基于單片機的智能尋跡小車設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計說明書</b></p><p>　　基于單片機的智能尋跡小車設(shè)計</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>　　專業(yè)班級： 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>　　基于單片機的智能尋跡小車系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b&g

3、t;</p><p>　　本文以競賽用智能車為研究對象，圍繞著視覺導(dǎo)航中的道路識別和跟蹤算法以及系統(tǒng)的實現(xiàn)展開研究。在機械系統(tǒng)設(shè)計方面，根據(jù)汽車技術(shù)理論，討論了機械系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整方法，如主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾和前束等，同時為使左右前輪轉(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)計方面，對整個系統(tǒng)的電源模塊、路徑識別模塊、測速模塊和驅(qū)動模塊的硬件、安裝方式和外圍接口電路進行了設(shè)計；在控制系統(tǒng)軟件設(shè)

4、計和設(shè)計方面，對道路識別和跟蹤算法以及車體PID控制算法的數(shù)學(xué)模型進行了研究。</p><p>　　本課題的主要研究內(nèi)容及成果包括以下幾個方面：</p><p>　?。?）為了克服外界環(huán)境光的干擾，設(shè)計了濾波電路，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，探測距離與靈敏度可通過電路中參數(shù)來調(diào)節(jié)。</p><p>　?。?）對攝像頭采集及處理路徑圖

5、像數(shù)據(jù)進行了研究，基于二值化算法，左側(cè)邊緣檢測法和跟蹤邊緣檢測法的原理，提出了改進型二值化算法。該算法在攝像頭傾斜檢測時，對視頻圖像數(shù)據(jù)的去噪處理非常有效，具有較強的魯棒性，能夠提取出精確的路徑特點信息。</p><p>　?。?）通過對競賽用智能汽車的轉(zhuǎn)向舵機轉(zhuǎn)角和行進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)代智能車轉(zhuǎn)向和車速調(diào)節(jié)的PID控制算法數(shù)學(xué)模型。</p&

6、gt;<p>　?。?）完成了我校競賽用智能車全部軟硬件的設(shè)計與制造。</p><p>　　關(guān)鍵詞：智能競賽汽車；攝像頭；圖像處理；路徑識別；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 智能控制簡介1</p><p>　　1.1.2 智能汽車簡介1</p

18、><p>　　1.2 開發(fā)智能汽車必要性1</p><p>　　1.3 智能汽車研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.4 未來智能車系統(tǒng)3</p><p><b>　　2系統(tǒng)方案論證6</b></p><p>　　2.1 道路檢測方案設(shè)計6</p><p>　　2.2

19、動力電機驅(qū)動電路設(shè)計8</p><p>　　2.3 轉(zhuǎn)向舵機控制9</p><p>　　2.4 測速電路選擇9</p><p>　　2.5 控制算法9</p><p>　　3 智能車硬件電路設(shè)計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12</p><p>　　3.2.1 CPU簡介12</p><p>　　3.2.2 CPU復(fù)位電路設(shè)計13</p><p>　　3.2.3 CPU時鐘電路設(shè)計14</p><p>　　3.2.4 CPU BDM調(diào)試電路設(shè)計14</p><p>　　3.2.5 A/D參考電壓電路設(shè)計15</p&

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

22、9</p><p>　　4 PID控制算法在智能小車中的應(yīng)用20</p><p>　　4.1 PID控制簡介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 智能車的軟件設(shè)計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 賽道特征識別26</p><p>　　5.4 舵機轉(zhuǎn)向和電機速度的控制26</p><p><b>　　結(jié)論29</b></p><p><b>　　參考文獻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)的進步和發(fā)展，人們對汽車的性能要求也日益提高。為了追求汽車的經(jīng)濟性、動力性、安全性和乘坐舒適性，世界各國不斷應(yīng)用各種先進科學(xué)技術(shù)，開發(fā)先進裝置，以提高汽車的性能。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）的應(yīng)用，使汽車振動控制系統(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 智能控制簡介</p><p>　　智能控制是一類無需或僅需盡可能少的人干預(yù)就能夠獨立驅(qū)動智能機器實現(xiàn)其目標(biāo)的自動控制。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)等已進入工程化合實用化的時代，在汽車工程中得到了研究和重視。從目前來看，單獨的人工神經(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>　　汽車是一個復(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，許多專家都在尋找一種有效的方法控制汽車的動態(tài)特性使之滿足要求，而智能控制的性能優(yōu)于傳統(tǒng)控制，因此在汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)

