FreescaleSmartCar智能車設(shè)計(jì)競(jìng)賽課件

第1章智能汽車設(shè)計(jì)導(dǎo)論1.1智能汽車

11.2國(guó)外智能汽車設(shè)計(jì)競(jìng)賽

21.3中國(guó)大學(xué)生智能汽車設(shè)計(jì)競(jìng)賽

3第1章智能汽車設(shè)計(jì)導(dǎo)論1.1智能汽車1.1.1智能汽車設(shè)計(jì)的意義及研究?jī)?nèi)容1.1.2智能汽車設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵1.1.1智能汽車設(shè)計(jì)的意義及研究?jī)?nèi)容智能汽車的體系結(jié)構(gòu)智能汽車的信息采集、處理及傳輸智能汽車的自動(dòng)控制系統(tǒng)智能汽車的通信系統(tǒng)智能汽車的導(dǎo)駛定位技術(shù)智能汽車的電源系統(tǒng)智能汽車的研究意義21世紀(jì)的汽車概念將發(fā)生根本性的變化?，F(xiàn)在的“汽車”是帶有一些電子控制的機(jī)械裝置，將來(lái)的“汽車”將轉(zhuǎn)變?yōu)閹в幸恍┹o助機(jī)械的機(jī)電一體化裝置，汽車的主要部分不再僅僅是個(gè)機(jī)械裝置，它正向消費(fèi)類電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)移。同時(shí)，智能汽車在傳統(tǒng)汽車上配備了遠(yuǎn)程信息處理器、傳感器和接收器，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)獲取前方交通狀況信息，引導(dǎo)汽車加速或減速。這樣，汽車就能更為平穩(wěn)地行駛，避免不斷剎車、啟動(dòng)的動(dòng)作，以降低油耗。隨著汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)的汽車工業(yè)將面臨著巨大的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)，開展智能汽車技術(shù)的研究與開發(fā)工作具有重要意義。智能汽車的體系結(jié)構(gòu)智能汽車的體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須包含實(shí)現(xiàn)用戶功能的全部子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。智能汽車的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該闡述這種車輛的結(jié)構(gòu)體系，列出用戶服務(wù)功能，定義實(shí)現(xiàn)用戶服務(wù)功能的各個(gè)子系統(tǒng)。研究各個(gè)子系統(tǒng)之間的通信方式和組織方式。智能汽車的信息采集、處理及傳輸信息就是智能汽車的靈魂，智能汽車將用實(shí)時(shí)的、全面的、有效的信息流來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。因此，研究智能汽車系統(tǒng)的信息環(huán)境模型、信息處理方法與技術(shù)、高效的信息傳輸技術(shù)就顯得尤其重要。智能汽車的自動(dòng)控制系統(tǒng)越來(lái)越多的交通問(wèn)題專家認(rèn)為，交通系統(tǒng)的諸多問(wèn)題的根源就出在駕駛員身上。駕駛員的技術(shù)水準(zhǔn)、法制觀念、身體狀況和對(duì)交通環(huán)境的適應(yīng)能力等因素都直接影響行車的效果，進(jìn)而影響交通系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。解決問(wèn)題的出路在于汽車駕駛的自動(dòng)化，即用自動(dòng)控制器取代駕駛員。由于交通環(huán)境信息的復(fù)雜化和多變性、交通任務(wù)的多樣性等原因，汽車控制策略必須基于智能控制理論來(lái)設(shè)計(jì)。智能汽車的通信系統(tǒng)在智能汽車與智能汽車之間、智能汽車與交通監(jiān)控中心之間、智能汽車與道路附屬設(shè)施之間，都存在著大量信息的實(shí)時(shí)交換。通信子系統(tǒng)是智能汽車系統(tǒng)獲取和傳遞信息的神經(jīng)中樞，必須研究適合于智能汽車信息交換的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式、軟件技術(shù)、傳輸介質(zhì)、編碼糾錯(cuò)技術(shù)等。智能汽車的導(dǎo)駛定位技術(shù)智能汽車導(dǎo)駛定位系統(tǒng)的任務(wù)是對(duì)行駛中的智能汽車進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位，如在車輛內(nèi)顯示目的地的地圖，確定車輛的位置，選擇合適的行車路徑等。同時(shí)，車輛同交通監(jiān)控中心可以通信，使用一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄車輛及途經(jīng)道路的歷史狀況信息，該子系統(tǒng)研究涉及GPS定位技術(shù)、電子地圖技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、顯示技術(shù)以及接口技術(shù)和應(yīng)用軟件技術(shù)等。智能汽車的電源系統(tǒng)汽車的傳統(tǒng)能源以石油為主，隨著世界環(huán)境問(wèn)題的突出顯現(xiàn)，由燃油引發(fā)的交通事業(yè)可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題顯得十分急迫。當(dāng)前，最有可能被成功應(yīng)用于汽車的替代動(dòng)力能源就是電能，電能具有效率高、清潔、易于變換、易于輸送等特點(diǎn)，應(yīng)用于智能汽車系統(tǒng)，前景廣闊，是必然的選擇。但是，電能的大容量?jī)?chǔ)存比較困難，因而將電能應(yīng)用于移動(dòng)的智能汽車系統(tǒng)，還有很多理論和技術(shù)工作有待深入研究。1.1.2智能汽車設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵智能汽車體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)智能汽車的信息采集與處理技術(shù)智能汽車控制策略的設(shè)計(jì)智能汽車導(dǎo)駛定位技術(shù)智能汽車電源研究智能汽車體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)智能汽車體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于：如何根據(jù)智能汽車的性能，劃分智能汽車各個(gè)功能子系統(tǒng)的問(wèn)題，這些子系統(tǒng)之間既相對(duì)獨(dú)立，又存在信息流動(dòng)，共同實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的功能。智能汽車的信息采集與處理技術(shù)汽車在行駛過(guò)程中，必須得到的信息包括車輛自身狀況的信息、道路信息、近鄰行駛汽車的信息及導(dǎo)航定位信息等。這些信息一般被外界噪聲所干擾，如何精確、實(shí)時(shí)、有效地采集到這些信息，并進(jìn)行處理，需要特別研究。智能汽車控制策略的設(shè)計(jì)目前，在智能控制領(lǐng)域內(nèi)，已經(jīng)提出了模糊控制理論、神經(jīng)控制理論、專家控制理論、分層遞階控制理論等智能控制方案。所有這些智能控制策略，其核心思想就是模仿人的思維和行動(dòng)，去完成或部分完成只有人類專家才能完成的控制任務(wù)。設(shè)計(jì)一個(gè)“類人”的汽車控制器，是智能汽車控制策略研究中的終極方案。但由于汽車駕駛?cè)蝿?wù)的復(fù)雜性，研究設(shè)計(jì)這種汽車智能控制器的任務(wù)是十分艱巨的。智能汽車導(dǎo)駛定位技術(shù)智能汽車作為一種自動(dòng)或半自動(dòng)交通工具系統(tǒng)，如何選擇交通路線、如何識(shí)別道路、如何精確實(shí)時(shí)地確定自己的地理位置、如何記錄自己的行車路線等問(wèn)題，是當(dāng)前研究的技術(shù)熱點(diǎn)，而數(shù)字導(dǎo)駛技術(shù)就是解決這些問(wèn)題的綜合方案。從硬件上講，車載計(jì)算機(jī)、控制器、顯示器、數(shù)字地圖、定位系統(tǒng)是必不可少的。車輛數(shù)字導(dǎo)駛技術(shù)研究已經(jīng)取得了一些結(jié)果，但是要完全徹底地解決問(wèn)題，還需要做很多研究。智能汽車電源研究目前，車載動(dòng)力電源的弊端是容量偏小、功率較低、持續(xù)穩(wěn)定工作時(shí)間短，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，智能汽車作為新一代汽車的代表，為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，必須采用電能作為動(dòng)力。但至目前為止，智能汽車動(dòng)力電源仍是一個(gè)有待突破的技術(shù)關(guān)鍵。1.2國(guó)外智能汽車設(shè)計(jì)競(jìng)賽1.2.1美國(guó)智能汽車大賽1.2.2韓國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽1.2.1美國(guó)智能汽車大賽美國(guó)國(guó)防部與民間的大學(xué)、企業(yè)和發(fā)明家聯(lián)合開展了全球領(lǐng)先的智能汽車競(jìng)賽。2007年11月，美國(guó)第三屆智能汽車大賽日前在加利福尼亞州維克托維爾舉行，這是美國(guó)國(guó)防部第三次主辦這樣的大賽。參賽的無(wú)人駕駛汽車的車頂上有旋轉(zhuǎn)的激光器，兩邊有轉(zhuǎn)動(dòng)的照相機(jī)，內(nèi)部安有電腦裝置。這些無(wú)人駕駛汽車完全由電腦控制，利用衛(wèi)星導(dǎo)航、攝像、雷達(dá)和激光，人工智能系統(tǒng)可判斷出汽車的位置和去向，隨后將指令傳輸?shù)截?fù)責(zé)駕駛車輛的系統(tǒng)，絲毫不受人的干涉，用傳感器策劃和選擇它們的路線。參賽的無(wú)人駕駛智能汽車沿著附近公路飛奔。1.2.1美國(guó)智能汽車大賽這次智能汽車比賽的目標(biāo)是對(duì)未來(lái)科學(xué)家的激勵(lì)。大學(xué)、企業(yè)和發(fā)明家們期望制造出通過(guò)洛杉磯和拉斯維加斯間荒地、行程100mile（160km）的自我控制汽車。圖1.1美國(guó)的智能汽車

