基于單片機(jī)的智能尋跡小車(chē)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</b></p><p>　　基于單片機(jī)的智能尋跡小車(chē)設(shè)計(jì)</p><p>　　THE SYSTEM DESIGN OF THE TRACKING CAR BASED ON MCU</p><p>　　學(xué)院（部）：電氣與信息工程學(xué)院 </p><p>　　專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 電子與

2、信息工程08-2 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： xx講師 </p><p>　　2012 年 6 月 3 日</p><p>　　基于單片機(jī)的智能尋跡小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b&g

3、t;</p><p>　　本文以競(jìng)賽用智能車(chē)為研究對(duì)象，圍繞著視覺(jué)導(dǎo)航中的道路識(shí)別和跟蹤算法以及系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)展開(kāi)研究。在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，根據(jù)汽車(chē)技術(shù)理論，討論了機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整方法，如主銷(xiāo)后傾角、主銷(xiāo)內(nèi)傾角、車(chē)輪外傾和前束等，同時(shí)為使左右前輪轉(zhuǎn)向一致，討論了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的標(biāo)定方法；在控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方面，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的電源模塊、路徑識(shí)別模塊、測(cè)速模塊和驅(qū)動(dòng)模塊的硬件、安裝方式和外圍接口電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)；在控制系統(tǒng)軟件設(shè)

4、計(jì)和設(shè)計(jì)方面，對(duì)道路識(shí)別和跟蹤算法以及車(chē)體PID控制算法的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究。</p><p>　　本課題的主要研究?jī)?nèi)容及成果包括以下幾個(gè)方面：</p><p>　　（1）為了克服外界環(huán)境光的干擾，設(shè)計(jì)了濾波電路，提出了相應(yīng)的濾波算法。該濾波電路耗電省，工作穩(wěn)定，抗干擾性強(qiáng)，探測(cè)距離與靈敏度可通過(guò)電路中參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)。</p><p>　?。?）對(duì)攝像頭采集及處理路徑圖

5、像數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，基于二值化算法，左側(cè)邊緣檢測(cè)法和跟蹤邊緣檢測(cè)法的原理，提出了改進(jìn)型二值化算法。該算法在攝像頭傾斜檢測(cè)時(shí)，對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)的去噪處理非常有效，具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠提取出精確的路徑特點(diǎn)信息。</p><p>　?。?）通過(guò)對(duì)競(jìng)賽用智能汽車(chē)的轉(zhuǎn)向舵機(jī)轉(zhuǎn)角和行進(jìn)速度所采用的基于路徑形狀信息的參數(shù)自整定模糊PID控制算法的研究，提出了可應(yīng)用于現(xiàn)代智能車(chē)轉(zhuǎn)向和車(chē)速調(diào)節(jié)的PID控制算法數(shù)學(xué)模型。</p&

6、gt;<p>　　（4）完成了我校競(jìng)賽用智能車(chē)全部軟硬件的設(shè)計(jì)與制造。</p><p>　　關(guān)鍵詞：智能競(jìng)賽汽車(chē)；攝像頭；圖像處理；路徑識(shí)別；路徑跟蹤；PID控制；</p><p>　　THE SYSTEM DESIGN OF THE TRACKING CAR BASED ON MCU</p><p><b>　　ABSTRACT</b

7、></p><p>　　This thesis , taking intelligent competition car as the research object, focuses the research work on path identification, path tracking and the system implementation. In the aspect of mechanic

8、al system design, the adjutive methods of mechanical and structure parameters are discussed according to automobile technical theory,such as caster angle, kingpin inclination , toe-in and camber of wheels.Meanwhile,the c

9、alibrated method of steering system is discussed in order to make two front tires achie</p><p>　　The main contents and contributions of this thesis are as follows:</p><p>　　(1)In order to overco

10、me the interference of environmental light to the infrared emitting diode and photodiode, a filtering circuit is designed. The circuit is of the little power consumption, and the better working stability, and the better

11、characteristics of identifying path and anti-jamming, and the adjustable detecting range and sensitivity.</p><p>　　(2)By the research on path image data acquiring and processing,based on the principle of bin

12、arization algorithm, left edge diction algorithm and tracing edge algorithm, an improved binarization algorithm is proposed. The algorithm is a skew detection method of the camera and effective for the de-noising process

13、ing of image data, and it has strong properties of robustne and can extract precise data of path feature points.</p><p>　　(3)By the reseach on the parameters self-tuning fuzzy-PID control algorithm, which is

14、 based on the image data of the path shape and adopted in adjusting the direction of the servo motor and the speed of the car, the mathematical models of the PID control algorithm is proposed, which can be used to adjust

15、 the running direction and the speed of the modern intelligent vehicles.</p><p>　　(4)The design and manufacture of all the softwares and handwares are finished for the intelligent competion car of our univer

16、sity.</p><p>　　Key Words : Intelligent Competion Car;Camera;Image Procession; Vision Navigation; Path Tracking; PID control; </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I&

17、lt;/b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　1緒論1</b></p><p><b>　　1.1 引言1</b></p><p>　　1.1.1 智能控制簡(jiǎn)介1</p><p>　　1.1.2 智能汽車(chē)簡(jiǎn)介1</p

18、><p>　　1.2 開(kāi)發(fā)智能汽車(chē)必要性1</p><p>　　1.3 智能汽車(chē)研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.4 未來(lái)智能車(chē)系統(tǒng)3</p><p><b>　　2系統(tǒng)方案論證6</b></p><p>　　2.1 道路檢測(cè)方案設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.2

19、動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)8</p><p>　　2.3 轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制9</p><p>　　2.4 測(cè)速電路選擇9</p><p>　　2.5 控制算法9</p><p>　　3 智能車(chē)硬件電路設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖11</p><p>　　3.2 CPU小系

20、統(tǒng)設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.2.1 CPU簡(jiǎn)介12</p><p>　　3.2.2 CPU復(fù)位電路設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.2.3 CPU時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.2.4 CPU BDM調(diào)試電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.2.5 A/D參考電壓電路設(shè)計(jì)15</p&

21、gt;<p>　　3.3 電源電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.4編碼器測(cè)速電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.5 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.6電池電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.7 加速度電路設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.8 人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)1

22、9</p><p>　　4 PID控制算法在智能小車(chē)中的應(yīng)用20</p><p>　　4.1 PID控制簡(jiǎn)介20</p><p>　　4.1.1 PID控制的組成20</p><p>　　4.1.2 PID控制器的參數(shù)整定21</p><p>　　4.2 增量型PID控制算法22</p><

23、;p>　　4.2.1 增量型PID簡(jiǎn)介22</p><p>　　4.2.2 增量型PID算法22</p><p>　　4.2.3 增量型PID應(yīng)用的程序編程23</p><p>　　5 智能車(chē)的軟件設(shè)計(jì)24</p><p>　　5.1采集數(shù)據(jù)處理流程24</p><p>　　5.2 賽道信息提取26

24、</p><p>　　5.3 賽道特征識(shí)別26</p><p>　　5.4 舵機(jī)轉(zhuǎn)向和電機(jī)速度的控制26</p><p><b>　　結(jié)論29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p><b>　　致謝31</b>

