光电组方案设计.doc

1、第 九 届 飞 思 卡 尔 智 能 车 东 秦 光 电 组 设 计 方 案 ：组 内 成 员 ：5111010 翟 成 （ 软 件 ）5110904 郭 波 （ 硬 件 ）5111503 李 伟 鹏 （ 硬 件 ）前 言 ：看 过 本 届 竞 赛 规 则 之 后 ， 我 们 感 觉 ， 对 于 光 电 组 ， 这 次竞 赛 和 之 前 八 次 有 了 一 些 变 化 。 在 此 之 前 的 八 届 ， 可 以说 是 完 全 靠 比 拼 速 度 ， 然 而 到 目 前 而 言 ， 速 度 似 乎 已 经 达到 了 一 个 瓶 颈 ， 想 要 再 在 速 度 上 有 很 大 的 提 高 并 非 易

2、 事 。所 以 ， 相 对 而 言 ， 我 们 觉 得 与 其 再 单 纯 的 花 大 力 气 去 提 高校 车 速 度 ， 倒 不 如 尝 试 多 花 一 些 精 力 在 技 巧 上 的 提 高 。速 度 虽 然 依 然 是 重 中 之 重 ， 但 可 以 考 虑 在 提 高 小 车 稳 定 性的 基 础 上 适 当 的 降 低 速 度 。 比 如 今 年 新 增 的 人字掉头：要么直接当成弯道将 CCD 摇头，但是要转一个 60 度的弯对于 B 车模难度很大，B 车模的转角不如 A 车，处理不好就要出赛道。第二：反着跑，但是去年的摄像头证明了反着跑存在转向延迟，处理不好的话，速度也会上不去

3、。所以在这点上，应该花些时间反复测试，单单从理论上是无法知道谁优谁劣的。整 体 结 构 ：智 能 汽 车 系 统 采 用 飞 思 卡 尔 的 32 位 微 控 制 器 K60 单 片 机作 为 核 心 控 制 单 元 用 于 智 能 汽 车 系 统 的 控 制 。 在 选 定 智 能汽 车 系 统 采 用 光 电 传 感 器 方 案 后 ， 赛 车 的 位 置 信 号 由 车 体前 方 的 光 电 传 感 器 采 集 ， 经 K60 的 I/O 口 接 收 后 ， 用 于赛 车 的 运 动 控 制 决 策 ， 同 时 内 部 ECT 模 块 发 出 PWM 波 ，驱 动 直 流 电 机 对 智

4、 能 汽 车 进 行 加 速 和 减 速 控 制 ， 以 及 伺 服舵 机 对 赛 车 进 行 转 向 控 制 ， 使 赛 车 在 赛 道 上 能 够 自 主 巡 线行 驶 ， 并 以 最 短 的 时 间 最 快 的 速 度 跑 完 全 程 。 为 了 对 赛 车的 速 度 进 行 精 确 的 控 制 ， 在 智 能 汽 车 电 机 输 出 轴 上 安 装 光电 编 码 器 ， 采 集 编 码 器 转 动 时 的 脉 冲 信 号 ， 经 MCU 捕 获后 定 时 进 行 PID 自 动 控 制 ， 完 成 智 能 汽 车 速 度 的 闭 环 控 制 。此 外 ， 还 增 加 了 键 盘 作 为

5、 输 入 输 出 设 备 ， 用 于 智 能 汽 车 的速 度 和 控 制 策 略 选 择 。根 据 以 上 系 统 方 案 设 计 ， 赛 车 共 包 括 六 大 模 块 ： K60 主 控 模 块 、传 感 器 模 块 、 电 源 模 块 、 电 机 驱 动 模 块 、 速 度 检 测 模 块 和 辅 助 调试 模 块 。 各 模 块 的 作 用 如 下 ：（ 1） K60 主 控 模 块 :核 心 控 制 模 块 ， 将 采 集 光 电 传 感 器 、 光 电 编码 器 等 传 感 器 的 信 号 ， 根 据 控 制 算 法 做 出 控 制 决 策 ， 驱 动 直 流电 机 和 伺 服

6、电 机 完 成 对 智 能 汽 车 的 控 制 。（ 2） 传 感 器 模 块 ： 是 智 能 汽 车 的 “眼 睛 ”， 可 以 通 过 一 定 的 前瞻 性 ， 提 前 感 知 前 方 的 赛 道 信 息 ， 为 智 能 汽 车 的 “大 脑 ”做 出 决策 提 供 必 要 的 依 据 和 充 足 的 反 应 时 间 。（ 3） 电 源 模 块 ： 为 整 个 系 统 提 供 合 适 而 又 稳 定 的 电 源 。（ 4） 电 机 驱 动 模 块 ： 驱 动 直 流 电 机 和 伺 服 电 机 完 成 智 能 汽 车 的加 减 速 控 制 和 转 向 控 制 。（ 5） 速 度 检 测 模

