第二屆“飛思卡爾”杯全國大學生 智能汽車邀請賽摘要本文詳細介紹了我們?yōu)榈诙萌珖悄苘嚧筚惗鴾蕚涞闹悄苘囅到y(tǒng)方案。該系統(tǒng)以Freescale16位單片機MC9S12DG128作為系統(tǒng)控制處理器，采用激光傳感器對賽道信息進行采集，并通過賽道記憶方法對賽道信息進行記錄，反饋回給電機和舵機，在第二圈中達到校正。通過歐姆龍光電編碼器獲取小車速度，進行速度反饋處理，最后利用PID控制方式作為了最終的選擇。文中還將介紹賽車傳感器布置及安裝方法，自制電路主板、賽道記憶算法及開發(fā)出的調試系統(tǒng)，還將介紹機械結構和調整方法，及舵機安裝方式。關鍵詞：激光傳感器、控制策略、速度傳感器、賽道記憶 AbstractThis paper introduces us to the second session of the National Smart car racing prepared smart car system plan. The system Freescale16 MC9S12DG128 bit extreme but as a system control processor, Using modulation laser sensors to track information Acquisition, through the memory circuit and method for information on the track record, feedback back to the motor and steering, The second lap achieve Correction. Omron through photoelectric encoder speed access Trolley, Speed feedback processing. Finally PID control as a means to the ultimate choice. The article will introduce the car sensor layout and installation methods, Self-made circuit board, the circuit memory algorithm and the development of the system debugging, also introduced mechanical structure and adjustment methods, and installation Rudder.Key word：Laser Sensor, Control Strategy, speed sensor circuit memory目錄第一章 引言 11.1 比賽背景介紹11.2 方案介紹113本文結構1第二章 賽車系統(tǒng)整體設計.221系統(tǒng)硬件結構設計2第三章 光電傳感器 331傳感器選型 332 傳感器排布 3第四章 主控板硬件電路設計.54.1電源模塊54.2電機驅動模塊64.3硬件抗干擾措施74.4印制電路板可靠性和抗干擾設計84.5主控板的安裝 8第五章 電機驅動模塊.95.1 硬件電路設計95.2 驅動電機性能測試95.3 程序代碼 10第六章 舵機驅動模塊146.1硬件電路設計 146.2程序代碼14第七章 速度傳感器167.1傳感器設計及安裝167.2 硬件電路設計167.3 軟件設計1774速度傳感器準確性測試187.5 安裝方式18第八章 賽道記憶1981智能車運動狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)總述19.811系統(tǒng)整體硬件架構19812系統(tǒng)整體軟件架構2082起跑信號發(fā)送裝置21821起跑信號發(fā)送裝置工作原理2183車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計及實現(xiàn)2284機數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)設計及實現(xiàn)2285手持數(shù)據(jù)接收及監(jiān)測系統(tǒng)設計及實現(xiàn)238.6動態(tài)數(shù)據(jù)接收及顯示模式24第九章 賽車機械結構調整2591舵機安裝調整2592前輪傾角的調整25第十章 總結2610.1比賽準備階段2610.2激光傳感器設計2610.3賽道記憶控制策略及開發(fā)的賽車運動狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)2610.4設計中存在的問題26.10.5未來寄語27第一章 引 言1.1 比賽背景介紹受教育部高等教育司委托，高等學校自動化專業(yè)教學指導分委員負責主辦全國大學生智能車競賽。該項比賽已列入教育部主辦的全國五大競賽之一。2007年8月日，在上海交通大學舉行第二屆全國大學生智能車競賽。本屆的比賽，首先是在全國五大賽區(qū)進行預選賽，之后將有 只賽車到上海進行總決賽。在比賽中，“參賽選手須使用大賽組委會統(tǒng)一提供的競賽車模，采用飛思卡爾16控制器MC9S12DG128作為核心控制單元，自主構思控傳感器信號采集處理、控制算法及執(zhí)行、動力電機驅動、轉向舵機控制等，完成智能車工程制作及調試，于指定日期與地點參加場地比賽。參賽隊伍之名次（成績）由賽車現(xiàn)場成功完成賽道比賽時間為主，技術方案及制作工程質量評分為輔來決定”，“須采用統(tǒng)一提供的車模，須采用限定的飛思卡爾16位微控制器 MC9S12DG128 作為唯一控制處理器，車模改裝完畢后，尺寸不能超過：250mm 寬和400mm長，高度無限制”，“跑道寬度不小于600mm，跑道表面為白色，中心有連續(xù)黑線作為引導線，黑線寬25mm”，并且跑道有坡道。