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引 言
隨著電子科技的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的自動(dòng)化設(shè)備開(kāi)始進(jìn)入到人們的生產(chǎn)生活中，嵌入式的迅猛發(fā)展為智能研究提供了更廣闊的平臺(tái)。在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)探索、救災(zāi)搶險(xiǎn)、軍事等方面，人工智能發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，在此背景下，智能控制策略變得尤為重要。
全國(guó)大學(xué)生杯智能汽車(chē)競(jìng)賽是國(guó)家教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程資助項(xiàng)目，以恩智浦半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的16、32位單片機(jī)為核心控制模塊，通過(guò)增加道路傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及編寫(xiě)相應(yīng)程序，制作一個(gè)能夠自主識(shí)別道路的汽車(chē)模型。因而該競(jìng)賽是涵蓋了智能控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽車(chē)電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科的比賽，對(duì)學(xué)生的知識(shí)融合和實(shí)踐能力的提高，具有良好的推動(dòng)作用。
本文采用第十六屆全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)競(jìng)賽的汽車(chē)模型作為研究平臺(tái)，以16位單片機(jī)STC16F40K128作為主控制單元，運(yùn)用Keil軟件作為開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行智能控制策略研究。
道路信息檢測(cè)模塊普遍采用電感線圈和矯正電容組成電磁傳感器。本屆車(chē)模為電單車(chē)，前后輪縱向布置，前輪通過(guò)舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向，后輪通過(guò)電機(jī)提供動(dòng)力。
在電源模塊設(shè)計(jì)中，采用TI公司開(kāi)關(guān)電源芯片TPS5430和線性穩(wěn)壓電源芯片TPS7350分別產(chǎn)生6v、5v電壓，5v為編碼器供電；采用TPS7333作為穩(wěn)壓3.3V輸出，為單片機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、串口通信模塊供電。單片機(jī)軟件算法部分為本文論述的重點(diǎn)，主要體現(xiàn)了智能車(chē)的串級(jí)PID控制策略，完成對(duì)單車(chē)的平衡及轉(zhuǎn)向控制，取得靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能的雙贏。
本篇技術(shù)報(bào)告將從智能車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路、軟件算法和調(diào)試方法等方面詳細(xì)介紹整個(gè)準(zhǔn)備過(guò)程。
學(xué) 校：大連理工大學(xué)
隊(duì)伍名稱(chēng)：銀龍隊(duì)
參賽隊(duì)員：朱煬爽
郁東輝
張婧宜
帶隊(duì)教師：吳振宇 李勝銘
第一章 方案設(shè)計(jì)
本章主要介紹智能汽車(chē)系統(tǒng)總體方案的選定和總體設(shè)計(jì)思路。
1.1 系統(tǒng)總體方案的選定
本屆智能汽車(chē)比賽，我隊(duì)為單車(chē)?yán)M別。在循跡傳感器方面，選用了電磁傳感器，電磁放大電路使用了TI公司的軌到軌運(yùn)算放大器OPA2350。在速度控制方面，用AS5040磁性傳感器進(jìn)行測(cè)速，進(jìn)行速度閉環(huán)反饋，具有噪聲小的優(yōu)點(diǎn)。陀螺儀使用ICM42605采集三軸角速度、加速度數(shù)據(jù)，通過(guò)互補(bǔ)濾波解算得到角度信息。
