樂山師范學院光電樂師1隊技術報告

1、第六屆“飛思卡爾”杯智能汽車競賽大學生技術報告學校：樂山師范學院隊伍名稱：樂 師 1 隊參賽隊員：范兵賈志超高鵬帶隊教師：張自友 張九華關于技術報告和研究使用的說明本人完全了解第四屆“飛思卡爾”杯大學生智能汽車邀請賽關保留、使著作權歸參賽者本人，比賽用技術報告和研究的規(guī)定，即：參賽和飛思卡爾半導體公司可以在相關主頁上收錄并公開參賽的設計方案、技術報告以及參賽模型車的中。、圖像資料，并將相關內容編纂收錄在論參賽隊員簽名： 帶隊教師簽名： 日期： I第六屆大學生飛思卡爾杯智能汽車競賽技術報告摘要：本文介紹了基于飛思卡爾 16 位微器的智能車系統(tǒng)。本系統(tǒng)以 MC9S12XS系列微器為，軟件平臺為 C

2、odewarrior IDE 5.0 開發(fā)環(huán)境，使用主委會統(tǒng)一提供的車模。文章介紹了整個系統(tǒng)的硬件和軟件設計開發(fā)過程。車模使用 MC9S12XS128MAA作為主控，以安裝在隨動舵機上的激光傳感器來檢測賽道信息，用光電編碼器檢測車模的速度信息，由反射式紅外光電傳感器檢測坡道信息。整個系統(tǒng)的工作原理主要是由 MC9S12XS128MAA 單片機激光傳感器和紅外傳感器返回的賽道信息，以及光電編碼器返回的速度信息，通過程序設計算法，來舵機的轉角和電機的速度。關鍵字：飛思卡爾智能車，MC9S12XS128，激光傳感器，PIDII目錄第一章引言11.1概述11.2章節(jié)安排1第二章硬件電路設計22.1系統(tǒng)

3、總體結構22.1.1模塊22.1.2激光檢測模塊22.1.3電源模塊32.1.4電機驅動模塊32.1.5測速模塊32.2單片機最小系統(tǒng)32.3電源模塊42.4電機驅動模塊52.5速度檢測模塊62.6坡道檢測模塊7第三章傳感器的設計及安裝93.1傳感器的選擇93.2激光檢測原理93.3激光傳感器的設計10第四章車模機械調校114.1車模部分參數要求114.2舵機安裝114.3前輪調整術語介紹134.3.1 主銷后傾角134.3.2 主銷內傾角134.3.3 前輪前束144.3.4 前輪外傾角154.4前輪調整15III第六屆大學生飛思卡爾杯智能汽車競賽技術報告4.5重量和重心調整164.6差速器

4、調整164.7其它調節(jié)174.8輪胎的使用17第五章軟件設計185.1數據的.185.2隨動搖頭舵機的.195.3前輪轉向舵機的.195.4點頭舵機的.205.5電機的.205.6PID 算法的引入和改進215.7 軟件部分總結225.8 開發(fā)平臺23第六章 車模技術參數246.1智能車基本參數246.2種類及數量246.3激光傳感器參數24第七章總 結257.1 特點257.2 不足25第八章 致謝27參考文獻28附錄：29IV第一章 引言1.1 概述大學生飛思卡爾智能汽車競賽是受教育部高等教育司委托，由教育部高等自動化專業(yè)教學指導分委員會主辦的大學生智能汽車競賽。該競賽以智能汽車為研究對象

5、的創(chuàng)意性科技競賽，是面向大學生的一種具有探索性工程實踐活動，是教育部倡導的大學生科技競賽之一。該競賽以“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵探索，追求卓越”為指導思想，旨在促進高等學校素質教育，培養(yǎng)大學生的綜合知識運用能力、基本工程實踐能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)大學生從事科學研究與探索的和潛能，倡導理論實際、求真務實的學風和團隊協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀的脫穎而出創(chuàng)造條件。將從硬件到軟件一一的為大家呈現本智能車的設計方案和制作過程。1.2 章節(jié)安排的章節(jié)詳細安排如下：第一章引言：介紹了智能小車的研究背景。第二章硬件電路設計：詳細介紹了智能小車各部分的硬件電路設計制作。第三章傳感器的設計及安裝：詳細介紹了智能小車傳感

6、器部分的原理、選型和設計制作。第四章車模機械調校：詳細介紹了車模調校的基本知識和本智能小車各部分的機械。第五章軟件設計：詳細介紹了智能車的算法和軟件設計。第六章車模技術參數。第七章總結。第八章致謝。附錄智能小車源程序。1第二章 硬件電路設計本章詳細介紹了整個智能車硬件系統(tǒng)的設計和制作過程。2.1 系統(tǒng)總體結構系統(tǒng)總體結構圖如圖 2.1.1 所示。圖 2.1.1 系統(tǒng)總體結構圖2.1.1模塊本智能車系統(tǒng)采用 freescale 單片機 MC9S12XS128作為，對的信號進行分析和處理，再根據信號對直流電機和轉向舵機進行有效。MC9S12XS128 單片機 CPU 屬于增強型 16 位 CPU，

