飛思卡爾智能車-技術(shù)報(bào)告--北京理工大學(xué)bftc隊(duì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 兩次捕捉到速度傳感器輸出的頻率信號(hào)，才產(chǎn)生輸入捕捉中斷。輸入捕捉中斷程序的主要任務(wù)是計(jì)算出模型車的速度，并將標(biāo)志位 Flag 置 1，其程序流程如圖 所示。 圖 輸入捕捉中斷程序流程圖 目標(biāo)轉(zhuǎn)速程序設(shè)計(jì) 由于模型車的采用速度閉環(huán)的 PID 控制，合理確定目標(biāo)轉(zhuǎn)速就顯得非常重輸入捕捉中斷 清除中斷標(biāo)志 讀取 TC0， TC0H 計(jì)算車輪轉(zhuǎn)速 Flag=1 返回 第四章 智能模型車系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì) 15 要。為了盡可能提高模型車的平均速度，應(yīng)使模型車在直道以盡可能快的速度行駛，而在大彎和 S 彎受到賽道附著系數(shù)、舵機(jī)響應(yīng)時(shí)間等物理極限的影響，應(yīng)使模型車的速度控制在合理的范 圍內(nèi)。為使直道快速行駛，大彎和 S 彎以最大極限速度行駛，關(guān)鍵的是判斷出賽道的情況。本智能模型車系統(tǒng)通過一定的算法實(shí)現(xiàn)了直道、大彎和 S 彎的識(shí)別，并根據(jù)不同的賽道情況給出不同的目標(biāo)車速。直道、大彎的識(shí)別方法與 S 彎的識(shí)別方法不同，下面將分別討論。 直道、大彎的識(shí)別方法。本模型車的路徑識(shí)別采用了 15 個(gè)紅外傳感器，在此將其平均分成三組，最右邊 5 個(gè)為一組，設(shè)置標(biāo)志位 flag1 和計(jì)數(shù)器 t1，如果其中一個(gè)或兩個(gè)紅外傳感器檢測到黑線，將 flag1 置 1，并使計(jì)數(shù)器 t1加 1，同時(shí)將計(jì)數(shù)器 t2 和 t3 清零。如果右側(cè) 5 個(gè) 紅外傳感器連續(xù)檢測到黑線，計(jì)數(shù)器 t1 繼續(xù)加 1，當(dāng)其大于某個(gè)數(shù)值時(shí)，便可認(rèn)為模型車正行駛在右大彎道。同理，中間 5 個(gè)為一組，設(shè)置標(biāo)志位 flag2 和計(jì)數(shù)器 t2，最左邊 5個(gè)為一組，設(shè)置標(biāo)志位 flag3 和計(jì)數(shù)器 t3，便可識(shí)別出直道和左大彎道。右大彎目標(biāo)轉(zhuǎn)速程序流程圖如圖 所示，直道和左大彎目標(biāo)轉(zhuǎn)速程序流程圖與之相似。 第一界 全國大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 16 圖 右大彎目標(biāo)轉(zhuǎn)速程序流程圖 S 彎識(shí)別方法。將 15 個(gè)紅外傳感器從右到左（車頭朝前）依次進(jìn)行編號(hào)，考慮到有兩個(gè)傳感器同 時(shí)檢測到黑線的情況，一共有 29 種情況。每產(chǎn)生一次輸入捕捉中斷，對(duì)傳感器的狀態(tài)進(jìn)行一次采樣，并將結(jié)果保存在一個(gè)數(shù)組里。然后對(duì)數(shù)組里的值進(jìn)行處理，如果數(shù)組里既有右側(cè)傳感器檢測值，又有中間和左側(cè)傳感器檢測值，即可認(rèn)為模型車正行駛在 S 彎道。 S彎目標(biāo)轉(zhuǎn)速程序流程圖如圖 所示。 智能模型車僅僅能夠識(shí)別直道、大彎道和 S 彎道，還不能很好地適應(yīng)賽道，比如直道末端速度不能迅速降低，入彎時(shí)速度過快，會(huì)造成模型車沖出賽道；過 S 彎時(shí)受轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)響應(yīng)時(shí)間的限制，大大降低了模型車的行駛速度。為了解決這些問題，本程序設(shè)計(jì)了直道末端制 動(dòng)減速控制， S彎間斷制動(dòng)控制等功能，這將有利于提高模型車的行駛速度和行駛穩(wěn)定性。 flag1=1? t1++, t2=t3=0 t1z? Y Y 右大彎目標(biāo)轉(zhuǎn)速 n1 過渡目標(biāo)轉(zhuǎn)速 n1 N N 開始 結(jié)束 第四章 智能模型車系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì) 17 圖 S 彎目標(biāo)轉(zhuǎn)速程序流程圖 開始 有右側(cè)傳感器檢測值？ 利用數(shù)組記 錄黑線位置 s1=1 s1=0 Y N 有中間傳感器檢測值？ s2=1 s2=0 Y N 有左側(cè)傳感器檢測值？ s3=1 s3=0 Y N s1=s2=s3=1？ S 彎目標(biāo)轉(zhuǎn)速 n1 Y N 過渡目標(biāo)轉(zhuǎn)速 n1 結(jié)束 第一界 全國大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 18 控制算法的實(shí)現(xiàn) 周期法測速 在智能模型車系統(tǒng)中，如果模型車速度控制效果不好，會(huì)造成直線路段速度上不去，入彎時(shí)速度過快等問題。為了實(shí)現(xiàn)模型車系統(tǒng)的速度控制，必須采用一定的控制算法保證系統(tǒng)控制性能達(dá)到要求，本系統(tǒng)采用了速度閉環(huán)的 PID控制方法。而在閉環(huán)的控制過程中，電機(jī)的速度采樣方法對(duì)模型車速度控制精度的提高有重要作用。 電機(jī)速度的計(jì)算，可以根據(jù)控制器在一定時(shí)間內(nèi)讀取脈沖數(shù)，結(jié)合一定測速算法，計(jì)算出來。 目前，在數(shù)字控制器的伺服控制系統(tǒng)中，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來測量轉(zhuǎn)速的方法主要有 M 法、 T 法、 M/T 法三種方法。 M 法測速是指在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，測量所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來獲得被測速度值。 T 法測速是指測量兩個(gè)脈沖的時(shí)間來確定被測速度的方法。 M/T 法是同時(shí)測量檢測時(shí)間和在此檢測時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖數(shù)來確定被測轉(zhuǎn)速 [3]。本系統(tǒng)采用 T 法測速，下面將詳細(xì)介紹 T 法測速的原理特點(diǎn)，以及在模型車系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程。 T法測速又叫周期法測速，具體方法是用已 知頻率為 fc的時(shí)鐘脈沖（如單片機(jī)的內(nèi)部分頻時(shí)鐘），向另一計(jì)數(shù)器（如單片機(jī)的輸入捕捉寄存器 TCn）發(fā)送時(shí)間脈沖指令，而該計(jì)數(shù)器則由速度傳感器的兩個(gè)相鄰測速脈沖控制起始和結(jié)束。如果計(jì)數(shù)器的讀數(shù)為 m（時(shí)鐘脈沖數(shù)），速度傳感器在一圈里發(fā)出的脈沖數(shù)為 P，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速為： Pmfn cT 60? 轉(zhuǎn) /分鐘 （ 41） T法測速的特點(diǎn)：根據(jù)式（ 41），以及測速分辨率公式（ 42）可知， Pnf PnmP fPm fnnQ Tc Tcc ??????? 60)1(6060212 （ 42） 隨著轉(zhuǎn)速 nT的升高， Q 值增大，轉(zhuǎn)速越低， Q 值越小，所以 T法測速在低速時(shí)，才有較好的分辨率。另外，內(nèi)部時(shí)鐘脈沖 m 計(jì)數(shù)時(shí)，總有一個(gè)脈沖的誤差。 第四章 智能模型車系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì) 19 圖 T 法測速原理 由此造成相對(duì)誤差為 mT /1?? ，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，內(nèi)部時(shí)鐘計(jì)數(shù) m 自然會(huì)變小，則相對(duì)誤差變大。因此，也可以看出 T 法在低速時(shí)才有較好的測速效果。 T法測速在模型車系統(tǒng)中可按下面的方法實(shí)現(xiàn)，首先，將速度傳感器輸出脈沖直接送入 MC9S12DG128B 的輸入捕捉通道 PT0，并設(shè)置速 度傳感器輸出脈沖的正跳變?yōu)橐粋€(gè)事件，這樣輸入捕捉寄存器 TC0 就自動(dòng)捕獲速度傳感器輸出脈沖的正跳變；然后，根據(jù)控制器內(nèi)部自由定時(shí)器讀出此時(shí)刻的內(nèi)部脈沖數(shù)，在隊(duì)列工作方式下連續(xù)兩次捕捉到正跳變，才申請(qǐng)中斷；在中斷服務(wù)程序里，將最近兩次輸入捕捉器捕獲的自由定時(shí)器讀數(shù)相減，即可得出 m，從而根據(jù)式（ 41）得出轉(zhuǎn)速。 在實(shí)際測速時(shí)，自由定時(shí)器的時(shí)鐘頻率設(shè)為 fc=125000，而速度傳感器在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈產(chǎn)生脈沖為 P=9，由于 T法測速相對(duì)誤差比較大的時(shí)期，在車輪轉(zhuǎn)速高速運(yùn)行階段，假設(shè)車輪轉(zhuǎn)速 1200 轉(zhuǎn) /分鐘，此時(shí)相當(dāng)于模 型車以 度行駛， T 法測速的分辨率為： 9120200 22 ???? ???? Pnf PnQ Tc T 轉(zhuǎn) /分鐘 分辨率還相當(dāng)高，此時(shí)， T法的相對(duì)誤差是： %1 4 9 5/1/1 ??? mT? 