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基于光电组的飞思卡尔智能车设计
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基于光电组的飞思卡尔智能车设计
飞思卡尔智能小车教程――光电组 光电组第6章 智能汽车设计实践 章 智能汽车设计实践―― 光电管型设计第6章 章智能汽车设计实践――光电管型设计 光电管型设计 智能汽车设计实践16.1机械设计26.2 硬件设计36.3软件设计武汉科技大学信息科学与工程学院6.1机械设计6.1.1 6.1.2 6.1.3光电管传感器的布局舵机的安装测速传感器的安装武汉科技大学信息科学与工程学院6.1.1光电管传感器的布局1．传感器的布局间隔 ． 2．传感器的径向探出距离 ．武汉科技大学信息科学与工程学院传感器的布局间隔 各个传感器的布局间隔对智能车的运行， 各个传感器的布局间隔对智能车的运行，是有一 定影响的。传感器的间隔是否合适， 定影响的。传感器的间隔是否合适，对过弯的精 确性以及防止飞车有很大的影响。 确性以及防止飞车有很大的影响。 设定传感器间隔的原则是： 设定传感器间隔的原则是：既要满足一定的密度 以保证走弯道时轨迹相对精确， 以保证走弯道时轨迹相对精确，又要尽可能拥有 大的横向控制范围来防止飞车。 大的横向控制范围来防止飞车。若传感器间隔设 置合适，当赛道有一点微小的变化时， 置合适，当赛道有一点微小的变化时，小车的控 制单元就能进行相应的反应（改变前轮转角）， 制单元就能进行相应的反应（改变前轮转角）， 从而使得过弯道的轨迹与弯道大体重合， 从而使得过弯道的轨迹与弯道大体重合，精确性 好。武汉科技大学信息科学与工程学院传感器的径向探出距离 （1）“一”字形布局 : “一”字形布局是传感 ） 一 器最常用的布局形式， 器最常用的布局形式，即各个传感器在一条直线 从而保证纵向的一致性， 上，从而保证纵向的一致性，使其控制策略主要 集中在横向上，其排布如图6.1所示。 所示。 集中在横向上，其排布如图 所示图6.1 “一”字形布局 “一武汉科技大学信息科学与工程学院传感器的径向探出距离 字形布局: 八 （2）“八”字形布局 “八”字形布局从横向来 ） 看与“ 字形布局类似， 看与“一”字形布局类似，但它增加了纵向的特 从而具有了一定的前瞻性，其排布如图6.2 性，从而具有了一定的前瞻性，其排布如图 所示。 所示。图6.2 “八”字形布局 “八武汉科技大学信息科学与工程学院传感器的径向探出距离 字形布局: （3）“W”字形布局 为了能够提早地预测到弯 ） 字形布局 道的出现， 道的出现，我们还可以将左右两端的传感器进行 适当前置，从而形成“ 形布局， 适当前置，从而形成“W”形布局，此外，还可 形布局 此外， 利用“ 形布局来检测赛道的弯曲程度。 利用“W”形布局来检测赛道的弯曲程度。其光 形布局来检测赛道的弯曲程度 电管排布如图6.3所示。 所示。 电管排布如图 所示图6.3 “W”字形布局 “W”字形布局武汉科技大学信息科学与工程学院6.1.2舵机的安装在智能车上， 在智能车上，舵机的输出转角通过连杆传动控制 前轮转向。 前轮转向。舵机是系统中一个具有较大时间常数 的惯性环节。其时间延迟正比于转过的角度， 的惯性环节。其时间延迟正比于转过的角度，反 比于舵机的响应速度。 比于舵机的响应速度。对于快速性要求极高的智 能小车来说， 能小车来说，舵机的响应速度是影响其过弯最高 速度的一个重要因素， 速度的一个重要因素，特别是对于前瞻不够远的 智能小车更是如此。 智能小车更是如此。武汉科技大学信息科学与工程学院6.1.2舵机的安装提高舵机控制前轮转向速度的一种方法是采用杠 杆原理， 杆原理，在舵机的输出舵盘上安装一个较长的输 出臂，其安装图如图6.4所示。 所示。 出臂，其安装图如图 所示图6.4 舵机的安装图武汉科技大学信息科学与工程学院6.1.3测速传感器的安装为了减轻智能车的质量， 为了减轻智能车的质量，测速时应尽量选用质量 轻精度高的传感器，为了不影响加速性能， 轻精度高的传感器，为了不影响加速性能，编码 器的传动齿轮较小，基本上和电机的齿轮相同。 