7、 块 ， 检 测 反 馈 智 能 汽 车 轮 的 转 速 ， 用 于 速 度 的闭 环 控 制 。（ 6） 辅 助 调 试 模 块 ： 主 要 用 于 智 能 汽 车 系 统 的 功 能 调 试 、 赛 车 状态 监 控 。小 车 机 械 结 构 ：在智能车的竞赛过程中，最主要的比赛内容是速度，而模型车机械结构无疑是影响速度的关键因素之一。智能车选 用 北 京 科 宇 通 博 科 技 有 限 公 司 生 产 的 智 能车 竞 赛 专 用 模 型 车 (B型 模 型 车 )， 配 套 的 电 机 为 540电 机 ， 伺 服 器 为 S-D5。智 能 车 的 控 制 采 用 的 是 前 轮 转

8、向 ， 后 轮 驱 动 方 案 。基 本 参 数 ：尺 寸轴 距 200mm前 轮 距 138mm后 轮 距 140mm车 轮 直 径 61mm主 减 传 动 比 36/1051、智能车总体重心的调整 ：由于给定车模车身本身就很重，在选择支架的时候选择了铝合金支架，自己设计、加工支架，开始支柱选择的是铜柱，其机械性能好，固定牢靠，但是安装完成时发现铜柱太重，致使车的重心前倾，严重影响车的转向，多方考虑，最终采用航空材料，铝合金柱，它质量轻，拥有和铜柱一样的机械性能。从何从以下三个角度考虑重心问题：一 、 车 底 盘 高 度 调 整 ： 合 理 的 底 盘 刚 度 和 底 盘 高 度 调 节 会

9、 提 高 智 能 车 的 加 速 性能 。 智 能 车 的 重 心 应 该 越 低 越 好 ， 降 低 地 盘 时 实 现 重 心 下 降 的 较 为 直 接 的 方式 。 应 注 意 到 底 盘 高 度 的 调 节 是 将 智 能 车 的 其 他 性 能 提 高 以 后 间 接 的 帮 助 加速 性 能 提 高 。 但 是 由 于 赛 道 中 坡 道 的 限 制 ， 底 盘 的 高 度 在 低 于 5mm 时 将 会冲 撞 坡 道 ， 并 不 使 地 盘 受 到 不 必 要 的 磨 损 和 震 荡 ， 剧 烈 的 冲 击 甚 至 会 撞 坏 转向 机 构 。 因 此 地 盘 距 离 地 面

10、高 度 不 能 低 于 5mm。 降 低 底 盘 的 方 式 可 以 通 过在 前 桥 、 后 桥 处 增 加 垫 片 来 实 现 。二 、 车 体 构 件 高 度 调 整 ： 在 智 能 车 改 装 过 程 中 ， 我 们 一 直 把 重 心 作 为 考 虑 因 素之 一 。 使 重 量 的 分 布 尽 量 靠 近 底 盘 。 此 外 更 小 体 积 的 电 路 板 可 以 恰 好 镶 嵌 在底 盘 其 他 构 件 的 空 隙 之 中 。 三 、 紧 固 螺 丝 ： 在 智 能 车 对 于 紧 固 程 度 要 求 不 高 的 地 方 ， 如 电 路 板 固 定 螺 丝 ，传 感 器 定 位

11、螺 丝 等 ， 采 用 尼 龙 材 质 的 螺 丝 ； 在 车 底 盘 等 高 度 较 低 的 地 方 采 用模 型 车 原 配 螺 丝 在 安 装 外 设 的 时 候 ， 尽 量 采 用 规 格 合 适 的 螺 丝 钉 。 可 以 降低 整 车 重 量 。2、智能汽车前轮定位的调整：模型车通过四条轮胎与地面接触，两个后轮同轴受到限位，无法调整，与模型车的前进方向保持平行，因此要改变模型车与地面的接触方式，调试出利于模型车转向、直线的四轮定位，只能通过调整前轮各定位参数来实现。B 型模型车可以调整的前轮参数有主销后倾角、主销内倾角、车轮前束，三个参数可以调整。（1）主 销 后 倾 角 ：主 销

