武汉大学光之影智能汽车邀请赛技术报告文档格式.docx
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第五章控制策略..................................................................19
5.1转向控制策论.............................................................................................19
5.2速度闭环控制策论.....................................................................................20
第六章结论..........................................................................22
6.1赛车主要技术参数.....................................................................................22
6.2开发调试工具.............................................................................................23
参考文献
附录
第一章引言
“Freescale”杯全国大学生智能汽车是教育部主办的全国五大竞赛之一，该比赛提供了的专用汽车模型，轮胎，可充电式电池，直流电机，舵机等器件，用微控制器芯片MC9S12DG128B作为智能模型车的主控芯片，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的大学生课外科技创意性比赛。
经过第一届和第二届的比赛，各参赛队伍的竞技水平得到了很大的提高，参赛队伍也增多了，比赛规模也扩大了。
通过比赛，学生的知识融合和实践动手能力得到了锻炼和提高，高等学校控制和汽车电子学科学术水平也在实践中得到了展现和提升。
比赛要求参赛选手使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，采用飞思卡尔16位微控制器MC9S12DG128作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等，完成智能车工程制作及调试工作。
根据比赛要求，赛车制作的重点在于要求赛车自动循线前进，针对这一点，本队的设计思路如下：
首先，选择合适的传感器实现道路识别。
根据前两届比赛的经验，有摄像头，光电管两种传感器可供选择，考虑到光电管的信号采集，处理容易，只要选择合适的光电管，保证信号采集的正确性和可靠性，就可以达到设计目的，因此我们挑选了多种光电管，最后选用了SI5312PT1302型光电管，这种光电管能够很好的满足我们的需求。
其次，在有道路识别系统的基础上还要保证舵机能够有较好的转弯控制策略，为了更好的完成这个目标我们对舵机进行了改装，优化了舵机的转向性能。
再次，为了保证赛车具有一个较快的速度，我们采用了H桥电路来为驱动电机，保证了赛车能够在需要时迅速加速到一个较大的速度值，取得了很好的效果。
最后，为保证赛车能够准确循线而不冲出跑道，我们采用了反转电机的方法在小车即将冲出时进行紧急刹车，保证了赛车的安全行驶。
小车的控制核心是微控制器MC9S12DG128，这是一款功能强大的单片微型计算机，在赛车中我们主要用了该芯片的定时器功能，脉宽调制功能，模数转换功能，串口通信功能，中断功能，数据处理、逻辑运算功能和输入输出功能。
为了使赛车的重量减轻，电路和外围电路尽量少，我们自己做了一块控制电路板，将所有的电路都集中在这一块电路板上，同时对这块控制板进行了优化，使它的体积和重量都尽可能小。
经过这一改造，赛车的机构得到了简化，也避免了使用多块电路板，小车在硬件上得到了优化。
为了实现赛车的功能，我们还使用了红外对射式编码器来测速，形成速度的闭环控制，最后确定的小车如下图所示：
