華北賽區(qū)北京化工大學(xué)電磁組電磁一組技術(shù)報(bào)告

1、引言第九屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽技 術(shù) 報(bào) 告學(xué) 校：北京化工大學(xué)隊(duì)伍名稱：北京化工大學(xué)電磁一組參賽隊(duì)員：汪善武 劉雯華 陳耀園帶隊(duì)教師：程杰 郭青- 1 -關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解第九屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)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(kāi)參賽作品的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車(chē)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： 引言本文設(shè)計(jì)的智能車(chē)系統(tǒng)以MK60N512VLQ10 微控制器為

2、核心控制單元，以安裝在車(chē)體前的工字電感作為循跡傳感器，采用干簧管檢測(cè)起跑線，通過(guò)光電編碼器檢測(cè)模型車(chē)的實(shí)時(shí)速度，使用PID 控制算法調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向舵機(jī)的角度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型車(chē)運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的閉環(huán)控制。本文中，我們小組通過(guò)對(duì)小車(chē)設(shè)計(jì)制作整體思路、電路、算法、調(diào)試、車(chē)輛參數(shù)的介紹，詳盡地闡述了我們的思想和創(chuàng)意，具體表現(xiàn)在電路的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以及算法方面的獨(dú)特想法，而對(duì)單片機(jī)具體參數(shù)的調(diào)試也讓我們付出了艱辛的勞動(dòng)。這份報(bào)告凝聚著我們的心血和智慧，是我們共同努力后的成果。在準(zhǔn)備比賽的過(guò)程中，我們小組成員涉獵 控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽車(chē)電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科，這次磨練對(duì)我們的知識(shí)

3、融合和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)有極大的推動(dòng)作用，在此感謝北京大學(xué)大學(xué)相關(guān)學(xué)院對(duì)此次比賽的關(guān)注，我們的成果離不開(kāi)學(xué)校的大力支持及指導(dǎo)老師悉心的教導(dǎo)；還要感謝的是和我們一起協(xié)作的隊(duì)員們，協(xié)助，互促，共勉使我們能夠走到今天。關(guān)鍵字：MK60N512VLQ10 電感 干簧管 PID 舵機(jī) 歐姆龍編碼器目錄目錄引言- 1 -目錄- 2 -第一章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 5 -1.1整車(chē)設(shè)計(jì)- 5 -1.2整車(chē)布局- 6 -第二章 系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)- 7 -2.1智能車(chē)前輪定位的調(diào)整- 7 -2.2舵機(jī)安裝結(jié)構(gòu)的調(diào)整- 8 -2.3電感支架的安裝- 9 -2.4 輪胎的處理- 9 -2.5 測(cè)速裝置的安裝- 10 -2.

4、6 智能車(chē)重心位置的調(diào)整- 10 -第三章 電路設(shè)計(jì)說(shuō)明- 11 -3.1 主控板和驅(qū)動(dòng)板的硬件設(shè)計(jì)- 11 -3.1.1 電源管理模塊- 11 -3.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊- 12 -3.1.3 電感信號(hào)放大模塊- 13 -3.1.4 單片機(jī)及其他電路部分設(shè)計(jì)- 13 -3.2 智能車(chē)傳感器模塊設(shè)計(jì)- 16 -3.2.1電感傳感器的原理- 16 -3.2.2磁傳感器信號(hào)處理電路- 16 -3.2.3磁傳感器的布局原理及改進(jìn)- 19 -3.2.4 超聲波避障模塊- 20 -第四章 智能車(chē)控制軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明- 21 -4.1底層初始化- 21 -4.2傳感器采集處理算法- 21 -4.3尋線行駛算法

5、實(shí)現(xiàn)- 21 -4.3.1定位算法- 21 -4.3.2基于位置式PID的方向控制- 22 -4.3.3基于增量式PID的速度控制- 23 -4.3彎道策略分析- 24 -4.4彎道策略實(shí)施- 26 -4.5 障礙物策略分析- 26 -第五章 開(kāi)發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過(guò)程說(shuō)明- 27 -5.1 開(kāi)發(fā)工具- 27 -5.2 調(diào)試過(guò)程- 27 -5.2.1 上位機(jī)系統(tǒng)- 27 -5.2.2 控制算法的參數(shù)整定- 29 -第六章 模型車(chē)的主要技術(shù)參數(shù)說(shuō)明- 30 -6.1 智能車(chē)外形參數(shù)- 30 -6.2 電路部分參數(shù)- 30 -6.3 傳感器個(gè)數(shù)以及種類- 30 -6.4 除了車(chē)模原有的驅(qū)動(dòng)電機(jī)

6、、舵機(jī)之外伺服電機(jī)數(shù)量- 30 -6.5賽道信息檢測(cè)精度、頻率- 30 -結(jié)論- 31 -參考文獻(xiàn)- 32 -附錄 程序源代碼IIII第一章 方案設(shè)計(jì)第一章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)本章主要簡(jiǎn)要地介紹智能車(chē)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路，在后面的章節(jié)中將整個(gè)系統(tǒng)分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制模塊、控制算法等三部分對(duì)智能車(chē)控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的介紹分析。1.1整車(chē)設(shè)計(jì)根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則相關(guān)規(guī)定，智能車(chē)系統(tǒng)采用大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供C型車(chē)模，以飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位微控制器K60作為核心控制器，在IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。賽車(chē)的位置信號(hào)由車(chē)體前方的電磁傳感器采集，經(jīng)內(nèi)部AD進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，輸入到控制核心，用于賽車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制決策。通過(guò)編碼器測(cè)

7、速模塊來(lái)檢測(cè)車(chē)速，并采用K60 的LPTMR功能進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)計(jì)算速度和路程；電機(jī)轉(zhuǎn)速控制采用 PID 控制，通過(guò) PWM 控制驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，完成智能車(chē)速度的閉環(huán)控制。此外，還增加了鍵盤(pán),撥碼開(kāi)關(guān)等作為輸入輸出設(shè)備，用于智能車(chē)的速度調(diào)整。圖1.1 電磁車(chē)整體布局1.2整車(chē)布局（1）車(chē)模底盤(pán)降低，主板低放，以降低重心。（2）舵機(jī)豎直放置，方便控制。（3）用輕便堅(jiān)固的碳纖桿作為電感支架。（4）電池靠后放置，緊挨電機(jī)，有利于重心分布。制作完成后的小車(chē)整體布局。圖1.2 電磁車(chē)整車(chē)布局第二章 智能車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化第二章 系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)在整個(gè)調(diào)試過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，車(chē)輛在高速情況對(duì)整車(chē)機(jī)械性