圖1.1美國(guó)的智能汽車

圖1.1美國(guó)的智能汽車1.2.2韓國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽韓國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽是韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)汽車控制實(shí)驗(yàn)室在飛思卡爾半導(dǎo)體公司資助下舉辦的，以HCS12單片機(jī)為核心的大學(xué)生智能模型汽車競(jìng)賽。組委會(huì)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車模型、直流電機(jī)和可充電式電池，參賽隊(duì)伍要制作一個(gè)能夠自主識(shí)別路線的智能車，在專門設(shè)計(jì)的跑道上自動(dòng)識(shí)別道路行駛，誰(shuí)最快跑完全程而沒(méi)有沖出跑道并且技術(shù)報(bào)告評(píng)分較高，誰(shuí)就是獲勝者。1.2.2韓國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽2000年智能車比賽首先由韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)承辦，每年全韓國(guó)大約有100余支大學(xué)生隊(duì)伍參賽，該項(xiàng)賽事得到了眾多高校和大學(xué)生的歡迎，也逐漸得到了企業(yè)界的關(guān)注。圖1.2韓國(guó)SUNMOON大學(xué)參賽的模型車1.3中國(guó)大學(xué)生智能汽車設(shè)計(jì)競(jìng)賽1.3.1中國(guó)大學(xué)生智能汽車設(shè)計(jì)競(jìng)賽簡(jiǎn)介1.3.2中國(guó)大學(xué)生智能汽車設(shè)計(jì)競(jìng)賽歷程1.3.3中國(guó)大學(xué)生智能汽車設(shè)計(jì)競(jìng)賽的基本規(guī)則1.3.1中國(guó)大學(xué)生智能汽車設(shè)計(jì)競(jìng)賽簡(jiǎn)介我國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽，是在統(tǒng)一汽車模型平臺(tái)上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位微控制器作為核心控制模塊，自主構(gòu)思控制方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括傳感器信號(hào)采集處理、動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制以及控制算法軟件開發(fā)等，完成智能車工程制作及調(diào)試，于指定日期與地點(diǎn)參加各分賽區(qū)的場(chǎng)地比賽，在獲得決賽資格后，參加全國(guó)決賽區(qū)的場(chǎng)地比賽。參賽隊(duì)伍之名次（成績(jī)）由賽車現(xiàn)場(chǎng)成功完成賽道比賽時(shí)間為主、技術(shù)報(bào)告和制作工程質(zhì)量評(píng)分為輔來(lái)決定。1.3.1中國(guó)大學(xué)生智能汽車設(shè)計(jì)競(jìng)賽簡(jiǎn)介每屆比賽的難度依次增加——自2007年開始，比賽中增加了15°的上下坡道；自2008年開始，大賽分為光電與攝像頭兩個(gè)賽題組，在車模中使用透鏡成像進(jìn)行道路檢測(cè)方法屬于攝像頭賽題組，除此之外則屬于光電管賽題組，并增加了終點(diǎn)自動(dòng)停駛功能。圖1.4比賽賽道圖1.3參賽模型車1.3.2中國(guó)大學(xué)生智能汽車設(shè)計(jì)競(jìng)賽歷程第一屆（2006年）：清華大學(xué)第二屆（2007年）：上海交通大學(xué)第三屆（2008年）：東北大學(xué)1.3.3中國(guó)大學(xué)生智能汽車設(shè)計(jì)競(jìng)賽的基本規(guī)則1．有關(guān)模型車改裝的規(guī)定2．有關(guān)賽場(chǎng)的規(guī)定有關(guān)模型車改裝的規(guī)定必須采用統(tǒng)一提供的車模必須采用限定的飛思卡爾16位微控制器MC9S12DG128作為唯一控制處理器車模改裝完畢后，尺寸不能超過(guò)：250mm寬和400mm長(zhǎng)，高度無(wú)限制。有關(guān)賽場(chǎng)的規(guī)定賽道基本參數(shù)：①賽道路面用紙制作，跑道所占面積不大于5000mm×7000mm，跑道寬度不小于600mm；②跑道表面為白色，中心有連續(xù)黑線作為引導(dǎo)線，黑線寬25mm；③跑道最小曲率半徑不小于500mm；④跑道可以交叉，交叉角為90°；⑤賽道為二維水平平面；⑥賽道有一個(gè)長(zhǎng)為1000mm的出發(fā)區(qū)，計(jì)時(shí)起始點(diǎn)兩邊分別有一個(gè)長(zhǎng)度100mm黑色計(jì)時(shí)起始線，賽車前端通過(guò)起始線作為比賽計(jì)時(shí)開始或者比賽結(jié)束時(shí)刻。有關(guān)賽場(chǎng)的規(guī)定初賽賽道實(shí)際布局將在初賽當(dāng)日揭示，在賽場(chǎng)內(nèi)將安排與實(shí)際賽道具有相同材料的局部賽道供參賽隊(duì)進(jìn)行調(diào)試。決賽賽道實(shí)際布局將根據(jù)初賽情況由技術(shù)評(píng)判組和現(xiàn)場(chǎng)裁判組共同商定，并在決賽開賽前1小時(shí)揭示，不再安排賽前試車。圖1.5比賽賽道標(biāo)準(zhǔn)示例（第一屆）第2章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)--硬件第2章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—硬件從外觀上看，智能車系統(tǒng)主要表現(xiàn)為由一系列的硬件組成，包括組成車體的底盤、輪胎、舵機(jī)裝置、馬達(dá)裝置、道路檢測(cè)裝置、測(cè)速裝置和控制電路板等。本章主要介紹智能車設(shè)計(jì)中使用到的傳感器（包括光電式傳感器、圖像傳感器和測(cè)速傳感器等）和控制電路板中的功能電路設(shè)計(jì)。2.1傳感器系統(tǒng)12.2電路設(shè)計(jì)2思考題3第2章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—硬件2.1傳感器系統(tǒng)在工程上，系統(tǒng)中各種物理量都必須轉(zhuǎn)換成一定規(guī)格的信號(hào)（電信號(hào)或氣壓信號(hào)）才能被檢測(cè)、采集和顯示。所謂傳感器，即是將被測(cè)量按照一定的物理或化學(xué)原理轉(zhuǎn)換成某種規(guī)定的輸出信號(hào)的裝置或器件。2.1傳感器系統(tǒng)通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件能夠隨著被測(cè)量的變化而引起某種易被測(cè)量的信號(hào)的變化，而轉(zhuǎn)換元件則將敏感元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分，具體的電量形式取決于敏感元件的原理。除此之外，由于轉(zhuǎn)換元件的輸出信號(hào)一般都很微弱，為方便傳輸、轉(zhuǎn)換、處理及顯示，通常有信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路、輔助電路等，將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大或運(yùn)算調(diào)制。因此，傳感器的組成通常包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路和輔助電路，如圖2.1所示。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)的發(fā)展，傳感器的信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與敏感元件、轉(zhuǎn)換元件等一起集成在同一芯片上，安裝在傳感器的殼體里。2.1傳感器系統(tǒng)圖2.1傳感器組成方框圖圖2.1傳感器組成方框圖2.1傳感器系統(tǒng)智能汽車設(shè)計(jì)中涉及到的傳感器主要有三種：光電式傳感器、圖像傳感器和測(cè)速傳感器。12.1.1光電式傳感器22.1.2圖像傳感器32.1.3測(cè)速傳感器2.1.1光電式傳感器

