智能車控制系統的研制()畢業設計(doc畢業設計論文)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 “后束”或“負前束”。在實際的汽車中，一般前束為012mm 。 前束的調整總是依據主銷內傾的調整。只有主銷內傾確定后才能確定合適的前輪前束與之配合。前輪前束的調整是方便的。主銷內傾的調整由于要擰開螺絲釘，固定件又為塑料，所以頻繁的調整容易引發滑絲現象。而前束不會，所以調整前束是最安全、方便的。前束在摩擦大的時候有明顯的效果。但是一定不要太大，適當的放開一兩圈就夠了。 在模型車中，前輪前束是通過調整伺服電機帶動的左右橫拉桿實現的。主銷在垂直方向的位置確定后，改變左右橫拉桿的長度即可以改變前輪前束的大小。在實際的調整過程中，我們發現較小的前束，約束02mm 可以減小轉向阻力，使模型車轉向更為輕便，但實際效果不是十分明顯。 調節合適的前輪前束在轉向時有利過彎，還能提高減速性。將前輪前束調節成明顯的內八字，運動阻力加大，提高減速性能。由于阻力比不調節前束時增大，所以直線加速會變慢。智能車采用穩定速度策略或者采用在直道高速彎道慢速的策略時，應該調節不同的前束。后一種策略可以適當加大前束 [15]。 雖然模型車的主銷后傾角、主銷內傾角、車輪外傾角和前束等均可以調整，但是由于車模加工和制造精度的問題，在通用的規律中還存在著不少的偶然性，一切是實際調整的效果為準。 智能車轉向機構調整 理想的轉向模型，是指在輪胎不打滑時，忽略左右兩側輪胎由于受力不均產生的變形，忽略輪胎受重力影響下的變形時車輛的的轉向建模。圖 32 智能車轉向示意圖 如圖32，假設智能車系統為理想的轉向模型，且其重心位于其幾何中心。車輪滿足轉向原理，左右輪的軸線與后輪軸線這三條直線必然交于一點。 轉向機構在車輛運行過程中有著非常重要的作用。合適的前橋和轉向機構可以保證在車輛直線行駛過程中不會跑偏，能保證車輛行駛的方向穩定性；而在車輛轉向時，合適的轉向機構可以使車輛自行回到直線行駛狀態，具有好的回正性 [16]。正是由于這些原因，轉向系統優化設計成為智能車設計中機械結構部分的重點，直接關系到賽車能否順利地完成比賽。 在模型車制做過程中，賽車的轉向是通過舵機帶動左右橫拉桿來實現的。轉向舵機的轉動速度和功率是一定，要想加快轉向機構響應的速度，唯一的辦法就是優化舵機的安裝位置和其力矩延長桿的長度。由于功率是速度與力矩乘積的函數，過分追求速度，必然要損失力矩，力矩太小也會造成轉向遲鈍，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，通過優化得到一個最佳的轉向效果。如圖33，我們最終采用的這套舵機連片（轉向拉桿），我們綜合考慮了速度與扭矩間的關系，并根據模型車底盤的具體結構，簡化了安裝方式，實現了預期目標。圖33 舵機連片（轉向拉桿）舵機的安裝方式目前較為主流的是直立式安裝和倒置式安裝。都采用圖33的舵機連片。然而舵機與連片的嚙合是類似齒輪的嚙合，由于連片的長度的以及齒寬的影響，很難調節到合適的舵機機械中值。為了彌補這種連片的缺陷，我們采用了可調中值的舵機連片。圖34 舵機連片（中值可調）第 4章 電路設計硬件電路設計是系統的基礎。本設計以MC9S12XS128為核心控制處理器，建立最小系統，并在此基礎上集成了外圍接口驅動電路、調試電路等，形成了功能完備，體積小的控制電路。小車的硬件電路主要包括單片機模塊、電源模塊、電機驅動模塊、車速檢測模塊、道路檢測模塊以及其他輔助電路 [17]。 單片機模塊單片機模塊是小車的“大腦”，本次設計所用到的單片機芯片為MC9S12XS128，實物如圖41 所示。圖41 MC9S12XS128開發板以MC9S12XS128為核心的單片機系統的硬件電路設計主要包括以下幾個部分：時鐘電路、電源電路、復位電路、BDM接口。其中各個部分的功能如下： (1)、時鐘電路給單片機提供一個外接的16MHz的石英晶振。 (2)、電源電路主要是給單片機提供5V電源。(3)、復位電路在電壓達到正常值時給單片機一個復位信號。 (4)、BDM接口讓用戶可以通過BDM頭向單片機下載和調試程序。如下圖，本系統采用的是標準的MC9S12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（PLL）把這個頻率提高到40MHz，作為單片機工作的內部總線時鐘。