28、用。</p><p>　　1.1.2 智能汽車簡介</p><p>　　智能汽車與一般所說的自動駕駛有所不同，它指的是利用多種傳感器和智能公路技術(shù)實現(xiàn)的汽車自動駕駛。智能汽車首先有一套導(dǎo)航信息資料庫，存有全國高速公路、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、停車場)的信息資料；其次是GPS定位系統(tǒng)，利用這個系統(tǒng)精確定位車輛所在的位置，與道路資料庫中的數(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時的前方道路狀況信息，如堵車、事故等，必要時及時改變行駛路線；車輛防碰系統(tǒng)，包括探測雷達(dá)、信息處理系統(tǒng)、駕駛控制系統(tǒng)，控制與其他車輛的距離，在探測到障礙物時及時減速或剎車，并把信息傳給指揮中心和其他車輛；緊急報警系統(tǒng)，如果出了事故，自動報告指揮中心進行救援；無線通信系統(tǒng)，用于汽車與指揮中心的聯(lián)絡(luò)；自動駕駛系統(tǒng)，用于控制汽車的點火、改變速度和轉(zhuǎn)向等。</p><p&g

30、t;　　1.2 開發(fā)智能汽車必要性</p><p>　　在汽車的技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域，流行著這樣一句話：“技術(shù)比人類更可靠”。歐洲的一項研究表明：汽車駕駛員只要在有碰撞危險的0.5s前得到“預(yù)警”，就可以避免至少60%的追尾撞車事故、30%的迎面撞車事故和50%的路面相關(guān)事故；若有1s的“預(yù)警”時間，則可避免90%的事故發(fā)生。通常對車輛的操作實質(zhì)上可視為對一個多輸入、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

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

32、在內(nèi)的智能運輸系統(tǒng)對國家社會經(jīng)濟和交通運輸?shù)挠绊?，可能會超過洲際高速公路。它的意義和價值在于：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，可以明顯提高運輸效率，促使交通運輸業(yè)繁榮發(fā)展。近兩年來，一些特大型汽車行業(yè)巨頭紛紛合并、收購或建立各種合作關(guān)系，從而在全球范圍內(nèi)掀起了新一

33、輪汽車行業(yè)競爭的狂潮。美國加州國際汽車經(jīng)濟研究所的調(diào)查報告指出，下一個汽車銷售高潮將從普及“智能化汽車”開始，新一輪競爭的焦點，將是基于信息融合技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、智能自動化技術(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（Intelligent Vehicle，IV）的研究設(shè)計開發(fā)。</p><p>　　通過對車輛智能化技術(shù)的研究和開發(fā)，可以提高車輛的控制與駕駛水平，保障車輛行駛的安全暢通、高效。對

34、智能化的車輛控制系統(tǒng)的不斷研究完善，相當(dāng)于延伸擴展了駕駛員的控制、視覺和感官功能，能極大地促進道路交通的安全性。智能車輛的主要特點是以技術(shù)彌補人為因素的缺陷，使得即便在很復(fù)雜的道路情況下，也能自動地操縱和駕駛車輛繞開障礙物，沿著預(yù)定的道路軌跡行駛。</p><p>　　1.3 智能汽車研究現(xiàn)狀</p><p>　　智能車系統(tǒng)是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級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)、計算機技術(shù)、智能自動控制技術(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國家自動化智能的水平。進入20世紀(jì)90年代以來，隨著汽車市場競爭激烈程度的日益加劇和智能運輸系統(tǒng)（ITS）研究的興起，國際上對于智能汽車及其相關(guān)技術(shù)的研究成為熱門，一批有實力、有遠(yuǎn)見卓識的汽車行業(yè)大公司、研究院所和高等院校也正展開智能汽車的研究。目前它已成