器的传动齿轮较小，基本上和电机的齿轮相同。 其安装图如图6.5所示。 所示。 其安装图如图 所示图6.5 测速传感器的安装武汉科技大学信息科学与工程学院6.2硬件设计6.2.1 XS128控制核心 控制核心 6.2.2 电源管理单元 6.2.3 路径识别单元 6.2.4 车速检测模块 6.2.5 舵机控制单元 6.2.6 直流驱动电机控制单元武汉科技大学信息科学与工程学院6.2硬件设计硬件电路设计是智能车控制系统设计的基础。 硬件电路设计是智能车控制系统设计的基础。智 能车控制系统硬件结构主要由HCS12控制核心、 控制核心、 能车控制系统硬件结构主要由 控制核心 电源管理单元、路径识别电路、车速检测模块、 电源管理单元、路径识别电路、车速检测模块、 转向伺服电机控制电路和直流驱动电机控制电路 组成，其系统硬件结构如图6.6所示。 所示。 组成，其系统硬件结构如图 所示图6.6 系统硬件结构图武汉科技大学信息科学与工程学院6.2.1 HCS12控制核心 控制核心 HCS12控制核心单元既可以直接采用组委会提 控制核心单元既可以直接采用组委会提 供的MC9S12EVKX电路板，也可以自行购买 电路板， 供的 电路板 MC9S12DG128单片机，然后量身制作适合自 单片机， 单片机 己需要的最小开发系统。 己需要的最小开发系统。武汉科技大学信息科学与工程学院6.2.1 HCS12控制核心 控制核心 MC9S12DG12B单片机引脚图如图 单片机引脚图如图6.7所示。 所示。 单片机引脚图如图 所示图6.7 MC9S12DG12B单片机引脚图 MC9S12DG12B单片机引脚图武汉科技大学信息科学与工程学院6.2.1 HCS12控制核心 控制核心在光电管方案中， 口具体分配如下： 在光电管方案中，其I/O口具体分配如下： 口具体分配如下 PH口与PA口用于小车光电发光管发光控制； PT0用于车速检测的输入口； PB口用于显示小车的各种性能参数； PWM0（PP0引脚）与PWM1（PP1引脚）合并用于伺 服舵机的PWM控制信号输出； PWM2（PP2引脚）与PWM3（PP3引脚）合并用于驱 动电机的PWM控制信号输出（电机正转）； PWM4（PP4引脚）与PWM5（PP5引脚）合并用于驱 动电机的PWM控制信号输出（电机反转）。 在连续路径识别算法中，PAD口用于传感区光电接收管 电压信号的输入口。武汉科技大学信息科学与工程学院6.2.2电源管理单元电源管理单元是智能车硬件设计中的一个重要组 成部分，它的作用是对组委会提供的7.2 V 成部分，它的作用是对组委会提供的 1800 mA Ni-cd蓄电池进行电压调节。按照系 蓄电池进行电压调节。 蓄电池进行电压调节 统各部分正常工作的需要，各模块电压值分为5 统各部分正常工作的需要，各模块电压值分为 V, 6.5 V和7.2 V三个挡。 三个挡。 和 三个挡武汉科技大学信息科学与工程学院6.2.2电源管理单元电源管理单元主要用于以下三个方面： 电源管理单元主要用于以下三个方面：（1）采用稳压管芯片L7805CV将电源电压稳压到5 V 后，给单片机系统电路、路径识别的光电传感器电路、 车速检测的转角编码器电路和驱动芯片MC33886电路 供电； （2）经过一个二极管降至6.5 V左右后供给转向伺服 电机； （3）直接供给直流驱动电机。武汉科技大学信息科学与工程学院6.2.2电源管理单元同时考虑到稳压芯片L7805CV的额定输出电流 的额定输出电流 同时考虑到稳压芯片 较小，故采用两片L7805CV分别对单片机电路、 分别对单片机电路、 较小，故采用两片 分别对单片机电路 车速检测电路、 车速检测电路、驱动芯片电路和光电传感器电路 供电，以保证系统正常运行。 供电，以保证系统正常运行。其稳压电路如图 6.8所示。 所示。 所示图6.8 稳压电源单元武汉科技大学信息科学与工程学院6.2.3路径识别单元在光电管方案中， 在光电管方案中，通过红外发光管发射红外光照 射跑道， 射跑道，由于跑道表面与中心线具有不同的反射 强度，因此利用红外接收管可以检测到这些信息。 