25、;</p><p><b>　　1緒論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)的性能要求也日益提高。為了追求汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、安全性和乘坐舒適性，世界各國(guó)不斷應(yīng)用各種先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，開(kāi)發(fā)先進(jìn)裝置，以提高汽車(chē)的性能。80年代中期，傳統(tǒng)的控制技術(shù)（經(jīng)

26、典控制和現(xiàn)代控制理論的統(tǒng)稱(chēng)）的應(yīng)用，使汽車(chē)振動(dòng)控制系統(tǒng)的性能有了較大的提高，相應(yīng)地也暴露出一些不足。人工智能的出現(xiàn)和發(fā)展，促進(jìn)了傳統(tǒng)控制向智能控制的發(fā)展。</p><p>　　1.1.1 智能控制簡(jiǎn)介</p><p>　　智能控制是一類(lèi)無(wú)需或僅需盡可能少的人干預(yù)就能夠獨(dú)立驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制。目前，智能控制理論，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（ANN）、模糊控制技術(shù)（FLC）、遺傳算法優(yōu)化

27、技術(shù)等已進(jìn)入工程化合實(shí)用化的時(shí)代，在汽車(chē)工程中得到了研究和重視。從目前來(lái)看，單獨(dú)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯控制和遺傳算法優(yōu)化技術(shù)均存在不同程度的不足，常和其他的控制算法結(jié)合使用，或者幾種智能控制算法集成使用。</p><p>　　汽車(chē)是一個(gè)復(fù)雜的多自由度系統(tǒng)，受許多因素如路面狀況、載荷等的影響。因此，許多專(zhuān)家都在尋找一種有效的方法控制汽車(chē)的動(dòng)態(tài)特性使之滿(mǎn)足要求，而智能控制的性能優(yōu)于傳統(tǒng)控制，因此在汽車(chē)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)

28、用。</p><p>　　1.1.2 智能汽車(chē)簡(jiǎn)介</p><p>　　智能汽車(chē)與一般所說(shuō)的自動(dòng)駕駛有所不同，它指的是利用多種傳感器和智能公路技術(shù)實(shí)現(xiàn)的汽車(chē)自動(dòng)駕駛。智能汽車(chē)首先有一套導(dǎo)航信息資料庫(kù)，存有全國(guó)高速公路、普通公路、城市道路以及各種服務(wù)設(shè)施(餐飲、旅館、加油站、景點(diǎn)、停車(chē)場(chǎng))的信息資料；其次是GPS定位系統(tǒng)，利用這個(gè)系統(tǒng)精確定位車(chē)輛所在的位置，與道路資料庫(kù)中的數(shù)據(jù)相比較，確定以

29、后的行駛方向；道路狀況信息系統(tǒng)，由交通管理中心提供實(shí)時(shí)的前方道路狀況信息，如堵車(chē)、事故等，必要時(shí)及時(shí)改變行駛路線(xiàn)；車(chē)輛防碰系統(tǒng)，包括探測(cè)雷達(dá)、信息處理系統(tǒng)、駕駛控制系統(tǒng)，控制與其他車(chē)輛的距離，在探測(cè)到障礙物時(shí)及時(shí)減速或剎車(chē)，并把信息傳給指揮中心和其他車(chē)輛；緊急報(bào)警系統(tǒng)，如果出了事故，自動(dòng)報(bào)告指揮中心進(jìn)行救援；無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，用于汽車(chē)與指揮中心的聯(lián)絡(luò)；自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，用于控制汽車(chē)的點(diǎn)火、改變速度和轉(zhuǎn)向等。</p><p&g

30、t;　　1.2 開(kāi)發(fā)智能汽車(chē)必要性</p><p>　　在汽車(chē)的技術(shù)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，流行著這樣一句話(huà)：“技術(shù)比人類(lèi)更可靠”。歐洲的一項(xiàng)研究表明：汽車(chē)駕駛員只要在有碰撞危險(xiǎn)的0.5s前得到“預(yù)警”，就可以避免至少60%的追尾撞車(chē)事故、30%的迎面撞車(chē)事故和50%的路面相關(guān)事故；若有1s的“預(yù)警”時(shí)間，則可避免90%的事故發(fā)生。通常對(duì)車(chē)輛的操作實(shí)質(zhì)上可視為對(duì)一個(gè)多輸入、多輸出、輸入輸出關(guān)系復(fù)雜多變、不確定多干擾源的復(fù)雜非線(xiàn)

31、性系統(tǒng)的控制過(guò)程。駕駛員既要接受環(huán)境如道路、擁擠、方向、行人等的信息，還要感受汽車(chē)如車(chē)速、側(cè)向偏移、橫擺角速度等的信息，然后經(jīng)過(guò)判斷、分析和決策，并與自己的駕駛經(jīng)驗(yàn)相比較，確定出應(yīng)該做的操縱動(dòng)作，最后由身體、手、腳等來(lái)完成操縱車(chē)輛的動(dòng)作。因此在整個(gè)駕駛過(guò)程中，駕駛員的人為因素占了很大的比重。一旦出現(xiàn)駕駛員長(zhǎng)時(shí)間駕車(chē)、疲勞駕車(chē)、判斷失誤的情況，很容易造成交通事故。</p><p>　　美國(guó)研究認(rèn)為：包括智能汽車(chē)研究

32、在內(nèi)的智能運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸?shù)挠绊懀赡軙?huì)超過(guò)洲際高速公路。它的意義和價(jià)值在于：大幅度提高公路的通行能力，至少使現(xiàn)有高速公路的交通量增加1倍；大量減少公路交通堵塞、擁擠，降低汽車(chē)油耗，可使城市交通堵塞和擁擠造成的損失分別減少25%～40%左右，大大提高了公路交通的安全性。另外更重要的是，可以明顯提高運(yùn)輸效率，促使交通運(yùn)輸業(yè)繁榮發(fā)展。近兩年來(lái)，一些特大型汽車(chē)行業(yè)巨頭紛紛合并、收購(gòu)或建立各種合作關(guān)系，從而在全球范圍內(nèi)掀起了新一

33、輪汽車(chē)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的狂潮。美國(guó)加州國(guó)際汽車(chē)經(jīng)濟(jì)研究所的調(diào)查報(bào)告指出，下一個(gè)汽車(chē)銷(xiāo)售高潮將從普及“智能化汽車(chē)”開(kāi)始，新一輪競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，將是基于信息融合技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能自動(dòng)化技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等的智能汽車(chē)（Intelligent Vehicle，IV）的研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。</p><p>　　通過(guò)對(duì)車(chē)輛智能化技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，可以提高車(chē)輛的控制與駕駛水平，保障車(chē)輛行駛的安全暢通、高效。對(duì)

34、智能化的車(chē)輛控制系統(tǒng)的不斷研究完善，相當(dāng)于延伸擴(kuò)展了駕駛員的控制、視覺(jué)和感官功能，能極大地促進(jìn)道路交通的安全性。智能車(chē)輛的主要特點(diǎn)是以技術(shù)彌補(bǔ)人為因素的缺陷，使得即便在很復(fù)雜的道路情況下，也能自動(dòng)地操縱和駕駛車(chē)輛繞開(kāi)障礙物，沿著預(yù)定的道路軌跡行駛。</p><p>　　1.3 智能汽車(chē)研究現(xiàn)狀</p><p>　　智能車(chē)系統(tǒng)是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，