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

37、進行車輛導(dǎo)航，并自動控制車輛的速度。實驗結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)，能夠使交通事故減少20%。德國慕尼黑聯(lián)邦國防大學(xué)與奔馳汽車公司合作研制開發(fā)了VAMP試驗車，它是由一輛豪華型的奔馳500SEL改裝而成，視覺系統(tǒng)主要包括道路檢測與跟蹤RDT和障礙物檢測與跟蹤ODT兩個模塊。在整個實驗中，系統(tǒng)行駛了1600公里，其中95%的部分是自動駕駛的。</p><p>　　目前在日本，夜視和后視報警系統(tǒng)已應(yīng)用在某些汽車上，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，前方防撞和車道偏離有望在1～2年內(nèi)實現(xiàn)。本田公司、尼桑公司和豐田公司也各自在先進安全性車輛計劃中發(fā)展行車安全子系統(tǒng)，它們包括：車道定位系統(tǒng)、前車距離控制系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、障礙物警報系統(tǒng)、駕駛員打盹報警系統(tǒng)和夜間行人報警系統(tǒng)等。日本智能公路（SmartWay）計劃中，提出車輛上采用諸如：車道保持、十字路口防撞、行人避讓和車距保持等IV技術(shù)。到2015年將在日本全國范圍內(nèi)實施SmartWay計劃。&

39、lt;/p><p>　　我國的相關(guān)研究也已展開。清華大學(xué)汽車研究所是國內(nèi)最早成立的主要從事智能汽車及智能交通的研究單位之一，在汽車導(dǎo)航、主動避撞、車載微機等方面進行了廣泛而深入的研究。上海市“智能汽車車內(nèi)自主導(dǎo)行系統(tǒng)”的一種樣車，2000年7月19日通過市科委鑒定，它標(biāo)志著上海智能交通系統(tǒng)進入實質(zhì)性實施階段。國防科大成功試驗了第四代無人駕駛汽車，它的最高時速達(dá)到了75.6公里，創(chuàng)國內(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)等都在展開相關(guān)研究。這一新興學(xué)科吸引著越來越多的研究機構(gòu)、學(xué)者加入到智能車相關(guān)技術(shù)開發(fā)研究中來。</p><p>　　在智能汽車的目標(biāo)實現(xiàn)之前，實際上已經(jīng)出現(xiàn)許多輔助駕駛系統(tǒng)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在汽車上，如智能雨刷，可以自動感應(yīng)雨水及雨量，自動開啟和停止；自動前照燈，在黃昏光線不足時可以自動打開；智能空調(diào)，通過檢測人皮膚的溫度來控制空調(diào)風(fēng)量和溫度；智能懸架，也稱主動懸架，自動根據(jù)路面情況來控制懸架行程

41、，減少顛簸；防打瞌睡系統(tǒng)，用監(jiān)測駕駛員的眨眼情況，來確定是否很疲勞，必要時停車報警。計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為汽車的智能化提供了廣闊的前景。</p><p>　　1.4 未來智能車系統(tǒng)</p><p>　　車載信息技術(shù)是無線電技術(shù)與微處理器技術(shù)的匯聚，即利用計算機和衛(wèi)星通信等信息技術(shù)來實現(xiàn)智能車輔助駕駛、Internet網(wǎng)上登錄、實時交通信息查詢等。通過應(yīng)用電子信息技術(shù)，使車輛實現(xiàn)高智能化，

42、極大地改善車輛人機系統(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)工程的觀點來看待智能車信息系統(tǒng)，可以劃分為環(huán)境識別子系統(tǒng)、狀態(tài)判斷子系統(tǒng)、車輛控制子系統(tǒng)、司機—車載計算機交互界面子系統(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GPS接收衛(wèi)星信號，能夠完成智能路徑規(guī)劃、全程語音提示、

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間信號，而接收器則負(fù)責(zé)接收這些信號，實現(xiàn)全天候、大范圍、多車輛的實時動態(tài)定位、調(diào)度、監(jiān)控，改進車輛運行管理，增強突發(fā)事件的反應(yīng)能力，提高車輛運行率和行車安全度，并為應(yīng)用的行業(yè)規(guī)避經(jīng)營風(fēng)險，提高經(jīng)濟效益。其經(jīng)濟廉價、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、定時的首要選擇。</p><p>

44、;　　(2)視覺子系統(tǒng)，視覺子系統(tǒng)是智能汽車的圖像信號檢測機構(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、后保險杠及車身兩側(cè)的紅外線攝像機，對汽車前、后、左、右的一定區(qū)域進行不停地掃描和監(jiān)視，根據(jù)捕獲圖像和計算位置，實時采集、處理環(huán)境場景，對物體大小、形狀和動作進行分析，判斷出障礙物運動的方向、姿態(tài)、速度、加速度等信息，并將辨識數(shù)據(jù)提供給決策系統(tǒng)進行分析決策使用。</p><p>　　(3