光電式傳感器是利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。光電式傳感器工作時(shí)，先將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過(guò)光電器件再把光量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量變化，從而實(shí)現(xiàn)非電量的測(cè)量。光電式傳感器的核心（敏感元件）是光電器件，光電器件的基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。2.1.1光電式傳感器光電式傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，可靠性較高，能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的非接觸測(cè)量，因此廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)化儀表中。光電式傳感器可用來(lái)測(cè)量光學(xué)量或測(cè)量已先行轉(zhuǎn)換為光學(xué)量的其他被測(cè)量，然后輸出一定形式的電信號(hào)。在測(cè)量光學(xué)量時(shí)，光電器件是作為敏感元件使用；而測(cè)量其他物理量時(shí)，它是作為轉(zhuǎn)換元件使用。光電式傳感器由光路及電路兩大部分組成，光路部分實(shí)現(xiàn)被測(cè)量信號(hào)對(duì)光量的控制和調(diào)制，電路部分完成從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。圖2.2(a)所示為測(cè)量光量時(shí)的組成框圖，圖2.2(b)所示為測(cè)量其他物理量時(shí)的組成框圖。2.1.1光電式傳感器圖2.2光電式傳感器的基本組成2.1.1光電式傳感器1．光電管的結(jié)構(gòu)與工作原理

光電管有真空光電管和充氣光電管兩類，兩者在結(jié)構(gòu)上比較相似，均由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽(yáng)極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。當(dāng)光照在陰極上時(shí)，中央陽(yáng)極可收集從陰極上逸出的電子，在外電場(chǎng)作用下形成電流。充氣光電管的靈敏度好，但其穩(wěn)定性較差、惰性大，容易受溫度影響。在智能車的光電式傳感器模塊設(shè)計(jì)中，由于要求溫度影響小和靈敏度穩(wěn)定，所以一般都采用真空式光電管。2.1.1光電式傳感器2．主要性能光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時(shí)間、峰值探測(cè)率和溫度特性來(lái)描述。其中，伏安特性、光照特性和光譜特性是選擇光電器件的主要指標(biāo)。

（1）光電管的伏安特性在一定的光照射下，對(duì)光電器件的陰極所加電壓與陽(yáng)極所產(chǎn)生電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。它是應(yīng)用光電式傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。2.1.1光電式傳感器

（2）光電管的光照特性當(dāng)光電管的陽(yáng)極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之比）稱為光電管的靈敏度。

（3）光電管的光譜特性一般對(duì)于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量也不會(huì)相同，即同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。2.1.2圖像傳感器圖像傳感器在智能車設(shè)計(jì)中非常常見。智能車路徑識(shí)別模塊中的攝像頭的重要組成部分就是圖像傳感器。圖像傳感器又稱為成像器件或攝像器件，可實(shí)現(xiàn)可見光、紫外線、X射線、近紅外光等的探測(cè)，是現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎(chǔ)器件。因其能實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴(kuò)展（光譜拓寬、靈敏度范圍擴(kuò)大），能給出直觀、真實(shí)、多層次、多內(nèi)容的可視圖像信息，圖像傳感器在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。2.1.2圖像傳感器

1．CCD圖像傳感器的分類CCD圖像傳感器從結(jié)構(gòu)上可以分為兩類：一類是用于獲取線圖像的，稱為線陣CCD；另一類是用于獲取面圖像的，稱為面陣CCD。（1）線陣CCD圖像傳感器對(duì)于線陣CCD，它可以直接接收一維光信息，而不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)換為一維的電信號(hào)輸出，為了得到整個(gè)二維圖像的輸出，就必須用行掃描的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.1.2圖像傳感器（2）面陣CCD圖像傳感器面陣CCD圖像傳感器的感光單元呈二維矩陣排列，能檢測(cè)二維平面圖像。由于傳輸與讀出方式不同，面陣圖像傳感器有許多類型，常見的傳輸方式有行傳輸、幀傳輸和行間傳輸三種。2．CCD圖像傳感器的特性參數(shù)

CCD圖像器件的性能參數(shù)包括靈敏度、分辨率、信噪比、光譜響應(yīng)、動(dòng)態(tài)范圍和暗電流等，CCD器件性能的優(yōu)劣可由上述參數(shù)來(lái)衡量。2.1.2圖像傳感器

（1）光電轉(zhuǎn)換特性

CCD圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換特性如圖2.3所示。圖中x軸表示曝光量，y軸表示輸出信號(hào)幅值，QSAT表示飽和輸出電荷，QDARK表示暗電荷輸出，ES表示飽和曝光量。

圖2.3CCD光電轉(zhuǎn)換特性2.1.2圖像傳感器由圖2.3可以看出，輸出電荷與曝光量之間有一個(gè)線性工作區(qū)域，在曝光量不飽和時(shí)，輸出電荷正比于曝光量，當(dāng)曝光量達(dá)到飽和曝光量后，輸出電荷達(dá)到飽和值，并不隨曝光量的增加而增加。曝光量等于光強(qiáng)乘以積分時(shí)間，即

(2.1)

式中，為光強(qiáng)；為積分時(shí)間，即起始脈沖的周期。暗電荷輸出為無(wú)光照射時(shí)CCD的輸出電荷。一只良好的CCD傳感器，應(yīng)具有低的暗電荷輸出。2.1.2圖像傳感器

（2）靈敏度和靈敏度不均勻性CCD圖像傳感器的靈敏度或稱為量子效率，標(biāo)志著器件光敏區(qū)的光電轉(zhuǎn)換效率，用在一定光譜范圍內(nèi)單位曝光量下器件輸出的電流或電壓表示。實(shí)際上，圖2.3中CCD光電轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率就是器件的靈敏度，即

(2.2)理想情況下，CCD器件受均勻光照時(shí)，輸出信號(hào)幅度完全一樣。實(shí)際上，由于半導(dǎo)體材料不均勻和工藝條件因素影響，在均勻光照下，CCD器件的輸出幅度出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。2.1.2圖像傳感器

（3）分辨率分辨率是用來(lái)表示分辨圖像中明細(xì)細(xì)節(jié)的能力的。它通常有兩種不同的表示方式：

①極限分辨率。一黑一白兩個(gè)線條稱為一個(gè)“線對(duì)”，透過(guò)對(duì)應(yīng)光的亮度為一明一暗。而極限分辨率是指人眼能夠分辨的最細(xì)線條數(shù)，通常用每毫米線對(duì)數(shù)（1P/mm）來(lái)表示。

②調(diào)制傳遞函數(shù)。每毫米長(zhǎng)度上所包含的線對(duì)數(shù)稱為空間頻率，其單位是1P/mm。設(shè)調(diào)幅波信號(hào)的最大值為最小值為，平均值為，振幅為，如圖2.4所示，定義調(diào)制度M為2.1.2圖像傳感器(2.4)

圖2.4調(diào)制度的定義2.1.2圖像傳感器

調(diào)幅波信號(hào)通過(guò)器件傳遞輸出后，通常調(diào)制度受到的損失減小。一般來(lái)說(shuō)，調(diào)制度隨空間頻率增加而減小。為了客觀地表示CCD傳感器的分辨率，一般采用調(diào)制傳遞函數(shù)（ModulationTransferFunction,MTF）來(lái)表示。MTF的定義為：在各個(gè)空間頻率下，CCD器件的輸出信號(hào)的調(diào)制度與輸入信號(hào)的調(diào)制度的比值，即(2.5)式中，為空間頻率。2.1.2圖像傳感器

MTF能夠客觀地反映CCD器件對(duì)于不同頻率的目標(biāo)成像的清晰程度。隨著空間頻率的增加，MTF值減小。當(dāng)MTF減小到某一值時(shí)，圖像就不能夠清晰分辨，該值對(duì)應(yīng)的空間頻率為圖像傳感器能分辨的最高空間頻率。

（4）CCD的噪聲

CCD的噪聲源可歸納為三類：散粒噪聲、暗電流噪聲和轉(zhuǎn)移噪聲。

①散粒噪聲光注入光敏區(qū)產(chǎn)生信號(hào)電荷的過(guò)程可以看成是獨(dú)立、均勻連續(xù)發(fā)生的隨機(jī)過(guò)程。單位時(shí)間內(nèi)光產(chǎn)生的信號(hào)電荷數(shù)并非絕對(duì)不變，而是在一個(gè)平均值上作微小波動(dòng)，這一微小波動(dòng)的起伏便形成散粒噪聲，又稱為白噪聲。2.1.2圖像傳感器

