基于電磁傳感器的智能車控制畢業(yè)設計

1、<p><b>　　畢 業(yè) 設 計</b></p><p>　　基于電磁傳感器的智能車控制</p><p>　　基于電磁傳感器的智能車控制</p><p>　　完成日期： </p><p>　　指導教師簽字： </p><p>　　

2、答辯小組成員簽字： </p><p>　分類號 密級 </p><p>　UDC </p><p><b>　　

3、摘 要</b></p><p>　　隨著智能交通系統(tǒng)（ITS）的研究在各國越來越被重視，智能車的控制技術也成為一項新興技術，教育部決定舉辦基于高速發(fā)展的智能車技術為背景的“飛思卡爾杯”全國大學生智能車大賽。</p><p>　　本設計以第六屆飛思卡爾杯全國智能車大賽為背景，系統(tǒng)以飛思卡爾公司的16位微控制器MC9S12XS128作為核心處理器，并綜合了傳感器技術，自動控制

4、技術，信號處理技術，單片機技術，采用LC 諧振回路感應電磁信號尋跡方案，同時配合編碼器、電機、舵機、電池以及相關驅動電路來進行信息的處理，使車模能夠以最合適的速度自主循線,并通過PID 方式對電機和舵機進行相關調節(jié)，最終以閉合回路的形式控制模型車高速穩(wěn)定地在跑道上行駛，使車具有更強的穩(wěn)定性與瞬時提速性能。</p><p>　　在文中詳細介紹電磁智能車的設計方案，其中包括機械結構的安裝與調整、硬件電路的設計與制作、

5、信號采樣策略、舵機的轉向控制、速度的閉環(huán)控制，以及與此次競賽相關的各類調試方法的思路和用到的相關調試工具。</p><p>　　關鍵詞：微控制器； 電磁感應； PID； 自主循線； 閉環(huán)控制；</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the study of the intelligent Trans

6、portation System (ITS) in the States are being taken seriously, Intelligent vehicle control technology has become an emerging technology. With the fast development of the intelligent vehicle technology, The Ministry of E

7、ducation holds the “Freescale Cup” National University Smart car Competition.</p><p>　　This design builds an intelligent vehicle control system based on the MC9S12X- S128 microcontroller，and combines sensor

8、technology, automatic control technology, signal processing technology, microprocessor technology. And determine the route by signal from oscillation circuits due to electromagnetic wave from the alternating curr- ent in

9、 the guiding wire. After processing the signal, CPU drives the car by controlling motor and steer engine and stops the car by distinguishing the termination by </p><p>　　The model system syncretizes intellig

10、ence and humanity, and shows outstanding security and stability. The system provides valuable experiences for further researches in coming future.</p><p>　　Key Word: Microcontroller;Electromagnetic induction

11、 ;PID;Self through the line;Closed-loop control</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　2智能汽車控制系統(tǒng)總體設計1</p><p>　　2.1 總體設計思路1</p>

12、;<p>　　2.2 系統(tǒng)硬件結構2</p><p>　　2.3 系統(tǒng)軟件結構3</p><p>　　3智能汽車機械系統(tǒng)調整與安裝4</p><p>　　3.1 前輪參數調整4</p><p>　　3.1.1 主銷內傾角4</p><p>　　3.1.2 主銷后傾角4</p>&

13、lt;p>　　3.1.3 前輪外傾角5</p><p>　　3.1.4 前輪前束5</p><p>　　3.2 后輪差速機構調整5</p><p>　　3.3 齒輪傳動機構調整6</p><p>　　3.4 舵機安裝調整6</p><p>　　3.4.1平躺式固定7</p><p&

14、gt;　　3.4.2 站立式固定7</p><p>　　3.5電路板的安裝8</p><p>　　3.6速度傳感器的安裝8</p><p>　　3.7傳感器的安裝9</p><p>　　4智能汽車硬件電路設計10</p><p>　　4.1 電源模塊10</p><p>　　4.2

15、傳感器模塊10</p><p>　　4.3 單片機模塊11</p><p>　　4.3.1時鐘電路11</p><p>　　4.3.2復位電路12</p><p>　　4.3.3串口電路12</p><p>　　4.4 驅動模塊14</p><p>　　4.5 起跑線檢測模塊14

16、</p><p>　　5智能汽車控制算法與軟件設計15</p><p>　　5.1 系統(tǒng)初始化15</p><p>　　5.1.1 AD初始化15</p><p>　　5.1.2 PWM初始化15</p><p>　　5.1.3 串口初始化16</p><p>　　5.2 磁場信號

17、的提取與處理17</p><p>　　5.3 PID 控制算法及智能車中的應用17</p><p>　　5.3.1 PID 控制算法簡介17</p><p>　　5.3.2 轉向控制的PD 調節(jié)20</p><p>　　5.3.3 速度控制策略20</p><p>　　5.4 起跑線檢測21</p&g

18、t;<p><b>　　6開發(fā)與調試22</b></p><p>　　6.1軟件開發(fā)環(huán)境介紹22</p><p>　　6.2智能車整體調試23</p><p>　　6.2.1舵機調試23</p><p>　　6.2.2電機調試23</p><p>　　6.2.3整體調試2

19、4</p><p><b>　　7總結24</b></p><p><b>　　參考文獻26</b></p><p><b>　　致 謝27</b></p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　為加強大學

