[工学]中国石油大学华东第六档速队技术报告.doc

第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛技 术 报 告学 校：中国石油大学（华东）队伍名称：第六档速参赛队员：杨佳利 孙振喜 公绪超带队教师：宋继志 纪友芳I关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第三届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。参赛队员签名：杨佳利孙振喜公绪超带队教师签名：宋继志日 期：2009.8.229 第三章 智能车机械部分安装和调试第一章 引言11.1 大赛介绍11.2 智能车制作简介11.3 技术报告内容结构1第二章 技术方案概要3第三章 智能车机械部分安装和调试43.1智能车车体机械建模43.2智能车前轮定位的调整53.2.1主销后倾角53.2.2主销内倾角53.2.3车轮外倾角53.2.4前轮前束63.3智能车转向机构调整优化63.4智能车后轮减速齿轮机构调整73.5其它机械结构的调整8第四章 智能车的硬件电路设计94.1 电源部分94.2白聚光管检测电路114.2.1原理114.2.2传感器的选择114.2.3传感器的前瞻124.2.4传感器的排布与安装124.2.5传感器接收单元间距的确定124.3电机驱动电路144.3.1有关mc33886简介144.3.2 电机驱动电路简介154.4测速电路164.5拨码开关电路17第五章 软件设计195.1 路径识别205.2 转向控制205.3 速度控制21第六章 开发工具及调试说明236.1 软件开发工具236.2 实际调试24第七章 模型车各项参数267.1有关模型车技术参数统计267.2模型车制作特色简介277.2.1车模机械改装277.2.2控制策略27第八章 总结与展望288.1 总结288.2 展望28参考文献29第一章 引言1.1 大赛介绍受教育部高等教育司委托，高等学校自动化专业教学指导分委员负责主办全国大学生智能车竞赛。该项比赛已列入教育部主办的全国五大竞赛之一。2009年8月13日，在北京北京科技大学举行第四届全国大学生智能车竞赛。本届的比赛，首先是在全国五大赛区进行预选赛，之后将有120只赛车到北京进行总决赛。在比赛中，参赛选手须使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，推荐采用飞思卡尔16控制器PC9S12XS128作为核心控制单元，自主构思控传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加场地比赛。参赛队伍之名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术方案及制作工程质量评分为辅来决定，车模改装完毕后，尺寸不能超过：250mm 宽和400mm长，高度无限制，跑道有宽道与窄道之分，宽道与窄道之间有黑色三角标志与突起。1.2 智能车制作简介智能车采用带PC9S12XS128处理器的S12环境，软件平台为CodeWarrior IDE 4.6开发环境同时利用Protel99SE作为制作硬件电路的支撑平台，车模采用大赛组委会统一提供的1：10 的仿真车模。整个系统涉及整体电路板设计、车模机械结构调整、传感器电路设计及信号处理、控制算法和策略优化等多个方面。为了提高智能赛车的行驶速度和可靠性，我们试验了多套方案，并对比较合理的方案做了相应的改进，最终确定了现有的系统结构和各项控制参数。1.3 技术报告内容结构 本技术报告一共分为八章：第一章是引言部分第二章是与智能车制作相关的技术方案概要；第三章是对智能车机械结构的改进；第四章是对硬件电路设计的介绍，主要介绍降压稳压电路的设计等硬件电路的设计原理、和实现方法；第五章是对系统软件设计部分的说明，主要内容是智能模型车设计中主要用到的控制理论、算法的说明；第六章是对有关的开发工具及其调试的说明；第七章是对有关模型车各项参数的说明；第八章是总结与展望第二章 技术方案概要比赛以小车的速度记成绩，为了让小车更快更稳得跑完全程，传感器的探测距离必须要适当，要有较大的前瞻与精确的探测，普通的红外对管虽然功率较小，但当探测距离增大时，干扰严重，所以我们用白聚光传感器与光敏电阻作为检测道路信息的硬件部分，同时采用了程序控制脉冲发光的办法，有效的提高了系统的稳定性。