智能小车的自动驾驶系统

本科生毕业论文（设计）姓名：学号：专业：题目：智能小车的自动驾驶系统专题：指导教师：职称：讲师年月摘要本文介绍的是一种基于微处理器智能汽车控制器的设计。主要介绍智能汽车的运动模型、硬件系统和直流电机控制方法。重点针对智能汽车的调速系统进行建模，利用protel软件对系统的启动、调速和抗扰的特性电路进行设计，同时初步优化控制策略。智能汽车的硬件系统主要由电源模块、主控制器模块、电机驱动模块、转向控制模块、速度检测模块、路径识别模块和实时显示模块组成。主控制器模块采用飞思卡尔公司的MC9S12DG128B单片机作为处理核心，用以处理方位信号和速度信号，同时对转向和转速进行实时控制；路径识别模块采用红外传感器收集路径信息，并分析红外传感器分布对路径识别的影响；驱动模块采用MC33886驱动芯片，通过控制PWM占空比实现对直流电机的控制；速度检测模块使用霍尔传感器获得智能车信息，并以此形成速度的闭环控制；实时显示模块用于当前小车相关信息的显示。智能汽车的软件系统包括以下几个模块：红外传感器信息采集及处理模块、速度检测模块、转向控制模块、转速控制模块和实时显示模块。根据仿真结果，分析转速控制方法对智能汽车调速性能的影响，转向控制中分析PD控制对智能汽车的转向控制的影响。该智能汽车控制系统具有硬件电路结构简单，系统稳定性强、响应性快，控制效果好的特点。关键词：智能汽车；红外传感器；PID控制；自动循迹；ABSTRACTThisarticledescribesanintelligentvehiclecontrollerdesignbasedonFreescalemicroprocessor.Introducesthesmartcar’shardwaresystem,sportsmodelandtheDCmotorcontrolmethod.Focusingonthesmartcartothespeedcontrolsystemmodeling,useofProtelsimulationsoftwareonthesystemstart-up,speedcontrolandanti-interferencecharacteristicstosimulate,atthesametimeoptimizetheinitialcontrolstrategy.Thehardwaresystemofintelligentcarismainlyincludingpowersupplymodule,themaincontrollermodule,motordrivermodul,steeringcontrolmodule,speeddetectionmodule,thepathidentificationmoduleandreal-timedisplaymodule.MaincontrollermoduleusingFreescale’ssingle-chipmicrocomputerofthecoreMC9S12DG128B,fortheprocessingofthesignaldiretionandspeedsignals,andreal-timecontrolingsteeringandspeed;pathidentificationmoduleusesinfraredsensorstogatherpathinformationandanalyzetheimpactofthepathsindifferentdistributionsofinfraredsensors;motordrivermoduleisdrivenbyMC33886,andcontrolthePWMdutycycletoachievethecontrolofDCmotor;speeddetectionmoduleusesHallsensorstoobtaininformationontheintelligentcar,andtoformtheclosed-loopspeedcontrol;real-timedisplaymoduleisusedforthecurrentvehicleinformationdisplay.Intelligentcarofthesoftwaresystemincludesthefollowingmodules:infraredsensordataacquisitionandprocessingmodule,thespeedofdetectionmodule,steeringcontrolmodule,speedcontrolmoduleandreal-timedisplaymodule.Accordingtosimulationresults,analysisoftheintelligentspeedcontrolperformanceofvehiclespeed.AnalysisofsteeringcontrolinthePDcontrolofthesteeringcontrolintelligentcarimpact.Experimentsshowthattheintelligentvehiclecontrolsystemhasasimplehardwarecircuit，thesystemstability,fastresponse,goodcontrolfeatures. Keywords:Intelligentcar；Infraredsensor；PIDcontrol；Aototrack；目录摘要 IIABSTRACT III目录 i第1章绪论 11.1引言 11.2移动机器人简介及发展趋势 11.3应用前景 3第2章智能汽车原理 52.1智能汽车结构 