12、 后 倾 角 是 指 在 纵 向 平 面 内 主 销 轴 线 与 地 面 垂 直 线 之 间 的 夹 角 。主 销 后 倾 角 的 存 在 使 车 轮 转 向 轴 线 与 赛 道 的 交 点 在 轮 胎 接 地 点 的 前 方 ， 可 利用 赛 道 对 轮 胎 的 阻 力 产 生 绕 主 销 轴 线 的 回 正 力 矩 ， 该 力 矩 的 方 向 正 好 与 车 轮偏 转 方 向 相 反 ， 使 模 型 车 保 持 直 线 行 驶 。 后 倾 角 越 大 ， 模 型 车 的 直 线 行 驶 性越 好 ， 转 向 后 方 向 盘 的 回 复 性 也 越 好 ， 但 过 大 的 回 正 力 矩 也

13、 会 使 车 辆 转 向沉 重 。 通 常 主 销 后 倾 角 值 设 在 13 度 。B 型 模 型 车 的 主 销 后 倾 角 无 法 通 过 直 接 调 整 前 桥 结 构 实 现 改 变 ， 采 用 在 前 桥处 增 加 垫 片 ， 可 以 适 当 的 增 加 主 销 内 倾 角 ， 有 利 于 保 持 直 线 行 驶 、 转 向 后 回正 。（2） 、主销内倾角：主 销 内 倾 角 指 在 横 向 平 面 内 主 销 轴 线 与 地 面 垂 直线 夹 角主 销 内 倾 角 的 作 用 ， 是 使 车 轮 在 受 外 力 偏 离 直 线 行 驶 时 ， 前 轮 会 在 重 力 作 用下

14、 自 动 回 正 。 另 外 ， 主 销 内 倾 角 还 可 减 少 前 轮 传 至 转 向 机 构 上 的 冲 击 ， 并 使转 向 轻 便 ； 但 内 倾 角 越 大 ， 前 轮 自 动 回 正 的 作 用 就 越 强 ， 转 向 时 越 费 力 ，轮 胎 磨 损 也 更 大 增 大 。 主 销 内 倾 的 调 整 应 该 保 持 在 一 个 合 适 的 范 围 ， 一 般 来说 08 度 范 围 内 皆 可 。 在 实 际 的 调 整 中 ， 只 要 将 角 度 调 整 为 5 度 左 右 就会 对 于 过 弯 性 能 有 明 显 的 改 善 。 如 果 赛 道 比 较 滑 ， 可 以

15、将 这 个 角 度 再 调 节 的大 一 些 。 在 实 际 制 作 中 ， 这 个 角 度 调 节 为 8 度 左 右 。 对 于 模 型 车 ， 通 过 调整 前 桥 的 螺 杆 的 长 度 可 以 改 变 主 销 内 倾 角 的 大 小 ， 由 于 过 大 的 内 倾 角 也 会增 大 转 向 阻 力 ， 增 加 轮 胎 磨 损 ， 在 调 整 时 可 近 似 调 整 为 03左 右 ， 不宜 太 大 。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。（

16、3）前 轮 约 束：所 谓 前 束 是 指 两 轮 之 间 的 后 距 离 数 值 与 前 距 离 数值 之 差 ， 前 轮 中 心 线 与 纵 向 中 心 线 的 夹 角 为 前 束 角 。前 轮 前 束 的 作 用 是 保 证 模 型 车 的 行 驶 性 能 ， 减 少 轮 胎 的 磨 损 。 前 轮 在 滚 动时 ， 其 惯 性 力 自 然 将 轮 胎 向 内 偏 斜 ， 如 果 前 束 适 当 ， 轮 胎 滚 动 时 的 偏 斜 方 向就 会 抵 消 ， 轮 胎 内 外 侧 磨 损 的 现 象 会 减 少 。前 束 的 调 整 总 是 依 据 主 销 内 倾 的 调 整 。 只 有 主

17、 销 内 倾 确 定 后 才 能 确 定 合 适 的前 轮 前 束 与 之 配 合 。 前 轮 前 束 的 调 整 是 方 便 的 。 主 销 内 倾 的 调 整 由 于 要 拧 开螺 丝 钉 ， 固 定 件 又 为 塑 料 ， 所 以 频 繁 的 调 整 容 易 引 发 滑 丝 现 象 。 而 前 束 不 会 ，所 以 调 整 前 束 是 最 安 全 、 方 便 的 。 前 束 在 摩 擦 大 的 时 候 有 明 显 的 效 果 。 但 是一 定 不 要 太 大 ， 适 当 的 放 开 一 两 圈 就 够 了 。在 模 型 车 中 ， 前 轮 前 束 是 通 过 调 整 伺 服 电 机 带