20、生實踐、創(chuàng)新能力和團隊精神的培養(yǎng)，促進高等教育教學改革，受教育部高等教育司委托，由教育部高等自動化專業(yè)教學指導分委員會（以下簡稱自動化分教指委）主辦全國大學生智能汽車競賽。該競賽以智能汽車為研究對象的創(chuàng)意性科技競賽，是面向全國大學生的一種具有探索性工程實踐活動，是教育部倡導的大學生科技競賽之一。該競賽以 “立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵探索，追求卓越”為指導思想，旨在促進高等學校素質教育，培養(yǎng)大學生的綜合知識運用能力、基本工程實踐能力和創(chuàng)新意

21、識，激發(fā)大學生從事科學研究與探索的興趣和潛能，倡導理論聯系實際、求真務實的學風和團隊協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。 </p><p>　　該競賽由競賽秘書處為各參賽隊提供/購置規(guī)定范圍內的標準硬軟件技術平臺，競賽過程包括理論設計、實際制作、整車調試、現場比賽等環(huán)節(jié)，要求學生組成團隊，協(xié)同工作，初步體會一個工程性的研究開發(fā)項目從設計到實現的全過程。該競賽融科學性、趣味性和觀賞性為一體，是以迅猛發(fā)展、

22、前景廣闊的汽車電子為背景，涵蓋自動控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械與汽車等多學科專業(yè)的創(chuàng)意性比賽。該競賽規(guī)則透明，評價標準客觀，堅持公開、公平、公正的原則，保證競賽向健康、普及，持續(xù)的方向發(fā)展。 </p><p>　　本文以第六屆全國大學生智能汽車競賽為背景，為了保證智能汽車能夠具有迅捷的速度、遠而清晰的前瞻以及較高的靈敏度與穩(wěn)定性，從軟硬件方面對系統(tǒng)進行了優(yōu)化。</p><

23、p>　　2智能汽車控制系統(tǒng)總體設計</p><p>　　2.1 總體設計思路</p><p>　　全國智能車比賽過程核心是速度與穩(wěn)定性權衡的過程，在保證賽車沖不出跑道的情況下追求速度最快，用時最短。因此，獲取有效、可靠的賽道信息以及實施合理的控制策略是保證比賽取得好成績的先決條件。</p><p>　　該電磁智能車，是以黑線通有100mA左右、20K 的交流信

24、號線為引導線，依據電磁感應的原理我們用LC 諧振回路為傳感器來采集信號，這樣采集到的信號是20K 的交流信號，但是信號強度很小，最后用三極管對采集到的信號進行放大，最終將此信號送給單片機進行處理。電磁感應傳感器與以往的光電和攝像頭組的傳感器相比較，消耗的功率小了，但是其前瞻受到了明顯的限制。</p><p>　　在控制策略方面，主要包括轉向控制和速度控制。對于舵機的轉向控制，我們采取經典的位置式PD 算法，通過判

25、斷傳感器檢測到的直道或彎道信號給不同的PD 參數，以達到不同的效果。對于電機的速度控制策略，采用PID 調節(jié)的同時引入反轉制動剎車電路，使得小車在直道可以盡快加速并能保證在過彎時迅速減到過彎的速度，使得小車可以快速行駛。</p><p>　　對于機械結構方面，根據比賽情況的需要，對小車的機械結構進行合理安裝和調整，比如說重心的前后高低、兩只前輪的傾角、編碼盤的安裝、舵機的安裝、懸掛的松緊，主板的放置等，以保證小車

26、穩(wěn)定、快速的行駛。各個方面的之間的聯系如下圖所示：</p><p>　　圖2.1 智能車總體結構圖</p><p>　　2.2 系統(tǒng)硬件結構</p><p>　　1) MC9S12XS128處理器：該模塊是整個系統(tǒng)的核心和大腦部件，所有的信息都要由它處理，結合該處理器，我們使用了最小系統(tǒng)。</p><p>　　2) 采集模塊：采集模塊主要有賽

27、道信息采集和速度采集。我們經過比較在賽道信息采集方面，我們用了電感；而在速度采集方面， 我們選用了編碼器。</p><p>　　3) 驅動模塊：主要有電機驅動和舵機驅動。該系統(tǒng)采用的是自行搭建的由場效應管組成的H橋，效果很好。我們使用單獨一個穩(wěn)壓芯片給舵機供電。 </p><p>　　4) 電源模塊：主要用到的5V LM294。</p><p>　　5) 調試模塊：

28、調試模塊主要用到BDM。 </p><p>　　2.3 系統(tǒng)軟件結構</p><p>　　系統(tǒng)硬件是整個系統(tǒng)的基礎，系統(tǒng)軟件結構則根據硬件和控制需求來制定。系統(tǒng)的基本軟件流程為：首先，對各功能模塊和控制參數進行初始化。然后，通過電磁傳感器采集到的數據獲取前方賽道的情況，同時通過速度傳感器模塊獲取賽車的速度。采用PD 對舵機進行反饋控制。另外根據檢測到的速度，結合速度控制策略，對賽車速度不斷

29、進行適當調整，使賽車在符合比賽規(guī)則的前提下，沿賽道快速行駛。</p><p>　　圖2.2 軟件系統(tǒng)框圖</p><p>　　3智能汽車機械系統(tǒng)調整與安裝</p><p>　　車模的機械部分是影響其行駛性能最直接的部分，其重要性不言而喻。一個不良的機械系統(tǒng)會增加控制的難度，會為車模的速度提升帶來障礙。因此，車模的機械性能應該是優(yōu)先考慮的問題。</p>

30、<p>　　3.1 前輪參數調整 </p><p>　　調試中發(fā)現，在賽車過彎時，轉向舵機的負載會因為車輪轉向角度增大而增大。為了盡可能降低轉向舵機負載，對前輪的安裝角度，即前輪定位進行了調整。 </p><p>　　前輪定位包括主銷后傾角、主銷內傾角、前輪外傾角和前輪前束四個內容。車輪定位的作用是使汽車保持穩(wěn)定的直線行駛和轉向輕便，并減少汽車在行駛中輪胎和轉向機件的磨損。 &l

