哈爾濱工程大學(xué)極品飛車2號(hào)技術(shù)報(bào)告

1、i第三屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技 術(shù) 報(bào) 告附件【C】：一種使用光電管對(duì)賽道精確定位的方法學(xué) 校：哈爾濱工程大學(xué)隊(duì)伍名稱：極品飛車2號(hào)參賽隊(duì)員：劉建旭 高晗 譚吉來帶隊(duì)教師：管鳳旭 張愛筠關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解第二屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車邀請(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)主頁上收錄并公開參賽作品的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車的視頻、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： 目 錄 TOC o 1-3 h

2、z u HYPERLINK l _Toc207014015 第一章 引 言 PAGEREF _Toc207014015 h 1 HYPERLINK l _Toc207014016 第二章 路徑識(shí)別方案論證 PAGEREF _Toc207014016 h 3 HYPERLINK l _Toc207014017 2.1 路徑識(shí)別的方案設(shè)計(jì)論證 PAGEREF _Toc207014017 h 3 HYPERLINK l _Toc207014020 2.2 路徑識(shí)別的改進(jìn)方法 PAGEREF _Toc207014020 h 4 HYPERLINK l _Toc207014021 2.3 加大前瞻方法

3、PAGEREF _Toc207014021 h 5 HYPERLINK l _Toc207014022 2.4起跑線識(shí)別方案 PAGEREF _Toc207014022 h 5 HYPERLINK l _Toc207014023 2.5 系統(tǒng)分析 PAGEREF _Toc207014023 h 6 HYPERLINK l _Toc207014024 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc207014024 h 7 HYPERLINK l _Toc207014025 3.1、電源分配電路 PAGEREF _Toc207014025 h 7 HYPERLINK l _Toc207014

4、026 3.2、 圖像采集電路 PAGEREF _Toc207014026 h 8 HYPERLINK l _Toc207014027 3.3、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 PAGEREF _Toc207014027 h 9 HYPERLINK l _Toc207014028 3.4、速度采集模塊 PAGEREF _Toc207014028 h 9 HYPERLINK l _Toc207014029 3.5、最小系統(tǒng)板 PAGEREF _Toc207014029 h 9 HYPERLINK l _Toc207014030 3.6、主板電路 PAGEREF _Toc207014030 h 10 HYPERLIN

5、K l _Toc207014031 3.7、硬件電路技術(shù)參數(shù) PAGEREF _Toc207014031 h 11 HYPERLINK l _Toc207014032 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與控制方案 PAGEREF _Toc207014032 h 13 HYPERLINK l _Toc207014033 4.1、程序流程圖 PAGEREF _Toc207014033 h 13 HYPERLINK l _Toc207014034 4.2、控制方案 PAGEREF _Toc207014034 h 14 HYPERLINK l _Toc207014035 4.2.1、圖像采集 PAGEREF _To

6、c207014035 h 14 HYPERLINK l _Toc207014036 4.2.2、圖像處理方案 PAGEREF _Toc207014036 h 15 HYPERLINK l _Toc207014037 4.2.3、 雙系統(tǒng)耦合關(guān)系處 PAGEREF _Toc207014037 h 15 HYPERLINK l _Toc207014038 4.2.4、低速和高速調(diào)速方法的改變以及由此帶來的好處 PAGEREF _Toc207014038 h 16 HYPERLINK l _Toc207014039 4.2.5、PID控制方法在智能控制中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc2070140

7、39 h 17 HYPERLINK l _Toc207014040 3 PID控制算法及其改進(jìn)形式的應(yīng)用 PAGEREF _Toc207014040 h 17 HYPERLINK l _Toc207014041 4.3.1、PID控制算法 PAGEREF _Toc207014041 h 17 HYPERLINK l _Toc207014042 4.3.2、積分飽和及其抑制 PAGEREF _Toc207014042 h 19 HYPERLINK l _Toc207014043 4.3.3、PID算法的其他改進(jìn)形式 PAGEREF _Toc207014043 h 20 HYPERLINK l _

8、Toc207014044 4.3.4、針對(duì)智能車的PID算法改進(jìn) PAGEREF _Toc207014044 h 22 HYPERLINK l _Toc207014045 第五章 機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整 PAGEREF _Toc207014045 h 23 HYPERLINK l _Toc207014046 5.1、 舵機(jī)的改造 PAGEREF _Toc207014046 h 23 HYPERLINK l _Toc207014047 5.2、 底盤高度及輪距調(diào)整 PAGEREF _Toc207014047 h 23 HYPERLINK l _Toc207014048 5.3、 減輕重量 PAGEREF

9、_Toc207014048 h 23 HYPERLINK l _Toc207014049 5.4、 重心調(diào)整 PAGEREF _Toc207014049 h 24 HYPERLINK l _Toc207014050 5.5、 前輪定位 PAGEREF _Toc207014050 h 24 HYPERLINK l _Toc207014051 第六章 系統(tǒng)測試與分析 PAGEREF _Toc207014051 h 27 HYPERLINK l _Toc207014052 6.1 實(shí)驗(yàn)測試 PAGEREF _Toc207014052 h 27 HYPERLINK l _Toc207014053 6.

10、1.1、測試環(huán)境簡介 PAGEREF _Toc207014053 h 27 HYPERLINK l _Toc207014054 6.1.2、測試結(jié)果 PAGEREF _Toc207014054 h 27 HYPERLINK l _Toc207014055 6.1.3、測試中出現(xiàn)的問題及解決 PAGEREF _Toc207014055 h 27 HYPERLINK l _Toc207014056 6.2 智能車主要技術(shù)參數(shù) PAGEREF _Toc207014056 h 28 HYPERLINK l _Toc207014057 第七章 結(jié)論 PAGEREF _Toc207014057 h 29

11、HYPERLINK l _Toc207014058 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc207014058 h 30 HYPERLINK l _Toc207014059 附錄A：智能車實(shí)物照片 PAGEREF _Toc207014059 h I HYPERLINK l _Toc207014060 附錄B：程序源代碼 PAGEREF _Toc207014060 h III HYPERLINK l _Toc207014061 附件C：研究論文 PAGEREF _Toc207014061 h iPAGE 25 第一章 引 言本文詳細(xì)闡述了第三屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽作品極品飛車2號(hào)的設(shè)計(jì)

12、、制作以及調(diào)試過程。文中介紹了基于MC9S12DG256（以下簡稱S12）單片機(jī)設(shè)計(jì)的基于紅外傳感器的循線競速智能車系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下獲得更遠(yuǎn)距離的前瞻，設(shè)計(jì)了新穎有效的路徑識(shí)別模塊。通過對(duì)光電模塊模擬量的采集以及抽象函數(shù)處理方法，實(shí)現(xiàn)了精確的路徑識(shí)別。這樣不僅保證了所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而且提高了采集速度，使智能車獲得一個(gè)比較好的前瞻，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。測速模塊采用穩(wěn)定可靠的增量式光電碼盤測速方式。直流電機(jī)采用PI控制算法，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度快速響應(yīng)與穩(wěn)定控制。各功能模塊的緊密配合，實(shí)現(xiàn)了路徑的準(zhǔn)確識(shí)別、電機(jī)的快速響應(yīng)和舵機(jī)的精確控制。本文還對(duì)模型車的機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整進(jìn)行了說明。關(guān)鍵詞