52.2线性二自由度汽车模型 6第3章硬件系统设计 103.1硬件系统总体结构 103.2电源管理模块 103.2.1单片机及外围电路电源 113.2.2舵机电源 113.3转向控制模块 123.4主控制器模块 123.5电机驱动模块 143.5.1MC33886简介 143.5.2电机驱动电路 153.6速度检测模块 16拨码开关电路 173.8路径识别模块 183.8.1红外传感器识别电路 183.9实时显示模块 20第4章机械部分 224.1智能车前轮定位的调整 244.1.1主销后倾角 244.1.2主销内倾角 254.1.3车轮外倾角 254.1.4前轮前束 264.2智能车转向机构调整优化 264.3智能车后轮减速齿轮机构调整 284.4其它机械结构的调整 29第5章直流电机调速系统 305.1直流电机数学模型 305.2PID控制原理 32第6章软件系统设计 346.1软件系统流程 346.2系统初始化模块 356.3红外传感器数据采集及处理模块 386.4转向控制模块 426.5转速控制模块 436.6测速模块 446.7起始线判断 44第7章结论与展望 477.1结论 477.2不足之处及未来展望 47参考文献 48致谢 50附录A：常用符号 51附录B：中断向量表 52附录C：程序 55翻译部分： 69中文翻译: 76第1章绪论本章主要对智能汽车的重要性，及其产生和发展做一个初步的介绍。首先对智能汽车的重要性进行一下介绍，然后对智能汽车的产生和发展进行了解，最后是智能汽车的应用展望。引言智能机器人技术作为信息技术和先进制造技术的典型代表和主要技术手段，已成为世界各国竞相发展的技术，广泛涉及人工智能、计算机视觉、自动控制、精密仪器、传感和信息等一系列学科的创新研究和综合集成，是一门综合性很强的学科，代表着一个国家高科技发展水平。智能机器人一般由三大部分组成：运动部分、智能部分和感觉部分。运动部分，包括行走机构、机械手、手抓；智能部分，包括有认知能力、学习能力、思维能力和决策能力的装置；感觉部分，包括有视觉、听觉、触觉、接近觉的装置。智能机器人由感觉装置感受到外界环境的状况，产生信息，并由微处理器进行识别。微处理器中存储许多知识，也就是存储许多规则和数据。微处理器根据已有的知识，对得到的外界信号加以分析、判断、推理，最后作出决策，产生控制信号，驱动机器人的行走机构、机械手和手抓运动，完成操作。这样，不但能适应外界环境的变化，而且还能完成复杂的任务。随着技术的进步，智能机器人应用范围将不仅仅局限在工农业生产上，在人类的社会生活中越来越多的出现智能机器人。1.2移动机器人简介及发展趋势机器人的英文名词是Robot，Robot一词最早出现在1920年捷克作家克雷尔·卡佩克(KarelCapek)所写的一个剧本中，这个剧本的名字为《Rossum’sUniversalRobot》，中文意思是“罗萨姆的万能机器人”．剧中的人造劳动者取名为Robota，捷克语的意思是“苦力”、“奴隶”．英文的Robot一词就是由此而来的，以后世界各国都用Robot作为机器人的代名词。现代机器人的研究始于20世纪中期。第二次世界大战期间，由于核工业和军事工业的发展，研制了“遥控操纵器”(Teleoperator),主要用于放射性材料的生产和处理过程。20世纪70年代，机器人产业得到蓬勃发展，机器人技术发展成为专门学科，称为机器人学(Robotics)。机器人的应用领域进一步扩大，不同的应用场所，导致了各种坐标系统、各种结构的机器人相继出现，大规模集成电路和计算机技术飞跃发展使机器人的控制性能大大提高，成本不断的下降．20世纪后期，特别是随着传感器技术和智能技术的发展，开始进入智能机器人研究阶段．机器人视觉、触觉、力觉、听觉、接近觉等项目的研究和应用，大大的提高了机器人的适应能力，扩大了机器人的应用范围，促进了机器人的智能化进程。目前，对机器人技术发展最有影响的国家是美国和日本，许多国家成立了机器人协会，美国、日本、英国、瑞典等国家设立了机器人学位。机器人的应用领域不断扩大，展示出了它们的能力和魅力。未来机器人技术的主要发展方向有：一、机器人结构的优化，提高其部件的性能以及软件的模块化设计，从而提高机器人控制系统的适应性。二、机器人的控制技术的优化，向着开放式、模块化控制系统发展，并具有良好的人机界面．三、机器人传感技术的融合，提高机器人系统获取环境信息及决策的能力．四、机器人应用多元化，不仅要涉及工业和军事，还要向医疗、护理、休闲和娱乐等方面发展。随着微电子技术、材料科学和人工智能研究的突破，更高智能的机器人一定会出现．机器人已为20世纪人类文明做出了重要贡献，机器人将在21世纪为人类文明做出更大的新贡献。1.3应用前景目前移动机器人的研究主要集中在足式步行机器人、履带式移动机器人、轮式机移动器人和特种机器人，其中轮式移动机器人控制相对简单，运动稳定，能源利用率较高等特点。轮式机器人已在空间探测上初显锋芒，如阿波罗登月计划中的月球车、美国发射的火星探测器等．如图1-1所示。图1-1勇气号火星探测器人类社会的不断前进中，交通已成为人们外出不可缺少的部分．随着交通工具的发展和递增，现代交通呈现出的是一种复杂和拥挤，如何解决这一难题，移动机器人给出了较好的答。通过智能网络的连接，移动机器人接收和发送道路情况的信息，判断后选取最优路径行驶，并通过智能控制使得道路交通畅通流畅，其中也可减少交通事故的发生。随着我国北斗计划的实施，精确定位将不再遥远，在不久的将来智能汽车的发展必定会向前迈出辉煌的一步。在一些特殊场合情况下，智能车也是有很大应用的,如：在抢险救火时，用它探明不明地区的情况；在现代反恐中，用它进行排爆作业等等。机器人的应用将随着人类社会的不断变化变得越来越。