1.2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件電路采用一體板的設(shè)計(jì)方式，小巧、緊密，保證單車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)的輕巧。設(shè)計(jì)上使用四層板設(shè)計(jì)，并對(duì)電源地進(jìn)行合理分割，保證硬件電路的整體穩(wěn)定性以及各功能模塊的性能。
主控部分：
包括一片STC16F40K128核心控制器和一片AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片以及用于輔助操作調(diào)試的按鍵、OLED、撥碼器件，調(diào)試接口預(yù)留串口接口，外接HC-25 wifi模塊，方便調(diào)試與接受數(shù)據(jù)。
輔助調(diào)試器件包括一個(gè)蜂鳴器，一個(gè)0.96寸OLED屏，四個(gè)按鍵和一個(gè)四聯(lián)撥碼，用于指示工作狀態(tài)、GUI菜單操作修改參數(shù)以及選擇預(yù)制檔位等功能。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分：
電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用mos管搭建H橋電路，具有電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)電流大、響應(yīng)快的特點(diǎn)，可靠耐用。使用柵極驅(qū)動(dòng)器IR2184驅(qū)動(dòng)，控制信號(hào)通過(guò)74HC02D進(jìn)行信號(hào)變換輸出給IR2184驅(qū)動(dòng)H橋工作。測(cè)速留出6Pin 正交信號(hào)磁編碼器接口，通過(guò)D觸發(fā)器74HC74對(duì)AB相信號(hào)處理得到方向信息。
電源部分
主要包括8.4V到6V降壓、5V穩(wěn)壓電路、外設(shè)和MCU的3.3V穩(wěn)壓電路和舵機(jī)電源電路。其中由于舵機(jī)擺角時(shí)瞬時(shí)功率較大同時(shí)對(duì)電源紋波要求并不嚴(yán)格，選用TPS5450開(kāi)關(guān)電源供電。外設(shè)和單片機(jī)選用線性電源供電，所有5V外設(shè)均采用TI公司的高性能線性穩(wěn)壓器TPS7350進(jìn)行供電，而3.3V使用一片TPS7333穩(wěn)壓。
電磁信號(hào)采集放大板部分：
系統(tǒng)采用6.8nF電容和10mH電感配對(duì)采集電磁導(dǎo)引信號(hào)，經(jīng)過(guò)TI公司高性能軌到軌放大器OPA2350放大后，進(jìn)行倍壓整流，得到波動(dòng)較小的直流電壓信號(hào)，并通過(guò)AD7606進(jìn)行5通道同步采樣進(jìn)行adc采集，使用SPI通信方式與MCU通信。
第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化
智能汽車(chē)各系統(tǒng)的控制都是在機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，因此在設(shè)計(jì)整個(gè)軟件架構(gòu)和算法之前一定要對(duì)整個(gè)模型車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)有一個(gè)全面清晰的認(rèn)識(shí)，然后建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，從而再針對(duì)具體的設(shè)計(jì)方案來(lái)調(diào)整賽車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并在實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中不斷的改進(jìn)優(yōu)化和提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。本章將主要介紹K車(chē)模的機(jī)械結(jié)構(gòu)和調(diào)整方案。
2.1 智能汽車(chē)車(chē)模的選擇
本屆比賽單車(chē)?yán)M我們使用K車(chē)模。
▲ 圖2.1 智能車(chē)K車(chē)模
2.2 智能汽車(chē)傳感器的安裝
車(chē)模中的傳感器包括有：速度傳感器（霍爾測(cè)速），電磁傳感器。下面分別介紹這些傳感器的安裝。
2.2.1 速度傳感器的安裝
