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1、 毕业设计(论文)基于飞思卡尔单片机的智能车控制系统设计系 别自动化工程系专 业自动化班 级5060418姓 名 王皓明指导教师赵一丁2010年 6月 16日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第63页基于飞思卡尔单片机的智能车控制系统设计摘 要本文以第四届全国大学生智能车竞赛为背景，介绍了智能赛车控制系统的软硬件结构和开发流程。该比赛采用组委会规定的标准车模，以Freescale半导体公司生产的16位单片机MC9S12DG128为核心控制器，在CodeWarrior 4.7开发环境中进行软件开发，要求赛车在未知道路上完成快速寻线。本智能车采用双排光电传感器对赛道进行检测，工作电压能与最小系
2、统工作电压相同，可共用一个电源模块。通过光电传感器提取获得黑线位置，用PID方式对舵机进行反馈控制。同时通过速度传感器获取当前速度，实现速度闭环控制，根据赛道类型预判信息和当前速度信息对速度进行合理控制。整个硬件系统包括车模机械结构调整、稳压电源设计、核心控制电路板设计、后轮电机驱动模块设计和上位机通信设计等等。经过查看各种相关资料，对硬件进行了大量的优化，如针对对各种稳压芯片的测试，确定最优电源电路；测试各种测速方式，最终选用光电管作为测速模块；并在智能车调试过程中不断改进机械结构，使小车运行更加稳定、迅速。软件系统包括程序初始化、数据采集和车体控制的算法。为了提高智能赛车的行驶速度和可靠性
3、，经过多次机械结构调整及电路板设计，并经过不断试验，最终确定了现有的系统机械结构和各项控制的PID参数。 关键词：MC9S12DG128 ，智能车，双排光电传感器，PIDIntelligent vehicle control system design based on freescale MCU Author :Wang Haoming Tutor :ZhaoYiding AbstractBased on the 4th China university of intelligent car race for background, introduces the hardware and s
4、oftware of the control system of intelligent car structure and development process. The game using the standards prescribed by the organizing committee to Freescale semiconductor company models, the production 16-bit single chip MC9S12DG128 for core controller, in CodeWarrior 4.7 development environ
5、ment in software development and requirement on the road on unknown quick line.This intelligent vehicle using double row of photoelectric sensor, voltage can work with minimal systems can share the same voltage, a power supply module. Through the intelligent vehicle, with black extracted on the way
6、to the PID feedback control. And through the velocity sensor for current velocity, realize speed closed-loop control circuit, according to the type of information and the speed of anticipation to speed control information. The hardware system including mechanical models ,structure adjustment, manost