1.2 方案介紹由評分規(guī)則可知，本次比賽的關鍵在于提高小車的速度和穩(wěn)定性。其實際問題是如何更早且更好的提取到賽道信息。我們采取的策略是激光傳感器加賽道記憶，共同實現(xiàn)我們的目標。這樣不僅可以提高賽車的前瞻性，使賽車的穩(wěn)定性提高。而且通過賽道信息的記錄，可以在第二圈中，對賽車狀態(tài)進行校正，提高成績。13本文結構本文共十章。其中第一章為引言部分。簡單介紹比賽背景及賽車的基本方案。第二章主要介紹賽車整體系統(tǒng)結構，對賽車整體流程及控制進行介紹和說明。第三章介紹賽車傳感器，包括選型、排布及安裝方式。第四章將對自行研制的主控板進行介紹及說明，包括電路設計及主控板的安裝。第五章介紹電機驅動模塊，包括硬件電路的設計及電機性能的測試。第六章將對舵機驅動模塊進行說明。第七章為速度傳感器，包括電路設計、安裝方式及準確性。第八章為賽道記憶控制策略及開發(fā)的賽車運動狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)。第九章介紹賽車機械結構調整。第十章將對全文作出概括總結。第二章 賽車系統(tǒng)整體設計21系統(tǒng)硬件結構設計根據(jù)激光傳感器方案設計，賽車共包括大模塊：激光傳感器模塊控制處理芯片MC9S12DG128，舵機驅動模塊，電機驅動模塊、速度傳感器MC9S12DG128傳感器信號轉向舵機速度傳感器電機第一圈記錄數(shù)值第三章 光電傳感器31傳感器選型由于賽道具體信息還不知道，所以必須選擇合適的路面信息檢測傳感器。通過查閱相關資料，了解到目前常用的尋線技術有：光電尋線、磁誘導尋線和攝像頭尋線。光電尋線一般由多對紅外收發(fā)管組成，通過檢測接收到的反射光強，判斷黑白線。在這種方案中，一對收發(fā)管只能檢測一個點的信息，精度有限。但其優(yōu)點是電路簡單，處理方便。路面磁誘導與智能車輛的車載機器視覺誘導相比，最大優(yōu)點是完全不受光照變化的影響。但這種方式必須以車道中心線上布設的離散磁道釘作為車道參考標記，這違背了比賽規(guī)則。攝像頭尋線通過圖像采集，動態(tài)拾取路徑信息，并對各種情況進行分析。它具有信息量大，能耗低的優(yōu)點，但對數(shù)據(jù)的處理相對復雜。作為第一次參加此次大賽，并通過對第一屆比賽的研究，我們決定還是從光電管入手。要提高速度并保證在入彎時不撞到標竿，就必須增加傳感器的“視野”，以便及時減速。通過比較，發(fā)現(xiàn)市場上的激光管有比較好的性能，它可以照射很遠的距離依然有很高的強度，根據(jù)激光特性，除了激光的入射光和反射光是最強的以外，其他的所有散射光的強度都是相同的，在此情況下，實際測量發(fā)現(xiàn)激光可以看到20cm以上的距離，對于賽車的前瞻性大有好處，可以適當把光照調遠，實現(xiàn)前瞻性循線控制。32 傳感器排布為了完成賽道記憶算法，我們采用了前十后五的傳感器排布方式。這樣前十路傳感器采集的數(shù)據(jù)負責對賽車進行轉角的控制。而后五路傳感器采集的數(shù)據(jù)則傳遞給單片機后通過分析并記錄下來，為第二圈舵機、電機控制提供反饋信息。 數(shù)字型光電傳感器只有0與1 兩種狀態(tài)，因此各個傳感器的布局間隔將影響車對路徑的識別精度以及對舵機的控制算法的優(yōu)劣。賽道規(guī)定的是：黑線寬度25mm，賽車可以沿著黑線自主循線。當任何時刻只有一路傳感器在黑線上的情況（每兩個傳感器之間的間距是25mm）： 圖3.1 傳感器間距為25mm的情況 由圖3.1可知，傳感器由一種狀態(tài)轉化為另一種狀態(tài)所移動的距離，即有效距離為：25mm。當有時有一路傳感器在黑線上，有時有兩路傳感器在黑線上的情況下（12.5mm<傳感器兩兩間距<25mm）： 圖3.2 傳感器間距在12.5mm和25mm之間的情況由圖3.2可知，d1=25-x，d2=2x-25若要舵機平緩過渡，減少瞬時精度高，長時間精度低的情況出現(xiàn)，令d1=d2為最優(yōu)情況，即：25-x=2x-25得x=16.7mm，d1=d2=8.3mm傳感器安裝：傳感器有發(fā)射和接收兩部分，所以需要制作支架固定其位置。根據(jù)尺寸要求，在支架上打孔固定發(fā)射管和接收管。為了有較合適的重心位置，應該選擇質量較輕的材料，最后利用膠水使傳感器固定。見圖一第四章 主控板硬件電路設計4.1電源模塊比賽提供7.2V電池，整個系統(tǒng)需要為以下模塊供電：為單片機供電；（5V）；為傳感器供電；（5V）；為電機驅動供電；（7.2V）；為舵機供電（轉向舵機和制動舵機）；（7.2V或6V）可能會有發(fā)熱元件，接出5V風扇供電口。由上可以知道，系統(tǒng)需要7.2V、6V、5V，其中7.2V可以由電池直接供電，6V和5V就需要穩(wěn)壓芯片來供電了，由于有上屆比賽的經驗，如果把所有接到5V的電源都從一個口輸出，萬一出現(xiàn)異常狀況（例如大電流），單片機必然重啟，因此需要多個穩(wěn)壓芯片同時工作，以保證單片機正常工作。圖4.1電源模塊電路圖5V穩(wěn)壓電路的設計：市場上5V的穩(wěn)壓芯片有很多，例如LM2940、LM7805、開關型LM2575、LM2596，其中2940和7805轉換效率比較低，只有40%左右，但是輸出紋波很小，對于單片機這種對電源要求比較高的元件而言很適合，而2575和2596師開關型的穩(wěn)壓芯片，轉換效率可以達到75%甚至80%以上，但是輸出有紋波，很可能讓單片機出現(xiàn)重啟現(xiàn)象。圖4.2 LM2940電路原理圖圖4.2是2940穩(wěn)壓的電源模塊原理圖，7805和2940的原理圖相同，但是7805需要輸入7.5V以上才可以穩(wěn)定輸出5V，而2940載輸入電壓達到6V以上就可以穩(wěn)定輸出5V了，因此，在給單片機供電的電源中選擇2940穩(wěn)壓芯片。4.2電機驅動模塊圖4.3 電機驅動模塊電路由CPU 發(fā)出PWM 波通過33886驅動芯片控制電機的電壓，PWM5輸出PWM波，經由IN1口輸入，OUT輸出電機調速信號。