設(shè)計(jì)方案中，計(jì)劃在小車車頭部安裝超聲波傳感器來實(shí)現(xiàn)測速。但是在實(shí)地調(diào)試過后，由于外部噪聲的影響和作為超聲波反射體的參考物不好確定，，而且在小車運(yùn)行中，超聲波反射會造成延遲，導(dǎo)致車體判距誤差太大。最后放棄了這一預(yù)想方案，選用了龍邱mini512線編碼器，其具有程序案例簡單、測速較易實(shí)現(xiàn)，可直接連接電機(jī)、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，安裝如圖3.1所示。圖3.1車體編碼器安裝3.2停車檢測模塊安裝上文對停車檢測模塊原理做了說明，因此我采用了霍爾元件的集成模塊來完成小車對道路的終點(diǎn)檢測，經(jīng)過調(diào)試，最終將模塊安裝于車體尾部并可以讓小車在終點(diǎn)線后20cm內(nèi)停車，如圖3.2所示。圖3.2車體霍爾元件安裝3.3車模自帶結(jié)構(gòu)的調(diào)整主要調(diào)整車模出廠時自帶的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如加裝各個模塊時對車體的重心調(diào)整、輪胎的選擇、后輪轉(zhuǎn)向的改造、差速器的密封程度和小車避震系統(tǒng)的優(yōu)化等，整車結(jié)構(gòu)圖如圖3.3所示。圖3.3越野電磁小車俯視圖3.3.1車體重心的調(diào)整我們平時的生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們：重心越高，物體的穩(wěn)定性就會下降，車體同樣也不例外，調(diào)整重心的高低對車體與地面的附著力有重要的影響，重心的位置會影響到汽車的動力、制動、行駛穩(wěn)定性等重要特征。因此，在設(shè)計(jì)中我用增加配重和放置電池將車體重心設(shè)置在靠近驅(qū)動軸。而且因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中后輪為驅(qū)動輪，前輪為轉(zhuǎn)向輪，如果重心太靠前會導(dǎo)致前輪負(fù)載變大，與地面摩擦力增大，影響到舵機(jī)轉(zhuǎn)角甚至喪失轉(zhuǎn)向能力；重心太靠后，又會導(dǎo)致前輪轉(zhuǎn)向發(fā)飄，行駛時易發(fā)生側(cè)滑。因此，在調(diào)整車體重心時應(yīng)該在保持重心高度較低的同時，又不影響到前后輪的正常功能，最大化的優(yōu)化整個小車的穩(wěn)定。3.3.2車體抓地力的控制通過對越野輪胎和公路輪胎的更換來調(diào)整小車在不同路面情況下輪胎的抓地力。更大的摩擦力和抓地力會使得小車在越野路面上行駛時更加游刃有余，同時也能更加節(jié)省動力。3.3.3避震彈簧因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)主要應(yīng)用為越野道路，所以為了保證車體的穩(wěn)定和保護(hù)車體搭載的硬件設(shè)備，減震器是必不可少的。我選用減震器彈簧來小車行駛時不平整路面造成的抖動，尤其是遇到砂石路面、水坑、上下坡等情況時，用彈簧的彈性來緩沖車體尤為重要。實(shí)際調(diào)整過程中，為增加小車在復(fù)雜路況下行駛的穩(wěn)定性，我們可以使用螺絲刀調(diào)節(jié)彈簧的松緊旋鈕來提高越野小車的避震性。3.3.4后輪轉(zhuǎn)向的改造由于設(shè)計(jì)要求中要模擬越野路況所以設(shè)立了直角彎，但是我選用的這款車模因?yàn)檐嚿磔^長，轉(zhuǎn)彎半徑大，安裝的舵機(jī)只能控制前輪拐彎，改變方向的幅度較小，在實(shí)際測量時拐彎半徑高達(dá)80cm。為使得小車能適應(yīng)真實(shí)的越野場地，必須改動整個小車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使得完成轉(zhuǎn)向最大化。