8、能要求很高，為了能夠使車(chē)在高速情況下更穩(wěn)定流暢地運(yùn)行，我們?cè)谇捌谘b配時(shí)，對(duì)整車(chē)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。我們盡量在規(guī)則允許的范圍內(nèi)改造車(chē)模，提高車(chē)模整體精度，使整車(chē)及機(jī)械性能進(jìn)一步提升。舵機(jī)的靈敏程度對(duì)高速運(yùn)行的車(chē)輛起著至關(guān)重要的的作用。因此，在整車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)我們進(jìn)行了多次的改進(jìn)。2.1智能車(chē)前輪定位的調(diào)整車(chē)輛在高速過(guò)彎時(shí)，轉(zhuǎn)向舵機(jī)的負(fù)載會(huì)因?yàn)檐?chē)輪轉(zhuǎn)向角度增大而增大。為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機(jī)負(fù)載對(duì)前輪的安裝角度；對(duì)前輪定位進(jìn)行了調(diào)整，使車(chē)輛直線行駛更穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向更輕便，轉(zhuǎn)向后能自動(dòng)回正，減少輪胎和轉(zhuǎn)向系零件的磨損。前輪是轉(zhuǎn)向輪，它的安裝位置由主銷內(nèi)傾、主銷后傾、前輪外傾和前輪前束等4 個(gè)參數(shù)決定，反映了轉(zhuǎn)

9、向輪、主銷和前軸等三者在車(chē)架上的位置關(guān)系。在調(diào)車(chē)調(diào)到一段時(shí)間后，我們發(fā)現(xiàn)車(chē)子由于機(jī)械損耗會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向沉重、發(fā)抖、跑偏、不正、不歸位或者輪胎單邊磨損、偏磨等不正常磨損現(xiàn)象；這時(shí)，就需要對(duì)前輪進(jìn)行重新定位。前輪定位的做的好才能保障汽車(chē)直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。對(duì)賽車(chē)的前輪轉(zhuǎn)向模塊進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，聯(lián)合轉(zhuǎn)向舵機(jī)的獲取標(biāo)定數(shù)據(jù)，并結(jié)合相應(yīng)的轉(zhuǎn)向理論進(jìn)行調(diào)整。在實(shí)際調(diào)試中，我們發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大內(nèi)傾角的確可以增大轉(zhuǎn)彎時(shí)車(chē)輪和地面的接觸面積，從而增大車(chē)了地面的摩擦程度，使車(chē)轉(zhuǎn)向更靈活，減小因摩擦不夠而引起的轉(zhuǎn)向不足的情況。圖2.1 前輪定位2.2舵機(jī)安裝結(jié)構(gòu)的調(diào)整原裝車(chē)模的舵機(jī)為臥式安裝， 采用臥式

10、安裝可以降低重心，但臥式安裝左右拉桿長(zhǎng)度不一致，這樣一來(lái)就造成了左右轉(zhuǎn)向不對(duì)稱，雖然可以通過(guò)軟件來(lái)修正，但修正起來(lái)比較麻煩，所以我們采用比較主流的立式安裝方式，我們對(duì)舵機(jī)擺桿的一系列參數(shù)分析計(jì)，舵機(jī)轉(zhuǎn)矩=舵機(jī)擺桿作用力*力矩延長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和功率是一定，要想加快轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度，唯一的辦法就是調(diào)整力矩延長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度。由于功率是速度與力矩乘積的函數(shù)，過(guò)分追求速度，必然要損失力矩，力矩太小也會(huì)造成轉(zhuǎn)向遲鈍，因此設(shè)計(jì)時(shí)就要綜合考慮轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度與舵機(jī)力矩之間的關(guān)系，通過(guò)優(yōu)化得到一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)向效果。利用實(shí)際參數(shù)經(jīng)計(jì)算，我們選擇舵機(jī)擺桿的長(zhǎng)度在28mm。同時(shí)最終的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)還應(yīng)該盡量滿足符合阿

11、克曼轉(zhuǎn)向理論，依據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何設(shè)計(jì)的車(chē)輛，沿著彎道轉(zhuǎn)彎時(shí)，利用四連桿的相等曲柄使內(nèi)側(cè)輪的轉(zhuǎn)向角比外側(cè)輪大大約24 度，使四個(gè)輪子路徑的圓心大致上交會(huì)于后軸的延長(zhǎng)線上瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心，這樣可以使車(chē)輛在過(guò)彎時(shí)轉(zhuǎn)向輪處于純滾動(dòng)狀態(tài)，減少過(guò)彎時(shí)的阻力，減小輪胎的磨損。我們?yōu)榱藴p小重量，沒(méi)采用銅柱固定舵機(jī)，而是采用做支架用的碳桿來(lái)固定舵機(jī)，這樣一來(lái)進(jìn)一步減輕了整車(chē)的質(zhì)量。圖2.2 舵機(jī)結(jié)構(gòu)圖2.3 轉(zhuǎn)向拉桿圖2.3電感支架的安裝電磁組不同于其他兩組，其主要差異在于電磁組沒(méi)有前瞻，電感只能感應(yīng)出其所在位置的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而無(wú)法像光電和攝像頭那樣看到傳感器前方0.5 米甚至2 米前的路況，所以必須把電感伸到車(chē)前

12、方一段距離。伸的越遠(yuǎn)，預(yù)知路況的能力也就越強(qiáng)，但過(guò)于長(zhǎng)就會(huì)帶來(lái)控制難度增大，支架過(guò)于沉重的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)實(shí)際試驗(yàn)，我們最終把支架做的45cm。對(duì)于25cm 的車(chē)身來(lái)說(shuō)45cm 的支架是一個(gè)不小的負(fù)擔(dān)，所以支架的固定的支架材料的選型顯得尤為重要。最終我們選用外徑5mm 內(nèi)徑3mm 空心碳桿，以及3mm 的實(shí)心碳桿做支架，選擇在桿子數(shù)量最少，支架最牢固的支架固定方式。2.4 輪胎的處理模型車(chē)采用的是橡膠輪胎，由于在制造時(shí)，輪胎中間會(huì)留有突起的輪胎線，當(dāng)輪胎放到跑道上時(shí)，突起的輪胎線會(huì)把自身兩側(cè)的區(qū)域頂起來(lái)，使接觸面接減小，所以我們把中間的輪胎線用剪指刀減去，這樣一來(lái)增大了接觸面積增大了摩擦力。車(chē)子高速