7、片內總線時鐘最高 40 MHz；其片內具有 8 KB RAM、128 KB 程序閃存、2 KB 數據閃存；脈寬調制模塊(PWM) 可設置成 8 路 8 位或者 4 路 16 位，邏輯時鐘選擇頻率寬；具有 1 個 8 路 12 位精度 A/D 轉換器；另外片內還具有增強型捕捉定時器。完全可以勝任大量的數據處理和工作。2.1.2 激光檢測模塊利用光電方式對比賽賽道信息進行并反饋給處理單元，由處2第二章 硬件電路設計理單元對數據進行處理。2.1.3 電源模塊為各個電路模塊提供穩(wěn)定電源，保證各模塊正常工作。2.1.4 電機驅動模塊對模型車上的電機進行驅動的速度，是強勁動力的保障。2.1.5 測速模塊對

8、模型車的速度進行檢測，實現閉環(huán)，以便調整彎道和直道的速度，從而提高平均速度，使小車更快跑完全程。2.2 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)是整個小車的。由于條件有限，我們選擇最小系統(tǒng)板。該最小系統(tǒng)板穩(wěn)定可靠，所有功能引腳均已引出。電路圖如圖 2.2.1所示。圖 2.2.1 單片機最小系統(tǒng)原理圖3第六屆大學生飛思卡爾杯智能汽車競賽技術報告2.3 電源模塊電源是一個系統(tǒng)正常工作的保障，關系著小車是否能正常的運行。比賽使用的是統(tǒng)一提供的 7.2V 2000mAh Ni-Cd 電池供電。而單片機和傳感器需要 5V 電源，舵機需要 6V 電源，電機驅動模塊則需要 7.2V 和 5V 電源，因此我們需要穩(wěn)壓降低

9、電壓以提供給各個模塊使用。我們常用的集成三端穩(wěn)壓有兩種：線性穩(wěn)壓和開關型穩(wěn)壓。線性穩(wěn)壓的特點是反應速度快、輸出紋波小、發(fā)熱量大、效率較低，例如 78XX系列。開關型穩(wěn)壓則功耗小，效率高，但是輸出紋波大，電路復雜，例如LM2576、LM2596 等。經過大量選型和測試過后，我們選擇了 LM2940 和 LM2941。LM2940 為低壓差線性穩(wěn)壓器件，最大輸出電流 1A，經過 LM2940 穩(wěn)壓后，輸出 5V，對單片機、傳感器和測速模塊等供電。LM2941 為可調的低壓差線性穩(wěn)壓器件，經過 LM2941 穩(wěn)壓后，輸出 6V，對舵機供電。同時為了獲得最佳的轉向性能，轉向舵機直接由電池供電。如圖 2

10、.3.1 為電源模塊基本電路圖。圖 2.3.1 電源模塊基本電路圖4第二章 硬件電路設計2.4 電機驅動模塊前幾屆使用較多的集成驅動是 MC33886，但是這種驅動發(fā)熱量大，內阻大且輸出電流較小。本屆我們選擇的是英飛凌公司的大電流半橋驅動BTS7970，該最大輸出電流為 63A，導通內阻為 16 毫歐，具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調節(jié)、死區(qū)時間產生和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護的功能。BTS7970 應用非常簡單，只需要向第 2 引腳輸入 PWM 波就能。當系統(tǒng)中只需要單向時，只需要讓電機一端接地，另一端接BTS7970 第4 引腳。如果需要電機雙向旋轉，則需要另一片 BTS7970

11、共同組成全橋。圖為BTS7970 各引腳功能。圖 2.4.2 BTS7970 引腳功能為了能獲得更大的輸出電流，該驅動模塊使用4 片BTS7970 組成了一個全橋。如圖為驅動模塊 PCB 圖。圖 2.4.3 驅動 PCB 圖5第六屆大學生飛思卡爾杯智能汽車競賽技術報告2.5 速度檢測模塊速度檢測我們考慮過以下兩種方案。(1) 光電編碼器光電編碼器是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。光電編碼器由光柵盤和光電檢測裝置組成，當光柵盤開始旋轉，經發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測出若干脈沖信號，通過計算一定時間光電編碼器輸出脈沖的個數就可以反映出當前的速度。(2

12、) 第五輪測速第五輪測速原理和光電編碼器大致相同，不同的是光電編碼器測出的是電機的轉速，而第五則輪測出的是小車的實際速度，方便對當前小車速度的。由于第五輪在機械上做起來相對較復雜，最終我們選擇了將光電編碼器與傳動齒輪直接相連。圖 2.5.1 為光電編碼器安裝圖。圖 2.5.1 光電編碼器安裝圖6第二章 硬件電路設計2.6 坡道檢測模塊關于坡道的檢測，剛開始我們使用的是度傳感器作為坡道的輔助檢測，但后來發(fā)現度傳感器非常容易受到車體抖動和其角度的干擾，采回來的信號雜亂無章，程序處理起來。最終我們放棄了度傳感器這一方案，選擇了反射式紅外光電傳感器 ST188 來輔助檢測坡道。圖 2.6.1 為光電對