7、at design, the core control circuit design, rear motor driver module design and computer communication design etc. After check all relevant information on the hardware, the large amounts of optimization, such as all kinds of pressure in the test chip and the optimum power supply circuit, Testing var
8、ious ways, finally chooses phototube module as a type of cell, And in the intelligent vehicle commissioning process improvement, the mechanical structure is more stable operation, quick. Software system including the initial procedure, the data acquisition and control algorithm. In order to improve
9、the speed of intelligent cars and reliability, and after many mechanical structure adjustment and circuit design, and finally determined through continuous test, the existing system of the mechanical structure and PID control parameters.Key words: MC9S12DG128, intelligent vehicle, double row photoel
10、ectric sensor, PID 目 录1 绪 论11.1 智能车的背景及意义11.2 智能车竞赛的研究现状21.2.1 国外智能车竞赛现状21.2.2 国内智能车竞赛现状31.3 本文的概况及结构安排72 智能车方案设计.82.1 智能车设计的基本要求82.2 智能车的双排传感器循迹策略方案设计82.2.1 双排传感器的优势82.2.2 传感器阵列布局92.2.3 直道识别方式控制策略92.2.4 直线稳定控制策略132.2.5 弯道控制策略132.2.6 实测结果和现象分析142.3 车模参数153 硬件设计183.1 智能车整体结构183.2 mc9sdg128b的最小系统及接口设计
11、193.3 电源管理及分布203.4 光电传感器布局213.4.1 赛道识别传感器模块213.4.2 测速模块223.5 电机驱动模块233.6 舵机驱动模块243.7 拨码开关模块254 机械结构调整274.1 一些重要参数对赛车的影响274.2 车模底盘参数调整284.3 重心位置对汽车性能的影响304.4 汽车侧滑的处理314.5 底盘离地间隙324.6 齿轮传动间距调整324.7 后轮差速机构调整325 智能车软件开发环境及软件设计345.1 智能车软件开发环境345.1.1 软件调试软件Code Warrior345.1.2 无线调试模块365.2软件设计375.2.1 初始化模块3
12、75.2.2 智能车系统的控制策略的设计及实现415.2.3 PID参数的整合45结论.48致谢.50参考文献.51附录.52附录A：智能车硬件连接图52附录B：智能车最终实物图53附录C：PID controller541 绪 论1.1 智能车的背景及意义智能车系统以迅猛发展的汽车电子为背景,涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械、车辆运动学等多个学科;主要由路径识别、角度控制及车速控制等功能模块组成。一般而言,智能车系统要求小车在白色的场地上,通过控制小车的转向角和车速,使小车能自动地沿着一条任意给定的黑色带状引导线行驶。 智能车辆，是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助
13、驾驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体.它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆致力于提高汽车的安全性、舒适性和提供优良的人车文互界面，是目前各国重点发展的智能交通系统中一个重要组成部分，也是世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力。随着科学技术的发展，特别是计算机技术、信息技术、人工智能、电子技术的突飞猛进，智能车辆技术有了实现的技术基础。目前智能车辆技术在轿车和重型汽车上主要应用于碰撞预警系统、防撞及辅助驾驶系统、智能速度适应、自动操作等，其在军