35、是典型的、多學(xué)科的、綜合性的高科技和高新技術(shù)的結(jié)合體，涉及傳感器技術(shù)、信息融合技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能自動(dòng)控制技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等，在一定程度上代表了一個(gè)國(guó)家自動(dòng)化智能的水平。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈程度的日益加劇和智能運(yùn)輸系統(tǒng)（ITS）研究的興起，國(guó)際上對(duì)于智能汽車(chē)及其相關(guān)技術(shù)的研究成為熱門(mén)，一批有實(shí)力、有遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)的汽車(chē)行業(yè)大公司、研究院所和高等院校也正展開(kāi)智能汽車(chē)的研究。目前它已成

36、為世界眾多發(fā)達(dá)國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的智能交通體系中的重要組成部分，也是世界車(chē)輛工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和汽車(chē)工業(yè)增長(zhǎng)的新動(dòng)力。</p><p>　　歐洲開(kāi)發(fā)基金資助進(jìn)行駕駛員監(jiān)測(cè)、道路環(huán)境的感知、視覺(jué)增強(qiáng)、前車(chē)距控制以及傳感器融合方面的研究。同時(shí)，歐洲的一些國(guó)家正試驗(yàn)將智能速度適應(yīng)（Intelligent Speed Adaptation，ISA）作為提高車(chē)輛安全性的手段，其構(gòu)想是通過(guò)路邊標(biāo)志信息或衛(wèi)星定位信息以及車(chē)載數(shù)字地圖

37、進(jìn)行車(chē)輛導(dǎo)航，并自動(dòng)控制車(chē)輛的速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)，能夠使交通事故減少20%。德國(guó)慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防大學(xué)與奔馳汽車(chē)公司合作研制開(kāi)發(fā)了VAMP試驗(yàn)車(chē)，它是由一輛豪華型的奔馳500SEL改裝而成，視覺(jué)系統(tǒng)主要包括道路檢測(cè)與跟蹤RDT和障礙物檢測(cè)與跟蹤ODT兩個(gè)模塊。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)行駛了1600公里，其中95%的部分是自動(dòng)駕駛的。</p><p>　　目前在日本，夜視和后視報(bào)警系統(tǒng)已應(yīng)用在某些汽車(chē)上，三菱公司

38、和尼桑公司已發(fā)布其近期可使用的防撞設(shè)備，前方防撞和車(chē)道偏離有望在1～2年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。本田公司、尼桑公司和豐田公司也各自在先進(jìn)安全性車(chē)輛計(jì)劃中發(fā)展行車(chē)安全子系統(tǒng)，它們包括：車(chē)道定位系統(tǒng)、前車(chē)距離控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、障礙物警報(bào)系統(tǒng)、駕駛員打盹報(bào)警系統(tǒng)和夜間行人報(bào)警系統(tǒng)等。日本智能公路（SmartWay）計(jì)劃中，提出車(chē)輛上采用諸如：車(chē)道保持、十字路口防撞、行人避讓和車(chē)距保持等IV技術(shù)。到2015年將在日本全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)施SmartWay計(jì)劃。&

39、lt;/p><p>　　我國(guó)的相關(guān)研究也已展開(kāi)。清華大學(xué)汽車(chē)研究所是國(guó)內(nèi)最早成立的主要從事智能汽車(chē)及智能交通的研究單位之一，在汽車(chē)導(dǎo)航、主動(dòng)避撞、車(chē)載微機(jī)等方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究。上海市“智能汽車(chē)車(chē)內(nèi)自主導(dǎo)行系統(tǒng)”的一種樣車(chē)，2000年7月19日通過(guò)市科委鑒定，它標(biāo)志著上海智能交通系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性實(shí)施階段。國(guó)防科大成功試驗(yàn)了第四代無(wú)人駕駛汽車(chē)，它的最高時(shí)速達(dá)到了75.6公里，創(chuàng)國(guó)內(nèi)最高紀(jì)錄。西北工業(yè)大學(xué)空管所、吉林

40、交通大學(xué)、重慶大學(xué)等都在展開(kāi)相關(guān)研究。這一新興學(xué)科吸引著越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)、學(xué)者加入到智能車(chē)相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)研究中來(lái)。</p><p>　　在智能汽車(chē)的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)之前，實(shí)際上已經(jīng)出現(xiàn)許多輔助駕駛系統(tǒng)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在汽車(chē)上，如智能雨刷，可以自動(dòng)感應(yīng)雨水及雨量，自動(dòng)開(kāi)啟和停止；自動(dòng)前照燈，在黃昏光線(xiàn)不足時(shí)可以自動(dòng)打開(kāi)；智能空調(diào)，通過(guò)檢測(cè)人皮膚的溫度來(lái)控制空調(diào)風(fēng)量和溫度；智能懸架，也稱(chēng)主動(dòng)懸架，自動(dòng)根據(jù)路面情況來(lái)控制懸架行程

41、，減少顛簸；防打瞌睡系統(tǒng)，用監(jiān)測(cè)駕駛員的眨眼情況，來(lái)確定是否很疲勞，必要時(shí)停車(chē)報(bào)警。計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為汽車(chē)的智能化提供了廣闊的前景。</p><p>　　1.4 未來(lái)智能車(chē)系統(tǒng)</p><p>　　車(chē)載信息技術(shù)是無(wú)線(xiàn)電技術(shù)與微處理器技術(shù)的匯聚，即利用計(jì)算機(jī)和衛(wèi)星通信等信息技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能車(chē)輔助駕駛、Internet網(wǎng)上登錄、實(shí)時(shí)交通信息查詢(xún)等。通過(guò)應(yīng)用電子信息技術(shù)，使車(chē)輛實(shí)現(xiàn)高智能化，

42、極大地改善車(chē)輛人機(jī)系統(tǒng)的安全性，避免事故的發(fā)生和減少傷害程度。從此角度出發(fā)，以系統(tǒng)工程的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看待智能車(chē)信息系統(tǒng)，可以劃分為環(huán)境識(shí)別子系統(tǒng)、狀態(tài)判斷子系統(tǒng)、車(chē)輛控制子系統(tǒng)、司機(jī)—車(chē)載計(jì)算機(jī)交互界面子系統(tǒng)等。</p><p>　　(1)便攜式GPS定位與導(dǎo)航：便攜式衛(wèi)星導(dǎo)航集成了衛(wèi)星定位技術(shù)（GPS）、地理信息管理（GIS）和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以電子地圖為基礎(chǔ)，通過(guò)GPS接收衛(wèi)星信號(hào)，能夠完成智能路徑規(guī)劃、全程語(yǔ)音提示、