13、：飛思卡爾；MC9S12DG128；循線；紅外傳感器陣列；PI控制算法第三屆全國大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 第二章 路徑識(shí)別方案論證第二章 路徑識(shí)別方案論證路徑識(shí)別模塊是智能車系統(tǒng)的關(guān)鍵功能之一。路徑識(shí)別功能的好壞，直接關(guān)系到整體性能的優(yōu)劣。根據(jù)項(xiàng)目要求，選用紅外傳感器陣列作為識(shí)別策略。以下對(duì)路徑識(shí)別的方案作簡單介紹，輔以改進(jìn)的采集處理方法，為處理器提供準(zhǔn)確的路況信息。2.1 路徑識(shí)別的方案設(shè)計(jì)論證 光電傳感器的排列方法、個(gè)數(shù)、彼此之間的間隔都與控制方法密切相關(guān)。但一般的認(rèn)識(shí)是：在不受到外部因素影響的前提下，能夠感知前方的距離越遠(yuǎn)，行駛效率越高。由于光電傳感器電路板不可能伸出車體太遠(yuǎn)，因此大

14、多制作者調(diào)整了光電傳感器電路板與地面的夾角，使光電傳感器可以感知更遠(yuǎn)一點(diǎn)的跑道情況。圖2.1、圖2.2是兩種典型的光電循跡方案。圖2.1中模型車采用了8對(duì)光電傳感器且分布得較寬，圖2.2中模型車只采用了3對(duì)光電傳感器，放置在向外伸出的小電路板上，探測的范圍較小。具體何種方案合適，與光電傳感器掃描前方的距離和寬度以及控制策略密切相關(guān)。 基于反射式紅外傳感器的光電傳感器陣列的路徑檢測方法具有較高的可靠性與穩(wěn)定性，信息更新速度快且易于單片機(jī)處理。但是它易受環(huán)境光線干擾，而且存在著檢測距離近的問題，硬件電路復(fù)雜。為了獲得遠(yuǎn)方的信息需要將傳感器伸得盡可能遠(yuǎn)，從而增加了車體高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，限制了智能

15、車的最高速度。因此在設(shè)計(jì)中，應(yīng)著意解決這些問題。 圖2.1 光電傳感器方案（8對(duì)） 圖2.2 光電傳感器方案（3對(duì)）2.2 路徑識(shí)別的改進(jìn)方法極品飛車2號(hào)的控制方法在設(shè)計(jì)中遵循了簡單、有效、快速的原則，所有的控制規(guī)律都用線性方程表示，且各系統(tǒng)之間存在互相制約關(guān)系在以往的巡線車制作中，采集賽道信息使用的普遍方法為：將紅外傳感器檢測到黑線和白線時(shí)的兩種電壓通過比較器，輸出高低電平，再送入單片機(jī)經(jīng)行處理。但是這種方案存在的問題在于：1、精度不高。對(duì)于低速而言上述方法可行。但是此次比賽的目的在于競速，要想提高賽車速度，需安裝多個(gè)傳感器來采集路況信息，所帶來的問題就在于同時(shí)會(huì)有多個(gè)傳感器檢測到黑線，如果

16、將這種信息轉(zhuǎn)換為單純的高低電平，判斷精度必然不高。2、前瞻距離短。要想提高賽車速度，據(jù)需要盡可能遠(yuǎn)地采集到路況信息，即增大前瞻量，這樣才能提前進(jìn)行判斷，做出轉(zhuǎn)向、加速或減速等動(dòng)作。然而增大前瞻量，首先要解決的問題是，由于紅外傳感器的輸出電壓與采集到的紅外光強(qiáng)度成正比，增大前瞻量，會(huì)使接收管接收到的紅外光強(qiáng)度大大降低，檢測到黑線和白線時(shí)的電壓差會(huì)明顯減少，直至難以通過比較器比較出來。為了提高賽道信息的采集精度，我們?nèi)コ吮容^器，而是將紅外傳感器的輸出電壓經(jīng)過一級(jí)跟隨器后，直接用單片機(jī)內(nèi)自帶A/D采集，采集來的是模擬量。起跑前，需將賽車在賽道上擺動(dòng)幾次進(jìn)行初始化，使各接收管都能檢測到黑線和白線，并

17、將檢測到黑線和白線時(shí)的管電壓，記錄下來作為閾值保存。賽車行駛時(shí)，將各接收管接收到的電壓與閾值進(jìn)行比較得出一個(gè)百分比，當(dāng)該值與程序中設(shè)定的黑線閾值比較，判斷檢測到的是黑線或是白線。這種方法對(duì)不同賽道環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，更換場地后，僅需根據(jù)場地情況，改變黑線閾值即可使賽車運(yùn)行正常。接收管在檢測到黑線、黑白線交界處以及白線時(shí)，電壓變化線性度很好，采集模擬量控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，可使舵機(jī)運(yùn)行更加平滑，對(duì)彎道響應(yīng)更靈敏，轉(zhuǎn)彎半徑可自由控制，不會(huì)出現(xiàn)以數(shù)字量采集賽道信息控制舵機(jī)時(shí)出現(xiàn)的舵機(jī)階躍式擺動(dòng)。實(shí)驗(yàn)證明，此種方案效果很好。傳感器陣列方案選擇上，我們做了兩種實(shí)驗(yàn)。一種是采用弧形陣列，一種是直線型陣列（如圖2.3

18、2.6）?；⌒侮嚵械膬?yōu)點(diǎn)在于檢測范圍大，但是各接收管與地面距離不同，因此造成電壓閾值不同。在上坡時(shí)，這種現(xiàn)象將使程序進(jìn)行錯(cuò)誤判斷，賽車將沖出跑道。直線型陣列比弧線形陣列更加穩(wěn)定，故最后選擇直線型陣列。 圖2.3 弧形光電傳感器方案 圖2.4 弧形光電傳感器方案（俯視） 圖2.5 直線陣列光電傳感器方案 圖2.6 直線陣列光電傳感器方案（俯視）2.3 加大前瞻方法 紅外發(fā)射管發(fā)射出的紅外線投射到跑道上，為一錐形；同樣，接收管接收到的光線也成錐形。接收管距離跑道越高，檢測黑線和白線時(shí)，電壓差越小。那是因?yàn)殄F形的紅外光能將白色底板和黑線同時(shí)照到，接收管接收到的光線中同時(shí)含有白板與黑線的反射成分。為提

