弯道策略(飞思卡尔)

1、（第二届中南民族）10.3整体策略分析在确定的赛道上，对于机械确定的车辆，总有一个理论的最高速度。能否接近这个速度就取决于控制策略的好坏。采用直线高速弯道低速还是直线、弯道都采用中速，在不同的赛道上可能各有优点。与其采用一个适应各种赛道的控制策略不如使用拨码开关，根据现场不同的情况来人为调节不同的策略。10.1 急弯急弯在这里指半径65cmz下，圆弧超过90度的弯道。急弯是限制智能车速度的主要因素。急弯处，摄像头将会发现车身与赛道之间的偏差，这种偏差的发现有一个过程，总是先看到较小的偏差，而后看到较大的偏差。大偏差状态2在看到较小偏差时（图中状态1）采用低速，大幅度偏差（图中状态2）时采用中速

2、。在直线上采用高速。这种速度分配比直线高速，小偏差中速，大偏差低速有更好的急弯通过性能（急弯通过性能指按照规则能够顺利通过弯道的最快速度。速度越快，通过性越好）。10.2 小蛇形弯小蛇形弯指圆弧切点与中心线之间的距离小于8cm的弯道。如下图所示。£-小于II11目的是在小蛇形弯道直线通过。采用区间加权平均的办法处理蛇形弯。区间指只有偏差在设定的范围以内才作加权平均处理。使用九行数据作加权平均。实际加权平均的效果由于摄像头可视范围的限制，并不是很明显。能够直线行驶快速通过蛇形弯道是因为，在区间范围以内将伺服电机的转动角度给的很小。加权后的位置在实际的测试中，对于偏差大于10cm的蛇形弯

3、就不会当作直线来处理了（第三届武汉科技首安）4.2转角的控制对于舵机的控制，我们采用开环控制，由于舵机的控制精度高，一个PWMt空比对应一个角度，因此开环控制的效果较好。我们采用的是PD控制，因为这样可以让舵机的控制速度更快，输入黑线位置和黑线位置的变化率，通过分段比例控制输出相应的PWNB。因为小车处于弯道和直道的转向模型不同，统一的比例带过大会导致小车振荡，过小导致最大控制量偏小，小车转向不足，过弯时冲出赛道。使用分段比例控制既方便又可以解决以上两种问题。当小车处于直道时，最中间的光电管检测到信号，当处于不同曲率的弯道时，上排两侧不同的光电管将检测到信号。所以，根据上排光电管检测到的不同信

4、号，可以判断出小车所处的位置。然后，根据小车的位置再相应的调整舵机。调整舵机的原则是：小车处于直道，则摆正舵机。小车处于弯道的曲率越大，则将舵机的转角摆的越大。除此之外，小车还会遇到黑色交叉线的特殊情况，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(PPT教程里的)6.3.4控制策略及控制算法为保证小车一直沿着黑色引导线快速行驶，系统主要的控制对象是小车的转向和车速。即应使小车在直道上以最快的速度行

5、驶。在进入弯道的过程中尽快减速，且转向要适合弯道的曲率，确保小车平滑地转弯，并在弯道中保持恒速。从弯道进入直道时，小车的舵机要转至中间，速度应该立即得到提升，直至以最大的速度行进。为实现上述控制思想，可以采用不同的控制方法来控制小车的转角和速度。转角的控制为了使舵机迅速地转至期望的角度，先通过前排发射接收光电管检测黑线，当小车处于直道时，最中间的光电管检测到信号，当处于不同曲率的弯道时，前排两侧不同的光电管将检测到信号。所以，根据前排光电管检测到的不同信号，可以判断出小车所处的位置。然后，根据小车的位置再对调整舵机进行相应的调整。调整舵机的原则是：小车处于直道时，摆正舵机。小车处于弯道的曲率越

6、大，则舵机转角越大。除此之外，小车还会遇到黑色交叉线的特殊情况，对此，本系统将保持小车原有的方向与速度，使小车不受交叉线的干扰。如果小车转过的弯过大，则可能使前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，故应使舵机保持原角度，让小车急转驶回正道。同时，将速度适当降低，防止小车冲出轨迹。这里采用比例和微分相结合的PD控制方法。(1)比例控制：通过前面提取的position与中心位置相减得到比例控制的偏差量，然后再根据偏差量的大小采用比例系数控制舵机转向。(2)微分控制：通过存储连续20次采样所得到的黑线位置，可以计算出相应的黑线位置变化率，进而根据这个变化率的大小，来调整微分系数，以