13、過(guò)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的離心力，輪胎和跑道之間的摩擦力來(lái)克服這個(gè)離心力使車(chē)子順利轉(zhuǎn)向，由于這兩個(gè)力很大，會(huì)導(dǎo)致輪胎脫轂，所以我們采用502 將輪胎和輪轂粘死，這樣一來(lái)高速過(guò)彎時(shí)輪胎就不會(huì)脫轂了。新輪胎摩擦力并不是最大的階段，對(duì)于新輪胎我們先用砂紙進(jìn)行打磨，磨去表層后，我們?cè)谧屲?chē)子在跑道上跑進(jìn)行自磨損，當(dāng)輪胎和跑道摩擦產(chǎn)生比較尖銳的吱吱響的聲音之后，此時(shí)摩擦力最好。2.5 測(cè)速裝置的安裝測(cè)速裝置在智能車(chē)系統(tǒng)中占有非常重要的地位，其要求是分辨能力強(qiáng)、精度高和檢測(cè)時(shí)間短。從精度要求來(lái)看，光電編碼器最為合適，且集成性好，抗干擾能力強(qiáng)。最終采用歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器作為系統(tǒng)的測(cè)速模塊。但該編碼器體積較大，會(huì)使車(chē)

14、重增加。 圖2.4 編碼器安裝2.6 智能車(chē)重心位置的調(diào)整為了達(dá)到較遠(yuǎn)前瞻，必須把電感架到較遠(yuǎn)的位置，會(huì)引起車(chē)重心特別靠前，后輪正壓力不足導(dǎo)致甩尾。為了使重心后移，我們嘗試了很多傳感器支架的搭建方式，使得保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下盡量減輕重量。同時(shí)，我們把主板降低，驅(qū)動(dòng)板后移，達(dá)到了預(yù)期的效果。 第五章 開(kāi)發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過(guò)程說(shuō)明第三章 電路設(shè)計(jì)說(shuō)明3.1 主控板和驅(qū)動(dòng)板的硬件設(shè)計(jì)3.1.1 電源管理模塊為滿足需要，本車(chē)模上存在3種供電電壓：1）智能車(chē)使用鎳鎘充電電池，充滿時(shí)電壓在7.88.2V，是所有模塊的供電來(lái)源，經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換后供給各個(gè)模塊使用。為防止電池反接，在鎳鎘電池正極串接IN58

15、19。2）一些芯片器件使用直流5V、直流3.3V，5V、3.3V電源選用開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓芯片LM1117-5和LM1117-3.3。為了隔離電機(jī)的干擾，LM1117的輸出端加磁珠。3）使用6V電源給舵機(jī)供電，采用直流穩(wěn)壓芯片LM2941電壓轉(zhuǎn)換，將電池7.2V轉(zhuǎn)為6V給舵機(jī)供電。該部分電路如圖3.1所示。圖3.1 電源管理模塊原理圖3.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊目前直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式主要有2種形式:線性驅(qū)動(dòng)方式和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。其中線性驅(qū)動(dòng)方式可以看成一個(gè)數(shù)控電壓源。該驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的力矩紋波很小，可應(yīng)用于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速要求非常高的場(chǎng)合；缺點(diǎn)是該方式通常比較復(fù)雜，成本較高，尤其是要提高驅(qū)動(dòng)的功率時(shí)，相

16、應(yīng)的電路成本將提升很多。最終我們采用2個(gè)半橋智能功率驅(qū)動(dòng)芯片BTS7970組合成一個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。BTS7970是應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大電流半橋集成芯片，它帶有一個(gè)P溝道的高邊MOSFET、一個(gè)N溝道的低邊MOSFET和一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC。 P溝道高邊開(kāi)關(guān)省去了電荷泵的需求，因而減少了電磁干擾(EMI)。集成的驅(qū)動(dòng)IC具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生和超溫、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流及短路保護(hù)功能。BTS7970的通態(tài)電阻典型值為16 m，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)43 A，調(diào)節(jié)SR引腳外接電阻的大小可以調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，具有防電磁干擾功能。IS引腳是電流檢測(cè)輸出引腳。INH引腳為使

17、能引腳，IN引腳用于確定哪個(gè)MOSFET導(dǎo)通。當(dāng)IN=1 且INH=1時(shí)，高邊MOSFET導(dǎo)通，輸出高電平；當(dāng)IN=0且INH=1時(shí)，低邊MOSFET導(dǎo)通，輸出低電平。該部分原理圖如圖3.2所示。圖3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)物圖如圖3.3所示。圖3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)物圖3.1.3 電感信號(hào)放大模塊由于K60的內(nèi)部AD比較精確，我們?cè)跍y(cè)試外部AD后結(jié)果顯示其結(jié)果與內(nèi)部AD相差不大，而且方差較內(nèi)部AD更大，當(dāng)然這也有可能是測(cè)試方法有問(wèn)題。內(nèi)部AD較外部AD可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，綜合考慮這下我們還是決定使用內(nèi)部AD，考慮到我們所使用的傳感器數(shù)量，需要6個(gè)電感。3.1.4 單片機(jī)及其他電

18、路部分設(shè)計(jì)核心控制單元：K60（主頻128MHz，144引腳，F(xiàn)lashRom512KB，具備SPI，SCI，IIC等常用接口），根據(jù)需要引出適量的管腳。如圖3.4所示。圖3.4 單片機(jī)PCB圖3.5 單片機(jī)引出管腳測(cè)速模塊：在電機(jī)上方架編碼器，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，然后編碼器輸出方波信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖越多，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部LPTMR模塊對(duì)其計(jì)數(shù)，作為速度的反饋值。如圖3.5所示。圖3.6 測(cè)速模塊人機(jī)交互：實(shí)驗(yàn)室的賽道電流、賽道摩擦等因素等并不和比賽的一致，所以臨場(chǎng)調(diào)整速度等參數(shù)是必要的，而選擇上，顯示和輸入設(shè)備當(dāng)然是體積越小越好，最終顯示上我們選用了體積小的OLED