②暗電流噪聲暗電流噪聲可以分為兩部分：其一是耗盡層熱激發(fā)產(chǎn)生的，可用泊松分布描述；其二是復(fù)合產(chǎn)生中心非均勻分布，特別是在某些單元位置上形成暗電流尖峰。由于器件工作時(shí)各個(gè)信號(hào)電荷包的積分地點(diǎn)不同，讀出路徑也不同，這些尖峰對(duì)各個(gè)電荷包貢獻(xiàn)的電荷量不等，于是形成很大的背景起伏，這就是常稱的固定圖像噪聲的起因。

③轉(zhuǎn)移噪聲轉(zhuǎn)移噪聲產(chǎn)生的主要原因有：轉(zhuǎn)移損失引起的噪聲、界面態(tài)俘獲引起的噪聲和體態(tài)俘獲引起的噪聲。輸出結(jié)構(gòu)采用浮置柵放大器，噪聲最小。2.1.2圖像傳感器3．?dāng)z像頭的工作原理

攝像頭以隔行掃描的方式采樣圖像，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過(guò)圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度對(duì)應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過(guò)視頻信號(hào)端輸出。具體而言（參見圖2.5），攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，就輸出一段連續(xù)的視頻信號(hào)，該電壓信號(hào)的高低起伏正反映了該行圖像的灰度變化情況。當(dāng)掃描完一行，視頻信號(hào)端就輸出一個(gè)低于最低視頻信號(hào)電壓的電平（如0.3V），并保持一段時(shí)間。這樣相當(dāng)于緊接著每行圖像對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)之后會(huì)有一個(gè)電壓“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標(biāo)志。

2.1.2圖像傳感器然后掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場(chǎng)的信號(hào)，接著會(huì)出現(xiàn)一段場(chǎng)消隱信號(hào)。其中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖（簡(jiǎn)稱消隱脈沖），在這些消隱脈沖中，有一個(gè)消隱脈沖遠(yuǎn)寬于其他的消隱脈沖（即該消隱脈沖的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于其他的消隱脈沖的持續(xù)時(shí)間），該消隱脈沖又稱為場(chǎng)同步脈沖，標(biāo)志著新的一場(chǎng)的到來(lái)。攝像頭每秒掃描25幀圖像，每幀又分奇、偶兩場(chǎng)，故每秒掃描50場(chǎng)圖像。2.1.2圖像傳感器圖2.5攝像頭視頻信號(hào)

2.1.2圖像傳感器通常，攝像頭產(chǎn)品說(shuō)明上會(huì)給出有效像素和分辨率，但通常不會(huì)具體介紹視頻信號(hào)行的持續(xù)時(shí)間、行消隱脈沖的持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，而這些參數(shù)又關(guān)系到圖像采樣的時(shí)序控制。因此需要設(shè)計(jì)軟、硬件方法對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。表2.1給出了常見的1/3OmniVisionCMOS攝像頭的時(shí)序參數(shù)，以供參考。

2.1.2圖像傳感器表2.1常見的1/3OmniVisionCMOS攝像頭的時(shí)序參數(shù)

2.1.3測(cè)速傳感器

在智能汽車設(shè)計(jì)中，測(cè)速傳感器的設(shè)計(jì)主要有兩種方案：霍爾傳感器和光電式脈沖編碼器。

1．霍爾傳感器

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理，將電流、磁場(chǎng)、位移、壓力、壓差轉(zhuǎn)速等被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。雖然轉(zhuǎn)換率低、溫度影響大、要求轉(zhuǎn)換精度較高時(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但霍爾傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、堅(jiān)固、頻率響應(yīng)寬（從直流到微波）、動(dòng)態(tài)范圍（輸出電動(dòng)勢(shì)的變化）大、無(wú)觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、可靠性高，以及易于微型化和集成電路化等優(yōu)點(diǎn)。

2.1.3測(cè)速傳感器（1）霍爾效應(yīng)原理金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。如圖2.6所示，假設(shè)薄片為型半導(dǎo)體，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，磁感應(yīng)強(qiáng)度為。在薄片左右兩端通以電流（稱為控制電流），那么半導(dǎo)體中的截流子（電子）將沿著與電流的相反方向運(yùn)動(dòng)。由于外磁場(chǎng)的作用，使電子受到磁場(chǎng)力（洛侖茲力）作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上電子有所積累而帶負(fù)電，前端面則因缺少電子而帶正電，在前后兩個(gè)端面之間形成電場(chǎng)。

2.1.3測(cè)速傳感器圖2.6霍爾效應(yīng)原理圖

2.1.3測(cè)速傳感器這時(shí)，在半導(dǎo)體前后兩個(gè)端面之間（即垂直于電流和磁場(chǎng)的方向）建立的電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)，相應(yīng)的電勢(shì)就稱為霍爾電勢(shì)。利用霍爾效應(yīng)制成的傳感元件稱為霍爾傳感器，的大小正比于控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度，即

(2.6)式中，為霍爾系數(shù)，，其中為載流體的電阻率；為載流子的遷移率；為靈敏度，。若磁場(chǎng)方向與元件平面成角度時(shí)，則作用在元件上的有效磁場(chǎng)是其法線方向的分量，即，則有

(2.7)

2.1.3測(cè)速傳感器由式(2.6)和式(2.7)可以看出，霍爾電勢(shì)的大小正比于控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度，靈敏度表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)輸出霍爾電勢(shì)的大小，一般要求越大越好，元件的厚度d越薄，就越大，所以霍爾元件的厚度都很薄。當(dāng)載流電流材料和幾何尺寸確定后，霍爾電勢(shì)的大小只和控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)，因此霍爾式傳感器可用來(lái)探測(cè)磁場(chǎng)和電流，由此可測(cè)量壓力、振動(dòng)等。2.1.3測(cè)速傳感器（2）霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，由霍爾片、四根引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，從中引出四根引線，其中兩根引線上施加激勵(lì)電壓或電流，稱為激勵(lì)電極（控制電極），另外兩根引線稱為霍爾輸出引線，又稱為霍爾電極?；魻栐臍んw是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。

（3）霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖2.7是三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過(guò)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目多少，就可以確定傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。2.1.3測(cè)速傳感器圖2.7三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器圖2.7三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器2.1.3測(cè)速傳感器2．光電式脈沖編碼器光電式脈沖編碼器可將機(jī)械位移、轉(zhuǎn)角或速度變化轉(zhuǎn)換成電脈沖輸出，是精密數(shù)控采用的檢測(cè)傳感器。光電編碼器的最大特點(diǎn)是非接觸式，此外還具有精度高、響應(yīng)快、可靠性高等特點(diǎn)。光電編碼器采用光電方法，將轉(zhuǎn)角和位移轉(zhuǎn)換為各種代碼形式的數(shù)字脈沖，如圖2.8所示光電式脈沖編碼器，在發(fā)光元件和光電接收元件中間，有一個(gè)直接裝在旋轉(zhuǎn)軸上的具有相當(dāng)數(shù)量的透光扇形區(qū)的編碼盤，在光源經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光投在透光和不透光區(qū)的碼盤上時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤，在碼盤的另一側(cè)就形成光脈沖，脈沖光照射在光電元件上就產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào)。2.1.3測(cè)速傳感器圖2.8光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)2.1.3測(cè)速傳感器光電編碼器的精度和分辨率取決于光電碼盤的精度和分辨率，取決于刻線數(shù)。目前，已能生產(chǎn)徑向線寬為6.7×10-8rad的碼盤，其精度達(dá)1×10-8，比接觸式的碼盤編碼器的精度要高很多個(gè)數(shù)量級(jí)。如進(jìn)一步采用光學(xué)分解技術(shù)，可獲得更多位的光電編碼器。光電編碼器按其結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)方式可分為直線型的線性編碼器和轉(zhuǎn)角型的軸角編碼器兩種類型，按脈沖信號(hào)的性質(zhì)可分為有增量式和絕對(duì)式兩種類型。2.1.3測(cè)速傳感器增量式編碼器碼盤圖案和光脈沖信號(hào)均勻，可將任意位置為基準(zhǔn)點(diǎn)，從該點(diǎn)開始按一定量化單位檢測(cè)。該方案無(wú)確定的對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)，一旦停電則失掉當(dāng)前位置，且速度不可超越計(jì)數(shù)器極限相應(yīng)速度，此外由于噪聲影響可能造成計(jì)數(shù)積累誤差。該方案的優(yōu)點(diǎn)是其零點(diǎn)可任意預(yù)置，且測(cè)量速度僅受計(jì)數(shù)器容量限制。2.1.3測(cè)速傳感器絕對(duì)式編碼器的碼盤圖案不均勻，編碼器的碼盤與碼道位數(shù)相等，在相應(yīng)位置可輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。其優(yōu)點(diǎn)是坐標(biāo)固定，與測(cè)量以前狀態(tài)無(wú)關(guān)，抗干擾能力強(qiáng)，無(wú)累積誤差，具有斷電位置保持，不讀數(shù)時(shí)移動(dòng)速度可超越極限相應(yīng)速度，不需方向判別和可逆計(jì)數(shù)，信號(hào)并行傳送等；其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高。要想提高光電編碼器的分辨率，需要提高碼道數(shù)目或者使用減速齒輪機(jī)構(gòu)組成雙碼盤機(jī)構(gòu)，將任意位置取作零位時(shí)需進(jìn)行一定的運(yùn)算。2.2電路設(shè)計(jì)