速度編碼器我們采用了AS5040磁性傳感器，安裝方法如下：
將后車(chē)車(chē)輪軸處用AB膠沾上磁鐵，將磁性傳感器對(duì)準(zhǔn)磁鐵，當(dāng)車(chē)軸帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁性傳感器會(huì)切割磁力線產(chǎn)生方波用于測(cè)速。
安裝時(shí)應(yīng)注意調(diào)整好齒輪間隙。同樣的，電機(jī)齒輪與車(chē)輪的咬合也很重要。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)車(chē)模的驅(qū)動(dòng)能力有很大的影響。齒輪傳動(dòng)部分安裝位置的不恰當(dāng)，會(huì)大大增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪的負(fù)載，會(huì)嚴(yán)重影響行駛。調(diào)整的原則是：兩傳動(dòng)齒輪軸保持平行, 齒輪間的配合間隙要合適，過(guò)松容易打壞齒輪，過(guò)緊又會(huì)增加傳動(dòng)阻力，浪費(fèi)動(dòng)力；傳動(dòng)部分要輕松、順暢，不能有遲滯或周期性振動(dòng)的現(xiàn)象。判斷齒輪傳動(dòng)是否良好的依據(jù)是，聽(tīng)一下電機(jī)帶動(dòng)后輪空轉(zhuǎn)時(shí)的聲音。聲音刺耳響亮，說(shuō)明齒輪間的配合間隙過(guò)大，傳動(dòng)中有撞齒現(xiàn)象；聲音悶而且有遲滯，則說(shuō)明齒輪間的配合間隙過(guò)小，或者兩齒輪軸不平行，電機(jī)負(fù)載變大。調(diào)整好的齒輪傳動(dòng)噪音很小，并且不會(huì)有碰撞類(lèi)的雜音，后輪減速齒輪機(jī)構(gòu)就基本上調(diào)整好了，動(dòng)力傳遞十分流暢。
2.2.2電磁傳感器的安裝
為了采集到更多的賽道信息，電磁傳感器擺放位置為車(chē)頭5個(gè)電磁傳感器，3個(gè)橫放，2個(gè)豎放。將電磁前瞻固定于單車(chē)前方20cm遠(yuǎn)、15cm高的位置。。2.3.1 電路板的安裝
為了使智能車(chē)具有較好的穩(wěn)定性，我們?cè)诖罱ㄖ悄苘?chē)時(shí)將一體板放到了K車(chē)的后座上，并用熱熔膠和尼龍柱牢固地固定到了車(chē)體上。
2.3.2 電池安放
為了方便，將電池放到了K車(chē)電池倉(cāng)內(nèi)。
2.4 其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整
另外，在模型車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面還有很多可以改進(jìn)的地方，其中最重要的是機(jī)械重心的調(diào)整。K車(chē)設(shè)計(jì)上質(zhì)量分布不均勻，左邊要重于右邊。我們通過(guò)不斷嘗試，使左右質(zhì)量分布接近一致，取得了較為接近的左右轉(zhuǎn)性能。
2.5 小結(jié)
模型車(chē)的性能與機(jī)械結(jié)構(gòu)有著非常密切的聯(lián)系。良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)是模型車(chē)提高速度的關(guān)鍵基礎(chǔ)。在同等的控制環(huán)境下，機(jī)械機(jī)構(gòu)的好壞對(duì)其速度的影響十分顯著。我們非常重視對(duì)智能汽車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，經(jīng)過(guò)大量的理論研究和實(shí)踐，我們小車(chē)的左右質(zhì)量分布均勻，重心集中車(chē)模低位，達(dá)到左右轉(zhuǎn)性能接近的效果，在高低速下均能取得不錯(cuò)的控制，從而提高了小車(chē)整體的穩(wěn)定性和可靠性。
第三章 硬件電路方案設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)方式。主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、電磁信息采集模塊、測(cè)速模塊、顯示模塊等部分。
3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊
本設(shè)計(jì)的核心控制器為宏晶公司生產(chǎn)的16位單片機(jī)STC16F40K128,該單片機(jī)具有64引腳,具有豐富的系統(tǒng)資源和方便的外部電路接口，其中包括UART模塊，定時(shí)中斷模塊，IIC模塊，RAM存儲(chǔ)器，FLASH存儲(chǔ)器，EEPROM存儲(chǔ)器、PWM 模塊。
