电磁智能车.doc

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1、摘 要随着智能交通系统（ITS）的研究在各国越来越被重视，智能车的控制技术也成为一项新兴技术，教育部决定举办基于高速发展的智能车技术为背景的“飞思卡尔杯”全国大学生智能车大赛。 本设计以第六届飞思卡尔杯全国智能车大赛为背景，系统以飞思卡尔公司的16位微控制器MC9S12XS128作为核心处理器，并综合了传感器技术，自动控制技术，信号处理技术，单片机技术，采用LC 谐振回路感应电磁信号寻迹方案，同时配合编码器、电机、舵机、电池以及相关驱动电路来进行信息的处理，使车模能够以最合适的速度自主循线,并通过PID 方式对电机和舵机进行相关调节，最终以闭合回路的形式控制模型车高速稳定地在跑道上行驶，使车具

2、有更强的稳定性与瞬时提速性能。在文中详细介绍电磁智能车的设计方案，其中包括机械结构的安装与调整、硬件电路的设计与制作、信号采样策略、舵机的转向控制、速度的闭环控制，以及与此次竞赛相关的各类调试方法的思路和用到的相关调试工具。关键词：微控制器； 电磁感应； PID； 自主循线； 闭环控制；AbstractWith the study of the intelligent Transportation System (ITS) in the States are being taken seriously, Intelligent vehicle control technology has be

3、come an emerging technology. With the fast development of the intelligent vehicle technology, The Ministry of Education holds the “Freescale Cup” National University Smart car Competition.This design builds an intelligent vehicle control system based on the MC9S12X- S128 microcontroller，and combines

4、 sensor 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 the guiding wire. After processing the signal, CPU drives the car by co

5、ntrolling motor and steer engine and stops the car by distinguishing the termination by read switches. Throughout the race, the algorithm of PID contributes to tracing route and controlling pace.It also can monitor cars performance and timely modify the drive parameter. The model system syncretizes

6、intelligence and humanity, and shows outstanding security and stability. The system provides valuable experiences for further researches in coming future.Key Word: Microcontroller;Electromagnetic induction ;PID;Self through the line;Closed-loop control目录1绪论12智能汽车控制系统总体设计12.1 总体设计思路12.2 系统硬件结构22.3 系统

7、软件结构33智能汽车机械系统调整与安装43.1 前轮参数调整43.1.1 主销内倾角43.1.2 主销后倾角43.1.3 前轮外倾角53.1.4 前轮前束53.2 后轮差速机构调整53.3 齿轮传动机构调整63.4 舵机安装调整63.4.1平躺式固定73.4.2 站立式固定73.5电路板的安装83.6速度传感器的安装83.7传感器的安装94智能汽车硬件电路设计104.1 电源模块104.2 传感器模块104.3 单片机模块114.3.1时钟电路114.3.2复位电路124.3.3串口电路124.4 驱动模块144.5 起跑线检测模块145智能汽车控制算法与软件设计155.1 系统初始化155.

8、1.1 AD初始化155.1.2 PWM初始化155.1.3 串口初始化165.2 磁场信号的提取与处理175.3 PID 控制算法及智能车中的应用175.3.1 PID 控制算法简介175.3.2 转向控制的PD 调节205.3.3 速度控制策略205.4 起跑线检测216开发与调试226.1软件开发环境介绍226.2智能车整体调试236.2.1舵机调试236.2.2电机调试236.2.3整体调试247总结24参考文献26致 谢27IV基于电磁传感器的智能车控制1绪论为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革，受教育部高等教育司委托，由教育部高等自动化专业教学指导分委员

9、会（以下简称自动化分教指委）主办全国大学生智能汽车竞赛。该竞赛以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。该竞赛以 “立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神，为优秀人才的脱颖而出创造条件。 该竞赛由竞赛秘书处为各参赛队提供/购置规定范围内的标准硬软件技术平台，竞赛过程包括理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节，要求学生组成团队

10、，协同工作，初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的全过程。该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。该竞赛规则透明，评价标准客观，坚持公开、公平、公正的原则，保证竞赛向健康、普及，持续的方向发展。 本文以第六届全国大学生智能汽车竞赛为背景，为了保证智能汽车能够具有迅捷的速度、远而清晰的前瞻以及较高的灵敏度与稳定性，从软硬件方面对系统进行了优化。2智能汽车控制系统总体设计2.1 总体设计思路全国智能车比赛过程核心是速度与稳定性权衡的过程，在保证赛车冲不出跑道的情况