第2章智能汽车原理本章介绍的是智能汽车的机械结构及运动模型．智能汽车的机械结构主要对系统的转向控制有较大影响，质心的位置将决定前后轮的负载，从而影响到直流电机和舵机的工作。智能汽车结构智能汽车按照移动方式可分为履带式和轮式等，其中轮式更接近现实生活，并且结构简单、活动灵活。本文设计的智能汽车是要模拟现实中汽车行驶的特性，所以采用的是轮式结构。其中后轮为主动轮，由直流电机驱动，为智能汽车提供动力；前轮为从动轮，由舵机控制并产生转角，为智能汽车提供转向力。智能汽车的最前面为红外传感器，用于检测道路信息，具体结构如图2-1。图2-1智能汽车结构线性二自由度汽车模型智能汽车在水平跑道上等速行驶时的操纵稳定性主要通过舵机转角输入的响应来研究。作为刚体它具有多个自由度，但是为了便于理解智能汽车操纵稳定性的基本特性，需要简化数学模型，把多自由度模型缩减为只有(横摆角速度)和(质心的偏侧角)的二自由度模型。令智能汽车坐标系的原点与智能汽车质心重合，设前轮转过角，此时在质心产生离心力，它在前、后轮上引起侧向反作用力和，即前、后轮的偏侧力，相应的前、后轮的偏侧角为和。前、后轮速度和的方向即可确定。根据刚体运动定理，转动瞬心点至质心点的距离为智能汽车转弯半径，质心处的速度为(2-1)式中为横摆角速度，在轴上的分量为(2-2)式中为质心车速与智能汽车轴的夹角，即为质心的偏侧角。图2-2二自由度智能汽车模型由于很小，，所以(2-3)在轴上的分量为(2-4)所以当很小时，arcsin即可推出：(2-5)这样智能汽车质心绝对加速度沿轴上的分量为(2-6)根据图2-2，用二自由度智能汽车受到的外力沿轴方向的合力与绕质心的力矩平衡方程，推出运动微分方程，为(2-7)式中，和分别为前、后轮的偏侧力；为整车质量；为车身绕轴的转动惯量；和分别为前、后轴到质心的间的距离；为智能汽车质心绝对加速度沿横轴上的分量，即侧向及速度。侧偏力的大小，取决于轮胎的侧偏刚度与侧偏角，即(2-8)式中，和分别为前、后轮胎的侧偏刚度；和分别为前、后轮胎的侧偏角。所以(2-9)而前、后轮的和可由几何关系求得(2-10)将式(2-10)代入式(2-9)，经整理后的二自由度智能汽车微分方程(2-11)这个联立方程式包含了智能汽车的质量和轮胎侧偏刚度两方面的重要参数，能够反映智能汽车曲线运动最基本的特征。同时显示出智能汽车质量和轮胎对其整体性能的影响。第3章硬件系统设计本章主要介绍的是智能汽车的电路设计。作为整个系统的基础部分，硬件结构的优劣将影响到智能汽车控制的稳定性和准确性，也将对系统的软件设计产生一定的影响。硬件系统总体结构智能汽车主要由电源模块、主控制器模块、电机驱动模块、转向控制模块、速度检测模块、路径识别模块和实时显示模块组成。智能汽车以MC9S12DG128B控制核心，系统硬件结构如图3-1所示。图3-1系统硬件结构图3.2电源管理模块的镍镉电池，其为整个系统的电力来源。镍镉电池作为初级电源，为稳压芯片和驱动芯片等提供输入。3.2.1单片机及外围电路电源选用LM2940CT-5稳压芯片为单片机和外围电路供电，如图3-2所示。LM2940CT-5稳压电路输出电压为5V，最大输出电流为1A，具有反电压保护，同时有短路和过热保护。与一般的7805稳压电路相比，静态功耗更小，在低压差下，电压更稳定，线性度更好，驱动能力更强。图3-2LM2940+5V直流电压模块3.2.2舵机的6V工作电压由LM317可调电源提供，如图3-3所示．LM317稳压芯片的稳压范围在，输出电流超过，具有较强的驱动能力，同时具有限流和过热保护功能。图3-3舵机电源(LM317)电压输出计算公式为 （3-1）3.3转向控制模块转向控制模块主要由伺服器S3010构成，S3010为通用伺服器，成本低，高扭矩．使用电压范围为。工作电压在时的动作速度为。为了保证舵机的控制精度和转矩，使舵机连接杆的力臂与智能汽车车轮转动点和控制点的力臂距离相等，值为。3.4主控制器模块主控制器模块控制芯片采用MC9S12DG128B单片机，该芯片具有丰富的硬件资源：采用16位HCS12CPU内核，支持BDM调试，支持DBLC、IIC和CAN总线，128K字节的FlashEEPROM，8K字节的RAM，2K字节的EEPROM，2个异步串行通讯接口(SCI)，2个串行外围接口(SPI)，1个8通道的输入捕捉/输出比较(IC/OC)增强型捕捉定时器，2个8通道10位转换精度的模数转换器(ADC)，1个8通道的脉冲调制器(PWM)，丰富的I/O资源，内部集成PPL锁相环，其引脚功能[7]如图3-4所示。表3-1控制器引脚分配表功能引脚功能引脚功能AD00测0号红外数据AD07测7号红外数据PWM45控制电机正转AD01测1号红外数据AD08测8号红外数据PWM67控制电机反转AD02测2号红外数据AD09测9号红外数据IC0测速捕捉AD03测3号红外数据AD10测10号红外数据PORTA数码管显示内容AD04测4号红外数据AD11测11号红外数据PORTB8个发光二极管AD05测5号红外数据AD12测12号红外数据PORTE0-3数码管片选AD06测6号红外数据PWM23控制舵机本文用到单片机的ADC、PWM、ECT和IO模块，其中用到13个ADC来检测红外传感器的值；用3个16位的PWM来控制舵机和电机的正反转；还用到PORTA、PORTB和PORTE等IO口．具体的引脚分配如表3-1所示。图3-4MC9S12DG128B引脚功能3.5电机驱动模块本模块作为智能汽车驱动电机的控制模块的主要作用是控制电机的转速，提供一定的电流，使得驱动电机在不同情况下保持相对稳定的设定值。3.5.1MC33886简介电机驱动芯片MC33886，主要应用于驱动小型直流电机，驱动电压范围在5-40V，最大负载电流可达到5A，支持TTL/CMOS输入，具有输出短路保护，欠压关断功能，故障状态报告，最高工作频率可达到10kHz，并且具有全桥和半桥两种工作方式。