在控制策略上，我们采用了对舵机进行曲线拟合的方式拟合出舵机曲线，并用该曲线来控制赛车转弯。
在速度的控制策略上我们采用了传统的PID控制和Bang_Bang控制相结合的控制方式，改善了赛车的响应情况，使赛车能够平稳的减速，以较低的速度进入弯道。
经过一系列工作，我们的赛车可以顺利的转向，并以较高的速度前进。
第二章赛车系统整体设计
一硬件设计
1.道路识别系统的硬件设计
相对与光电传感器而言，基于图像的摄像头方案能够获得更多的赛道信息，感知赛车前方更远距离的赛道变化，从而为控制提供更好的决策依据。
但是由于摄像头固有特性采集到的图像总是与实际有20ms的延迟，并且在图像采集和路径识别方面复杂程度高于光电管方案，信号的处理，计算也耗时很多，所以我们绝定采用信号的采集，处理都很容易的光电管方案。
比赛要求使用的传感器数目不得超过十六个，由于使用了一个红外测速传感器，所以用于道路识别的光电管数目最多只能是15个。
考虑到光电管看的越远，舵机的反应时间就越长，过弯的安全性就越高，因此我们挑选了可以看40厘米远的SI5312/PT1302型光电管，为了增大视野，我们将光电管架高，采用模拟量信号来控制。
同时经过实验我们发现在高处的光电管对于近处的情况判断精确度不够，而大赛要求赛车必须能够在起跑线处停车，高处的光电管对识别起跑线作用也有限，因此仅采用高处的光电管难以完成比赛要求。
另一方面，如果将所有的光电管安装在低处，采集的信号可以直接当作数字量处理，信号的采集，处理都得到了简化，但是光电管安装在低处其视野有限，如果不采用记忆算法，那么赛车很难以一个较高的速度过弯，同时舵机的反应时间也不够，转向也不灵敏。
综合以上两点，我们最后决定采用高、低两排光电管，各取所长，用高处的光电管分析路况，用低处的光电管检测起跑线。
考虑到对称性，我们在高处用了9个光电管，低处用了五个光电管。
为了减少外界光线和其他光电管的光线对本组接收管的影响，我们在每个光电接收管上都套上了一个约1.5厘米长的热缩管。
经检验套上热缩管后光电管的检测性能大大提高。
2.核心电路板
本次智能车比赛采用的MC9S12DG128（简称DG128）是Freescale公司（飞思卡尔，前摩托罗拉公司半导体部门）推出的S12系列单片机中的一款增强型16位单片机，片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、IIC、A/D、PWM等，在汽车电子应用领域具有广泛的用途。
DG128单片机采用增强型16位HCS12CPU，片内总线时钟最高可达25MHz；
片内资源包括8KRAM、128KFlash、2KEEPROM；
SCI、IIC、SPI、PWM串行接口模块；
脉宽调制（PWM）模块可设置成4路8位或者2路16位，逻辑时钟选择频率宽。
它包括两个8路10位精度A/D转换器，控制器局域网模块（CAN），增强型捕捉定时器并支持背景调试模式。
DG128有112pin和80-pin两种封装形式，80-pin封装的单片机没有引出用于扩展的端口，只引出了一个8路A/D接口。
考虑到赛车使用了14个光电管，同时转换需要14路A/D,故我们选用了112脚的单片机。
清华大学提供80引脚单片机的开发板，我们使用112脚的，同时考虑到直接使用开发板的话需要对电极设计另一块驱动电路，并且开发板不是专为赛车设计的电路板，因此它的电路并不是最简，开发板的体积可以减小，重量也可以相应减轻，所以我们决定自行设计赛车的电路板、。
电机驱动电路上一届有部分赛车使用了MC33886，我们对该芯片进行了性能测试，由于电机的驱动电流很大，使用一片33886是不行的，使用两片时芯片发热严重，使用散热片后发热情况仍很严重，只能使用三片，即使使用三片，电路的驱动能力仍然有限。
考虑到33886的原理是用到了H桥全桥电路，因此我们在上届师兄的帮助下设计了一个H桥驱动电路，该电路的驱动能力比33886强很多，能够满足电机的驱动，同时又于直接采用CMOS管，暴露在空气中的CMOS管散热能力非常好，因此电路可以持续驱动电机很长时间而不会因发热过于严重而出现事故。