驅動芯片MC33886內部具有短路保護、欠壓保護、過溫保護等功能。MC33886內部集成有兩個半橋驅動電路，本設計中，因為只需控制小車前進的速度不需要控制運行電機反轉，因此不需要采用全橋驅動運行電機。而為了增大電流驅動能力，將兩個半橋并聯(lián)使用。各接口模塊圖4.4 各接口模塊電路如圖4.4所示為S12單片機的各接口模塊。其中fan為一個2口白接頭，可以提供5V和GND，為需要散熱的芯片提供風扇電源接口；Keyboard為一個6口白接頭，提供鍵盤接口；Code接口是一個3口白接頭，提供碼盤的電源、地和信號；Reverse是一個反相器，為碼盤返回數(shù)據(jù)進行反相，使得軟件控制的時候有一個高電平就可以得到光柵的一格，更易于控制；PWM1、PWM3、PWM7分別為轉向舵機和制動舵機供電控制；PortAPortB和PortEPAD為傳感器提供電源、控制和返回；Monitor是一個監(jiān)控系統(tǒng)的接口，在主控板上插上監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)視車模運行時候的一些參數(shù)。4.3硬件抗干擾措施在嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)的抗干擾技術是系統(tǒng)可靠性的重要方面。一個系統(tǒng)的正確與否,不僅取決于系統(tǒng)的設計思想和方法，同時還取決于系統(tǒng)的抗干擾措施。嵌入式系統(tǒng)的干擾源一般有三個渠道：一是空間干擾,電磁信號通過空間輻射進入系統(tǒng)；二是過程通道干擾，干擾信號通過與系統(tǒng)相連的前、后通道及與其它系統(tǒng)的連接通道進入，它疊加在有用信號之上，擾亂信號傳輸，使有效信號產生畸變。使得數(shù)據(jù)采集誤差加大，導致控制狀態(tài)失靈，導致程序運行失常；三是系統(tǒng)干擾，電磁信號通過供電通道進入系統(tǒng)或系統(tǒng)本身產生干擾。雖然抗干擾問題是嵌入式系統(tǒng)在實際應用中最令人頭疼的問題，而且沒有一定之規(guī),也沒有一成不變的方法,但若進行科學的分析并加以合理的設計，采取一定的措施，將系統(tǒng)的硬件和軟件結合起來,是可以有效地提高應用系統(tǒng)的可靠性的。4.4印制電路板可靠性和抗干擾設計印制電路板是嵌入式系統(tǒng)中，器件、信號、電源線的高密度集合體，印刷電路板設計的好壞對抗干擾能力的影響很大。設計時應合理走線、合理接地，三總線分開走線.。盡量將數(shù)字、模擬電路分開走線，電源線和地線應盡量加寬，同時使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳遞的方向一致。應盡量使用45°折線而不要使用90°折線，以減少高頻信號對外的發(fā)射與耦合，減少互感振蕩；將接地和屏蔽正確結合起來使用。CPU、RAM、ROM等主芯片以及VCC、GND之間接電解電容和瓷片電容；去掉高、低頻干擾脈沖；石英晶體振蕩器的外殼接地而不要走信號線，且要適當加大接地面積；時鐘線要盡量短，并用地線將時鐘區(qū)圈起來，使周圍電場盡可能地減小。獨立系統(tǒng)結構，減少接插件與連線；輸入輸出驅動器件、功率放大器件應盡量靠近線路板邊的引出接插件；提高可靠性，減少故障率。集成塊與插座接觸可靠，用雙簧插座，最好集成塊直接焊在印制板上，防止器件接觸不良。信號的輸入、輸出端以使用光耦進行光電隔離為好。這樣既可以防止外圍器件動作時產生的回流沖擊系統(tǒng)，又可使輸入端的干擾信號沒有足夠的功率去干擾發(fā)光二極管的正常工作。4.5主控板的安裝 通過在底盤上打孔，通過塑料螺釘固定。見圖一第五章 電機驅動模塊5.1 硬件電路設計由CPU 發(fā)出PWM 波通過33886 驅動芯片控制電機的電壓. PWM5 輸出PWM波，經由IN1 口輸入。OUT1 輸出電機調速信號。通過預設的占空比對電機的轉速進行調解。工作電壓為5-40V，導通電阻為120 毫歐姆，輸入信號是TTL或CMOS，PWM 頻率小于10KHz，具有短路保護、欠壓保護、過溫保護等。MC33886內部集成有兩個半橋驅動電路，本設計中，因為只需控制小車前進的速度不需要控制運行電機反轉，因此不需要采用全橋驅動運行電機。而為了增大電流驅動能力，本文將兩個半橋并聯(lián)使用。 圖5.1 電機驅動電路5.2 驅動電機性能測試 根據(jù)我們的速度傳感器，對電機性能進行了測試。主要測試了，開環(huán)控制下，車輛啟動加速的性能。在開環(huán)控制下，分別設定占空比為90%和100%，其啟動效果如下（x 軸為時間（s），Y 軸為車速）：圖5.2 開環(huán)占空比90%啟動效果圖5.3 開環(huán)占空比100%啟動效果從圖中可以看出，無控制狀態(tài)下，賽車起動加速度約為1.2m/s2。而賽車啟動，如果設定直道速度為2m/s，則需要約1.7m 的加速距離。另外，在機械上我們適當調整了傳動齒輪的間距，提高電機傳動效率。重點調節(jié)了賽車后輪差速機構，使其正常工作。在小車進行轉向時，后輪差速機構有效地彌補了左右兩個后輪的行程差，使兩個后輪都在無滑動狀態(tài)下過彎。5.3 程序代碼電機轉速設置在軟件上都通過pwm 波占空比設置完成的。void PWM45_Init(void) PWME_PWME5 = 0; PWMCNT45 = 0; PWMDTY45 = 0; /* Store initial value to the duty-compare register */ PWMPER45 = 24000; /* and to the period register */ PWMCTL_CON45=1; PWMPRCLK = 0; /* Set prescaler register */ PWMSCLA = 1; /* Set scale register */ PWMCLK_PCLK5 = 1; /* Select clock source */ PWMPOL_PPOL5=1; PWME_PWME5 = 1; /* Run counter */ 測試開環(huán)控制下PWM占空比與電機轉速之間的關系：為了在控制策略中分配給電機合適的速度，需要知道PWM占空比與電機轉速之間的關系。