18、动 的 左 右 横 拉 杆 实 现 的 。 主 销在 垂 直 方 向 的 位 置 确 定 后 ， 改 变 左 右 横 拉 杆 的 长 度 即 可 以 改 变 前 轮 前 束 的 大小 。 在 实 际 的 调 整 过 程 中 ， 我 们 发 现 较 小 的 前 束 ， 约 束 02mm 可 以 减 小转 向 阻 力 ， 使 模 型 车 转 向 更 为 轻 便 ， 但 实 际 效 果 不 是 十 分 明 显 。 调 节 合 适 的前 轮 前 束 在 转 向 时 有 利 过 弯 ， 还 能 提 高 减 速 性 。 将 前 轮 前 束 调 节 成 明 显 的 内八 字 ， 运 动 阻 力 加 大 ，

19、提 高 减 速 性 能 。 由 于 阻 力 比 不 调 节 前 束 时 增 大 ， 所 以直 线 加 速 会 变 慢 。 智 能 汽 车 采 用 稳 定 速 度 策 略 或 者 采 用 在 直 道 高 速 弯 道 慢速 的 策 略 时 ， 应 该 调 节 不 同 的 前 束 。 后 一 种 策 略 可 以 适 当 加 大 前 束 。（ 4） 前轮外倾角： 前轮外倾角是汽车横向平面与车轮平面的交界处与地面垂线之间的夹角。其作用是提高了前轮转向的安全性和转向操作的轻便性，前轮外倾俗称“外八字” ，当前轮与地面垂直而汽车满载时，就会引起车轮上部向内倾斜，因而造成所连机械器件损坏，所以提前给一个适当的

20、外倾可以减小这种损失。如果小车自身重量不是很大的时候，可以不必对前轮外倾角作调整。3、智能汽车部分结构安装及改造（1）智能汽车差速机构调整：差 速 作 用 就 是 在 电 机 向 两 边 半 轴 传 递 动 力 的 同 时 ， 允 许 两 边 半 轴 以 不 同 的 转速 旋 转 ， 满 足 两 边 车 轮 尽 可 能 以 纯 滚 动 的 形 式 作 不 等 距 行 驶 ， 减 少 轮 胎 与 地面 的 摩 擦 。 差 速 机 构 如 图 2-10 所 示 。 模 型 车 在 过 弯 时 车 轮 的 轨 线 是 圆 弧 ，如 果 向 左 转 弯 ， 在 相 同 的 时 间 里 ， 右 侧 轮

21、子 走 的 弧 线 比 左 侧 轮 子 长 ， 为 了 平衡 这 个 差 异 ， 就 要 左 边 轮 子 慢 一 点 ， 右 边 轮 子 快 一 点 ， 用 不 同 的 转 速 来 弥 补距 离 的 差 异 。我 们 希 望 是 模 型 车 在 加 减 速 的 时 候 ， 后 轮 没 有 差 速 ， 而 在 过 大 弯 道 时 有 很 大的 差 速 。 这 样 ， 即 加 速 快 又 过 弯 灵 活 。 但 是 ， 实 际 的 差 速 机 构 不 可 能 达 到 这效 果 ， 我 们 调 节 差 速 只 是 平 衡 两 项 ， 在 转 弯 较 灵 活 地 方 情 况 下 尽 量 不 影 响 加

22、速 性 能 。B 型模型车采用双滚珠差速，首先将左后轮的防松螺母拧紧，通过调整后轴上的防松螺母压紧小差速盘；通过调整右后轮防松螺母的松紧，实现对大差速齿轮盘松紧的调节。调节后的效果应为：开动电机后，握住一侧轮，另一侧可正常转动；握住两侧轮，差速尺寸无法转动。（2） 、智能汽车差速机构调整：差 速 作 用 就 是 在 电 机 向 两 边 半 轴 传 递 动 力 的 同 时 ， 允 许 两 边 半 轴 以 不 同 的 转速 旋 转 ， 满 足 两 边 车 轮 尽 可 能 以 纯 滚 动 的 形 式 作 不 等 距 行 驶 ， 减 少 轮 胎 与 地面 的 摩 擦 。 差 速 机 构 如 图 2-1

23、0 所 示 。 模 型 车 在 过 弯 时 车 轮 的 轨 线 是 圆 弧 ，如 果 向 左 转 弯 ， 在 相 同 的 时 间 里 ， 右 侧 轮 子 走 的 弧 线 比 左 侧 轮 子 长 ， 为 了 平衡 这 个 差 异 ， 就 要 左 边 轮 子 慢 一 点 ， 右 边 轮 子 快 一 点 ， 用 不 同 的 转 速 来 弥 补距 离 的 差 异 。我 们 希 望 是 模 型 车 在 加 减 速 的 时 候 ， 后 轮 没 有 差 速 ， 而 在 过 大 弯 道 时 有 很 大的 差 速 。 这 样 ， 即 加 速 快 又 过 弯 灵 活 。 但 是 ， 实 际 的 差 速 机 构 不