19、屏,增加獨(dú)立按鍵，撥檔開(kāi)關(guān)3用于輸入?yún)?shù)，策略調(diào)整,該部分整體電路如圖3.7所示。圖3.7a 部分電路 圖3.7b OLED實(shí)物圖3.2 智能車(chē)傳感器模塊設(shè)計(jì)根據(jù)競(jìng)賽組委會(huì)的相關(guān)規(guī)定，我們選用磁傳感器，磁傳感器的應(yīng)用首先在于選型，為了找出適合的磁傳感器，我們查閱了許多的產(chǎn)品資料，進(jìn)行了大量的電感測(cè)試，發(fā)現(xiàn)只有在10mH電感中，得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線是較為規(guī)整的正弦波，頻率和賽道電源頻率一致，為20kHz，幅值較其他型號(hào)的大，且隨導(dǎo)線距離變化，規(guī)律為近大遠(yuǎn)小。其他電感得到信號(hào)不好，頻率幅值變化雜亂，不宜采用。3.2.1電感傳感器的原理根據(jù)電磁學(xué)，我們知道在導(dǎo)線中通入變化的電流（如按正弦規(guī)律變化的電流

20、），則導(dǎo)線周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)與電流的變化規(guī)律具有一致性。如果在此磁場(chǎng)中置一由線圈組成的電感，則該電感上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和通過(guò)線圈回路的磁通量的變化率成正比。由于在導(dǎo)線周?chē)煌恢?，磁感?yīng)強(qiáng)度的大小和方向不同，所以不同位置上的電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也應(yīng)該是不同。據(jù)此，則可以確定電感的大致位置。3.2.2磁傳感器信號(hào)處理電路確定使用電感作為檢測(cè)導(dǎo)線的傳感器，但是其感應(yīng)信號(hào)較微弱，且混有雜波，所以要進(jìn)行信號(hào)處理。要進(jìn)行以下三個(gè)步驟才能得到較為理想的信號(hào)：信號(hào)的濾波，信號(hào)的放大，信號(hào)的檢波。1）信號(hào)的濾波比賽選擇20kHz的交變磁場(chǎng)作為路徑導(dǎo)航信號(hào)，在頻譜上可以有效地避開(kāi)

21、周?chē)渌艌?chǎng)的干擾，因此信號(hào)放大需要進(jìn)行選頻放大，使得20kHz 的信號(hào)能夠有效的放大，并且去除其它干擾信號(hào)的影響。使用 LC并聯(lián)諧振電路來(lái)實(shí)現(xiàn)選頻電路（帶通電路），如圖3.8所示。圖3.8 LC并聯(lián)電路其中，E是感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，L是感應(yīng)線圈的電感值，R0是電感的內(nèi)阻，C 是并聯(lián)諧振電容。電路諧振頻率為： （2.1）已知感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率=20kHz，感應(yīng)線圈電感為L(zhǎng)=10mH，可以計(jì)算出諧振電容的容量為C=6.33×10-9 F 。通常在市場(chǎng)上可以購(gòu)買(mǎi)到的標(biāo)稱電容與上述容值最為接近的電容為 6.8nF，所以在實(shí)際電路中選用 6.8nF的電容作為諧振電容。2）方案的確定因?yàn)殡姼?/p>

22、感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)非常小而且是差分信號(hào)，若直接用單片機(jī)的AD 進(jìn)行采集，單片機(jī)根本采集不到，所以我們得先把電感采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大。傳感器電路中的放大電路通常有兩種方案，一種是三極管放大，一種是采用放大器放大。兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。方案一使用三極管放大電路具有電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)速度高、能很好的放大交流信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)。但是三極管放大靜態(tài)工作點(diǎn)難調(diào)、放大倍數(shù)不高、容易出現(xiàn)各種失真、溫漂等現(xiàn)象。方案二使用運(yùn)放的放大電路具有增益可調(diào)、放大線性度好、輸出紋波小等優(yōu)點(diǎn)。但是運(yùn)放一般都需要正負(fù)供電電源；運(yùn)放的輸出電壓范圍要比輸入電壓低，從而限制了信號(hào)輸入范圍；且工作參數(shù)滿足我們需求的運(yùn)放價(jià)格都比較昂貴。經(jīng)過(guò)討論比較后，我們

23、放棄了三極管，最后方案采用的NE5532作為運(yùn)放模塊，如圖4.3。雖然組委會(huì)的建議方案中提到運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速度較慢，但實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)差別不明顯。NE5532需要負(fù)電源，因此我們采用了7660S集成電源芯片將5V電源轉(zhuǎn)換得到-5V電源。如圖4.4 ：7660S -5V電源模塊電路圖。圖3.9最終方案圖3.10 7660s負(fù)電源電路圖3.11 放大檢波電路PCB圖3.12 放大檢波電路PCB板3.2.3磁傳感器的布局原理及改進(jìn)電磁車(chē)需要能夠通過(guò)自動(dòng)識(shí)別賽道中心線處由通有20kHz、100mA 交變電流的導(dǎo)線所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，進(jìn)行路徑檢測(cè)。由于賽道的各種形狀，使得磁場(chǎng)發(fā)生疊加，不同的賽道形狀形成不同的特征

24、磁場(chǎng)。磁場(chǎng)是矢量，在空間的分布為具有方向性，所以傳感器檢測(cè)到的信號(hào)也具有特定的方向性。在實(shí)際檢測(cè)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，不同方向傳感器的變化規(guī)律有很大的不同，所以一個(gè)合理的電感排布對(duì)信號(hào)的采集有著至關(guān)重要的作用。下面是我們?cè)囼?yàn)過(guò)的幾個(gè)方案。方案一采用左右對(duì)稱分布的兩個(gè)電感，采用差和的方式進(jìn)行偏差控制，這樣的控制方式我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)致命的缺點(diǎn)，當(dāng)導(dǎo)線偏離兩個(gè)電感之間區(qū)域之后解算變得很困難。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試用之后我們決定修改方案。方案二三個(gè)電感與兩個(gè)電感相比信息量增大了許多，而且處理起來(lái)也很方便，所以我們決定采用三個(gè)電感，45cm 的前瞻過(guò)急彎肯定會(huì)丟線，在有效的丟線算法不如有效實(shí)時(shí)的檢測(cè)，所以我們引入第二排，最

