广东技术师范学院-星磁号技术报告.doc

第六届 飞思卡尔 杯全国大学生 智能汽车竞赛 技技 术术 报报 告告 学 校 广东技术师范学院 队伍名称 星磁号 参赛队员 陈晓波 陆永东 张华灵 带队教师 肖蕾 祁伟 I 关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第六届 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 带队教师签名 日 期 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 III 目 录 目 录 III 第一章 引言 1 1 1 概述 1 1 2 基本原理 2 第二章 智能车总体设计 2 2 1 电磁车体系结构设计 2 2 2 系统硬件结构设计 3 2 3 系统整体程序流程图 3 第三章 硬件设计 5 3 1 硬件系统总体方案 5 3 2 硬件电路设计 5 第四章 智能车机械结构设计 11 4 1 舵机的安装 11 4 2 测速编码器的安装 11 4 3 底盘调整 12 4 4 前轮定位 13 4 5 齿轮传动的调整 14 4 6 传感器的安装 14 第五章 软件设计 15 5 1 程序整体设计 15 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 IV 5 2 电磁传感器的路径识别 15 5 3 起跑线检测 17 5 4 舵机控制 18 5 5 电机速度控制 20 第六章 开发工具 制作 安装 调试过程说明 21 6 1 开发工具 21 6 2 调试过程 21 第七章 赛车主要技术参数 23 第八章 总结 24 鸣谢 25 参考文献 26 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 1 第一章 引言 1 1 概述 飞思卡尔 杯全国大学生智能汽车竞赛 是由教育部高等学校自动化专 业教学指导分委员会主办的科技竞赛 该竞赛以 立足培养 重在参与 鼓 励探索 追求卓越 为指导思想 旨在促进高等学校素质教育 培养大学生 的综合知识运用能力 基本工程实践能力和创新意识 激发大学生从事科 学研究与探索的兴趣和潜能 倡导理论联系实际 求真务实的学风和团队 协作的人文精神 该竞赛主要由飞思卡尔半导体公司赞助 由清华大学协 办 从 2006 年开始 每年举办一届 目前已成功举办了四届 第三届 第 四届连续两届被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目之 一 第五届飞思卡尔杯智能汽车大赛首次加入了基于电磁传感器的寻线智 能车 在地面铺设通有交变电流的引导线 在引导线周围激起交变的磁场 从而通过检测此磁场引导车辆行驶 使用电磁场作为引导智能车的优点 主要体现在磁场信号具有很好的环境适应性 不受光线 温度 湿度等环 境因素的影响 由于电磁场是矢量场 具有方向行 对于不同的传感器和 传感器的不同摆放方式 探测到的电磁场也是有所不同的 1 2 基本原理 本文主要介绍了我队队员在第六届Freescale智能汽车大赛过程中的工 作成果 本智能车系统设计以MC9S12XS128处理器为核心 通过电感采集 赛道数据 用以检测智能车的运动位置和运动方向 采用光电编码器检测 速度 PID控制算法调节电机的速度和舵机的方向 完成对智能车的基本 控制 根据功能不同 电磁车体系结构大致包括传感器 控制 执行机构 人机接口和电源五大部分 1 传感器部分 负责感知外部世界的环境信息和车模自身的状态信息 为小车完成 赛道的检测与跟踪以及实现小车的运动控制提供所需的信息 2 控制部分 分析传感器数据 提取赛道信息 运行控制算法 向执行机构发出 动作信号 控制赛车沿赛道行驶 控制部分主体是单片机 MC9S12XS128 3 执行机构 负责执行动作信号 实现车的前进 变速和转向 执行机构包括电 机驱动 电机和舵机 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 