驱动芯片MC33886的工作方式如表3-2所示。表3-2MC33886工作方式表状态D1IN1IN2OUT1OUT2正转LHHLHL反转LHLHLH停转LHLLLL停转LHHHHH3.5.2直流电机的控制信号来自单片机PWM45(IN1)和PWM67(IN2)的输出。电机正转时，PWM67占空比为0，通过调节PWM45的占空比调节转矩控制速度；电机反转时，PWM45占空比为0，通过调节PWM67的占空比实现反向转矩控制。OUT1、OUT2为输出端，如图3-5所示。图3-5MC33886工作电路为了使智能汽车具有较好的启动制动性能，这里选择MC33886的全桥工作方式。当智能汽车由长直道进入弯道时，通过驱动电路使直流电机反向制动，迅速降低速度；当智能汽车由弯道进入长直道时，通过驱动电路给电机加较高正向电压，使智能汽车速度迅速提高。为进一步提高驱动电路的驱动能力，可采用两路或多路MC33886并联的工作方式。通过提高智能汽车的加减速性能，从而提高智能汽车的整体性能。3.6速度检测模块常用的速度检测方法有M法和T法．M法即在固定的时间T内检测位置编码器发出脉冲信号数M，在时间T内获得脉冲数M越多转速越高，同时转速分辨率就越高；T法即检测位置编码器发出的两个脉冲信号之间的时间T，转速越低T越大，T越大转速的分辨率就越高。这里采用T法，选用的是反射型光电传感器，反射型光电传感器检测速度的原理和检测黑白赛道黑白线时原理是一样的，不同的是这里只要采用连续的工作方式就行了，收发管选用适合距离检测的G-105光电传感器，另外发射管的限流电阻为470欧姆，接收管的分压电阻为10k欧姆这样选择电阻的好处是发射管的电流适中，接收管信号可以不经比较器输入S12单片机的引脚，而且得到的信号是逻辑高低电平。当圆盘随着齿轮转动时，光电管接收到反射光强度的变化，由此可以得到一系列高低点脉冲。设置S12的ECT模块，同时捕捉光电管输出的电脉冲的上升沿和下降沿，通过累计一定时间内的脉冲数，或者记录相邻脉冲的间隔时间，可以得到和速度等价的参考值。我们已知：轮胎一圈直径为52mm，编码盘共有32个黑白边缘，即轮胎转动一圈将引起64个脉冲数累积，假设对脉冲累积时间为t，在这段时间内获得n个脉冲数累积，则小车的速度为图3-6测速电路拨码开关电路由于在智能车开始行驶后，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。拨码开关电路如下图所示：图3-7拨码开关这是一个八段的拨码开关，我们把它成成上下连个部分，显然，每个部分都有16种状态，前四个来改变舵机参数，后四个改变直流电机参数，这样对于适应新的场地很有好处3.8路径识别模块路径识别模块的主要作用是获取道路信息，处理后的信息将被用于转向控制、转速控制，还包括起始线判断，进入、驶出弯道等的判断。路径识别模块在一定程度上对智能汽车的整体性能具有较大的影响。3.8.1路径检测常用的传感器有图像传感器和红外传感器。方案一：图像传感器检测范围广，距离远，能够获得更多的路径信息，但数据量多，处理复杂，并且将占用较多的控制器资源，而且需要独立的电源给图像传感器供电。方案二：红外传感器检测范围窄，距离近，获得的路径信息有限，但其具有硬件结构简单，信号处理少，使用方便的特点，而且通过采用模拟式红外完全可以通过软件提高检测的精度。红外传感器利用光电对管检测路面信息，其原理是发射管发出一定波长的红外线，通过路面反射被接收管接收，由于黑白路面反射系数不同，接收管接收到的红外线强度也不同，得到不同的感应电流，通过转换变成电压信号，再经过AD口转换获得道路信息。常用的红外传感器检测电路分为数字式和模拟式两种，数字式的，针对不同光强得到0或1信号，数据信息较为粗糙；模拟式，针对不同光强可得到连续变化的信号，可获得足够的路径信息。综上所述，本文选用的是模拟式红外传感器TRCT5000，通过对多个传感器信息的处理及分析，可以获得路径的准确信息，能够准确区分起始线和交差线，并且可以细化舵机的控制量。该模块的电路如图3-7所示。图3-8红外传感器电路图3-8中红外发射管的压降为1.2V左右．结合实际情况，考虑到功耗及信号强度选择发射管的工作电流为20mA．由于各个红外发射管及接收管的特性存在偏差，再加上环境光线的影响，因此得到的信号存在偏差．对于这种影响，采用软件滤波的处理方法，可得到相对稳定的检测数据．3.8根据以往对光电传感器排布方式研究已经比较深入，传统的“一”字型排布方式在众多排布方式中效果显著，是最常用的一种排布方式。模型车也充分利用了以往的成熟的传感器技术，其排布方式如图3-8。图3-8模型车激光传感器一字排布图3.9实时显示模块实时显示模块的主要作用是将智能汽车的当前状态显示出来，包括智能汽车的速度、转角和工作状态等．速度和转角使用4个8段数码管显示，数码管显示方式采用动态扫描，硬件电路如图3-7所示．加入8个发光二极管，用以显示智能汽车的工作状态，方便调试程序．这里用到PORTB口和PORTE口，其中PORTB作为数码管数据的输入引脚，输出数码管显示内容的信号；由于使用了4个数码管，所以PORTE口只使用了4位作为片选信号，以选择不同的数码管进行动态刷新。图3-8数码管显示电路第4章机械部分我们对机械结构的要求是：简单而高效。我们在不断的尝试后确定了以下的设设计方案:图4-1智能车器件布局图智能车系统任何的控制都是在一定的机械结构基础上实现的，因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个车模的机械结构有一个感性的认识，然后建立相应的数学模型。