19、高檢測精度，我們?cè)诮邮展芡馓滓缓谏坠埽菇邮展芙邮盏降墓饩€更趨近于平行光，實(shí)驗(yàn)證明，接收管檢測到黑線與白班時(shí)的電壓差明顯增大，對(duì)增大前瞻有很大幫助。2.4起跑線識(shí)別方案 在起跑線識(shí)別中，我們的策略為：當(dāng)位于最左和最右的3個(gè)接收管檢測到黑線時(shí)，進(jìn)入起跑線檢測程序；起跑線檢測程序的內(nèi)容是：檢測使碼盤產(chǎn)生5000個(gè)脈沖的距離內(nèi)，位于陣列中央的接收管是否檢測到白線，如果有，則判斷為起跑線；沒有，則判斷為十字交叉線。2.5 系統(tǒng)分析 1）最小轉(zhuǎn)彎半徑：用單片機(jī)給舵機(jī)一個(gè)最大轉(zhuǎn)角信號(hào)，使智能車勻速運(yùn)行作圓周運(yùn)動(dòng)。分別記錄左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎的軌跡直徑，可計(jì)算模型車的最小轉(zhuǎn)彎半徑： 2)引導(dǎo)前瞻：將紅外傳感器陣

20、列所能檢測到的最遠(yuǎn)距離到前輪軸心的距離，即為前瞻距離。測得距離=215mm 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)智能車系統(tǒng)是以單片機(jī)MC9S12DG256為核心，MC9S12單片機(jī)的主頻高達(dá)25MHz，同時(shí)片上還集成了許多標(biāo)準(zhǔn)模塊，包括2個(gè)異步串行通信口SCI、3個(gè)同步串行通信口SPI、8通道輸入捕捉/輸出比較定時(shí)器、2個(gè)10位8通道A/D轉(zhuǎn)換模塊、1個(gè)8通道脈寬調(diào)制模塊、49個(gè)獨(dú)立數(shù)字I/O口(其中20個(gè)具有外部中斷及喚醒功能）、兼容CAN20A/B協(xié)議的5個(gè)CAN模塊以及一個(gè)內(nèi)部IC總線模塊；片內(nèi)擁有256kB的Flash EEPROM，12kB的RAM、4kB的EEPROM。

21、這些資源能夠滿足完成智能車所需要的所有的條件。配合有紅外傳感器陣列、轉(zhuǎn)速傳感器、直流電機(jī)、舵機(jī)、電池以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成?？傮w硬件框圖如圖3.1所示圖3.1 系統(tǒng)整體硬件框圖3.1、電源分配電路電源分配電路中，所用電池為電壓7.2V，容量1800mAh的六芯鎳鎘電池組。電池可直接給紅外傳感器和直流電機(jī)供電。而通過 穩(wěn)壓至5V給單片機(jī)和光電碼盤供電，由于舵機(jī)電流較大，為避免對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生影響，所以給舵機(jī)單獨(dú)供電。如圖3.2所示：3.2 電源分配電路3.2、 圖像采集電路傳感器陣列使用10個(gè)接收管。由于決定光電傳感器采集信號(hào)好壞的關(guān)鍵因素在于發(fā)射與接收距離，發(fā)射管功率越大，接收管接收到的光線錐度越

22、小，采集到的賽道信息越清晰，距離越遠(yuǎn)。為了增大紅外線發(fā)射功率，我們采取的策略為：每個(gè)接收管周圍放置四個(gè)發(fā)射管，每3個(gè)發(fā)射管為一組，用一個(gè)三極管放大電流。此時(shí)發(fā)射功率大，紅外發(fā)射管陣列發(fā)射的紅外光足以抵消環(huán)境中紅外光的影響，抗干擾能力強(qiáng)圖3.2圖像采集電路紅外傳感器返回的電壓又單片機(jī)內(nèi)自帶AD直接采集。為了使采集來的模擬量更穩(wěn)定，防止受到單片機(jī)I/O口電流影響，我們?cè)诮邮展芘c單片機(jī)之間加了一級(jí)跟隨器。3.3、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路極品飛車2號(hào)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用的MC33886。為了獲取足夠的驅(qū)動(dòng)電流，采用了兩片驅(qū)動(dòng)芯片腳對(duì)腳并聯(lián)的方式。這樣做在提高了驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)，降低了發(fā)熱量。電路如圖3.3所示。圖3.3電

23、機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.4、速度采集模塊極品飛車2號(hào)采用500線光電碼盤對(duì)車速進(jìn)行測量。碼盤的輸出送入單片機(jī)的脈沖計(jì)數(shù)器中，通過周期性的讀取計(jì)數(shù)器的值，獲得速度信息，用計(jì)數(shù)器值作為速度的度量。3.5、最小系統(tǒng)板為了盡量減少車體重量，我們沒有使用所購買的最小系統(tǒng)板，而是根據(jù)系統(tǒng)需要，只保留所需引腳的接口：PA0/PA1外接按鍵，用于初始化后啟動(dòng)賽車；PA4-PA7外接撥碼開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)8種模式選擇；PP5/PP7分別控制舵機(jī)和電機(jī)；PT7用于碼盤計(jì)數(shù)；PAD0-PAD9用于采集光電管信號(hào)。在精簡了系統(tǒng)的同時(shí)，著力提高穩(wěn)定性。經(jīng)測試，系統(tǒng)版穩(wěn)定性良好。可以倍頻至24MHz。電路如圖3.4所示：圖3.4精簡系統(tǒng)

24、版3.6、主板電路主板將電機(jī)驅(qū)動(dòng)及電源模塊、光電傳感器模塊與S12最小系統(tǒng)模塊連接在一起，其上放置了各必要接口于單片機(jī)外圍系統(tǒng)，包括跟隨器、按鍵、撥碼開關(guān)和LED。圖3.5主板電路3.7、硬件電路技術(shù)參數(shù)為提高車模的控制電路的穩(wěn)定性，極品飛車2號(hào)安裝的穩(wěn)壓芯片為LM2940，該穩(wěn)壓片為低壓差穩(wěn)壓片，能在壓差高于1V的條件下穩(wěn)定工作，能夠輸出最大1A的輸出電流。在電路的設(shè)計(jì)過程中，還需要考慮電機(jī)對(duì)電池電壓的影響。車模在連續(xù)的加減速過程或啟動(dòng)過程都會(huì)使電車電壓突然下降，雖然這只是瞬間響應(yīng)，但是足以使單片機(jī)復(fù)位。為解決上述現(xiàn)象，須在電路中加入大的電容，使電路穩(wěn)定。比賽規(guī)則中限制了電容的使用，極品飛車

25、2號(hào)的電容分配如下：各邏輯電路、單片機(jī)使用電容容量為小于100微法，5V電源使用113.7微法，電池兩端使用1000微法。極品飛車2號(hào)總電容使用量小于2200微法，符合比賽規(guī)則要求。 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與控制方案第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與控制方案極品飛車2號(hào)的軟件部分主要包括：路徑識(shí)別、方向控制、速度測量和速度控制四個(gè)模塊。這里先介紹了總程序流程，然后重點(diǎn)介紹了紅外傳感器陣列圖像信息的數(shù)據(jù)采集與處理軟件設(shè)計(jì)流程圖。4.1、程序流程圖軟件流程可以分為以下幾部分：初始化，得到路況偏差并轉(zhuǎn)化為角度偏差，根據(jù)角度偏差控制舵機(jī)，根據(jù)角度偏差和當(dāng)前速度控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速和制動(dòng),如圖4.1。圖4.1 總程序流程