24、 可 能 达 到 这效 果 ， 我 们 调 节 差 速 只 是 平 衡 两 项 ， 在 转 弯 较 灵 活 地 方 情 况 下 尽 量 不 影 响 加速 性 能 。B 型 模 型 车 采 用 双 滚 珠 差 速 ， 首 先 将 左 后 轮 的 防 松 螺 母 拧 紧 ， 通 过 调 整 后 轴上 的 防 松 螺 母 压 紧 小 差 速 盘 ； 通 过 调 整 右 后 轮 防 松 螺 母 的 松 紧 ， 实 现 对 大 差速 齿 轮 盘 松 紧 的 调 节 。 调 节 后 的 效 果 应 为 ： 开 动 电 机 后 ， 握 住 一 侧 轮 ， 另 一侧 可 正 常 转 动 ； 握 住 两 侧 轮

25、 ， 差 速 尺 寸 无 法 转 动 。（3） 、智能车后轮减速齿轮机构调整：模 型 车 后 轮 采 用 540 电 机 驱 动 ， 电 机 轴 与 后 轮 轴 之 间 的 传 动 比 为 36： 105（ 电 机 轴 齿 轮 齿 数 为 36， 后 轴 传 动 齿 数 为 105） 。 齿 轮 传 动 机 构 对模 型 车 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 ， 会 严 重 影 响 模 型 车 的 速 度 性 能 。 调 整 的 原 则 是 ：两 传 动 齿 轮 轴

26、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 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

27、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 。软 件 部 分 ：在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个模型车的机械结构有一个全面清晰的认识，然后建立相应的数学模型，从而再针对具体的设计方案来调整赛车的机械结构，并在实际的调试过程中不断的改进优化和提高结构的稳定性。软件的主要功能包括： 车模运行状态检测； 电机PWM输出； 车模运行控制：速度控制、方向控制； 车模运行流程控制：程序

28、初始化、车模启动与结束； 系统界面：状态显示、上位机监控、参数设定等。主程序流程图：1、 智能车强制转弯的实现：人字形路口的强制转弯理论上可以通过两种渠道实现：一是赛车在检测到斑马线的时候强制小车转弯，这种方法可以不必先使小车停止，节约时间，但是转弯的难度系数较大，如果控制不好，容易使小车冲出赛道外；个人更偏向于第二种使小车双向运行的反感，这种方法让小车在检测到斑马线后停车，然后控制电机使小车反向运行。这样设计的话，必须先使小车停止才能反向。使小车制动的过程可能会占用一定的时间。检测到斑马线之后小车开始制动直到最终停止，这个过程还有一个问题就是小车倒行至道路交汇点的时候，要进行一次识别，不能沿

29、原路返回。为了节约这样一个识别的时间，个人认为，可以通过在软件上稍作改动，利用小车检测到斑马线开始制动的这个过程的同时控制舵机让小车的前轮产生一个小的偏角，假设小车从左边赛道驶入，则控制小车的前轮向左偏转一个小的角度，使其倒行时可以很快的检测到右边的赛道，并以最短的时间实现加速。2、避障问题：个人感觉道路障碍的设置，完全是对速度的一个制约，如何以最短的时间通过障碍物至关重要，当然实现最短时间的前提是稳定，也就是小车不能触碰到障碍物驶出赛道。由于线性 CCD 的前瞻性不是很好，所以既然我们选择了利用线性 CCD，就要在路障的问题上有劣势。为了能够稳定的通过障碍物，减速过程是在所难免的。在检测到障

30、碍物之后，根据小车实际运行速度控制减速，同时控制舵机使小车偏移然后加速让小车沿原来的路径继续行驶。个人以为，砖头的长和宽度的大小也起到很关键的作用，对如何让小车尽量以快的速度恰好通过障碍有着很大的影响。所以，实现障碍物大小，检测到障碍物是小车的速度，舵机实现完全转向并沿着一边赛道稳定运行所需的时间这些物理量之间必须有一个很好的协调，通过控制算法的不断改进，让小车可以既稳又快的通过障碍。3、赛 道 边 沿 提 取：(1)(2) 边 沿 提 取 算 法 的 基 本 思 想 如 下 直 接 逐 行 扫 描 原 始 图 像 ， 根 据 设 定 的 阈 值提 取 黑 白 跳 变 点 ；(3) 赛 道 宽