即車輪轉(zhuǎn)速誤差為 7 2 %1 4 2 0 0 ?? 轉(zhuǎn) /分鐘，可見誤差還是很小。因此，在模型車系統(tǒng)中，采用 T法測速，實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制速度檢測，是可行的。 速度傳感器 輸出脈沖 單片機(jī)分頻時(shí)鐘fc m 第一界 全國大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 20 數(shù)字 PID 控制算法 數(shù)字 PID 控制算法在生產(chǎn)過程中是一種最普遍采用的控制方法，在冶金、機(jī)械、化工等行業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。究其原因是：該算法蘊(yùn) 涵了動(dòng)態(tài)控制過程中現(xiàn)在 (P)、過去 (I)和將來 (D)的主要信息，具有本質(zhì)上的魯棒性、優(yōu)化控制特性和智能化，算法簡單明了，易于掌握 [2]。數(shù)字 PID 控制算法通常又分為位置式PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。 在模擬系統(tǒng)中， PID 算法的表達(dá)式為： ???????? ???? dt tdeDTdtteITtePKtu )()(1)()( (41) 式中， u(t)為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)； KP為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； TI為調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間； TD為調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。 由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。為 方便計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) PID 控制，以一些采樣時(shí)刻點(diǎn) kT 代替連續(xù)時(shí)間 t，用求和代替積分，用差商代替微分，對(duì)式（ 41）進(jìn)行離散化，可得離散化后的 PID表達(dá)式： ? ?)1()(0 )()()( ??????? kekeDKkj jeIKkePKku （ 42） 式中， e(k)為 第 k 次采樣時(shí)的偏差值； k 為采樣序號(hào) k=0， 1， 2? ； u(k)為第 k 次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出， KI=KPT/TI為積分系數(shù)， KD=KPTD/T 為微分系數(shù)。 式（ 42）是數(shù)字 PID 算法的非遞推形式，稱全量算法或位置算法。位置 PID算法要計(jì)算 u(k)，不僅需要本次的偏差信號(hào) e(k)和 e(k1)而且還要在積分項(xiàng)把歷次偏差信號(hào) e(j)進(jìn)行相加。這樣不僅計(jì)算繁瑣，而且為保存 e(j)還要占用很多內(nèi)存。并且，控制量直接與輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)，一旦采樣信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤， u(k)會(huì)大幅增加，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定。為此，有如下改進(jìn)，即增量型數(shù)字 PID 算法 [36]。 ? ? ? ?)2()1(2)()()1()()1()( ??????????? kekekeDKkeIKkekePKkuku (43) 在對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制中，首先要求系統(tǒng)是穩(wěn)定的，在給定值變化時(shí)，被控制量應(yīng)能迅速、平穩(wěn)地跟蹤，超調(diào)量要小。在各中干擾下，被控量應(yīng)能保持在給定值附近。另外，控制變量不宜過大，以免系統(tǒng)過載。 