26、圖總程序中的圖像采集環(huán)節(jié)的處理軟件流程如圖4.2。圖4.2 紅外傳感器陣列采集與處理流程圖4.2、控制方案極品飛車2號(hào)的控制方法在設(shè)計(jì)中遵循了簡單、有效、快速的原則，所有的控制規(guī)律都用線性方程表示，且各系統(tǒng)之間存在互相制約關(guān)系4.2.1、圖像采集為了提高賽道信息的采集精度，我們將紅外傳感器的輸出電壓經(jīng)過一級(jí)跟隨器后，直接用單片機(jī)內(nèi)自帶A/D采集，然后通過傳感器實(shí)時(shí)采集的電壓與初始化后的電壓閾值進(jìn)行比較運(yùn)算，得到精確的偏差信號(hào)，進(jìn)行路況判斷。為了提高系統(tǒng)對(duì)不同賽道、不同光線環(huán)境下的適應(yīng)能力，我們沒有設(shè)定傳感器輸出電壓的閾值，而是在每次上道時(shí)，先進(jìn)行初始化，將每個(gè)傳感器采集到黑線和白色跑道時(shí)的電壓

27、記錄下來，放入寄存器，求出電壓最大值和最小值之間的差值作為閾值，與預(yù)設(shè)閾值的方案相比，這種方案避免了更換比賽場地所造成的環(huán)境因素的影響，同時(shí)也避免了各傳感器輸出電壓不同所造成的影響。運(yùn)行時(shí)，將各個(gè)傳感器返回的電壓值與閾值電壓進(jìn)行比較，用比較值來控制舵機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明，此種方案效果很好。4.2.2、圖像處理方案初始化時(shí)，將賽車放置在跑道上左右移動(dòng)幾次，使每個(gè)接收管都能檢測到黑線和白色跑道，檢測到黑線和白色跑道時(shí)記錄下的電壓即為接收管返回電壓的最大值和最小值。將二值做差，求出接收管電壓閾值，完成初始化。賽車在行進(jìn)時(shí)，檢測每個(gè)接收管的電壓，將每次檢測到的管電壓放入數(shù)組中記錄下來，以此為依據(jù)求出黑線相對(duì)于

28、車體的位置。電壓最高的接收管即為檢測到黑線的接收管，并與上一次記錄的各管電壓值比較，若管電壓最大的接收管與前一時(shí)刻不同，則說明賽車進(jìn)入彎道。根據(jù)管電壓最大接收管位置的變化情況，可求出賽道的走勢，并以此信息控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向。由于賽道上有半圓型彎道，所以會(huì)出現(xiàn)所有接收管同時(shí)檢測不到黑線的情況，此時(shí)若不加以判斷，則賽車必將沖出跑道。此時(shí)我們采用的方法為：將各個(gè)管進(jìn)行標(biāo)號(hào)，從左到右的管標(biāo)號(hào)為1到10。由于檢測到黑線的管會(huì)隨著賽道的走勢而連續(xù)變化，故當(dāng)所有接收管同時(shí)檢測不到黑線是時(shí)，若前一時(shí)刻是做左側(cè)的接收管檢測，則此時(shí)舵機(jī)向左轉(zhuǎn)最大值；反之亦然。4.2.3、 雙系統(tǒng)耦合關(guān)系處車輛在變速行駛過程中，幾乎所有

29、的參數(shù)都要隨著速度的變化而變化，同時(shí)，駕駛方法也要隨之變化，才能應(yīng)對(duì)各種緊急狀況。極品飛車2號(hào)也是如此。速度環(huán)和位置環(huán)存在明顯的耦合關(guān)系，他們的參數(shù)之間互相影響，互相制約。對(duì)于速度環(huán)，該控制系統(tǒng)的輸入來自位置環(huán)，極品飛車2號(hào)的速度環(huán)的輸入由位置環(huán)中的微分項(xiàng)計(jì)算得出速度環(huán)輸入期望最高車速*位置環(huán)微分項(xiàng)該算式中通過試驗(yàn)獲得，期望最高車速為車模的直線最高行駛速度，速度換的輸出為實(shí)際車速，實(shí)際車速?zèng)Q定位置換的PID算式參數(shù)；對(duì)于位置環(huán)，輸入來自紅外傳感器陣列，但是PID算式的參數(shù)需要隨著速度的改變而改變，尤其是微分項(xiàng)，在微分項(xiàng)不變的情況下提高初速，位置環(huán)勢必發(fā)散，這里的解決辦法為將微分系數(shù)Kd改為 K

30、d/車速這樣，隨著速度的提高，微分作用被削弱，使系統(tǒng)能夠始終保持穩(wěn)定，比例項(xiàng)和積分項(xiàng)主要影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，因此無須作上述處理，同時(shí)，微分項(xiàng)經(jīng)過運(yùn)算作為速度環(huán)的輸入。4.2.4、低速和高速調(diào)速方法的改變以及由此帶來的好處為了能讓極品飛車2號(hào)在各種賽道上都有良好的調(diào)速性能，為其設(shè)計(jì)了兩種速度控制方案，或者說是兩種選擇。對(duì)于車模在賽道上行駛，引導(dǎo)線的位置作為位置環(huán)的輸入，位置環(huán)的微分項(xiàng)又是速度環(huán)的輸入的函數(shù)，速度環(huán)的輸出同時(shí)間接影響位置環(huán)的參數(shù)。對(duì)于極品飛車2號(hào)的控制系統(tǒng)，在賽道上并沒有直道和彎道之分，賽道能夠?yàn)檐嚹Ｌ峁┑男畔⒅挥衅?，極品飛車2號(hào)內(nèi)部的控制策略將根據(jù)偏差信號(hào)的變化輸出相應(yīng)的控制信

31、號(hào)，控制車模快速靈活的嚴(yán)格按照比賽規(guī)則沿著賽道前進(jìn)。當(dāng)車模在賽道內(nèi)沿引導(dǎo)線前進(jìn)時(shí)，輸入偏差信號(hào)的穩(wěn)定程度直接決定了車模的可能最高速度。僅對(duì)于偏差e的特征，賽道可分為兩種，一種是直道，另一種是彎道。直道內(nèi)，e的絕對(duì)值較小，且其穩(wěn)定程度較好即直道內(nèi)的微分項(xiàng)較??；在彎道內(nèi)e的絕對(duì)值較大，但同樣較穩(wěn)定，微分項(xiàng)較小。在這兩種情況下，由于偏差信號(hào)e的絕對(duì)值相對(duì)比較穩(wěn)定，也即直道內(nèi)和彎道內(nèi)微分項(xiàng)較小，這時(shí)位置環(huán)的輸出基本保持不變，即舵機(jī)無動(dòng)作，這時(shí)車模可以全速前進(jìn)。當(dāng)車模由直道駛?cè)霃澋阑驈膹澋纼?nèi)使出進(jìn)入直道，這時(shí)的e的大小變化較大即微分項(xiàng)會(huì)出現(xiàn)很大的波動(dòng)，由于舵機(jī)的角度這時(shí)需要從一種穩(wěn)定狀態(tài)變化到另一種穩(wěn)定

