直立車設(shè)計與實現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計

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1、摘要本文設(shè)計的智能車系統(tǒng)以飛思卡爾公司生產(chǎn)的MK60N512ZVLQ10微控制器為核心控制單元，利用線性CCD采集賽道信息，使用軟件對采集的信息進行二值化，提取得到賽道兩邊的黑線信息，用于賽道識別和控制；利用編碼器反饋模型車的實際速度，使用PID控制算法調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速；根據(jù)前方黑線的信息，利用偏差計算、中心引導(dǎo)線、十字彎判斷、直角彎處理等方法對圖像進行處理，根據(jù)圖像處理得到的黑線偏差關(guān)鍵信息，通過雙電機差速控制來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，小車直立，實現(xiàn)了對模型車運動速度和運動方向的閉環(huán)控制。為了提高模型車的速度和穩(wěn)定性，使用上位機、無線模塊、液晶模塊等

2、調(diào)試工具，進行了大量硬件與軟件測試。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計方案確實可行。關(guān)鍵字：MK60N512VLQ10，互補濾波，PID控制，圖像分析第一章緒論以智能汽車為研究背景的科技創(chuàng)意性制作，是一種具有探索性的工程實踐活動，其本質(zhì)也是人類創(chuàng)造有用人工物的一種訓(xùn)練性實踐，其過程屬性是綜合，而結(jié)果屬性很可能是創(chuàng)造。通過競賽，參賽的同學們培養(yǎng)了對已學過的基礎(chǔ)與專業(yè)理論知識與實驗的綜合運用的能力；帶著背景對象中的各種新問題，學習控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機、機械等多個學科新知識，包括來自不同學科背景大學生的相互學習，逐漸學會了在學科交叉

3、、集成基礎(chǔ)上的綜合運用；若是以實用為目的，還必須考慮考慮可靠性、壽命、外觀工業(yè)設(shè)計、集成科學與非科學，在具體約束條件下融合形成整體的綜合運用。這樣的訓(xùn)練是很有意義的。在智能車的開發(fā)過程中，各參賽隊伍需要改裝競賽車模，完成智能巡線小車的制作。在此過程中需要學習嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境與在線編程方法、單片機接口電路設(shè)計，自行設(shè)計實現(xiàn)識別引導(dǎo)黑線的硬件電路、電機的驅(qū)動電路、車速反饋電路、智能車舵機控制電路及能使小車在不駛出賽道的前提下盡可能快速行駛的控制策略與軟件算法。飛思卡爾智能車競賽到目前為止已經(jīng)成功組織了七屆，在賽制、規(guī)則、組別的不斷改進中，增加

4、了比賽的觀賞性、技術(shù)性和實用性。第二章兩輪直立車原理分析2.1直立行走任務(wù)分解線性CCD比賽要求車模在直立的狀態(tài)下以兩個輪子著地沿著賽道進行比賽，相比四輪著地狀態(tài)，車模控制的任務(wù)更為復(fù)雜。為了能夠很方便找到解決問題的辦法，首先將復(fù)雜的問題分解成相對簡單的問題進行討論。為了方便分析，根據(jù)要求，假設(shè)維持車模的直立、運行的動力全都來自于車模的兩個后車輪，后輪的轉(zhuǎn)動由兩個直流電機驅(qū)動。因此從控制角度看，由控制車模兩個電機旋轉(zhuǎn)方向及速度實現(xiàn)對車模的控制。車?？刂迫蝿?wù)可以分解成以下三個任務(wù)：（1）車模直立控制：通過控制兩個電機正反向運動保持車模直立狀態(tài)

5、；（2）車模速度控制：通過控制兩個電機轉(zhuǎn)速速度實現(xiàn)車模行進控制；（3）車模轉(zhuǎn)向控制：通過控制兩個電機之間的轉(zhuǎn)動差速實現(xiàn)車模轉(zhuǎn)向控制。上面三個任務(wù)是通過控制兩個直流電機來實現(xiàn)的。我們可以虛擬的假設(shè)每一個任務(wù)都是由兩個電機控制來實現(xiàn)的，他們同軸相連，分別控制車模的直立、速度、方向，如圖2.1所示。圖2.1車模運動控制分解示意圖上面三個任務(wù)中控制車模的直立是關(guān)鍵任務(wù)，相對于直立控制，速度控制和方向控制都是干擾因素，為了減少速度控制和方向控制的干擾，速度和方向控制盡量平滑輸出，以減小對直立的干擾。圖2.2三層控制之間相互配合，底層盡量減少多上層的干

6、擾上面三個任務(wù)分為三個單獨的任務(wù)進行控制，最后通過三個任務(wù)的輸出量疊加在電機上對電機進行控制。2.2車模直立控制車模平衡控制是通過負反饋來實現(xiàn)的。因為車模有兩個輪子著地[2]，車體只會在輪子滾動的方向上發(fā)生傾斜?？刂戚喿愚D(zhuǎn)動，抵消在一個維度上傾斜的趨勢便可以保持車體平衡了。如圖2.2所示。圖2.2通過車輪運動保持車模平衡下面對倒立車模進行簡單數(shù)學建模，然后建立速度的比例微分負反饋控制，根據(jù)基本控制理論討論車模通過閉環(huán)控制保持穩(wěn)定的條件。假設(shè)倒立車模簡化成高度為L，質(zhì)量為m的簡單倒立擺，它放置在可以左右移動的車輪上。假設(shè)外力干擾引起車模產(chǎn)生角

7、加速度x(t)。沿著垂直于車模地盤方向進行受力分析，可以得到車模傾角與車輪運動加速度a(t)以及外力干擾加速度x(t)之間的運動方程。如圖2.3所示。對應(yīng)車模靜止時，系統(tǒng)輸入輸出的傳遞函數(shù)為：H(s)此時系統(tǒng)具有兩個極點。其中一個極點位于s平面的右半平面，因此車模不穩(wěn)定。車模引入比例、微分反饋之后的系統(tǒng)如下圖所示：圖2.4加入比例微分反饋后的系統(tǒng)框圖系統(tǒng)傳遞函數(shù)：系統(tǒng)穩(wěn)定需要兩個極點都位于s平面的左半平面。要滿足這一點，需要k1>g，k2>0。由此可以得出結(jié)論，當k1>g,k2>0時，直立車?？梢苑€(wěn)定。在角度反饋控制中，與角度成比例的控制量

8、是稱為比例控制；與角速度成比例的控制量稱為微分控制（角速度是角度的微分）。因此上面系數(shù)分別稱為比例和微分控制參數(shù)。其中微分參數(shù)相當于阻尼力，可以有效抑制車模震蕩。通過微分抑制控制