强度，因此利用红外接收管可以检测到这些信息。 通过合理安排红外发射/接收管的空间位置可以 通过合理安排红外发射 接收管的空间位置可以 检测到智能车相对于前方道路的位置。 检测到智能车相对于前方道路的位置。红外发射 接收管一般安放在模型车前端，可以安装成一排， 接收管一般安放在模型车前端，可以安装成一排， 也可以前后安装两排， 也可以前后安装两排，传感器的总数量受到比赛 规则的限制。 规则的限制。武汉科技大学信息科学与工程学院6.2.3路径识别单元红外接收管接收道路反射的红外光后产生电压的变化， 红外接收管接收道路反射的红外光后产生电压的变化， 它可以反映出赛道中心线的位置。 它可以反映出赛道中心线的位置。这个电压信号可以通 过外部的电压比较器变成高、低电平由单片机的I/O端 过外部的电压比较器变成高、低电平由单片机的 端 口读取，也可以通过单片机A/D端口直接读取。从I/O 端口直接读取。 口读取，也可以通过单片机 端口直接读取 端口读取的参考电路如图6.9所示，从A/D端口直接读 所示， 端口读取的参考电路如图 所示 端口直接读 取的参考电路如图6.10所示。 所示。 取的参考电路如图 所示图6.9 I/O端口读取电路 I/O端口读取电路武汉科技大学信息科学与工程学院图6.10 A/D端口读取电路 A/D端口读取电路6.2.3路径识别单元两个光电管方案中常见的问题1．相邻光电管之间的干扰 2．光电管发射功率的影响武汉科技大学信息科学与工程学院相邻光电管之间的干扰由于红外发射管是基于漫反射原理的， 由于红外发射管是基于漫反射原理的，其发射的红外光可能 影响到安装在附近的红外接收管。 影响到安装在附近的红外接收管。消除这种干扰可以采取以 下几种措施： 下几种措施： （1）选择发射与接收方向性好的红外传感器。 （2）选择发射与接收一体化的红外传感器，它的外壳可 以抑制相邻干扰。 （3）在红外接收管上安装黑色套管，使其只接收前方一 定角度内的红外光线，这种减小互扰动的措施效果较好。 （4）使相邻的红外发射/接收管交替工作（即“点火”）。 这种方法不仅减小了相邻红外传感器之间的干扰，同时 也降低了整体传感器的功耗。武汉科技大学信息科学与工程学院光电管发射功率的影响 为了增加前瞻距离， 为了增加前瞻距离，需要加大光电管红外发射功 使得返回的红外线的强度提高， 率，使得返回的红外线的强度提高，这样不仅使 得电池电能的消耗量增加， 得电池电能的消耗量增加，同时也会缩短红外发 射管的寿命。为解决这个问题， 射管的寿命。为解决这个问题，可以利用红外接 收管响应速度快的特点，采用光电管脉冲发射/ 收管响应速度快的特点，采用光电管脉冲发射 接收的方法加以处理。 接收的方法加以处理。红外发射管工作在周期脉 冲方式下，可以大大降低平均工作电流， 冲方式下，可以大大降低平均工作电流，从而降 低了整个发射电路的电量消耗。 低了整个发射电路的电量消耗。武汉科技大学信息科学与工程学院6.2.4车速检测模块为了使得模型车能够平稳地沿着赛道运行， 为了使得模型车能够平稳地沿着赛道运行，除了 控制前轮转向舵机以外，还需要控制车速。 控制前轮转向舵机以外，还需要控制车速。通过 对速度的检测， 对速度的检测，可以对车模速度进行闭环反馈控 此外，若采用基于路径记忆的控制策略， 制。此外，若采用基于路径记忆的控制策略，为 了获取道路信息，需要得到智能车的行驶距离， 了获取道路信息，需要得到智能车的行驶距离， 也必须通过车速检测模块来间接实现。 也必须通过车速检测模块来间接实现。武汉科技大学信息科学与工程学院6.2.4车速检测模块车速检测一般是通过检测驱动电机转速来实现的。 车速检测一般是通过检测驱动电机转速来实现的。 比赛中所使用的常见测速方法列举如下： 比赛中所使用的常见测速方法列举如下：1．转角编码盘 2．反射式光电检测 3．霍尔传感器检测武汉科技大学信息科学与工程学院转角编码盘 转角编码盘分为绝对位置输出和增量式位置输出 两种。一般可使用增量式编码盘。 两种。