（1）整个系统采用大赛指定的7.2V 2000mAh Ni-Cd蓄电池作为系统能源，并且通过降压稳压电路分出6v，5v分别给舵机和单片机等供电。（2）我们用mc33886及其相关器件做了直流电机驱动模块，用它来接收速度控制信号，控制驱动电机运行，从而达到控制车速目的。（3）我们用大赛指定的转向伺服舵机控制智能车转向。（4）用速度测量模块实时测量智能车车速。（5）系统充分使用了PC9S12XS128单片机的外围模块，具体使用到的模块包括：ADC模拟数字转换模块、定时器模块、PWM脉冲宽度调制模块、中断模块、I/O端口和实时时钟模块等。（6）系统调试过程中，使用了组委会提供的代码调试环境CodeWarrior IDE. 图2.1 系统结构框图第三章 智能车机械部分安装和调试3.1智能车车体机械建模此次竞赛选用的智能车竞赛专用车模(G768仿真车模)。智能车的控制采用的是前轮转向，后轮驱动方案。智能车的外形大致如下：图3.1 智能车外形图3.2智能车前轮定位的调整现代汽车在正常行驶过程中，为了使汽车直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动回正，减少轮胎和转向系零件的磨损等，在转向轮、转向节和前轴之间须形成一定的相对安装位置，叫车轮定位，其主要的参数有：主销后倾、主销内倾、车轮外倾和前束。智能车竞赛模型车的四项参数都可以调整，但是由于模型车加工和制造精度的问题，在通用的规律中还存在着一些偶然性。3.2.1主销后倾角从侧面看车轮，转向主销(车轮转向时的旋转中心)向后倾倒，称为主销后倾角。设置主销后倾角后，主销中心线的接地点与车轮中心的地面投影点之间产生距离(称作主销纵倾移距，与自行车的前轮叉梁向后倾斜的原理相同)，使车轮的接地点位于转向主销延长线的后端，车轮就靠行驶中的滚动阻力被向后拉，使车轮的方向自然朝向行驶方向。设定很大的主销后倾角可提高直线行驶性能，同时主销纵倾移距也增大。主销纵倾移距过大，会使转向盘沉重，而且由于路面干扰而加剧车轮的前后颠簸。 3.2.2主销内倾角从车前后方向看轮胎时，主销轴向车身内侧倾斜，该角度称为主销内倾角。当车轮以主销为中心回转时，车轮的最低点将陷入路面以下，但实际上车轮下边缘不可能陷入路面以下，而是将转向车轮连同整个汽车前部向上抬起一个相应的高度，这样汽车本身的重力有使转向车轮回复到原来中间位置的效应，因而方向盘复位容易。此外，主销内倾角还使得主销轴线与路面交点到车轮中心平面与地面交线的距离减小，从而减小转向时驾驶员加在方向盘上的力，使转向操纵轻便，同时也可减少从转向轮传到方向盘上的冲击力。但主销内倾角也不宜过大，否则加速了轮胎的磨损。 3.2.3车轮外倾角前轮外倾角是指通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角2，对汽车的转向性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性1。在汽车的横向平面内，轮胎呈“八”字型时称为“负外倾”，而呈现“V”字形张开时称为正外倾。如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。所以事先将车轮校偏一个正外倾角度，一般这个角度约在1左右，以减少承载轴承负荷，增加零件使用寿命，提高汽车的安全性能。 模型车提供了专门的外倾角调整配件，近似调节其外倾角。由于竞赛中模型主要用于竞速，所以要求尽量减轻重量，其底盘和前桥上承受的载荷不大，所以外倾角调整为0即可，并且要与前轮前束匹配。3.2.4前轮前束从前后方向看车轮时，轮胎并非垂直安装，而是稍微倾倒呈现“八”字形张开，称为负外倾，而朝反方向张开时称正外倾。若设定大外倾角会使轮胎磨偏，降低轮胎摩擦力。设定少许的外倾角可对车轴上的车轮轴承施加适当的横推力。 