第四章 智能模型車系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì) 21 數(shù)字 PID 算法在模型車系統(tǒng)中的應(yīng)用 在模型車系統(tǒng)中，對(duì)轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的控制采用位置式 PID 算法，對(duì)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制采用增量式 PID 算法。無論是采用位置式還是增量式 PID 算法，都需要選擇一組合適的參數(shù)和適當(dāng)?shù)牟蓸又芷凇? PID 參數(shù)的選擇有兩種可用方法：理論設(shè)計(jì)法和試驗(yàn)確定法。理論設(shè)計(jì)法確定 PID 參數(shù)的前提，是要有被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這在電動(dòng)機(jī)控制中往往很難做到。因此，用試驗(yàn)確定法來選擇 PID 控制參數(shù)，就成為目前經(jīng)常采用的，并且是行之有效的方法。本模型車系統(tǒng) PID 參數(shù)的確定便采用試驗(yàn)確定法，在調(diào)試過程中 ，按先比例 — 后積分 — 再微分的順序反復(fù)調(diào)試參數(shù)，最后得到了比較滿意的效果。 采樣周期在電動(dòng)機(jī)控制軟件的設(shè)計(jì)中是一個(gè)重要的參數(shù)。在實(shí)際選擇采樣周期時(shí)，必須綜合考慮。一般來說，控制精度越高，采樣周期應(yīng)該越短；為了使連續(xù)信號(hào)采樣后輸入計(jì)算機(jī)而不失真，應(yīng)滿足香農(nóng)采樣定理；從執(zhí)行元件的響應(yīng)速度和要求來看，需要輸出信號(hào)保持一定時(shí)間；從單片機(jī)控制在一個(gè)周期內(nèi)完成的運(yùn)算工作量來考慮，應(yīng)保證單片機(jī)有充分的實(shí)時(shí)運(yùn)算和處理時(shí)間。 在模型車速度閉環(huán)的 PID 控制中，每產(chǎn)生一次輸入捕捉中斷，對(duì)速度進(jìn)行一次采集，接著調(diào)用 PID 調(diào)節(jié)程序，對(duì) 速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。速度 PID 程序流程圖如圖 所示。 第一界 全國大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 22 圖 速度 PID 程序流程圖 開始 設(shè)置各參數(shù)值 Kp、 Ki、 Kd 采入 n n2 計(jì)算偏差值 e3=n1n2 計(jì)算 u=Kp*(e3e2)+Ki*e3+Kd*(e32*e2+e1) e2→ e e3→ e2 計(jì)算控制量 u1u→ u1 輸出 u1 返回 23 第五章 模型車機(jī)械部分安裝及改造 前排紅外傳感器的固定 傳感器底板通過四根銅柱支撐至合適的高度，并用螺母擰緊固定。四根銅柱的固定也只是利用了車模底盤上原有的四個(gè)螺絲孔，并沒有重新打孔?？酌娓叨任恢貌煌ㄟ^加墊片進(jìn)行找正。四根銅柱的位置接近于長方形的分布，能夠非常可靠的保證傳感器底板的剛度而減少顫動(dòng)。同時(shí)又足夠承受車模在沖出跑道撞擊時(shí) 產(chǎn)生的彎矩和力。 拆除不必要構(gòu)件 為了減輕車模的整體質(zhì)量，可以將車模底盤上一些沒有起到實(shí)質(zhì)性作用的部件進(jìn)行拆除，在不影響實(shí)用性能的同時(shí)，達(dá)到減重的目的。 圖 前排紅外傳感器的固定 圖 被拆除的減震彈簧 第一界 全國大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 24 模型車絕大部分時(shí)間是在平整的二維賽道路面上行駛，其一般不會(huì)受到路面的沖擊力，所以減震器存在的意義并不大。因而，我們將后輪驅(qū)動(dòng)部分與前車身相連的減震彈簧進(jìn)行了拆除， 如圖 所示， 不僅減輕了重量，還增大了可利用的空間。同時(shí)，將后輪驅(qū)動(dòng)部分與車身連接部分的螺栓盡量擰緊，使前后部分的連接近似于剛性連接。因?yàn)檐嚹Ｐ旭倳r(shí)不受路 面沖擊力，所以這樣的改動(dòng)不會(huì)降低車模的行駛性能，反而在近似剛性連接后使車模消除擺動(dòng)，更容易操縱控制。 電路板的安裝 電路板安裝固定在車模是通過三根支柱支撐的，其中兩根是車模本身就存在用于支撐車模外殼的，另一根是后加的銅柱。銅柱與底盤的固定也沒有重新打空，同樣是利用車模底盤上原本就存在的螺絲孔。這樣盡量利用底盤上本來就有的孔，可以避免改變車模底盤的強(qiáng)度和剛度，保持車模原有的特性。 電池的安裝 條型電池是安裝在兩個(gè)電池座上的。每個(gè)電池座是通過一前一后兩個(gè)螺釘固定 在底盤上的。將每個(gè)電池座上后面那個(gè)螺釘給拆除掉，這樣電池座可以繞著前面那個(gè)螺釘進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。這樣可以改變電池座相對(duì)于車