从而再针对具体的设计方案来调整赛车的机械结构，并在实际的调试过程中不断的改进和提高。本章将主要介绍智能车车模的机械结构和调整方案。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4-2智能车外形图其基本的设计尺寸如表4.1：表4.1模型车基本尺寸参数基本尺寸尺寸轴距198mm前轮距137mm后轮距138mm/146mm车轮直径52mm主减传动比18/764.1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。4.1.1主销后倾角主销后倾角是指在纵向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角。它在车辆转弯时会产生与车轮偏转方向相反的回正力矩，使车轮自动恢复到原来的中间位置上。所以，主销后倾角越大，车速越高，前轮自动回正的能力就越强，但是过大的回正力矩会使车辆转向沉重。通常主销后倾角值设定在1°到3°。模型车通过增减黄色垫片的数量来改变主销后倾角的，由于竞赛所用的转向舵机力矩不大，过大的主销后倾角会使转向变得沉重，转弯反应迟滞，所以设置为0°，以便增加其转向的灵活性。4.1.2主销内倾角主销内倾角是指在横向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角，它的作用也是使前轮自动回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强，但转向时也就越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。通常汽车的主销内倾角不大于8°。对于模型车，通过调整前桥的螺杆的长度可以改变主销内倾角的大小，由于过大的内倾角也会增大转向阻力，增加轮胎磨损，所以在调整时可以近似调整为0°~3°左右，不宜太大。主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时主销后倾的回正作用大，低速时主销内倾的回正作用大。4.1.3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，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。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。4.1.4前轮前束所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。前轮在滚动时，其惯性力自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。像内八字那样前端小后端大的称为“前束”，反之则称为“后束”或“负前束”。在实际的汽车中，一般前束为0~12mm。在模型车中，前轮前束是通过调整伺服电机带动的左右横拉杆实现的。主销在垂直方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度即可以改变前轮前束的大小。在实际的调整过程中，我们发现较小的前束，约束0~2mm可以减小转向阻力，使模型车转向更为轻便，但实际效果不是十分明显。虽然模型车的主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前束等均可以调整，但是由于车模加工和制造精度的问题，在通用的规律中还存在着不少的偶然性，一切是实际调整的效果为准。4.2智能车转向机构调整优化里想的转向模型，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4-3智能车转向示意图如图4-3，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，模型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4-4，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4-4转向拉杆图4.3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，会严重影响最终效果。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。4.4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（/s~/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5章直流电机调速系统本章介绍了直流电机的数学模型、控制方法及仿真。传统的控制方法为PID控制，PID控制的参数整定有较为固定的方法；模糊控制的参数整定没有固定的方法，大多采用经验法进行调整。这里主要针对模糊控制进行仿真。5.1直流电机数学模型智能汽车系统采用的是直流他激式直流电动机，其等效控制电路如图4-1所示。系统的输入量为电机电枢，电压，控制系统的输出量为电机的转速n。图4-1直流电机等效控制电路根据电压定律，可得到电枢回路的微分方程式：(4-1)由于电机产生的反电动势为(4-2)由式(4-1)和(4-2)可以得到电机的动方程式：(4-3)电动机的第二个方程为机械运动方程，在无负载的理想机械运动方程的微分形式为(4-4)电磁转矩为(4-5)消去中间变量M，整理可得直流他励电动机的微分方程形式的数学模型为（4-6）进一步可以得到(4-7)在微分方程式基础上，再进一步可以得到差分方程式，但是直流电机是模拟形式的受控对象，通常只得到其微分方程形式的数学模型[11]．将式在零初始条件进行拉斯变换可以得到直流他激式电动机的传递函数形式的数学模型，即：(4-8)Ω×V/()，电磁时间常数为0.005s，机电时间常数为0.0144s．将电机参数代入直流电机数学模型中得到RS380-ST-3545直流电机的数学模型为：(4-9)5.2PID控制原理PID控制[12]是工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律，其结构简单、稳定性好、调整方便．控制算式如下：(4-10)e(t)代表实际设定值与实际检测值的偏差，这个偏差信号被送到控制器，控制器计算得到控制输出量u(t)。比例调节作用是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差．比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节作用是使系统消除稳态误差，提高无差度。只要有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出常值．积分作用的强弱取决与积分时间常数，越小，积分作用就越强．反之大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢．积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除．因此，可以改善系统的动态性能．在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间．微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。运用PID控制的关键是进行参数整定概括起来有两大类：一是计算整定法，主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器的PID参数；二是工程整定方法，主要根据实际经验，直接在试验中进行参数整定，简单灵活，在工程实际中被广泛采用。实际过程中，由于控制器是按一定间隔周期获取数据信息的，因此必须将连续PID控制离散化，这样得到的就是数字PID算法。数字PID算法[13]分为增量型和位置型。数字PID位置型控制算式如下：(4-11)其中：为采样时间．可以看出位置型控制算法，编程时累加e(k)不方便，同时也会占用较多的存储空间。数字PID增量型控制算式如下：(4-12)为方便编程化简为：(4-13)其中：，，第6章软件系统设计6.1软件系统流程本文采用模块化的设计方法对智能汽车的软件进行设计，并将其分为以下几个部分：红外传感器信息采集及处理模块、速度检测模块、转向控制模块、转速控制模块和实时显示模块。其总体流程如图5-1所示。图5-1系统软件流程图6.2系统初始化模块系统软件的初始化过程主要作用是为了定义系统所要使用的系统资源，它将涉及到单片机的ECT模块、PWM模块和ATD模块。ECT模块(EnhancedCaptureTimerModule)，即增强型捕捉定时器模块．该模块有一个16位的主自由计数器TCNT，8个IC/OC单元。这里使用IC0捕捉电脉冲上升沿，用于检测智能小车速度，用OC5产生电机控制的定时中断。PWM模块[16](PulseWidthModulation)，即脉宽调制模块。该模块有8个8位PWM单元，同时可以合并为4个16位的PWM。这里采用16位的PWM，其中PWM23控制舵机转向，PWM45给电机加正向PWM，PWM67给电机加反向PWM。ATD模块[17](AnalogToDigitalModule)，即模数转换模块．该模块拥有2个8通道8/10位转换精度的模数转换器,可实现多通道连续转换。这里使用了ADC0的8通道和ADC1的5通道，用来采集13个红外传感器信号，为获得较高精度采用10位精度，AD采样时间选为16µs。初始化程序如下：voidInitial(void){//ECT模块初始化TSCR2=0B00000110;/*总线频率64分频，8us计数周期*/TIOS=0B00100000;/*第5通道设定为输出比较*//*第0通道设定为输入捕捉*/TCTL4=0B00000001;/*设定T0为输入上升沿捕捉*/TC5=1250;/*用于舵机控制定时*/TC4=1250;/*用于电机控制定时*/TIE=0B00100001;/*使能第0、5通道中断*/TSCR1=0B10000000;/*起动计数*///PWM模块初始化DDRP=0B10101000;/*第3通道设定为输出，控制舵机*//*第5通道设定为输出，控制电机前转*//*第7通道设定为输出，控制电机后转*/PWMPOL=0B10101000;/*第3/5/7通道设定先输出高电平*/PWMCLK=0x00;/*时钟选择45为A时钟；67/23为B时钟*/PWMPRCLK=0x33;/*总线时钟8分频作为PWM的B和A时钟*/PWMCAE=0x00;/*左边沿对齐*/PWMCTL=0B11100000;/*第23/45/67通道合并*/PWMPER23=10000;/*舵机PWM周期为10ms*/PWMDTY23=1200;/*舵机初始为平衡*/PWMPER45=2000;/*电机前行PWM周期为1ms*/PWMDTY45=1400;/*初始化为加速前进*/PWMPER67=2000;/*电机后行PWM周期为1ms*/PWMDTY67=0;/*初始化为停止后退*/PWME=0B10101000;/*使能PWM*///ATD模块初始化ATD0CTL2=0B10000000;/*起动ADC0转换，清除标志禁止外部触发*/ATD1CTL2=0B10000000;/*起动ADC1转换，清除标志禁止外部触发*/ATD0CTL3=0B01000000;/*转换队列为ADC0的8个*/ATD1CTL3=0B00101000;/*转换队列为ADC1的5个*/ATD0CTL4=0B01100011;/*总线频率8分频，采样选择16us*/ATD1CTL4=0B01100011;/*总线频率8分频，采样选择16us*/ATD0CTL5=0B10110000;/*转换结果右对齐，无符号连续转换*/ATD1CTL5=0B10110000;/*转换结果右对齐，无符号连续转换*/}6.3红外传感器数据采集及处理模块智能汽车一共安装了13个红外传感器，直线均匀分布，这里使用了13个ADC通道来采集红外传感器的数据。由于传感器每次工作的环境大致相同，所以其感光特性数据变化较小。通过实验获取经验值，并设定相对较好的分界值确定黑线方位。将记录的当前值与经验值作比较，确定红外传感器所对的方位是否在黑线上方，并以此确定当前智能汽车的运动情况。其中判断黑线方位程序如下：{if(L5<=a){//判断黑线是否在左端第5个传感器下方s=18;//修改方位变量a=L5;//修改判断标准的最小值}if(R5<=a){//判断黑线是否在右端第5个传感器下方s=-18;//修改方位变量a=R5;//修改判断标准的最小值}if(L4<=a){//判断黑线是否在左端第4个传感器下方s=15;//修改方位变量a=L4;//修改判断标准的最小值}if(R4<=a){//判断黑线是否在右端第4个传感器下方s=-15;//修改方位变量a=R4;//修改判断标准的最小值}if(L3<=a){//判断黑线是否在左端第3个传感器下方s=12;//修改方位变量a=L3;//修改判断标准的最小值}if(R3<=a){//判断黑线是否在右端第3个传感器下方s=-12;//修改方位变量a=R3;//修改判断标准的最小值}if(L2<=a){//判断黑线是否在左端第2个传感器下方s=9;//修改方位变量a=L2;//修改判断标准的最小值}if(R2<=a){//判断黑线是否在右端第2个传感器下方s=-9;//修改方位变量a=R2;//修改判断标准的最小值}if(L1<=a){//判断黑线是否在左端第1个传感器下方s=6;//修改方位变量a=L1;//修改判断标准的最小值}if(R1<=a){//判断黑线是否在右端第1个传感器下方s=-6;//修改方位变量a=R1;//修改判断标准的最小值}if(L0<=a){//判断黑线是否在左端第0个传感器下方s=3;//修改方位变量a=L0;//修改判断标准的最小值}if(R0<=a){//判断黑线是否在右端第0个传感器下方s=-3;//修改方位变量a=R0;//修改判断标准的最小值}if(M<=a){//判断黑线是否在中间传感器下方s=0;//修改方位变量a=M;//修改判断标准的最小值}其中R0-R5、L0-L5和M寄存的为红外传感器当前值6.4转向控制模块转向控制采用PD控制，以减小转向控制的滞后性。PD控制采用位置型算法，其中为转向为正中时的工作点。(5-1)其中、转向控制的PD控制的源程序如下所示：VoidSteer_PD(voidint){staticinte;staticintSteerPWM;u=u0+q0*s+q1*e;SteerPWM=k*u;returnSteerPWM;}6.5转速控制模块这里采用的是传统的PID控制方法．如果采用模糊控制方法，则利用模糊化指令，对车速进行控制．首先获取车速偏差和偏差的变化率，进行模糊化后，通过模糊推理及反模糊化过程，得到控制的精确量。通过改变PWM占空比实现对电机的控制。以下是PID控制方法的源程序：VoidSpeed_PID(voidspeedn，voidsetspeed){staticintMotorPWM=0,speed_E[3]={0};//计算当前速度偏差speed_E[0]=speedn-setspeed;//PID控制计算MotorPWM=MotorPWM+k*speed_E[0]+k1*speed_e[1]+k2*speed_E[2]//保存数据speed_E[2]=speed_E[1];speed_E[1]=speed_E[0];returnMotorPWM;}6.6测速模块由于智能汽车的行驶速度相对不高，这里采用T法测速。使用输入捕捉功能捕捉G-105光电传感器发出脉冲的上升沿，通过计算相隔两个上升沿的时间间隔，得到脉冲的周期。再根据速度的计算公式得到当前的速度。中断程序如下：interruptvoidECT0_ISR(void){speed1=speed2;speed2=TC0;if(speed2>speed1)speedn=speed2-speed1;elsespeedn=65535-speed2+speed1;TFLG1_C0F=1;}6.7起始线判断智能汽车行驶的路径上有一个直线区，在这里设置有一个起始线，在智能汽车运行时要能够识别起始线。这主要是在模拟现实中车辆遇到停车线等情况．起始线规格如图5-2。图5-2起始线为了使智能汽车能够准确识别起始线，通过设计我们总结到：在智能汽车通过起始线的时候红外传感器的数据值呈M状分布，依此我们选择判段一列具体的红外传感器的数据是否符合这个规律来判断起始线。