31、t;/p><p>　　3.1.1 主銷內傾角 </p><p>　　從車前后方向看輪胎時，主銷軸向車身內側傾斜，該角度稱為主銷內傾角。當車輪以主銷為中心回轉時，車輪的最低點將陷入路面以下，但實際上車輪下邊緣不可能陷入路面以下，而是將轉向車輪連同整個汽車前部向上抬起一個相應的高度，這樣汽車本身的重力有使轉向車輪回復到原來中間位置的效應，因而舵機復位容易。 此外，主銷內傾角還使得主銷軸線與路面交點

32、到車輪中心平面與地面交線的距離減小，從而減小轉向時舵機的拉力，使轉向操縱輕便，同時也可減少從轉向輪傳到舵機上的沖擊力。但主銷內傾角也不宜過大，否則加速了輪胎的磨損，在調整時可以近似調整為0°~3°左右，不宜太大。 </p><p>　　3.1.2 主銷后傾角</p><p>　　從側面看車輪，轉向主銷(車輪轉向時的旋轉中心)向后傾倒，稱為主銷后傾角。設置主銷后傾角后，主

33、銷中心線的接地點與車輪中心的地面投影點之間產生距離(稱作主銷縱傾移距，與自行車的前輪叉梁向后傾斜的原理相同)，使車輪的接地點位于轉向主銷延長線的后端，車輪就靠行駛中的滾動阻力被向后拉，使車輪的方向自然朝向行駛方向。設定很大的主銷后傾角可提高直線行駛性能，同時主銷縱傾移距也增大。主銷縱傾移距過大，會使舵機沉重，而且由于路面干擾而加劇車輪的前后顛簸，通常主銷后傾角值設定在1°到3°。 </p><p&

34、gt;　　模型車通過增減黃色墊片的數量來改變主銷后傾角的，由于競賽所用的轉向舵機力矩不大，過大的主銷后傾角會使轉向變得沉重，轉彎反應遲滯，所以設置為0°，以便增加其轉向的靈活性。 </p><p>　　主銷內傾和主銷后傾都有使汽車轉向自動回正，保持直線行駛的功能。不同之處是主銷內傾的回正與車速無關，主銷后傾的回正與車速有關，因此高速時主銷后傾的回正作用大，低速時主銷內傾的回正作用大。 </p>

35、;<p>　　3.1.3 前輪外傾角 </p><p>　　從前后方向看車輪時，輪胎并非垂直安裝，而是稍微傾倒呈現“八”字形張開，稱為負外傾，而朝反方向張開時稱正外傾。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。前輪外傾角俗稱“外八字”，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，導致車輪聯接件損壞。所以事先將車輪校偏一個外八字角度，這

36、個角度約在1°左右。 </p><p>　　模型車提供了專門的外傾角調整配件，近似調節(jié)其外傾角。由于競賽中模型主要用于競速，所以要求盡量減輕重量，其底盤和前橋上承受的載荷不大，所以外傾角調整為0°即可，并且要與前輪前束匹配。 </p><p>　　3.1.4 前輪前束 </p><p>　　腳尖向內，所謂“內八字腳”的意思，指的是左右前輪分別向

37、內。采用這種結構目的是修正上述前輪外傾角引起的車輪向外側轉動。如前所述，由于有外傾，舵機轉向變得容易。另一方面，由于車輪傾斜，左右前輪分別向外側轉動，為了修正這個問題，如果左右兩輪帶有向內的角度，則正負為零，左右兩輪可保持直線行進，減少輪胎磨損。如圖下圖所示。</p><p>　　圖3.1 輪前束示意圖</p><p>　　3.2 后輪差速機構調整 </p><p>

38、;　　差速機構的作用是在車模轉彎的時候，降低后輪與地面之間的滑動；并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會損害到電機。 </p><p>　　當車輛在正常的過彎行進中 (假設：無轉向不足亦無轉向過度)，此時4 個輪子的轉速(輪速)皆不相同，依序為：外側前輪＞外側后輪＞內側前輪＞內側后輪。此次所使用車模配備的是后輪差速機構。差速器的特性是：阻力越大的一側，驅動齒輪的轉速越低；而阻力越小的一側，驅動齒輪的轉速越高?以此次

39、使用的后輪差速器為例，在過彎時，因外側前輪輪胎所遇的阻力較小，輪速便較高；而內側前輪輪胎所遇的阻力較大，輪速便較低。 </p><p>　　差速器的調整中要注意滾珠輪盤間的間隙，過松過緊都會使差速器性能降低，轉彎時阻力小的車輪會打滑，從而影響車模的過彎性能。好的差速機構，在電機不轉的情況下，右輪向前轉過的角度與左輪向后轉過的角度之間誤差很小，不會有遲滯或者過轉動情況發(fā)生。 </p><p>

40、;　　3.3 齒輪傳動機構調整 </p><p>　　車模后輪采用BTS7970電機驅動。電機軸與后輪軸之間的傳動比為 18：76（電機軸齒輪齒數為18，后輪軸傳動輪齒數為76）。齒輪傳動機構對車模的驅動能力有很大的影響。齒輪傳動部分安裝位置的不恰當，會大大增加電機 驅動后輪的負載，從而影響到最終成績。調整的原則是：兩傳動齒輪軸保持平行, 齒輪間的配合間隙要合適，過松容易打壞齒輪，過緊又會增加傳動阻力，浪費動力；