3.2 電源模塊
3.2.1 電池使用
電源模塊是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)，因此，電源模塊輸出電壓和電流的穩(wěn)定性在整個(gè)智能車(chē)系統(tǒng)中起著非常重要的作用。
電池采用3300mah 2s航模電池，該類(lèi)型電池具有高效的利用率和穩(wěn)定的性能，一直被作為各種航模、電動(dòng)車(chē)等的供電設(shè)備。為了獲得最高的性能和最長(zhǎng)的壽命，該充電電池必須以正確的方法來(lái)使用。
電池通常電流高，電池的爆發(fā)力會(huì)強(qiáng)些，但未必如電流低時(shí)飽滿。同時(shí)我們也
必須注意充電電流不能過(guò)高，當(dāng)電流過(guò)高時(shí)，不僅不能提高電池性能，反而會(huì)損壞電池，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池起火、爆炸。電池充滿電時(shí)，電壓大約為8.4V。在電池壓小于7.2V時(shí)，應(yīng)注意及時(shí)充電，電池過(guò)放會(huì)對(duì)其造成不可逆轉(zhuǎn)的損害，電壓低于7.2V會(huì)對(duì)電池造成毀滅性傷害。
3.2.2 穩(wěn)6V電源模塊
使用TI公司開(kāi)關(guān)電源TPS5430降壓到6V供舵機(jī)使用。電路原理圖如3.1所示。
▲ 圖3.1 6V穩(wěn)壓電路圖
3.2.3 穩(wěn)5V電源模塊
由于霍爾傳感器的額定工作電壓為5V，TPS7350是TI公司生產(chǎn)的高性能線性穩(wěn)壓芯片，其使用方便，電路的設(shè)計(jì)原理如圖3.2所示。
▲ 圖3.2 5V穩(wěn)壓電路圖
3.2.4 穩(wěn)3.3V電源模塊
由于單片機(jī)的額定電壓為3.3V，串口通信也均為3.3V，因此，將電壓穩(wěn)定在3.3V并給各模塊供電是必不可少的。電路的設(shè)計(jì)原理如圖3.3所示。
▲ 圖3.3 3.3V穩(wěn)壓電路圖
3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
本智能車(chē)系統(tǒng)車(chē)模的電機(jī)型號(hào)較小，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸出電流的要求并不苛刻，因此本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路由4片mos管構(gòu)成H橋。通過(guò)控制4個(gè)MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，并通過(guò)控制輸入的PWM波的占空比來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)兩端的平均電壓，達(dá)到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速的目的，具體電路圖如圖3.4所示。
▲ 圖3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)MOS管驅(qū)動(dòng)H電路
▲ 圖3.5 信號(hào)變換與隔離電路
3.4 電磁檢波模塊
使用軌至軌運(yùn)算放大器對(duì)電感電容對(duì)諧振得到的電磁信號(hào)進(jìn)行放大檢波處理。具體電路圖如圖3.5所示。
▲ 圖3.6 串口通信電路
3.5 AD7606 模數(shù)轉(zhuǎn)換
AD7606數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片最高采樣頻率200Khz，8通道同步采樣，同時(shí)還可以設(shè)置2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍過(guò)采樣，相當(dāng)于做了硬件上的平滑濾波。AD7606通過(guò)SPI接口與單片機(jī)通信。
▲ 圖3.7 AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖
第四章 小車(chē)的控制方法