由于智能汽车在行驶中的抖动，我们将其扩展到三列的情况，具体程序如下：voidstart(){if((L4<k)&&(R4<k)&&(R3<k)&&(L3<k)&&(M<k)&&((L0>k)||(R0>k)))b=b+1;elseif((L4<k)&&(R2<k)&&(R3<k)&&(L5<k)&&(L0<k)&&((L1>k)||(M>k)))b=b+1;elseif((L2<k)&&(R4<k)&&(R5<k)&&(L3<k)&&(R0<k)&&((M>k)||(R1>k)))b=b+1;elseb=0;if(b==5)c++;}设计结果表明，这种方式可以准确的判断起始线，具有较高的准确性和抗扰性第7章结论与展望7.1结论本文介绍了一种基于飞思卡尔微处理器智能汽车控制器的设计．主要设计了智能汽车的运动模型、系统硬件结构和直流电机控制方法．重点针对智能汽车的调速系统进行系统建模．智能汽车硬件系统包括：电源模块、主控制器模块、电机驱动模块、转向控制模块、速度检测模块、路径识别模块和实时显示模块；智能汽车的软件系统主要包括：红外传感器信息采集及处理模块、速度检测模块、路径信息识别模块、转向控制模块、转速控制模块和实时显示模块。分析了不同控制方法对智能汽车调速性能和转向控制性能的影响，该智能汽车具有较好的动态性能和控制性能。7.2不足之处及未来展望智能汽车硬件的总体结构对其性能具有较大的影响，有必要在满足系统整体要求的基础上进一步降低智能汽车的质量，以提高调速系统和转向控制系统的响应速度．可制作更小的系统板，采用贴片式元件的方法来达到减小质量降低重心的效果。在转向控制方面，当智能汽车的速度提高后，转向控制的滞后性增大，为了提高转向控制的响应速度，可增大路径检测部分的距离，由于红外传感器检测能力有限，可采用摄像头以获得更多更远的路径信息。随着技术的不断发展，智能汽车的应用将会越来越广泛，将为人类的生产生活带来极大的便利和改变。参考文献马昕．IEEE先进机器人学会议概况[A]。国际学术动态．济南：山东大学，2006，3徐国华，谭民．移动机器人的发展现状及其趋势[J]，机器人技术与应用．2001(3)：7-14芮延年．机器人技术及应用[M]．化学工业出版社．2008何锋，杨宁．汽车动力学[M]．贵阳：贵州科技出版社．2003，151-154NationalSemiconductor,Inc.LM2940/LM2940C1ALowDropoutRegulator[M].American:NationalSemiconductor,Inc,1999:1-3.STMicroelectronics.LM117/217LM3171.2VTO37VVOLTAGEREGULATOR[M].Italy:STMicroelectronics,1998:1-10.FreescaleSemiconductor,Inc.MC9S12DT128DeviceUserGuide[M].Arizona:FreescaleSemiconductorInc,2005:42-46.FreescaleSemiconductorInc.MC33886DeviceUserGuide[M].Arizona:FreescaleSemiconductorInc,2005:1-12.李华志，黄斌．基于图像和传感器信息融合的自导小车系统[J]．计算机工程与设计。2007,28(17):4200-4222.VishaySemiconductor.TCRT5000(L)ReflectiveOpticalSensorwithTransistorOutput[M].Germany:VishaySemiconductor,2000:1-10.王忠礼，段慧达，高玉峰．MATLAB应用技术—在电气工程与自动化专业中的应用[M]。清华大学出版社。2007：103-104于海生，微型计算机控制技术[M]．北京：清华大学出版社，1999：84-91陈伯时，电力拖动自动控制系统－运动控制系统[M]。北京：机械工业出版社，2004：103－105．李人厚，智能控制理论和方法[M]。西安电子科技大学出版社。1999：40，79-80MotorolaInc.ECT_16B8CBlockUserGuide[M].Denver:MotorolaInc,2004.MotorolaInc.PWM_8B8CBlockUserGuideV01.17[M].Denver:MotorolaInc,2004.附录A：常用符号——电动机电枢反电动势，单位为V——电动机电枢回路电阻，单位为Ω——电动机电枢回路电感，单位为H——电动机电枢回路电流，单位为A——电动机电势常数，单位为——电动机转矩常数，单位为——电动机飞轮惯量，单位为附录B：中断向量表externvoidnear_Startup(void);/*Startuproutine*/externvoidnearECT3_ISR(void);externvoidnearSteer_ISR(void);externvoidnearECT1_ISR(void);externvoidnearECT0_ISR(void);#pragmaCODE_SEG__NEAR_SEGNON_BANKED/*Interruptsectionforthismodule.PlacementwillbeinNON_BANKEDarea.*/__interruptvoidUnimplementedISR(void){/*UnimplementedISRstrap.*/asmBGND;}typedefvoid(*neartIsrFunc)(void);consttIsrFunc_vect[]@0x0FF80={/*Interrupttable*/UnimplementedISR,/*vector63*/UnimplementedISR,/*vector62*/UnimplementedISR,/*vector61*/UnimplementedISR,/*vector60*/UnimplementedISR,