一般可使用增量式编码盘。它输出脉冲的 个数正比于电机转动的角度， 个数正比于电机转动的角度，从而使编码盘输出 脉冲的频率正比于转速。 脉冲的频率正比于转速。可以通过测量单位周期 内脉冲个数或者脉冲周期得到脉冲的频率。 内脉冲个数或者脉冲周期得到脉冲的频率。武汉科技大学信息科学与工程学院反射式光电检测 许多队伍在后轮齿轮传动盘上粘贴一个黑白相间 的码盘， 的码盘，通过安装在码盘侧面的反射式红外传感 来读取光码盘的转动脉冲。 器，来读取光码盘的转动脉冲。其原理和转角编 码盘的测速机理是类似的。 码盘的测速机理是类似的。武汉科技大学信息科学与工程学院霍尔传感器检测 在后轮轮毂上粘贴1个或者 个小型的永磁体 在后轮轮毂上粘贴 个或者2个小型的永磁体， 个或者 个小型的永磁体， 附近固定一个霍尔传感器。霍尔元件有3个引脚 个引脚， 附近固定一个霍尔传感器。霍尔元件有 个引脚， 其中2个分别是电源引脚和接地引脚 个分别是电源引脚和接地引脚， 其中 个分别是电源引脚和接地引脚，另一个是 输出信号引脚，只要通过一个上拉电阻接至5 输出信号引脚，只要通过一个上拉电阻接至 V 电压，就可以形成开关脉冲信号。 电压，就可以形成开关脉冲信号。后轮电机每转 1周，则可以产生 个或者 个脉冲信号。这种方 个或者2个脉冲信号 周 则可以产生1个或者 个脉冲信号。 式简易、廉价，但测速精度不如前面的方法， 式简易、廉价，但测速精度不如前面的方法，因 为永磁体本身的体积决定了不可能在后轮轮毂上 安装过多磁片， 安装过多磁片，对测速精度要求不高的队伍可以 考虑此方法。 考虑此方法。武汉科技大学信息科学与工程学院6.2.5舵机控制单元舵机本身是一个位置随动系统。它是由舵盘、 舵机本身是一个位置随动系统。它是由舵盘、减 速齿轮组、位置反馈电位计、 速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电 路组成的。通过内部的位置反馈， 路组成的。通过内部的位置反馈，使它的舵盘输 出转角正比于给定的控制信号， 出转角正比于给定的控制信号，因此对于它的控 制可以使用开环控制方式。 制可以使用开环控制方式。在负载力矩小于其最 大输出力矩的情况下， 大输出力矩的情况下，它的输出转角正比于给定 的脉冲宽度。但实际上，由于舵机反应的延迟性， 的脉冲宽度。但实际上，由于舵机反应的延迟性， 智能车的舵机转角通常不能在一个控制周期内到 达指定的设定角度，因此， 达指定的设定角度，因此，可以在舵机外部再安 装一个位置反馈装置，构成双闭环系统， 装一个位置反馈装置，构成双闭环系统，以实时 检测和控制舵机的转动角度。 检测和控制舵机的转动角度。武汉科技大学信息科学与工程学院6.2.5舵机控制单元舵机控制单元采用组委会提供的Futaba公司 公司 舵机控制单元采用组委会提供的 S3010型舵机作为智能车方向控制部件。 型舵机作为智能车方向控制部件。 型舵机作为智能车方向控制部件图6.14 转向伺服电机实物图武汉科技大学信息科学与工程学院6.2.6直流驱动电机控制单元直流驱动电机控制电路主要用来控制直流电动机 的转动方向和转动速度。 的转动方向和转动速度。改变直流电动机两端的 电压可以控制电动机的转动方向； 电压可以控制电动机的转动方向；而控制直流电 动机的转速，则有不同的方案， 动机的转速，则有不同的方案，较常规的方法是 采用PWM控制。驱动电路既可以直接采用 控制。 采用 控制 MC33886电机驱动芯片，也可以采用大功率 电机驱动芯片， 电机驱动芯片 MOS管来自行设计电机驱动电路。 管来自行设计电机驱动电路。 管来自行设计电机驱动电路武汉科技大学信息科学与工程学院MC33886全桥驱动电路 全桥驱动电路 采用MC33886的全桥驱动时，为了提供更大的 的全桥驱动时， 采用 的全桥驱动时 驱动电流，可以将多片MC33886并联使用，其 并联使用， 驱动电流，可以将多片 并联使用 采用3片 采用 片MC33886并联方式驱动电机硬件电路 并联方式驱动电机硬件电路 如图6.15所示。 所示。 如图 所示图6.15 电机驱动硬件电路图武汉科技大学信息科学与工程学院大功率MOS管电机驱动电路 大功率 管电机驱动电路 采用大功率MOS管组成电机驱动电路时，在保 管组成电机驱动电路时， 采用大功率 管组成电机驱动电路时 证大电流驱动电机的同时， 证大电流驱动电机的同时，可以有效地避免多片 MC33886并联时由于芯片分散性导致的驱动芯 并联时由于芯片分散性导致的驱动芯 片某些片发热某些不发热的现象。 片某些片发热某些不发热的现象。但由分离元件 组成的驱动电路的稳定性低于集成芯片。 组成的驱动电路的稳定性低于集成芯片。图6.16 MOS管组成电机驱动电路 MOS管组成电机驱动电路武汉科技大学信息科学与工程学院6.3软件设计6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4初始化算法路径离散识别算法路径连续识别算法控制策略及控制算法武汉科技大学信息科学与工程学院6.3软件设计在智能车控制系统光电管方案的软件设计中， 在智能车控制系统光电管方案的软件设计中，程 序的主流程是：先完成单片机初始化（包括I/O 序的主流程是：先完成单片机初始化（包括 模块、 模块、 模块、PWM模块、计时器模块、定时中断模块 模块 计时器模块、 初始化）之后， 初始化）之后，通过无限循环语句不断地重复执 行路径检测程序、数据处理程序、控制算法程序、 行路径检测程序、数据处理程序、控制算法程序、 舵机输出及驱动电机输出程序。其中， 舵机输出及驱动电机输出程序。其中，定时中断 用于检测小车当前速度， 用于检测小车当前速度，作为小车速度闭环控制 的反馈信号。 的反馈信号。武汉科技大学信息科学与工程学院6.3软件设计光电管方案主程序流程图如图6.17所示。 所示。 光电管方案主程序流程图如图 所示图6.17 光电管方案主程序流程图武汉科技大学信息科学与工程学院6.3.1初始化算法1．锁相环初始化 ． 2．A/D初始化 ． 初始化 3．PWM初始化 ． 初始化 4．定时器初始化 ．武汉科技大学信息科学与工程学院6.3.2路径离散识别算法路径离散识别算法是通过普通I/O端口将光电管 端口将光电管 路径离散识别算法是通过普通 接收端的电压值读入单片机，根据端口输入的高、 接收端的电压值读入单片机，根据端口输入的高、 低电平逻辑来判断该传感器是否处于黑色引导线 上方，再筛选出所有处于引导线上方的传感器， 上方，再筛选出所有处于引导线上方的传感器， 便可以大致判断出此时车身相对道路的位置， 便可以大致判断出此时车身相对道路的位置，确 定出路径信息。 定出路径信息。武汉科技大学信息科学与工程学院6.3.2路径离散识别算法路径离散识别算法简便易行，因为输入量为开关量， 路径离散识别算法简便易行，因为输入量为开关量，所 以对硬件及算法的要求都比较低， 以对硬件及算法的要求都比较低，在传感器数目较多的 情况下也可以实现较高的识别准确性。 情况下也可以实现较高的识别准确性。但它的一个缺陷 在于路径信息只是基于间隔排布的传感器的离散值， 在于路径信息只是基于间隔排布的传感器的离散值，对 于两个相邻传感器之间的“盲区” 于两个相邻传感器之间的“盲区”无法提供有效的距离 信息，因此其路径识别精度极大地受限于传感器的间距。 信息，因此其路径识别精度极大地受限于传感器的间距。 此外，由于离散算法得到的路径信息是离散值， 此外，由于离散算法得到的路径信息是离散值，如果将 离散的路径信息直接应用到转向及车速控制策略中去， 离散的路径信息直接应用到转向及车速控制策略中去， 会导致转向及车速调节的阶跃式非连续变化， 会导致转向及车速调节的阶跃式非连续变化，这将会对 智能车的性能产生不利影响。此时， 智能车的性能产生不利影响。此时，舵机转向及车速控 制僵硬，舵机对路径变化反应不灵敏， 制僵硬，舵机对路径变化反应不灵敏，舵机输出转向相 对于路径为阶跃式延迟响应，易产生超调及振荡现象， 对于路径为阶跃式延迟响应，易产生超调及振荡现象， 对于追求高车速、短决策周期的控制策略来说， 对于追求高车速、短决策周期的控制策略来说，很可能 因为舵机响应不及时而造成控制失效。 