45、)微波多普勒雷達(dá)探測系統(tǒng)：車載微波探測雷達(dá)由窄波束天線、集成化發(fā)射機和接收機以及數(shù)字信息自理裝置等組成。利用目標(biāo)對電磁波的反射（或稱為二次反射）現(xiàn)象來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并測定其位置及速度等參數(shù)，綜合判斷車輛行駛的潛在危險性，及時將探測結(jié)果提供給下一級決策系統(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)到實用階段。集成接收機、發(fā)射機及高性能數(shù)字信號處理器（DSP），使價格低廉、高性能的便攜式車載探測雷達(dá)的實現(xiàn)和普及成為

46、現(xiàn)實。</p><p>　　(4)決策系統(tǒng)：決策系統(tǒng)主要是根據(jù)現(xiàn)場的情況，如交通狀況信息、環(huán)境信息完成決策或分類任務(wù)，安排汽車行走路線。在此基礎(chǔ)上根據(jù)一定的準(zhǔn)則和決策的可信度對上述結(jié)果進行融合，再由策略庫進行汽車動作部署，做出最優(yōu)決策（如車輛優(yōu)化調(diào)度、路徑規(guī)劃、汽車加減速、超車及停車等），以便具有良好的實時性和容錯性，使在一種或幾種傳感器失效時也能工作。策略應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗進行提取，并存在知識庫中。知識庫還應(yīng)有一個學(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)造策略庫以及策略選擇過程中。系統(tǒng)根據(jù)采取的對策，決策汽車的任務(wù)和動作。</p><p>　　(5)通訊系統(tǒng)：通訊系統(tǒng)保證各模塊之間以及車載體與控制中心之間的高質(zhì)量通訊。目前大多數(shù)采用無線數(shù)字通訊。為了提高通訊的質(zhì)量，要精心設(shè)計通訊電路及通訊協(xié)議。藍(lán)牙技術(shù)為車載通訊系統(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、距離無線連接為基礎(chǔ)，通過嵌入式微電子芯片，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線狀態(tài)下相互連接傳遞數(shù)據(jù)。</p><p>　　(6)控制系統(tǒng)：智能車控制系統(tǒng)車輛動力學(xué)穩(wěn)定性與汽車的橫擺運動密切相關(guān)。智能車控制系統(tǒng)主要是通過制動力控制汽車的橫擺運動，根據(jù)各傳感器輸入到計算機的信號推測駕駛員所期望的汽車轉(zhuǎn)向運動，對發(fā)動機輸出扭矩和各車輪制動力進行控制，以減小汽車轉(zhuǎn)向時的過度轉(zhuǎn)

49、向特性，以及抑制因后輪側(cè)滑所引起的急旋轉(zhuǎn)運動發(fā)生，提高汽車操縱響應(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)顯示汽車行駛速度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機狀態(tài)、車門狀態(tài)（鎖死/微開）、燃油狀態(tài)，還監(jiān)控轉(zhuǎn)向盤上用來選擇合適娛樂工作模式的各按鈕狀態(tài)；頂視顯示系統(tǒng)安裝于汽車擋風(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、顯示觸摸屏能夠為駕駛員提供各種信息界面顯示，如電話、溫度控制、電視、車輛狀態(tài)信息、車載移動辦公、導(dǎo)航、網(wǎng)站瀏覽、娛樂等。乘客通過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)今智能汽車的發(fā)展前景，信息融合技術(shù)使得車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最優(yōu)決策，實現(xiàn)車輛自動感知前方的障礙物，及時采取措施進行避讓；通過對前方信號的識別，自動停車或

51、繼續(xù)運行；通過對路標(biāo)的自動識別，避免違章行為等，從而可以大大降低車輛事故的發(fā)生，同時減輕司機駕駛的負(fù)擔(dān)，盡量降低司機疲勞駕駛的可能性。當(dāng)然，智能汽車的發(fā)展還有很長的路要走，但是未來交通必然是由智能車主宰，再配合上智能交通系統(tǒng)，人們的夢想——高速安全便捷的交通運輸將不再是夢。</p><p><b>　　2系統(tǒng)方案論證</b></p><p>　　本文所述的智能車是一種