41、傳動部分要輕松、順暢，不能有遲滯或周期性振動的現象。判斷齒輪傳動是否良好的依據是，聽一下電機帶動后輪空轉時的聲音。聲音刺耳響亮，說明齒輪間的配合間隙過大，傳動中有撞齒現象；聲音悶而且有遲滯，則說明齒輪間的配合間隙過小，或者兩齒輪軸不平行，電機負載變大。調整好的齒輪傳動噪音很小，并且不會有碰撞類的雜音，后輪減速齒輪機構就基本上調整好了，動力傳遞十分流暢。 </p><p>　　3.4 舵機安裝調整 </p&g

42、t;<p>　　舵機是賽車轉向的驅動裝置，其性能的好壞直接關系到賽車的轉向性能和彎道的極限速度。而舵機的固定方式也在一定程度上決定了比賽的成敗。舵機轉向是整個控制系統(tǒng)中延遲較大的一個環(huán)節(jié)，為了減小此時間常數，通過改變舵機的安裝位置，而并非改變舵機本身結構的方法可以提高舵機的響應速度。下面介紹兩種方案，分別分析其性能。</p><p>　　3.4.1平躺式固定 </p><p>

43、;　　這種固定方式是車模上舵機的原安裝方式. </p><p><b>　　優(yōu)點： </b></p><p>　　1）重心底，接近地盤，有利于車模的穩(wěn)定。 </p><p>　　2） 兩臂前輪不等長，有利于車模的轉彎。（這里糾正一點誤區(qū)，很多人認為前輪的兩臂等長最好，其實不然。如果你是汽車專業(yè)的話 你就會明白他的原理，汽車上的轉向都是一邊長一邊

44、短的，轉向時內側是要比外側的轉角要大，才有助于轉向的。） </p><p><b>　　缺點： </b></p><p>　　1）在舵機和角度調節(jié)頭之間有介子作為受力緩沖作用的。但這在比賽中會延緩前輪的反應時間。最好用AB膠將其固定死。 </p><p>　　2）舵機的力臂太短。相比后兩種固定方式，舵機在相同的轉角下，前輪轉角會小得多，這在比賽

45、中是很不利的。因為舵機轉角是需要時間的，這樣就延緩了前輪的轉動效率。 </p><p>　　3.4.2 站立式固定 </p><p>　　這種固定方式是舵機豎立在車身中間位置。用兩等長的前輪拉桿住鏈接前輪。 </p><p><b>　　優(yōu)點： </b></p><p>　　1）力臂長，前輪的反應速度是平躺式的三倍左右（

46、由于力臂的長度會有所不同，力臂越長，反應越快）。這里請注意一點，力臂過長可能導致力矩不足，反而導致前輪轉不到位。因此設計時就要綜合考慮轉向機構響應速度與舵機力矩之間的關系，通過優(yōu)化得到一個最佳的轉向效果。建議力臂在3.5-4cm之間。 </p><p>　　2）兩拉桿軸是等長的，所以車的左右轉是相同的。這里說明一點，兩拉桿軸是等長并不和上述“轉向都是一邊長一邊短”相矛盾。因為我們的最終目地是使車模在轉向時，內側前

47、輪要比外側的轉角要大。當舵機轉動力臂時，由于力臂的尾端是按曲線運動的，導致兩前輪的轉角不同，內側前輪要比外側的轉角要大。 </p><p><b>　　缺點： </b></p><p>　　1）使車模車頭整體重心過高，影響車模的穩(wěn)定性！經測試，由于舵機固定的比較穩(wěn)定，此方案對小車的穩(wěn)定性影響幾乎為零。 </p><p>　　分析舵機控制轉向輪轉

48、向的原理可以發(fā)現，在相同的舵機轉向條件下，轉向連桿在舵機一端的連接點離舵機軸心距離越遠，轉向輪轉向變化越快。這相當于增大力臂長度，提高線速度。針對上述特性，我們改變了舵機的安裝方式，選擇了站立式安裝，將舵機立起來安裝在車的中軸線上，使得左右兩輪的力臂一樣大，有利于轉向。 </p><p><b>　　3.5電路板的安裝</b></p><p>　　電路板是模型車上的核

49、心部分，在安裝時，考慮到電路板的穩(wěn)定性和模型車的重心等問題，我們把電路板做的比較小。</p><p><b>　　圖3.2智能車整體</b></p><p>　　3.6速度傳感器的安裝</p><p>　　為了不影響加速性能，編碼器的傳動齒輪選擇相對較小，齒輪之間呈水平狀態(tài)。這樣安裝齒輪咬合很好，即避免由于齒輪咬合太緊以致加重負載，同時也避免了

50、因過松而出現的在轉動中齒輪撞擊的現象，并減少電機的摩擦損耗和噪音。</p><p>　　圖3.3 速度傳感器</p><p>　　3.7傳感器的安裝 </p><p>　　傳感器的安裝，為了獲得盡可能大的前瞻，我們將傳感器裝在車的最前端。傳感器的穩(wěn)定性直接關系到小車行駛狀況的好壞，所以，必須將其固定牢固。</p><p>　　圖3.4 電磁傳

51、感器</p><p>　　4智能汽車硬件電路設計</p><p>　　電磁組智能車的硬件系統(tǒng)主要有以下幾個模塊組成：傳感器模塊、單片機模塊、電源模塊和驅動模塊，以及調試模塊。為了調整整體車重心的穩(wěn)定，我們將各個模塊分散布局，下面將各個模塊詳細介紹。</p><p><b>　　4.1 電源模塊</b></p><p>　