13、管安裝圖。圖 2.6.1 光電對管安裝圖ST188 采用高紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，其檢測距離可調整范圍大，4 至 13 厘米可用，并且采用非接觸方式。其可減輕車身的重量。圖 2.6.2 為單個 ST188 電路。元件少，圖 2.6.2 ST188 電路7第六屆大學生飛思卡爾杯智能汽車競賽技術報告ST188 檢測坡道原理：坡道和水平的賽道有一個夾角，當小車剛要駛入坡道時，紅外的照射距離變近，當照射在黑線以外的賽道上時，AD回來的值會明顯比水平賽道上大，經過程序處理后，便能識別出坡道。8第三章 傳感器的設計及安裝3.1 傳感器的選擇方案一：采用CCD/CMOS 攝像頭， CCD/C

14、MOS 攝像頭的優(yōu)點是檢測前瞻距離大、檢測范圍寬、檢測道路參數多；缺點是電路設計復雜，需要信號同步分離，且工作電壓高于電池電壓，需要升壓電路，加大電源的損耗，而且本系統(tǒng)采用的處理器是25MHz 的單片機，處理速度有限，并且CCD一偵圖像的時間最快為50ms，對于一個速度要求很高的系統(tǒng)，時間過長，還易受外界干擾，軟件計算量大。方案二：采用電磁線磁場傳感器檢測電磁感應磁場的方法。競模需要能夠通過自動識別賽道中心線位置處由通有100mA 交變電流的導線所產生的電磁場進行路徑檢測。采用此方法檢測賽道的方法的優(yōu)點是傳感器設計電路實現簡單，體積小。但缺點是磁場傳感器檢測能力小，環(huán)境中存在諸多電磁干擾，對智

15、能車的平穩(wěn)行駛有一定影響。方案三：使用激光傳感器。通過發(fā)光管發(fā)射激光照射跑道，跑道表面與中心黑線具有不同的反射強度，利用光敏接收管可以檢測到反射回來的不同強度的光信息。這種檢測方法具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，且前瞻較大，電路設計比較簡單，檢測信息快，而且單片機處理信息更加方便。但這種方法對道路參數檢測分辨率不高。3.2 激光檢測原理激光傳感器檢測路面信息的原理是由發(fā)射管發(fā)射一定波長的激光，經賽道反射到接收管。由于在黑色和白色上反射系數不同，在黑色上大部分光線被吸收，而白色上可以反射回大部分光線，所以接收到的反射光的強度是不一樣的，進而導致接收管的特性曲線發(fā)生變化程度不同，而從外部觀測可以近似認為

16、接收管兩端輸出電阻不同，進而經分壓后的電壓就不一樣，就可以將黑白路面區(qū)來。9第六屆大學生飛思卡爾杯智能汽車競賽技術報告圖3.2.1為光電傳感器原理。圖3.2.1 光電傳感器原理3.3 激光傳感器的設計激光傳感器的原理和普通的光電傳感器原理相同，不同的是激光傳感器的前瞻遠遠大于普通的光電傳感器，能夠穩(wěn)定在20cm至70cm之間。規(guī)定每支車模傳感器數量不超過16個，光電傳感器接收單元計為1個傳感器，發(fā)射單元不計算。即便如此，我們的傳感器也不能使用太多的發(fā)射單元，因為舵機的靈活性會隨著其負載的增大而降低。所以最初我們使用12個發(fā)射管，4個接收管，3對1的模式。后期為了增加分辨率采用16個發(fā)射管，4個

17、接收管，4對1的模式。激光傳感器分為發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分發(fā)射管按“一”字均勻排布，但是這樣發(fā)射管兩兩之間可能產生干擾，所以我們傳感器發(fā)光采用了分時點亮的策略。使用一片74LS154，由單片機，一次點亮一個激光管。由于接收部分使用的是的激光接收管，該接收管在接收相應波長和相應頻率范圍的光時效果做好，所以發(fā)射管的頻率調制成200kHz，并且這樣也能減小外界光線的干擾。為了能更好的接收反射回來的光，可以在接收管上套一個透鏡，這樣接收管接收效果最好，提高前瞻。圖3.3.1為激光傳感器PCB圖。圖3.3.1 激光傳感器PCB10第四章 車模機械調校4.1 車模部分參數要求圖4.1.1為指定使用車

18、模圖4.1.1車模實物圖(1)車模要求：車模不能超過250mm 400mm，高度沒有限制。(2)舵機型號：Futaba S3010。后輪驅動馬達型號：RS380-ST / 3545。傳感器數量檢查：傳感器的數量是否符合小于16 個。(3)(4)(5)必須使用指定的輪胎及電池。(6)電容總容量不超過2000 微法，單片機必須使用規(guī)定。4.2 舵機安裝舵機安裝直接關系到轉向問題。如果舵機調整，將很大程度上限制轉向角11第六屆大學生飛思卡爾杯智能汽車競賽技術報告度和轉向響應速度。舵機安裝有兩種方式，一種是臥式安裝，另外一種為立式安裝。臥式安裝為車模默認安裝方式，但這樣安裝會使左右兩邊連桿不等長，根據