52、自動導(dǎo)引小車，能夠在給定的區(qū)域內(nèi)沿著軌跡自動行進。小車運行過程由方向檢測和電機驅(qū)動兩個部分進行控制，采用與白色地面顏色有較大差別的黑色線條作為引導(dǎo)。智能車尋跡系統(tǒng)采用紅外反射式光電管識別路徑上的黑線，并以最短的時間完成尋跡，用MC9S12XS128單片機掃描光電傳感器組，對采集到的信號進行分析處理并作出邏輯判斷后，得到行進方向，再通過加長轉(zhuǎn)臂的舵機驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)智能車的尋跡行進。智能車的驅(qū)動采用直流電機，并采用PWM實現(xiàn)直流電機的調(diào)

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

54、;　　智能小車需要實現(xiàn)自主尋跡，因而需要選擇合適的尋線傳感器。針對這個系統(tǒng)，傳感器主要負(fù)責(zé)采集路面信息。賽道路面用專用白色基板制作，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。由于探測條件比較寬松，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/接收管檢測方式，也即光電傳感器檢測方式。通過紅外發(fā)光管發(fā)射紅外線光照射跑道，跑道表面與中心線具有不同的反射強度，白色反射回來，而遇黑色吸收，利用紅外接收管可以檢測到

55、這些信息。這種光電傳感器一般安裝在小車的前端，可以安裝一排，也可以前后安裝兩排，總共大約十幾個，這樣，可以根據(jù)道路顏色反射回來的信息來確定小車中心與黑色中心線之間的位置關(guān)系。通過合理安排紅外發(fā)射/接收管的空間位置就可以檢測到模型車前方道路相對小車的位置。（2）CCD/CMOS攝像頭檢測方式。將攝像頭認(rèn)為是一種傳感器，利用單片機采集道路前面的圖像，通過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足要

56、求。CCD/CMOS攝像頭有面陣和線陣兩種類型，它們在接口電路、輸出信號以及檢測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)點是電路簡單、信號處理速度快，但是其前瞻距離有限；光電管通過紅外收發(fā)管檢測接收到的反射光強弱，以此判斷賽道黑線，具有反應(yīng)速度快，電路簡單，檢測信息速度快，成本低的優(yōu)點；CCD攝像頭則是通過圖像采集，動態(tài)拾取路徑信息來進行尋線判斷。采用CCD攝像頭

57、尋跡則能大幅度提升小車的前瞻距離，有利于小車提高車速。但是它是以實現(xiàn)小車視覺為目的的，電路設(shè)計復(fù)雜，檢測信息更新速度慢，數(shù)據(jù)處理量比較大，算法較為復(fù)雜。如何對攝像頭記錄的圖像進行處理和識別，加快處理速度是攝像頭方案的難點之一。比較見表2-1所示。</p><p>　　表2-1 兩種道路檢測方法優(yōu)劣比較</p><p>　　資料來源：學(xué)做智能車—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精度不夠高，決定選用攝像頭，相信通過選用合適的攝像頭，加之精簡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方面的問題。（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也稱電耦合器件，其工作原理是：被攝物體反射光線到攝像頭上，經(jīng)過鏡頭聚焦到CCD感光芯片上，感光芯片根據(jù)光線的強弱積聚相應(yīng)電荷，經(jīng)周期性放電而產(chǎn)生表示圖像的電信號。CMOS攝像頭其實跟CCD差不多，也是將光轉(zhuǎn)換成電信號的器件。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像素掃描完成后才進行放大；CMOS傳感器的每個像素都有一個將電荷放大為電信號的轉(zhuǎn)換器。所以CMOS的功耗比CCD要小。但是CCD