14、事上的应用更加广泛和重要。车辆智能化是汽车工业今后的发展趋势，也是人们对安全性要求越来越高未来汽车的发展方向。随着计算机技术和信息技术为代表的高新技术的发展，人工神经网络技术、模糊控制技术、神经模糊技术、虚拟实现等新技术的出现，智能车辆技术的研究将会有突破性的进展。智能车辆系统的实用化是是智能车辆发展的前进方向，适应性强、环境适应性好的智能车辆将是研究的重点。对智能车系统的研究在某种程度上讲是对于智能车辆自动驾驶系统研究的缩影。目前自动驾驶技术的发展水平已经能在相对简单的路况实现全自动驾驶。例如在高速公路上，所有的车辆都向同一个方向行驶，没有行人，没有急转弯路段，车道都有明显的标记，这样就为自
15、动驾驶提供了较好的条件。高速公路自动驾驶的一个主要技术是车道跟踪。一种车道跟踪系统由摄像机和处理器测定车道标记，传感器测定驾驶员加在方向盘上的扭矩；电子控制装置接收这些测量信息，驱动电机通过变速箱调整输送到转向机构的扭矩。美国通用汽车公司计划在2015年前测试无人驾驶汽车技术，2018年左右将无人驾驶汽车推向市场。该公司正在联合零部件供应商、大学教授和其他汽车制造商共同研发这种无人驾驶汽车，给人们的长短途旅行带来革命性变革，大大减少交通堵塞和交通事故。为了减少交通事故，美国正在推广防止翻车的电子稳定性控制系统，要求2012年推出的新车型必须配备这种技术。接下来，美国还要实施车辆之间的通讯系统。
16、尽管与自然路况下的完全自动驾驶尚有一段不小的距离，人们已经研究出包含上述在内的许多自动驾驶辅助系统并成功地加以使用。随着科学技术的发展，我们相信不久的将来在市场上能够买到功能全面的自动驾驶汽车。不过，依笔者所见，汽车智能驾驶这种灵活而又复杂的操作，百分之百自动并不是最佳选择，在复杂的路段上还是宁愿相信人类自己1,2。就目前情况看，智能车系统研究的重点是集中力量发展决定智能车控制成败的两大关键技术，即软硬件对于智能车稳定性和速度的提升。只有在这两大关键技术上获得突破性进展，才能实现“跟踪前沿，跨越发展”的目标。本文着重研究控制算法智能车控制系统的稳定性问题，兼顾硬件设计与机械调整，介绍一种基于H
17、CS12单片机设计的智能车系统。硬件系统中的路径识别功能由双排红外光电传感器实现,车速控制主要由PID控制器进行调节。软件设计中实时检测路况,并定时中断采集速度反馈值。1.2 智能车竞赛的研究现状1.2.1 国外智能车竞赛现状韩国大学生智能模型车竞赛是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以 HCS12单片机为核心的大学生课外科技竞赛。组委会将提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够 自主识别路线的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，谁最快跑完全程而没有冲出跑道并且技术报告评分较高，谁就是获胜者。制作智能车，需要参赛队伍学习和应用嵌入式
18、软件开发工具软件 code warrior和在线开发手段，自行设计和制作可以自动识别路径的方案、电机的驱动电路、模型车的车速传感电路、模型车转向伺服电机的驱动以及微控制器MC68S912DP256控制软件的编程，等等。其专业知识涉及 控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科， 对 学生的知识融合和实践动手能力的培养，对 高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的长期的推动作用。图1.1 韩国大学生智能模型车竞赛车模随着赛事的逐年开展，将不仅有助于大学生自主创新能力的提高，对于高校相关学科领域学术水平的提升也有一定帮助，最终将有助于汽车企业的自主创新，得到企业的
19、认可。这项赛事在韩国的成功可以证明这一点。2000年智能车比赛首先由韩国汉阳大学承办开展起来，每年全韩国大约有100余支大学生队伍报名并准予参赛，至今已举办5届，得到了众多高校和大学生的欢迎，也逐渐得到了企业界的极大关注。韩国现代公司自2004年开始免费捐赠了一辆轿车作为赛事的特等奖项。德国宝马公司也提供了不菲的资助，邀请3名获奖学生到德国宝马公司研究所访问，2005年SUNMOON大学的参赛者获得了这一殊荣，图1.1为他们设计的智能车模型3。此外，欧美国家也在进行智能车系统的研究。1.2.2 国内智能车竞赛现状我国在智能车系统方面的研究主要是指从2006年起历年举办的“飞思卡尔”杯智能汽车竞