19、杠桿原理可知舵機對長連桿用的力要大些，因此造成了舵機對左右兩邊轉向響應時間不一樣。另外由于臥式安裝會使連桿與水平面呈現一定角度，從力學知識可以知道在轉向獲得的力只是舵機施加在連桿上力的一個水平方向上的分力。綜合考慮，我們選擇了舵機立式安裝方式。圖4.2.1為舵機安裝圖。圖4.2.1 舵機安裝圖立式安裝后，舵機與連桿之間的連接臂就需要制作。我們用PCB板制作了一塊。如圖4.2.2所示。圖4.2.2 連接臂示意圖12第四章 車模機械調校4.3 前輪調整術語介紹要保持車輛直線行駛的穩(wěn)定性，使小車直道穩(wěn)定、彎道轉向輕便，必須確定車輪參數，包括主銷后傾、主銷內傾、前輪外傾和前輪前束。4.3.1 主銷后傾

20、角主銷后傾角在車輪偏轉后形成一回正力矩，阻礙車輪偏轉。主銷后傾角越大，車速愈高，車輪偏轉后自動回正力越強。但回正力矩過大，會引起前正過猛，前輪擺振，并使轉向沉重。通常后傾角為13。如圖4.3.1所示。圖4.3.1 主銷后傾角4.3.2 主銷內傾角在小車前后方向上，主銷向內傾斜一個角度，主銷軸線與垂線間的夾角稱為主銷內傾角。當汽車轉向輪在外力作用下發(fā)生偏轉時，由于主銷內傾，則車輪連同整個小車的前部將被抬起一定高度，在外力消失后，車輪就會在重力作用下力圖恢復到原來的中間位置。通常主銷內傾角不大于8。如圖4.3.2 所示。13第六屆大學生飛思卡爾杯智能汽車競賽技術報告圖4.3.2 主銷內傾角4.3.

21、3 前輪前束俯視車輪，汽車的兩個前輪的旋轉平面并全平行，而是稍微帶一些角度，這種現象稱為前輪前束。車輪前束的作用是減輕或消除因前輪外傾角所造成的不良后果，二者相互協(xié)調，保證前輪在汽車行駛中滾動而無滑動。前輪前束一般為012mm。如圖4.3.3所示。圖4.3.3 前輪前束14第四章 車模機械調校4.3.4 前輪外傾角在汽車的橫向平面內，前輪中心平面向外傾斜一個角度，稱為前輪外傾角。前輪外傾角一方面可以使車輪接近垂直路面滾動而滑動減小轉向阻力，使小車轉向輕便；另一方面減少了軸承及其鎖緊螺母的載荷，增加了使用，提高了安全性。一般前輪外傾角為1左右，但對于有高速、急轉向要求的車輛，前輪外傾角可減小甚至

22、為負值。如圖4.3.4 所示。圖4.3.4 車輪外傾角4.4 前輪調整前輪的調整直接關系到小車在直道是否順暢，在彎道轉向是否靈活。前輪調整主要從主銷后傾、主銷內傾、前輪外傾和前輪前束4 個方面著手。以下是具體的調整：(1) 調整主銷后傾角為13，可通過增減黃色墊片數量來改變。調整中注意過大的主銷后傾角會使轉向承重，舵機反應遲滯。我們進行微調，使主銷后傾角呈現1且=2。(2) 調整主銷內傾角可以通過裝入4傾角的臂座來調節(jié)。由于過大的傾角會增大轉向阻力，增加輪胎磨損。所以對于小車來說，4內傾角已經足夠。另外，實際測試中發(fā)現主銷內傾和主銷后傾對于前輪自動回正都有幫助，并且兩者在不同速度現出不同程度的

23、回正力。高速時候主要有主銷后傾提供，低速時15第六屆大學生飛思卡爾杯智能汽車競賽技術報告候則主要由主銷內傾提供。(3) 前輪外傾角的調整主要影響彎道性能。我們可以通過調整前輪軸平面上方的螺絲長度來影響前輪外傾角。實際調整中，我們小車前輪調成“八”字型，這樣調整可以是小車轉向時候更加平穩(wěn)，但是會增加舵機負載引起轉向遲滯。具體的調整長度則需要實驗中進行調整。(4) 前輪前束調整能夠影響過彎，提高小車性能。但是過大的前輪前束會造成驅動電機阻力增大，影響直道性能。對于小車而言，我們可以通過調整舵機與前輪連桿長度進行調整。實際調整中，我們使小車前輪呈現“內八字”形狀，即前端短后端長的情況。具體的調整也需

24、要通過實驗進行調校。4.5 重量和重心調整重量和重心關系著小車的極限速度，當小車速度達到一定程度時，這個問題尤為突出。重量方面，我們在不影響小車正常行駛的情況下，盡量減少小車上一些可有可無的配件，并且在做電路板時，盡量選擇簡單且穩(wěn)定的電路。經過這幾步，小車的重量有了明顯的下降。重心也影響著小車的性能。重心過前，增加轉向阻力，引起轉向遲滯。另外，如果小車速度很快的情況下，上下坡道的時候會造成前輪首先著地，很可能造成小車意外事故。重心過后，則會使小車前輪抓地不足，造成過彎非常不穩(wěn)定。實際調整以重心在減震彈簧固定座處為準，保持各部分重量均衡。重心還應盡量低，在高速情況下，過高的重心會引起小車側翻,可