考虑到电路的简洁性，我们最后将H桥驱动电路和核心控制电路做在了同一块电路板上，经过这样的改造，电路模块的重量大大减轻，电路的复杂程度也得到了一定的降低，将各模块做在一块电路板上，直接取消了电路板间的飞线，电路的整体安全性和稳定性都得到了提高，同时由于采用了H桥电路，电机的驱动能力也得到了显著提高，为赛车的高速行驶提供了一个必备的条件。
二．软件设计
有了安全可靠的硬件，还必须要有优质的软件支持赛车才能完成比赛任务，软件需要完成的任务有：
1.模数转换后读取光电管检测到的数据并获取赛道信息，读取编码器数据，获得速度值2.根据赛道信息计算舵机转角，3.根据赛道信息和速度返回值计算PWM波占空比确定速度值。
此外，还要编写调试和通信模块。
考虑到赛道信息检索的周期性，可以将程序放入死循环中周期执行。
程序的流程图如下图所示：
核心控制板使用了开发板上使用的16M晶振，考虑到光电管的数据处理与摄像头相比相对容易，计算和逻辑运算速度很快，所以我们没有选择超频，总线频率仍为8MHz。
由于我们的道路检测光电管是间歇式点亮，点亮时间为1ms，考虑到芯片CPU的信号处理和计算时间和舵机，电机的响应时间，我们最终把定时器中断时间即系统的控制周期为10ms。
如果赛车的控制周期过长，则系统的灵敏度低，在赛车遇到弯道时将不能够及时转弯，可能冲出赛道；
如果控制周期过短，则舵机动作频繁，容易出现抖动，经检验，赛车的控制周期为10ms可以较好的满足赛车的要求。
第三章赛车机械结构调整
1.舵机的安装方式的调整
舵机是赛车转向的驱动装置，其性能的好坏直接关系到赛车的转向性能和弯道的极限速度。
车模上舵机的原安装方式是平装，舵机对左轮和右轮的驱动力臂不一样长，因此赛车在左转时的转弯特性和右转时的转弯特性相差较大。
为了改善这一缺点，我们初步决定将舵机改装，并装成左右力臂等长的形式。
舵机的工作原理是一个电机通过几次齿轮啮合带动舵机壳外部的驱动齿轮，舵机的工作电压是4.8—6.0V，为了使舵机更灵敏，我们选择了6V的工作电压。
在6V的工作电压下，舵机的扭转力矩是6.5Kg*cm左右，转动角速度为0.16sec/60度。
由于前轮的左右两根水平驱动杆和舵机的驱动柄相连，前轮的转角和两根水平驱动杆的移动距离之间就存在确定的函数关系，而驱动杆的移动距离又和舵机驱动柄的移动距离存在一一对应的关系。
在一定的转角范围内，舵机的转角一定时，舵机的驱动柄越长，水平驱动杆的位移越大，前轮的转角也越大，因此，我们对舵机的驱动臂进行了一定的加长，用自己制作的驱动臂代替了车模本身的塑料驱动臂。
经过这一改造，舵机只需要转过一个较小的角度，前轮就会转过一个较大的角度，舵机的灵活性得到了显著提高。
最后，为了使前轮附近的重心更靠近赛车的中轴线，我们决定将舵机竖起来安装，这样即解决了驱动臂加长以后水平安装空间不够的问题，又改善了赛车的机械结构。
为了使舵机能够稳定的安装，我们为舵机量身定做了一个起固定作用的铝片，将舵机固定在铝片上之后，再用螺丝和铜柱将铝片固定到赛车的底板上，这样，舵机就被改造完成并得到了安装。
改装完成后的舵机安装方式如下图所示
2.光电管固定系统的结构设计
我们的、赛车采用了上下两排光电管的结构，对于它的固定方式，参考上一届的赛车，我个人认为可以分为如下三种：
1.向前平伸固定；
2.蛇形弯曲向前固定；
3.斜向上方固定；
4.支架固定前伸式。
向前平伸方式固定光电管的方式适合于直接使用数字量进行控制的赛车，因为这种安装方式下光电管距离地面近，对赛道的信息获取准确，光电接收管获取的黑线，白线信息的电平数值理想，可以直接送入I/O口进行读取和处理，信息的处理容易，但是，这种安装方式的赛车在有坡道的赛道上无法完成坡道段的比赛，限制了它的使用。
综合起来看，这种固定方式下进行数字量控制，对赛道信息提取准确，可以很好的运用记忆算法对赛道信息进行提取和记忆，同时它的信号处理容易，运算量小，可以节省出大量的时间用来完成记忆算法的相关计算。
因此，在没有坡道的赛道上，这种方法具有很大的优势。
向前平伸固定法的固定方式如下图
蛇形弯曲向前固定法采用柔韧性相对较好的材料做成一个向前伸出的弯曲的支架，支架先向前上方弯曲后逐渐转向水平，在支架的最前端水平固定光电管。
这种固定方法和向前平伸的固定方式相比，保留了向前固定法中光电管距离地面近，获取赛道信息准确的优点，同时，由于采用了蛇形弯曲，提高了光电管的高度，解决了采用向前固定法的赛车不能在坡道上行驶的问题。
因此，蛇形弯曲向前固定法也可以用在使用了记忆算法的赛车上。
但是，也正是因为蛇行弯曲向前固定法光电管的固定高度相对较高，因此其信号采集相对也较复杂。
采用一般的光电管在蛇行弯曲向前固定法中采集的信号不能当作数字量处理，必须送入A/D转换器作为模拟量处理或者在信号输入电路中加入比较器然后再作为数字量处理。
综上可知，蛇行弯曲向前固定法的信号采集处理相对较复杂，赛车可以通过坡道，可以在记忆算法中作为关电管的固定方式。
斜向上固定方式中将一段直的材料在某一点处弯折，形成两段直线，其中一段固定在车模底板上，另一段斜向前伸出用于固定光电管。
这种固定方法中需要使用柔韧性和刚性都较好的材料，例如稍厚一点的铝条。
这种固定方法中光电管的固定位置较高，一般将采集到的信号做为模拟量处理送入A/D口。
支架固定法是先做一个直立的一个支架，然后在支架上伸出用于固定的材料固定光电管的方法，这种方法的优点是光电管的高度，光电管伸出车头的长度可以任意调整，稳定性也很好。
下面这张图片是我们采用的车模固定方式，图中可以看到，由于采用了许多的三角结构，支架很牢固，同时光电管的可调整性也在图中可见一斑。
我们采用的支架固定法中使用了带孔的螺纹条，使得光电管固定工作的稳定性和可调整性得到了完美的解决，同时，由于采用了三角形结构，支架的稳定性也非常好。
3.其他方面的调整
智能车大赛使用的车模统一为国产的仿制韩国爱德美公司Matiz系列1:
10模型车，该模型底盘采用等长双横臂式独立悬架，当车轮上下跳动时，车轮平面没有倾斜，但轮距会发生较大变化，故车轮发生侧向滑移的可能性较大。
为此，我们对车体进行了一些改进。
调整主销后倾角可以改变模型车转向系统的性能，后倾角越大，车轮偏转后自动回正的力越大，轮胎与地面的摩擦力也相应增大。
经过实际测试发现，比赛用的跑道摩擦系数较小，且赛车中心偏后，前轮与路面间很容易打滑。
赛车在高速入弯时打滑严重，因此需要调整主销后倾角，以增大其与地面的摩擦。
同实际汽车一样，底盘越低，赛车的重心越低，稳定性也越好，所以需要将模型车的底盘调整至尽量低。
考虑到比赛中存在坡道，过低的底盘可能会造成赛车无法上坡，我们将车体的底盘高度确定在11mm上，即提高了车辆的稳定性，也不会对赛车上坡造成影响。
除了对车辆重心纵向的调整之外，车辆重心的前后方向调整，对赛车行驶性能，也有很大的影响。
根据车辆运动学理论，车身重心前移，会增加转向，但降低转向的灵敏度（因为大部分重量压在前轮，转向负载增大），同时降低后轮的抓地力；
重心后移，会减少转向，但增大转向灵敏度，后轮抓地力也会增加。
因此，调整合适的车身重心，增强车模对赛道的适应能力是很重要的。
但是由于赛道未知，只能通过改善舵机转向性能和增强后轮驱动能力来提高赛车的适应能力。
根据实际调试经验，鉴于舵机响应延时比较严重，经常在普通弯角出现转向不足的问题，因此，需要将赛车重心适当前移，增加转向性能。
转向灵敏度的降低，只体现在S形弯道上，可以通过算法弥补。
通过以上对车模结构进行的调整，可以增加后轮抓地力，改善前轮转向性能，为小车获得了很好的机械支撑。
经过舵机安装方式的调整，光电管的合理固定以及对模型车的适当改造，赛车初步具备了顺利完成比赛的基本条件。
经过调试，小车的性能不仅能够完成比赛，而且比未经改造前有了明显的提高。
改造后车模的稳定性，转向的灵活性，过弯的性能都得到提高。
第四章
赛车的模块化设计
1.道路识别模块
众所周之，摄像头赛车比光电管的赛车速度快，其中一个重要原因就是摄像头能够看的远，而其可以利用远处、近处的多行信息，从而可以使舵机有更多的反应时间，并且可以进行趋势判断。
如果光电管能够看得适当远，也可以大大增加舵机的反应时间，从而使赛车在弯道上具有更好的表现。
为了更好的完成道路识别功能，我们首先对光电管的型号进行选择，选择能尽可能看的远一些的光电管，最终我们选择了SI5312PT1302型光电管，它最远可以看到40cm，这对光电管型赛车来说已经足够好了。