類(lèi)比于直立車(chē)直立環(huán)、速度環(huán)和方向環(huán)的三環(huán)控制，單車(chē)采用角速度環(huán)和角度環(huán)串級(jí)作為直立環(huán)，并且將循跡環(huán)疊加到角速度環(huán)中控制單車(chē)的轉(zhuǎn)向，這樣的控制方法內(nèi)環(huán)角速度環(huán)可保證轉(zhuǎn)彎的及時(shí)，外環(huán)角度環(huán)又能保持車(chē)的直立姿態(tài)讓其不倒。
單車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按照單車(chē)的運(yùn)動(dòng)模型，后輪電機(jī)速度對(duì)單車(chē)的直立環(huán)也會(huì)產(chǎn)生影響，速度越快，則向心力越大，所以不同速度下單車(chē)傾角所對(duì)應(yīng)的前輪舵機(jī)打角也不同。假設(shè)在勻速狀態(tài)下的參數(shù)正好適合，我們想到可以配合加減速來(lái)輔助直立環(huán)，在單車(chē)過(guò)彎道時(shí)減速，過(guò)彎后及時(shí)加速使單車(chē)回正，這樣的策略可以讓單車(chē)在過(guò)彎時(shí)起到壓彎的效果。
4.1 PID控制
【通用原理部分，此處省略3000字...】
4.2 單車(chē)平衡與轉(zhuǎn)向控制
4.2.1 單車(chē)平衡原理
將自行車(chē)機(jī)器人看成由前輪、后輪以及車(chē)架所組成，并假設(shè)系統(tǒng)所有的質(zhì)量都集中于質(zhì)心上，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)系相對(duì)于動(dòng)軸的動(dòng)量矩定理，建立起自行車(chē)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程，得到其單輸入單輸出系統(tǒng)的線性化模型。
▲ 圖4.2 自行車(chē)機(jī)器人系統(tǒng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖
自行車(chē)機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4.2所示。將自行車(chē)的前后輪與地面的接觸點(diǎn)記為 和 ，兩觸點(diǎn)間形成一條接觸線，與x軸之間的夾角定義為偏航角Ψ，的距離記為w。假定質(zhì)心高度為h，質(zhì)心在水平面上的投影點(diǎn)與的距離記為b。車(chē)體與z軸的夾角記為傾斜角Φ，前輪的擺角記為操縱角δ。
▲ 圖4.3 自行車(chē)機(jī)器人結(jié)構(gòu)俯視圖
自行車(chē)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的俯視圖如圖4.3所示。設(shè)自行車(chē)機(jī)器人在水平面內(nèi)作平面運(yùn)動(dòng)，分別作點(diǎn)P1和P2的速度垂線并相交于Q點(diǎn)，Q點(diǎn)即為接觸線在水平面內(nèi)作平面運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度瞬心。設(shè)車(chē)體質(zhì)量為m，自行車(chē)相對(duì)于接觸線P2P1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J，后輪的速度為V。由此，得到自行車(chē)機(jī)器人做平面運(yùn)動(dòng)時(shí)的角速度和加速度分別為
自行車(chē)機(jī)器人的質(zhì)心在水平面的投影點(diǎn)繞點(diǎn)Q轉(zhuǎn)動(dòng)，得到其速度Va，切向加速度ar，法向加速度an的表達(dá)式分別為
系統(tǒng)所受的牽引慣性力為切向牽引慣性力和法向牽引慣性力的矢量和，其大小為
依據(jù)剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)微分方程 ，得到系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為
當(dāng)車(chē)體豎直時(shí)，可以認(rèn)為各角度均為小量，即可得到系統(tǒng)的線性化模型為
4.2.2 單車(chē)平衡的穩(wěn)定性分析與仿真
由4.2.1推導(dǎo)得出的系統(tǒng)線性化模型進(jìn)一步分析，其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為