2 4 电源部分 负责向各部分提供合适的电源 包括电池和稳压模块 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 2 第二章 智能车总体设计 2 1 电磁车体系结构设计 根据需求分析 经过仔细研究 决定采用模块化设计 智能汽车的硬件系统由 核心控制模块 MCU 传感器模块 电源管理模块 电机驱动模块 舵机驱动模块 无线通讯模块和信号采集模块组成系统结构框图如图 2 1 所示 MC9S12XS12 8 控制部分 起始线检测编码器 电池 7 2 V 稳 压 模 块 拨码开关 无线串口 LED 电源部分 驱动电路舵机电机 5V 传感器 图 2 1 系统结构框图 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 3 2 2 系统硬件结构设计 智能车硬件模块主要由 MC9S12XS128 核心模块 电源模块 信号采集模块 伺服电机 直流电机驱动模块 速度采集模块组成 MC9S12XS128 单片机是智能车的核心 负责赛道信息的接收 滤波 处理数 据和调用控制算法 最终输出伺服电机和直流电机的控制信号 电源模块主要有 5V 电压供单片机和信号等使用 7 2V 电源供电机和舵机使用 信号采集模块由普通电感做成的传感器和片内 AD 组成 直流电机驱动模块由四片 BTS7960 组成正传和反转驱动电机 由于今年的电 机比较大 之前采用 2 片 BTS7960 驱动芯片驱动电机 发现驱动能力不够 所以采 用了四片 我们也尝试使用 MOS 管进行驱动 驱动能力很强 但是调速范围很窄 不利于智能车的控制 速度采集模块由一个光电编码器组成 考虑到使用光电对管的精度不足 所以 就不予采用 2 3 系统整体程序流程图 软件运行需要配置单片机各个模块寄存器数值 使单片机各个模块正常工作 初始化中包括 单片机时钟配置 I O 口配置 PWM 模块配置 A D 模块配置 RTI 实时中断配置 脉冲捕捉模块配置 当初始化完毕后 开始对传感器输入信号进行 采样 当完成一次采样后将采样值输入控制算法 控制算法经过运算得到应该偏转 的角度和速度 通过改变 PWM 模块内部寄存器数值可以得到不同占空比的方波信号 实现对舵机和电机的调节 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 4 否 是 开始 赛道信息检测 数据处理 舵机转角计算 和速度计算 各个模块初始化 延时 2s 是否到 读取赛道信息和 编码器脉冲数 控制舵机和电机 停车 停车中断申请 图 2 2 系统软件流程图 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 5 第三章 硬件设计 要实现电磁车的功能 必须首先构建硬件平台 在导线中通以 20KHz 的交 变电流 需要通过传感器检测周围的磁场来确定导线相对小车的位置 特别是 对 MC9S12XS128 单片机对静电敏感 小车在磁场上奔跑很容易由于静电问题 而导致小车冲出赛道 3 1 硬件系统总体方案 我们的硬件设计思路是通过自绕电感感应载流导线周围磁场的电压 并送 入 MC9S12XS128 单片机内部进行 AD 转换 以获取赛道信息 采用一定的算 法控制舵机 使智能车沿着赛道底下的导线行驶 在保证信号检测质量的基础 上 尽可能精简电路 提高系统的可靠性以及整车的机械特性 3 2 硬件电路设计 智能车硬件控制系统主要由 MC9S12XS128 为核心的最小系统模块 电源 模块 信号采集模块 伺服电机 直流电机驱动模块 速度采集模块组成 为了使小车身减轻 我们把 MC9S12XS128 为核心的最小系统模块 电源 模块 信号采集模块集成在一块 PCB 板上 为了防止驱动模块的共模干扰 我 们把驱动电路独立开来做在另外一块板上 3 2 1 最小系统模块 秉着够用 轻小的原则 我们的单片机最小系统采用 MC9S12XS128 80 引脚封装 对于单片机引脚的使用 我们用到了六路 A D 转换接口 