11、下追求速度最快，用时最短。因此，获取有效、可靠的赛道信息以及实施合理的控制策略是保证比赛取得好成绩的先决条件。该电磁智能车，是以黑线通有100mA左右、20K 的交流信号线为引导线，依据电磁感应的原理我们用LC 谐振回路为传感器来采集信号，这样采集到的信号是20K 的交流信号，但是信号强度很小，最后用三极管对采集到的信号进行放大，最终将此信号送给单片机进行处理。电磁感应传感器与以往的光电和摄像头组的传感器相比较，消耗的功率小了，但是其前瞻受到了明显的限制。在控制策略方面，主要包括转向控制和速度控制。对于舵机的转向控制，我们采取经典的位置式PD 算法，通过判断传感器检测到的直道或弯道信号给不同的

12、PD 参数，以达到不同的效果。对于电机的速度控制策略，采用PID 调节的同时引入反转制动刹车电路，使得小车在直道可以尽快加速并能保证在过弯时迅速减到过弯的速度，使得小车可以快速行驶。对于机械结构方面，根据比赛情况的需要，对小车的机械结构进行合理安装和调整，比如说重心的前后高低、两只前轮的倾角、编码盘的安装、舵机的安装、悬挂的松紧，主板的放置等，以保证小车稳定、快速的行驶。各个方面的之间的联系如下图所示：图2.1 智能车总体结构图2.2 系统硬件结构1) MC9S12XS128处理器：该模块是整个系统的核心和大脑部件，所有的信息都要由它处理，结合该处理器，我们使用了最小系统。2) 采集模块：采集

13、模块主要有赛道信息采集和速度采集。我们经过比较在赛道信息采集方面，我们用了电感；而在速度采集方面， 我们选用了编码器。3) 驱动模块：主要有电机驱动和舵机驱动。该系统采用的是自行搭建的由场效应管组成的H桥，效果很好。我们使用单独一个稳压芯片给舵机供电。 4) 电源模块：主要用到的5V LM294。5) 调试模块：调试模块主要用到BDM。 2.3 系统软件结构系统硬件是整个系统的基础，系统软件结构则根据硬件和控制需求来制定。系统的基本软件流程为：首先，对各功能模块和控制参数进行初始化。然后，通过电磁传感器采集到的数据获取前方赛道的情况，同时通过速度传感器模块获取赛车的速度。采用PD 对舵机进行反

14、馈控制。另外根据检测到的速度，结合速度控制策略，对赛车速度不断进行适当调整，使赛车在符合比赛规则的前提下，沿赛道快速行驶。图2.2 软件系统框图3智能汽车机械系统调整与安装车模的机械部分是影响其行驶性能最直接的部分，其重要性不言而喻。一个不良的机械系统会增加控制的难度，会为车模的速度提升带来障碍。因此，车模的机械性能应该是优先考虑的问题。3.1 前轮参数调整 调试中发现，在赛车过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而增大。为了尽可能降低转向舵机负载，对前轮的安装角度，即前轮定位进行了调整。 前轮定位包括主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束四个内容。车轮定位的作用是使汽车保持稳定的

15、直线行驶和转向轻便，并减少汽车在行驶中轮胎和转向机件的磨损。 3.1.1 主销内倾角 从车前后方向看轮胎时，主销轴向车身内侧倾斜，该角度称为主销内倾角。当车轮以主销为中心回转时，车轮的最低点将陷入路面以下，但实际上车轮下边缘不可能陷入路面以下，而是将转向车轮连同整个汽车前部向上抬起一个相应的高度，这样汽车本身的重力有使转向车轮回复到原来中间位置的效应，因而舵机复位容易。 此外，主销内倾角还使得主销轴线与路面交点到车轮中心平面与地面交线的距离减小，从而减小转向时舵机的拉力，使转向操纵轻便，同时也可减少从转向轮传到舵机上的冲击力。但主销内倾角也不宜过大，否则加速了轮胎的磨损，在调整时可以近似调整为