31、 度 有 一 个 范 围 ， 在 确 定 的 赛 道 宽 度 范 围 内 提 取 有 效 赛 道 边 沿 ， 这样 可 以 滤 除 不 在 宽 度 范 围 内 的 干 扰 ；(4) 利 用 赛 道 的 连 续 性 ， 根 据 上 一 行 白 块 的 位 置 和 边 沿 的 位 置 来 确 定 本 行 的边 沿 点 ；(5) 求 边 沿 点 时 ， 因 为 近 处 的 图 像 稳 定 ， 远 处 图 像 不 稳 定 ， 所 以 采 用 由 近 及远 的 办 法 ；(6) 进 出 十 字 的 时 候 ， 通 过 校 正 计 算 出 边 沿 角 度 可 较 好 的 滤 除 十 字 并 补 线 ；(7

32、) 针对虚线赛道边沿不连续的特征，通过预测拟合对边沿点补线。边沿提取算法的程序流程如图 4.4 所示。开始搜索最底部的三个有效行是否搜索到根据前一个边沿的数据搜索下一行满足条件的边沿记录上升沿和下降沿是否搜索完完求所有有效行两侧赛道边沿点是否是否对于赛车路径的优化，可以从以下三个方面来完成：1）增加视场的长度和宽度当赛车采集到的图像能够覆盖一个比较完整的 S 弯道时，通过加权算法计算出来的中心就会处于视场中央附近，此时赛车会以一个比较好的路径快速通过 S 弯道；相反，如果视场无法覆盖一个完整的 S 弯道，赛车就会误处理为普通的单向弯道，这样赛车的速度就会大大减慢。因此，尽量增大视场的长度和宽度

33、就很有必要了。视场的长度与单片机可以处理的图像行数成正比。我们采用由运算放大器制作的模拟比较器进行图像二值化，处理速度较 A/D 转换有了很大提高，大大增加了单片机处理的图像行数，最终处理行数为 95 行(隔 3 行提取一行)，达到的视场长度为 200 多 cm。为了增加视场宽度，增加每行采集的图像点数之外，我们采用了广角镜头，从而有效地增加了视场宽度。2）优化加权算法对整场有效行的中心求加权平均值的算法，在低速情况下可以有效地优化赛车路径，但在赛车速度提高到一定程度之后由于过弯时的侧滑，路径不是很好。而由于图像分布不均，三分之二的行分布于车体前方 40cm 的范围内，求出的加权平均值受车体近

34、处的图像影响较大，因此整场图像求加权的算法对于高速情况下的路径优化效果不是很明显。为了解决这个问题，我们对于参与加权计算的图像行数及权重进行了处理，减小了车体前部 50cm 范围内的图像参与加权的行数和权重，同时增大视场前部图像的权重。在经过长期调试之后，得到了一套比较合适的参数，能够有效优化高速情况下的赛车路径。3）对不合理的中心点进行处理对于在校正后的图像数据中求得的中心线，反校正到原始图像后存在一行中含有多个中心点的情况。在通常情况下，这种情况出现在较远的视野中，但由于我们增大了视场前部图像的权重，这些中心点对权重的影响极大，导致车模容易出现掉轮甚至冲出赛道的现象。为了解决这个问题，我们

35、利用数学方法求出了中心线的折点，对折点之后的中心点单独处理，使车模不再出现掉轮的现象。4、弯道策略分析：在 车 辆 进 弯 时 ， 需 要 对 三 个 参 数 进 行 设 定 ： 切 弯 路 径 、 转 向 角 度 、 入 弯 速 度 。其 中 ， 切 弯 路 径 主 要 决 定 了 车 辆 是 选 择 内 道 过 弯 还 是 外 道 过 弯 。 切 内 道 ， 路经 最 短 ， 但 是 如 果 地 面 附 着 系 数 过 小 会 导 致 车 辆 出 现 侧 滑 的 不 稳 定 行 驶 状 态 ，原 因 是 切 内 道 时 ， 曲 率 半 径 过 小 ， 同 时 速 度 又 很 快 ， 所 以

36、 模 型 车 需 要 的 向 心力 会 很 大 ， 而 赛 道 本 身 是 平 面 结 构 ， 向 心 力 将 全 部 由 来 自 地 面 的 摩 擦 力 提 供 ，因 此 赛 道 表 面 的 附 着 系 数 将 对 赛 车 的 运 行 状 态 有 很 大 影 响 。 切 外 道 ， 路 径 会略 长 ， 但 是 有 更 多 的 调 整 机 会 ， 同 时 曲 率 半 径 的 增 加 会 使 得 模 型 车 可 以 拥 有更 高 的 过 弯 速 度 。转 向 角 度 决 定 了 车 辆 过 弯 的 稳 定 性 。 合 适 的 转 向 角 度 会 减 少 车 辆 在 转 弯 时 的调 整 ， 不