两路 PWM 接口 一路计数器接口 十五路普通 IO 接口 最小系统我们采用一块单 独打板的一小块集成电路 和主板独立开 方便单片机出问题更换 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 6 图 3 1 单片机最小系统 3 2 2 电机驱动电路模块 驱动芯片 BTS7960 具有抗电子干扰能力强 它发热不是很大 但是由于今 年 B 车模的电机比较大 刚开始我们利用两片 BTS7960 构成全桥式驱动器 但 是驱动能力还是不够强 我们尝试使用 MOS 管进行驱动 驱动能力很强 但 是调速范围很窄 存在死区 不利于智能车的控制 后来我们使用四片 BTS7960 搭建驱动电路 驱动能力比两片的 BTS7960 效果要好 电机驱动电路主要由以下部件组成 PWM 信号输入接口 7 2V 电源输入 接口 驱动电流输出接口 四片 BTS7960 芯片等 这个驱动电路模块小 减轻 了电路板的重量 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 7 BTS7960是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片 它带有一个P沟 道的高边MOSFET 一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC P沟道高边 开关省去了电荷泵的需求 因而减小了EMI 集成的驱动IC具有逻辑电平输 电流诊断 斜率调节 死区时间产生和过温 过压 欠压 过流及短路 的功能 BTS7960通态电阻典型值为16m 驱动电流可达43A 图3 2为BTS7960各管脚连接 图3 2为BTS7960各管脚连接 3 2 3 信号采集模块 电磁智能车要求沿着通有 20KHz 的交流导线行驶 根据麦克斯韦电磁场理 论可知 导线周围充满了交变的磁场 我们可以通过检测磁场的强度和方向 来获取赛道信息 测量磁场的方法有很多 我们选择了原理简单 频率响应快 价格便宜的 工字型电感线圈 由于导线周围的空间充满了交变的电磁场 我们可以在这个电磁场里放置 一个电感线圈 电磁感应就会在线圈中产生交变的电流 当导线的电流按一定规律变化时 导线周围的磁场也随之发生变化 根据 法拉第电磁感应定律 线圈中将感应出一定的电动势 电动势的大小可近似为 公式 1 dt dI r k dt td E 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 8 式中 r 为线圈到中心导线的距离 k 为常量 由上式子可知 在导线位置和导线中的电流固定的条件下 线圈中感应电 动势是空间位置函数 因此我们就可以用电感线圈来作为电磁车的 眼睛 图 3 3 线圈感应电动势与导线导线水平位置 由线圈直接感应出来的电动势是非常小的 因此 我们采用了谐振放大 在线圈两端并联一个电容 然后经过放大电路 再整流滤波后 最后给单片机 的 A D 口进行模数转 信号采集电路如下所示 图 3 4 信号采集电路 3 2 4 电源电路模块 对于舵机 驱动电路 我们直接采用 7 2V 电池供电 但是对于单片机需要 5V 电压才能正常工作 为此 必须把 7 2V 的电压转换成 5V 的稳定电压供给 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 9 单片机使用 电源总体框架如图 3 2 所示 电 池 5V 5V 5V 5V 7V 7V 舵机 编码器 单片机 传感器 电机 驱动电路 图 3 5 电源总体框架 对 5V 稳压芯片的选择 我们采用了 LM2940 稳压芯片 它具有过流 过 压 电压反接保护 使用这个芯片 只需要极少的外围元件就能构成高效稳压 电路 而且输出的电压波纹很小 与及 7805 稳压器件相比 LM2940 具有更低 的工作压降和更小的静态工作电流 可以使电池获得相对更长的使用时间 7805 容易受热烧坏 LM2940 的耐热性比 7805 要好 图 3 6 电源稳压电路 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 10 3 2 5 传感器设计 采用线圈作为传感器有很强的适应能力 能够满足电磁场检测的要求 并且容易实现 比较适合检测变化的电磁场 在实验的初期 测试过磁阻 以及磁敏三极管 对于本电磁场信号 20KHz 100mA 响应较差 几乎无 法感受到电磁场信号 输出非常微弱甚至没有输出 在采用线圈作为电磁 场传感器后 通过串联谐振原理 输出信号较大 并且随着位置改变输出 信号也有很明显的变化 根据传感器总体结构图 设计传感器电路图包括 LC 串联谐振电路感应电磁场信号 经过后级放大电路放大弱小信号 通过 半桥检波和低通滤波器后输出直流信号 通过公式 公式 2 1 2 f LC 可以计算出 C 6 33nF 市场上最接近的电容值是 6 8nF 所以最终选 取 10mH 电感和 6 8nF 电容作为 LC 串联谐振电路 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 11 第四章 智能车机械结构设计 车模的机械部分对智能车的行驶性能影响很大 在相同的环境下 同等的 控制能力 机械的性能往往对比赛成绩直接产生影响 一个良好的机械系统能 够减少控制的难度 为智能车速度的提升带来很大的空间 因此 对于机械部 分 我们需要精心地去调整 4 1 舵机的安装 我们将舵机头朝后 安装在前悬挂中间 左右转向摇臂长度不一样会 使小车左右转向出现不对称 对舵机控制是不利的 为此 将舵机直立安 装 并将舵机臂适当加长 可以提高舵机的灵敏性 实际证明这样改动舵 机灵敏性能高一点 如图 4 1 所示 图 4 1 舵机 4 2 测速编码器的安装 测速传感器安装好坏直接影响小车行驶的稳定性 将其安装在车架上 齿 轮与后轮转轴啮合 啮合的松紧要适中 否则会发出噪音或者磨坏齿轮 开始 我们使用铝条固定 但是容易松动 最后我们的测速编码器的安装如下 具体 如图4 2所示 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 12 图 4 2 测速编码器 4 3 底盘调整 从空气动力学角度上讲 影响赛车行驶稳定性的三个主要内容是 下 压力 阻力以及灵敏性 大的下压力可以增大赛车的抓地能力 从而提高 赛车的过弯极限 减小后轮的侧滑 保证赛车行驶稳定性 但同时下压力 的增加却带来赛车阻力的增加 不可避免的却会牺牲赛车的部分极速 而 且下压力的增加会导致前轮负荷增大 转向灵敏性降低 所以底盘以及其 它部件的安装及布局应该综合考虑 另外车体重心位置对赛车加减速性能 转向性能和稳定性都有较大影 响 重心调整主要包括重心高度和前后位置的调整 理论上 赛车重心越 低稳定性越好 而对于赛车重心前后调整方面 根据车辆运动学理论 车 身重心前移 会增加转向 但降低转向的灵敏度 因为大部分重量压在前 轮 转向负载增大 同时降低后轮的抓地力 容易产生后轮漂移 而重 心后移 会减少转向 但增大转向灵敏度 后轮抓地力也会增加 根据以上两方面理论的研究 我们对底盘及其他模块整体布局的调整 方案如下 一 重心调整 为了尽可能的降低重心 可以采取两种措施 一是降 低底盘 从整车最底层开始降低 但是由于赛道中会出现坡道 所以地盘 的降低只能是微调 另一方面是所有模块的安装尽可能低 主要包括低位 主板 降低支架的高度等措施 在重心前后位置调整方面 将电池向前微 调 以确定合适的车体重心 让车模更加适应比赛赛道 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 13 二 底盘调整 由于为了降低重心 减小赛车行驶阻力 主要部件的 布局一定 形成车头到车尾斜向上的布局 这样如果赛车底盘与跑道面保 持水平时 赛车顶部气流要比底部快 速度差会在上层表面产生一个净负 压 我们将其称为 升力 为了克服这个升力 以使赛车具有一定的抓地 能力 是得赛车加减速性能达到较佳水平 提高转弯的极限以及防止后轮 漂移 同时 不能使下压力过大 以影响赛车的转向灵敏性 