脚尖向内，所谓“内八字脚”的意思，指的是左右前轮分别向内。采用这种结构目的是修正上述前轮外倾角引起的车轮向外侧转动。如前所述，由于有外倾，方向盘操作变得容易。另一方面，由于车轮倾斜，左右前轮分别向外侧转动，为了修正这个问题，如果左右两轮带有向内的角度，则正负为零，左右两轮可保持直线行进，减少轮胎磨损。3.3智能车转向机构调整优化理想的转向模型，是指在轮胎不打滑时，忽略左右两侧轮胎由于受力不均产生的变形，忽略轮胎受重力影响下的变形时车辆的的转向建模。在这种理想的模型下，车体的转向半径可以计算得到。图3.2 智能车转向示意图如图2.3，假设智能车系统为理想的转向模型，且其重心位于其几何中心。车轮满足转向原理，左右轮的轴线与后轮轴线这三条直线必然交于一点。转向机构在车辆运行过程中有着非常重要的作用。合适的前桥和转向机构可以保证在车辆直线行驶过程中不会跑偏，能保证车辆行驶的方向稳定性；而在车辆转向时，合适的转向机构可以使车辆自行回到直线行驶状态，具有好的回正性。正是由于这些原因，转向系统优化设计成为智能车设计中机械结构部分的重点，直接关系到赛车能否顺利地完成比赛。在实际操作中，我们通过理论计算的方案进行优化，然后做出实际结构以验证理论数据，并在实际调试过程中不断改进。在模型车制做过程中，赛车的转向是通过舵机带动左右横拉杆来实现的。转向舵机的转动速度和功率是一定，要想加快转向机构响应的速度，唯一的办法就是优化舵机的安装位置和其力矩延长杆的长度。由于功率是速度与力矩乘积的函数，过分追求速度，必然要损失力矩，力矩太小也会造成转向迟钝，因此设计时就要综合考虑转向机构响应速度与舵机力矩之间的关系，通过优化得到一个最佳的转向效果。经过最后的实际的参数设计计算，最后得出一套可以稳定、高效工作的参数及机构。如图3.3，我们最终设计的这套转向拉杆，我们综合考虑了速度与扭矩间的关系，并根据模型车底盘的具体结构，简化了安装方式，实现了预期目标。图3.3 转向拉杆图3.4智能车后轮减速齿轮机构调整模型车后轮采用RS-380SH 电机驱动，电机轴与后轮轴之间的传动比为 18：76（电机轴齿轮齿数为18，后轴传动齿数为76）。齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，会严重影响最终成绩。调整的原则是：两传动齿轮轴保持平行, 齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧又会增加传动阻力，浪费动力；传动部分要轻松、顺畅，不能有迟滞或周期性振动的现象。判断齿轮传动是否良好的依据是，听一下电机带动后轮空转时的声音。声音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象；声音闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载变大。调整好的齿轮传动噪音很小，并且不会有碰撞类的杂音，后轮减速齿轮机构就基本上调整好了，动力传递十分流畅。3.5其它机械结构的调整另外，在模型车的机械结构方面还有很多可以改进的地方，比如说车轮、悬架、底盘、车身高度等。模型车在高速的条件下（2.3m/s3.5m/s），由于快速变化的加减速过程，使得模型车的轮胎与轮辋之间很容易发生相对位移，可能导致在加速时会损失部分驱动力。在实验中调试表明，赛车在高速下每跑完一圈，轮胎与轮辋之间通常会产生几个厘米的相对位移，严重影响了赛车的加速过程。为了解决这个问题，我们在实际调试过程中对车轮进行了粘胎处理，可以有效地防止由于轮胎与轮辋错位而引起的驱动力损失的情况。此外，我们还对模型车的前后悬架弹簧的预紧力进行调节，选用不同弹性系统的弹簧等方法进行了改进，并且对车身高度，以及底盘的形状和质量、后轮的轮距等，都进行了相应的改进和调整，均取得了不错效果。 第四章 智能车的硬件电路设计第四章 智能车的硬件电路设计 电路的整体设计如下图所示：电池（7.2）单片机传感器测速模块舵机电机5v7.2v6v 图 4.1 电路整体设计简图4.1 电源部分为了能使智能车系统能正常工作，需要对电池电压进行调节。