20、赛：参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定的竞赛车模套件，采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案进行系统设计，包括传感器信号采集处理、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加各分赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，参加全国决赛区的场地比赛。参赛队伍的名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术报告、制作工程质量评分为辅来决定。各分赛区预赛以及全国总决赛间，在实际可操作性基础上力求公正与公平参与。 “飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，委托教育部高等学校自动化专业
21、指导分委员会主办每年一度的全国大学生智能汽车竞赛。全国大学生智能汽车竞赛与全国大学生数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等四大竞赛一起被列为教育部主办的全国大学生五大竞赛之一。该大赛综合性很强，以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感、电子、电器、计算机和机械等多个学科交叉的科技创意性比赛，对进一步深化高等工程教育改革据有重要意义，对学生的知识融合和动手能力的培养，对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的推动作用。智能汽车竞赛所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型赛车，有大赛组委会统一提供。参赛队伍通过设计基于单片机的自动控制器控制模型车在封闭的跑道上自主循线
22、运行。在保证模型车运行稳定即不冲出跑道的前提下，跑完一圈的时间越小，成绩越好。大赛分为光电与摄像头两个赛题组，如果车模利用道路图像信息进行路径检测方法属于摄像头赛题组，除此之外则属于光电赛题组。图 1.2 第四届“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛比赛赛道1、 光电赛题组图 1.3 光电赛题组车模参加光电赛题组中不允许传感器获取道路图像信息进行路径检测。“飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请赛的赛题是控制比赛小车，使其按要求用尽可能短的时间完成比赛赛道，比赛允许选手自行设计传感器和控制电路，并编写控制程序，禁止改动舵机和轮胎等小车结构。针对这种要求，从控制系统的观点出发，按照设计跟随系统的思路设计车模的控制
23、策略；从几何关系上讲，为了实现车模的寻线运动，控制器应当控制前轮转向，满足在车模运动中车身相对于线的位置偏差和车身纵向相对于线的夹角为0的控制目标。根据以上思路，寻线跟随系统应当有2个输入位置偏差和角度偏差，1个输出舵机转角，考虑了速度的因素后，系统便成为一个3输入2输出的复杂系统。在光电赛题组的方案中，位置偏差和角度偏差由光偶传感器检测得到，舵机转角由PWM信号控制。由于通常传感器检测得到的量是离散量，动作控制也只能针对离散量进行控制，并且根据单片机的处理能力，使用数字PID作为基本的控制器，但这只适用于低速情况，高速情况下过于离散的控制将造成系统控制缓慢、滞后，阶跃变化较大，甚至无法达到控
24、制目标。由于这种原因，将小车速度提升之后，对小车进行连续控制是十分必要的，实际结果证明，传感器检测模拟量进行连续位置和角度的PID控制可以使小车具有很好的稳定性和跟随特性。光电赛题组一般电路设计简单、信息检测频率高，但检测范围、精度有限且能耗较大。2、 摄像头赛题组图1.4 摄像头赛题组车模参加摄像头赛题组可以使用光电管作为辅助检测手段。选择采用摄像头作为寻线传感器。一方面，摄像头所能检测的赛道信息远多于光电传感器构成阵列所能检测的信息，有利于区分各种道路类型；另一方面，摄像头检测范围调整灵活，可以提供足够远的预判距离（通常1m左右，光电赛题组前瞻通常为2030cm）。实际上，通过“超频”和提
25、高代码效率，并选择合适的图像处理算法，使用比赛规定的单片机完全可以对低线数黑白摄像头的视频信号进行采样和处理，有效识别出导引线的位置和相关几何信息4,5。摄像头赛题组获取的赛道信息丰富，但电路设计和软件处理较复杂，且信息更新速度较慢1.3 本文的概况及结构安排本毕业设计共七章，以光电组智能车为实际研究对象，以随动系统为理论研究对象，以前馈控制技术、PID控制技术以及分程控制技术等作为研究工具，对智能车的控制方法进行了研究。本文的主要内容如下：第1章阐述了本文的研究背景及研究意义，与智能车循迹控制相关的主要控制方法及所要解决的问题，给出本文的研究内容。同时介绍了智能车的国外竞赛进展，以及国内智能