32、狀態(tài)，需要消耗一定的時(shí)間，這時(shí)如果仍然全速前進(jìn)，車模就會(huì)在進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)前沖出跑道。所以這時(shí)車模需要減速慢行，以保證舵機(jī)有足夠的相應(yīng)時(shí)間。上述分析中，不斷地補(bǔ)充的各種狀態(tài)下微分項(xiàng)的變化情況，因?yàn)樗桥袛嘬嚹Ｊ欠癜l(fā)生從一穩(wěn)態(tài)行駛狀態(tài)穩(wěn)態(tài)到另一穩(wěn)定行駛狀態(tài)變化過程的標(biāo)志。穩(wěn)定狀態(tài)下，微分始終維持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，當(dāng)引導(dǎo)線特征發(fā)生變化時(shí)，微分項(xiàng)的時(shí)間絕對(duì)值曲線會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大的脈沖，脈沖的大小反映了引導(dǎo)線變化的劇烈程度。如圖5.1所示。圖4.3 微分項(xiàng)絕對(duì)值-時(shí)間曲線示意圖極品飛車2號(hào)的控制方法中，位置環(huán)的微分項(xiàng)作為速度環(huán)的輸入，控制車模的運(yùn)動(dòng)速度，這一過程也是一個(gè)性不定常方程，確定一個(gè)較好的線性方

33、程對(duì)其進(jìn)行大致的估算不失為一種快捷的控制方案。程序中采用了算式期望車速最高限速微分項(xiàng)絕對(duì)值速度進(jìn)行描述，通過調(diào)整的大小可以調(diào)整車模對(duì)賽道變化的敏感程度。4.2.5、PID控制方法在智能控制中的應(yīng)用極品飛車2號(hào)的控制方法為PID控制方法。它由速度閉環(huán)控制和位置閉環(huán)控制兩個(gè)部分組成，以下簡稱速度環(huán)和位置環(huán)。速度環(huán)使用傳統(tǒng)的PI控制算式，為了提高車模對(duì)速度的階躍信號(hào)的快速響應(yīng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用的兩片MC33886，連接方式為腳對(duì)腳并聯(lián)。同時(shí)，算式中的比例系數(shù)Kp被設(shè)置的較大，用以改善電機(jī)的硬度。位置環(huán)負(fù)責(zé)對(duì)車模在賽道中的行進(jìn)位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。使用了PD算式，并作了改進(jìn)。傳統(tǒng)的PD算式中微分項(xiàng)的響應(yīng)時(shí)間僅為一

34、個(gè)采樣周期，可能還沒有達(dá)到好的控制效果時(shí)，微分輸出已經(jīng)消失。車模在高速行駛過程中，需要靈活的應(yīng)對(duì)各種路況，這就需要在低速狀態(tài)下具有快速的轉(zhuǎn)向性能。因此對(duì)微分部分進(jìn)行改進(jìn)是十分必要的。具體改進(jìn)方法在第三節(jié)將詳細(xì)敘述。3 PID控制算法及其改進(jìn)形式的應(yīng)用4.3.1、PID控制算法PID 控制是工業(yè)過程控制中歷史最悠久，生命力最強(qiáng)的控制方式。這主要是因?yàn)檫@種控制方式具有直觀、實(shí)現(xiàn)簡單和魯棒性能好等一系列的優(yōu)點(diǎn)。位置式PID算式連續(xù)控制系統(tǒng)中的PID控制規(guī)律是 4.1式中：比例增益，的倒數(shù)稱為比例帶；：積分時(shí)間常數(shù)；：微分時(shí)間常數(shù)；：控制量；：偏差，等于給定量與反饋量的差。其中是偏差信號(hào)為零時(shí)的控制作

35、用，是控制量的基準(zhǔn)；利用外接矩形法進(jìn)行數(shù)值積分，一階后向差分進(jìn)行數(shù)值微分，當(dāng)選定采樣周期為T時(shí)，式4.1可離散為下面的差分方程 4.2增量式PID算式。根據(jù)式4.2得出 4.3于是 4.4式4.3的計(jì)算結(jié)果，反映了第k和第k1次輸出之間的增量，所以稱為增量算式。這個(gè)算式的結(jié)果是可正可負(fù)的。利用增量算式控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次只增加一個(gè)增量，因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)起了一個(gè)累加的作用。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說，位置和增量式兩種算式并無本質(zhì)區(qū)別，只是將原來全部由計(jì)算機(jī)完成的工作，分出一部分由其他元件去完成。然而，雖然增量式算式只是算法上的一點(diǎn)改進(jìn)，卻帶來了不少優(yōu)點(diǎn)：算式只與最近幾次采樣值有關(guān)，不需要進(jìn)行累加，不易引

36、起誤差累積，因此容易獲得較好的控制效果。計(jì)算機(jī)只輸出增量，誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可加邏輯保護(hù)，限制或禁止故障時(shí)的輸出。手動(dòng)于自動(dòng)切換時(shí)，由于步進(jìn)電機(jī)具有保持作用，所以容易實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換，機(jī)器故障時(shí)，也可以把信號(hào)保持在原位。由于增量算式有上述優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際控制中，應(yīng)用得比位置式更為廣泛。式4.4還可進(jìn)一步改寫為 4.5其中： 4.6 4.7 4.8于是編程和計(jì)算可以得到進(jìn)一步的簡化。4.3.2、積分飽和及其抑制控制系統(tǒng)在開工、停工，或者大幅度提降給定值等情況下，系統(tǒng)輸出會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。這種較大的偏差，不可能在短時(shí)間內(nèi)消除，經(jīng)過積分項(xiàng)積累后，可能會(huì)使控制量x（k）很大，甚至超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)由機(jī)械或物理

37、性能所決定的極限。當(dāng)負(fù)偏差的絕對(duì)值較大時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)的另一種極端情況。顯然，當(dāng)(或)時(shí)，控制量并不能真正取得計(jì)算值，而只能取或,所以控制作用必然不及計(jì)算值理想，從而影響控制效果。下面以給定值突變?yōu)槔f明：假定設(shè)定值從0突變到R。首先假定執(zhí)行機(jī)構(gòu)不存在極限，則當(dāng)有R突變量時(shí)，便產(chǎn)生很大的偏差e，從而使控制量很大，輸出量c因此很快上升。然而在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，由于e保持很大，因此控制量x保持上升。只有當(dāng)e減小到某個(gè)值后，x才不再增加，然后開始下降。當(dāng)c等于R時(shí)，由于控制作用x很大，所以輸出量繼續(xù)上升，使輸出量出現(xiàn)超調(diào)，e變負(fù)，于是使積分項(xiàng)減少，x因此下降較快。當(dāng)c下降到小于R時(shí)，偏差又變正，于是x又有

38、所回升。之后，由于c趨向穩(wěn)定，因此x趨向于。但是x是存在極限值的，因此當(dāng)設(shè)定值突變時(shí)，x只能取。在的作用下，系統(tǒng)輸出將上升，但不及在計(jì)算值x下作用迅速，從而使e在較長時(shí)間內(nèi)保持較大的正值，于是又使積分項(xiàng)有較大的積累值。當(dāng)輸出達(dá)到設(shè)定值后，控制作用使它繼續(xù)上升。之后，e變負(fù)，不斷減小，可是由于前面積累得太多，只有經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間后，才可能使而使系統(tǒng)回到正常的控制狀態(tài)?？梢?，主要是由于積分項(xiàng)的存在，引起了PID運(yùn)算的“飽和”，因此這種飽和稱為積分飽和。積分飽和增加了系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間和超調(diào)量，稱為“飽和效應(yīng)”，對(duì)控制系統(tǒng)顯然是不利的。有許多克服積分飽和的方法，這里介紹應(yīng)用較多的兩種方法。積分分離法。將