43、電子地圖瀏覽、衛(wèi)星定位導(dǎo)航等功能。GPS主要由衛(wèi)星與接收器兩部分構(gòu)成。衛(wèi)星向地面廣播編碼位置與時(shí)間信號(hào)，而接收器則負(fù)責(zé)接收這些信號(hào)，實(shí)現(xiàn)全天候、大范圍、多車(chē)輛的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位、調(diào)度、監(jiān)控，改進(jìn)車(chē)輛運(yùn)行管理，增強(qiáng)突發(fā)事件的反應(yīng)能力，提高車(chē)輛運(yùn)行率和行車(chē)安全度，并為應(yīng)用的行業(yè)規(guī)避經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。其經(jīng)濟(jì)廉價(jià)、精度定位、全球覆蓋的魅力，使其迅速超越傳統(tǒng)的定位手段，成為需要定位、定姿、定時(shí)的首要選擇。</p><p>

44、;　　(2)視覺(jué)子系統(tǒng)，視覺(jué)子系統(tǒng)是智能汽車(chē)的圖像信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，由攝像頭、圖形卡等硬件設(shè)備和圖像處理軟件組成。它主要依靠安裝在前、后保險(xiǎn)杠及車(chē)身兩側(cè)的紅外線(xiàn)攝像機(jī)，對(duì)汽車(chē)前、后、左、右的一定區(qū)域進(jìn)行不停地掃描和監(jiān)視，根據(jù)捕獲圖像和計(jì)算位置，實(shí)時(shí)采集、處理環(huán)境場(chǎng)景，對(duì)物體大小、形狀和動(dòng)作進(jìn)行分析，判斷出障礙物運(yùn)動(dòng)的方向、姿態(tài)、速度、加速度等信息，并將辨識(shí)數(shù)據(jù)提供給決策系統(tǒng)進(jìn)行分析決策使用。</p><p>　　(3

45、)微波多普勒雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)：車(chē)載微波探測(cè)雷達(dá)由窄波束天線(xiàn)、集成化發(fā)射機(jī)和接收機(jī)以及數(shù)字信息自理裝置等組成。利用目標(biāo)對(duì)電磁波的反射（或稱(chēng)為二次反射）現(xiàn)象來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并測(cè)定其位置及速度等參數(shù)，綜合判斷車(chē)輛行駛的潛在危險(xiǎn)性，及時(shí)將探測(cè)結(jié)果提供給下一級(jí)決策系統(tǒng)。微波單片集成電路（MMIC）的最新發(fā)展，使固態(tài)收發(fā)模塊在雷達(dá)中的應(yīng)用達(dá)到實(shí)用階段。集成接收機(jī)、發(fā)射機(jī)及高性能數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），使價(jià)格低廉、高性能的便攜式車(chē)載探測(cè)雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)和普及成為

46、現(xiàn)實(shí)。</p><p>　　(4)決策系統(tǒng)：決策系統(tǒng)主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，如交通狀況信息、環(huán)境信息完成決策或分類(lèi)任務(wù)，安排汽車(chē)行走路線(xiàn)。在此基礎(chǔ)上根據(jù)一定的準(zhǔn)則和決策的可信度對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行融合，再由策略庫(kù)進(jìn)行汽車(chē)動(dòng)作部署，做出最優(yōu)決策（如車(chē)輛優(yōu)化調(diào)度、路徑規(guī)劃、汽車(chē)加減速、超車(chē)及停車(chē)等），以便具有良好的實(shí)時(shí)性和容錯(cuò)性，使在一種或幾種傳感器失效時(shí)也能工作。策略應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行提取，并存在知識(shí)庫(kù)中。知識(shí)庫(kù)還應(yīng)有一個(gè)學(xué)習(xí)

47、智能體，用于不斷豐富策略。各種智能算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊算法、遺傳算法等也可以應(yīng)用到構(gòu)造策略庫(kù)以及策略選擇過(guò)程中。系統(tǒng)根據(jù)采取的對(duì)策，決策汽車(chē)的任務(wù)和動(dòng)作。</p><p>　　(5)通訊系統(tǒng)：通訊系統(tǒng)保證各模塊之間以及車(chē)載體與控制中心之間的高質(zhì)量通訊。目前大多數(shù)采用無(wú)線(xiàn)數(shù)字通訊。為了提高通訊的質(zhì)量，要精心設(shè)計(jì)通訊電路及通訊協(xié)議。藍(lán)牙技術(shù)為車(chē)載通訊系統(tǒng)提供了很好的解決方案，它將取代目前多種電纜連接方式，以低成本的近

48、距離無(wú)線(xiàn)連接為基礎(chǔ)，通過(guò)嵌入式微電子芯片，使所有相關(guān)設(shè)備在有效范圍內(nèi)完成相互交換信息、傳遞數(shù)據(jù)的工作，使各種電子裝置在無(wú)線(xiàn)狀態(tài)下相互連接傳遞數(shù)據(jù)。</p><p>　　(6)控制系統(tǒng)：智能車(chē)控制系統(tǒng)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性與汽車(chē)的橫擺運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。智能車(chē)控制系統(tǒng)主要是通過(guò)制動(dòng)力控制汽車(chē)的橫擺運(yùn)動(dòng)，根據(jù)各傳感器輸入到計(jì)算機(jī)的信號(hào)推測(cè)駕駛員所期望的汽車(chē)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩和各車(chē)輪制動(dòng)力進(jìn)行控制，以減小汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)的過(guò)度轉(zhuǎn)

49、向特性，以及抑制因后輪側(cè)滑所引起的急旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)發(fā)生，提高汽車(chē)操縱響應(yīng)能力和緊急躲避障礙能力。</p><p>　　(7)顯示系統(tǒng)：它包括底視顯示系統(tǒng)、頂視顯示系統(tǒng)和控制中心顯示系統(tǒng)。底視顯示系統(tǒng)顯示汽車(chē)行駛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、車(chē)門(mén)狀態(tài)（鎖死/微開(kāi)）、燃油狀態(tài)，還監(jiān)控轉(zhuǎn)向盤(pán)上用來(lái)選擇合適娛樂(lè)工作模式的各按鈕狀態(tài)；頂視顯示系統(tǒng)安裝于汽車(chē)擋風(fēng)玻璃上，可以為駕駛員傳遞路況信息、衛(wèi)星導(dǎo)航信息，控制中心顯示系統(tǒng)的液晶

50、顯示觸摸屏能夠?yàn)轳{駛員提供各種信息界面顯示，如電話(huà)、溫度控制、電視、車(chē)輛狀態(tài)信息、車(chē)載移動(dòng)辦公、導(dǎo)航、網(wǎng)站瀏覽、娛樂(lè)等。乘客通過(guò)連接在座椅上的通訊接口，也能享受這些功能。</p><p>　　信息融合技術(shù)是當(dāng)今智能汽車(chē)的發(fā)展前景，信息融合技術(shù)使得車(chē)輛能夠利用多傳感器集成技術(shù)以及融合技術(shù)，結(jié)合環(huán)境信息、交通狀況信息做出一個(gè)最優(yōu)決策，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛自動(dòng)感知前方的障礙物，及時(shí)采取措施進(jìn)行避讓?zhuān)煌ㄟ^(guò)對(duì)前方信號(hào)的識(shí)別，自動(dòng)停車(chē)或

