直立車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 畢業(yè)設(shè)計(jì)

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1、摘要本文設(shè)計(jì)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(duì)采集的信息進(jìn)行二值化，提取得到賽道兩邊的黑線信息，用于賽道識(shí)別和控制；利用編碼器反饋模型車的實(shí)際速度，使用PID控制算法調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；根據(jù)前方黑線的信息，利用偏差計(jì)算、中心引導(dǎo)線、十字彎判斷、直角彎處理等方法對(duì)圖像進(jìn)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(jī)差速控制來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，小車直立，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型車運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的閉環(huán)控制。為了提高模型車的

2、速度和穩(wěn)定性，使用上位機(jī)、無線模塊、液晶模塊等調(diào)試工具，進(jìn)行了大量硬件與軟件測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案確實(shí)可行。關(guān)鍵字：MK60N512VLQ10，互補(bǔ)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(shí)踐活動(dòng)，其本質(zhì)也是人類創(chuàng)造有用人工物的一種訓(xùn)練性實(shí)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(jìng)賽，參賽的同學(xué)們培養(yǎng)了對(duì)已學(xué)過的基礎(chǔ)與專業(yè)理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)的綜合運(yùn)用的能力；帶著背景對(duì)象中的各種新問題，學(xué)習(xí)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電

3、氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科新知識(shí)，包括來自不同學(xué)科背景大學(xué)生的相互學(xué)習(xí)，逐漸學(xué)會(huì)了在學(xué)科交叉、集成基礎(chǔ)上的綜合運(yùn)用；若是以實(shí)用為目的，還必須考慮考慮可靠性、壽命、外觀工業(yè)設(shè)計(jì)、集成科學(xué)與非科學(xué)，在具體約束條件下融合形成整體的綜合運(yùn)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(duì)伍需要改裝競(jìng)賽車模，完成智能巡線小車的制作。在此過程中需要學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境與在線編程方法、單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)，自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)識(shí)別引導(dǎo)黑線的硬件電路、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路、車速反饋電路、智能車舵機(jī)控制電路及能使小車在

4、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(jìng)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(jìn)中，增加了比賽的觀賞性、技術(shù)性和實(shí)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(gè)輪子著地沿著賽道進(jìn)行比賽，相比四輪著地狀態(tài)，車?？刂频娜蝿?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(duì)簡(jiǎn)單的問題進(jìn)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(yùn)行的動(dòng)力全都來自于車模的兩個(gè)后車輪，后輪的轉(zhuǎn)動(dòng)由

5、兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。因此從控制角度看，由控制車模兩個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向及速度實(shí)現(xiàn)對(duì)車模的控制。車模控制任務(wù)可以分解成以下三個(gè)任務(wù)：（1）車模直立控制：通過控制兩個(gè)電機(jī)正反向運(yùn)動(dòng)保持車模直立狀態(tài)；（2）車模速度控制：通過控制兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速速度實(shí)現(xiàn)車模行進(jìn)控制；（3）車模轉(zhuǎn)向控制：通過控制兩個(gè)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)差速實(shí)現(xiàn)車模轉(zhuǎn)向控制。上面三個(gè)任務(wù)是通過控制兩個(gè)直流電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。我們可以虛擬的假設(shè)每一個(gè)任務(wù)都是由兩個(gè)電機(jī)控制來實(shí)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(yùn)動(dòng)控制分

6、解示意圖上面三個(gè)任務(wù)中控制車模的直立是關(guān)鍵任務(wù)，相對(duì)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(duì)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擾上面三個(gè)任務(wù)分為三個(gè)單獨(dú)的任務(wù)進(jìn)行控制，最后通過三個(gè)任務(wù)的輸出量疊加在電機(jī)上對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。2.2車模直立控制車模平衡控制是通過負(fù)反饋來實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)檐嚹Ｓ袃蓚€(gè)輪子著地[2]，車體只會(huì)在輪子滾動(dòng)的方向上發(fā)生傾斜?？刂戚喿愚D(zhuǎn)動(dòng)，抵消在一個(gè)維度上傾斜的趨勢(shì)便可以保持車體平衡

7、了。如圖2.2所示。圖2.2通過車輪運(yùn)動(dòng)保持車模平衡下面對(duì)倒立車模進(jìn)行簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)建模，然后建立速度的比例微分負(fù)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(jiǎn)化成高度為L(zhǎng)，質(zhì)量為m的簡(jiǎn)單倒立擺，它放置在可以左右移動(dòng)的車輪上。假設(shè)外力干擾引起車模產(chǎn)生角加速度x(t)。沿著垂直于車模地盤方向進(jìn)行受力分析，可以得到車模傾角與車輪運(yùn)動(dòng)加速度a(t)以及外力干擾加速度x(t)之間的運(yùn)動(dòng)方程。如圖2.3所示。對(duì)應(yīng)車模靜止時(shí)，系統(tǒng)輸入輸出的傳遞函數(shù)為：H(s)此時(shí)系統(tǒng)具有兩個(gè)極點(diǎn)。其

8、中一個(gè)極點(diǎn)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(gè)極點(diǎn)都位于s平面的左半平面。要滿足這一點(diǎn)，需要k1>g，k2>0。由此可以得出結(jié)論，當(dāng)k1>g,k2>0時(shí)，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(dāng)于阻尼力，可以有效抑制車模震蕩。通過微分抑制控制