60、攝像頭可以通過升壓電路來解決這個問題（2）在小車行進的過程中由于車身的抖動，CMOS攝像頭采集到的圖像有可能模糊不清，這樣將會導(dǎo)致在處理采集到的數(shù)據(jù)時產(chǎn)生誤差，最終影響小車的前進路線。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)境光線的干擾。攝像頭采集圖像的過程中對外界環(huán)境光線的要求很高，因為攝像頭很容易受外界光線的干擾，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偏光片，這也就可以避免外界一些光線的干擾（3）圖像接收信號的接口電路。攝像頭采集圖像后根據(jù)圖像的灰度會產(chǎn)生變化的電壓，它可以反映出賽道中心線的位置。這個電壓信息可以通過外部的電壓比較器變成高低電平有單片機的I/O口端口讀取，也可以通過單片機的A/D端口直接讀取。通常單片機的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。通過單片機的A/D口直接讀取電壓的變化量，不僅可以簡化外部電路的設(shè)計，同時還可以保留攝像頭的連續(xù)變化電壓信息，通過軟件算法進行位置插值細(xì)化，不僅可以得到更加精確的位置信息，同時還可以消除環(huán)境光線的影響。</p><p>　　2.2 動力電機驅(qū)動電路設(shè)計</p><p>　　直流電機是智能車前行的動力所在。要驅(qū)動、控制一個直流電動機需要設(shè)計直流電機驅(qū)動電路。要驅(qū)

63、動、控制一個直流電機驅(qū)動電路，既可以使用分立的功率元件如MOSFET搭建驅(qū)動電路，如半橋或H橋等；也可以使用集成的直流電動機功率驅(qū)動芯片。由于使用分立的功率元件構(gòu)成電路會使得整個智能小車的設(shè)計變得復(fù)雜，因而使用集成的芯片會使小車的系統(tǒng)更簡單明了。</p><p>　　在此智能車系統(tǒng)中，采用的是BTS7970芯片來驅(qū)動直流電機。BTS7970是一種集成的H橋功率驅(qū)動芯片，應(yīng)用的是PWM模塊來控制直流電動機，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)向舵機控制</p><p>　　伺服電動機是把輸入的電壓信號變?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)速隨信號電壓的方向和大小而改變。</p><p>　　對舵機的驅(qū)動為一路PWM波，本設(shè)計采用兩種供電方式，即一路6

65、V供電一路7.2V供電，平時使用6V。由于額定電壓為5v～6v，但稍微高于額定電壓會有更好的響應(yīng)速度和扭力。</p><p>　　2.4 測速電路選擇</p><p>　　為了使模型車能夠平穩(wěn)地沿著賽道運行，除了控制前輪轉(zhuǎn)向舵機以外，還需控制車速，使模型車在急轉(zhuǎn)彎時速度不要過快而沖出賽道。</p><p>　　在車輪沒有打滑情況下，車速正比于驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速。車速檢測

66、一般式通過檢測驅(qū)動電機實現(xiàn)的。電機轉(zhuǎn)速檢測方法很多，大致有以下方法：</p><p>　　測速發(fā)電機。采用同軸直連或者齒輪傳動等方法，將測速發(fā)電機與驅(qū)動電機相連，它的輸出電壓正比與轉(zhuǎn)速。</p><p>　　透射式光電檢測。相比反射式光電檢測，它是具有齒槽結(jié)構(gòu)的圓盤固定在后輪驅(qū)動機的輸出軸上，采用直射式紅外傳感器讀取齒槽圓盤轉(zhuǎn)動脈沖，比如ST130傳感器。</p><p

67、>　　反射式光電檢測。在后輪齒輪傳動盤上粘貼一個黑白相間的光碼盤，通過固定在附近的反射式紅外傳感器讀取光碼盤轉(zhuǎn)動的脈沖。</p><p>　　轉(zhuǎn)角編碼器。分為絕對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。它的輸出脈沖的個數(shù)正比于電機轉(zhuǎn)動的角度，從而使它的輸出脈沖的頻率正比于轉(zhuǎn)速。可以通過測量單位周期內(nèi)脈沖的個數(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>　　這里主要完成對轉(zhuǎn)向舵機和驅(qū)動電機的控制。采用簡單的閉環(huán)控制，使用基于反饋控制的PID算法為主要的控制算法。包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。即把測量到的關(guān)心的變量與期望值比較，然后用這個誤差糾正調(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

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)的相對穩(wěn)定性，并很好地改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。</p><p>　　根據(jù)有關(guān)實驗，傳統(tǒng)的PID控制算法在尋找機器人轉(zhuǎn)向控制中表現(xiàn)出來的性能很好，所以智能車的轉(zhuǎn)向控制算法也使用PID算法。但是由于智能車本身存在一些特異的故有特性，單純的PID控制無法有效地控制智能車，必須加入一些基于駕駛經(jīng)驗的方法。</p><p>　　首先，智能車車體慣量