25、終我們采用此方案。圖3.13 電感排布檢測(cè)方案 3.2.4 超聲波避障模塊關(guān)于黑色障礙物，我們打算使用市場(chǎng)上常見(jiàn)的US-100模塊，US-100超聲波測(cè)距模塊可實(shí)現(xiàn)2cm4.5m的非接觸測(cè)距功能，擁有2.45.5V的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2mA，自帶溫度傳感器對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正，同時(shí)具有GPIO，串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門(mén)狗，工作穩(wěn)定可靠。圖3.14 超聲波模塊第四章 智能車(chē)控制軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明控制程序是人的思想在車(chē)模體現(xiàn)，程序要體系化，模塊化，穩(wěn)定化，目標(biāo)是將硬件電路和機(jī)械性能發(fā)揮到最大，讓車(chē)模用最快的速度穩(wěn)定的完成比賽。4.1底層初始化編寫(xiě)初始化函數(shù)SystemInit()，初始化用到

26、的模塊，如下（子函數(shù)略）：void SystemInit(void) gpio_init(); /IO口初始化 pwm_init(); / pwm波初始化 uart_init(); /串口初始化 adc_init(); /AD初始化 ftm_init(); /ftm初始化 LCDInit(); /LCD初始化 4.2傳感器采集處理算法編寫(xiě)采集函數(shù)get_sensor()，其功能為控制AD采集某個(gè)通道（對(duì)應(yīng)某個(gè)電感）的電壓值，然后讀出該值返回給函數(shù)。我們采取兩排6個(gè)電感的排列方式，每一排三個(gè)電感，前排的三個(gè)電感采集信號(hào)作為控制舵機(jī)使用，前排加后排作為道路判斷使用，每一排三個(gè)電感三路采集，采用低通

27、濾波，三個(gè)電感分為左中右三個(gè)位置。4.3尋線行駛算法實(shí)現(xiàn)4.3.1定位算法傳感器的尋線原理：首先在程序中設(shè)置了導(dǎo)線分別在最（左中右）三個(gè)位置時(shí)三個(gè)電感所能感應(yīng)到的電感值，然后調(diào)節(jié)傳感器采集模塊的放大倍數(shù)是其在導(dǎo)線處于最（左中右）時(shí)電感采集回來(lái)的值恰好等于所設(shè)置的值：尋線的核心思想是計(jì)算出導(dǎo)線相對(duì)于中間電感的位移量，當(dāng)某一時(shí)刻一排的三個(gè)電感采集回來(lái)左中右三個(gè)電感的電感值，根據(jù)所設(shè)置的電感值計(jì)算出導(dǎo)線處于最左或者最右或者靠近中間，通過(guò)歸一化處理把它歸一到0-300之間，0表示導(dǎo)線處于最中間，300表示最左或者最右。左右兩個(gè)電感來(lái)判斷方向，當(dāng)L>R時(shí)，導(dǎo)線相對(duì)于中間電感的位置偏左當(dāng)R>L

28、時(shí)，導(dǎo)線相對(duì)于中間電感的位置偏右這種算法在直道和普通彎道的適應(yīng)性挺強(qiáng)，但是在連續(xù)S彎道的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)R與L相差的很小，稍微受到一點(diǎn)干擾就是其方向判斷出現(xiàn)問(wèn)題。所以我們采用了權(quán)值法來(lái)處理。既是保存前一段時(shí)間R與L的值再乘以一個(gè)較小的權(quán)值再加上最新時(shí)刻的R與L值乘以較大的權(quán)值在進(jìn)行比較來(lái)判斷方向。4.3.2基于位置式PID的方向控制PD控制是工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制方法。問(wèn)世至今70多年來(lái)，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PD控制原理框圖如圖4.4： ueYRController ControllerPlant圖4.1 單位反饋的PID

29、控制原理框圖單位反饋e代表理想輸入與實(shí)際輸出的誤差，這個(gè)誤差信號(hào)被送到控制器，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，得到輸出量u。 （4.2）其中，Kp、Kd分別稱為比例系數(shù)、微分系數(shù)。u接著被送到了執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這樣就獲得了新的輸出信號(hào)，這個(gè)新的輸出信號(hào)被再次送到感應(yīng)器以發(fā)現(xiàn)新的誤差信號(hào)，這個(gè)過(guò)程就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行。數(shù)字控制系統(tǒng)中，PD控制器是通過(guò)計(jì)算機(jī)PD控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)大多數(shù)是采樣-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。進(jìn)入計(jì)算機(jī)的連續(xù)-時(shí)間信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)采樣和整量化后，變成數(shù)字量，方能進(jìn)入計(jì)算機(jī)的存貯器和寄存器，而在數(shù)字計(jì)算機(jī)中的計(jì)算和處理，不論是積分還

30、是微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。用矩形數(shù)值積分代替上式中的積分項(xiàng)，對(duì)導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用后向差分逼近，得到數(shù)字PID控制器的基本算式（位置算式）： （4.3）其中T是采樣時(shí)間，、為三個(gè)待調(diào)參數(shù)，在實(shí)際代碼實(shí)現(xiàn)算法時(shí)，處理成以下形式：PWM = Kp * error + Kd * derr_F（4.4）根據(jù)以往資料和測(cè)試，將定位算法解算出的導(dǎo)線位置當(dāng)作反饋值(Feedback)，參考值(Ref)設(shè)為0，則有：error = Ref Feedback （4.5）derr_F = error - PreError 注： PreError為上次的error （4.6）PreIntegral += error （4.