16、03左右，不宜太大。 3.1.2 主销后倾角 从侧面看车轮，转向主销(车轮转向时的旋转中心)向后倾倒，称为主销后倾角。设置主销后倾角后，主销中心线的接地点与车轮中心的地面投影点之间产生距离(称作主销纵倾移距，与自行车的前轮叉梁向后倾斜的原理相同)，使车轮的接地点位于转向主销延长线的后端，车轮就靠行驶中的滚动阻力被向后拉，使车轮的方向自然朝向行驶方向。设定很大的主销后倾角可提高直线行驶性能，同时主销纵倾移距也增大。主销纵倾移距过大，会使舵机沉重，而且由于路面干扰而加剧车轮的前后颠簸，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

17、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。 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。 3.1.3 前轮外倾角 从前后方向看车轮时，轮胎并非垂直安装，而是稍微倾倒呈现“八”字形张开，称为负外倾，而朝反方向张开时称正外倾。前轮外倾角对汽车的转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。前轮外倾角俗称“外八字”，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

18、。所以事先将车轮校偏一个外八字角度，这个角度约在1左右。 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。 3.1.4 前轮前束 脚尖向内，所谓“内八字脚”的意思，指的是左右前轮分别向内。采用这种结构目的是修正上述前轮外倾角引起的车轮向外侧转动。如前所述，由于有外倾，舵机转向变得容易。另一方面，由于车轮倾斜，左右前轮分别向外侧转动，为了修正这个问题，如果左右两轮带有向内的角度，则正负为零，左右两轮可保持直线行进，减少轮胎磨损。如图下图所示。图3.1 轮前束示意图3.

19、2 后轮差速机构调整 差速机构的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动；并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。 当车辆在正常的过弯行进中 (假设：无转向不足亦无转向过度)，此时4 个轮子的转速(轮速)皆不相同，依序为：外侧前轮外侧后轮内侧前轮内侧后轮。此次所使用车模配备的是后轮差速机构。差速器的特性是：阻力越大的一侧，驱动齿轮的转速越低；而阻力越小的一侧，驱动齿轮的转速越高以此次使用的后轮差速器为例，在过弯时，因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小，轮速便较高；而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便较低。 差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙，过松过紧都会使差速器性能降低，转弯时阻力小

20、的车轮会打滑，从而影响车模的过弯性能。好的差速机构，在电机不转的情况下，右轮向前转过的角度与左轮向后转过的角度之间误差很小，不会有迟滞或者过转动情况发生。 3.3 齿轮传动机构调整 车模后轮采用BTS7970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，后轮轴传动轮齿数为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，从而影响到最终成绩。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

21、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。 3.4 舵机安装调整 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。而舵机的固定方式也在一定程度上决定了比赛的成败。舵机转向是整个控制系统中延迟较大的一个环节，为了减小此时间常数，通过改变舵机的安装位置，而并非改变舵机本身结构的方法可以提高舵机的响应速度。下面介绍两

22、种方案，分别分析其性能。3.4.1平躺式固定 这种固定方式是车模上舵机的原安装方式. 优点： 1）重心底，接近地盘，有利于车模的稳定。 2） 两臂前轮不等长，有利于车模的转弯。（这里纠正一点误区，很多人认为前轮的两臂等长最好，其实不然。如果你是汽车专业的话 你就会明白他的原理，汽车上的转向都是一边长一边短的，转向时内侧是要比外侧的转角要大，才有助于转向的。） 缺点： 1）在舵机和角度调节头之间有介子作为受力缓冲作用的。但这在比赛中会延缓前轮的反应时间。最好用AB胶将其固定死。 2）舵机的力臂太短。相比后两种固定方式，舵机在相同的转角下，前轮转角会小得多，这在比赛中是很不利的。因为舵机转角是需要

23、时间的，这样就延缓了前轮的转动效率。 3.4.2 站立式固定 这种固定方式是舵机竖立在车身中间位置。用两等长的前轮拉杆住链接前轮。 优点： 1）力臂长，前轮的反应速度是平躺式的三倍左右（由于力臂的长度会有所不同，力臂越长，反应越快）。这里请注意一点，力臂过长可能导致力矩不足，反而导致前轮转不到位。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。建议力臂在3.5-4cm之间。 2）两拉杆轴是等长的，所以车的左右转是相同的。这里说明一点，两拉杆轴是等长并不和上述“转向都是一边长一边短”相矛盾。因为我们的最终目地是使车模在转向时，内侧前轮要比外侧的转角要大