其中，单片机系统、路径识别传感器模块、测速模块电路需要5V电压，伺服电机工作电压范围是4.8V到6V，因此我们给其接到6v上。直流电机是用7.2V的电池直接供电。 为了实现降压稳压的效果，我们考察了几中降压芯片，最终采用了TPS7350，这种降压芯片的特点是稳定、可靠性高、耐用并且价格便宜。5V电源的实现是通过电源管理芯片TPS7350来实现的。TPS7350是一款低压稳压芯片，能提供5V的固定电压输出。TPS7350低压差稳压芯片克服了早期稳压芯片的缺点，而且还增加了如节电待机模式和供电管理等功能。与其它的稳压芯片一样，TPS7350需要外接一个输出电容来保持输出的稳定性。出于稳定性考虑，需要在稳压输出端和地之间接一个10uF低等效电阻的电容器。除非该等效电阻小于1.2欧姆，否则引入的陶瓷电容或薄膜电容器会使输出的电压不稳定。在很小或根本就没有旁路电容的情况下，输出电容可以减少到4.7uF，所提 供的等效电阻维持在0.7到2.5欧姆。因为电容的等效电阻很小，有必要串联一个0.51欧姆的电阻，并且限制该电阻不超过1.5欧姆。其5v降压模块示意图为： 图4.2 5v降压模块IN4148是高速开关二极管，开关比较迅速，广泛用于信号频率较高的电路进行单向导通隔离,通讯、电脑板、电视机电路及工业控制电路中常用它。因此可以用它与TPS7350来实现6v的降压稳压。其6v降压模块示意图为： 图4.3 6v降压模块4.2白聚光管检测电路 我们采用了白聚光管与光敏电阻作为检测道路信息的元件，其工作原理是：白聚光管照射赛道中白色底板与黑线，通过光敏电阻对白色底板与黑线所反应的电压不同，根据这些值的不同来检测出黑线的位置，进而将检测出的信号传给单片机，此时单片机给据信号值作出反应，这个反应最终作用在舵机上，用来控制赛车的转向。4.2.1原理光电传感器一般由两部分组成：发射管和接收管。发射管发射光线，光线经过赛道的反射，由接收管接收到，通过不同的光强接收管的状态不同，实现赛道信息的采集。因为白色和黑色对于光线的反射系数不同，反射回的光线强度也不同，被不同的接收单元接收到后，表现出不同的状态（如电阻值的变化，或者电流或电压的变化）。4.2.2传感器的选择往届比赛中使用的光电传感器主要有普通红外光电管和激光管两种，前者因为探测距离太短而逐渐被淘汰，激光管凭借其超长的前瞻和受外界光线变化影响很小的两大优势而备受青睐，但是由于成本太高让很多参赛队望而生畏经过多次试验，最终选定：发射管为发白聚光LED，接收管为光敏电阻；这种组合在日光灯的照射下，黑色和白色的变化很明显，但是由于光敏电阻接收的波长范围很大，导致它很容易受外界光线变化的影响。为了减小外界光线的影响，我们使用了白色聚光LED为发射管，这种LED发出的光强度很大，使得接收管接收到的光强在有无外界光线的条件下变化很小，同时在程序中使用动态阈值，以实现外界光线的影响降到最小。4.2.3传感器的前瞻激光管的前瞻最大、精度高、不易受外界光线的影响；但调试复杂。是强队的首选。普通红外传感器调试容易，安装简单；但是前瞻小、容易受到外界光线的影响，需要在电路和程序中加以处理，加重程序的负担。4.2.4传感器的排布与安装结合往届赛事技术报告的经验总结，我们选择了一字型排布。（1）传感器的安装位置有：车前十几厘米左右、车身、车尾等车前十几厘米左右：（2）这样的位置适合传感器探测距离较小的情况，为了增大前瞻，给单片机和舵机更长的反应时间，将传感器前移，前移的距离越大，就越能够越早的进行舵机和速度的控制；但是这样会增大前轮的转向惯性，使车不容易转向；（3）车身：适合传感器的探测距离较远的情况，如果使用激光传感器，车身靠后的位置应该是最佳的，因为这样可以减小转向时的惯性，使车的转向非常轻便灵敏；（4）车尾：方便记忆算法的实现，这种情形一般都是采用双排传感器，一排在车前，一排在车尾；车前的传感器实现舵机的控制，车尾的传感器实现对记忆算法所需的信息采集。4.2.5传感器接收单元间距的确定数字型光电传感器只有0与1 两种状态，因此各个传感器的布局间隔将影响车对路径的识别精度以及对舵机的控制算法的优劣。赛道规定的是：黑线宽度25mm，赛车可以沿着黑线自主循线。