可知系統(tǒng)的零點(diǎn)為，極點(diǎn)為 ，在s域的右半平面始終存在一個(gè)極點(diǎn)，故開(kāi)環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。對(duì)該系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單比例反饋閉環(huán)系統(tǒng)，令 ,得到此時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為
計(jì)算得出閉環(huán)系統(tǒng)特征根為
由此得到使得特征根位于s平面左側(cè)時(shí)的反饋系數(shù)k與車(chē)速V的關(guān)系不等式為
依據(jù)上式，定性得到了車(chē)速越大時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)所需反饋系數(shù)越小的規(guī)律，反映在控制過(guò)程中，即車(chē)速越大時(shí)為了保持車(chē)身直立所需要的車(chē)把轉(zhuǎn)動(dòng)角度就越小。
進(jìn)一步對(duì)控制模型進(jìn)行修正與完善，將車(chē)體看成由四個(gè)剛體即車(chē)架、前輪、后輪、車(chē)把組成，考慮后輪轉(zhuǎn)速、前輪轉(zhuǎn)角對(duì)自行車(chē)平衡控制過(guò)程中的貢獻(xiàn)，即后輪車(chē)速、前輪轉(zhuǎn)角與車(chē)體橫滾角之前的定量關(guān)系。利用matlab對(duì)所建立的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行仿真分析如下
▲ 圖4.4 車(chē)身橫滾角度一定時(shí)后輪轉(zhuǎn)速與前輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系
保持車(chē)身橫滾角一定時(shí)，后輪轉(zhuǎn)速與前輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖4.4所示。車(chē)速越慢，保持一定車(chē)身橫滾角所需要的前輪轉(zhuǎn)角就越大，反之則越小。并且，車(chē)速越慢，所能維持穩(wěn)定動(dòng)平衡的車(chē)身橫滾角就越小。
▲ 圖4.5 后輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)車(chē)身橫滾角度與前輪角度的關(guān)系
保持后輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，車(chē)身橫滾角度與前輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖4.5所示。一定范圍內(nèi)，車(chē)身橫滾角越大，所需要的前輪轉(zhuǎn)角就越大。且隨著車(chē)速的提高，維持相同的車(chē)身橫滾角所需要的前輪轉(zhuǎn)角就越小。
4.2.3 單車(chē)平衡與轉(zhuǎn)彎
自行車(chē)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向控制通過(guò)改變目標(biāo)平衡傾角從而改變車(chē)身動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的平衡姿態(tài)，做平面圓周運(yùn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)彎半徑值由舵機(jī)打角、目標(biāo)平衡傾角來(lái)決定。后輪轉(zhuǎn)速則影響了最大的平衡傾角以及一定平衡傾角下舵機(jī)打角值從而改變了轉(zhuǎn)彎半徑大小。而后輪速度、舵機(jī)打角、車(chē)身傾角與轉(zhuǎn)彎半徑之間的關(guān)系為一個(gè)比較復(fù)雜的非線性關(guān)系。
實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，在小傾角情況下，平衡控制效果。但是在左右轉(zhuǎn)向時(shí)呈現(xiàn)出了一個(gè)極為明顯的左右轉(zhuǎn)不對(duì)稱(chēng)性，分析為自行車(chē)機(jī)器人的自身質(zhì)量分布不均勻引起的。觀察發(fā)現(xiàn)，龍邱汽車(chē)電子提供的K車(chē)模自身結(jié)構(gòu)存在一個(gè)不對(duì)稱(chēng)的設(shè)計(jì)，即后輪電機(jī)沒(méi)有居中放置而是偏右，從而使得車(chē)的重心偏右，引起轉(zhuǎn)彎性能不對(duì)稱(chēng)的現(xiàn)象。
▲ 圖4.6 車(chē)速一定，不同傾角下對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)彎曲率關(guān)系