31、7）為了防止頻繁調(diào)節(jié)和意外輸出過(guò)大，設(shè)置調(diào)節(jié)死區(qū)(-LOCA_DEADLINE, LOCA_DEADLINE)。error在死區(qū)內(nèi)，不進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持上一狀態(tài)。設(shè)置調(diào)節(jié)范圍（-LOCA_MAX，LOCA_MAX），假如PWM算出結(jié)果越界，那么就賦給邊界值 LOCA_MAX。4.3.3基于增量式PID的速度控制對(duì)位置式加以變換，可以得到PID算法的另一種實(shí)現(xiàn)形式（增量式）： （4.8）在實(shí)際代碼實(shí)現(xiàn)時(shí)，處理成M_PWM += （Kp * d_error + Ki * error + Kd*dd_error) （4.9）將測(cè)速模塊得到的單位時(shí)間脈沖數(shù)給Feed_speed，Target_speed為

32、設(shè)定速度。error = Target_speed- Feed_speed （4.10）d_error = error - vi_PreError （4.11）dd_error = d_error - _PreDerror （4.12）這里設(shè)計(jì)High，Middle，Low作為設(shè)定速度值（Target_speed），分別對(duì)應(yīng)直道，彎道，最低速度（由傳感器狀態(tài)確定）。位于直道時(shí)，設(shè)定速度為最大。為提高穩(wěn)定性，也設(shè)置相應(yīng)的調(diào)節(jié)死區(qū)和調(diào)節(jié)范圍。4.3彎道策略分析在車(chē)輛進(jìn)彎時(shí)，需要對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定：切彎路徑、轉(zhuǎn)向角度、入彎速度。其中，切彎路徑主要決定了車(chē)輛是選擇內(nèi)道過(guò)彎還是外道過(guò)彎。切內(nèi)道，路經(jīng)最短

33、，但是如果地面附著系數(shù)過(guò)小會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛出現(xiàn)側(cè)滑的不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，原因是切內(nèi)道時(shí)，曲率半徑過(guò)小，同時(shí)速度又很快，所以模型車(chē)需要的向心力會(huì)很大，而賽道本身是平面結(jié)構(gòu)，向心力將全部由來(lái)自地面的摩擦力提供，因此賽道表面的附著系數(shù)將對(duì)賽車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)有很大影響。切外道，路徑會(huì)略長(zhǎng)，但是有更多的調(diào)整機(jī)會(huì)，同時(shí)曲率半徑的增加會(huì)使得模型車(chē)可以擁有更高的過(guò)彎速度。轉(zhuǎn)向角度決定了車(chē)輛過(guò)彎的穩(wěn)定性。合適的轉(zhuǎn)向角度會(huì)減少車(chē)輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)的調(diào)整，不僅路徑可以保證最優(yōu)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的穩(wěn)定也會(huì)帶來(lái)效率的提高，減少時(shí)間。在考慮轉(zhuǎn)向角度設(shè)置時(shí)需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：對(duì)于檢測(cè)賽道偏移量的傳感器而言，在增量較小時(shí)的轉(zhuǎn)向靈敏度；檢測(cè)到較大彎道時(shí)的

34、轉(zhuǎn)向靈敏度；對(duì)于類似S彎的變向連續(xù)彎道的處理。對(duì)于入彎速度的分析，應(yīng)該綜合考慮路徑和轉(zhuǎn)向角度的影響。簡(jiǎn)單而言，我們會(huì)采取入彎減速，出彎加速的方案，這樣理論上可以減少過(guò)彎時(shí)耗費(fèi)的時(shí)間。然而，在過(guò)去幾屆比賽中，通過(guò)觀察各參賽車(chē)對(duì)彎道的處理后，我們發(fā)現(xiàn)并不是所有人都選擇了相同的方案。正如前面說(shuō)到的那樣，不聯(lián)系路徑和轉(zhuǎn)向角度，只是單純地分析過(guò)彎速度，會(huì)造成思路的局限甚至錯(cuò)誤。例如，在不能及時(shí)判斷入彎和出彎的標(biāo)志點(diǎn)就采取“入彎減速、出彎加速”的方案，會(huì)出現(xiàn)彎道內(nèi)行駛狀態(tài)不穩(wěn)定、路徑差，同時(shí)出彎加速時(shí)機(jī)過(guò)晚，一樣會(huì)浪費(fèi)時(shí)間。所以現(xiàn)在本系統(tǒng)參考實(shí)際駕駛時(shí)的一些經(jīng)驗(yàn)，對(duì)過(guò)彎速度的處理方式確定為：入彎時(shí)急減速，

35、以得到足夠的調(diào)整時(shí)間，獲得正確的轉(zhuǎn)向角度；在彎道內(nèi)適當(dāng)提速，并保持角度不變，為出彎時(shí)的加速節(jié)約時(shí)間；出彎時(shí)，先準(zhǔn)確判斷標(biāo)志，然后加速，雖然會(huì)耗費(fèi)一些時(shí)間，但是面對(duì)連續(xù)變向彎道可以減少判斷出錯(cuò)的概率，保證行駛狀態(tài)的穩(wěn)定性，而且彎道內(nèi)的有限加速對(duì)后面的提速也有很大的幫助。綜合考慮用可以接收的額外時(shí)間換回行駛穩(wěn)定性還是值得的。下面以常見(jiàn)的幾種彎道轉(zhuǎn)角處理方式解釋各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，其中，橫坐標(biāo)表示由傳感器采集回來(lái)的賽道中心線相對(duì)賽車(chē)中心線的偏移量，縱坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)角大小。圖4.2彎道轉(zhuǎn)角處理方式a圖表示偏移量與轉(zhuǎn)向角度呈線性關(guān)系，在計(jì)算及程序編寫(xiě)上都比較簡(jiǎn)單，也可以實(shí)現(xiàn)控制賽車(chē)行駛的目標(biāo)，但是由于規(guī)則制定比

36、較簡(jiǎn)單，對(duì)賽車(chē)實(shí)際行駛狀態(tài)的分析不夠全面，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)不能簡(jiǎn)單套用。b圖表示的是在賽車(chē)略微偏離賽道中心時(shí)，不要對(duì)行駛方向作太大調(diào)整，而是在當(dāng)偏離度大到預(yù)定值時(shí)急速調(diào)整轉(zhuǎn)角以保證過(guò)彎的及時(shí)，同時(shí)在以判斷出是急彎后，也不要進(jìn)行大的變動(dòng)，因?yàn)榇藭r(shí)轉(zhuǎn)角的值已經(jīng)很大，僅需對(duì)舵機(jī)進(jìn)行微調(diào)就可以保證方向的正確性。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是綜合考慮了賽車(chē)對(duì)個(gè)彎道的適應(yīng)程度，同時(shí)保證了在直線行駛時(shí)的穩(wěn)定性，和抗干擾性，但是對(duì)急彎的響應(yīng)可能不夠及時(shí)，這是該方案的主要缺點(diǎn)。c圖表示的對(duì)彎道的處理方案與B圖恰好相反，它提高了相應(yīng)靈敏度，降低了抗干擾性，對(duì)于多彎道，且彎道曲率半徑較小的賽道有比較好的適應(yīng)性。d、e圖是兩種比較