当任何时刻只有一路传感器在黑线上的情况（每两个传感器之间的间距是25mm）：图4.4 传感器间距为25mm的情况 由图1可知，传感器由一种状态转化为另一种状态所移动的距离，即有效距离为：25mm。当有时有一路传感器在黑线上，有时有两路传感器在黑线上的情况下（12.5mm传感器两两间距25mm）：图4.5 传感器间距在12.5mm和25mm之间的情况 由图3-5可知，d1=25-x，d2=2x-25若要舵机平缓过渡，减少瞬时精度高，长时间精度低的情况出现，令d1=d2为最优情况，即：25-x=2x-25得x=16.7mm，d1=d2=8.3mm。4.3电机驱动电路4.3.1有关mc33886简介图4.6 MC33886 芯片外部引脚的封装图引脚功能表引脚引脚名称 功能1AGND数字地2FS/错误状态端口3IN1逻辑输入控制14，5，16V+ 电源供电6，7OUT1 H桥输出18，20 DNC 不连912PGND 模拟地13 D2/使能端214，15OUT2 H桥输出217 CCP 电荷泵电容18 D1 使能端119 IN2 逻辑输入控制24.3.2 电机驱动电路简介电机驱动使用飞思卡尔专用电机驱动芯片MC33886。驱动电路如图4.6 所示。为了增大驱动能力，减少单个33886的发热量，我们采用两片MC33886 并联的方案。系统使用PWM 控制电机转速，充分利用单片机的PWM 模块资源。电机PWM 频率设定为8KHz。由于MC33886芯片的工作电压为5-40V，导通电阻为140毫欧姆，PWM频率小于10KHz，具有短路保护、欠压保护、过温保护等功能。因此这种芯片是很好用的。我们将电机驱动芯片安装在制作的电机驱动PCB板上，在PCB 板设计时，考虑到芯片散热问题，在mc33886上我们安装了散热片，通过实际运行效果表明这种设计较好的达到了要求。为了防止电动机突然停止时产生的电磁干扰，我们在电动机的两端焊接了一个0.1F 滤波电容。其功能原理图为： 图4.7 mc33886功能原理图4.4测速电路测速电路在制作智能车时是十分必要的，有了它以对智能车的速度进行控制，从而使它可以更加稳定的工作。可以用来测速的器件有：光电编码器、霍尔传感器等。由于考虑到成本，我们采用了霍尔传感器和自制码盘作为测速模块的硬件构成。其中码盘上用热熔胶粘有8个磁芯。红外传感器安装在正对码盘的前方，当霍尔传感器遇到磁芯时它会产生低电平，相反如果遇不到小磁芯它会一直产生高电平。虽然这样做精度比编码器要低很多，但是成本低廉制作容易，如果智能车速度较快，可以考虑再增加码盘上的磁芯即可。当码盘随着齿轮转动时，由霍尔传感器可以得到一系列高低电脉冲。我们通过累计一定时间内的脉冲数，可以得到和速度等价的参数值。霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系图3-5所示。磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。霍尔传感器检测转速示意图如下。在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。圆盘每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。通过单片机测量产生脉冲的频率就可以得出圆盘的转速。 图4.8 图4.9 工作原理图 图4.104.5拨码开关电路 由于在智能车比赛开始后，不能够对智能车硬件及软件进行修改，在保证了硬件有效可靠的同时，软件有可能不能够适应新场地，所以设计拨码开关对智能车有关参数进行设置也是必要的。拨码开关PCB电路如下图所示：图4.11拨码开关这是一个八段的拨码开关，我们把它连成低电平有效，这样一来每段拨码开关都会对应两种状态，一共可以对应256种不同的状态，有了这些不同的状态值我们可以用来设置不同状态下对应的舵机转角、速度初始值等。这样对于适应新的场地很有好处。第五章 软件设计 第五章 软件设计智能车控制算法是影响智能车运动性能的重要因素之一，在输入信号有限的条件下，运用一种有效的算法，对于提高智能车的运动性能，有着重要的作用。