具體的改造方案如下：拆掉原本固定后輪的短桿螺絲，加裝可以讓左右后輪聯(lián)動的旋轉(zhuǎn)裝置，然后改造原本的舵機(jī)擺臂，加裝固定一個與后輪旋轉(zhuǎn)裝置相連的長連桿，最后把整個改裝系統(tǒng)固定在小車車架上，改造情況如圖3.4所示。圖3.4后輪轉(zhuǎn)向的改造3.3.5差速器本設(shè)計(jì)因?yàn)樵揭靶阅艿囊?，需要四輪?qū)動來增強(qiáng)動力性能和車輪抓地力，所以要用同一個電機(jī)驅(qū)動四個車輪。而如果將四個車輪僅僅用齒輪機(jī)械的連接到一起，那么小車在彎道行駛時或者某一車輪遇到路面的阻礙時，車輪就不能以相同的速度運(yùn)行，嚴(yán)重時會導(dǎo)致車體結(jié)構(gòu)損壞。為了能使小車四驅(qū)行駛時車輪速度保持一致，就需要加入差速器來調(diào)整前后輪、左右輪的轉(zhuǎn)速差。購買的車模自帶為滾珠式差速器，由輸入軸、輸出軸、太陽齒輪和行星齒輪等零件構(gòu)成，如圖3.5所示。電機(jī)的驅(qū)動通過輸入軸進(jìn)入差速器，當(dāng)行駛在直道時輸出軸兩側(cè)的車輪轉(zhuǎn)速相同，差速器處在平衡狀態(tài)；而在彎道或者某一車輪因?yàn)檎系K抱死時，差速器平衡狀態(tài)被打破，兩個輸出端的車輪轉(zhuǎn)速自動調(diào)整，直到恢復(fù)平衡狀態(tài)，在保證小車車速的同時大大提高了車體穩(wěn)定性。圖3.5差速器結(jié)構(gòu)示意圖4.程序編寫與調(diào)試平臺4.1程序控制的流程圖在PCB電路板焊接、線路連接、小車硬件結(jié)構(gòu)搭建都已完畢之后，需要編寫程序?qū)崿F(xiàn)小車的設(shè)計(jì)要求和各項(xiàng)功能，并在模擬道路上進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，確定所需的相關(guān)參數(shù)。程序編寫需要完成的要求有：（1）對電磁檢測模塊采集到的道路信息進(jìn)行濾波、整合，便于單片機(jī)分析處理；（2）根據(jù)道路信息的處理結(jié)果自主合理的控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向；（3）根據(jù)道路信息和速度檢測模塊反饋的信息自主合理的控制電機(jī)驅(qū)動的占空比（電機(jī)的轉(zhuǎn)速）；（4）完成在打開電源后小車的自啟動和在檢測到終點(diǎn)線后的自主制動；（5）通過在小車上安裝的OLED小屏顯示小車的實(shí)時信息，不通過上機(jī)位直接在小車上設(shè)定參數(shù)與變量。程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1程序流程圖4.2道路信息的提取為了防止環(huán)境因素引起的電感數(shù)值跳變，影響電磁檢測模塊采集的電感值，進(jìn)而對芯片的分析和處理有所不利，采取濾波的方式對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行了處理，流程圖如圖4.2所示。圖4.2AD采集流程圖我采用數(shù)值模擬檢測法來獲取不同情況下的道路信息。主控芯片將電子檢測模塊采集回來的數(shù)值按程序算法進(jìn)行計(jì)算，提取穩(wěn)定、有效的數(shù)據(jù)來判斷電磁中心線的位置。具體做法是將采集的值存入數(shù)組中對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，去掉在合理變化范圍外的電感值，用剩下數(shù)組里合適的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、推斷出此時小車與道路中心（通電漆包線）的相差位置。這種方法具有受交變電流變化影響少、數(shù)據(jù)跳變少、小車在偏離方向后調(diào)整時間少、行駛平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。小車在行駛途中，因?yàn)榈缆非闆r的不同和一些環(huán)境因素的干擾，可能會導(dǎo)致小車對道路信息產(chǎn)生誤判，這對順利完成行駛要求而言是致命的。