因为舵机响应不及时而造成控制失效。武汉科技大学信息科学与工程学院6.3.3路径连续识别算法路径连续识别算法是通过单片机A/D口将接收管 口将接收管 路径连续识别算法是通过单片机 电压读入。 电压读入。道路中心线相对于各个红外接收管的 距离所引起的电压变化经A/D转换成相应的数字 距离所引起的电压变化经 转换成相应的数字 量，然后通过插值运算可以得到更加精确的路径 信息。然而， 信息。然而，由于器件制造工艺引起的分散性问 各个光电管的性能特性存在很大的差异， 题，各个光电管的性能特性存在很大的差异，特 别是电压波动范围相差较大， 别是电压波动范围相差较大，这就给算法制定统 一的标准带来了困难。为了解决这一问题， 一的标准带来了困难。为了解决这一问题，可以 采用归一化方法――把各传感器的电压值都处理 采用归一化方法 把各传感器的电压值都处理 成相对于该传感器最大电压（白区的电压） 成相对于该传感器最大电压（白区的电压）和最 小电压（黑区的电压）的变化百分比， 小电压（黑区的电压）的变化百分比，以使所有 的特性曲线的范围都将在0～ 之间。 的特性曲线的范围都将在 ～100之间。 之间武汉科技大学信息科学与工程学院6.3.3路径连续识别算法在比赛前先对光电管进行预标定， 在比赛前先对光电管进行预标定，找到各光电管 对黑线的敏感程度， 对黑线的敏感程度，将预标定过程中各个光电管 的最大值和最小值存下来， 的最大值和最小值存下来，用最大值减去最小值 得到每个传感器在赛道上的输出范围， 得到每个传感器在赛道上的输出范围，小车行驶 过程中，将每个传感器输出的信号减去最小值， 过程中，将每个传感器输出的信号减去最小值， 再除以该传感器的输出范围即可得到其相对输出 然后找到其中最大的那个值。 值，然后找到其中最大的那个值。该值对应的光 电管下面的黑线比例为最大， 电管下面的黑线比例为最大，然后找到此光电管 旁的另外两个光电管。 旁的另外两个光电管。可以根据这三个值可以算 出黑线的准确位置。 出黑线的准确位置。武汉科技大学信息科学与工程学院6.3.4控制策略及控制算法1．转角的控制 ． 2．车速的控制 ． 3．路径记忆算法 ．武汉科技大学信息科学与工程学院6.3.4控制策略及控制算法为保证小车一直沿着黑色引导线快速行驶， 为保证小车一直沿着黑色引导线快速行驶，系统 主要的控制对象是小车的转向和车速。 主要的控制对象是小车的转向和车速。即应使小 车在直道上以最快的速度行驶。 车在直道上以最快的速度行驶。在进入弯道的过 程中尽快减速，且转向要适合弯道的曲率， 程中尽快减速，且转向要适合弯道的曲率，确保 小车平滑地转弯，并在弯道中保持恒速。 小车平滑地转弯，并在弯道中保持恒速。从弯道 进入直道时，小车的舵机要转至中间， 进入直道时，小车的舵机要转至中间，速度应该 立即得到提升，直至以最大的速度行进。 立即得到提升，直至以最大的速度行进。为实现 上述控制思想， 上述控制思想，可以采用不同的控制方法来控制 小车的转角和速度。 小车的转角和速度。武汉科技大学信息科学与工程学院转角的控制 为了使舵机迅速地转至期望的角度， 为了使舵机迅速地转至期望的角度，先通过前排 发射接收光电管检测黑线，当小车处于直道时， 发射接收光电管检测黑线，当小车处于直道时， 最中间的光电管检测到信号， 最中间的光电管检测到信号，当处于不同曲率的 弯道时，前排两侧不同的光电管将检测到信号。 弯道时，前排两侧不同的光电管将检测到信号。 所以，根据前排光电管检测到的不同信号， 所以，根据前排光电管检测到的不同信号，可以 判断出小车所处的位置。然后， 判断出小车所处的位置。然后，根据小车的位置 再对调整舵机进行相应的调整。 再对调整舵机进行相应的调整。武汉科技大学信息科学与工程学院转角的控制 调整舵机的原则是：小车处于直道时，摆正舵机。 调整舵机的原则是：小车处于直道时，摆正舵机。 小车处于弯道的曲率越大，则舵机转角越大。 小车处于弯道的曲率越大，则舵机转角越大。除 此之外，小车还会遇到黑色交叉线的特殊情况， 此之外，小车还会遇到黑色交叉线的特殊情况， 对此，本系统将保持小车原有的方向与速度， 对此，本系统将保持小车原有的方向与速度，使 小车不受交叉线的干扰。