本程序设计由以下几个模块组成：初始化模块，实时路径检测模块，舵机控制模块，驱动电机控制模块，中断速度采集模块，速度模糊控制模块。（1）初始化模块包括：通用I/O模块、PWM模块、ADC模块、ECT定时中断模块初始化。（2）实时路径检测模块：前排光电传感器检测黑线，将返回信号输入单片机的ADC输入端口，程序不间断地读入输入端口的信号，通过判断语句，得出合适的PWM信号控制舵机转向。（3）舵机控制模块，驱动电机控制模块：通过直接输出PWM信号控制。舵机的控制采用开环控制，驱动电机采用闭环控制。 图5.1 程序流程图5.1 路径识别1)单片机通过ADC通道将接收管的电压值进行转换，在程序中对传感器信号进行处理，判断传感器是否检测到黑色引导线。2)将单个传感器对白色和黑色路面的ADC值之差分为平均的两段，每次处理实时传感器信号时，判断本次采样的ADC值与黑色路面ADC值之差落在两段中的哪一段。如果在靠近黑色的一段，则判定该传感器检测到黑线，将该传感器对应的变量置为判定值1；如果在靠近白色的一段，则判定该传感器检测到白线，将该传感器对应的变量置为判定值0；为了增强判断的准确性，在对ADC值采样时，采用了共模均值滤波方法，以去除瞬间的干扰。3)路径检测完后，将测的的路径值暂时存储，然后将路径信息传递给舵机和电机控制部分，通过各自不同的算法可计算出相应部分的控制数据，以选择给定合适的转角和速度。5.2 转向控制在我们的智能车系统中对舵机的控制采用的是开环控制，由于我们的传感器的布局是单排排列，所以我们采用的控制策略是模糊的比例控制。思想是通过路径识别部分得到车的重心偏离黑线的程度，还可以通过一定的算法，计算出舵机的转向角度，并且在一定程度上具有抗拒微小干扰的能力。具体步骤如下：1)、将每个传感器进行加权处理，给相应各个传感器的权重值，如图5.2所示。图5.2 传感器加权示意图 2)、当传感器检测到黑线时相应的传感器返回所在的权重值，并计算所有传感器的平均加权值，即偏离程度。计算公式为: （1）式中，AD_Quani是i号传感器对应的权重，AD_Statei是i号传感器对应的状态值，AD_JiaQuan是所求的加权平均值，为下一步控制决策提供必要的信息。 3)、建立偏离程度和舵机转动角度所对应的PWM脉宽关系的模型，拟合二者的函数关系曲线。在这里我们认为舵机转动的角度是和PWM脉宽成线性的正比关系，因此以一次函数来唯一确定PWM脉宽与舵机转动角度之间的关系。建立PWM脉宽与舵机转动角度之间一次函数关系为： （2）式中，DJ_Angle为舵机应转的角度，PWMMiddle为车轮摆正时舵机PWM脉宽应赋予的PWMDTYx的值，AD_JiaQuan为前面所求的传感器的加权平均值，PWMFactor为由AD_JiaQuan变换到PWM脉宽的一个比例因子。除此之外，小车还会遇到黑色交叉线、起跑线以及黑三角等特殊情况，对此，本系统将保持原有的小车方向与速度，使小车不受交叉线的干扰。如果小车转过的弯过大，则可能使上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，这时本系统将会把舵机转至最大角，让小车急转驶回黑线，同时，将速度降至最低，防止小车冲出轨迹。5.3 速度控制 智能车竞赛的基本要求就是要保证赛车能稳定的沿黑线跑下来，但这并不是唯一的，要保证赛车能取得好的成绩，还要求赛车有较高的速度才行，所以速度控制如果控制不好的话会严重影响比赛成绩。 对速度的控制经典策略两种：PID和bang-bang控制。 (1)PID控制思想 在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。 但是，由于PID公式中，数字式PID三个参数的整定非常麻烦，所以采用PID控制需要很长时间的调试才行，否则，如果参数不好，就会使赛车行走起来很不稳定。 (2)bang-bang控制思想 简单地说，bang-bang控制就是给定最大马力和最大刹车功率，开车从 A点开到 B点的方法，不考虑弯道、障碍等因素时，能够想象得到的最快的方法，就是加足马力、全速前进，然后在到达终点时，全力刹车。砰-砰控制（Bang-Bang Control）这一名称也由此得来：砰的一声，油门板一脚到底；砰的一声，刹车到底，控制任务完成。 