37、 仅 路 径 可 以 保 证 最 优 ， 运 动 状 态 的 稳 定 也 会 带 来 效 率 的 提 高 ， 减 少时 间 。 在 考 虑 转 向 角 度 设 置 时 需 要 注 意 以 下 几 个 问 题 ： 对 于 检 测 赛 道 偏 移 量的 传 感 器 而 言 ， 在 增 量 较 小 时 的 转 向 灵 敏 度 ； 检 测 到 较 大 弯 道 时 的 转 向 灵 敏度 ； 对 于 类 似 S 弯 的 变 向 连 续 弯 道 的 处 理 。对 于 入 弯 速 度 的 分 析 ， 应 该 综 合 考 虑 路 径 和 转 向 角 度 的 影 响 。 简 单 而 言 ， 我们 会 采 取 入

38、弯 减 速 ， 出 弯 加 速 的 方 案 ， 这 样 理 论 上 可 以 减 少 过 弯 时 耗 费 的 时间 。 然 而 ， 在 过 去 几 届 比 赛 中 ， 通 过 观 察 各 参 赛 车 对 弯 道 的 处 理 后 ， 我 们 发现 并 不 是 所 有 人 都 选 择 了 相 同 的 方 案 。 正 如 前 面 说 到 的 那 样 ， 不 联 系 路 径 和转 向 角 度 ， 只 是 单 纯 地 分 析 过 弯 速 度 ， 会 造 成 思 路 的 局 限 甚 至 错 误 。 例 如 ，在 不 能 及 时 判 断 入 弯 和 出 弯 的 标 志 点 就 采 取 “入 弯 减 速 、 出

39、 弯 加 速 ”的 方案 ， 会 出 现 弯 道 内 行 驶 状 态 不 稳 定 、 路 径 差 ， 同 时 出 弯 加 速 时 机 过 晚 ， 一 样会 浪 费 时 间 。 所 以 现 在 本 系 统 参 考 实 际 驾 驶 时 的 一 些 经 验 ， 对 过 弯 速 度 的 处理 方 式 确 定 为 ： 入 弯 时 急 减 速 ， 以 得 到 足 够 的 调 整 时 间 ， 获 得 正确 的 转 向 角 度 ； 在 弯 道 内 适 当 提 速 ， 并 保 持 角 度 不 变 ， 为 出弯 时 的 加 速 节 约 时 间 ； 出 弯 时 ， 先 准 确 判 断 标 志 ， 然 后 加 速 ，

40、虽 然 会 耗 费 一 些 时 间 ， 但 是 面 对 连 续 变 向 弯 道 可 以 减 少 判 断出 错 的 概 率 ， 保 证 行 驶 状 态 的 稳 定 性 ， 而 且 弯 道 内 的 有 限 加速 对 后 面 的 提 速 也 有 很 大 的 帮 助 。 综 合 考 虑 用 可 以 接 收 的 额外 时 间 换 回 行 驶 稳 定 性 还 是 值 得 的 。5、对速度的闭环控制：PID 控制策略其结构简单，稳定性好，可靠性高，并且易于实现。其缺点在于控制器的参数整定相当繁琐，需要很强的工程经验。相对于其他的控制方式，在成熟性和可操作性上都有着很大的优势。所以最后我们选择了 PID 的控

41、制方式。在小车跑动中，因为不需要考虑小车之前走过的路线，所以，我们舍弃了I 控制，将小车舵机的 PID 控制简化成 PD 控制。速度闭环控制采用了增量式PID 控制。在本方案中，使用试凑法来确定控制器的比例、积分和微分参数。转向舵机的 PID 控制算法对于舵机的闭环控制，采用位置式 PID 控制算法，根据往届的技术资料和实际测试，将每场图像的黑线中心加权平均值与舵机 PID 参考角度值构成一次线性关系。初步选择的 PID 调节策略是：(1) 将积分项系数置零，我们发现相比稳定性和精确性，舵机在这种随动系统中对动态响应性能的要求更高。更重要的是，在 KI 置零的情况下，我们通过合理调节 Kp，发

42、现车能够在直线高速行驶时仍能保持车身非常稳定，没有震荡，基本没有必要使用 KI 参数；(2) 微分项系数 KD 使用定值，原因是舵机在一般赛道中都需要较好的动态响应能力；(3) 对 Kp，我们使用了二次函数曲线，Kp 随中心位置与中心值的偏差呈二次函数关系增大。试凑法：是通过闭环试验，观察系统响应曲线，根据各控制参数对系统响应的大致影响，反复试凑参数，以达到满意的响应，最后确定 PID 控制参数。试凑不是盲目的，而是在控制理论指导下进行的。比例调节（P）作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使

43、系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节（I）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，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数 Ti，Ti 越小，积分作用就越强。反之 Ti 大则积分作用弱，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。微分调节（D）作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少

44、超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成 PD 或 PID 控制器。试凑法的具体实施过程为：1、整定比例部分，将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统静差小到允许范围，响应曲线已属满意，那么只需比例控制即可，由此确定比例系数。2、如果在比例控制基础上系统静差不能满足设计要求，则加入积分环节，整定时首先置积分时间 为很大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小（如缩小为原值的iT0.