51、繼續(xù)運(yùn)行；通過(guò)對(duì)路標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別，避免違章行為等，從而可以大大降低車(chē)輛事故的發(fā)生，同時(shí)減輕司機(jī)駕駛的負(fù)擔(dān)，盡量降低司機(jī)疲勞駕駛的可能性。當(dāng)然，智能汽車(chē)的發(fā)展還有很長(zhǎng)的路要走，但是未來(lái)交通必然是由智能車(chē)主宰，再配合上智能交通系統(tǒng)，人們的夢(mèng)想——高速安全便捷的交通運(yùn)輸將不再是夢(mèng)。</p><p><b>　　2系統(tǒng)方案論證</b></p><p>　　本文所述的智能車(chē)是一種

52、自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)，能夠在給定的區(qū)域內(nèi)沿著軌跡自動(dòng)行進(jìn)。小車(chē)運(yùn)行過(guò)程由方向檢測(cè)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)部分進(jìn)行控制，采用與白色地面顏色有較大差別的黑色線(xiàn)條作為引導(dǎo)。智能車(chē)尋跡系統(tǒng)采用紅外反射式光電管識(shí)別路徑上的黑線(xiàn)，并以最短的時(shí)間完成尋跡，用MC9S12XS128單片機(jī)掃描光電傳感器組，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析處理并作出邏輯判斷后，得到行進(jìn)方向，再通過(guò)加長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)智能車(chē)的尋跡行進(jìn)。智能車(chē)的驅(qū)動(dòng)采用直流電機(jī)，并采用PWM實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)

53、速，為使智能車(chē)快速、平穩(wěn)地行駛，系統(tǒng)必須把路徑識(shí)別、相應(yīng)的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制以及直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制準(zhǔn)確地結(jié)合在一起。本文對(duì)智能車(chē)的尋跡、避障及速度控制等進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)自動(dòng)控制器是制作智能車(chē)的核心環(huán)節(jié)。自動(dòng)控制器是以單片機(jī)為核心，配合有傳感器、電機(jī)、舵機(jī)、電池、以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，它能夠自主識(shí)別路徑，控制模型車(chē)高速穩(wěn)定運(yùn)行在跑道上。</p><p>　　2.1 道路檢測(cè)方案設(shè)計(jì)</p><p>

54、;　　智能小車(chē)需要實(shí)現(xiàn)自主尋跡，因而需要選擇合適的尋線(xiàn)傳感器。針對(duì)這個(gè)系統(tǒng)，傳感器主要負(fù)責(zé)采集路面信息。賽道路面用專(zhuān)用白色基板制作，跑道表面為白色，中心有連續(xù)黑線(xiàn)作為引導(dǎo)線(xiàn)，黑線(xiàn)寬25mm。由于探測(cè)條件比較寬松，所以傳感器的選擇余地很大。大致可以分為兩種方案。（1）紅外發(fā)射/接收管檢測(cè)方式，也即光電傳感器檢測(cè)方式。通過(guò)紅外發(fā)光管發(fā)射紅外線(xiàn)光照射跑道，跑道表面與中心線(xiàn)具有不同的反射強(qiáng)度，白色反射回來(lái)，而遇黑色吸收，利用紅外接收管可以檢測(cè)到

55、這些信息。這種光電傳感器一般安裝在小車(chē)的前端，可以安裝一排，也可以前后安裝兩排，總共大約十幾個(gè)，這樣，可以根據(jù)道路顏色反射回來(lái)的信息來(lái)確定小車(chē)中心與黑色中心線(xiàn)之間的位置關(guān)系。通過(guò)合理安排紅外發(fā)射/接收管的空間位置就可以檢測(cè)到模型車(chē)前方道路相對(duì)小車(chē)的位置。（2）CCD/CMOS攝像頭檢測(cè)方式。將攝像頭認(rèn)為是一種傳感器，利用單片機(jī)采集道路前面的圖像，通過(guò)軟件處理獲取賽道的各種參數(shù)。由于賽道本身只包括黑白兩種顏色，采用黑白圖像傳感器即可滿(mǎn)足要

56、求。CCD/CMOS攝像頭有面陣和線(xiàn)陣兩種類(lèi)型，它們?cè)诮涌陔娐?、輸出信?hào)以及檢測(cè)信息等方面有著較大的區(qū)別，面陣攝像頭可以獲取前</p><p>　　光電傳感器尋跡方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、信號(hào)處理速度快，但是其前瞻距離有限；光電管通過(guò)紅外收發(fā)管檢測(cè)接收到的反射光強(qiáng)弱，以此判斷賽道黑線(xiàn)，具有反應(yīng)速度快，電路簡(jiǎn)單，檢測(cè)信息速度快，成本低的優(yōu)點(diǎn)；CCD攝像頭則是通過(guò)圖像采集，動(dòng)態(tài)拾取路徑信息來(lái)進(jìn)行尋線(xiàn)判斷。采用CCD攝像頭

57、尋跡則能大幅度提升小車(chē)的前瞻距離，有利于小車(chē)提高車(chē)速。但是它是以實(shí)現(xiàn)小車(chē)視覺(jué)為目的的，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，檢測(cè)信息更新速度慢，數(shù)據(jù)處理量比較大，算法較為復(fù)雜。如何對(duì)攝像頭記錄的圖像進(jìn)行處理和識(shí)別，加快處理速度是攝像頭方案的難點(diǎn)之一。比較見(jiàn)表2-1所示。</p><p>　　表2-1 兩種道路檢測(cè)方法優(yōu)劣比較</p><p>　　資料來(lái)源：學(xué)做智能車(chē)—挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯</p>&l

58、t;p>　　在比較了兩種傳感器優(yōu)劣之后，考慮到光電傳感器前瞻比較近單行掃描，視野比較小而且檢測(cè)精度不夠高，決定選用攝像頭，相信通過(guò)選用合適的攝像頭，加之精簡(jiǎn)的程序控制和較快的信息處理速度，攝像頭還是可以極好的控制效果的。</p><p>　　選擇光攝像頭需要分析比較解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。（1）根據(jù)其原理不同分?jǐn)z像頭主要分為兩種：CCD(Charge Coupled Device)攝像頭，CMOS攝像頭。C

59、CD也稱(chēng)電耦合器件，其工作原理是：被攝物體反射光線(xiàn)到攝像頭上，經(jīng)過(guò)鏡頭聚焦到CCD感光芯片上，感光芯片根據(jù)光線(xiàn)的強(qiáng)弱積聚相應(yīng)電荷，經(jīng)周期性放電而產(chǎn)生表示圖像的電信號(hào)。CMOS攝像頭其實(shí)跟CCD差不多，也是將光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。它們的差異之處就是圖像的掃描方式不同，CCD是采用連續(xù)掃描方式，即它只有等到最后一個(gè)像素掃描完成后才進(jìn)行放大；CMOS傳感器的每個(gè)像素都有一個(gè)將電荷放大為電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。所以CMOS的功耗比CCD要小。但是CCD

60、攝像頭可以通過(guò)升壓電路來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題（2）在小車(chē)行進(jìn)的過(guò)程中由于車(chē)身的抖動(dòng)，CMOS攝像頭采集到的圖像有可能模糊不清，這樣將會(huì)導(dǎo)致在處理采集到的數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生誤差，最終影響小車(chē)的前進(jìn)路線(xiàn)。而CCD攝像頭則穩(wěn)定得多。所以最終決定選擇CCD攝像頭。</p><p>　?。?）消除外界環(huán)境光線(xiàn)的干擾。攝像頭采集圖像的過(guò)程中對(duì)外界環(huán)境光線(xiàn)的要求很高，因?yàn)閿z像頭很容易受外界光線(xiàn)的干擾，從而導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確?？梢圆扇〉拇胧┯?/p>