我们将底盘 也调整到一定角度 车尾保持不变 车头底盘稍有降低 4 4 前轮定位 对于汽车而言 要保持车辆直线行驶的稳定性 使之转弯自动回正 转向轻便 必须确定车轮定位参数 包括主销后倾和前轮前束 主销后倾 主销后倾角在车轮偏转后形成一回正力矩 阻碍车轮偏转 主销后倾角越大 车速愈高 车轮偏转后自动回正力越强 但回正力矩过 大 将会引起前轮回正过猛 加速前轮摆振 并使转向沉重 通常后倾角 为 1 3 如图 4 3 所示 图 4 3 主销后倾 前轮前束 俯视车轮 汽车的两个前轮的旋转平面并不完全平行 而 是稍微带一些角度 这种现象称为前轮前束 车轮前束的作用是减轻或消 除因前轮外倾角所造成的不良后果 二者相互协调 保证前轮在汽车行驶 中滚动而无滑动 前轮前束一般为 0 12mm 而现代汽车的前轮外倾角出现 减小甚至为负值的趋势 前轮前束也应相应减小甚至也为负值 如图 4 4 所 示 图 4 4 前轮前束 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 14 提高小车行驶时的转向回正力 可以通过改变主销后倾角和车轮前束 我 们使用的 B 车模车轮和主销是平行的 将其调成了零度角左右 适当的正前束 以提高小车连续转向的反应能力 4 5 齿轮传动的调整 齿轮传动机构的调整主要是调整后轮轴上齿轮与电机输出轴的齿轮及 测速编码器齿轮之间的耦 合程度 当耦合比较松时由于齿轮之间存在较大 的缝隙 齿轮转动时会产生很大碰撞声音 这样会大大增加齿轮的磨损 当耦合的比较紧时齿轮之间的摩擦力变大 这样就会使电机分出一部分驱 动力克服齿轮之间的摩擦力做功 电机的负载无形中就增强 从而减小了 电机对后轮的驱动能力 为了使齿轮的调整比较适当 经过多次的调试 我们发现当齿轮耦合较松或两齿轮之间不平行时的声音很响 也就是齿轮 之间撞击的声音很大 当齿轮耦合比较紧时声音很沉闷并且迟滞 最佳状 态是基本上没有撞击的声音 声音清脆并且没有迟滞现象 4 6 传感器的安装 比赛规则中 B 车模没有长度的限制 为了使车 看 的更远 我们把传感 器架在小车前端的 25cm 左右 因为传感器架的太长 一方面使车身整体不稳定 另一方面传感器架的太长容易误判 在弯道中难于检测到信号 我们选择了质 量较轻的碳纤维管和塑料管来作为传感器的支架 以减小整个传感器结构上的 重量 传感器赛道水平面的垂直高度大概十五厘米 图 4 5 传感器的安装 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 15 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 16 第五章 软件设计 5 1 程序整体设计 5 1 1 程序流程图 程序的整体流程图如下 图 5 1 程序流程图 5 1 2 中断调用 程序中调用了 INT PT7 中断 来完成光电编码器数据采集 以得到小车的 实时速度 由于我们只采用了一个中断调用 有效的避免了多个中断之间 中 断与主函数之间的相互干涉 提高了程序的执行性能 5 2 电磁传感器的路径识别 在智能车系统中 电磁传感器就是智能车整个系统的 眼睛 它对路径的 识别在控制系统中尤为重要 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 17 5 2 1 电磁传感器的布局 我们使用一字型传感器的布局 只使用了三个 如下图所示 9cm 9cm 图 5 2 三点一线型 使用三个传感器 一方面简化了电路 另一方面每个电感之间的距离比较 远 相互产生的影响比较小 这种布局中 由于每个传感器的感应范围有限 因此我们在制作电路时 让每个传感器有信号输出的范围在左右 3cm 左右两 个电感与中心电感的距离为 9cm 对于单独一个感应线圈 由图 2 7 可知感应 电动势 E 与导线位置 x 是一个偶函数 它能够反映线圈与水平位置 x 的大小 因此 我们可以结合三个线圈的得出的位置量 x 来判断小车的具体位置 5 2 2 转向控制算法 过比较两路 A