24、。当舵机转动力臂时，由于力臂的尾端是按曲线运动的，导致两前轮的转角不同，内侧前轮要比外侧的转角要大。 缺点： 1）使车模车头整体重心过高，影响车模的稳定性！经测试，由于舵机固定的比较稳定，此方案对小车的稳定性影响几乎为零。 分析舵机控制转向轮转向的原理可以发现，在相同的舵机转向条件下，转向连杆在舵机一端的连接点离舵机轴心距离越远，转向轮转向变化越快。这相当于增大力臂长度，提高线速度。针对上述特性，我们改变了舵机的安装方式，选择了站立式安装，将舵机立起来安装在车的中轴线上，使得左右两轮的力臂一样大，有利于转向。 3.5电路板的安装电路板是模型车上的核心部分，在安装时，考虑到电路板的稳定性和模型车

25、的重心等问题，我们把电路板做的比较小。图3.2智能车整体3.6速度传感器的安装为了不影响加速性能，编码器的传动齿轮选择相对较小，齿轮之间呈水平状态。这样安装齿轮咬合很好，即避免由于齿轮咬合太紧以致加重负载，同时也避免了因过松而出现的在转动中齿轮撞击的现象，并减少电机的摩擦损耗和噪音。图3.3 速度传感器3.7传感器的安装 传感器的安装，为了获得尽可能大的前瞻，我们将传感器装在车的最前端。传感器的稳定性直接关系到小车行驶状况的好坏，所以，必须将其固定牢固。图3.4 电磁传感器4智能汽车硬件电路设计电磁组智能车的硬件系统主要有以下几个模块组成：传感器模块、单片机模块、电源模块和驱动模块，以及调试模

26、块。为了调整整体车重心的稳定，我们将各个模块分散布局，下面将各个模块详细介绍。4.1 电源模块电源模块为整个系统提供电力供应，其工作的稳定性直接关系着小车其他电路模块的正常工作，重要性不言而喻。在设计电源模块时，首先应综合考虑各模块电路对电源功率的需求，然后根据需求选择相应的稳压芯片。集体原理图如下：图4.1 电源模块4.2 传感器模块电磁组的赛道信息是由20kHz、100mA 的交流电源流经导线产生的交变磁场，如何将磁场信息检测出来是传感器设计的第一步。在具体的设计过程中，我们选择了最传统的电磁感应线圈方案，这种方案的原理简单，电路较易实现，并且设计出来的传感器体积小、价格便宜、功耗低，可以

27、满足小车竞赛循迹的要求。比赛选择20kHz 的交变磁场作为路径的导航信号，在频谱上可以有效避开周围其他磁场的干扰。可以利用LC 并联电路来实现选频电路，对感应信号进行有效的放大。市场上购买比较方便的是10mH 的电感，根据LC 并联谐振公式：可以计算出选频所需的电容容值约为6.8nf，因此，在实际的电路中，我们选择10mH的电感与6.8nf 的电容并联来实现信号的选频。在查阅了一些参数之后，我们选择s8050对选频信号进行放大，从示波器中，我们看出放大之后的信号较为可观。图4.2 信号放大模块4.3 单片机模块以MC9S12XS128 为核心的单片机系统的硬件电路设计主要包括以下几个部分：时钟

28、电路、复位电路、串口电路。各个部分的功能如下：（1）时钟电路给单片机提供一个外接的16MHz 的无源晶振。（2）复位电路在电压达到正常值时给单片机一个复位信号。（3）串口电路使S12 与PC 机之间建立连接。4.3.1时钟电路本系统采用的是标准的MC9S12 系列单片机的时钟电路，通过把一个16MHz 的外部晶振接在单片机的外部晶振输入接口EXTAL 和XTAL 上，然后利用MC9S12XS128 内部的压控振荡器和锁相环（PLL）把这个频率提高，作为单片机工作的内部总线时钟。原理图如下：图4.3 外部晶振4.3.2复位电路本系统直接采用一个0.1uF 的电容提供低电平复位信号，手动复位按钮在