52、　電源模塊為整個系統(tǒng)提供電力供應，其工作的穩(wěn)定性直接關系著小車其他電路模塊的正常工作，重要性不言而喻。在設計電源模塊時，首先應綜合考慮各模塊電路對電源功率的需求，然后根據需求選擇相應的穩(wěn)壓芯片。集體原理圖如下：</p><p><b>　　圖4.1 電源模塊</b></p><p><b>　　4.2 傳感器模塊</b></p>&

53、lt;p>　　電磁組的賽道信息是由20kHz、100mA 的交流電源流經導線產生的交變磁場，如何將磁場信息檢測出來是傳感器設計的第一步。</p><p>　　在具體的設計過程中，我們選擇了最傳統(tǒng)的電磁感應線圈方案，這種方案的原理簡單，電路較易實現，并且設計出來的傳感器體積小、價格便宜、功耗低，可以滿足小車競賽循跡的要求。</p><p>　　比賽選擇20kHz 的交變磁場作為路徑的導

54、航信號，在頻譜上可以有效避開周圍其他磁場的干擾。可以利用LC 并聯電路來實現選頻電路，對感應信號進行有效的放大。市場上購買比較方便的是10mH 的電感，根據LC 并聯諧振公式：</p><p>　　可以計算出選頻所需的電容容值約為6.8nf，因此，在實際的電路中，我們選擇10mH的電感與6.8nf 的電容并聯來實現信號的選頻。</p><p>　　在查閱了一些參數之后，我們選擇s8050對

55、選頻信號進行放大，從示波器中，我們看出放大之后的信號較為可觀。</p><p>　　圖4.2 信號放大模塊</p><p><b>　　4.3 單片機模塊</b></p><p>　　以MC9S12XS128 為核心的單片機系統(tǒng)的硬件電路設計主要包括以下幾個部分：時鐘電路、復位電路、串口電路。各個部分的功能如下：</p><

56、p>　?。?）時鐘電路給單片機提供一個外接的16MHz 的無源晶振。</p><p>　?。?）復位電路在電壓達到正常值時給單片機一個復位信號。</p><p>　?。?）串口電路使S12 與PC 機之間建立連接。</p><p><b>　　4.3.1時鐘電路</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用的是標準的MC

57、9S12 系列單片機的時鐘電路，通過把一個16MHz 的外部晶振接在單片機的外部晶振輸入接口EXTAL 和XTAL 上，然后利用MC9S12XS128 內部的壓控振蕩器和鎖相環(huán)（PLL）把這個頻率提高，作為單片機工作的內部總線時鐘。原理圖如下：</p><p><b>　　圖4.3 外部晶振</b></p><p><b>　　4.3.2復位電路</b

58、></p><p>　　本系統(tǒng)直接采用一個0.1uF 的電容提供低電平復位信號，手動復位按鈕在系統(tǒng)調試時的作用很大。原理圖如下</p><p><b>　　圖4.4 復位電路</b></p><p><b>　　4.3.3串口電路</b></p><p>　　串口電路S12上的串口接口T，R，

59、G分別與PC機上的2，3，5串口相接使S12 單片機與PC 機之間能夠通信，通過軟件處理將通過傳感器采集到的電壓信號又經單片機上AD轉換的數值在串口精靈界面顯示，可以人性化的知道當前小車所處的狀態(tài)，串口在調試的過程中發(fā)揮著極大的作用。</p><p>　　圖4.5 S12最小系統(tǒng)原理圖</p><p><b>　　4.4 驅動模塊</b></p><

60、;p>　　驅動電路采用兩片半橋元件BTS7970B 搭成全橋電路，可以控制電機的正反轉。原理圖如下：</p><p><b>　　圖4.6 電機驅動</b></p><p>　　4.5 起跑線檢測模塊</p><p>　　通常可以檢測恒穩(wěn)磁場的手段有霍爾元件和干簧管。霍爾元件的優(yōu)點在于輸出信號連續(xù)，干簧管的優(yōu)點是電路簡單，對于定性檢測變

61、化明顯，干擾小。實際測試后發(fā)現，兩者對于磁鐵的敏感度大致相同，同時霍爾元件產生的模擬信號對于后續(xù)處理不如干簧管的0、1 跳變直接，因而我們采用了干簧管。</p><p>　　圖4.7 起跑線檢測電路</p><p>　　5智能汽車控制算法與軟件設計</p><p><b>　　5.1 系統(tǒng)初始化</b></p><p>

62、　　由于我們采集的信號是正弦信號及模擬信號，因此初始化主要包括：AD 初始化、PWM 初始化、SCI串口初始化、鎖相環(huán)設置。</p><p>　　5.1.1 AD初始化</p><p>　　MC9S12XS128 單片機的AD 轉換模塊主要有以下幾個特點：8/10 位的轉換精度、7us 一次的轉換時間可編程采樣時間、外部觸發(fā)控制、轉換完成中斷、連續(xù)轉換模式、1 到8 轉換序列長度等。&l

63、t;/p><p><b>　　/*AD初始化*/</b></p><p>　　void vADInit(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　ATD0CTL1=0b00000000;//8位精度 </p><p>　　ATD0CTL2=0b010

64、00000;//禁止外部觸發(fā),標志位快速清零,中斷禁止</p><p>　　ATD0CTL3=0b10000000;//右對齊無符號.轉換序列長度為1,</p><p>　　No FIFO模式,Freeze模式下繼續(xù)轉換</p><p>　　ATD0CTL4=0b10100111;//4AD采樣周期ADClock=[BUSClock*0.5]/[PRS+1];<

65、;/p><p>　　ATD0CTL5=0b00110000;//特殊通道禁止,多通道采樣,</p><p>　　掃描模式連續(xù)采樣,ch AN0</p><p>　　ATD0DIEN=0b00000000;//禁止數字輸入 </p><p><b>　　}</b></p><p>　　5.1.2 PW