D 采集传感器电压大小 可以得知传感器与漆包线之间 的位置 假设 1 号传感器在车体左方 2 号传感器在车体右方 当车体偏向 漆包线左方时 右侧传感器靠近漆包线数值增加 左侧传感器远离漆包线 数值下降 用 1 号传感器数值减去 2 号传感器数值则会出现负值 当漆包 线在车体正中间时 左侧传感器数值等于右侧传感器数值 那么做差之后 的数值为 0 当车体偏向漆包线右方时 右侧传感器远离漆包线数值下降 左侧传感器靠近漆包线数值增加 做差后会得到正值 那么根据做差后的 数值可以判断车体与漆包线的位置关系 从而控制舵机转向修正车体位置 得到偏离位置值之后 PID 控制器对输入偏差值运算得到修正值 输入 调节小车沿着路径行驶 通过更改 KP A KI A KD A 三个参数改变小车的 控制性能 5 2 3 数据处理 感应线圈所得到的初级信号不能直接由单片机读取 主要原因有以下 几点 1 含有 20kHz 的大量谐波 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 18 2 幅值相对较小 经 AD 转换后差异不明显 3 交流信号不能直接接入 AD 4 变化的信号不利于检测 针对上述问题 对信号进行选频 放大和检波处理 可以获得稳定的 随距离 r 变化的电压信号 经处理后的信号其电压值 US 线圈初级信号幅 值 E 以及线圈与导线的距离 r 有如下关系 公式 3 r M r mKmEUS 11 式中 m 是与电路有关的量 M mK 可见处理后的信号幅值可以反映感应 线圈与导线的距离 这样就获得了单片机可以读取的信号 5 3 起跑线检测 根据比赛规则要求 跑完一圈后赛车需要自动停止在起始线之后三米 之内的赛道内 如图 5 3 所示 起始线是导引线两边的长度 10cm 的黑色线 起始线中间安装有永久磁铁 每一边各三只 磁铁参数 直径 7 5 15mm 高度 1 3mm 表面磁场强度 3000 5000Gs 1 44 7555 50 55 5010cm10cm 9cm 文本 磁磁铁铁 3 文本 磁磁铁铁 3 漆漆包包线线 起起始始线线 250 00 50cm 图 5 3 赛道起始线示意图 针对上述要求 利用干簧管设计起始线检测电路如图 2 11 干簧管是 磁机械效应的磁场传感器 其内部是一个常开触点开关 在磁场强度超过 其阈值时 开关闭合 图中四个干簧管并联为 线或 关系 任何一个干 簧管检测到磁铁 START CHEQ 端都会输出正脉冲 引发中断程序使赛车停 车 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 19 5V GND START CHEQ 干干簧簧管管 3 图 5 4 起始线检测电路 识别起跑线的程序流程如图 5 5 所示 图 5 5 起跑线检测流程 5 4 舵机控制 5 4 1 舵机 PID 控制 舵机控制通常有两种方法 一种是模糊控制 另一种则是经典的 PID 控制 经过多次试验 我们觉得 PID 的控制更稳定 响应更快 采用 PID 控制算法 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 20 最主要的 也最难的就是各环节参数的整定 经过反复的调整 我们得出个环 节的参数特点如下 P 环节 在确定 P 环节的的参数 Kp 时 Kp 越大则系统响应速度更快 但是 当 Kp 太大时 小车在过小 S 弯虽然可以很顺利通过 但是在过大弯则出现了分 段现象 所以 Kp 的取值应该适当 不宜过大 I 环节 I 环节的参数 Ki 的作用能使舵机摆动的角度更加精确 但是它有 负面作用 会反过来制约 Kp 的作用 使舵机反应变慢 D 环节 D 环节参数 Kd 对变化趋势灵敏 在舵机控制中 它能让舵机预测 赛道变化 因此 在确保 Kp Ki 参数足够的情况下 适当地加入 Kd 环节可以 使舵机转向更加灵敏 在实验过程中 我们发现 Kd 对小车过大 S 具有优化作用 此时小车过得更加平滑 尽管 D 环节有这样的优点 但是也存在着缺点 那就 是它会放大 噪声 