26、车竞赛的情况，指明研究环境。第2章为智能车系统方案的设计，主要包括智能车系统模板设计的基本要求、循迹方案选择和车模参数；第3章为为智能车的硬件系统设计，介绍了电源管理模块、传感器分布模块、转向舵机控制模块和直流电机驱动模块等；第4章研究智能车模型的机械结构调整，并介绍了本设计中智能车模型在机械方面的改造；第5章为智能车软件系统设计，包括小车的开发环境，软件设计的整体流程，各个模块初始化，以及控制策略的实现等；第6章为智能车系统调试的总结，归纳出设计中发现的光电智能车自身的问题与不足，对后续的研究进行了展望。第7章为结束语并致谢。2 智能车方案设计2.1 智能车设计的基本要求比赛跑道表面为白色，
27、中心用连续黑线作为引导线，黑线宽2.5cm。比赛规则先顶了赛道的宽度和拐弯最小半径等参数，赛道具体形状在比赛当天现场公布。车模自主识别引导线并控制模型车沿着赛道运行。在保证模型车运行稳定既不冲出跑道的前提下，跑完一圈的时间越小，成绩越好。在严格遵守规则中对于电路限制条件，保证智能车可靠运行的前提下，电路设计尽量简洁紧凑，以减轻系统负载，提高智能车的灵活性，同上应坚持充分发挥创新原则，以结构简单功能完美为出发点，并以稳定性为首要前提，实现智能车快速运行。2.2 智能车的双排传感器循迹策略方案设计本设计以循迹策略为主要研究对象，以采用双排传感器的智能车为例，辅以做了优化的直线、大弯、S弯等不同道路
28、情况的循迹策略。经实验证明，此策略紧密结合双排红外的特点，发挥出了双排的优势，使智能车实现了以稳定为先，并追求极限速度的要求，适应能力强，能在各种赛道上均有出色发挥。2.2.1 双排传感器的优势目前，大多数光电智能车采用单排传感器的道路检测方式，这种方式获得的道路信息少，对智能车的状态和道路的状况都不能很好地区别，造成控制上的麻烦。为了弥补不足，形成了大功率大前瞻的单排传感器的道路检测方式，这种方式检测的距离更远，能够更早地判断出道路的走向，在一定程度上弥补了检测精度低的缺点，但也无法有效地区分智能车状态与道路状况6。比赛的车模可选用摄像头或传感器的方式进行道路信息检测，我们的车模采用的是双排
29、红外的循迹方式，采用大前瞻双排传感器可以得到更多的赛道信息，更早地采取策略处理，形成更好的行车轨迹。是采用复杂的摄像头方案的一种替代方式。可以在直道中实现稳定控制，加速顺畅的能力；在S弯中以小曲线的方式前进，减少行进路线和舵机调整次数。在大弯中实现提前转弯，切内弯的效果。尤其是在转弯方面，通过前后排共同对弯道的预测，达到延伸物理识别距离的能力，从而做出提前的动作，减少由于检测距离近而带来的负面影响，达到上述效果。2.2.2 传感器阵列布局图2.1中仅以接受管示意传感器位置。图 2.1传感器阵列布局布局方式说明：前排传感器伸出距离较远，小车中心偏离黑线后，会在前排传感器上产生较大偏移量。后排传感
30、器伸出距离较近，小车中心偏离黑线后，会在后排传感器上产生较小偏移量。利用前后排传感器对小车偏移时不同的敏感度对小车进行控制。为了使前后排体现出更明确的分工和采集到更远处的信息，我们把前排传感器倾斜约50角，使前排的前瞻距离更大（28cm），更能体现出前排的优势和特点。2.2.3 直道识别方式控制策略1直道识别方式(1)采用此种方式布局双排红外，对于直道的判别方法可有以下5种物理方式，每种方式应用的时机列在表后。第一种直道情况(图2.2)图2.2第一种直道情况在左转大弯后，出弯时最可能出现的前后排传感器检测到黑线时的组合情况。适用于左转 90弯、180弯。提前得到出弯信息，舵机向左转动较小角度，
31、并在此时采取加速动作，起到弥补前瞻不足的作用。此情况在赛道的s弯出现时，不满足直道的第二种识别方式，故不会加速。第二种直道情况(图2.3)图2.3第二种直道情况此情况是对第一种情况的再确认，左转大弯并经过第一种情况后，再经历此种情况，可确认无误前方为直道，继续提升小车的加速能力。控制程序由弯道程序切换到直线稳定程序。第三种直道情况 (图2.4)图2.4第三种直道情况此时采取直线稳定控制。由于前两种情况已经明确识别为直道，此种情况只是增加直道识别的成功率。第四种直道情况(图2.5)图2.5第四种直道情况与第二种情况类似，对第五种情况的再确认，右转转大弯并经过第五种情况后，再经历此种情况，可确认无
32、误前方为直道，继续提升小车的加速能力。控制程序由弯道程序切换到直线稳定程序。第五种直道情况(图2.6)图2.6第五种直道情况在右转大弯后，出弯时最可能出现的前后排传感器检测到黑线时的组合情况。适用于右转转 90弯、180弯。提前得到出弯信息，舵机向右转动较小角度，并在此时采取加速动作，起到弥补前瞻不足的作用。在赛道的s弯出现时，不满足直道的第二种识别方式，故不会加速。 (2)直道识别，程序辅助确认进入弯道后，随着小车的行进，会发生振荡，致使出弯时不一定满足上述5种情况。为了提高直道的识别成功率，增加第二种直道判别方法。两者同时起作用，满足第一种后经过最多15ms确认是直道。程序是循环执行，我们