66、M初始化</p><p>　　PWM 調制波有8 個輸出通道，每個輸出通道都可以獨立的輸出，每個通道都有一個精確的計數器來計算脈沖的個數，還有兩個可供選擇的時鐘源。其初始化的一般步驟是：禁止PWM、選擇時鐘、選擇極性、選擇對其模式、對占空比和周期進行編程、使能PWM 通道。</p><p>　　在本系統(tǒng)中需要兩路PWM 通道來分別控制舵機和電機的轉向和轉動。舵機的PWM 是將0 和1 路的

67、PWM 合并后進行控制，這樣可以是舵機的精度從1/255 提高到1/65535 其初始設置如下：</p><p>　　PWME=0x00; //關閉所有PWM</p><p>　　PWMCLK=0x03; //PWM45選用CLKA，PWM01選用CLKSA，</p><p>　　//PWM2367選用CLKB</p><p>　　PWMPR

68、CLK=0x30; //CLKA，0分頻，</p><p>　　//fBUS=32MHz,fCLKA=fBUS/0=24MHz</p><p>　　//CLKB，8分頻，</p><p>　　//fBUS=32MHz,fCLKB=fBUS/8=4MHz</p><p>　　PWMSCLA=12; //CLKSA，</p>

69、<p>　　//fCLKSA=fCLKA/(2*PWMSCLA)=1MHz</p><p>　　PWMPOL=0xFF;//PWM為正占空</p><p>　　PWMCAE=0x00; ///所有PWM為左對齊</p><p>　　PWMCTL=0xF0;///所有PWM合并端口</p><p>　　PWMPER01=20000

70、;//PWM01為舵機PWM01周期為20 000，則</p><p>　　//輸出PWM頻率為50Hz</p><p>　　PWMDTY01=1380;//PWM01占空比</p><p>　　PWME_PWME1=1;</p><p>　　5.1.3 串口初始化</p><p>　　MC9S12系列單片機的串口通信

71、接口（Serial Communication Inteface）是一個通用的異步接受/發(fā)送器類型的異步通信接口，通過RS-232串行通信協(xié)議與主機系統(tǒng)通信。</p><p>　　//------初始化SCIO----------//</p><p>　　void SciInit(void){</p><p>　　SCI0BD=52;</p><

72、p>　　SCI0CR1=0;</p><p>　　SCI0CR2=0X2C;}</p><p>　　//----讀SCI數據---//</p><p>　　unsigned char SciRead() {</p><p>　　if(SCI0SR1_RDRF==1) {</p><p>　　SCI0SR1_RDR

73、F=1;</p><p>　　return SCI0DRL;}}</p><p>　　//---寫SCI數據---//</p><p>　　void SciWrite(unsigned char sendchar) {</p><p>　　while(!(SCI0SR1&0X80));</p><p>　　SC

74、I0DRH=0;</p><p>　　SCI0DRL=sendchar;}</p><p>　　5.1.4 鎖相環(huán)設置</p><p><b>　　/*時鐘初始化*/</b></p><p>　　void PLL_Init(void) //PLLCLK=2*OSCCLK*(SYNR+1)/(REFDV+1)

75、 { //鎖相環(huán)時鐘=2*16*(2+1)/(1+1)=48MHz</p><p>　　REFDV=1; //總線時鐘=48/2=24MHz</p><p><b>　　SYNR=2;</b></p><p>　　while(!(CRGFLG&0x08));</p&

76、gt;<p>　　CLKSEL=0x80;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　5.2 磁場信號的提取與處理</p><p>　　在本屆新增的電磁組智能車中，所檢測的信號是電磁信號，為連續(xù)的模擬量，及在整個跑道的橫向范圍能都能檢測到信號的存在，唯一的差異就是信號的強弱。Ⅱ：將整個跑道中檢測到的信號作為模擬量

77、進行處理，這樣檢測到的信號離導線越近強度越大，在跑道的邊緣則信號越弱。</p><p>　　第一排的傳感器主要工作是檢測當前導線的位置。我們在第一排上放了4 個傳感器來檢測信號，然后根據各自的位置和檢測到的信號對得到的值進行加權平均，這樣就得到了當前黑線的位置。這樣根據得到的值可以得出當前黑線與車身之間的夾角，然后將這一數據進行處理轉化成PWM 信號送給舵機。</p><p>　　5.3

78、PID 控制算法及智能車中的應用</p><p>　　5.3.1 PID 控制算法簡介</p><p>　?。?）比例調節(jié)(P)的作用：對偏差瞬間做出作出反應。偏差一旦產生控制器立即產生控制作用，使控制量向著減少偏差的方向變化?？刂谱饔玫膹娙跞Q于比例系數 ，比例系數 越大，控制作用越強，則過渡過程越快，控制過程的靜態(tài)偏差也就越?。坏?越大，也越容易產生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故而，比例

79、系數 選擇必須恰當，才能過渡時間少，靜差小而又穩(wěn)定的效果。</p><p>　　（2）積分調節(jié)（I）的作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調節(jié)就進行，直至無差，一旦停止，積分調節(jié)輸出異常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數，越小，積分作用就越強。反之則積分作用弱，加入積分調節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。積分作用常與另兩種調節(jié)規(guī)律結合，組成 PI 調節(jié)器或 PID 調節(jié)器。</p&g

80、t;<p>　?。?）微分調節(jié)（D）的作用：阻止偏差的變化。它是根據偏差的變化趨勢（變化速度）進行控制。偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變大之前進行修正。微分作用的引入，將有助于減小超調量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對高階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。但微分的作用對輸入信號的噪聲很敏感，對那些噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分，或在微分起作用之前先對輸入信號進行濾波。</p><