7、控制舵机转向。理想的转向模型，在轮胎不打滑，忽略左右两侧轮胎山于受力不均产生的变形，忽略轮胎受重力影响卜的变形，等这些条件卜的模型。在这种模型卜，车体的转向半径可以计算得到，如图4.2所示。左右轮的轴线与后轮主轴，三条直线交于一点。即右转公式:将上面公式中的左右转角互换即可得到左转公式。如果左右轮转角满足上面的关系，则可计算出车体的转弯半径:205205136tan%+1002公式2可以作图得到理想模型卜.左右轮对应的转动角度。设定左轮转角为X轴坐标，右轮转角为y坐标，利用MATLAB,作出左右轮的对应关系如图4.3和图4.4o图4.3右转时两轮转角关系图4.4左转时两轮转角关系X、Y轴对应的

8、是两轮的转动角度（单位：rad）。山于前轮转角变化幅度较小，因此采用了图4.5所示的方法进行标定。利用光电笔，将其绑定在前轮上，然后将车模面对墙壁，固定放置在一定距离上,然后通过测量墙壁上红点的移动距离，通过换算来测定前轮相应的转角。采用这个方法可以简单而准确地对舵机转向角度进行测量。图4.5转向测试原理图由于舵机的转角在安装在车模后，并没有完全利用到180度的转动范围，由于受到机械限位的影响，仅仅使用到很小的转动范围，因此无法用舵机转角的量来标定舵机。但是，舵机的转角，与控制舵机的PWM波信号的高点平脉宽成比例关系，因此，选用PWM波的高电平脉宽来作为舵机转角的替代参数。这样做，也会使单片机

9、控制算法上变得方便许多，忽略舵机转角以及连动杆长度这些中间的传递参数，直接测定PWM波脉宽和前轮转角的对应关系。4.2.2.2实验基准数据测试距离L(null)：350舵机频率(Hn)：200PWMPER：200001.5ms脉宽卜，舵机处于0度用位置。因此把1.5ms脉宽设为参考值，即设定在此脉宽卜，前轮偏移曷为0mm。试验具体数据参见附录A。首先山所获得的偏移距离计算出两个轮子的转角（数值参见附录A）。0=arc将试验测得的两轮转向关系作图，进行比较:将试验测得的两轮转向关系作图，进行比较:50.000.00舵机转向测试（L=350）左前轮一右前轮OOOOOOOOO050505054332

10、211a-£PWM设首左前轮右前轮舵机测试角度40.0030.0020.0010.00PW脉宽图4.6舵机转向测试可以看出，在车体向右转的时候，相对与理想模型下左前轮的转动角度，车模右前轮的转向不足。尤其体现在左轮转向大于14.3°。在车体向左转的时候，相对于理想模型卜.左前轮的转动角度，车模右前轮的转向过度。尤其体现在左轮转向大于11.4°。比较左转和右转，左转时候的情况更加接近于理论模型。4.2.2.4试验结论改进转向系统的方式为缩短两侧联动杆。在右转时，缩短的联动杆将增加右轮的转向角。在左转时，缩短的联动杆，将减少右轮的转向角。缩短左侧联动杆长度，同样也可以

11、起到上述效果。为使车模的转向系统更加接近理想模型卜的状况，在正式调整中需要对两根联结杆都作微调。考虑到PWM信号设置的方便，调试中将1.5ms卜脉宽设定为直线行驶的PWM控制量。由于试验仅仅是为了使其性能近似理想模型，但是在系统的实际运行中，会有很多其他因索影响，因此在以后的测试中，需要进一步调整转向系统，使车模发挥最佳的性能。4.2.3转向舵机转弯半径分析4.2.3.1转弯半径计算根据前面的数据，可以计算.出，各个PWM波卜面的系统转弯半径，用于PID调试。对于参考点的选取，需要根据控制策略决定。比赛中，车辆力求速度，因此应该尽量将参考点向前，保证车辆前方的某一个点，维持在黑线中心;如若为了

12、保证车辆行驶的准确性，则选用后轴的中心点，作为偏移量的坐标原点。目前选用摄像头探测最近端图像的中点作为参考点，控制车模运动。位置为在前轮主轴前17cm的地方，距离后轮主轴37cido2055136Y+一;一ktan0LsinOL2,d2r，（2055136Rr=L+:+公式3Jan%sin%2其中：RL、RR-分别为用左轮右轮转角计算得到的转弯半径。通过两者的平均，决定转弯半径。6-参考点的转向角度。目前选择L=205,即前轮轴中点作为转弯半径参考点。如图4.7所示：图4.7转弯半径最终结果参照附录A10000转弯*役售斗r?sc8000600040002000一左前轮一右前轮车体X'