為此，我們做了以下測試。在長直道上分別給不同的占空比，測的碼盤返回值如下表圖5.4 占空比70%下的PWM與轉速關系圖5.3為其中的占空比70%的曲線，其他的圖就不一一例舉了。表5.1 占空比與轉速關系數(shù)據(jù)表占空比穩(wěn)定后的速度(m/s)30%18*0.06435%25*0.06440%31*0.06445%37*0.06450%43*0.06455%49*0.06460%56*0.06465%63*0.06470%71*0.06475%76*0.06480%80*0.064 在得到上述數(shù)據(jù)后，就可以在MATLAB中繪圖并擬合曲線。Matlab 源程序：c0=30;c=18;d0=35;d=25;e0=40;e=31;f0=45;f=37;g0=50;g=43;h0=55;h=49;i0=60;i=56;j0=65;j=63;k0=70;k=71;l0=75;l=76;m0=80;m=80;x1=c0,d0,e0,f0,g0,h0,i0,j0,k0,l0,m0;y1=c,d,e,f,g,h,i,j,k,l,m;x2=polyfit(y1,x1,1);y2=polyval(x2,y1);x2plot(y1,y2,'r',y1,x1)繪得曲線：圖5.5 PWM占空比與電機轉速曲線與擬合曲線圖5.5中，縱軸為占空比，橫軸乘以0.064便為電機轉速。由此得到一次擬合函數(shù)。 (5-1)其中P為PWM占空比，S為電機轉速。從圖5.5中可以看出，PWM占空比與電機轉速近似為線性關系，這也與預想中的關系一致。第六章 舵機驅動模塊控制信號控制電路板電極轉動齒輪組減速舵盤轉動位置反饋電位計控制電路板反饋控制量舵盤角度圖6.1 舵機工作原理圖6.1硬件電路設計在進行轉向測試之前需要設計合理的硬件電路，使之正常工作，所以首先簡單的介紹以下轉向舵機的硬件電路設計。S12 脈寬調制模塊有8 路獨立的可設置周期和占空比的PWM 通道，每個通道配有專門的計數(shù)器。該模塊有4 個時鐘源，它們?yōu)镻WM 波的設置提供了寬闊的頻率范圍。通過該模塊內寄存器可設置PWM 的使能與否，每個通道的工作脈沖極性，每個通道輸出的中間還是左對齊方式，時鐘源，使用方式（是作為八個8 位精度通道還是四個16 位精度通道）。該模塊還有緊急關閉功能。圖6.2 舵機電路6.2程序代碼運行電機的轉速以及舵機的轉角，在軟件上都是通過對PWM 波占空比進行設置來相應控制的。程序代碼如下：void PWM67_Init(void) PWME_PWME7 = 0;PWMCTL_CON67=1; PWMPRCLK = 0; PWMSCLB = 2; PWMCLK_PCLK7 = 1; PWMPOL_PPOL7=1; PWMCNT67 = 0; PWMDTY67 = 8875; PWMPER67 = 48000; PWME_PWME7 = 1; 第七章 速度傳感器受車模機械結構的限制，必須采用體積小、重量輕的速度傳感器。就目前常用的有三種方案可供選擇：霍爾傳感器配合稀土磁鋼：在主后輪驅動齒輪處，通過打孔，將幾塊很小的稀土磁鋼鑲在里面，然后將霍爾元件安裝在附近，通過檢測磁場變化，可以得到電脈沖信號，獲取后輪轉動速度。光電傳感器在主驅動齒輪表面附上黑白間隔的彩帶，將反射型光電傳感器安裝在齒輪附近，當黑白彩帶交替通過時，產生一系列電脈沖，由此獲取轉動角度。也可以對齒輪打孔，采用直射型光電傳感器，通過間斷接受到的紅外光，產生電脈沖信號，獲取轉動角度。光電編碼器購買光電編碼器安裝在主驅動齒輪上，通過齒輪傳過來的轉動信息，獲取后輪轉角。比較以上3 種方案，考慮到系統(tǒng)的可靠性，首先排除霍爾元件方案，因為主后輪傳動齒輪為塑料質地，打孔比較危險。同理排除光電傳感器的直射型方案。之后，通過對市場的調查，發(fā)現(xiàn)可以購買到體積小且線數(shù)高的歐姆龍光電編碼器，為了提高速度測量精度，最終，我們決定采用歐姆龍光電編碼器方案。7.1傳感器設計及安裝設置S12 的模數(shù)向下計數(shù)器模塊，同時捕捉光電編碼器輸出的電脈沖的上升沿。通過累計一定時間內的脈沖數(shù)，可以得到和速度等價的參數(shù)值。我們已知：輪胎一圈周長為16.7cm。設編碼器共有e 線，即輪胎轉動一圈將引起e 個脈沖數(shù)累積。假設對脈沖數(shù)累積的時間為t，在這段時間內共獲取了n 個脈沖數(shù)累積。則賽車速度為：v=16.7( n )/t (cm/s)e 光電編碼器線數(shù)越多，同等速度下單位時間內所能檢測到脈沖數(shù)也越多，因而速度檢測的分辨率也更高。另一方面，線數(shù)增多后，相鄰脈沖間的持續(xù)時間會變短，脈沖檢測的可靠性會因相鄰脈沖的干擾而受到影響。7.2 硬件電路設計圖7.1 速度傳感器模塊電路圖7.3 軟件設計我們采用PT0 口作為脈沖信號輸入。采用模數(shù)向下計數(shù)器，首先通過設置寄存器MCCTL，設置模數(shù)方式使能，向下中斷使能，向下計數(shù)使能。設置FLMC位，使得載入寄存器進入模數(shù)計數(shù)方式。設置MCCNT寄存器，使得定時器每20ms中斷一次。然后設置TIOS，設置PT0針腳為輸入；然后設置TCTL4 寄存器，選擇獲取上升沿。之后，設置PBCTL寄存器，將PAC0和PAC1合用。設置代碼為：MCFLG_MCZF = 1; MCCTL_MODMC = 1; MCCTL_MCZI = 1; MCCTL_MCEN = 1; MCCNT = 30000; MCCTL_MCPR = 3; MCCTL_FLMC = 1; TIOS_IOS0=0;TCTL4=0x01;PBCTL_PBEN=1;在中斷服務函數(shù)中，通過讀取PACN01 這個寄存器，獲取當前的脈沖累加值。