如果小车转过的弯过大， 小车不受交叉线的干扰。如果小车转过的弯过大， 则可能使前排光电管全部偏离黑色轨迹， 则可能使前排光电管全部偏离黑色轨迹，从而没 有一个光电管检测到黑线， 有一个光电管检测到黑线，故应使舵机保持原角 让小车急转驶回正道。同时， 度，让小车急转驶回正道。同时，将速度适当降 防止小车冲出轨迹。 低，防止小车冲出轨迹。武汉科技大学信息科学与工程学院转角的控制 这里采用比例和微分相结合的PD控制方法。 控制方法。 这里采用比例和微分相结合的 控制方法（1）比例控制：通过前面提取的position与中心位置 ）比例控制： 相减得到比例控制的偏差量，然后再根据偏差量的大 小采用比例系数控制舵机转向。 （2）微分控制：通过存储连续20次采样所得到的黑线 ）微分控制： 位置，可以计算出相应的黑线位置变化率，进而根据 这个变化率的大小，来调整微分系数，以控制舵机转 向。武汉科技大学信息科学与工程学院车速的控制 因为小车比赛的赛道是未知的， 因为小车比赛的赛道是未知的，弯道的分布情况 也不能确定，小车可能频繁地进出弯道， 也不能确定，小车可能频繁地进出弯道，不停地 调整速度来适应不同轨迹。所以， 调整速度来适应不同轨迹。所以，需要对智能车 的速度进行闭环控制， 的速度进行闭环控制，使得小车的速度能够频繁 地变化， 地变化，且能在很短的时间内由当前速度转变为 期望的转速。基于这几点的考虑， 期望的转速。基于这几点的考虑，可以考虑利用 MC9S12DG128单片机的模糊指令集。 单片机的模糊指令集。 单片机的模糊指令集武汉科技大学信息科学与工程学院路径记忆算法 由于传感器看到赛道的长度有限， 由于传感器看到赛道的长度有限，不能很好地对 赛道状况进行预测，因此， 赛道状况进行预测，因此，如果小车在跑第一圈 的时候能够记下赛道全部路径信息， 的时候能够记下赛道全部路径信息，在第二圈的 时候则能够根据第一圈的记忆信息辅助控制， 时候则能够根据第一圈的记忆信息辅助控制，在 相同条件下将比不使用赛道记忆的智能车更具有 优势。 优势。武汉科技大学信息科学与工程学院路径记忆算法 成功实现赛道记忆算法， 成功实现赛道记忆算法，必须具备以下五个条件赛车必须识别起跑线。 赛车需要在第一圈记下正确的赛道信息。 正确地滤波。 赛车必须拥有足够的存储空间。 赛车在第二圈如何应用第一圈记下的信息。武汉科技大学信息科学与工程学院起跑线的检测 从图6.18的起始线的特点可以看到，在两条黑 的起始线的特点可以看到， 从图 的起始线的特点可以看到 线之间有大约2 的白色区域， 线之间有大约 cm的白色区域，可以通过识别 的白色区域 这个特征信息，来区别起始线和十字交叉线。 这个特征信息，来区别起始线和十字交叉线。我 们采用一排为五个的红外光电管， 们采用一排为五个的红外光电管，中间三个之间 的距离为2 的距离为 cm，旁边两个的距离为 cm，如 ，旁边两个的距离为5 ， 所示。 图6.19所示。 所示图6.18 起始线尺寸图武汉科技大学信息科学与工程学院图6.19 光电管排列图赛车如何在第一圈记下正确的赛道信息 当起跑线被检测到后，开始对赛道进行记忆。 当起跑线被检测到后，开始对赛道进行记忆。我 们采用的是分段式记忆算法， 们采用的是分段式记忆算法，当黑线的位置在中 间某个区域内则记为直道， 间某个区域内则记为直道，在右面的区域则记为 右弯道，在左面的区域则记为左弯道。 右弯道，在左面的区域则记为左弯道。我们利用 编码器记录小车走过的路程，具体做法为： 编码器记录小车走过的路程，具体做法为：用 PCAN1记录编码器的脉冲数，输入到计数器当 记录编码器的脉冲数， 记录编码器的脉冲数 中，进而采用计数器的溢出中断来对赛道进行定 距离记忆，当计数器的脉冲数溢出时， 距离记忆，当计数器的脉冲数溢出时，这时计数 器申请溢出中断，从而实现对赛道定距离记忆。 器申请溢出中断，从而实现对赛道定距离记忆。 当第二次检测到起始线时记忆结束。 当第二次检测到起始线时记忆结束。