25、通過降低小車底盤高度來降低重心。4.6 差速器調整小車后輪采用的差速器為滾珠式差速器，適當的差速能夠提高小車過彎的性能和速度。差速器可以通過右后輪輪軸上面的螺絲來調整。調整時應當注意過松，會嚴重影響直道性能；調整過緊則會使差速器處于無效狀態(tài)。差速器也需要適當上油，保證其轉動平滑。16第四章 車模機械調校4.7 其它調節(jié)(1) 后輪輪距調節(jié)：在車模套件中有2個后輪輪距調整塊，我們可通過更換調整塊來調整后輪輪距。(2) 齒輪咬合調整：調整齒輪咬合，以不松動，無卡滯，松緊合適為準。另外還要保證齒輪間咬合有足夠的接觸面積。(3) 減震部分：減震部分利于小車過坡道和過彎，但是導致激光斑點劇烈抖動。在權衡

26、利弊后，小車的底盤連接為一個整體，實際測試可以看出這樣能很好的減小激光斑點乃至整個車身的抖動。4.8 輪胎的使用輪胎是小車非常重要的部分。一副新的輪胎剛開始使用摩擦力較差，在經過一段時間的磨合后，小車在賽道上行駛時會出現，這時是輪胎摩擦力最好的時期。但是后期如果過度使用，輪胎摩擦力會下降，出現一個“差-優(yōu)-差”的過程。所以當一副輪胎摩擦力很好的時候，我們應該將其取下備用，然后換上新輪胎繼續(xù)磨合。如圖4.8.1是小車安裝調試后的實物圖。圖4.8.1 小車實物圖17第五章 軟件設計程序及算法設計是該智能車系統(tǒng)的之一，程序設計的理念保持簡潔、高效、穩(wěn)定、適應性強，切不可僅僅追求某一特殊彎道而忽略整體

27、，同時要考慮實驗室賽道類型不足，不可只某一賽道類型而設計程序。程序的設計、調試、修改都需綜觀全局，仔細考慮每一行代碼是否有副作用，整體邏輯是否有、漏洞以及欠妥之處?？偟膩碚f即車模在符合大賽規(guī)則前提下，以最短的時間跑完整個賽道并能停在起跑線3M以內。該智能車系統(tǒng)首先需要對 XS128中的 PWM 模塊, ECT 模塊，I/O 模塊等必備的模塊進行初始化。PWM 模塊主要是用來轉向舵機、擺頭舵機、點頭舵機的轉動，以及電機的運行；ECT 模塊主要是用在速度脈沖和傳感器信息上，捕捉中斷并計算處理；I/O 模塊主要是用于激光的發(fā)射和數據的接收，以及各種信號。5.1 數據的在激光排數選擇上我們選擇了單排激

28、光，在制作過程中我們也嘗試過使用兩排激光處理虛線及坡道，但發(fā)現除了對過坡道有幫助外，對過虛線沒有實質的改善，同時增加了切換處理的不連貫性，后來我們選擇了做搖頭加點頭隨動激光車，基本上能過所有彎道的 5 段虛線，最難的 S 彎道也能保持 80%以上的通過率，同時也解決了坡道問題。因此我們選擇只做一排激光賽道信息。點亮激光我們使用了 74LS154 譯碼器，同時起到了分時點亮防干擾和節(jié)約 I/O 口兩重效果，共16 個激光發(fā)射管，4 個激光接收管，激光點兩兩均勻間隔 1.1CM，以保證至少有兩個點照在黑線上，通過區(qū)分激光照在黑線和白色賽道上接收管的不同信號提取出黑線位置，由于該智能車系統(tǒng)是一個高速

29、運動的系統(tǒng)，故應在能保證激光接收穩(wěn)定的前提下精量縮短點亮一輪激光的時間，使數據能夠快速更新，為進一步防止干擾可選擇間隔點亮，如：laser_fixROW=15,7,14,6,13,5,12,4,11,3,10,2,9,1,8,0;18第五章 軟件設計/發(fā)射管間隔點亮;數據的穩(wěn)定性是小車能穩(wěn)定行駛的保障，故在設計一切算法之前應先做到有穩(wěn)定的數據可用。5.2 隨動搖頭舵機的搖頭舵機搖頭的目的在于讓黑線始終落在激光撒落的范圍之內，具體怎樣搖要根據此時哪幾個激光點落在黑線上，簡單來說即舵機的轉動是以步進的形式累加上去的，程序上只要確定每個點照到黑線上時對應的步進值。當然，最靠近中點的光點的步進值就越小

30、，而距中心最遠的光點的步進值就最大。這種想法可以用增量式 PID 來實現。下面仔細舵機擺頭的實際工作過程：當車一入彎時，光點中心便會偏離黑線，黑線馬上就會被編號小于 8 的點或者大于 9 的點檢測到。設想是在編號為 1 的點或編號為 16 的點檢測到黑線，這時舵機就會以很大的步進值加過來使得光點中心與黑線在同一位置。由于舵機的延時特性，在主函數一個執(zhí)行周期之后，舵機只打了一小角度而遠沒有打到穩(wěn)定位置，此時可能是第二個光點照在黑線上了，這樣，舵機就會在原來的基礎上加上第二個光點所對應的步進值。主函數一直循環(huán)，在看到彎道后，經過若干個執(zhí)行周期舵機打到穩(wěn)置。我們對每個管子的步進值都是通過實驗測量的，