12.2.1電源系統(tǒng)22.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路32.2.3傳感器接口電路2.2.1電源系統(tǒng)

在智能車設(shè)計(jì)中，電源關(guān)系到整個(gè)電路設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可靠性，是電路設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。本節(jié)將介紹直流穩(wěn)壓電源的基本原理和三端固定式正壓集成穩(wěn)壓器的典型電路設(shè)計(jì)。

1．直流穩(wěn)壓電源的基本原理直流穩(wěn)壓電源電路一般由電源變壓器、整流濾波器電路及穩(wěn)壓電路組成，如圖2.9所示。

圖2.9直流穩(wěn)壓電源電路2.2.1電源系統(tǒng)電源變壓器的作用是將220V的交流電壓變成整流電路所需要低壓的交流電壓。整流電路的作用是將交流電壓變換成脈動(dòng)的直流電壓，它主要有半波整流和全波整流等方式，通常由整流二極管構(gòu)成的整流橋堆來(lái)執(zhí)行。常見的整流二極管有1N4007和1N5148等，橋堆有RS210等。濾波電路的作用是將脈動(dòng)直流中的紋波濾除獲得紋波小的直流，常見的有濾波、濾波、Π型濾波等電路，常選用的是濾波電路。其中各參量的關(guān)系為

(2.8)式中，為變壓器的變比。

～2.2.1電源系統(tǒng)每只二極管或橋堆所承受的最大反向電壓為

(2.9)對(duì)于橋式整流電路，每只二極管的平均電流為

(2.10)濾波電路中，的選擇應(yīng)適應(yīng)下式，即放電時(shí)間常數(shù)應(yīng)滿足

(2.11)式中，為輸入交流信號(hào)的周期；為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。穩(wěn)壓電路的作用是將濾波電路輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，輸出較穩(wěn)定的電壓。常見的穩(wěn)壓電路有三端穩(wěn)壓器、串聯(lián)式穩(wěn)壓電路等。2.2.1電源系統(tǒng)2．三端固定式正壓穩(wěn)壓器國(guó)內(nèi)外各廠家生產(chǎn)的三端（電壓輸入端、電壓輸出端和公共接地端）固定式正壓穩(wěn)壓器均命名為78系列，該系列穩(wěn)壓器有過(guò)流、過(guò)熱和調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)，以防過(guò)載而損壞。其中78后面的數(shù)字代表穩(wěn)壓器輸出的正電壓數(shù)值（一般有5V,6V,8V,9V,10V,12V,15V,18V和24V共9種輸出電壓），各廠家用78和電壓數(shù)字之間的字母來(lái)表示。插入L表示100mA，M表示500mA，如不插入字母則表示1.5A。此外，78(L,M)XX的后面往往還附有表示輸出電壓容差和封裝外殼類型的字母。常見的封裝形式有TO-3金屬和TO-220的塑料封裝，金屬封裝形式的穩(wěn)壓器的輸出電流可以達(dá)到5A。2.2.1電源系統(tǒng)78系列三端固定式穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用電路如圖2.10所示，只要把正輸入電壓加到MC7805的輸入端，MC7805的公共端接地，其輸出端便能輸出芯片標(biāo)稱正電壓。在實(shí)際應(yīng)用電路中，芯片輸入端和輸出端與地之間除分別接大容量濾波電容外，通常還需在芯片引出根部接小容量（0.1～10μF）電容,到地。用于抑制芯片自激振蕩，用于壓窄芯片的高頻帶寬，減小高頻噪聲。和的具體取值應(yīng)隨芯片輸出電壓的高低及應(yīng)用電路的方式不同而異。2.2.1電源系統(tǒng)圖2.1078系列三端穩(wěn)壓器基本應(yīng)用電路2.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路在智能車競(jìng)賽中，智能車的速度較快，通常達(dá)到2m/s以上，因此對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的要求較高，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路必不可少。圖2.11是一個(gè)典型實(shí)用的簡(jiǎn)單直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路，功率管的選擇由電機(jī)的功率決定，其標(biāo)稱電流是電機(jī)正常工作時(shí)電流的3～5倍（電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候存在較大的浪涌電流）。PWM信號(hào)的占空比決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，故電機(jī)的調(diào)速可通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)。直流電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制在很多場(chǎng)合會(huì)碰到。下面將介紹用功率管驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的常用兩種方法。2.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖2.11直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路2.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖2.12功率管驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正、反轉(zhuǎn)2.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2.12所示電路中電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向由I/O1和I/O2的電平來(lái)決定。當(dāng)I/O1和I/O2為00時(shí)，VT1，VT2導(dǎo)通，VT3,VT4截止，加在電機(jī)兩端上的電壓差為0V，電機(jī)不轉(zhuǎn)。當(dāng)I/O1和I/O2為01時(shí)，VT1,VT4導(dǎo)通，VT2,VT3截止；當(dāng)I/O1和I/O2為10時(shí)，VT1,VT4截止，VT2,VT3導(dǎo)通。這兩種情況流經(jīng)電機(jī)上的電流方向互為相反，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向也相反。當(dāng)I/O1和I/O2為11時(shí)，VT1,VT2截止，VT3,VT4導(dǎo)通，加在電機(jī)兩端上的電壓差為0V，電機(jī)不轉(zhuǎn)。2.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)I/O1和I/O2懸空時(shí)，+5V經(jīng)R1,TLP521的內(nèi)部發(fā)光二極管、LED1,R4,VT3形成零點(diǎn)幾毫安的電流，使VT3一定程度地導(dǎo)通，該電流使光耦TLP521輸出端微弱導(dǎo)通，從而拉低VT1基極點(diǎn)的電位，使VT1一定程度地導(dǎo)通；同理，VT2和VT4也一定程度地導(dǎo)通，從而+V電源經(jīng)過(guò)VT1,VT3和VT2,VT4短路到地，會(huì)損壞功率管，故I/O1和I/O2不允許懸空。R1和R8阻值的選擇原則是，使流經(jīng)發(fā)光二極管的電流為10～15mA；R3,R4,R5,R6的選擇原則是，能夠?yàn)楣β使芴峁┳銐虻尿?qū)動(dòng)電流；功率管的選擇由電機(jī)的工作電壓和工作電流決定，因電機(jī)啟動(dòng)瞬間存在浪涌電流，故功率管的電流限額應(yīng)是電機(jī)正常工作電流的4～5倍。2.2.3傳感器接口電路除了要正確選擇傳感器的類型外，還要設(shè)計(jì)最佳的接口電路。所謂接口電路，就是要把傳感器與后續(xù)的有關(guān)電路聯(lián)系起來(lái)的電路。接口電路的設(shè)計(jì)需要考慮兩個(gè)問(wèn)題：一個(gè)是傳感器的輸出與計(jì)算機(jī)的輸入匹配問(wèn)題；另一個(gè)是選擇器件的問(wèn)題。一般傳感器的輸出信號(hào)有三種形式：數(shù)字開關(guān)量、數(shù)字脈沖和模擬信號(hào)。（1）數(shù)字開關(guān)量信號(hào)分為電壓輸出型和觸點(diǎn)型。如果傳感器的輸出電壓信號(hào)為0V或2V，可以直接和控制裝置相連接，但是由于這種信號(hào)有抖動(dòng)，所以在與計(jì)算機(jī)連接時(shí)要采用消除抖動(dòng)電路。（2）數(shù)字脈沖電路用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后送入計(jì)算機(jī)，通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)來(lái)達(dá)到對(duì)信息的采集。一般計(jì)算機(jī)要對(duì)計(jì)數(shù)器擁有清零的功能，以便計(jì)數(shù)器重新計(jì)數(shù)。2.2.3傳感器接口電路（3）模擬信號(hào)比較復(fù)雜，由于模擬信號(hào)不能直接與控制器相連接，所以首先要通過(guò)適當(dāng)?shù)腁/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)楹线m的輸入電壓，必要時(shí)還要在A/D前面對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、分壓等，一般稱為信號(hào)的預(yù)處理。預(yù)處理后的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器后和控制器直接連接，完成接口電路的設(shè)計(jì)。器件的選擇，要兼顧成本和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮。傳感器信號(hào)要有比較好的降噪電路，一般減少噪聲的方法是：傳感器與預(yù)處理放大電路的接線要盡量短；傳感器信號(hào)接線要采用屏蔽線，外皮接地；放大電路的輸入和輸出之間盡量遠(yuǎn)；放大電路的增益不要太大，以免產(chǎn)生振蕩；放大電路要遠(yuǎn)離傳感器，以免產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)的干擾等。思考題1．請(qǐng)簡(jiǎn)述光電式傳感器的基本原理。2．圖像傳感器分為哪幾類？請(qǐng)簡(jiǎn)述攝像頭的工作原理。3．請(qǐng)說(shuō)出制作測(cè)速傳感器的幾種方案，并對(duì)各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較。4．利用78系列芯片設(shè)計(jì)一個(gè)直流穩(wěn)壓電路，要求：輸入12V，輸出5V。5．利用MC33886設(shè)計(jì)一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，能控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)。第3章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—軟件第3章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—軟件在智能車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，硬件是基礎(chǔ)，沒(méi)有一個(gè)好的硬件平臺(tái)，軟件就無(wú)法運(yùn)行。對(duì)于智能車系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，軟件的核心是控制算法。而完成這些任務(wù)的編程語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。軟件部分是整個(gè)智能車系統(tǒng)的靈魂，在硬件方面各參賽隊(duì)之間大同小異，真正體現(xiàn)各參賽隊(duì)智能車的優(yōu)勢(shì)和最后決定比賽成績(jī)好壞的往往是軟件部分，尤其是核心控制算法的設(shè)計(jì)。本章首先簡(jiǎn)要介紹軟件編程中使用的匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言各自的特點(diǎn)，然后重點(diǎn)介紹核心控制算法的原理。3.1編程語(yǔ)言簡(jiǎn)介13.2控制算法2思考題3第3章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—軟件3.1編程語(yǔ)言簡(jiǎn)介匯編語(yǔ)言是用符號(hào)指令書寫程序的語(yǔ)言，是依賴于硬件平臺(tái)的語(yǔ)言，對(duì)于不同架構(gòu)的CPU都會(huì)有相應(yīng)的匯編指令。匯編語(yǔ)言可以直接操作CPU內(nèi)部的寄存器以及各種外圍設(shè)備，對(duì)于單片機(jī)啟動(dòng)開始運(yùn)行或者對(duì)于時(shí)序要求嚴(yán)格的I/O操作必須采用匯編語(yǔ)言編寫，在啟動(dòng)開始運(yùn)行時(shí)匯編語(yǔ)言創(chuàng)建系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。C語(yǔ)言的特點(diǎn)就是可以使程序員盡量少地對(duì)硬件進(jìn)行操作，具有很強(qiáng)的功能性、結(jié)構(gòu)性和可移植性。由于C語(yǔ)言具有語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、緊湊，使用靈活、方便，運(yùn)算符和數(shù)據(jù)類型豐富，可以直接訪問(wèn)物理地址，進(jìn)行位操作，能實(shí)現(xiàn)匯編語(yǔ)言的大部分功能，可以直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，因此C語(yǔ)言既具有高級(jí)語(yǔ)言的功能，又具有匯編語(yǔ)言的功能，對(duì)于編寫與硬件相關(guān)的應(yīng)用程序而言具有明顯的優(yōu)勢(shì)。3.1編程語(yǔ)言簡(jiǎn)介在絕大多數(shù)場(chǎng)合，采用C語(yǔ)言編程即可完成預(yù)期的目的，但是對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)、要求執(zhí)行效率高的系統(tǒng)就不適合采用C語(yǔ)言編程，對(duì)這些特殊情況進(jìn)行編程時(shí)要結(jié)合匯編語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言具有直接和硬件打道、執(zhí)行代碼的效率高等特點(diǎn)，可以做到C語(yǔ)言所不能做到的一些事情，例如對(duì)時(shí)鐘要求很嚴(yán)格時(shí)，使用匯編語(yǔ)言便成了唯一的選擇。這種混合編程的方法將C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，已經(jīng)成為目前單片機(jī)開發(fā)最流行的編程方法。關(guān)于編程語(yǔ)言的詳細(xì)介紹可參閱相關(guān)書籍。3.2控制算法13.2.1PID控制算法23.2.2模糊控制算法33.2.3其它智能控制算法3.2.1PID控制算法PID（ProportionalIntegralDifferential）控制是比例、積分、微分控制的簡(jiǎn)稱。在自動(dòng)控制領(lǐng)域中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。PID控制器的原理是根據(jù)系統(tǒng)的被調(diào)量實(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間的偏差，利用偏差的比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)的不同組合計(jì)算出對(duì)廣義被控對(duì)象的控制量。圖3.1是常規(guī)PID控制系統(tǒng)的原理框圖。3.2.1PID控制算法圖3.1常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖3.2.1PID控制算法其中虛線框內(nèi)的部分是PID控制器，其輸入為設(shè)定值與被調(diào)量實(shí)測(cè)值構(gòu)成的控制偏差信號(hào)：(3.1)