37、特殊的處理方案，它們不能用于賽車(chē)的全程控制，只是考慮到賽車(chē)的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)對(duì)某部分的偏移量有特別要求是使用。對(duì)于傳統(tǒng)四輪車(chē)輛，轉(zhuǎn)向時(shí)前輪有比較嚴(yán)格的角度關(guān)系，而它們的得到是由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)決定的。這樣兩套系統(tǒng)都對(duì)某個(gè)值做出了限制，必然會(huì)有矛盾，在車(chē)由0度轉(zhuǎn)到最大轉(zhuǎn)角時(shí)，并不是每時(shí)每刻都能同時(shí)滿足兩種條件的限制，那么為了賽車(chē)行駛的穩(wěn)定性，我們可能會(huì)在小范圍內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)角波動(dòng)，以得到附近最合適的轉(zhuǎn)角值，減小矛盾。4.4彎道策略實(shí)施本系統(tǒng)采用了動(dòng)態(tài)的參數(shù)P的位置式PD控制方向，P=(a*E2+b)*0.01 (a,b為常數(shù) ) 這種控制方法可以使舵機(jī)在彎道時(shí)迅速打角，而且還避免了分段控制在分段點(diǎn)不連續(xù)有較大的干擾

38、的問(wèn)題，在直道時(shí)。位移偏差E變化很小且值也很小，所以P就很小，控制作用就比較弱，車(chē)模能在直道上平穩(wěn)的沿著直線行進(jìn)，當(dāng)進(jìn)入彎道時(shí)或在連續(xù)彎道時(shí)，E值較大，且變化也較大，控制作用增強(qiáng)，控制就越靈敏。如圖4.6所示 圖 4.3動(dòng)態(tài)P仿真曲線速度控制采用入彎減速,(反轉(zhuǎn)減速),進(jìn)彎加速,直道加速.直道入彎是根據(jù)位移偏差的大小和偏差變化率來(lái)判斷。4.5 障礙物策略分析黑色的障礙物內(nèi)側(cè)邊緣離中心線有8厘米，賽車(chē)車(chē)身是16厘米，理論上如果賽車(chē)正好走正中心的話，車(chē)身是可以通過(guò)障礙物的，但是由于車(chē)上碳素桿的存在，以及賽車(chē)在行走在賽道過(guò)程中不可能絕對(duì)沿著中心線行走，故通過(guò)兩路超聲波來(lái)判斷障礙物，當(dāng)判斷到障礙物時(shí)給

39、道路信息偏差一個(gè)偏移量，使其繞過(guò)障礙物。 在中斷里面獲得兩路超聲波的距離值，并計(jì)算出其距離之差的絕對(duì)值，當(dāng)絕對(duì)值大于20cm時(shí)，說(shuō)明前方有障礙物，此時(shí)給偏差一個(gè)偏移量，正負(fù)由超聲波的數(shù)值決定。第五章 開(kāi)發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過(guò)程說(shuō)明5.1 開(kāi)發(fā)工具程序的開(kāi)發(fā)是在IAR下進(jìn)行的，包括源程序的編寫(xiě)、編譯和鏈接，并最終生成可執(zhí)行文件。IAR Embedded Workbench（簡(jiǎn)稱EW）的C/C+交叉編譯器和調(diào)試器是今天世界最完整的和最容易使用專業(yè)嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具。EW對(duì)不同的微處理器提供一樣直觀用戶界面。EW今天已經(jīng)支持35種以上的8位/16位32位ARM的微處理器結(jié)構(gòu)。

40、 EW包括：嵌入式C/C+優(yōu)化編譯器，匯編器，連接定位器，庫(kù)管理員，編輯器，項(xiàng)目管理器和C-SPY調(diào)試器中。使用IAR的編譯器最優(yōu)化最緊湊的代碼，節(jié)省硬件資源，最大限度地降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力5.2 調(diào)試過(guò)程5.2.1 上位機(jī)系統(tǒng)要分析車(chē)模在賽道行駛的實(shí)時(shí)情況，必須采集并顯示小車(chē)在行駛過(guò)程中各個(gè)功能模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，我們采用APC220無(wú)線串口模塊，將單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)并進(jìn)行圖形的繪制，進(jìn)而進(jìn)行對(duì)參數(shù)的調(diào)整； 1）硬件方面設(shè)計(jì)K60從片用于接收單片機(jī)傳來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)APC220無(wú)線模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，在單片機(jī)系統(tǒng)板上，已經(jīng)引出了串口模塊。二者之間通過(guò)UART傳輸數(shù)

41、據(jù)。圖5.1 Apc220無(wú)線模塊2）軟件方面：用C+編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的上位機(jī)接收程序（見(jiàn)圖5.2），車(chē)模在賽道跑時(shí)，數(shù)據(jù)通過(guò)Apc220無(wú)線傳輸?shù)綑C(jī)串口上，程序里面再通過(guò)去數(shù)據(jù)的處理從而顯示波形，確定下一步的參數(shù)調(diào)節(jié)的方向。圖5.2 上位機(jī)程序界面相對(duì)應(yīng)的，要在車(chē)模的單片機(jī)中加入下位機(jī)程序部分，在每次采集完數(shù)據(jù)后使用模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)到上位機(jī)。5.2.2 控制算法的參數(shù)整定運(yùn)用 PID 控制的關(guān)鍵是調(diào)整三個(gè)比例系數(shù)，即參數(shù)整定。PID 整定的方法有兩類：一是理論計(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(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。由于智能車(chē)整個(gè)系統(tǒng)是機(jī)電高耦合的分布參數(shù)系統(tǒng)，并且要考慮賽道具體環(huán)境，要