33、的程序执行频率是2KHz。采用定时中断(15ms)的方式，对前排中间3个传感器(编号为3、4、5)使用3个计数器分别计数，每次执行程序若是其中一个检测到黑线，相对应的计数器加1。经过计算，15ms内所能计数的最大值为31。我们设定计数的最大值，若在15ms内达到所要求的计数值，就认为是直道，切换直道程序并将计数器清零；若15ms内没有达到所要求的计数值，计数器清零，重新计数。例如小车为2m/s的速度，小车行进3cm。我们只要判断22.5cm内为直道即可。所以设最大计数值为2025即认为是直道，跳出弯道程序。当然也可以采用更严格的方法来判断，只需调整定时中断的时间和计数值即可。此条件在进入直道后
34、总能满足，所以作为第一种直道判别方式的补充，保证直道的稳定可靠识别7。2.2.4 直线稳定控制策略小车出弯后，由于舵机的反应不灵敏，智能车会发生振荡，随后才能达到稳定，为了尽早减小振荡，采用如下方式控制小车出弯后的动作：在弯道策略中设置标志位，进入直线程序后，识别标志位，对控制舵机转向的公式采取修正设置。公式为：q=K1q1+K2q2；其中q为最终送给舵机的控制量，q1为前排光电传感器的返回转角值，q2为后排红外返回转角值。K1、K2分别为前后排传感器的加权比例值。通常情况下K1、K2为定值1，需要时则改变赋值。当小车从弯道进入直道并成功识别出直道后，减小K1的值，由于后排传感器距离小车的前轮
35、(转向轮)很近，小车中心偏离黑线时，不会在后排传感器横向位置产生很大位移(相对于前排传感器)，故小车在直线上舵机调整的次数就会明显减少，直线的稳定性会好。同时，根据前后排不同传感器的组合，给出不同的转角策略(在程序中以列表的方式体现)，近一步提高直线的稳定控制能力。2.2.5 弯道控制策略PID算法在上述直道控制中效果很好，控制简单，在起跑加速时可设置前馈控制器，先全力加速到一个速度值，在加上PID调节，形成一个类似于分段的控制，即可较快地达到规定的速度。但实验证明，双排光电控制时单纯用PID算法，智能车在大S弯上会出现抖动，降低车速，造成智能车在通过此类弯道时间的大大延长。为此，想出了5种解
36、决方法：（1）延长控制周期：这样，智能车舵机的反映灵敏度降低，减少了在大S弯上会出现抖动的次数，缺点是延长控制周期，造成软件对车体控制延时的加长，最明显的劣势在于长直道加速后转大弯反应不及时，冲出赛道，为了不冲出赛道，只有降低直道最大速度，间接影响了智能车的速度性。（2）改变PID参数：改变PID参数可以减小舵机在转弯时控制的PWM信号，即让车体转向变小，缩小了在大S弯上出现抖动的幅度，缺点是改变PID参数在缩小了在大S弯上出现抖动的幅度的同时，也缩小了智能车在于长直道加速后转大弯时的转向幅度，使车体在相同速度下，不能转过以往可转过的大弯，最后导致滑出赛道或直接冲出赛道，也影响了智能车的比赛性
37、能。（3）做赛道标志位，对小S弯，大S弯，90弯，180弯，环弯进行数据采集，分类设成标志位，此后智能车运行时不断记录最近采集的5组数据，分析其符合那种弯道，进而加以控制。实验后知其缺点为标志位识别易出错误，可行性不高，这主要是因为双排光电传感器的前瞻不足（仅28cm），采集到的赛道信息也不像摄像头那样多，可以作出准确的识别。（4）利用速度传感器返回的实际速度值，做标志位，变舵机PID参数对弯道进行分段控制：在软件中设一系列速度值，按智能车运行速度予以分段，在低速区（大S弯的情况多为低速），控制量给中等值，因车速不高，较小的控制量在控制周期相对多时可很好的调节车体，稳定过弯；在中速区（主要针对
38、小S弯）。控制量给小，可在一定程度上实现S弯直线跑，节省时间，在大S弯之所以不这样跑，是由于双排光电的前瞻小和采集信息不足的缘故；在高速区（通常只在长直道车体加速后方速度值可达到此区域），控制量给大，防止高速时，转90弯，180弯不及时而冲出跑道。实验中，效果很好，但后发现当赛道结构（直道，各类弯道的不同组合）未考虑周全时，在两速度区衔接处会出现失控，例如直道直接接大S弯的赛道处，车体进入大S弯，而其速度尚未减下来，即在高速区，控制量给大，不能完成在大S弯上的正确控制，车体摆动2-3次后方可正常行进（此时是由于车速随摆动降低，符合低速区标准，控制量给的正确）。（5）在（4）的基础上做类似（3）