我采用軟件編程的方式來減輕、消除這種不利影響，在算法中體現(xiàn)為如圖4.3所示的流程圖。圖4.3函數(shù)流程圖4.3速度和方向的程序算法4.3.1經(jīng)典PID控制算法在控制過程中，“PID控制之所以在生產(chǎn)過程中普遍采用，主要是由于它良好的控制性能、魯棒性好、可靠性高；控制算法簡單、使用方便、靈活等優(yōu)點(diǎn)?！崩顣缘?模糊PID控制器的設(shè)計(jì)研究[D].天津大學(xué),2005:10.其中PID分別為比例、積分和微分控制，PID控制原理框圖如圖李曉丹.模糊PID控制器的設(shè)計(jì)研究[D].天津大學(xué),2005:10.圖4.4PID控制原理框圖由上圖可以得到：（4-1）式（4-1）中，Kp、Kd、Ki分別為比例系數(shù)、微分系數(shù)和積分系數(shù)，e為設(shè)定值與實(shí)際測量值產(chǎn)生的偏差。經(jīng)過計(jì)算后的計(jì)算量u被作用于車體的各個模塊，然后重新采集數(shù)據(jù)，和之前處理過的計(jì)算量產(chǎn)生新的偏差信號，再次進(jìn)入循環(huán)，不斷采集新的數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化整個系統(tǒng)，達(dá)到周而復(fù)始良性循環(huán)。PID各個參數(shù)作用基本介紹如圖4.5所示。圖4.5PID各環(huán)節(jié)作用所以說智能小車電磁模塊的濾波取值是否合理、檢測到入環(huán)、直角彎等標(biāo)志位是否準(zhǔn)確、在直道上行駛能否穩(wěn)定，這些都將取決于比例、積分、微分這三個參數(shù)與小車的適配情況。由于道路情況和小車行駛過程中的問題難以預(yù)測，所以很難建立與整個車體相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，而且機(jī)械結(jié)構(gòu)需要經(jīng)常修改，參數(shù)變化的情況太多，造成誤差太大，很難利用公式定理來計(jì)算出PID各環(huán)節(jié)的具體參數(shù)，所以只能在模擬的道路上，利用現(xiàn)場設(shè)置的這些道路元素來逐步調(diào)試出適合小車行駛時一套合理的參數(shù)。4.3.2方向及舵機(jī)轉(zhuǎn)角的控制算法為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要滿足的要求，我在處理小車方向控制時對舵機(jī)算法使用了這樣的處理方式：先定義一個方向控制輸出，然后在過彎、入環(huán)出環(huán)等情況時調(diào)用這個方向控制輸出，給它賦相應(yīng)條件下的舵機(jī)打角值，實(shí)現(xiàn)小車在行駛時自動判斷道路情況并自主完成轉(zhuǎn)彎動作。函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：int16g_fDirectionControlOut; //方向控制輸出舵機(jī)的調(diào)用：duoji=1000-g_fDirectionControlOut;結(jié)果處理：duoji=(duoji>=1250?1250:duoji); //偏差限幅duoji=(duoji<=750?750:duoji);ftm_pwm_duty(ftm1,ftm_ch1,duoji);遇到直角彎、環(huán)道時控制方向的主要程序如圖4.6所示：圖4.6直角彎、環(huán)道時的主要程序4.3.3速度及電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制算法我在解決小車速度控制的問題時，采用了PWM信號控制電機(jī)驅(qū)動占空比的方式，對電機(jī)驅(qū)動模塊輸入不同大小的占比來直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，具體在編程中使用了這樣的方法：時對舵機(jī)算法使用了這樣的處理方式：定義一個電機(jī)的控制輸出，然后給這個電機(jī)輸出設(shè)置最大最小值和調(diào)節(jié)范圍，再過結(jié)合電機(jī)與驅(qū)動的控制設(shè)置電機(jī)的死區(qū)值，來保證車體性能的同時也不會燒壞驅(qū)動模塊或電機(jī)，函數(shù)實(shí)現(xiàn)如圖4.7所示。