例程如下void Int_mcount(void) MCFLG_MCZF = 1; pulse=PACN10; /讀出脈沖計數(shù)值 PACN10=0; sPID.vi_FeedBack=pulse ;PWMDTY45=(unsigned int)v_PIDCalc(&sPID);在每一控制周期開始，S12 讀取脈沖累加器中的數(shù)值，然后將脈沖累加器清零。這樣就求得了之前m 個控制周期時間里共有多少個脈沖數(shù)累積，從而由公式3-1 可求得賽車速度值。程序流程圖7.2：速度傳感模塊入口脈沖累加器清零讀取當前脈沖累加器值器清零速度傳感模塊出口圖7.2 速度傳感模塊程序流程圖74速度傳感器準確性測試讓賽車在賽道上行駛，每20ms 就將賽車當前速度值通過串口發(fā)送到電腦上一次。對賽車行駛的正好一圈中的速度值進行累加求和，再乘以20ms，得到的總共行駛距離為27m，而賽道總長為26m。兩者的相對誤差不到4%。這說明，速度傳感器測量基本準確。驅動電機空載運行時，改變脈沖獲取方式，在上升沿獲取方式、下降沿獲取方式和兩沿同時獲取方式間進行切換。不改變驅動電機占空比設置，在三種情況下，單位時間內捕捉的脈沖數(shù)較理想地滿足：上升沿獲取下的脈沖數(shù)=下降沿獲取下的脈沖數(shù)=兩沿同時獲取下的脈沖數(shù)/2；在脈沖獲取方式不變的情況下，改變驅動電機占空比設置，檢測的速度值與占空比近似成線性比例關系。另一方面，空載情況下，驅動電機速度確實與輸入PWM 波占空比的大小近似成線性比例關系。以上間接說明脈沖檢測的可靠性。7.5安裝方式為了能夠減輕賽車重量，我們并沒有做安裝碼盤得架子，而是直接在賽車上打孔，進行定位，這樣既保證了齒輪良好得嚙合，而且又減輕了賽車的重量。第八章 賽道記憶經歷了一段時間的智能車制作調試過程后，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的調試方法有著比較大的弊端。傳統(tǒng)的調試方法是調車者跟據(jù)智能車繞行賽道一圈的時間和肉眼觀測到的智能車在賽道上的行駛路徑作為修改智能車參數(shù)的指標，然后反復測試，反復修改，以達到最好的效果。這樣的調試比較盲目，缺乏目的性，也浪費了大量的時間和精力在做重復性勞動，效果不好。并且，由于光電傳感器本身的特性，使得前瞻性遠不如ccd圖象識別，使得電機控制效果很不好；并且，由于采集信號是離散的，轉角的控制也顯得不平滑。這時，為了能和ccd 圖像識別進行抗衡，賽道記憶策略就發(fā)揮了作用。賽道記憶算法是指在比賽的第一圈以最安全的速度緩慢駛過一圈,并將賽道信息保存下來，第二圈根據(jù)保存下來的信息進行車速和轉角決策的相應最優(yōu)化，從而在第二圈取得好成績，這一算法在目前智能車競賽中是比較先進的。要實現(xiàn)賽道記憶算法，智能車運動狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)是必不可少的。81智能車運動狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)總述 本系統(tǒng)主要完成將智能車行駛過程中的各種狀態(tài)信息（如傳感器亮滅，車速，舵機轉角，電池電量等）實時地以無線串行通信方式發(fā)送至上位機處理，并繪制各部分狀態(tài)值關于時間的曲線。有了這些曲線就不難看出智能車在賽道各個位置的狀態(tài)，各種控制參數(shù)的優(yōu)劣便一目了然了。尤為重要的是對于電機控制PID參數(shù)的選取，通過速度時間曲線可以很容易發(fā)現(xiàn)各套PID參數(shù)之間的差異。對于采用CCD傳感器的隊伍來說，該系統(tǒng)便成為了調試者的眼睛，可以見智能車之所見，相信對編寫循線算法有很大幫助。而且還可以對這些數(shù)據(jù)作進一步處理，例如求取一階導數(shù)，以得到更多的信息。811系統(tǒng)整體硬件架構設計方案主要分成四部分：起跑信號發(fā)送裝置，車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，手持監(jiān)測系統(tǒng)，PC機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。系統(tǒng)基本構建如下圖2-1所示。圖8.1 系統(tǒng)基本架構示意圖當小車啟動后第一次經過起跑信號發(fā)送裝置時，觸發(fā)計時器啟動，并且定時器通過無線串行數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送起跑信號，在未收到該信號前，車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PC機及手持監(jiān)控系統(tǒng)均處于偵聽狀態(tài)，當收到該信號時，車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始采集智能車的運行數(shù)據(jù)并發(fā)送至PC機和手持監(jiān)控系統(tǒng)，而PC機和手持監(jiān)控系統(tǒng)均進入正常工作模式，開始監(jiān)測數(shù)據(jù)。812系統(tǒng)整體軟件架構軟件方面PC機數(shù)據(jù)處理程序依靠Visual C+ 6.0來實現(xiàn)，軟件主體包括串口通信程序，數(shù)據(jù)分類程序，動態(tài)繪圖程序，以及對一些外設（如鼠標，鍵盤等）事件響應程序。而起跑信號發(fā)送裝置、車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及手持監(jiān)測系統(tǒng)均使用ATMEL公司的8位單片機，故軟件開發(fā)環(huán)境為ICCAVR6.31A，開發(fā)語言均為C語言。在系統(tǒng)正常運行時，整個系統(tǒng)控制框圖如圖2-2所示，PC會通過串口通信模塊來接收數(shù)據(jù)，并把接收來的數(shù)據(jù)進行分類，然后根據(jù)程序繪制四條曲線，即速度時間，轉角時間，傳感器時間和電池電壓時間曲線。而手持系統(tǒng)則把數(shù)據(jù)經過處理后，動態(tài)的顯示在液晶屏上。智能車激光傳感器車上系統(tǒng)手持設備顯示瞬時狀態(tài)PC機數(shù)據(jù)處理并畫圖顯示瞬時狀態(tài)起跑信號發(fā)送車各部分信息第一次觸發(fā)時發(fā)送啟動單片機命令檢測發(fā)送車實時狀態(tài)圖8.2整個系統(tǒng)控制框圖82起跑信號發(fā)送裝置智能車在賽道上行使過程中，為了可以了解賽車在賽道各個位置的狀態(tài)以及將兩次數(shù)據(jù)進行對比，我們就要設置監(jiān)測的起始點。因為如果在賽車啟動后立刻發(fā)送數(shù)據(jù)，那么任意兩次的監(jiān)控圖像就會發(fā)生錯位，不方便比較，而且沒有起始點，也不方便把采到的數(shù)據(jù)對映到賽道各部分上去。因此在賽車沖過起跑線時，整個實時監(jiān)測系統(tǒng)才正式運轉，而起跑信號發(fā)送裝置就是用來發(fā)送這個標志信號的。821起跑信號發(fā)送裝置工作原理起跑信號檢測裝置由一組激光對射管構成，當激光對射管之間無障礙物遮擋光線時，激光發(fā)射管發(fā)出的光正好照射到接收管上，接收信號端為低電壓，當發(fā)射與接收間被障礙物隔斷時，光線被阻斷，接收信號端變?yōu)楦唠妷骸纹瑱C檢測到激光對射管輸出端電壓變化，得到啟動信號，并控制無線串口發(fā)送啟動信息給車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，手持監(jiān)測系統(tǒng)，PC機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。83車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計及實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集是整個系統(tǒng)較為核心的一部分，無論后面對數(shù)據(jù)做如何的處理，這一部分都是基礎，如果采集回來的信號有錯誤，是無法彌補的，故本章將會從各種信號的采集方法，數(shù)據(jù)格式的定義以及到數(shù)據(jù)傳送方式作以詳細的介紹數(shù)據(jù)。采集方案設計這部分系統(tǒng)功能主要是將智能車的速度、方向、傳感器狀態(tài)以及電池電量等物理信息轉換為電信號，并由單片機進行采集，處理，最后通過無線串口將這些信息以字節(jié)為單位發(fā)射出去。84機數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)設計及實現(xiàn)這部分工作主要是利用PC機的串行通信接口和VC+程序將車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)射出來的數(shù)據(jù)進行采集，保存，分類和處理。該系統(tǒng)分為兩種工作模式，一種是動態(tài)數(shù)據(jù)接收及顯示模式，另一鐘是靜態(tài)數(shù)據(jù)分析模式，前一種模式應用于智能車在賽道上行駛過程，因為此時車載檢測系統(tǒng)會不斷發(fā)出小車運動狀態(tài)數(shù)據(jù)，所以PC機要對數(shù)據(jù)進行接收、分類、顯示以及將分好類的數(shù)據(jù)存儲在臨時文件中。當智能車行駛結束后，PC機接收數(shù)據(jù)結束，此時就系統(tǒng)就需要轉到靜態(tài)數(shù)據(jù)分析模式。由于動態(tài)數(shù)據(jù)接收及顯示模式中已經剛收到的數(shù)據(jù)已經被保存在臨時文件中，故在此模式下用戶可以直接察看任意時刻的智能車運動參數(shù)。而且，用戶可以將數(shù)據(jù)保存到其他新的TXT格式文件中，以免下次運行程序時，臨時文件內數(shù)據(jù)被更新，造成有用數(shù)據(jù)丟失，用戶也可以把以前保存的數(shù)據(jù)文件（TXT文件格式）打開進行研究，分析和對比。主程序的流程如5-1圖所示，主程序經過初始化后根據(jù)用戶作選擇的模式進行工作，程序默認為動態(tài)數(shù)據(jù)接收及顯示模式。10開始程序初始化模式選擇Flag = ?動態(tài)數(shù)據(jù)接收及顯示模式靜態(tài)數(shù)據(jù)分析模式執(zhí)行相應操作圖8.3 主程序的流程圖85手持數(shù)據(jù)接收及監(jiān)測系統(tǒng)設計及實現(xiàn)對于PC機數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)來說，接收大量的數(shù)據(jù)后繪出圖像效果比較好，但是如果說想精確地知道賽道上某一點的賽車運動狀態(tài)就比較困難了。因為PC機數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)繪制出來的圖像橫軸為時間軸，而智能車在賽道上行駛時速度是不斷變化的，所以要想通過時間來推算出智能車在賽道上的位置就很不精確了。然而手持數(shù)據(jù)接收及監(jiān)測系統(tǒng)正是用來彌補這一不足，因為用戶可以拿著它站在賽道邊上，或是同智能車一起行進，想查看某一位置智能車運動狀態(tài)時只需要按一下按鍵，系統(tǒng)就可以把當前時刻的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，使用起來簡單方便。手持數(shù)據(jù)接收及監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖8.4所示，整個系統(tǒng)的電力來源是9V的疊層電池，經穩(wěn)壓電路穩(wěn)至5V后提供給無線串口通信模塊，單片機模塊和液晶模塊進行工作。無線串口收發(fā)模塊用來接收車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)射出來的數(shù)據(jù)，當單片機接收到按鍵所觸發(fā)的外部中斷時，便通過無線串口進行數(shù)據(jù)接收，然后控制液晶模塊進行顯示。ATmega16單片機穩(wěn)壓模塊+5VGND按鍵（外部中斷）INT0128×64液晶模塊+5VGNDDATA圖8.4手持數(shù)據(jù)接收及監(jiān)測系統(tǒng)框圖無線串口通信模塊DATA+5VGND疊層電池GND+9V8.6動態(tài)數(shù)據(jù)接收及顯示模式動態(tài)數(shù)據(jù)接收及顯示模式主要是應用于智能車在賽道上行駛過程中，PC機不斷接收新的數(shù)據(jù)并不斷將窗口重繪，以顯示出實時的智能車運動狀態(tài)圖像。通過運動狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，我們就可以得到賽道信息特征，并記錄在單片機中。在第二圈中，提取記憶的賽道特征和第二圈的即時數(shù)據(jù)進行匹配及修正。這樣我們就可以在直道上加速，彌補了光電傳感器前瞻差的劣勢。并且，得到的彎道數(shù)據(jù)，也這樣就可以通過第一圈的數(shù)據(jù)對第二圈進行修正。 圖8.5測試信號顯示圖第九章 賽車機械結構調整91舵機安裝調整為了解決舵機轉向不夠靈活得問題，我們采用舵機立式安裝方式，這樣能使左右拉桿得長度保持一致。這樣左右轉向時力是一樣得，保證了左右轉向控制相同。并且在立式時，舵機得位置相當于提高。當轉動角度最大時，舵機連桿與拉桿的夾角達到90度。這樣可以使轉動最大角度時的力量達到最大。這樣也可以使賽車在直道跑動時，舵機單位改變量使輪子改變的角度小于在彎道（舵機已有很大轉角）時舵機單位改變量改變的輪子的轉角。92前輪傾角的調整前輪定位的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性，轉向輕便和減少輪胎的磨損。前輪是轉向輪，由主銷內傾、主銷后傾、前輪外傾和前輪前束等4個項目決定，反映了轉向輪、主銷和前軸三者在車架上的位置關系。 主銷內傾是指主銷裝在前軸略向內傾斜的角度，它的作用是使前輪自動回正。角度越大前輪自動回正的作用就越強烈，但轉向時也越費力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動回正的作用就越弱。主銷后傾是指主銷裝在前軸，上端略向后傾斜的角度。它使車輛轉彎時產生的離心力所形成的力矩方向與車輪偏轉方向相反，迫使車輪偏轉后自動恢復到原來的中間位置上。由此，主銷后傾角越大，車速越高，前輪穩(wěn)定性也愈好。前輪外傾角對汽車的轉彎性能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉向安全性和轉向操縱的輕便性。如果車輪垂直地面一旦滿載就易產生變形，可能引起車輪上部向內傾側，導致車輪聯(lián)接件損壞。前輪前束的作用是保證汽車的行駛性能，減少輪胎的磨損。前輪在滾動時，其慣性力會自然將輪胎向內偏斜，如果前束適當，輪胎滾動時的偏斜方向就會抵消，輪胎內外側磨損的現(xiàn)象會減少。第十章 賽車的基本參數(shù) 賽車總重量：1200克長：38.7cm寬：18.5cm 高：9.2cm電路功耗：21 w總電容約：1200µF。傳感器類型為光電編碼器，共15個；速度傳感器一個。賽道信息檢測精度為8.5毫米，頻率為370赫茲。 圖一 第十一章 總結 本文從智能車的硬件結構、電路設計、軟件實現(xiàn)方面進行了介紹。雖沒能參加第一屆全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽，但是我校對這項比賽有很大的興趣，看到冠軍隊使用光電傳感器仍然以絕對優(yōu)勢戰(zhàn)敗其他對手，我們認為在光電產感器方面還是有很大的開發(fā)潛力。與攝像頭比較起來調制式激光傳感器的前瞻是很近的，為了彌補這個不足我們決定運用賽道記憶算法。當然要實現(xiàn)這個想法還是需要對智能車各項系統(tǒng)又充分理解才行，我們在這個過程中也碰到許多問題與困難，以下就是對整個系統(tǒng)從構思到實現(xiàn)的回顧。11.1比賽準備階段 從第一屆全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽落下帷幕就開始著手此次比賽，在指導老師的幫助下大家經過不懈的努力，對智能車進行深入地研究，對飛思卡爾16控制器MC9S12DG128有了深入地了解。最終決定了主要的設計方案，一些細節(jié)則是通過各項試驗才決定的。同時對于CodeworriorIED開發(fā)環(huán)境有了相當充分的了解，并熟練掌握BDM的調試方法。通過對整個設計建模，充分發(fā)揮動手能力把想法變?yōu)楝F(xiàn)實，并配以合理的理論解釋，將智能車的硬件設計、軟件輔助設計清晰表達出來。11.2激光傳感器設計比賽規(guī)則中表明只允許運用15個傳感器，我們通過試驗采用性價比最為合適的激光管作為傳感器，采用自主設計的電路板實現(xiàn)對黑線的識別。通過比對測試和理論計算最后采用前十后五排列方式，并實現(xiàn)賽道記憶的功能。11.3賽道記憶控制策略及開發(fā)的賽車運動狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng) 由于光電傳感器的前瞻較近，彌補其最好的方法就是采用賽道記憶算法，這樣第二圈中的前瞻就變“遠”了。在開發(fā)階段我們自主開發(fā)了賽車運動狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)獲取賽車的信息，通過算法把賽車的速度、轉角最優(yōu)化，充分發(fā)揮其性能。