61、：在攝像頭的前端鏡片上固定一個(gè)偏光片，這也就可以避免外界一些光線(xiàn)的干擾（3）圖像接收信號(hào)的接口電路。攝像頭采集圖像后根據(jù)圖像的灰度會(huì)產(chǎn)生變化的電壓，它可以反映出賽道中心線(xiàn)的位置。這個(gè)電壓信息可以通過(guò)外部的電壓比較器變成高低電平有單片機(jī)的I/O口端口讀取，也可以通過(guò)單片機(jī)的A/D端口直接讀取。通常單片機(jī)的I/O口數(shù)量比較多，可并行輸入傳感器的狀態(tài)，讀取速度快，這種方式需要增加多路電壓比較電路，增加了接口電路的復(fù)雜性，同時(shí)也將攝像頭上連續(xù)變

62、化的電壓信息由于整形而丟失了。通過(guò)單片機(jī)的A/D口直接讀取電壓的變化量，不僅可以簡(jiǎn)化外部電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)還可以保留攝像頭的連續(xù)變化電壓信息，通過(guò)軟件算法進(jìn)行位置插值細(xì)化，不僅可以得到更加精確的位置信息，同時(shí)還可以消除環(huán)境光線(xiàn)的影響。</p><p>　　2.2 動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　直流電機(jī)是智能車(chē)前行的動(dòng)力所在。要驅(qū)動(dòng)、控制一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)需要設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。要驅(qū)

63、動(dòng)、控制一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，既可以使用分立的功率元件如MOSFET搭建驅(qū)動(dòng)電路，如半橋或H橋等；也可以使用集成的直流電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)芯片。由于使用分立的功率元件構(gòu)成電路會(huì)使得整個(gè)智能小車(chē)的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，因而使用集成的芯片會(huì)使小車(chē)的系統(tǒng)更簡(jiǎn)單明了。</p><p>　　在此智能車(chē)系統(tǒng)中，采用的是BTS7970芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。BTS7970是一種集成的H橋功率驅(qū)動(dòng)芯片，應(yīng)用的是PWM模塊來(lái)控制直流電動(dòng)機(jī)，芯片內(nèi)部

64、是H橋結(jié)構(gòu),內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 BTS7970內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.3 轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制</p><p>　　伺服電動(dòng)機(jī)是把輸入的電壓信號(hào)變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速隨信號(hào)電壓的方向和大小而改變。</p><p>　　對(duì)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)為一路PWM波，本設(shè)計(jì)采用兩種供電方式，即一路6

65、V供電一路7.2V供電，平時(shí)使用6V。由于額定電壓為5v～6v，但稍微高于額定電壓會(huì)有更好的響應(yīng)速度和扭力。</p><p>　　2.4 測(cè)速電路選擇</p><p>　　為了使模型車(chē)能夠平穩(wěn)地沿著賽道運(yùn)行，除了控制前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)以外，還需控制車(chē)速，使模型車(chē)在急轉(zhuǎn)彎時(shí)速度不要過(guò)快而沖出賽道。</p><p>　　在車(chē)輪沒(méi)有打滑情況下，車(chē)速正比于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。車(chē)速檢測(cè)

66、一般式通過(guò)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的。電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)方法很多，大致有以下方法：</p><p>　　測(cè)速發(fā)電機(jī)。采用同軸直連或者齒輪傳動(dòng)等方法，將測(cè)速發(fā)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連，它的輸出電壓正比與轉(zhuǎn)速。</p><p>　　透射式光電檢測(cè)。相比反射式光電檢測(cè)，它是具有齒槽結(jié)構(gòu)的圓盤(pán)固定在后輪驅(qū)動(dòng)機(jī)的輸出軸上，采用直射式紅外傳感器讀取齒槽圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖，比如ST130傳感器。</p><p

67、>　　反射式光電檢測(cè)。在后輪齒輪傳動(dòng)盤(pán)上粘貼一個(gè)黑白相間的光碼盤(pán)，通過(guò)固定在附近的反射式紅外傳感器讀取光碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖。</p><p>　　轉(zhuǎn)角編碼器。分為絕對(duì)位置輸出或者增量式位置輸出兩種。一般可使用增量式編碼盤(pán)。它的輸出脈沖的個(gè)數(shù)正比于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而使它的輸出脈沖的頻率正比于轉(zhuǎn)速。可以通過(guò)測(cè)量單位周期內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)或者脈沖周期得到脈沖的頻率。本文采用的即為此方法。</p><p

68、><b>　　2.5 控制算法</b></p><p>　　這里主要完成對(duì)轉(zhuǎn)向舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制。采用簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制，使用基于反饋控制的PID算法為主要的控制算法。包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。即把測(cè)量到的關(guān)心的變量與期望值比較，然后用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。在這種情況下，引入了PID控制器。在實(shí)際應(yīng)用中，PID控制算法所控制規(guī)律為比例、積分、微分控制。PID是一種有效而簡(jiǎn)

69、單的控制器，能夠在保證不影響系統(tǒng)穩(wěn)定精度的前提下提高系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，并很好地改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。</p><p>　　根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的PID控制算法在尋找機(jī)器人轉(zhuǎn)向控制中表現(xiàn)出來(lái)的性能很好，所以智能車(chē)的轉(zhuǎn)向控制算法也使用PID算法。但是由于智能車(chē)本身存在一些特異的故有特性，單純的PID控制無(wú)法有效地控制智能車(chē)，必須加入一些基于駕駛經(jīng)驗(yàn)的方法。</p><p>　　首先，智能車(chē)車(chē)體慣量

70、較大，車(chē)體控制響應(yīng)頻率較低；其次動(dòng)力電機(jī)和舵機(jī)的響應(yīng)速度有限；再次，智能車(chē)的差速機(jī)構(gòu)很差，不利于作大的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。這些特點(diǎn)時(shí)候使得智能車(chē)的控制滯后較大，且彎道性能較差。為了克服這些問(wèn)題，必須使智能車(chē)能夠提前檢測(cè)彎道必備并減速過(guò)彎。</p><p>　　在實(shí)際的智能車(chē)系統(tǒng)中，PID算法的運(yùn)用存在一些問(wèn)題：</p><p>　　實(shí)際沒(méi)有對(duì)速度進(jìn)行限制，故需要對(duì)速度進(jìn)行定義；</p>

71、<p>　　對(duì)直線(xiàn)上的偏差進(jìn)行不斷地修正，即使是很小的偏差，小車(chē)也會(huì)不斷地加速或減速，造成電能的損耗，影響速度的提高，并導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定；</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)有干擾信號(hào)時(shí)，PID調(diào)節(jié)會(huì)出現(xiàn)超調(diào)甚至震蕩現(xiàn)象，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p><p>　　3 智能車(chē)硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>