70、較大，車體控制響應(yīng)頻率較低；其次動力電機和舵機的響應(yīng)速度有限；再次，智能車的差速機構(gòu)很差，不利于作大的轉(zhuǎn)彎動作。這些特點時候使得智能車的控制滯后較大，且彎道性能較差。為了克服這些問題，必須使智能車能夠提前檢測彎道必備并減速過彎。</p><p>　　在實際的智能車系統(tǒng)中，PID算法的運用存在一些問題：</p><p>　　實際沒有對速度進行限制，故需要對速度進行定義；</p>

71、<p>　　對直線上的偏差進行不斷地修正，即使是很小的偏差，小車也會不斷地加速或減速，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)有干擾信號時，PID調(diào)節(jié)會出現(xiàn)超調(diào)甚至震蕩現(xiàn)象，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p><p>　　3 智能車硬件電路設(shè)計</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，在硬件上可將智能車系統(tǒng)劃分為電源、單片機、傳感器、動力電機、轉(zhuǎn)向舵機和通訊調(diào)試等幾個模塊。系統(tǒng)模塊框圖如圖3-1所示。</p><p>　　在選定智能車系統(tǒng)采用攝像頭傳感器方案后，賽車的位置信號由車體上方的攝像頭傳感器采集，經(jīng)MC9SXS128的I/O口處理后，用于賽車的運動控制決策，同時內(nèi)部ECT模塊發(fā)出PWM波，驅(qū)動直流電機對智能車進行加速和減速控制，以及伺服電

73、機對賽車進行轉(zhuǎn)向控制，使賽車在賽道上能夠自主行駛，并以最短的時間最快的速度跑完全程。為了對賽車的速度進行精確的控制，在智能車后軸上安裝光電編碼器，采集車輪轉(zhuǎn)速的脈沖信號，經(jīng)MC9SXS128捕獲后進行PID自動控制，完成智能車速度的閉環(huán)控制。</p><p>　　轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中最重要的部分是舵機。智能小車采用舵機的型號為HS-3010，該舵機扭力大，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)重的機械滯后，

74、而舵機的響應(yīng)速度直接影響模型車通過彎道時的最高速度，提高舵機的響應(yīng)速度是提高模型車平均速度的一個關(guān)鍵。</p><p>　　由于速度是比賽的關(guān)鍵，那么在智能小車的設(shè)計中設(shè)計一個好的電機驅(qū)動電路至關(guān)重要。試驗中發(fā)現(xiàn)，而是采用了基于H橋驅(qū)動電路的PWM控制技術(shù)，方便地實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)和制動。</p><p>　　智能小車競賽是基于同一開發(fā)平臺上設(shè)計的小車競速比賽，因而智能小車的速度和穩(wěn)定性是決定

75、比賽成績的關(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</p><p>　　3.2.1 CPU簡介</p><p>　　MC9SXS128是HCS12家族的一個成員。該器件包括大量的片上存儲器和外部I/O。MC9SXS128是一個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)存儲器。同時還包括2個異步串行通信接口（SCI）、2個串行外設(shè)接口（SPI）和一個8通道輸入捕捉/輸出比較（IC/OC）增強型捕捉定時器（ECT）、2個8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）和一個8通道PWM。</p><p>　　MC9SXS128還包括29個獨立的數(shù)字I/O口（A、B、K、和E），20個獨立的數(shù)字I/O口具有中斷和喚醒功能。另外還具有2個C

77、AN2.0A/B標(biāo)準(zhǔn)兼容模塊（MSCAN12）和一個IC總線。</p><p>　　MC9SXS128具有內(nèi)部16位數(shù)據(jù)通道，外部總線可以按照8位數(shù)據(jù)總線窄模式操作，所以可以和8位數(shù)據(jù)總線的存儲器連接，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</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RESET引腳通過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100Ω接地，為低電平，芯片復(fù)位。單片機系統(tǒng)要求整個系統(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)定外電源對系統(tǒng)的干擾，增強系統(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時鐘電路設(shè)計</p><p>　　XTAL和EXTAL分別是晶體驅(qū)動輸出和外部時鐘輸入引

80、腳。EXTAL引腳既可以接晶振，也可以接CMOS兼容的時鐘信號，驅(qū)動內(nèi)部時鐘發(fā)生電路，器件中所有的時鐘信號都來自該引腳輸入的時鐘。XTAL引腳為晶體驅(qū)動輸出，當(dāng)EXTAL引腳外接時鐘時，該引腳懸空。時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</p><p>