bang-bang控制在理论上是一个很有趣的问题，解法通俗、简洁，但在实际应用中单独应用bang-bang控制的情况却不多见。因为在被控对象达到预期输出时，由于bang-bang控制器的作用，将造成较大的超调。因此，在实际应用中一般采用如下方法：启动时，匀速上升到最大控制，以缓和控制的冲击力；到达终点附近时，改用 PID控制，作闭环微调，克服砰-砰的系统模型误差十分敏感的缺点。 在综合分析了两种方案的优缺点后，最终采用了优化了的bang-bang控制，并结合一定的弯道控制策略就形成了我们的控制方案。第六章 开发工具及调试说明 第六章 开发工具及调试说明6.1 软件开发工具 我们采用的单片机是大赛组委会推荐的MC9S12XS128,开发板是从清华大学购买的，所用开发工具是Metrowerks公司为MC9S12 系列专门提供的全套开发工具（Freescale Codewarrior IDE 4.7）。这是一套用C语言进行编程的集成开发环境本文智能车定位系统的软件设计部分就是在此开发环境下完成的。Codewarrior 是由Metrowerks 公司提供的专门面向Freescale 所有MCU 与DSP 嵌入式应用开发的软件工具。其中包括集成开发环境IDE、处理器专家、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理、C 交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器。如图6.1所示为Codewarrior的使用界面： 图6.1 Codewarrior使用界面利用CodeWarrior 4.7自带的hiwave.exe和开发板配套的BDM，用户可以进行一系列的调试工作，如监视寄存器状态、修改PC 指针、设置断点等，这样能快速地帮助我们找到软件或硬件的问题。下图6.2为hiwave的下载调试界面： 图6.2 hiwave下载调试界面6.2 实际调试 首先，在调试阶段，我们先对各个模块进行了单独的调试及校正，例如：我们结合自己的舵机调试程序来调节舵机的中心位置和摆动幅度；利用示波器来测试PWM脉宽的实际信号是否与预期信号一致；利用专用的测速程序来测试各个霍尔元件是否正常工作等等。 接下来，是综合调试阶段，我们见整个赛车的各个模块集成起来，来实现整个系统的智能控制。并仔细检查各个模块间的连接是否正常，对出现的异常现象进行分析，找出原因，并进行解决。另外还要测试整个系统的稳定性，我们在调试的时候发现很多现象根本无法解释，后来经过反复试验才发现是有些模块工作不稳定造成的，所以系统的稳定性也是一个重要方面。在最后的系统调试阶段，我们利用自己制作的不同赛道综合分析赛车所存在的各种软硬件问题，并找出原因，一一进行解决。下图为我们的一个测试赛道： 图6.3 实际赛道第七章 模型车各项参数7.1有关模型车技术参数统计项目参数路径检测方法（赛题组）光电车模几何尺寸（长、宽、高）（毫米）395*200*110车模轴距/轮距（毫米）200/149车模平均电流（匀速行驶）(毫安)1000电路电容总量（微法）660.2传感器种类及个数赛道检测（13）、速度检测（1）新增加伺服电机个数0赛道信息检测空间精度（毫米）20赛道信息检测频率（次/秒）200主要集成电路种类/数量单片机最小系统板（1）、硬件驱动电路板（1）、传感器（1个）、测速（1）车模重量（带有电池）（千克）1.9公斤第七章 模型车各项参数 7.2模型车制作特色简介有关车模机械改装，传感器、驱动电路设计，控制策略等方面：7.2.1车模机械改装a) 减震支架位置向前移动45mm；b) 在后轮添加码盘，厚度为1.38mm；传感器c) 采用单排13个；d) 元件为光敏电阻、发光二极管（白聚光）；e) 接收单元间距10mm 、15mm；驱动电路设计f) 采用两片MC33886并联控制电机，其优点是：一方面可以较好的控制电机转动，使其在要求的时间内得到快速响应；另一方面并联可以较好的实现负载均衡，使其不会发热太严重。7.2.2控制策略a)单片机通过ADC通道将接收管的电压值进行转