39、4.2式改寫為 4.9其中：為門限電壓式4.9稱為積分分離PID算式。其控制思想是，當(dāng)偏差大于某個(gè)規(guī)定的門限值時(shí)，刪去積分作用，從而使不至于過大。只有當(dāng)較小時(shí)，才引入積分作用，以消除靜差。引入積分分離后，控制量不易進(jìn)入飽和區(qū)，即使進(jìn)入了也能較快退出，所以系統(tǒng)的輸出特性比單純PID控制得到改善。門限值的選取，對(duì)克服積分飽和有重要影響，門限值可通過試驗(yàn)確定。遇限削弱積分法。遇限削弱積分法的思想是，當(dāng)控制量進(jìn)入飽和區(qū)后，只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的累加，而不進(jìn)行增大積分項(xiàng)的累加。為此計(jì)算x(k)時(shí)，先判斷x(k-1)是否超過或，若已超過，值累計(jì)負(fù)偏差；若小于，只累計(jì)正偏差。這種方法也可避免控制量長時(shí)間停留在飽

40、和區(qū)。和位置算式相比，增量式算法沒有累加和式，因此不會(huì)由于積分項(xiàng)引起飽和。但是在增量算式中，當(dāng)給定值突變時(shí)，比例微分項(xiàng)的計(jì)算值也可能引起控制量超過極限值的情況，從而減慢系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程。4.3.3、PID算法的其他改進(jìn)形式對(duì)于干擾除了采用抗干擾措施，進(jìn)行硬件軟件濾波外，還可以通過對(duì)PID算法進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步克服干擾的影響。在PID算式中，差分項(xiàng)(特別是二階差分項(xiàng))對(duì)數(shù)據(jù)誤差和干擾特別敏感，因此在數(shù)值PID控制中，干擾主要是通過微分項(xiàng)起影響的。但是由于微分作用的重要性，不能因噎廢食，去掉微分項(xiàng)。通常是用四點(diǎn)中心差分法，或采用不完全微分的PID算式，對(duì)微分項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)，降低其對(duì)干擾的敏感程度。四點(diǎn)中心

41、差分法。在四點(diǎn)中心差分法中，一方面將取得略小于理想情況；另一方面，在組成差分時(shí)，不是直接引用現(xiàn)實(shí)偏差，而是用過去四個(gè)時(shí)刻的偏差的平均值作基準(zhǔn)。 4.10在通過加權(quán)平均和構(gòu)成近似微分項(xiàng) 4.11將式4.11代替式4.2中的微分項(xiàng)，就得到修正后的PID算法 4.12其中：PID增量算式的改進(jìn)形式，可用和式4.12相應(yīng)的式子代替式4.4中的差分項(xiàng)及二階差分項(xiàng)而得 4.13不完全微分的PID算式。不完全算法的思想是依照模擬調(diào)節(jié)器的實(shí)際微分調(diào)節(jié)器，以克服完全微分的缺點(diǎn)。不完全微分的PID算法的傳遞函數(shù) 4.14其中稱為微分增益不完全微分的PID位置算式為 4.15式中：其中是偏差為0時(shí)的控制作用。不完全

42、微分的PID增量算式為 4.16將完全PID算式和不完全微分型PID算式的控制作用比較，在發(fā)生階躍變化時(shí)，完全微分作用自在擾動(dòng)發(fā)生的一個(gè)周期內(nèi)起作用；而不完全微分作用按指數(shù)規(guī)律逐漸衰減到零，可以延續(xù)幾個(gè)周期。延續(xù)時(shí)間的長短與的選取有關(guān)，大，延續(xù)時(shí)間短；小，延續(xù)時(shí)間長。一般取1030。從改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的角度看，不完全微分的PID算式較好。因此在控制質(zhì)量要求較高的場合，常采用不完微分的PID算法。當(dāng)然，完全微分型算式比較簡單，系數(shù)設(shè)置方便，計(jì)算過程占用的內(nèi)存也少。不完全微分算式則相反。4.3.4、針對(duì)智能車的PID算法改進(jìn)極品飛車2號(hào)的控制算法中，速度環(huán)和位置環(huán)都采用的PID控制方法。速度環(huán)使用

43、的是基本的PI算式，在積分項(xiàng)處理上，積分項(xiàng)智能在積分限內(nèi)變化。整個(gè)控制算式的比例系數(shù)Kp較大，給調(diào)速系統(tǒng)帶來較好的相應(yīng)速度，雖然在空載下調(diào)節(jié)時(shí)間較長，但是車模本身對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)來說是一個(gè)很大的慣性負(fù)載，系統(tǒng)的帶載特性的調(diào)節(jié)時(shí)間主要取決于電池的供電能力。對(duì)于速度環(huán)，由于需要對(duì)高速行駛過程中突然出現(xiàn)的大的微分信號(hào)即賽道的特性發(fā)生變化說出快速的相應(yīng)，因此不僅需要對(duì)積分部分加入積分限，還要有一個(gè)性能穩(wěn)定的微分項(xiàng)的支持。微分項(xiàng)的作用是獲知e的變化趨勢，以提前做出反映。那么通過增大舵機(jī)的連桿長度和增加前瞻距離達(dá)到同樣的效果，相當(dāng)于給系統(tǒng)增加兩個(gè)固有的微分環(huán)節(jié)。第五章 機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整第五章 機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整為了增加

44、智能車的可控性和動(dòng)力性能，對(duì)智能車做了如下的機(jī)械調(diào)整。5.1、 舵機(jī)的改造極品飛車2號(hào)的平均速度很大程度上取決于其在通過彎道時(shí)的最高速度。其中，提高舵機(jī)的響應(yīng)速度進(jìn)而提高前輪轉(zhuǎn)向速度是關(guān)鍵。為解決這個(gè)問題我們采取的方法如下：在舵機(jī)的輸出盤上裝一個(gè)較長的輸出臂，將轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿連接在輸出臂末端。這樣就可以在舵機(jī)輸出較小轉(zhuǎn)角下，取得較大的前輪轉(zhuǎn)角，從而提高了整個(gè)車模轉(zhuǎn)向控制的速度。如圖7.1所示 圖7.1 舵機(jī)結(jié)構(gòu)調(diào)整5.2、 底盤高度及輪距調(diào)整按照車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，降低底盤離地間隙，能夠提高形式穩(wěn)定性并減小側(cè)滑。但是跑道中加入了坡路，則需考慮智能車的通過性，適當(dāng)?shù)靥岣吡说妆P高度。同時(shí)增大后輪距也能減小