29、系统调试时的作用很大。原理图如下图4.4 复位电路4.3.3串口电路串口电路S12上的串口接口T，R，G分别与PC机上的2，3，5串口相接使S12 单片机与PC 机之间能够通信，通过软件处理将通过传感器采集到的电压信号又经单片机上AD转换的数值在串口精灵界面显示，可以人性化的知道当前小车所处的状态，串口在调试的过程中发挥着极大的作用。图4.5 S12最小系统原理图4.4 驱动模块驱动电路采用两片半桥元件BTS7970B 搭成全桥电路，可以控制电机的正反转。原理图如下：图4.6 电机驱动4.5 起跑线检测模块通常可以检测恒稳磁场的手段有霍尔元件和干簧管。霍尔元件的优点在于输出信号连续，干簧管的优

30、点是电路简单，对于定性检测变化明显，干扰小。实际测试后发现，两者对于磁铁的敏感度大致相同，同时霍尔元件产生的模拟信号对于后续处理不如干簧管的0、1 跳变直接，因而我们采用了干簧管。图4.7 起跑线检测电路5智能汽车控制算法与软件设计5.1 系统初始化由于我们采集的信号是正弦信号及模拟信号，因此初始化主要包括：AD 初始化、PWM 初始化、SCI串口初始化、锁相环设置。5.1.1 AD初始化MC9S12XS128 单片机的AD 转换模块主要有以下几个特点：8/10 位的转换精度、7us 一次的转换时间可编程采样时间、外部触发控制、转换完成中断、连续转换模式、1 到8 转换序列长度等。/*AD初始

31、化*/void vADInit(void) ATD0CTL1=0b00000000;/8位精度 ATD0CTL2=0b01000000;/禁止外部触发,标志位快速清零,中断禁止 ATD0CTL3=0b10000000;/右对齐无符号.转换序列长度为1,No FIFO模式,Freeze模式下继续转换 ATD0CTL4=0b10100111;/4AD采样周期ADClock=BUSClock*0.5/PRS+1;ATD0CTL5=0b00110000;/特殊通道禁止,多通道采样,扫描模式连续采样,ch AN0 ATD0DIEN=0b00000000;/禁止数字输入 5.1.2 PWM初始化PWM 调

32、制波有8 个输出通道，每个输出通道都可以独立的输出，每个通道都有一个精确的计数器来计算脉冲的个数，还有两个可供选择的时钟源。其初始化的一般步骤是：禁止PWM、选择时钟、选择极性、选择对其模式、对占空比和周期进行编程、使能PWM 通道。在本系统中需要两路PWM 通道来分别控制舵机和电机的转向和转动。舵机的PWM 是将0 和1 路的PWM 合并后进行控制，这样可以是舵机的精度从1/255 提高到1/65535 其初始设置如下：PWME=0x00; /关闭所有PWMPWMCLK=0x03; /PWM45选用CLKA，PWM01选用CLKSA，/PWM2367选用CLKBPWMPRCLK=0x30;

33、/CLKA，0分频，/fBUS=32MHz,fCLKA=fBUS/0=24MHz /CLKB，8分频，/fBUS=32MHz,fCLKB=fBUS/8=4MHzPWMSCLA=12; /CLKSA，/fCLKSA=fCLKA/(2*PWMSCLA)=1MHzPWMPOL=0xFF;/PWM为正占空PWMCAE=0x00; /所有PWM为左对齐PWMCTL=0xF0;/所有PWM合并端口PWMPER01=20000;/PWM01为舵机PWM01周期为20 000，则/输出PWM频率为50HzPWMDTY01=1380;/PWM01占空比PWME_PWME1=1;5.1.3 串口初始化MC9S12

34、系列单片机的串口通信接口（Serial Communication Inteface）是一个通用的异步接受/发送器类型的异步通信接口，通过RS-232串行通信协议与主机系统通信。/-初始化SCIO-/void SciInit(void) SCI0BD=52; SCI0CR1=0; SCI0CR2=0X2C;/-读SCI数据-/unsigned char SciRead() if(SCI0SR1_RDRF=1) SCI0SR1_RDRF=1; return SCI0DRL;/-写SCI数据-/void SciWrite(unsigned char sendchar) while(!(SCI0SR