31、對中間的兩個光點，舵機不予反應，即所謂的模糊點。在實際編程的時候，擺頭的步進值根據速度區(qū)分為兩檔，高速時，擺頭步進值稍微大一點。每個步進值對擺頭性能都有很大影響，選大了，舵機穩(wěn)定不下來，他會一直左右搖晃，選小了，快速入彎時，舵機又會反應不過來而造成丟線。5.3 前輪轉向舵機的在前輪轉向上，打角舵機的輸入由兩部分：第一部分是上面擺頭舵機的反饋值，第二部分是擺頭舵機跟線的偏差值，兩部分綜合作用來打角舵機的。這種方法精確快速。先算出上面舵機值與中心值的偏差，將這個偏差量再乘以一個系數得到的值作為打角的參考量，同時，我們根據當前黑線的相對激光光點位置，為每個位置都賦予一個偏量。就是說，就算上面舵機不打

32、角，19第六屆大學生飛思卡爾杯智能汽車競賽技術報告當不同的光點照到黑線，前輪舵機也能正確打角，只是幅度小一點，將上面的參考量與偏量之和直接加到前輪舵機 PWM 上，使舵機打角。這種打角方式其實就是一個比例加上一個偏差，可以說是簡單的 PD 算法。對于這種打角方式，如果參考量的系數與每個光點的偏量選擇合理，那么，前輪舵機就會在連續(xù)的小彎道上走近似直線，而在單側大彎道上提前打角，切著內道走。這正是舵機打角的理想情況。對于這這些參數的設定，我們也是設了高速檔與低速檔，兩檔的參數不一樣，以適應入彎情況。也就是說，我們在這兩個參數的基礎上，又加了一個速度相關的參數。5.4 點頭舵機的點頭舵機的主要作用不

33、是用來尋找黑線，而是過高難度虛線以及對坡道的處理。坡道的檢測我們使用的是傾斜安裝的 ST188 紅外對管，前面章節(jié)有講到安裝方式及利弊，這里不再贅述，坡道檢測的準確性足夠，主要是防干擾，對管容易受干擾，所以需要軟件處理濾除干擾，在準確檢測坡道的前提下盡量限制其胡亂點頭。虛線的處理較為復雜，因為大賽規(guī)則上說虛線可能出現在直道，也可能出現在彎道，這樣來看的話我們只能理解成即使是最難的彎道上也可能會出現虛線，例如可怕的 S 彎道處變向虛線。對虛線的處理思路如下：當遇到虛線，并且上次的黑線位置偏差沒有達到最大的情況下點頭，但不能點的太多，要根據當前的速度和位置決定點頭的速度和多少，當再次搜索到黑線，開

34、始抬頭，抬頭和點頭的要相互結合，不然會出現頻繁的震蕩。這里想統(tǒng)一連貫的處理比較有，故分作多種情況來處理。5.5 電機的其實電機的不需要很精確，但是要想做到很精確的卻是最難的。其實說簡單點，就是根據路況計算當前需要達到的理想速度，再以此速度與當前實際速度作比較，作出是該還是該，該猛還是全速反剎的。我們希望車模能以較高的速度過直道和連續(xù)的彎道，以較低的速度入彎道。為此，20第五章 軟件設計我們根據搖頭舵機的 PWM 值是直道還是彎道，當舵機 PWM 值偏離中心位置附近時便認為是彎道，不是這樣那就是直道。根據不同的舵機 PWM 值將標定速度細分為幾檔。在調節(jié)參數時做到加效果明顯即可，簡單點說加就是讓

35、車模以最快的反應速度達到標定的速度，反應越快越好。5.6 PID 算法的引入和改進前面講到的三個舵機的以及電機的都不同程度的結合了PID算法，故將PID算法講解如下：PID策略其結構簡單，穩(wěn)定性好，可靠性高，并且易于實現。其缺點在于器的參數整定相當繁瑣，需要很強的工程經驗。相對于其他的方式，在成熟性和可操作性上都有著很大的優(yōu)勢。所以最后我們選擇了PID的方式。在小車跑動中，因為不需要考慮小車之前走過的路線，所以，我們舍棄了I，將小車舵機的PID簡化成PD。速度閉環(huán)采用了增量式PID。參數調節(jié)使用試湊法來確定器的比例、和微分參數。 試湊法是通過閉環(huán)試驗，觀察系統(tǒng)響應曲線，根據各參數對系統(tǒng)響應的大