45、智能車的側(cè)滑。5.3、 減輕重量車模在整個(gè)競賽過程中，加速加速度和減速加速度的大小將直接決定車模在全程中的平均速度，要想提高車速就必須提高這兩個(gè)加速度。在硬件系統(tǒng)確定的情況下，欲提高車模的加速度，最直接的辦法就是降低車模的重量。極品飛車2號(hào)在降低重量方面的操作原則為在不違反比賽規(guī)則和不影響正常行駛的情況下，減輕所用材料的重量，拆除所有多余零件，同時(shí)不安裝無用零件。如車模前端的防撞桿、后部的部分安裝支架都拆除了；除電路板和紅外傳感器沒有安裝任何其他零件。在電路板的設(shè)計(jì)過程中，為了減少車體的重量，在保證正常工作的情況下，采用的最簡單的電路和最少的元器件。同時(shí)，在電源及驅(qū)動(dòng)部分，為了不安裝散熱片，對(duì)

46、功率集中的器件群進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)，使其散熱量降低。在布局上，使用的雙面緊湊布局的方法，最大限度上減小電路板的面積，減輕重量。5.4、 重心調(diào)整車輛重心的前后方向調(diào)整，對(duì)智能車行駛性能有很大影響。按照車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，車身重心前移，會(huì)增加轉(zhuǎn)向，但會(huì)降低轉(zhuǎn)向的靈敏度，同時(shí)降低后輪的抓地力；重心后移，會(huì)減少轉(zhuǎn)向，但會(huì)增大轉(zhuǎn)向靈敏度，后輪抓地力也會(huì)增加。因而調(diào)整合適的車體重心，讓智能車更加適應(yīng)跑道是很關(guān)鍵的。根據(jù)實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，鑒于當(dāng)前舵機(jī)響應(yīng)較遲緩，因此，需要將車的重心前移，增加轉(zhuǎn)向性能。5.5、 前輪定位現(xiàn)代汽車在正常行使中，為了使汽車直線行使穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向后能自動(dòng)會(huì)正，并減少輪胎和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零件的

47、磨損等，在轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向節(jié)和前軸之間須形成一定的安裝位置，叫車輪定位，其主要定位參數(shù)包括：主銷后傾、主銷內(nèi)傾、車輪外傾和前束。本次比賽中的所使用的車模的這四個(gè)參數(shù)均可調(diào)整。各定位參數(shù)的作用如下：1、主銷后傾角汽車在車輪偏轉(zhuǎn)后，會(huì)產(chǎn)生一回正力矩，糾正車輪的偏轉(zhuǎn)。欲使車模轉(zhuǎn)向靈活，主銷后傾角可設(shè)定為0。同時(shí)過大的主銷后傾角會(huì)使轉(zhuǎn)向沉重，由于車模舵機(jī)性能偏軟，主銷后傾角會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向性能帶來不利的影響。極品飛車2號(hào)主銷后傾角為0；2、主銷內(nèi)傾角主銷內(nèi)傾角也會(huì)使車輪具有自動(dòng)回正的作用，當(dāng)轉(zhuǎn)向輪在外力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，由于主銷內(nèi)傾角的原因，車輪連同整個(gè)車模的前部將被抬起一定的高度，當(dāng)外力消失后，車輪就會(huì)在重力

48、作用下，回復(fù)到原來的中間位置。極品飛車2號(hào)的主銷內(nèi)傾角也為0；3、前輪外傾角前輪外傾角一方面可以在車模重載時(shí)減小主銷與襯套、輪轂與軸承等處的裝配間隙，使車輪接近垂直路面而滑動(dòng)，同時(shí)減小轉(zhuǎn)向阻力，使車模轉(zhuǎn)向輕便；另一方面還可防止由于路面對(duì)車輪垂直反作用力的軸向分力壓向輪轂外端的軸承，減小軸承及其鎖緊螺母的負(fù)荷，從而增加這些零件的使用壽命，提高車模的安全性。由于車模用于競賽，負(fù)載較輕，極品飛車2號(hào)的前輪外傾角設(shè)定為0；4、前輪前束為了減小由于前輪外傾帶來的轉(zhuǎn)向輪的磨損，前輪前束應(yīng)該與前輪外傾角配合。極品飛車2號(hào)的前輪前束因此設(shè)定為0。綜上，為了提高車模的轉(zhuǎn)向靈活性，并沒有對(duì)前輪進(jìn)行機(jī)械調(diào)整。由于沒

49、有會(huì)正力矩，當(dāng)車模在直線行駛中，將主要靠舵機(jī)對(duì)前輪的轉(zhuǎn)角進(jìn)行束縛，并通過位置閉環(huán)控制，使轉(zhuǎn)角穩(wěn)定。第六章 系統(tǒng)測試與分析在智能車制作完成后，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)小車進(jìn)行測試，其中最重要的是對(duì)控制算法的改進(jìn)。通過不斷的實(shí)驗(yàn)，做了很多修改，小車的性能得到了一定的提高。6.1 實(shí)驗(yàn)測試6.1.1、測試環(huán)境簡介測試跑道如圖6.1。具體參數(shù)為：跑道全長46m，最大半徑600mm，最小半徑300mm。由直道、彎道和蛇形道由三種路況構(gòu)成。 圖6.1 測試跑道 圖6.2 測試跑道 6.1.2、測試結(jié)果經(jīng)過不斷測試與改進(jìn)算法，目前智能車跑完全程需19s，平均速度2.41m/s。6.1.3、測試中出現(xiàn)的問題及解決1

50、)MC33886發(fā)熱問題智能車在運(yùn)行一段時(shí)間后驅(qū)動(dòng)芯片MC33886會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，這是因?yàn)樗膬?nèi)阻較大，電機(jī)頻繁地加速或減速使MC33886負(fù)荷增大，導(dǎo)致芯片嚴(yán)重發(fā)熱。為了解決這個(gè)問題，我們使用了兩片MC33886并聯(lián)的方法來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 2)制動(dòng)問題剛開始調(diào)試時(shí)，智能車在過彎時(shí)總超調(diào)，甚至沖出跑道。后來發(fā)現(xiàn)，只需要修改部分算法即可實(shí)現(xiàn)入彎時(shí)的提前減速。另外比賽中規(guī)定，在終點(diǎn)處需自動(dòng)剎車，此時(shí)只需對(duì)終點(diǎn)標(biāo)記加以判斷，電機(jī)停轉(zhuǎn)即可。 3）在舵機(jī)控制算法上優(yōu)化，使之過彎道走內(nèi)彎、S型曲線直接沖過，其中心目的就是使賽車少走彎道，縮短行駛距離。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中曾發(fā)現(xiàn)，如果不進(jìn)行控制算法的優(yōu)化，單純?cè)黾淤愜?/p>