35、1&0X80); SCI0DRH=0; SCI0DRL=sendchar;5.1.4 锁相环设置/*时钟初始化*/void PLL_Init(void) /PLLCLK=2*OSCCLK*(SYNR+1)/(REFDV+1) /锁相环时钟=2*16*(2+1)/(1+1)=48MHz REFDV=1; /总线时钟=48/2=24MHz SYNR=2; while(!(CRGFLG&0x08); CLKSEL=0x80;5.2 磁场信号的提取与处理在本届新增的电磁组智能车中，所检测的信号是电磁信号，为连续的模拟量，及在整个跑道的横向范围能都能检测到信号的存在，唯一的差异就是信号的强弱。：将整个跑

36、道中检测到的信号作为模拟量进行处理，这样检测到的信号离导线越近强度越大，在跑道的边缘则信号越弱。第一排的传感器主要工作是检测当前导线的位置。我们在第一排上放了4 个传感器来检测信号，然后根据各自的位置和检测到的信号对得到的值进行加权平均，这样就得到了当前黑线的位置。这样根据得到的值可以得出当前黑线与车身之间的夹角，然后将这一数据进行处理转化成PWM 信号送给舵机。5.3 PID 控制算法及智能车中的应用5.3.1 PID 控制算法简介（1）比例调节(P)的作用：对偏差瞬间做出作出反应。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量向着减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数 ，比例系数

37、越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；但是 越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。故而，比例系数 选择必须恰当，才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。（2）积分调节（I）的作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，一旦停止，积分调节输出异常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越小，积分作用就越强。反之则积分作用弱，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。（3）微分调节（D）的作用：阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化的越

38、快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对高阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。根据 PID 控制器原理得知，PID 控制器的主要作用是快速平稳地消除系统产生的偏差。图5.1 模拟PID控制系统原理图图5.2不完全微分PID算法的车寻流程图（4）微分先行PID由于智能车在跑道上行驶时，经常会遇到转弯的情况，所以智能车的速度设定值和方向设定值都会发生频繁的变化，从而造成系统的振荡。为了解决设定值的频繁

39、变化给系统带来的不良影响，本文在智能车的速度和方向控制上引入了微分先行PID 算法，其特点是只对输出量进行微分，即只对速度测量值和舵机偏转量进行微分，而不对速度和方向的设定值进行微分。这样，在设定值发生变化时，输出量并不会改变，而被控量的变化相对是比较缓和的，这就很好地避免了设定值的频繁变化给系统造成的振荡，明显地改善了系统的动态性能。图5.3微分先行PID控制结构图(5)前馈控制的应用由于智能车的跑道宽度有限制，所以在经过急转弯的时候，如果速度和方向控制不及时，智能车就可能冲出跑道。由于前馈控制是开环控制，所以前馈控制的响应速度很快。将前馈控制引入到智能车的控制中，能够提高舵机和伺服电机的反

40、应速度，改善智能车系统的动态性能。（6）智能车控制系统结构智能车的控制主要体现在两个方面：一方面是方向的控制，也就是对舵机的控制；另一方面是对速度的控制，也就是对伺服电机的控制。舵机的数学模型较为简单，具有很好的线性特征，只采用前馈控制；智能车的速度控制相对复杂一些，速度模型无法准确建立，采用前馈-改进PID 算法进行控制。智能车的控制系统结构如下图 所示。图5.4 智能车的控制结构图图5.4 中，分别是舵机和伺服电机数学模型。从图中可以看出，智能车的方向控制和速度控制是相互独立的，而且它们都是由路线偏差决定的。舵机转角与路线偏差之间的对应关系是根据舵机的数学模型得到的，在速度控制回路中，既包

41、括反馈回路，又包括前馈环节，伺服电机的控制量是在前馈补偿基础上，再由增量式PID 算法计算得到。5.3.2 转向控制的PD 调节智能车对方向的控制有两点要求：在直道上，方向保持稳定；在转弯处，需要方向变化准确而且迅速。只有这样，才能保证智能车在跑道上高速、稳定地运行。为了提高方向控制的鲁棒性，本文还对路线偏差进行了模糊化处理。图5是智能车方向模糊前馈控制的结构图，图中分别是直道和弯道两种情况下的前馈控制函数。图5.5 智能车方向控制系统结构图5.3.3 速度控制策略为了使智能车在直道上以较快速度运行，在转弯时，防止智能车冲出跑道，则必须将智能车的速度降低，这就要求智能车的速度控制系统具有很好的