其輸出為該偏差信號(hào)的比例、積分、微分的線性組合，也即PID控制律：

(3.2)

式中，為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)。3.2.1PID控制算法根據(jù)被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性和控制要求的不同，式(3.2)中還可以只包含比例和積分的PI調(diào)節(jié)或者只包含比例微分的PD調(diào)節(jié)。下面主要討論P(yáng)ID控制的特點(diǎn)及其對(duì)控制過(guò)程的影響、數(shù)字PID控制策略的實(shí)現(xiàn)和改進(jìn)，以及數(shù)字PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制參數(shù)的整定等問(wèn)題。3.2.1PID控制算法1．PID控制規(guī)律的特點(diǎn)

（1）比例控制器

比例控制器是最簡(jiǎn)單的控制器，其控制規(guī)律為

(3.3)式中，Kp為比例系數(shù)；為控制量的初值，也就是在啟動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)的控制量。圖3.2所示是比例控制器對(duì)單位階躍輸入的階躍響應(yīng)。由圖3.2可以看到，比例控制器對(duì)于偏差是及時(shí)反應(yīng)的，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用使被控量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp。3.2.1PID控制算法圖3.2比例控制器的階躍響應(yīng)3.2.1PID控制算法比例控制器雖然簡(jiǎn)單快速，但對(duì)于具有自平衡性（即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值）的被控對(duì)象存在靜差。加大比例系數(shù)Kp雖然可以減小靜差，但當(dāng)Kp過(guò)大時(shí)，動(dòng)態(tài)性能會(huì)變差，會(huì)引起被控量振蕩，甚至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。3.2.1PID控制算法（2）比例積分控制器為了消除在比例控制中存在的靜差，可在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制作用，構(gòu)成比例積分PI控制器，其控制規(guī)律為

(3.4)式中，稱為積分時(shí)間。圖3.3所示為PI控制器對(duì)單位階躍輸入的階躍響應(yīng)。3.2.1PID控制算法PI控制器對(duì)偏差的作用有兩個(gè)部分：一個(gè)是按比例部分的成分，另一個(gè)是帶有累積的成分（即呈一定斜率變化的部分），這就是積分控制部分的作用。只要偏差存在，積分將起作用，將偏差累計(jì)，并對(duì)控制量產(chǎn)生影響，即偏差減小，直至偏差為零，積分作用才會(huì)停止。因此，加入積分環(huán)節(jié)將有助于消除系統(tǒng)的靜差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。3.2.1PID控制算法圖3.3PI控制器的階躍響應(yīng)3.2.1PID控制算法顯然，如果積分時(shí)間太大，則積分作用減弱，反之則積分作用較強(qiáng)。增大，將使消除靜差的過(guò)程變得緩慢，但可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，提高穩(wěn)定性。必須根據(jù)被控對(duì)象的特性來(lái)選定，如對(duì)于管道壓力、流量等滯后不大的對(duì)象，可以選得小些，對(duì)溫度、成分等滯后比較大的對(duì)象，可以選得大些。3.2.1PID控制算法（3）比例積分微分控制器積分調(diào)節(jié)作用的加入，雖然可以消除靜差，但其代價(jià)是降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為了加快控制過(guò)程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，不但要對(duì)偏差量做出反應(yīng)（即比例控制作用），而且要對(duì)偏差量的變化做出反應(yīng)，或者說(shuō)按偏差變化的趨勢(shì)進(jìn)行控制，使偏差在萌芽狀態(tài)被抑制。為了達(dá)到這一控制目的，可以在PI控制器的基礎(chǔ)上加入微分控制作用，即構(gòu)造比例積分微分控制器（PID控制器）。PID控制器的控制規(guī)律為