圖42 外部振蕩電路 電源模塊電源模塊為系統其它各個模塊提供所需要的電源。是小車的“心臟” 。電源模塊為系統其他各個模塊提供所需要的電源，設計中除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數之外，還要在電源轉換效率、降低噪聲、防止干擾等方面進行優化。本智能車有+5 V V 兩種電壓, 由7. 2 V/ 2022 mAh 的NiCd 蓄電池組直接給驅動電機和轉向舵機供電，5 V 給車速傳感器、光電傳感器等供電 [18]。由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此需要電源穩壓，轉換成所需要的5V。電源管理原理圖如下。充電電池 電機 舵機 7805 穩壓電路（ 5V）光電激光管 單片機 接受管 轉速傳感器圖43 電源系統原理圖圖43中：(1)、5V電壓。主要為單片機、信號調理電路以及部分接口電路提供電源，電壓要求穩定、噪聲小，電流容量大于500mA。(2)、7．2V電壓。這部分電壓直接取自電池兩端電壓，主要為后輪電機驅動模塊和舵機提供工作電壓。通過各個部件的正常工作電壓我們可以知道，需要采取降壓穩壓電路來實現。選擇穩壓芯片時除了考慮輸出電壓和電流容量參數外，還需對穩壓芯片的工作最小壓差留有一定的余量。降壓穩壓電路可以采用串聯穩壓和開關穩壓兩種芯片。常選擇的穩壓芯片有780LM257TPS7350。本次設計中我采用的是7805穩壓芯片，所采用的應用電路如下：圖44 穩壓電路其中 c1 為 220uf，c2 為 100uf。Vi 為出入端，Vo 為輸出端。 電機驅動模塊電機驅動模塊為小車的“肌肉” 。競速比賽比的是速度，需要模型車能夠以盡量快的速度跑完全程，有了好的算法之后，需要有驅動電路對電機進行控制 [19]。本系統使用的電機驅動板為BTS7960全橋驅動電路，由此電路，通過設置MC9S12輸出的PWM波的占空比可以達到控制電機正反轉的效果。圖45 電機驅動芯片關于PWM接口占空比控制電機的使用說明：PWM 1,2 輸入端輸入為5V 時，該路輸出為最小，隨著占空比的變小，輸出的電壓變大；PWM 1,2 輸入端輸入為0V 時，該路輸出為最大，隨著占空比的變大，輸出的電壓變小；圖 46 電機驅動電路原理圖控制邏輯為：表41 電機驅動芯片控制邏輯圖 EN PWM1 PWM2 OUT1(電機) OUT2(電機+) 正轉 1 0100% 5V 0 100%0 反轉 1 5V 0100% 100%0 0 停止 0 X X X X 車速檢測模塊車速檢測模塊為小車的“神經系統”。為了使得模型車能夠平穩地沿著賽道運行，除了控制前輪轉向舵機以外，還需要控制車速，使模型車在急轉彎時速度不要過快而沖出跑道。而由于電池電壓、電機傳動摩擦力、道路摩擦力等因素的影響，開環控制中實際速度不能達到給定值，因此加入速度測速裝置，形成速度反饋 [20]。要實現對模型車的閉環控制，需要時刻檢測模型車當前速度，經常使用的測速傳感器有以下幾種： (1)、測速電動機：其實就是普通的一個電動機，將電動機的軸連接到車子傳動軸或者車子的電機上，測速電動機隨著電動機的轉動而轉動，轉速的快慢決定測速電動機所產生的電壓，然后通過AD采樣、量化，根據轉換的結果大小來判斷速度的快慢。(2)、光電編碼盤：通過一個帶有孔的光柵，將光柵放在光電發射管和接收管之間，配合比較器電路，將光電接收管的電壓變化轉變為高低電平變化給單片機，單片機根據單位時間內高低電平的數量來判斷速度的快慢 [21]。 (3)、光電編碼器：光電編碼器是一個封閉的光電編碼盤，相比后者優點非常多，長時間使用穩定性高，適應能力強。同時精度也很高，能夠達到500線、1024線、2048線甚至更高。唯一不足就是價格是前兩者的好幾倍甚至幾十倍。 綜上對比，我們考慮到系統的穩定性、PID反饋控制的精度和車子自身體積的限制，最后選用500線AB兩相光電編碼器，可以返回100多個脈沖，PID控制精度足夠，效果非常好。圖47 光電編碼器 道路檢測模塊 道路檢測模塊為小車的“眼睛”。在確定智能車總體方案時，我們選擇光電傳感器的方案。為了獲得更大前瞻距離，為控制系統后續處理贏得更多的時間，在從眾多光電傳感器中選擇了大前瞻的激光傳感器，可以使小車更穩定、快速的行駛。 