42、加减速性能。当智能车经过连续转弯的跑道时，路线偏差的频繁变化会造成速度设定的频繁变化，这会引起速度控制系统的振荡，并且微分环节对误差突变干扰很敏感，容易造成系统的不稳定。为了解决上述存在的问题，本文对数字PID 算法进行了改进，将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统的动态性能。图5.6 是智能车速度控制系统结构图由于赛道路况和智能车的姿态会经常变化，所以速度控制系统的模型也是不定的，为了提高系统的适应性，本文速度控制系统中采用了模糊PID 算法。将速度设定和实际速度进行模糊分档，通过调试得到不同情况下相对最优的PID 参数，保证了速度控制系统在不同情况下都有较好的控

43、制效果。5.4 起跑线检测电磁组智能车的起跑线与光电和摄像头组的竞赛都有所不同，它是以6 块磁铁为起跑线的检测：图5.7竞赛跑道起跑区示意图由于是以磁铁为起跑线，如果用检测导线的传感器去检测起跑线是不现实的，所以我们采用干簧管为起跑线的检测装置。干簧管是一种磁敏的特殊开关。它通常由两个或三个既导磁又导电材料做成的簧片触点，被封装在充有惰性气体(如氮、氦等)或真空的玻璃管里，玻璃管内平行封装的簧片端部重叠，并留有一定间隙或相互接触以构成开关的常开或常闭接点。当永久磁铁靠近干簧管时，或者由绕在干簧管上面的线圈通电后形成磁场使簧片磁化时，簧片的接点就会感应出极性相反的磁极。由于磁极极性相反而相互吸引

44、，当吸引的磁力超过簧片的抗力时，分开的接点便会吸合;当磁力减小到一定值时，在簧片抗力的作用下接点又恢复到初始状态。这样便完成了一个开关的作用。6开发与调试6.1软件开发环境介绍Codewarrior是Metrowerks公司开发的软件集成开发环境，飞思卡尔所有系列的微控制器都可以在codewarrior IDE下进行软件开发。本模型车所用的处理器是MC9S12XS128，程序调试是在codewarrior IDE 3.1环境下实现的，所用语言为C语言。 首先要新建一个基于Mc9sDG128B的HCS12的工程，选用语言为C语言，具体的过程如图7-1到7-2所示。建立好新的工程后，就可以在编译器

45、里进行程序的编写。图6.1 Codewarrioer新建工程界面图6.2 CW_S12_v5.0_Special.工作界面6.2智能车整体调试6.2.1舵机调试首先在程序里不断的修改舵机的控制量，确定舵机左转和右转极限的PWM值，记下该值留着在程序里设定左转和右转的极限值。然后用一小段跑道来测试舵机的转向，用不同的跑道段来测试模型车的转向是否符合要求，当用的是直道时候要保证模型车的舵机位置绝对的居中，小“S”道时候，模型车给出的转角应该足够的小，大“S”时候转角应该近似为圆弧弦的角度，弯道时候要给足转角。 6.2.2电机调试 像测试舵机一样用不同的赛道来测试电机给出的转速是否满足实际控制的需要

46、，当用的是小“S”道时候，模型车应该保持直道上的速度，大“S”时候，应该适当的减速，以使得通过时候不会产生过大的超调，弯道时候要能够很的将速度降下来，如果是急转弯时可以不给控制量或者让电机反转以达到刹车的效果。 6.2.3整体调试 首先以一个较低的速度跑完整个赛道，然后再慢慢的提高速度，直到模型车在某一个地方出错，然后调整控制算法，如此反复，直到模型车能够以理想的速度，在理想的路线上运行完为止。7总结本文详细介绍了电磁智能车软件与硬件结构设计。 1.硬件部分主要包括车模的调整、电磁信号采集模块、起止线检测模块和电机驱动模块。（1）对于前轮的调整主要影响的是赛车的转向性能，包括前轮的主销内倾角、主销后倾）、前束等几方面。对于后轮的调整主要是差速机构的调整，它的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动，并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。（2）信号采集模块主要由电磁探头部分、电磁信号放大部分、霍尔传感器部分及速度反馈部分组成。（3）探头部分用工字型电感作为感应磁场的媒介，这类电感体积小，Q值高，具有开放的磁芯，可以感应周围交变的磁场。为了加强探头的选频特