(3.5)3.2.1PID控制算法式中，稱為微分時(shí)間。理想的PID控制器對(duì)偏差階躍變化的響應(yīng)如圖3.4所示，它在偏差變化的瞬間處有一個(gè)沖激式的瞬態(tài)響應(yīng)，這就是由微分環(huán)節(jié)引起的。圖3.4理想PID控制器的階躍響應(yīng)3.2.1PID控制算法由微分部分的控制作用

(3.6)可見，它對(duì)偏差的任何變化都會(huì)產(chǎn)生控制作用，以調(diào)整系統(tǒng)的輸出，阻止偏差的變化。偏差變化越快，控制量就越大，反饋校正量就越大。故微分作用的加入將有助于減少超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。微分作用可以加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)整時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。3.2.1PID控制算法2．?dāng)?shù)字PID控制算法在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)中，通常采用如圖3.1所示的PID控制，其對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)表達(dá)式為

(3.7)對(duì)應(yīng)的控制算法表達(dá)式為

(3.8)式中，為比例增益；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)；為控制量；為被控量與設(shè)定值的偏差。3.2.1PID控制算法為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID算法，必須將式(3.3)改寫為離散（采樣）式，這可以將積分運(yùn)算用部分和近似代替，微分運(yùn)算用差分方程表示，即

(3.9）

(3.10)

式中，T為采樣周期；k為采樣周期的序號(hào)（）；和分別為第和第k個(gè)采樣周期的偏差。3.2.1PID控制算法將式(3.9)和式(3.10)代入式(3.8)可得相應(yīng)的差分方程，即

(3.11)式中，為第k個(gè)采樣時(shí)刻的控制量。如果采樣周期T與被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)比較相對(duì)較小，那么這種近似是合理的，并與連續(xù)控制的效果接近。模擬調(diào)節(jié)器很難實(shí)現(xiàn)理想的微分，而利用計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)式(3.10)所表示的差分運(yùn)算，故將式(3.11)稱為理想微分?jǐn)?shù)字PID控制器?；镜臄?shù)字PID控制器一般具有以下兩種形式的算法。3.2.1PID控制算法

圖3.5位置型算法流程圖3.2.1PID控制算法

（1）位置型算法模擬調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)動(dòng)作是連續(xù)的，任何瞬間的輸出控制量u都對(duì)應(yīng)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如調(diào)節(jié)閥）的位置。由式(3.11)可知，數(shù)字控制器的輸出控制量也和閥門位置相對(duì)應(yīng)，故稱為位置型算式（簡(jiǎn)稱位置式）。相應(yīng)的算法流程圖如圖3.5所示。由圖3.5可以看出，因?yàn)榉e分作用是對(duì)一段時(shí)間內(nèi)偏差信號(hào)的累加，因此，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)位置型算法不是很方便，不僅需要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且編程也不方便，因此可以采用其改進(jìn)式——增量型算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。（2）增量型算法根據(jù)式(3.6)不難得到第個(gè)采樣周期的控制量，即

(3.12)將式(3.11)與式(3.12)相減，可以得到第k個(gè)采樣時(shí)刻控制量的增量，即

(3.13)

式中，為比例增益；為積分系數(shù)，；為微分系數(shù)，。3.2.1PID控制算法

3.2.1PID控制算法由于式(3.13)中對(duì)應(yīng)于第k個(gè)采樣時(shí)刻閥門位置的增量，故稱式(3.13)為增量型算式。由此，第k個(gè)采樣時(shí)刻實(shí)際控制量為

(3.14)為了編寫程序方便，將式(3.13)改寫為

(3.15)式中，；；。

3.2.1PID控制算法由此可見，要利用和得到，只需要用到,和三個(gè)歷史數(shù)據(jù)。在編程過(guò)程中，這三個(gè)歷史數(shù)據(jù)可以采用平移法保存，從而可以遞推使用，占用的存儲(chǔ)單元少，編程簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快。增量型算法的程序流程圖如圖3.6所示。

增量型算法僅僅是在算法設(shè)計(jì)上的改進(jìn)，其輸出是相對(duì)于上次控制輸出量的增量形式，并沒(méi)有改變位置型算法的本質(zhì)，即它仍然反映執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置開度。如果希望輸出控制量的增量，則必須采用具有保持位置功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。數(shù)字PID控制器的輸出控制量通常都是通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出的，在D/A轉(zhuǎn)換器中將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)（4～20mA的電流信號(hào)或0～5V的電壓信號(hào)），然后通過(guò)放大驅(qū)動(dòng)裝置作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，信號(hào)作用的時(shí)間連續(xù)到下一個(gè)控制量到來(lái)之前。因此，D/A轉(zhuǎn)換器具有零階保持器的功能。

3.2.1PID控制算法圖3.6增量型算法流程圖

3.2.2模糊控制算法模糊（Fuzzy）控制是用語(yǔ)言歸納操作人員的控制策略，運(yùn)用語(yǔ)言變量和模糊集合理論形成控制算法的一種控制。模糊控制的最重要特征是不需要建立被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，只要求把現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)總結(jié)成較完善的語(yǔ)言控制規(guī)則，從而能夠?qū)哂胁淮_定性、不精確性、噪聲以及非線性、時(shí)變性、時(shí)滯等特征的控制對(duì)象進(jìn)行控制。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，尤其適用于非線性、時(shí)變、滯后系統(tǒng)的控制。模糊控制的基本結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。3.2.2模糊控制算法圖3.7

模糊控制基本結(jié)構(gòu)圖3.2.2模糊控制算法1．模糊控制器的輸入變量與輸出變量（1）模糊控制器的輸入、輸出變量模糊控制器是模仿人的一種控制。在對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的過(guò)程中，一般根據(jù)設(shè)定值與被控量的偏差、偏差變化EC和偏差變化的速率ER進(jìn)行決策。人對(duì)偏差最敏感，其次是偏差的變化，再次是偏差變化的速率。因此，模糊控制器的輸入變量通常取、和EC或者,EC和ER，分別構(gòu)成所謂一維、二維和三維模糊控制器。一維模糊控制器的動(dòng)態(tài)性能不佳，通常用于一階被控對(duì)象，二維模糊控制器的控制性能和控制復(fù)雜性都比較好，是目前廣泛采用的一種形式。并且，一般選擇增量算法作為模糊控制器的輸出變量。3.2.2模糊控制算法（2）描述輸入、輸出變量的詞匯在模糊控制中，輸入、輸出變量大小是以語(yǔ)言形式描述的，因此要選擇描述這些變量的詞匯。我們的日常語(yǔ)言中對(duì)各種事物和變量的描述，總是習(xí)慣于分為三個(gè)等級(jí)，例如，物體的大小分為大、中、??；運(yùn)動(dòng)的速度分為快、中、慢；年齡的大小分為老、中、青。實(shí)際應(yīng)用中一般都選用“大、中、小”三個(gè)詞匯來(lái)描述模糊控制器的輸入、輸出變量的狀態(tài)，再加上正、負(fù)兩個(gè)方向和零狀態(tài)，共有7個(gè)詞匯，即{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}一般用這些詞的英文字頭縮寫，即{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}一般情況下，選擇上述7個(gè)詞匯比較合適，但也可以多選或少選。選擇較多的詞匯，可以精確描述變量，提高控制精度，但會(huì)使控制規(guī)則變得復(fù)雜；選擇的詞匯過(guò)少，則對(duì)變量的描述過(guò)于粗糙，導(dǎo)致控制器的性能變差。3.2.2模糊控制算法

（3）變量的模糊量某個(gè)變量變化的實(shí)際范圍稱為該變量的基本論域。記偏差的基本論域?yàn)椋钭兓幕菊撚驗(yàn)?，模糊控制器的輸出變量（系統(tǒng)的控制量）的基本論域?yàn)椤ｏ@然，基本論域內(nèi)的量是精確量，因而模糊控制器的輸入和輸出都是精確量，但是模糊控制算法需要模糊量。因此，輸入的精確量（數(shù)字量）需要轉(zhuǎn)換為模糊量，這個(gè)過(guò)程稱為“模糊化”（Fuzzification）；另一方面，模糊算法所得到的模糊控制量需要轉(zhuǎn)換為精確的控制量，這個(gè)過(guò)程稱為“清晰化”或者“反模糊化”（Defuzzification）。比較實(shí)用的模糊化方法是將基本論域分為n個(gè)檔次，即取變量的模糊子集論域?yàn)?.2.2模糊控制算法從基本論域到模糊子集論域的轉(zhuǎn)換公式為