这就要求我们对检测到的信息进行必要的滤波 尽量减少 其负作用 5 4 2 舵机控制算法 由于 PID 控制中积分环节 I 让舵机的摆角更加精确 但却带来了时间上的 滞后 加上舵机本身反映很慢 因此我们只采用了 PD 调节 在直道行驶的时候 比例项 P 较小 在转弯的时候比例项 P 较大 这样小车在直道行驶当中不出现 抖动 弯道转弯快速 软件上的实现如下 void duoji float ld int PWM 01 static float PID P PID D static float PID static double jiaodu 2 0 PWM 01 PWMDTY01 jiaodu 1 jiaodu 0 jiaodu 0 adjust PID PID P jiaodu 0 PID D jiaodu 0 jiaodu 1 PWM 01 15550 PID 1200 9 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 21 if PWM 01 17960 PWM 01 17960 if PWM 01 13140 PWM 01 13140 PWMDTY01 PWM 01 15550 舵机居中值 因为舵机的控制与我们小车的机械结构有很大关系 所以在舵机的控制上 我们还要结合机械结构来整定舵机参数 5 5 电机速度控制 在速度控制方面 我们采用增量式 PID 算法来调节电机 获得了很快的速 度响应 通常在速度控制上采用的基本策略是 直道加速 弯道减速 但是在 前瞻一定的情况下 弯道速度一直制约着小车整体速度的提升 特别是连续变 化的弯道 如小 S 和大 S 因此 我们在弯道速度控制上采取了特殊处理 由于转向角和入弯速度决定了小车在弯道中行驶的好坏 一个好的转向角 能使小车入弯稳定不产生分段摆动 也能让小车的速度在弯道中得以提升 因 此 当小车敢入弯时 先让其急减速 使舵机有足够的调整时间 以获得正确 的转向角 再在弯道中保持舵机角度不变行驶 这样能为小车出弯加速节省点 时间 从算法上来讲 出弯判断条件比较繁琐 会耗费些时间 但是总的来说 这种方法对连续变化方向的弯道可以减少判断出错的概率 保证小车行驶的稳 定性 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 22 第六章 开发工具 制作 安装 调试过程说明 6 1 开发工具 程序的开发是在组委会提供的 CodeWarrior IDE 下进行的 包括源程序的 写 编译和链接 并最终生成可执行文件 CodeWarrior for S12 是面向以 HC1 和 S12 为 CPU 的单片机嵌入式应用 开发软件包 包括集成开发环境 IDE 处理器专家库 全芯片仿真 可视化参 数显示工具 项目工程管理器 C 交叉编译器 汇编器 链接器以及调试器 6 2 调试过程 在智能车系统的硬件和软件确定后 最后一个环节就是调试 有效的调试 手段对我们及时地发现问题并解决问题极其重要 在调试过程中 我们需要借 助调试工具来获取小车检测到的路面信息以及速度等参数 以便对算法进行针 对性的分析 在调试中我们主要使用了一下几种工具 6 2 1 无线串口 小车在行驶时 不能通过有线的方式来获得其参数 借助无线串口 将小 车在不同路况下的数据发回到 PC 机 是一种有效实用的调试手段 图6 1 无线串口的实物图 该模块的功能其实是跟有线的串口的功能一样 只是有无线的区别 利用 无线串口给我们的调试带来了很大的方便 通过串口调试软件 可以充分显传 感器采集信号的原始数据 调试过程中的中心线位置 弯道的曲率 速度的瞬 时值 及再现赛道的实际情况 第六届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 23 6 2 2 速度采集软件 由于电机调节我们采用增量式PID调节 好的PID参数自然能够使直流电机 调节速度响应迅速 为此 我们在VC的环境下开发了一套基于PC机平台的速度 采集软件 图6 2速度采集软件界面 第六届全国大学生智能汽车邀请