39、的标志位处理后以实验法确定给定参数值（主要是不同情况下改变舵机的控制量q大小与Kp值大小）：在设计期间，曾试着在软件对速度区间做细分，由原先的低、中、高三段改进为5段、7段、9段，进行控制，根据实验结果，随着细分段数的增加，可以减少减弱区间衔接处的车体摆动，但不能完全解决问题，而且算法执行时间受到一定影响。继而做标志位，并以实验法确定给定参数值后，智能车可充分发挥其双排可识别前方赛道的优势，识别后再进行速度分段控制，使车体在弯道上的控制得到了保证，控制效果比较满意。2.2.6 实测结果和现象分析下图为我们使用上述算法前后小车行进的实际轨迹。图2.7 两种算法小车行进的实际轨迹对比图2.7 是使
40、用实验法确定给定参数值前后小车在赛道上的实际轨迹,其中的红线是赛车行驶轨迹注：这张图的绘制方法是这样的，先通过串口把误差值和速度通过无线串口发到上位机，然后通过在计算机上描点画出小车实际的轨迹，有偏差但是与实际情况非常近似。 可以非常明显的看到使用实验法确定给定参数值之后，小车虽然也有偏出赛道的情况存在，但是比用 Kp 参数恒定的算法情况就好多了。这主要是因为在弯道上 Kp 参数变大的缘故。Kp 变大时，一旦检测到偏差，系统就能更快的恢复到平衡位置。从表中可以看到小车偏差的方差实际减小了，因而小车走的实际距离也减小了，自然跑完赛道的时间也减小了。 2.3 车模参数此次比赛选用的赛车车模采用1/
41、10 的仿真车模。赛车机械结构只使用竞赛提供车模的底盘部分及转向和驱动部分。控制采用前轮转向，后轮驱动方案。具体车模数据如下：表2.1 改造前车模基本尺寸参数 基本参数 尺寸轴距197mm前轮距124mm后轮距136mm车轮直径5mm车长316mm车宽172mm传动比18/76如图2.8所示：其中虚线部分为轮胎，A点为右轮的转动轴点，同理，对应左侧相应位置。图2.8 模型车尺寸改造后车模主要参数如下：表2.2 改造后车模基本尺寸参数 基本参数 尺寸车模长（cm）39车模宽（cm）20车模高（cm）20探出距离（cm）15传感器个数共15个（14个用于道路信息采集，1个用于速度检测）车模重量（k
42、g）1.6增加电机个数0赛道检测频率（次/S）20表2.3 车模部件基本作用及软件端口使用车模部件作用软件端口使用驱动电机速度控制PWM5,6舵机转向控制PWM01红外管传感器道路信息采集ATD013测速传感器检测光电脉冲PT23 硬件设计硬件电路设计是自动控制系统的基础。本次毕业设计我们自行设计制作了单片机的硬件电路，同时集成了外围接口驱动电路、调试电路等，形成功能完备，体积小的控制电路。下面就硬件设计各个模块做详细介绍。3.1 智能车整体结构该系统采用飞思卡尔MC9S12DG128B单片机为检测和控制核心；以红外传感器为路径检测传感器，自动检测赛道上的黑线；并根据采集到的黑线信息，通过软件
43、对小车进行转向和速度的控制，再通过速度反馈和小车的位置，实时监控调节智能车的行进状态，整体结构框图如下：L298N电机LM1117舵机6VMOSFET驱动路径识别模块7.2V电源LM2940速度检测模块MC9S12DG128LM2940显示模块PWM信号PWM信号PWM信号信号信号5V5V5V5V5V图3.1 硬件结构框图本系统硬件结构主要由S12控制核心、电源管理模块，路径识别模块、车速检测模块、显示模块、转向舵机控制模块和直流电机驱动模块组成。3.2 mc9sdg128b的最小系统及接口设计单片机的最小系统及功能如下：时钟电路给单片机提供一个外接的16MHz的石英晶振；串口的RS-232驱
44、动电路可实现TTL电平RS-232电平的转换；BDM口让用户可以通过BDM调试工具向单片机下载和调试程序；供电电路主要是由单片机提供+5V电源；复位电路是通过一个复位按键给单片机一个复位信号，调试过程中非常有用；调式按键和单片机的PORTA口相连，调试小灯和PORTB口相连，供程序调试使用8。MC9S12 单片机控制 核心路径识别模块测速模块直流电机驱动模块舵机驱动模块车速信号舵机控制信号后轮驱动PWM方波信号BDM模块图3.2 单片机接口框图3.3 电源管理及分布电源模块为系统其他各个模块提供所需要的电源。设计中除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还有在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。全部硬件电路的电源由7.2V 、2A/h的可充电你个蓄电池提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。5V电压。主要为单片机、红外管以及部分接口电路提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量大于500mA。6V电压。主要是为舵机提供工作电压。实际工作室，舵机所需要的工作电流一般在几十毫安左右，电压无需十分稳定。7.2V电压。这部分直接取自电池两端电压，主要为后轮电机驱动模块提供电源。7.2V、2A/h充电电池