51、的直線速度并不總是能縮短單圈的時(shí)間，因?yàn)樗俣瓤斓揭欢ǔ潭群螅愜囋谶^彎時(shí)將發(fā)生側(cè)滑，賽車走過的距離增加了，抵消了速度增加帶來的優(yōu)勢。4）記憶算法。如果能夠事先知道賽道的形狀，我們甚至可以不用尋線傳感器而就能完成比賽?；诩榷ōh(huán)境的控制顯然要比環(huán)境未知的控制來的簡單，效果要好。但是比賽賽道在比賽前是不對(duì)外公開的，于是就有了這么一種可能：賽車行駛第一圈時(shí)把賽道情況記錄下來，第二圈就相當(dāng)于是在既定環(huán)境中進(jìn)行控制了。讓賽車把賽道情況記錄下來并不難，難的是如何確保記錄準(zhǔn)確性，以及如何根據(jù)記錄選擇控制策略。因?yàn)楸荣惖膶?shí)質(zhì)是一種尋優(yōu)，這種尋優(yōu)包括對(duì)路徑的尋優(yōu)和對(duì)速度的尋優(yōu)，但不是二者簡單的相加，二者之間存在

52、著一定的約束關(guān)系。由于實(shí)際的對(duì)象非常復(fù)雜，而算法不可能太復(fù)雜，所謂的“最優(yōu)”幾乎是難以實(shí)現(xiàn)的，我們只能退而求其次，只要求達(dá)到“更優(yōu)”就可以了。由于賽車初圈記憶的準(zhǔn)確性難以保證，第二圈基于記憶的控制策略是存在一定風(fēng)險(xiǎn)的。特別是賽車在比賽場地上很難對(duì)自己進(jìn)行全面的定位，更難以對(duì)整個(gè)賽道進(jìn)行整體的把握，所以路徑尋優(yōu)十分困難。相比之下，速度的尋優(yōu)容易一些，只要知道前方彎道的大體位置就可以進(jìn)行針對(duì)性的加速和減速。6.2 智能車主要技術(shù)參數(shù)改造后智能車的主要技術(shù)參數(shù)如表6.1所示：表6.1 極品飛車2號(hào)參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)車模幾何尺寸（長、寬、高）（毫米）390255170車模軸距/輪距（毫米）200/145車模

53、平均電流（勻速行駛）(毫安)2000電路電容總量（微法）約1300傳感器種類及個(gè)數(shù)紅外傳感器10；光電碼盤1伺服電機(jī)個(gè)數(shù)1賽道信息檢測空間精度（毫米）1賽道信息檢測頻率（次/秒）1000除MC9S12DG128之外其它主要芯片MC33886，LM2940，OP07，車模重量（帶有電池）（千克）13第七章 結(jié)論本設(shè)計(jì)基于自動(dòng)控制原理PID理論，利用圖像采集模塊得到的路況信息使智能車實(shí)現(xiàn)循跡跟蹤，采用PWM技術(shù)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。裝備紅外傳感器陣列，直線與普通彎道的識(shí)別均可以達(dá)到預(yù)期的效果。通過測試，經(jīng)過改進(jìn)的循線競速智能車性能有了顯著提高。目前極品飛車2號(hào)還存在以下幾點(diǎn)需要進(jìn)一步解決：一是小型

54、蛇形道不能直沖，若想再往上提高速度，這個(gè)問題就顯得很突出，這就需要今后在圖像采集方式和算法處理上加以改進(jìn)；二是對(duì)上下坡判別不準(zhǔn)，容易造成智能車在上下坡時(shí)運(yùn)行不穩(wěn)定，造成翻車，這需要在路徑識(shí)別上加入新的想法，這也正是下一步工作的一個(gè)重點(diǎn)；三是車在直道加速后急轉(zhuǎn)彎時(shí)車的前輪上下跳動(dòng)，這需要今后在機(jī)械結(jié)構(gòu)上不斷的調(diào)試與改進(jìn)。參考文獻(xiàn)1 卓晴.黃開勝.邵貝貝.學(xué)做智能車挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.3.2 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.3 陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.4 邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)

55、用的在線開發(fā)方法.北京：清華大學(xué)出版社，2004.5 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)（第三版）. 北京：清華大學(xué)出版，2007.6 馬鐘梅.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì).北京:北京航空航天大學(xué)版社，1999.7 Freescale Semiconductor, Inc. MC9S12DG128 Device User Guide.8 /PAGE xi附錄A：智能車實(shí)物照片 附錄B：程序源代碼#include includes.h/=START/*位置PID調(diào)節(jié)*/#define Ki_p 0#define Kp_p 9/20#define Kd_p 20/18/* ENDvoid Va_0(char);/加

56、速void Va_1(char);/減速void Va_2(char);/減速void Va_3(char);/減速void fun0(void);void fun1 (void);void fun2(void);void fun3(void);void fun4(void);void fun5(void);void fun6(void);void delay2(int x);#define cycle 2 /圈數(shù)void startpointIdentify()/起始識(shí)別/*起始點(diǎn)識(shí)別*/char RaceS1 = RWS0+RWS9+RWS1+RWS8+RWS2+RWS7;char Rac

57、eS2 = RWS0+RWS1+RWS2+RWS3+RWS4+RWS5+RWS6+RWS7+RWS8+RWS9;if(RaceS1=6)&(!WB)/ RaceS1=6保證是正向通過，（!WB）WB=1; /出發(fā)點(diǎn)判斷打開Pulse=0; /開始記判斷距離if(RaceS2=10)&(WB=1)&(!WBOff)/若RaceS2值為10表示通過的事交叉線WBOff=1; /WBOff=1表示通過的是十字交叉線；if(Pulse=5000)&(WB=1)/判斷距離是5000個(gè)碼盤脈沖，計(jì)數(shù)結(jié)束后進(jìn)入最終判斷，同時(shí)初始化數(shù)據(jù)以便下一次判斷；if(WBOff=0)+Start; /Start表示經(jīng)過

58、出發(fā)點(diǎn)的次數(shù)；elseStart=Start;WBOff=0;WB=0;Pulse=0;/PORTA=Start;if(Start=cycle+1) WB1=1; if(Pulse=5000) WB1=0; Pulse=0; /DstV=0; stop_flag = 0; /delay2(10000); /* ENDbyte aa;int e,es=0;int ee10;int cach201;int DstV = 0;char flag_0;char flag_y; char stop_flag = 1;char a_flag;void SystemInit() flag_0 = -1; C

59、RGInit(); ECTInit();/使能脈沖計(jì)數(shù)器 ATDInit(); PWMInit(); PWME=0Xaa; /使能PWM輸出 DDRA = 0 x00; EnableInterrupts; DDRB = 0 xff; /PORTB = 0 x55; ADvalueInit();/ 初始化 char RWS10; /為全局布爾數(shù)組char WBOff=0,WB=0,WB1=0; /為全局布爾數(shù)int Pulse=0; /為型全局變量char Start=0; /經(jīng)過起始點(diǎn)次數(shù)，為全局變量 void startpointIdentify();void main(void) Syst

60、emInit(); DstV =108; flag_0 = 0; for(;) if(flag_0=2) biliY(); chushihua();/計(jì)算ie cache_replace(); ie=-ie; /反向加到舵機(jī)上 cach0=(int)(ie*100); /處理完所有數(shù)據(jù)， ee0 = cach0*Kp_p; e = cach0*Kp_p+(cach0-cach7)*Kd_p;/ /70*CurrentSpeed; if(e600) e=600; if(e200) DstV = 0; for(;) PWMDTY45 = 4400; startpointIdentify(); /起