圖4.7電機(jī)控制程序在這里通過設(shè)置輸入電機(jī)電壓的方向來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，同時將直道，彎道分別設(shè)定不同的速度值，讓小車位于直道時，占空比最大，遇到彎道或其它標(biāo)志位時自主減速以保證車體的穩(wěn)定，如圖所示。在芯片給定驅(qū)動模塊占空比大小時，我編寫程序使得我可以通過主控板上的按鍵開關(guān)來人為的設(shè)定在直道上的最大占空比，方便后續(xù)的車體性能的調(diào)試和參數(shù)的確定，如圖4.8、圖4.9所示。圖4.8速度控制程序（1）圖4.9速度控制程序（2）4.4彎道控制策略小車在彎道行駛時，需要調(diào)試設(shè)置三個參數(shù)：過彎路徑、過彎角度、過彎速度。因?yàn)楣諒潟r平衡離心力的向心力將全部由來自地面作用在小車上的摩擦力提供，又因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)主要模擬室外的越野路面，所以過彎路徑在這里我們不予重點(diǎn)討論。而轉(zhuǎn)彎角度則決定了小車過彎的穩(wěn)定性，面對不同彎道時合理的轉(zhuǎn)彎角度可以減少小車在轉(zhuǎn)彎時的調(diào)整時間，不僅可以提高小車的行駛穩(wěn)定性，而且這種穩(wěn)定狀態(tài)也會讓小車進(jìn)入到一個最佳路徑，可以縮短時間損耗。對于過彎時的分析，應(yīng)該考慮之前路徑和角度這兩點(diǎn)對速度的影響舵機(jī)合理的轉(zhuǎn)角和入彎時必要的減速缺一不可。在查看文獻(xiàn)和學(xué)習(xí)他人的研究時，發(fā)現(xiàn)他們一般都會采取入彎減速，出彎加速的方法來減少入彎、過彎時花費(fèi)的時間，但這樣僅僅分析過彎的速度，而不考慮車頭入彎的角度和小車過彎的姿態(tài)和路徑的話，對調(diào)試車體性能會有很大的限制。所以我參考了一些實(shí)際駕車時的經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用在了本次設(shè)計(jì)中，如果在過彎的途中剎車的話，車速快了可能會導(dǎo)致車子發(fā)生側(cè)滑產(chǎn)生危險(xiǎn)。另外，為了達(dá)到過彎時速度不至于減至很低的效果，在一般中間無來隔離帶并且對面視野良自好的公路上，如果對面無來車，你可以選擇從內(nèi)道入彎，然后從外道出彎，這樣能夠最大限度地減小過彎角度，從而達(dá)到一個合理的過彎速度，也可保證車體的安全性。在程序中設(shè)置的過彎控制為：設(shè)置不同的彎道標(biāo)志位，入彎前檢測到標(biāo)志位就開始減速，使小車有足夠的距離來調(diào)整路徑和恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)彎角度；入彎到彎道內(nèi)是可以適當(dāng)加速，并保持舵機(jī)轉(zhuǎn)角不變；出彎時，先要準(zhǔn)確判斷出彎的標(biāo)志位，然后根據(jù)電感檢測值確定是否要加速，這樣檢測多個標(biāo)志位雖然有一部分額外耗時，但是可以保證小車在過彎時行駛的穩(wěn)定，而且彎道內(nèi)的合理加速，對小車在出彎后在直道的加速也有動力保證。4.5軟件開發(fā)平臺因?yàn)榫帉懗绦蛐枰С治疫x用的KEA128芯片的內(nèi)核平臺，所以軟件開發(fā)我采用了IAREmbeddedWorkbench的集成開發(fā)環(huán)境，來完成對智能小車程序的編寫、修改bug和線上調(diào)試，在程序最終無誤后生成可執(zhí)行程序（.exe文件）并下載至小車主控芯片中。其界面如圖4.9所示：圖4.10開發(fā)平臺界面該開發(fā)環(huán)境界面簡潔、調(diào)試方便，而且可支持的微處理器庫非常全面，