81、p>　　根據 PID 控制器原理得知，PID 控制器的主要作用是快速平穩(wěn)地消除系統(tǒng)產生的偏差。</p><p>　　圖5.1 模擬PID控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　圖5.2不完全微分PID算法的車尋流程圖</p><p>　?。?）微分先行PID</p><p>　　由于智能車在跑道上行駛時，經常會遇到轉彎的情況，所以智能車的速

82、度設定值和方向設定值都會發(fā)生頻繁的變化，從而造成系統(tǒng)的振蕩。為了解決設定值的頻繁變化給系統(tǒng)帶來的不良影響，本文在智能車的速度和方向控制上引入了微分先行PID 算法，其特點是只對輸出量進行微分，即只對速度測量值和舵機偏轉量進行微分，而不對速度和方向的設定值進行微分。這樣，在設定值發(fā)生變化時，輸出量并不會改變，而被控量的變化相對是比較緩和的，這就很好地避免了設定值的頻繁變化給系統(tǒng)造成的振蕩，明顯地改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。</p>

83、<p>　　圖5.3微分先行PID控制結構圖</p><p>　　(5)前饋控制的應用</p><p>　　由于智能車的跑道寬度有限制，所以在經過急轉彎的時候，如果速度和方向控制不及時，智能車就可能沖出跑道。由于前饋控制是開環(huán)控制，所以前饋控制的響應速度很快。將前饋控制引入到智能車的控制中，能夠提高舵機和伺服電機的反應速度，改善智能車系統(tǒng)的動態(tài)性能。</p>&l

84、t;p>　?。?）智能車控制系統(tǒng)結構</p><p>　　智能車的控制主要體現在兩個方面：一方面是方向的控制，也就是對舵機的控制；另一方面是對速度的控制，也就是對伺服電機的控制。舵機的數學模型較為簡單，具有很好的線性特征，只采用前饋控制；智能車的速度控制相對復雜一些，速度模型無法準確建立，采用前饋-改進PID 算法進行控制。智能車的控制系統(tǒng)結構如下圖 所示。</p><p>　　圖5

85、.4 智能車的控制結構圖</p><p>　　圖5.4 中，分別是舵機和伺服電機數學模型。從圖中可以看出，智能車的方向控制和速度控制是相互獨立的，而且它們都是由路線偏差決定的。舵機轉角與路線偏差之間的對應關系是根據舵機的數學模型得到的，在速度控制回路中，既包括反饋回路，又包括前饋環(huán)節(jié)，伺服電機的控制量是在前饋補償基礎上，再由增量式PID 算法計算得到。</p><p>　　5.3.2 轉向

86、控制的PD 調節(jié)</p><p>　　智能車對方向的控制有兩點要求：在直道上，方向保持穩(wěn)定；在轉彎處，需要方向變化準確而且迅速。只有這樣，才能保證智能車在跑道上高速、穩(wěn)定地運行。為了提高方向控制的魯棒性，本文還對路線偏差進行了模糊化處理。圖5是智能車方向模糊前饋控制的結構圖，圖中分別是直道和彎道兩種情況下的前饋控制函數。</p><p>　　圖5.5 智能車方向控制系統(tǒng)結構圖</p&

87、gt;<p>　　5.3.3 速度控制策略</p><p>　　為了使智能車在直道上以較快速度運行，在轉彎時，防止智能車沖出跑道，則必須將智能車的速度降低，這就要求智能車的速度控制系統(tǒng)具有很好的加減速性能。當智能車經過連續(xù)轉彎的跑道時，路線偏差的頻繁變化會造成速度設定的頻繁變化，這會引起速度控制系統(tǒng)的振蕩，并且微分環(huán)節(jié)對誤差突變干擾很敏感，容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為了解決上述存在的問題，本文對數字PI

88、D 算法進行了改進，將不完全微分和微分先行引入到PID 算法中，大大改善了速度控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。</p><p>　　圖5.6 是智能車速度控制系統(tǒng)結構圖</p><p>　　由于賽道路況和智能車的姿態(tài)會經常變化，所以速度控制系統(tǒng)的模型也是不定的，為了提高系統(tǒng)的適應性，本文速度控制系統(tǒng)中采用了模糊PID 算法。將速度設定和實際速度進行模糊分檔，通過調試得到不同情況下相對最優(yōu)的PID 參數

89、，保證了速度控制系統(tǒng)在不同情況下都有較好的控制效果。</p><p><b>　　5.4 起跑線檢測</b></p><p>　　電磁組智能車的起跑線與光電和攝像頭組的競賽都有所不同，它是以6 塊磁鐵為起跑線的檢測：</p><p>　　圖5.7競賽跑道起跑區(qū)示意圖</p><p>　　由于是以磁鐵為起跑線，如果用檢測導

90、線的傳感器去檢測起跑線是不現實的，所以我們采用干簧管為起跑線的檢測裝置。干簧管是一種磁敏的特殊開關。它通常由兩個或三個既導磁又導電材料做成的簧片觸點，被封裝在充有惰性氣體(如氮、氦等)或真空的玻璃管里，玻璃管內平行封裝的簧片端部重疊，并留有一定間隙或相互接觸以構成開關的常開或常閉接點。當永久磁鐵靠近干簧管時，或者由繞在干簧管上面的線圈通電后形成磁場使簧片磁化時，簧片的接點就會感應出極性相反的磁極。由于磁極極性相反而相互吸引，當吸引的磁力