武汉科技大学信息科学与工程学院正确的滤波 确的滤波对赛道记忆而言是至关重要的， 确的滤波对赛道记忆而言是至关重要的，它决定 了在第二圈时赛车的运行路线和运行速度， 了在第二圈时赛车的运行路线和运行速度，对赛 道滤波需要分两种情况， 道滤波需要分两种情况，第一种就是在记忆过程 中对赛道滤波， 中对赛道滤波，由于我们采用的是分段式记忆方 当某一段记到的脉冲数小于某个数时， 法，当某一段记到的脉冲数小于某个数时，这时 我们把它归为上一段。 我们把它归为上一段。第二种就是在第二次检测 到起始线后对赛道进行全局滤波， 到起始线后对赛道进行全局滤波，这时我们要从 赛道中滤出小S道 道和连续弯道。 赛道中滤出小 道、大S道和连续弯道。 道和连续弯道武汉科技大学信息科学与工程学院正确的滤波 具体做法如下：首先我们必须先找出它们的特征， 具体做法如下：首先我们必须先找出它们的特征， 对于小S道 由于我们采用的是分段式记忆算法， 对于小 道，由于我们采用的是分段式记忆算法， 如果当连续几段的脉冲数都很少时， 如果当连续几段的脉冲数都很少时，我们可以把 这几段看成一个整体，把它从赛道中滤出来， 这几段看成一个整体，把它从赛道中滤出来，从 而实现小S道直冲 道直冲。 而实现小 道直冲。当然这个脉冲数的阈值必须 是通过大量的测试而得，否则将造成错误。 是通过大量的测试而得，否则将造成错误。大S 道不能像小S道那样直接冲过去 道那样直接冲过去， 道不能像小 道那样直接冲过去，否则小车将冲 出跑道。我们必须将连续弯道提取出来， 出跑道。我们必须将连续弯道提取出来，因为在 第二圈回忆跑道时，连续弯道最容易出错。 第二圈回忆跑道时，连续弯道最容易出错。武汉科技大学信息科学与工程学院赛车必须拥有足够的存储空间 由于赛车的RAM空间只有 kb，所以 空间只有8 由于赛车的 空间只有 ， EEPROM必然成为了存储赛道信息的最佳选择。 必然成为了存储赛道信息的最佳选择。 必然成为了存储赛道信息的最佳选择通过编写WriteEEPROM和ReadEEPRROM这两个函 数，将EEPROM当作ROM来使用。这样就解决了存储 空间不足的问题，而且EEPROM在程序复位和断电后 数据不会丢失。武汉科技大学信息科学与工程学院赛车在第二圈如何应用第一圈记下的信息 根据第一圈记录下来的信息， 根据第一圈记录下来的信息，小车就可以提前预 知直道还是弯道。对于直道， 知直道还是弯道。对于直道，小车在道路的前段 以常规的速度行驶，以便小车调整车身姿态， 以常规的速度行驶，以便小车调整车身姿态，中 段则以全速行驶， 段则以全速行驶，后段则提前减速到一个最佳的 速度，为过弯道而做准备。在弯道中， 速度，为过弯道而做准备。在弯道中，小车会根 据第一圈记下来的不同曲率， 据第一圈记下来的不同曲率，以设定速度匀速行 特别的是，在过小S弯时 弯时， 驶。特别的是，在过小 弯时，可以人为地让小 车减小调节舵机的大小， 车减小调节舵机的大小，这样小车便能以近似直 道冲过去。 道冲过去。武汉科技大学信息科学与工程学院赛车在第二圈如何应用第一圈记下的信息 记忆算法流程图如图6.20所示。 所示。 记忆算法流程图如图 所示图6.20 记忆算法流程图武汉科技大学信息科学与工程学院思考题? 1．光电管型智能车的三种排布方式：“一”字形 光电管型智能车的三种排布方式： 字形、 W”字形各有何优 缺点？ 字形各有何优、 、“八”字形、“W”字形各有何优、缺点？试设 计一类更有利于智能车前瞻性和赛道检测精确性 的光电管排布方式。 的光电管排布方式。 ? 2．在智能车的设计过程中，如何有效减少光电管 在智能车的设计过程中， 之间的干扰？ 之间的干扰？思考题? 3．设计一种滤波方案，使光电管型智能车能够在 设计一种滤波方案， 运行时克服外界光线的频繁变化。 运行时克服外界光线的频繁变化。 ? 4．路径记忆算法相对于一般控制算法的优势何在 ？何种情况下使用路径记忆算法能够显著提高小 车行驶的速度？ 车行驶的速度？
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