13、、7r、V、*PWM脉宽图4,8国弯半件数据4.2.3.2最小转弯半径根据比赛规则，赛道的最小转弯半径为500mm所以需要测试在在没有侧滑的情况下赛车的前轮转向半径能否满足该条件。由于机械限位，PWM&脉宽设置范围在（1.2-1.8），经过实际测量，在设定在两端极限的情况下，没有发生侧滑。注：测试是在驱动电机PWM80%的情况下进行的。因此系统最小转弯半径为1.8ms脉宽和1.2ms脉宽下的左转最小转弯半径约为421mm右转为395mm可满足实际要求。4.3程序代码运行电机的转速以及舵机的转角,在软件上都是通过对PWM波占空比进行设置来相应控制的。前面提到，舵机转角控制需要将两个八位寄

14、存器合成为一个十六位寄存器。要将程序中的舵机位置信号，比如6000,要分配给PWM0f口1,分配时这2个端口的赋值必须是16进制，比如6000的十六进制为0x1770,那么赋值时就必须为PWMDTY0=0x17PWMDTY1=0x70因此这就牵涉到如何将1个十进制数分配为2个十六进制数问题。有2种方案，一种是除法取余，另一种是移位操作，前者编译生成的代码比后者要多，所以采用移位操作来实现，即取高位时与0xFF00先作“&”计算，然后将所得到的数向右移8位（>>8）,即可取得高8位；同理，取低8位时只要与0x00FF作“&”计算即可。程序代码如下：PWMCTL_CON

15、01=1;/PWM0令并16btPWMPRCLK=0x33;/A=B=32M/8=4MPWMSCLA=100;/SA=A/2/100=20kPWMSCLB=1;/SB=B/2/1=2000kPWMCLK=0b00011100;/PWM0,1-A;PWM2,3-SB;PWM4-SAPWMPOL=0xff;/位极性=1Duty=HighTimePWMCAE=0x00;/对齐方式左对齐PWMPER0=0x9c;/PWMPER1=0x40;/20000=0x4e20;Frequency=A/20000=200HzPWMDTY0=0x19;/PWMDTY1=0x00;/舵机DTY初始值PWME_PWME

16、1=1;/舵机enable（第四届北科大）4.2弯道策略分析在车辆进弯时，需要对三个参数进行设定：切弯路径、转向角度、入弯速度。其中，切弯路径主要决定了车辆是选择内道过弯还是外道过弯。切内道，路经最短，但是如果地面附着系数过小会导致车辆出现侧滑的不稳定行驶状态，原因是切内道时，曲率半径过小，同时速度又很快，所以模型车需要的向心力会很大，而赛道本身是平面结构，向心力将全部由来自地面的摩擦力提供，因此赛道表面的附着系数将对赛车的运行状态有很大影响。切外道，路径会略长，但是有更多的调整机会，同时曲率半径的增加会使得模型车可以拥有更高的过弯速度。转向角度决定了车辆过弯的稳定性。合适的转向角度会减少车辆

17、在转弯时的调整，不仅路径可以保证最优，运动状态的稳定也会带来效率的提高，减少时间。在考虑转向角度设置时需要注意以下几个问题：对于检测赛道偏移量的传感器而言，在增量较小时的转向灵敏度；检测到较大弯道时的转向灵敏度；对于类似S弯的变向连续弯道的处理。对于入弯速度的分析，应该综合考虑路径和转向角度的影响。简单而言，我们会采取入弯减速，出弯加速的方案，这样理论上可以减少过弯时耗费的时间。然而，在过去几届比赛中，通过观察各参赛车对弯道的处理后，我们发现并不是所有人都选择了相同的方案。正如前面说到的那样，不联系路径和转向角度，只是单纯地分析过弯速度，会造成思路的局限甚至错误<例如，在不能及时判断入弯

18、和出弯的标志点就采取“入弯减速、出弯加速”的方案，会出现弯道内行驶状态不稳定、路径差，同时出弯加速时机过晚，一样会浪费时间。所以现在本系统参考实际驾驶时的一些经验，对过弯速度的处理方式确定为：入弯时急减速，以得到足够的调整时间，获得正确的转向角度；在弯道内适当提速，并保持角度不变，为出弯时的加速节约时间；出弯时，先准确判断标志，然后加速，虽然会耗费一些时间，但是面对连续变向弯道可以减少判断出错的概率，保证行驶状态的稳定性，而且弯道内的有限加速对后面的提速也有很大的帮助。综合考虑用可以接收的额外时间换回行驶稳定性还是值得的。下面以常见的几种弯道转角处理方式解释各方案的优缺点，其中，横坐标表示由传