45、8） ，然后减小积分时间，使得在保持系统良好动态的情况下，静差得到消除，在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程，得到整定参数。3、若使用比例积分控制消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加微分环节，构成比例、积分、微分控制器。在整定时，先置微分时间 为零，在第二步整定基dT础上增大 ，同样地相应改变比例系数和微分时间，逐步试凑以获得满意的调节效果和控dT制参数。6、十字的处理：(1)从硬件方面，线性 CCD 呈一字排布，这样在上排全白的时候下排可以暂时接管循线。(2)状态保持策略；在十字处，会出现白区，这时采用保持策略，即保持上一有效赛道检

46、测信息，主要是舵机转角等参数然后依靠下排作轻微的调整。硬件部分：一、电源模块：小车所使用的电源由是 7.2V 2000mAh Ni-cd 可充电电池组提供，而单片机系统、路径识别的光电传感器、光电码编码器等均需要 5V 电源，伺服电机工作电压范围 4V 到 6V，直流电机可以使用电池直接供电。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。5V 电源模块用于为单片机系统、传感器模块等供电。常用的电源有串联型线性稳压电源（LM2940、7805 等）和开关型稳压电源（LM2596、LM2575 等）两大类。前者

47、具有纹波小、电路结构简单的优点，是效率较低，功耗大；后者功耗小，效率高，但电路却比较复杂，电路的纹波大。对于单片机，需要提供稳定的 5V 电源，由于 LM2940 的稳压的线性度非常好，所以选用 LM2940-5 单独对其进行供电；而其它模块则需要通过较大的电流，而 LM2575 或 LM2596-5，转换效率高，带载能力大，缺点是其纹波电压大，不适合做单片机电源，不过对其它模块供电还是能保证充电的电源。利用 LM2940-5 和 LM2575 或LM2596-5 对控制系统和执行部分开供电，可以有效地防止各器件之间发生干扰，以及电流不足的问题，使得系统能够稳定地工作。我们经过以下途径对其他几

48、个模块进行供电。 （1） 使用稳压芯片 LM2940 稳压，输出 5V 电压，分别对单片机和速度 检测部分供电。 （2） 使用稳压芯片 LM2575 或 LM2596-5 ，输出 5V 电压，对传感器进行供电。（3） 使用稳压芯片 LM2941、LM7806 和 LM1117 稳压，输出 6V 电压，对舵机供电。 （二、电机驱动： BTS7971电机驱动及原理 ：1、智能功率芯片 BTS7971 是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，它带有一个 P 沟道的高边 MOSFET、一个 N 沟道的低边 MOSFET 和一个驱动 Ic，如图 4.10 所示。集成的驱动 Ic 具有逻辑电平输入、电流诊

49、断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。BTS7971 通态电阻典型值为 16m Q，驱动电流可达 70A。2、BTS7971 的芯片内部为一个半桥。INH 引脚为高电平，使能 BTS7971。IN 引脚用于确定哪个 MOSFET 导通。IN=I 且 INH=1 时，高边 MOSFET 导通，OUT 引脚输出高电平； IN=0 且 INH=1 时，低边 MOSFET 导通，OUT 引脚输出低电平。SR引脚外接电阻的大小，可以调节 MOS 管导通和关断的时间，具有防电磁干扰的功能。Is 引脚是电流检测输出引脚。如图 4.10 所示，有两个 BTS7971 半桥驱动芯片构成的全桥驱动电路。3、BTS7971 的引脚 Is 具有电流检测功能，正常模式下，从 Is 引脚流出的电流与流经高边 MOS 管的电流成正比，若 RIS=lk，则 V IS=I load/8.5；在故障条件下，从 Is 引脚流出的电流等于 I IS(1im)(约 4.5mA)，最后的效果是 Is 为高电平。4、BTS7971 电机驱动的 OUT1 和 OUT2 接电机两端，由 PWM2 控制 OUT1 的输出电压值 U1，由 PWM3 控制 OUT2 的输出电压值 U2。U1 、U2 的大小由PWM2、PWM3 的占空比乘以电池电压 7.2V 决定。故 U1、U2 的差值决