(3.16)增加論域中的元素個(gè)數(shù)可以提高控制精度，但增大了計(jì)算量，而且模糊控制效果的改善并不明顯。一般選擇模糊論域中所含元素的個(gè)數(shù)為模糊語(yǔ)言詞集總數(shù)的兩倍以上，以確保各模糊集能較好地覆蓋論域，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象。例如在選擇上述7個(gè)詞匯的情況下，可選擇E和EC的論域均為

選擇模糊控制器的輸出變量即系統(tǒng)的控制量U的論域?yàn)?.2.2模糊控制算法

（4）隸屬度為了實(shí)現(xiàn)模糊化，要在上述離散化了的精確量與表示模糊語(yǔ)言的模糊量之間建立關(guān)系，即確定論域中的每個(gè)元素對(duì)各個(gè)模糊語(yǔ)言變量的隸屬度。隸屬度是描述某個(gè)確定量隸屬于某個(gè)模糊語(yǔ)言變量的程度。例如，在上述和EC的論域中，+6隸屬于（正大），隸屬度為1.0；+5也隸屬于，但隸屬度要比+6差，可取為0.8；+4隸屬于的程度更小，隸屬度可取為0.4；顯然-6～0就不隸屬于了，所以隸屬度取為0。確定隸屬度的值要根據(jù)實(shí)際問(wèn)題的具體情況而定。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，人進(jìn)行控制活動(dòng)時(shí)的模糊概念一般可以用正態(tài)型模糊變量描述。下面給出常用的確定模糊變量隸屬度的賦值表，如表3.1、表3.2和表3.3所示。3.2.2模糊控制算法2．建立模糊控制規(guī)則模糊控制是語(yǔ)言控制，因此要用語(yǔ)言歸納專家的手動(dòng)控制策略，從而建立模糊控制規(guī)則表。手動(dòng)控制策略一般都可以用條件語(yǔ)句加以描述。條件語(yǔ)句的基本類型為ifAorBandCorDthenU3.2.2模糊控制算法3.2.2模糊控制算法3.2.2模糊控制算法3.2.2模糊控制算法下面介紹一種根據(jù)系統(tǒng)輸出的誤差及誤差的變化趨勢(shì)，消除誤差的模糊控制規(guī)則。該規(guī)則用下述21條模糊條件語(yǔ)句來(lái)描述。[1]ifE=NBorNMandEC=NBorNMthenU=PB[2]ifE=NBorNMandEC=NSorOthen U=PB[3]ifE=NBorNMandEC=PSthen U=PM[4]ifE=NBorNMandEC=PMorPBthen U=O[5]ifE=NSandEC=NBorNMthen U=PM[6]ifE=NSandEC=NSorOthen U=PM[7]ifE=NSandEC=PSthen U=O[8]ifE=NSandEC=PMorPBthen U=NS[9]ifE=NOorPOandEC=NBorNMthenU=PM[10]ifE=NOorPOandEC=NSthenU=PS[11]ifE=NOorPOandEC=OthenU=O3.2.2模糊控制算法[12]ifE=NOorPOandEC=PSthenU=NS[13]ifE=NOorPOandEC=PMorPBthenU=NM[14]ifE=PSandEC=NBorNMthenU=PS[15]ifE=PSandEC=NSthenU=O[16]ifE=PSandEC=OorPSthen U=NM[17]ifE=PSandEC=PMorPBthenU=NM[18]ifE=PMorPBandEC=NBorNMthenU=O[19]ifE=PMorPBandEC=NSthenU=NM[20]ifE=PMorPBandEC=OorPSthen U=NB[21]ifE=PMorPBandEC=PMorPBthenU=NB以上21條模糊條件語(yǔ)句可以歸納為模糊控制規(guī)則表3.4。3.2.2模糊控制算法

3.2.2模糊控制算法3．模糊關(guān)系與模糊推理模糊控制規(guī)則實(shí)際上是一組多重條件語(yǔ)句，可以表示為從偏差論域到控制論域的模糊關(guān)系矩陣，通過(guò)偏差的模糊向量和偏差變化的模糊向量，與模糊關(guān)系矩陣的合成進(jìn)行模糊推理，得到控制量的模糊向量，然后采用“反模糊化”方法將模糊控制向量轉(zhuǎn)換為精確量。根據(jù)模糊集合和模糊關(guān)系理論，對(duì)于不同類型的模糊規(guī)則可用不同的模糊推理方法。下面僅介紹其中的對(duì)ifAthenB類型的模糊規(guī)則的推理。若已知輸入為，則輸出為；若現(xiàn)在已知輸入為，則輸出用合成規(guī)則求取：

(3.17)其中模糊關(guān)系定義為3.2.2模糊控制算法例如，已知當(dāng)輸入的模糊集合和輸出的模糊集合分別為

(3.18)

(3.19)這里采用模糊集合的Zadeh表示法，其中,表示模糊集合所對(duì)應(yīng)的論域中的元素，而表示相應(yīng)的隸屬度，“—”不表示分?jǐn)?shù)的意思。3.2.2模糊控制算法

(3.20)

3.2.2模糊控制算法則當(dāng)輸入

(3.21)

由下式求取，即3.2.2模糊控制算法則

(3.22)在上述運(yùn)算中，“

”為取小運(yùn)算，“

”為取大運(yùn)算。由于系統(tǒng)的控制規(guī)則庫(kù)是由若干條規(guī)則組成的，因此對(duì)于每一條推理規(guī)則都可以得到一個(gè)相應(yīng)的模糊關(guān)系。n條規(guī)則就有n個(gè)模糊關(guān)系：，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的全部控制規(guī)則所對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系可對(duì)n個(gè)模糊關(guān)系()取“并”操作得到，即

(3.23)3.2.2模糊控制算法4．模糊控制向量的模糊判決由上述得到的控制量是一個(gè)模糊集合，需要采用“反模糊化”方法將模糊控制項(xiàng)轉(zhuǎn)換為精確量。下面介紹兩種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。

（1）最大隸屬度法這種方法是在模糊控制向量中，取隸屬度最大的控制量作為模糊控制器的輸出。例如，當(dāng)?shù)玫侥：刂葡蛄繛?/p>

(3.24)由于控制量隸屬于等級(jí)5的隸屬度為最大，所以取控制量為

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)是完全排除了其他隸屬度較小的控制量的影響和作用，沒(méi)有充分利用取得的信息。3.2.2模糊控制算法

（2）加權(quán)平均判決法為了克服最大隸屬度法的缺點(diǎn)，可以采用加權(quán)平均判決法，即

(3.25)例如則3.2.2模糊控制算法

5．模糊控制表模糊關(guān)系、模糊推理以及模糊判決的運(yùn)算可以離線進(jìn)行，最后得到模糊控制器輸入量的量化等級(jí),EC與輸出量即系統(tǒng)控制量的量化等級(jí)之間的確定關(guān)系，這種關(guān)系通常稱為“控制表”。對(duì)應(yīng)于前面介紹的21條控制規(guī)則的“控制表”如表3.5所列。模糊控制表可以離線求出，作為文件存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制時(shí)只要將A/D轉(zhuǎn)換得到的偏差和偏差變化ec進(jìn)行量化，得到相應(yīng)的等級(jí)E和EC，然后從文件中直接查詢所需采取的控制策略。3.2.2模糊控制算法3.2.2模糊控制算法6．確定實(shí)際的控制量顯然，實(shí)際的控制量應(yīng)為從控制表中查到的量化等級(jí)乘以比例因子。設(shè)實(shí)際的控制量的變化范圍為[a,b]，量化等級(jí)為{}，則實(shí)際的控制量應(yīng)為

若，則例如在上述二維模糊控制器中，當(dāng)E和EC的量化等級(jí)分別為-3和+1時(shí)，由控制表查得，則模糊控制器輸出的實(shí)際控制量應(yīng)為。

3.2.3其它智能控制算法在智能車這樣并不是很復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，有一點(diǎn)需要銘記：簡(jiǎn)單的算法只要參數(shù)調(diào)整得好，效果會(huì)相當(dāng)不錯(cuò)；相反，復(fù)雜的算法，其設(shè)計(jì)和參數(shù)整定則相對(duì)復(fù)雜，效果不一定比簡(jiǎn)單算法好。在智能車控制系統(tǒng)中，控制算法最普遍的就是上面講到的PID和模糊控制算法，當(dāng)然也有些參賽隊(duì)用到其他的