36、致影響，反復試湊參數，以達到滿意的響應，最后確定PID參數。試湊不是盲目的，而是在理論指導下進行的。 在理論中已獲得如下定性知識： 比例調節(jié)（P）作用：是按比例反應系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現了偏差，比例調節(jié)立即產生調節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。調節(jié)（I）作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，調節(jié)就進行，直至無差，調節(jié)停止，調節(jié)輸出一常值。作用的強弱取決與時間常數 Ti，Ti 越小，作用就越強。反之 Ti 大則作用弱，加入調節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。作用常與另兩種調節(jié)規(guī)律結合，組成 PI

37、調節(jié)器或 PID 調節(jié)器。 微分調節(jié)（D）作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性， 能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的作用，在偏差還沒有形成之前， 已被微分調節(jié)作用消除。因此，可以系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調，減少調節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調節(jié)，對系統(tǒng)21第六屆大學生飛思卡爾杯智能汽車競賽技術報告不利。此外，微分反應的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節(jié)規(guī)律相結合，組成 PD 或 PID器。 試湊法的具體實施過程為：1、整定比例部分 將比例系數由小變大，并觀察相應的系統(tǒng)響

38、應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。如果系統(tǒng)靜差小到范圍，響應曲線已屬滿意，那么只需比例即可，由此確定比例系數。2、如果在比例基礎上系統(tǒng)靜差不能滿足設計要求，則加入環(huán)節(jié)，整定時首先置時間為很大值，并將經第一步整定得到的比例系數略微縮?。ㄈ缈s小為原值的 0.8），然后減小時間，使得在保持系統(tǒng)良好動態(tài)的情況下，靜差得到消除，在此過程中，可根據響應曲線的好壞反復改變比例系數和時間，以期得到滿意的過程，得到整定參數。3、若使用比例消除了靜差，但動態(tài)過程經反復調整仍不能滿意，則可加微分環(huán)節(jié)，比例、微分器。在整定時，先置微分時間為零，在第二步整定基礎上增大，同樣地相應改變比例系數和微分時間，逐步試湊以獲

39、得滿意的調節(jié)效果和參數。4、模糊 PID算法 在跑道上由于上排激光管始終追隨黑線，所以可以將上排激光管的擺頭舵機的擺角經過一定的標定轉換成黑線的位置信息，以及黑線相對車的偏移速率， 將這兩個量作為前輪轉向舵機模糊 PID的輸入量。5.7 軟件部分總結軟件上主要有以下幾個難點：1)怎樣采樣回來的賽道信息的有效性；2)怎樣好 3 個舵機；3)怎樣使速度配合好舵機打角。對于該小車的軟件系統(tǒng)，我們充分發(fā)揮激光擺頭的優(yōu)勢，點頭舵機的穩(wěn)定性，激光的大前瞻來對整個小車的速度和穩(wěn)定性進行不斷提升。22第五章 軟件設計5.8 開發(fā)平臺此次智能車大賽的軟件開發(fā)平臺為Code Warrior開發(fā)軟件。其使用界面如圖

40、5.8.1所示。圖5.8.1 Code Warrior界面Code Warrior是面向以HC12、S12和X12為CPU的單片機應用開發(fā)的軟件括集成開發(fā)環(huán)境IDE、處理器庫、全、可視化參數顯示工具、項目工程管理器、C交叉編譯器、匯編器器以及調試器等。在CodeWarrior軟件中可以使用匯編語言或C語言，以及兩種語言的混合編程。用戶可在新建工程時將的類庫添加到集成環(huán)境開發(fā)環(huán)境中，工程文件一旦生成就是一個最小系統(tǒng)，用戶無需再進行繁瑣的初始化操作，就能直接在工程中添加所需的程序代碼。該版本的PE模式非常方便，不用再去寫一大堆的初始化程序，各模塊的初始化只需要在相應的窗口進行設置即可。程序的也比較

41、方便，不用像之前那樣需要先擦除，通過設置后便可方便的直接。23第六章車模技術參數6.1智能車基本參數6.2種類及數量6.3激光傳感器參數24激光發(fā)射管個數16激光光斑間距11mm最大前瞻550mm檢測頻率312.5Hz名稱數量用途MCS12XS128MAA1微器LM294035V穩(wěn)壓LM29412可調穩(wěn)壓BTS7970B2大電流半橋電機驅動74LS15414-16譯碼器車長350mm車寬175mm車高150mm車重約1.25kg傳感器類別激光、紅外傳感器個數7個（4個激光接收管、2個紅外對管、1個編碼器）新增伺服舵機2個電路電容總容量1330uF第七章 總 結從三月份開始做智能車到現在，我們一

42、步步走來，在這期間我們學會了團隊協(xié)作，懂得了做什么事情都要持之以恒，追求卓越，這樣就會在不經意間找到你。這篇報告介紹了小車的硬件、機械和軟件設計。下面主要介紹本智能車的特點和不足。7.1 特點(1) 采用了激光傳感器。普通光電傳感器，如ST188，有效距離最大為30cm，而且容易受到外界光線的干擾。而激光傳感器則不同，其有效距離最大能達到80cm，由于其接收管只能接受一定頻率和波長范圍內的光，所以不容易受到外界光的干擾。(2) 采用了搖頭、點頭的策略。使用激光傳感器后，小車的前瞻有了明顯的增大，但大的前瞻卻帶來了許多問題。比如在過彎的時候，激光光斑掃到賽道外面，出現盲區(qū)，這對小車的行駛是非常不