有了可以看得较远的光电管，还要由合理的安装方式，在安装方式上要想使光电管看的远，有两个办法，一个是让光电管尽量前伸，另一个是调整光电管的高度的同时增大光电管与铅垂线的夹角。
第一个方法首先受到了车模尺寸参数的限制，大赛要求车模的宽不得超过250mm，长度不得超过400mm，因此，光电管在前伸以后赛车的总长受到不超过400mm的限制。
同时，光电管前伸使车模的重心前移，前伸太大也会对车模的整体性能带来消极影响。
第二个方法中，光电管的安装高度不能太高，太高以后反而会减小光电管看的距离，同时安装太高会使赛车的重心大大升高，导致赛车的稳定性下降。
增大光电管与铅垂线的夹角时，夹角的增大使光电管看的更远的同时也使光电管发射光的反射强度大大减小，使信号的采集难度增大，因此，光电管的高度和光电管与铅垂线的夹角的调整必须在保证赛车稳定性和能够接收到有效信号的前提下进行。
综合考虑这两种方法并经过多次试验和验证，我们最后把光电管的高度定在离地200mm，光电管前伸距离定在70mm，光电管与铅垂线的夹角定在45度左右。
我们的车架可调性很好，因此上述参数在不同的光线条件下还会进行一些微调。
针对低处的光电管，其主要目的是为了检测起跑线和进行近处的赛道信息提取，因此这一排光电管的离地高度较低，在80mm左右，前伸在65mm左右，光电管与铅垂线的夹角也在40度左右。
在我们用于进行道路识别的两排光电管中，高处的电路板由18个发射管和9个接收管组成，每两个发射管和一个接收管管为一组，均匀对称的分布在电路板上。
其中，18个光电发射管由芯片1083供电，正常工作电压在1.3V左右，9个接收管经47K上拉电阻后由主控板的5V电源电压供电。
正常工作时对黑线、白线的采样值的差值约为0.7V。
低处电路板的发射管经200欧电阻后由主控板的5V电源电压供电，接收管经47K上拉电阻也由主控板的5V电源电压供电，正常工作时对黑线、白线的采样值的差值约为0.9V。
这两快电路板采集的信号都将送入A/D转换器转换成数字量后再进行处理。
A/D转换器的参考低电压是1.8V，参考高电压是5.0V。
转化成数字量后，高处光电管的信号进行提取黑线位置后用于控制舵机的转角和速度控制，低处的光电管信号进行黑白判断后用于进行起跑线识别。
当高处的光电管看不到黑线或信号错误，例如存在突变或看到交叉线时，将用低处的光电管信号暂时控制舵机，如果两排光电管同时看不到黑线，则保持上一次的舵机偏转量，同时赛车减速。
2.赛车转向模块
赛车转向的核心控制元件是舵机，前文中在机械结构调整一章中已详细叙述了对舵机力臂和安装方式的改造，经过改造，舵机的灵活性得到了大大的提升，满足了及时转向的要求，同时，更加合理的安装方式也让赛车的转向性能得到了明显的优化。
硬件的问题解决以后，摆在我们面前的就是舵机的控制策略问题。
针对舵机的控制策略，我们想到了两种来控制舵机，第一种是用传统的PID调节法控制舵机，第二种是对PWM占空比和前轮转角之间建立数学模型，通过曲线拟合求出二者的函数关系，再用这种关系来控制舵机。
首先说PID控制法。
PID控制是经典控制理论的一个重要成果，其鲁棒性强，适应能力好，在许多领域得到了广泛的应用。
在舵机控制中，鉴于单片机上实现的PID控制为离散时间的控制，我们用了离散式PID控制规律对小车进行闭环控制。
以位置式数字PID为例，其控制规律算式为
其中U为控制输出，
分别为P、I和D系数,
第i次控制周期的偏差。
在实际应用中，由于舵机的延迟较大，当出现大的偏差值时，需要一定的时间舵机才能将相应的偏差减小和消除，因此，如果采用积分，很容易就会出现积分饱和的现象，具体体现在赛车的震荡蛇行上，同时，由于在直道上行驶时赛车的中心和黑线的中心往往不重合，而是存在一个较小的偏差，但是经过积分作用这个偏差值将会被放大，造成赛车进行不必要的转向，造成直道上的蛇行。
虽然在较大偏差时积分作用可以减小偏差，但考虑到它的不良影响，我们在实际用只用了PD控制，这样即
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