11.4設計中存在的問題1）舵機轉向系統(tǒng)賽車在轉彎處主要靠舵機轉動提供轉角，雖然舵機的性能是固定的，但是不同的舵機安裝方式會使其性能有所不同。最終采用立式舵機固定方式，使兩端距兩輪的距離相等，便于改變轉角。可是舵機轉動的靈活性還是與理論中存在著很大差距的，所以準確地為舵機定位，合理的機械結構也會使舵機得到充分發(fā)揮。2）靜電干擾 由于賽車車輪與賽道間摩擦，會產生靜電。受靜電影響賽車會產生許多異常情況，如重起、傳感器狀態(tài)紊亂等等。為此我們在賽車前加上金屬杠，吸收部分靜電；也可以在車底貼上錫箔紙防止靜電穿過單片機；從電路板的設計角度出發(fā)，改變電路板設計也可以有效防止靜電。3）重量分配方案 賽車在運動中重心會影響其穩(wěn)定性，所以準確確定賽車重心可以在高速狀態(tài)下減少賽車的晃動。通過各種試驗，調整電池、主板的位置及高度，找到比較適合車身質量的重心位置，重心偏低可以提高賽車的穩(wěn)定性，所以在電路板設計時要同時考慮其形狀要求。4）坡道傳感器狀態(tài)不穩(wěn)定比賽介紹中提到了決賽中有坡道，為了有比較大的前瞻，在上坡時光電傳感器裝態(tài)會有亂碼出現(xiàn)。針對此問題，我們適當調整傳感器前瞻距離和光電管的光強，并在程序中增加了濾波功能，降低了此狀態(tài)出現(xiàn)的概率。5）賽道記憶算法不能準確校核 賽車在高速運行中，行駛軌跡的微小變化以及車輪的打滑都會使前后兩圈的路程校準產生較大誤差。所以要在提高速度的同時保證賽車的穩(wěn)定性，并且在程序上減小誤差，提高校準精度，使賽道記憶算法得到充分的利用。11.5未來寄語 通過比賽的方式讓我們學到了許多，對于汽車的機械結構、光電傳感器、軟件設計有了深入的了解，并擁有了一整套較為完善的軟件系統(tǒng)。但是由于知識有限，同學們對于各項內容的理解還不夠，在算法上還有很大的提高空間。當然現(xiàn)在的設計方案還存在一些問題，我們暫時還不能夠解決，希望在比賽中可以學到更多，在以后的比賽中得以提高。最后感謝飛思卡爾公司為我們提供這樣一個平臺，讓大家在智能車比拼中感受到速度的快感和知識的樂趣。參考文獻1 王英濤，印永華，蔣宜國等我國實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及實施策略研究電網技術，2005，29（11）：44482 趙翔，李著信，蕭德云等故障診斷技術的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢機床與液壓，2002，No4：37 3 潘俊榮，王明凱，郭諄欽等計算機輔助監(jiān)測診斷系統(tǒng)的發(fā)展和趨勢機械，2002，29（增刊）：46 4 王琳，商周，王學偉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展與應用電測與儀表，2004，41（464）：48 5 李娟，呂振基于單片機SST89E564的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工業(yè)控制計算機，2006，19（12）：7980 6 蘇厚軍，楊家軍，王潤卿基于小波分析的信號檢測研究與應用武漢理工大學學報，2005，27（1）：1517 7 Edmonds P,Hirst G. Near-synonymy and Lexical Choice.Computational Linguistics.2002, 28(2):105144. 8 卓晴，黃開勝，邵貝貝學做智能車北京：北京航空航天大學出版社，2007 9 邵貝貝，龔光華單片機認識與實踐北京：北京航空航天大學出版社，2006 10 洪家平Windows環(huán)境下PC機與單片機的通信微計算機信息，2005，21（3）：137143 11 于慶廣，劉葵，王沖等光電編碼器選型及同步電機轉速和轉子位置測量電氣傳動，2006，36（4）：1720 12 江淑紅，李濤，劉祖望基于單片機的低成本高性能異步串口擴展技術計算機工程，2005，31（6）：195196 13 Lightner, B. Tiny AVR serial port programmer. Circuit Cellar Inc . 2006, 192: 20-2,248,30.14 胡立坤，王慶超基于UART的可靠通信與性能分析計算機工程，2006，32（10）：1519 15 邵貝貝. 嵌入式實時操作系統(tǒng)LCOS-(第2版)M. 北京清華大學出版社200416 邵貝貝. 單片機嵌入式應用的在線開發(fā)方法M北京清華大學出版社200417 王曉明. 電動機的單片機控制M北京. 北京航空航天大學出版社2002 18 臧杰，閻巖. 汽車構造M. 北京. 機械工業(yè)出版社2005 19 安鵬，馬偉S12單片機模塊應用及程序調試J. 電子產品世界. 2006第211期 162-16320 童詩白，華成英模擬電子技術基礎M北京. 高等教育出版社2000 21 沈長生常用電子元器件使用一讀通M北京. 人民郵電出版社2004 22 宗光華機器人的創(chuàng)意設計與實踐M北京. 北京航空航天大學出版社2004 23 張偉等Protel DXP高級應用M北京. 人民郵電出版社2002 24 張文春. 汽車理論M北京機械工業(yè)出版社2005 程序源代碼：V_PID.H#define VV_KPVALUE 10#define VV_KIVALUE 4#define VV_KDVALUE 8#define VV_MAX 1200 #define VV_MIN 0#define VV_DEADLINE 0x00typedef struct PIDsigned int vi_Ref;signed int vi_FeedBack;signed long vi_PreError;signed long vi_PreDerror;unsigned int v_Kp;unsigned int v_Ki;uns