如圖4.6所示，保持車(chē)速一定，改變車(chē)身目標(biāo)傾角時(shí)記錄車(chē)做穩(wěn)定圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的半徑的倒數(shù)即曲率大小。車(chē)身機(jī)械中值為3.7，左轉(zhuǎn)時(shí)目標(biāo)傾角正向增大，右轉(zhuǎn)時(shí)目標(biāo)傾角反向減小。分析發(fā)現(xiàn)，目前車(chē)身質(zhì)量分布具有較大的不對(duì)稱(chēng)性，表現(xiàn)為左轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑的變化率是右轉(zhuǎn)時(shí)的兩倍左右，即相對(duì)于車(chē)身機(jī)械中值左右偏離相同傾角下，左轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)彎半徑較右轉(zhuǎn)時(shí)的要更小。
通過(guò)添加配重塊可以一定程度上改善由車(chē)模本身質(zhì)量分布不均勻引起的左右轉(zhuǎn)彎性能不對(duì)稱(chēng)的問(wèn)題。
除了左右轉(zhuǎn)彎性能不對(duì)稱(chēng)的問(wèn)題，單車(chē)的直立控制只采用PD控制，不引入I項(xiàng)，便會(huì)存在一個(gè)靜態(tài)誤差，實(shí)際傾角往往會(huì)大于目標(biāo)傾角，但是由于I項(xiàng)的慣性，在高速時(shí)便容易引起單車(chē)直立環(huán)發(fā)散，對(duì)此我們先采集數(shù)據(jù)，得到單車(chē)實(shí)際傾角與舵機(jī)打角的關(guān)系，然后在最終控制器的輸出值疊加上這個(gè)擬合值，基本可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際傾角與目標(biāo)傾角相貼合，并且單車(chē)的直立環(huán)不會(huì)發(fā)散。
單車(chē)的直立控制配合上電機(jī)速度的加減速便可輔助單車(chē)的轉(zhuǎn)向，單車(chē)的加減速同樣采用PID控制器，輸入單車(chē)的實(shí)際傾角與目標(biāo)傾角的差值，若實(shí)際傾角小于目標(biāo)傾角則減速，反之則加速，這樣不但可以輔助單車(chē)的平衡，而且實(shí)際循跡的過(guò)程中可以達(dá)到入彎減速，出彎加速，達(dá)到過(guò)彎壓彎的效果。
4.3 單車(chē)循跡
實(shí)現(xiàn)車(chē)模方向控制是保證車(chē)模沿著競(jìng)賽道路比賽的關(guān)鍵，這里采用PD控制，單車(chē)是采用電磁循跡，我們使用兩個(gè)水平電感的差比和作為單車(chē)距離賽道的偏差值，但是實(shí)際發(fā)現(xiàn)當(dāng)車(chē)遠(yuǎn)離賽道一定位置時(shí)，差比和會(huì)出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，于是我們通過(guò)中間的水平電感找到差比和突變的臨界點(diǎn)，并且在這個(gè)位置保持差只能增大，這樣就對(duì)差比和做了一個(gè)矯正，保持單車(chē)遠(yuǎn)離賽道時(shí)差比和只會(huì)越來(lái)越大。
再將得到的差比和值代入PD控制器，得到單車(chē)轉(zhuǎn)向的大小。將循跡環(huán)的輸出放到轉(zhuǎn)向環(huán)的輸入，即疊加到角速度環(huán)的目標(biāo)值，即可實(shí)現(xiàn)單車(chē)循跡。
4.4 單車(chē)慢速運(yùn)動(dòng)控制
單車(chē)?yán)M今年除了要競(jìng)速以外，還增加了慢賽道，這個(gè)時(shí)候需要以慢取勝，單車(chē)與其他組別不同，當(dāng)速度減慢時(shí)，單車(chē)的平衡便成了一個(gè)棘手的問(wèn)題。與高速時(shí)所采用的內(nèi)外環(huán)PD控制加上角度與舵機(jī)打角的擬合的策略不同，這個(gè)時(shí)候利用擬合便不能調(diào)節(jié)得那么精細(xì)，所以我們慢速時(shí)內(nèi)外環(huán)都采用PID控制器，此時(shí)單車(chē)轉(zhuǎn)彎的傾角只能限制在一個(gè)小范圍內(nèi)。在循跡時(shí)單車(chē)容易出現(xiàn)抖動(dòng)，而且會(huì)有一個(gè)低頻的晃動(dòng)，容易發(fā)散，循跡時(shí)則需要給一個(gè)很小的P項(xiàng)配合一個(gè)相對(duì)較大的D項(xiàng)，這樣便可抑制單車(chē)的抖動(dòng)。