43、利的。所以我們采用了搖頭這一策略來緩解了這個問題。另外，大前瞻的激光小車在上坡的時候，光斑被抬高，也會出現盲區(qū)，這樣又帶來了許多不確定因素，于是我們又采用了點頭的方案。(3) 采用紅外對管檢測坡道。采用點頭方案后，需要提前檢測坡道，這樣便于傳感器及時點頭。所以我們使用對管來提前檢測坡道。7.2 不足(1) 早期忽視了機械結構的重要性。在智能車制作過程中，在機械結構上花費時間較少。當小車速度達到一定程度后，出現了左右轉向不對稱的問題，這個問題在最后也未能很好的解決。(2) 點頭未充分利用好。雖然使用“點頭”方案能很好的解決坡道問題，但是這樣增加了小車的重量，增加了機械復雜程度，對整個小車的機械性

44、能有所限制，軟件算法更加復雜，沒能很好的發(fā)揮點頭舵機的全部優(yōu)勢，在提高穩(wěn)定性的25第六屆大學生飛思卡爾杯智能汽車競賽技術報告同時卻限制了小車的極限速度。(3) 沒有使用無線傳輸模塊輔助調試。小車在行駛過程中，有很多這樣那樣的問題，使用無線傳輸模塊能將傳感器的信號實時的傳回電腦，方便觀察。26第八章 致謝在本次智能車大賽的準備期間，我們遇到了許多詭異的技術難點。從電路板設計到系統(tǒng)搭建，一個個問題的解決了我們這支隊伍的成長。期間離不開指導的指點迷津和物電學院的大力支持，他們的幫助讓我們做得更好。這里，首先要感謝Freescale公司和給我們這樣好的鍛煉機會。還要感謝西部賽區(qū)承辦方長安大學以及總決賽

45、西北工業(yè)大學為我們提供的比賽平臺。同時，要感謝張自友、張九華的指導。感謝他在小車整體設計思路上的指點和在軟、硬件設計方面的指導。其次，要感謝樂山師范學院物電學院對比賽的支持。沒有學院在場地、器材方面的支持，我們連準備比賽的場地甚至機會都沒有。最后，我們隊內隊友之間要相互感謝，感謝我們的相互協(xié)作，不然我們走不到今天，在這個過程中我們都懂得了團隊的力量才是最強大的。27參考文獻1卓晴，黃開勝，邵貝貝學做智能車北京. 北京航空航天大學. 20072邵貝貝. 單片機應用的開發(fā)方法北京20043童詩白，華成英模擬電子技術基礎北京. 高等教育20004臧杰，閻巖. 汽車構造. 北京. 機械工業(yè)20055王

46、曉明. 電的單片機北京. 北京航空航天大學20026安鵬，馬偉S12 單片機模塊應用及程序調試. 電子世界. 2006第211期162-1639 沈長生常用電子元器件使用一讀通北京.郵電200410譚浩強. C+程序設計北京. 200411張文春. 汽車理論北械工業(yè)200512張偉等Protel高級應用北京.郵電200213凱越08. 第三屆“飛思卡爾”杯大學生智能車大賽技術報告.樂山.樂山師范學院物理與電子.200828附錄：*/#include #include /* common defines and macros */* derivative information */#inclu

47、de #include #include #include#includesys_init.h variable.h function.h driver.hisr.h#pragma LINK_INFO DERIVATIVE mc9s12xs128/mainvoid main(void)DisableInterrupts; system_init(); start_off(); key_BCD(); for(;)EnableInterrupts; sam_pressure();if(slope_flag)deal_st188_angle();29第六屆大學生飛思卡爾杯智能汽車競賽技術報告deal

48、_sample(); shake_head(); car_angle(); speed_pid(); set_wdt();*/#include user.h/標志位bool flag_dot; bool stop_flag; bool check_flag;bool xpspeed_flag=0; bool lost_flag;bool loss_flag_1; bool cross_flag; bool cross_flag1; bool up_speed; bool en_check;bool en_check_flag; bool test_flag;bool c_speed_flag;

49、 bool bridge_flag; bool up_speed_flag; bool nod_flag;bool d_speed_flag; bool ad_flag;bool ad_nod_flag;30附錄源代碼bool en_slop_flag;/數據byte laser_dataROW; byte laser_data1ROW;byte laser_fixROW=15,7,14,6,13,5,12,4,11,3,10,2,9,1,8,0;管間隔點亮;byte laser_tempROW; byte laser_c16;byte laser_start_c1016;/發(fā)射inthead

50、_save20;word laser_s100;word ad_data2;byte near_dataNROW;byte near_buffNROW=7,3,6,2,5,1,4,0;byte near_fixNROW=7,3,6,2,5,1,4,0; byte near_tempNROW;/系統(tǒng)變量unsigned lonove=0;word test=CENTER_ANGLE; word test1=HEAD_CENTER; word test2=NOD_CENTER; byte laser_num;byte near_num; word black_num; byte black_number; char position;char pre_position,pre_pp;byte range;31第六屆大學生飛思卡爾杯智能汽車競賽技術報告char miss;