42、建立精確的智能車(chē)運(yùn)動(dòng)控制數(shù)學(xué)模型有一定難度，而且對(duì)車(chē)身機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)常進(jìn)行不斷修正，模型參數(shù)變化較頻繁，可操作性不強(qiáng)；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。1） 方向控制算法的參數(shù)整定方向控制采用位置式PID控制。由于小車(chē)循線本質(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)誤地加在直道的跟蹤上，造成在進(jìn)入直道時(shí)轉(zhuǎn)向不夠準(zhǔn)確，跑直道時(shí)雖然能跟蹤黑線，但是轉(zhuǎn)向調(diào)整往往超調(diào)，導(dǎo)致車(chē)身在直道上左右震蕩，這種震蕩嚴(yán)重影響了車(chē)的整體表現(xiàn)。將積分項(xiàng)系數(shù)Ki設(shè)為0，發(fā)現(xiàn)車(chē)能在直線高速行駛時(shí)仍能保持車(chē)身非常穩(wěn)定，沒(méi)有震蕩，所以沒(méi)有必要使用 Ki 參數(shù)。該控制方案

43、調(diào)整為PD控制。Kp和Kd參數(shù)由工程整定得出，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，得到一組穩(wěn)定快速的參數(shù)為10和20。剛開(kāi)始我們只使用了簡(jiǎn)單的增量式PID，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在直道的PID參數(shù)并不適用于彎道的運(yùn)行，必須實(shí)時(shí)根據(jù)路況信息修改PID的參數(shù)采用，于是根據(jù)路況信息做出簡(jiǎn)單地判斷，但是判斷的條件過(guò)少，舵機(jī)會(huì)出現(xiàn)打角不連續(xù)的情況，判斷的情況過(guò)多又會(huì)使得程序過(guò)多，不宜在中斷里面運(yùn)行。經(jīng)過(guò)思考，舵機(jī)運(yùn)行的主要調(diào)節(jié)參數(shù)為Kp參數(shù)，只要保證Kp隨著路況信息的改變而改變就行，于是我們使用動(dòng)態(tài)Kp的方法，將Kp設(shè)為偏差e的一元三次函數(shù)，就能很好的解決直道和彎道參數(shù)不匹配的問(wèn)題。調(diào)節(jié)合適的調(diào)節(jié)死區(qū)，死區(qū)太小會(huì)造成調(diào)節(jié)不靈敏，太大則調(diào)節(jié)

44、過(guò)于頻繁。引起震蕩，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不靈敏區(qū)的界限為e=70，當(dāng)e在70以內(nèi)的時(shí)候?qū)p設(shè)為一個(gè)較小值便可。2） 速度控制算法的參數(shù)整定速度控制采用增量式PID控制加棒棒控制算法的結(jié)合，實(shí)際是控制PWM波的占空比的輸出。根據(jù)速度采集值與速度的給定值差的絕對(duì)值的范圍選擇使用增量式PID還是棒棒控制算法；當(dāng)速度采集值與速度的給定值差的絕對(duì)值較大時(shí)，采用棒棒控制，以達(dá)到快速調(diào)節(jié)的作用，當(dāng)速度采集值與速度的給定值差的絕對(duì)值較小的時(shí)候，采用增量式PID控制，已達(dá)到精確調(diào)節(jié)的目的。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，這種方法能夠符合速度控制的要求。 第六章 模型車(chē)的主要技術(shù)參數(shù)說(shuō)明6.1 智能車(chē)外形參數(shù)車(chē)長(zhǎng)：70cm車(chē)寬：25cm車(chē)高

45、：18cm車(chē)重：約1300g6.2 電路部分參數(shù)我們小組所改造的智能車(chē)采用一塊比賽標(biāo)準(zhǔn)7.2V電池供電，電路中共有 87個(gè)電容，容量總計(jì)小于2000微法。當(dāng)模型車(chē)全功率開(kāi)動(dòng)時(shí)，功耗約為30W 。6.3 傳感器個(gè)數(shù)以及種類我們改造的智能車(chē)共使用6個(gè)10mH的電感，編碼器1個(gè)，干簧管6個(gè)（兩邊各3個(gè)），超聲波傳感器（兩個(gè)）。6.4 除了車(chē)模原有的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵機(jī)之外伺服電機(jī)數(shù)量除了車(chē)模原有的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵機(jī)之外沒(méi)有使用伺服電機(jī)。6.5賽道信息檢測(cè)精度、頻率賽道信息檢測(cè)精度是2mm，頻率是5us結(jié)論自去年10月份以來(lái)我們的隊(duì)員就開(kāi)始了積極準(zhǔn)備此次競(jìng)賽，其中經(jīng)歷了很多問(wèn)題，我們慢慢探索，一步步成長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)每

46、個(gè)隊(duì)員的百分百的投入和不斷努力，才有了今天的成績(jī)，希望在國(guó)賽中可以很好的發(fā)揮，取得好成績(jī)！在此份技術(shù)報(bào)告中，我們主要介紹了準(zhǔn)備比賽時(shí)的基本思路，包括機(jī)械，電路，以及最重要的控制算法的創(chuàng)新思想。在傳感器布局，我們分析了前幾屆中出現(xiàn)的電感排布方法，綜合考慮到程序的穩(wěn)定性、簡(jiǎn)便性，我們最后敲定了現(xiàn)在的電感排布，并通過(guò)反復(fù)實(shí)踐決定了傳感器的數(shù)量和位置。在電路方面，我們以模塊形式分類，在電源管理，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，接口，控制，信號(hào)采集，傳感器這六個(gè)模塊分別設(shè)計(jì)，在查找資料的基礎(chǔ)上各準(zhǔn)備了幾套方案；然后我們分別實(shí)驗(yàn)，最后以報(bào)告中所提到的形式?jīng)Q定了我們最終的電路圖。在算法方面，我們使用C語(yǔ)言編程，利用比賽推薦的開(kāi)發(fā)工具調(diào)試程序，經(jīng)過(guò)小組成員不斷討論、改進(jìn)，終于設(shè)計(jì)出一套比較通用的，穩(wěn)定的程序。在這套算法中，我們結(jié)合路況調(diào)整車(chē)速，做到直線加速，彎道減速，保證在最短時(shí)間跑完全程。在本次智能車(chē)大賽的準(zhǔn)備期間，我們不斷遇到問(wèn)題，同時(shí)也不斷解決問(wèn)題，一個(gè)個(gè)問(wèn)題的解決見(jiàn)證了我們這支隊(duì)伍的成長(zhǎng)。期間離不開(kāi)老師、同學(xué)們的大力支持，是他們的幫助讓我們做得更好。這里，首先要感謝主辦方給我們提供了這么好的鍛煉機(jī)會(huì)。其次，感謝校領(lǐng)導(dǎo)