第五章 開(kāi)發(fā)調(diào)試
5.1 開(kāi)發(fā)工具
我隊(duì)成員自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)適合攝像頭、光電組別的上位機(jī)。大體功能如下：
5.1.1 串口功能
▲ 圖5.1 串口功能界面圖
1、普通查看接收功能
選擇串口號(hào)，和波特率。默認(rèn)串口號(hào)位所有可以使用的串口中號(hào)碼最小的，默認(rèn)波特率位115200（考慮速度和誤碼率確定為115200），然后選擇"打開(kāi)串口"。
2、普通發(fā)送功能
必須打開(kāi)串口此功能才能用。有"顯示發(fā)送了多少字節(jié)"功能，"清空顯示"功能，還可選擇"包含換行符"，"16進(jìn)制發(fā)送"功能。
3、直接發(fā)送字節(jié)功能
4、藍(lán)牙調(diào)試功能
使用此功能必須打開(kāi)串口，然后"使能藍(lán)牙調(diào)試"框勾選。注意：
- AT+BAUD：后邊是1,2,3,4,5,6,7等。4代表9600bps，8代表115200bpsAT+NAME：可以是英文或者數(shù)字組合。AT+NAME：可以是英文或者數(shù)字組合。AT+ROLE：后邊是0，1。0是從機(jī)，連接單片機(jī)，1是主機(jī)，連接電腦。
5.1.2 畫(huà)圖功能
▲ 圖5.2 畫(huà)圖功能界面
第六章 車(chē)模主要參數(shù)
6.1 智能汽車(chē)外形參數(shù)
經(jīng)過(guò)改裝后，智能汽車(chē)的外形參數(shù)為：
- 車(chē)A:車(chē)長(zhǎng)：300mm；車(chē)寬：200mm；車(chē)高：150mm；車(chē)重：1kg
6.2 智能汽車(chē)技術(shù)參數(shù)
智能汽車(chē)相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表6.1所示：
| 項(xiàng)目 | 參數(shù) |
|---|---|
| 車(chē)模軸距 輪距（毫米） | 200 140 |
| 車(chē)模平均電流（勻速行駛）(毫安) | 300 |
| 電路電容總量（微法） | 800 |
| 傳感器種類(lèi)及個(gè)數(shù) | 測(cè)速編碼器 一個(gè) |
| LC電磁傳感器 | 五個(gè) |
| 陀螺儀 | 一個(gè) |
| 新增加伺服電機(jī)個(gè)數(shù) | 0 |
| 賽道信息檢測(cè)空間精度（毫米） | 10 |
| 賽道信息檢測(cè)頻率（次 秒） | 150 |
結(jié) 論
在這份報(bào)告中，我們主要從智能車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路、控制算法等方面介紹準(zhǔn)備比賽的整個(gè)過(guò)程，針對(duì)單車(chē)?yán)M別做出了很多改進(jìn)，創(chuàng)新之處大體歸為以下兩點(diǎn)：
1、ADC采集方案的改進(jìn)：我隊(duì)并未使用單片機(jī)自帶的ADC模塊，而是使用一款高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7606，同時(shí)制作穩(wěn)定的參考電壓，實(shí)現(xiàn)多通道高精度同步采樣，同時(shí)這款芯片還可以設(shè)置不同倍數(shù)的過(guò)采樣實(shí)現(xiàn)硬件均值濾波，這樣減少了軟件上的工作量，同時(shí)更加可靠，采樣精度更高。。
2、直立算法上將原先的單級(jí)PID改進(jìn)為串級(jí)PID，內(nèi)環(huán)為角速度環(huán)，外環(huán)為角度環(huán)，在高速和低速下均取得了較好的控制效果。
智能車(chē)是培養(yǎng)大學(xué)生綜合動(dòng)手能力的一個(gè)很好的且成熟的平臺(tái)，在這里每個(gè)人都會(huì)學(xué)有所得，做有所獲，懂得團(tuán)隊(duì)的重要性，學(xué)會(huì)合作分工，找到自己擅長(zhǎng)的一面，彌補(bǔ)自己的不足，在歡笑與痛苦中與隊(duì)友一同成長(zhǎng)。
希望這篇技術(shù)文檔會(huì)對(duì)未來(lái)參與智能車(chē)這項(xiàng)比賽的同學(xué)有所幫助！
參 考 文 獻(xiàn)
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