91、超過簧片的抗力時，分開的接點便會吸合;當磁力減小到一定值時，在簧片抗力的作用下接點又恢復到初始狀態(tài)。這樣便完成了一個開關的作用。</p><p><b>　　6開發(fā)與調試</b></p><p>　　6.1軟件開發(fā)環(huán)境介紹</p><p>　　Codewarrior是Metrowerks公司開發(fā)的軟件集成開發(fā)環(huán)境，飛思卡爾所有系列的微控制器都可

92、以在codewarrior IDE下進行軟件開發(fā)。本模型車所用的處理器是MC9S12XS128，程序調試是在codewarrior IDE 3.1環(huán)境下實現的，所用語言為C語言。 </p><p>　　首先要新建一個基于Mc9sDG128B的HCS12的工程，選用語言為C語言，具體的過程如圖7-1到7-2所示。建立好新的工程后，就可以在編譯器里進行程序的編寫。</p><p>　　圖6.1

93、 Codewarrioer新建工程界面</p><p>　　圖6.2 CW_S12_v5.0_Special.工作界面</p><p>　　6.2智能車整體調試</p><p><b>　　6.2.1舵機調試</b></p><p>　　首先在程序里不斷的修改舵機的控制量，確定舵機左轉和右轉極限的PWM值，記下該值留著在

94、程序里設定左轉和右轉的極限值。然后用一小段跑道來測試舵機的轉向，用不同的跑道段來測試模型車的轉向是否符合要求，當用的是直道時候要保證模型車的舵機位置絕對的居中，小“S”道時候，模型車給出的轉角應該足夠的小，大“S”時候轉角應該近似為圓弧弦的角度，彎道時候要給足轉角。 </p><p>　　6.2.2電機調試 </p><p>　　像測試舵機一樣用不同的賽道來測試電機給出的轉速是否滿足實際控

95、制的需要，當用的是小“S”道時候，模型車應該保持直道上的速度，大“S”時候，應該適當的減速，以使得通過時候不會產生過大的超調，彎道時候要能夠很</p><p>　　的將速度降下來，如果是急轉彎時可以不給控制量或者讓電機反轉以達到剎車的效果。 </p><p>　　6.2.3整體調試 </p><p>　　首先以一個較低的速度跑完整個賽道，然后再慢慢的提高速度，直到模

96、型車在某一個地方出錯，然后調整控制算法，如此反復，直到模型車能夠以理想的速度，在理想的路線上運行完為止。</p><p><b>　　7總結</b></p><p>　　本文詳細介紹了電磁智能車軟件與硬件結構設計。 </p><p>　　1.硬件部分主要包括車模的調整、電磁信號采集模塊、起止線檢測模塊和電機驅動模塊。</p>&l

97、t;p>　?。?）對于前輪的調整主要影響的是賽車的轉向性能，包括前輪的主銷內傾角、主銷后傾）、前束等幾方面。對于后輪的調整主要是差速機構的調整，它的作用是在車模轉彎的時候，降低后輪與地面之間的滑動，并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會損害到電機。</p><p>　　（2）信號采集模塊主要由電磁探頭部分、電磁信號放大部分、霍爾傳感器部分及速度反饋部分組成。</p><p>　　（3）

98、探頭部分用工字型電感作為感應磁場的媒介，這類電感體積小，Q值高，具有開放的磁芯，可以感應周圍交變的磁場。為了加強探頭的選頻特性在電感上根據串聯了容值匹配的電容。??</p><p>　　干簧管是用于起始線檢測的傳感器，根據大賽在賽道起始線會鋪設一排磁鋼，用干簧管檢測起始線電路簡單。</p><p>　　(4)電機驅動模塊采用兩片BTS7960B半橋驅動芯片驅動，該芯片負載電流可以達到43A

99、，而內阻只有16 mΩ，十分適合賽車使用。 </p><p>　　2.軟件部分主要包括舵機控制、電機控制和速度控制</p><p>　　(1)速度反饋模塊采用的是與電機用齒輪嚙合的光電編碼器，通過定時讀取光電編碼器即可達到測定車速進而實現速度閉環(huán)控制的目的。</p><p>　　(2)舵機轉角與輸入的PWM之間關系十分穩(wěn)定，因此采用了直接根據信號給定PWM的控制方法

100、，即簡單的P控制。 </p><p>　　(3)電機轉速由于受到電池電壓、電機傳動摩擦力、道路摩擦力和前輪轉向角度等等很多因素的影響，不能采用直接對應的控制方法，而應采用閉環(huán)控制。賽車的速度控制賽用的是PID算法，為了加快速度響應，又在期望速度與實際速度相差較大時預先引入一個預先標定的開環(huán)函數，雖然開環(huán)函數由于前面說到的原因不是很準確但如果只作為PID算法的初始值的話還是可以極大的加快逼近速度的。P、I和D的系數

101、要根據賽道情況進行調節(jié)，調節(jié)思路是這樣的：當賽車響應不夠快時，需要增大P項的系數，但是P項系數的增大會帶來超調量的增大；當超調量過大時，可以增大D項系數來改善穩(wěn)態(tài)性能；I項可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但是會減慢賽車響應。具體調節(jié)時需要根據實際情況來進行參數調整。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]卓晴，黃開勝，邵貝貝.學做智能車［M］，北京

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111、639-644</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在本次智能車大賽的準備期間，我們不斷遇到問題，同時也不斷解決問題，一個個問題的解決見證了我們這支隊伍的成長。在此期間離不開老師、同學們的大力支持，是他們的幫助讓我們做得更好。 </p><p>　　我在這里要感謝院領導的重視和支持，感謝馬世杰老師的悉心指導，感謝學