19、感器采集回来的赛道中心线相对赛车中心线的偏移量，纵坐标表示转角大小。图4.6一道转角处理方式a图表示偏移量与转向角度呈线性关系，在计算及程序编写上都比较简单，也可以实现控制赛车行驶的目标，但是由于规则制定比较简单，对赛车实际行驶状态的分析不够全面，所以在实际应用时不能简单套用。b图表示的是在赛车略微偏离赛道中心时，不要对行驶方向作太大调整，而是在当偏离度大到预定值时急速调整转角以保证过弯的及时，同时在以判断出是急弯后，也不要进行大的变动，因为此时转角的值已经很大，仅需对舵机进行微调就可以保证方向的正确性。这种方案的优点是综合考虑了赛车对个弯道的适应程度，同时保证了在直线行驶时的稳定性，和抗干扰

20、性，但是对急弯的响应可能不够及时，这是该方案的主要缺点。c图表示的对弯道的处理方案与B图恰好相反，它提高了相应灵敏度，降低了抗干扰性，对于多弯道，且弯道曲率半径较小的赛道有比较好的适应性。d、e图是两种比较特殊的处理方案，它们不能用于赛车的全程控制，只是考虑到赛车的实际运行特点对某部分的偏移量有特别要求是使用。对于传统四轮车辆，转向时前轮有比较严格的角度关系，而它们的得到是由转向系统决定的。这样两套系统都对某个值做出了限制，必然会有矛盾，在车由0度转到最大转角时，并不是每时每刻都能同时满足两种条件的限制，那么为了赛车行驶的稳定性，我们可能会在小范围内对转角波动，以得到附近最合适的转角值，减小矛

21、盾。4.3弯道策略制定在智能车比赛中，我们使用的是通用二输入一输出系统，其中两个输入量是中心线偏移量,和相邻两次检测的偏移量差值；输出量可以分别选用舵机转角值和速度输出值做两套系统。中心线偏移量的隶属度函数表为9级：表42中心线偏移d的隶属度函数去Lablc1123456789下底小值0116243746556880下底大值91728404958718265535左腰斜率2555142324242323625右腰斜率2851423242423236255最差"皇属度函数费为3级（冲算时需要先做加100运算）:4.3惧；mil的事"2函以上Lable123下底小值089110

22、卜,底大低90111255'匚3亲1二铃2552312X1腰科率1223255速度规则表为：表4.4速度规则表1心二戈（耳移hi偏移零差值bigbigmidbigmidblgmidmidlowmldlowlowbigbigmidbigmidbigmidmidlouKildlowlow速度精确值为:去4,5速啜Y心伯.Lowlowrnldmidnildblgbig2632322837转角规则表为：表4.6转一规则表中心线偏移年tinylinytinysnial1sjtnallsmallmlddlemiddlemiddlelargelargelargehuge(MFIEL差值UnyHnys

23、mal1smallsmaUmiddlemiddleiiiiddleLarelargelargetiugehugeUnylinytlnysmal1smallsniallmlddlmiddlemiddlelargelargehuge转角精确值为:k47取他tinytinysmallsmallsnallmiddlemiddlemJddlelargelargelargehugehuge2258013517()240320410510（第三届上海）5.3控制策略控制目标只有合理的速度分配和转角控制才能将车模的性能发挥出来，这不是多少半径的弯就给多少速度那么简单。飞思卡尔智能车比赛也是一种赛车比赛，只不过

24、将赛车手换成了自动控制系统。在赛车比赛中，车速并不是一切，要想跑出好的成绩，还需要一条合理的行车线。因此，我们的目标不仅是让车模能加到高速，并且要优化车模的走线。在我们长期的测试中，以下赛道特征是最容易出问题的。R5O0.半径500mm60SW.半径500mm120S弯.半径500mm270弯.半径500mm发夹弯.大半径弧线在测试中我们发现，车模只要能正常通过最小半径的弯和最大半径的弯，其余半径的弯道多半不会有问题，变半径的弯道也是如此。在小半径急弯中，车模容易减速不及时而冲出跑道，而在大半径弯中，车模容易切弯过度而冲出跑道。因此，以上几个赛道特征是有代表性的。我们的对于以上赛道特征的控制目标如下：.600S弯：全速直走。.1200S弯：保持中速切线。