82、　　BDM口是用來接BDM調(diào)試器，一方面用來向目標(biāo)板下載程序，可以將目標(biāo)板上的單片機Flash中的舊程序擦除。另一方面，通過BDM調(diào)試器將系統(tǒng)軟件中的各個參數(shù)傳送到上位機CodeWarrior IDE調(diào)試界面，方便系統(tǒng)調(diào)試和觀察系統(tǒng)軟件各個參數(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，在這種定義方式，一旦BDM插頭被接反，則目標(biāo)C

83、PU的BKGD引腳會被短接到VDD上，由此將會造成芯片燒毀。</p><p>　　3.2.5 A/D參考電壓電路設(shè)計</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)于一個低溫度系數(shù)的、動態(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)過濾波電路和LM317后轉(zhuǎn)換為2.5V的單片機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</p><p>　　驅(qū)動電路板中的電源模塊為系統(tǒng)其它各個模塊提供所需要的電源。設(shè)計中，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、防止干擾和電路簡單等方面進行優(yōu)化。可靠的電源方案是整個硬件電路穩(wěn)定可靠運行的基礎(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)該包括多個穩(wěn)壓電路，將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個模塊所需要的電壓。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、信號調(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主要是為舵機提供工作

87、電壓。實際工作時，舵機所需要的工作電流一般在幾十毫安左右，電壓無需十分穩(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 單片機電源電路</p><p>　　圖3-12 舵機電源電路</p><p>　　圖3-13 加速度傳感器電源電路<

88、/p><p>　　3.4編碼器測速電路設(shè)計</p><p>　　圖3-14 光電編碼器原理</p><p>　　圖3-15 測速電路原理圖</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，由+5V電源接500Ω電阻到地；3腳接編碼器棕色線，為直接接

89、地；2腳接編碼器紅色線，接5V電源；1腳接編碼器橙色線，接入信號電路。</p><p>　　3.5 直流電機驅(qū)動電路設(shè)計</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MC9SXS128的ADC模塊采樣BTS7970的反饋電流信號（FB）引腳，以實時監(jiān)控H橋的高邊電流輸出，實現(xiàn)對電機的轉(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 運用BTS7970驅(qū)動直流電機原理</p><p>　　3.6電池電壓檢測電路設(shè)計</p><p>　　圖3-17 電池電壓檢測電路</p><p>　　由于輸入電源為7.2V，而單片機A/D接口參考電壓為2.5V，故需要通過電阻分壓來變換檢測電壓。上圖中Rx的值取為6.8K，這樣，通過分壓和

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

92、如g，也可以是變量。芯片LM358是一個單軸的加速度傳感器，檢測加速度信號。</p><p>　　LM358捕獲步態(tài)的加速度信號,微控制器的內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器對其進行采樣并輸入單片機模擬量口AN1。</p><p>　　圖3-18 加速度電路原理圖</p><p>　　3.8 人機接口電路設(shè)計</p><p>　　開關(guān)按下后輸出低電平開關(guān)關(guān)閉，按

93、下彈起后開關(guān)打開。按鍵開關(guān)的四個引腳分別接到單片機的PT口，如圖3-19所示。</p><p>　　圖3-19 按鍵開關(guān)電路原理圖</p><p>　　4 PID控制算法在智能小車中的應(yīng)用</p><p>　　4.1 PID控制簡介</p><p>　　目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志。同時，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階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(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)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。有

95、利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(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)用在智能小汽車電機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)報告，在智能小車中最常見的是增量式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，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、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，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和

97、被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有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、微分計算出控制量進行控制的。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單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(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的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的

99、或簡稱有差系統(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”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(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的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(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，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項

101、往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，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)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(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)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。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)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行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)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；</p><p>　　(3) 在一定的控制度下通過公式計算得到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簡介</p><p>　　在計算機控制系統(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：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)，計算精度對控制量的計算影響較小，而位置型算法要用到過去偏差的累加值，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，誤動作影響大；采用增量型算法，易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。</p><p>　　4.2.

106、2 增量型PID算法</p><p>　　在實際的電機編程控制時，采用了基于PWM脈寬調(diào)制的PID閉環(huán)控制，主要實現(xiàn)對智能小車直流電機速度的閉環(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&