72、　　根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出分析情況，結(jié)合其軟硬件特點(diǎn)，在硬件上可將智能車(chē)系統(tǒng)劃分為電源、單片機(jī)、傳感器、動(dòng)力電機(jī)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)和通訊調(diào)試等幾個(gè)模塊。系統(tǒng)模塊框圖如圖3-1所示。</p><p>　　在選定智能車(chē)系統(tǒng)采用攝像頭傳感器方案后，賽車(chē)的位置信號(hào)由車(chē)體上方的攝像頭傳感器采集，經(jīng)MC9SXS128的I/O口處理后，用于賽車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制決策，同時(shí)內(nèi)部ECT模塊發(fā)出PWM波，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)對(duì)智能車(chē)進(jìn)行加速和減速控制，以及伺服電

73、機(jī)對(duì)賽車(chē)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，使賽車(chē)在賽道上能夠自主行駛，并以最短的時(shí)間最快的速度跑完全程。為了對(duì)賽車(chē)的速度進(jìn)行精確的控制，在智能車(chē)后軸上安裝光電編碼器，采集車(chē)輪轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)，經(jīng)MC9SXS128捕獲后進(jìn)行PID自動(dòng)控制，完成智能車(chē)速度的閉環(huán)控制。</p><p>　　轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中最重要的部分是舵機(jī)。智能小車(chē)采用舵機(jī)的型號(hào)為HS-3010，該舵機(jī)扭力大，穩(wěn)定性好，控制角度精確，但是響應(yīng)靈敏度較差，存在嚴(yán)重的機(jī)械滯后，

74、而舵機(jī)的響應(yīng)速度直接影響模型車(chē)通過(guò)彎道時(shí)的最高速度，提高舵機(jī)的響應(yīng)速度是提高模型車(chē)平均速度的一個(gè)關(guān)鍵。</p><p>　　由于速度是比賽的關(guān)鍵，那么在智能小車(chē)的設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)一個(gè)好的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路至關(guān)重要。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，而是采用了基于H橋驅(qū)動(dòng)電路的PWM控制技術(shù)，方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和制動(dòng)。</p><p>　　智能小車(chē)競(jìng)賽是基于同一開(kāi)發(fā)平臺(tái)上設(shè)計(jì)的小車(chē)競(jìng)速比賽，因而智能小車(chē)的速度和穩(wěn)定性是決定

75、比賽成績(jī)的關(guān)鍵。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.2 CPU小系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1 CPU簡(jiǎn)介</p><p>　　MC9SXS128是HCS12家族的一個(gè)成員。該器件包括大量的片上存儲(chǔ)器和外部I/O。MC9SXS128是一個(gè)16位器件，有16位中央處理單元（HCS12CPU）、128K

76、B Flash、8KB RAM、2KB EEPROM組成內(nèi)存儲(chǔ)器。同時(shí)還包括2個(gè)異步串行通信接口（SCI）、2個(gè)串行外設(shè)接口（SPI）和一個(gè)8通道輸入捕捉/輸出比較（IC/OC）增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器（ECT）、2個(gè)8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）和一個(gè)8通道PWM。</p><p>　　MC9SXS128還包括29個(gè)獨(dú)立的數(shù)字I/O口（A、B、K、和E），20個(gè)獨(dú)立的數(shù)字I/O口具有中斷和喚醒功能。另外還具有2個(gè)C

77、AN2.0A/B標(biāo)準(zhǔn)兼容模塊（MSCAN12）和一個(gè)IC總線(xiàn)。</p><p>　　MC9SXS128具有內(nèi)部16位數(shù)據(jù)通道，外部總線(xiàn)可以按照8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)窄模式操作，所以可以和8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)的存儲(chǔ)器連接，以降低成本。PPL電路允許根據(jù)系統(tǒng)需要調(diào)整電源功耗及性能。</p><p>　　圖3-2所示的MC9SXS128封裝引腳圖共有80個(gè)引腳。</p><p>　　圖3-

78、2 MC9SXS128 QFP80 封裝引腳圖</p><p>　　3.2.2 CPU復(fù)位電路設(shè)計(jì)</p><p>　　如圖3-3所示為芯片硬件復(fù)位電路。系統(tǒng)正常工作時(shí)RESET引腳通過(guò)4.7K電阻接到電源正極（這里設(shè)為5V電源供電），所以應(yīng)為高電平。若按下復(fù)位按鈕RST，則RESET腳通過(guò)100Ω接地，為低電平，芯片復(fù)位。單片機(jī)系統(tǒng)要求整個(gè)系統(tǒng)的電源電壓為5V的高質(zhì)量的直流穩(wěn)壓電源，系統(tǒng)

79、電源電路如圖3-4所示，接在電源與地之間的電容C1、C2為濾波電容，其作用是減少不穩(wěn)定外電源對(duì)系統(tǒng)的干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。</p><p>　　圖3-3 芯片硬件復(fù)位電路 圖3-4電源濾波電路 </p><p>　　3.2.3 CPU時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)</p><p>　　XTAL和EXTAL分別是晶體驅(qū)動(dòng)輸出和外部時(shí)鐘輸入引

80、腳。EXTAL引腳既可以接晶振，也可以接CMOS兼容的時(shí)鐘信號(hào)，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路，器件中所有的時(shí)鐘信號(hào)都來(lái)自該引腳輸入的時(shí)鐘。XTAL引腳為晶體驅(qū)動(dòng)輸出，當(dāng)EXTAL引腳外接時(shí)鐘時(shí)，該引腳懸空。時(shí)鐘電路的集中接法如圖3-5、圖3-6和圖3-7所示。</p><p>　　圖3-5 Colpitts晶振連接 圖3-6 Pierce晶振連接 圖3-7 外部時(shí)鐘接</p><p

81、>　　( PE7=0 ) ( PE7=1 ) ( PE7=0 )</p><p>　　本文選擇圖3-6的晶振連接方式，得到如下圖所示的芯片晶振連接圖。</p><p>　　圖3-8 芯片晶振電路</p><p>　　3.2.4 CPU BDM調(diào)試電路設(shè)計(jì)</p><p>

82、　　BDM口是用來(lái)接BDM調(diào)試器，一方面用來(lái)向目標(biāo)板下載程序，可以將目標(biāo)板上的單片機(jī)Flash中的舊程序擦除。另一方面，通過(guò)BDM調(diào)試器將系統(tǒng)軟件中的各個(gè)參數(shù)傳送到上位機(jī)CodeWarrior IDE調(diào)試界面，方便系統(tǒng)調(diào)試和觀(guān)察系統(tǒng)軟件各個(gè)參數(shù)的變化。</p><p>　　圖3-9 標(biāo)準(zhǔn)BMD調(diào)試插頭</p><p>　　引腳1為BKGD信號(hào)，在這種定義方式，一旦BDM插頭被接反，則目標(biāo)C

83、PU的BKGD引腳會(huì)被短接到VDD上，由此將會(huì)造成芯片燒毀。</p><p>　　3.2.5 A/D參考電壓電路設(shè)計(jì)</p><p>　　LM317集成電路是精密的2.5V并聯(lián)穩(wěn)壓器，器件工作相當(dāng)于一個(gè)低溫度系數(shù)的、動(dòng)態(tài)電阻為0.2Ω的2.5V齊納二極管，其中的微調(diào)段、端可以使基準(zhǔn)電壓和溫度系數(shù)得到微調(diào)。它的典型性能參數(shù)有：</p><p>　　·低溫系數(shù)

84、：6mV/9mV/18/mV；</p><p>　　·工作電流范圍：300μA~10mA；</p><p>　　·最大正向電流：10mA；</p><p>　　·最大反向電流：15mA。</p><p>　　輸入5V電源，經(jīng)過(guò)濾波電路和LM317后轉(zhuǎn)換為2.5V的單片機(jī)A/D口參考電壓。</p>&

85、lt;p>　　圖3-10 A/D參考電壓電路</p><p>　　3.3 電源電路設(shè)計(jì)</p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路板中的電源模塊為系統(tǒng)其它各個(gè)模塊提供所需要的電源。設(shè)計(jì)中，除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲、防止干擾和電路簡(jiǎn)單等方面進(jìn)行優(yōu)化?？煽康碾娫捶桨甘钦麄€(gè)硬件電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。</p><p>　　由于電路

86、中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此電源模塊應(yīng)該包括多個(gè)穩(wěn)壓電路，將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊所需要的電壓。主要包括如下不同的電壓：</p><p>　　5V電壓，采用芯片LM2940，主要為單片機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路以及部分接口電路（如光電傳感器）提供電源，電壓要求穩(wěn)定、噪聲小，電流容量大于500mA。</p><p>　　6V電壓，采用芯片LM2941主要是為舵機(jī)提供工作

87、電壓。實(shí)際工作時(shí)，舵機(jī)所需要的工作電流一般在幾十毫安左右，電壓無(wú)需十分穩(wěn)定。</p><p>　　3.3V電壓，采用芯片LM358，由5V電源變換為3.3V電源為加速度傳感器提供工作電壓。</p><p>　　圖3-11 單片機(jī)電源電路</p><p>　　圖3-12 舵機(jī)電源電路</p><p>　　圖3-13 加速度傳感器電源電路<

88、/p><p>　　3.4編碼器測(cè)速電路設(shè)計(jì)</p><p>　　圖3-14 光電編碼器原理</p><p>　　圖3-15 測(cè)速電路原理圖</p><p>　　結(jié)合圖3-14和圖3-15，我們知道，此光電編碼器分為四個(gè)引腳，分別為黑、棕、紅、橙色。圖3-15中的53中4腳接編碼器黑色線(xiàn)，由+5V電源接500Ω電阻到地；3腳接編碼器棕色線(xiàn)，為直接接

89、地；2腳接編碼器紅色線(xiàn)，接5V電源；1腳接編碼器橙色線(xiàn)，接入信號(hào)電路。</p><p>　　3.5 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　用MC9SXS128的PWM0和PWM1分別作為BTS7970的IN1和IN2引腳下的輸入，并通過(guò)MC9SXS128的ADC模塊采樣BTS7970的反饋電流信號(hào)（FB）引腳，以實(shí)時(shí)監(jiān)控H橋的高邊電流輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。電路原理圖如

90、圖3-16所示。</p><p>　　圖3-16 運(yùn)用BTS7970驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)原理</p><p>　　3.6電池電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　圖3-17 電池電壓檢測(cè)電路</p><p>　　由于輸入電源為7.2V，而單片機(jī)A/D接口參考電壓為2.5V，故需要通過(guò)電阻分壓來(lái)變換檢測(cè)電壓。上圖中Rx的值取為6.8K，這樣，通過(guò)分壓和

91、一個(gè)電壓跟隨器，AN01得到的電壓為2.16V，在0~2.5V之間，輸入到單片機(jī)的模擬量口A(yíng)N01。隨著電池電壓的下降，即7.2V的輸入逐漸降低，則輸入給單片機(jī)的模擬量也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。</p><p>　　3.7 加速度電路設(shè)計(jì)</p><p>　　加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過(guò)程中作用在物體上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是個(gè)常量，比

92、如g，也可以是變量。芯片LM358是一個(gè)單軸的加速度傳感器，檢測(cè)加速度信號(hào)。</p><p>　　LM358捕獲步態(tài)的加速度信號(hào),微控制器的內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)其進(jìn)行采樣并輸入單片機(jī)模擬量口A(yíng)N1。</p><p>　　圖3-18 加速度電路原理圖</p><p>　　3.8 人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)</p><p>　　開(kāi)關(guān)按下后輸出低電平開(kāi)關(guān)關(guān)閉，按

93、下彈起后開(kāi)關(guān)打開(kāi)。按鍵開(kāi)關(guān)的四個(gè)引腳分別接到單片機(jī)的PT口，如圖3-19所示。</p><p>　　圖3-19 按鍵開(kāi)關(guān)電路原理圖</p><p>　　4 PID控制算法在智能小車(chē)中的應(yīng)用</p><p>　　4.1 PID控制簡(jiǎn)介</p><p>　　目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了

94、古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開(kāi)發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(Intelligent Regulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有

95、利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。</p><p>　　然而受到我們所使用的處理系統(tǒng)的限制，能應(yīng)用在智能小汽車(chē)電機(jī)控制中的智能控制是非常有限的。據(jù)我們閱讀歷屆技術(shù)報(bào)告，在智能小車(chē)中最常見(jiàn)的是增量式PID控制和模糊PID控制。</p><p>　　4.1.1 PID控制的組成</p>

96、<p>　　在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，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。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和

97、被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。圖4-1位為PID控制系統(tǒng)原理圖。</p><p>　　圖4-1 PID控制系統(tǒng)原理圖</p><p><b>　　比例（P）控制：</b></p><p>

98、;　　比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state Error）。</p><p><b>　　積分（I）控制：</b></p><p>　　在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的

99、或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)（System With Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p><b>　　微分（D）控制

100、：</b></p><p>　　在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)

101、往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。</p><p>　　4.1.2 PID控制器的參數(shù)整定</p><p>　　PID控制器的

102、參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：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)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴(lài)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、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的

103、工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線(xiàn)法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：</p><p>　　(1) 首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；</p><p>　　(2) 僅

104、加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；</p><p>　　(3) 在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。</p><p>　　4.2 增量型PID控制算法</p><p>　　4.2.1 增量型PID簡(jiǎn)介</p><p>　　在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，數(shù)字PID控制算法通常又分

105、為位置式PID和增量式PID。本次設(shè)計(jì)中，采用增量式PID。增量型算法與位置型算法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：增量型算法不需要做累加，增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，計(jì)算精度對(duì)控制量的計(jì)算影響較小，而位置型算法要用到過(guò)去偏差的累加值，容易產(chǎn)生大的累加誤差；增量型算法得出的是控制量的增量，而位置型算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動(dòng)作影響大；采用增量型算法，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換。</p><p>　　4.2.

106、2 增量型PID算法</p><p>　　在實(shí)際的電機(jī)編程控制時(shí)，采用了基于PWM脈寬調(diào)制的PID閉環(huán)控制，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車(chē)直流電機(jī)速度的閉環(huán)控制。</p><p><b>　　控制編程依據(jù)：</b></p><p>　　其中：—— 為第n次輸出控制量；</p><p>　　—— 為第n-1次輸出控制量；</p&