光電傳感器的原理光電傳感器檢測路面信息的原理是由發射管發射一定波長的紅外線，經地面反射到接收管。由于在黑色和白色上反射系數不同，在黑色上大部分光線被吸收，而白色上可以反射回大部分光線，所以接收到的反射光強是不一樣，進而導致接收管的特性曲線發生變化程度不同，而從外部觀測可以近似認為接收管兩端輸出電阻不同，進而經分壓后的電壓就不一樣，就可以將黑白路面區分開來 [22]。圖48 光電傳感器原理 激光傳感器的設計激光傳感器與普通的光電傳感器原理都是一樣，但是其前瞻能力遠大于普通的光電傳感器，可以達到4050 厘米，對于智能車來說已經足夠。我選用了8個光電傳感器，每4個光電傳感器對應一個接收管，所有的傳感器呈“一”字排布。激光傳感器由兩部份構成，一部份為發射部份，一部分為接收部份 [23]。通過單片機程序發出180KHz 頻率的振蕩波后，經三極管放大，激光管發光；接收部份由一個相匹配180KHz 的接收管接收返回的光強，經過電容濾波后直接接入S12 單片機的PB1 與PB5口，檢測返回電壓的高低。由于激光傳感器使用了調制處理，接收管只能接受相同頻率的反射光，因而可以有效防止可見光對反射激光的影響。圖49 激光傳感器發射與接收電路為了簡化8 路激光傳感器的控制，減少激光傳感器相互之間的干擾，傳感器的控制采用了分時發光的策略，由S12的8個I/O口來控制8組激光傳感器的開斷，這樣接收管就接收不到相鄰傳感器發射的激光了，因而達到了防止相互傳感器之間干擾的目的。第 5章 控制算法設計與實現 軟件流程程序主要用到XS128芯片中的PWM模塊, ECT模塊，I/O模塊等模塊化設計。PWM模塊主要是用來控制前輪舵機和舵機的左右轉向，以及驅動電機的運行；ECT模塊主要是用在速度脈沖采集和傳感器信息采集上，捕捉中斷并計算處理；I/O模塊主要是用于控制激光的發射和接收，以及接收和輸出各種控制信號。開機后，對所有硬件進行初始化，完成之后，PPT定時中斷，對激光管掃描發射，并接收信號進行采樣保存。 在掃描完之后，開始處理采樣數據，并計算出當前黑線與車身的相對位置。單片機根據當前位置決定隨動舵機擺角的大小以保證緊跟黑線。單片機再根據上舵機PWM值與光點所得到的位置綜合給出下舵機的PWM值。 單片機根據舵機的打角，經過復雜運算與處理得到速度期望值，并結合當前速度值對電機控制如加速、減速、電機反轉和反向剎車制動等。速度控制采用PID控制算法實現閉環控制。總體流程圖如下：定時中斷提取黑線判斷賽道信息程序初始化開始循環獲取當前車速設定速度與舵機PWM給出操作指令圖51 軟件程序流程圖 速度控制算法所謂速度控制，就是智能車可以根據路況信息調整速度，判斷是該加速、減速，還是該剎車。我采用的是增量式 PID 控制算法來實現速度控制。PID 控制理論： 在模型車控制器中，比較常用的一種控制器為PID 調節器。PID 調節在連續系統中應用比較成熟。它具有許多特點，如不需要求出數學模型、控制效果好等， 特別是在微機控制系統中，對于時間常數比較大的被控對象來說，數字PID 完全可以代替模擬PID 調節器，應用更加靈活，實用性更強 [24]。PID 調節器是一種線性調節器，其框圖如下所示：KpKiKd對象r e u yD(S)_圖 52 PID 控制器原理圖比例調節器（P）是一種簡單的調節器，式中Kp 為比例系數，e 為偏差。比例調節器與偏差成比例調節，調節及時，誤差一旦產生，調節器立即產生控制作用，使被控量y 向減小偏差的方向變化，但這種調節使得被調量存在靜態誤差，因為調節作用是以偏差的存在為前提條件的。增大可以減小靜態誤差，但不能完全消除，而且過大會產生振蕩。積分環節為對誤差的積分作用，積分調節器的突出優點為，只要被調量存在偏差，其輸出的調節作用便隨時間不斷加強，直到偏差為零，減小靜態誤差 [25]。但積分調節器動作過于遲緩，因而在改善靜態品質的同時，往往使調節的動態品質變壞，過渡過程時間加長。積分調節器可以通過檢測誤差的變化率來預報誤差，根據誤差變化趨勢， 產生強烈的調節作用，使偏差盡快消除在萌芽狀態。微分作用主要用來加快系統的響應速度，減小超調，克服振蕩。將P、I、D 三種調節規律結合在一起，既快速敏捷，又平穩準確，只要三者強度配合適當，便可獲得滿意的調節效果。 經過一定的采樣周期離散化后，數字PID 公式為: