智慧型汽車競賽
技術報告
基於pid演算法的影象處理智慧型車控制系統設計
學校：南陽理工學院
隊伍名稱：南工5隊
參賽隊員：周凌峰
王金濤申浩
帶隊教師：徐源朱清慧
關於技術報告和研究**使用授權的說明
本人完全了解第八屆「飛思卡爾」杯全國大學生智慧型汽車競賽有關保留、使用技術報告和研究**的規定，即：參賽作品著作權歸參賽者本人，比賽組委會和飛思卡爾半導體公司可以在相關主頁上收錄並公開參賽作品的設計方案、技術報告以及參賽模型車的**、影象資料，並將相關內容編纂收錄在組委會出版**集中。
參賽隊員簽名： 周凌峰
王金濤申浩
帶隊教師簽名：徐源朱清慧
日期：2013. 08.15
2.2 智慧型車系統控制方案的設計2
3.5 後輪差速6
參考文獻18
附錄19
智慧型汽車比賽關鍵就是能以較快的速度在符合組委會規定下完成比賽，由此我們把小車重要控制模組分為三類：環境感知系統、自主決策系統、操作執行系統。這三個組成部分相互聯絡、相互制約，共同完成控制任務。
環境感知系統：主要包括感知路面資訊的感測器和感知車體狀態的感測器。我們選用ccd攝像頭獲取賽道資訊使用光電碼盤獲取車體當前速度。
自主決策系統：通過對微控制器的程式設計來實現決策控制。
操作執行系統：即硬體系統，主要是相關驅動電路。
三個系統相互合作，幫助小車跑的更快更好。
比賽要求在組委會提供統一智慧型車競賽車模下選用飛思卡爾公司的指定控制晶元，該車選用32位微處理器mk60dn512vlq10為控制核心，應用bdm **除錯，採用iar軟體、無線串列埠、紅外遙控等作為除錯工具進行除錯，製作出乙個能夠自主識別路線的智慧型車，它將在專門設計的跑道上自動識別道路來行駛。比賽要求在不違反大賽規則的情況下以最短時間完成單圈賽道競速。
為保證小車一直沿著兩根黑色的引導線快速行駛，我們對小車的轉向和車速特別關注，即應使小車在直道上以最快的速度行駛，在進入彎道的時刻適當減速，且角度的轉向要適合彎道的曲率，確保小車平滑地轉彎，並在彎道中保持恆速執行。從彎道進入直道時，小車的舵機要轉向至中間，速度應該立即得到提公升，直至以最大的速度行進。為實現上述控制思想，我們採用不同的控制方法來控制小車的轉角和速度。
調整舵機的原則是：小車處於直道，則擺正舵機。小車處於彎道的曲率越大，則將舵機的轉角擺的越大。
由於小車比賽的賽道是未知的，彎道的分布情況也不能確定，小車可能頻繁的進出彎道，且不停的調整速度來適應不同軌跡。所以，本系統需要對智慧型車的速度進行優化控制，使得小車的速度能夠頻繁地變化，且能在很短的時間內由當前速度轉變為期望的轉速。基於以上幾點考慮，本系統選擇了pid控制演算法來控制轉速。
設計思路如下：小車後輪安裝的旋轉編碼器可以在後輪旋轉一圈後產生600個脈衝，所以，本系統通過每一段時間（dt）讀入脈衝數間接測得轉速（speed），將轉速（speed）與期望小車執行的速度（speed_enactment）比較，由以下公式求得速度偏差（ek）與速度偏差率（dek）。
ek = speed_enactment – speed公式1）
dek = ek – ek1公式2）
公式2中的ek1為上一時刻的ek,經過增量式pid演算法，以及對其引數的反覆除錯，我們就可以得出pwm輸出訊號，該訊號可以控制後輪的驅動電機來調整小車行駛速度。
2.2 智慧型車系統控制方案的設計
本系統根據路徑識別單元和車速檢測單元獲得的路徑和車速當前資訊，控制轉向伺服電機和直流驅動電機調整智慧型車的行駛方向和速度，最終目的是使智慧型車在直道行駛時方向迅速保持穩定、不抖動，同時速度迅速公升到最大值並達到穩定。小車在行駛過程中會遇到以下幾種情況：
（1）當小車由直道高速進入彎道時，轉角方向和車速應根據彎道的曲率迅速做出相應的改變，原則是彎道曲率越大則方向變化角度越大，車速越低。
（2）小車還會遇到大小s彎，回環彎等多種複雜的賽道，在判斷出前方賽道路況的基礎上，要根據各種不同的路況對演算法做出相應的改變，以期能快速、平穩地通過賽道。
小車角度的控制採用開環控制。根據不同的檢測路徑，判斷出小車所在位置，按不同的區間給出不同的伺服電機pwm控制訊號，使小車轉過相應的角度。為了使得賽車能夠平穩地沿著賽道執行，需要控制車速，使賽車在急轉彎時速度不至過快而衝出賽道。
通過控制驅動電機上的平均電壓可以控制車速，但是如果採用開環控制電機轉速，會受很多因素影響，例如電池電壓、電機傳動摩擦力、道路摩擦力和前輪轉向角度等。這些因素會造成賽車執行不穩定。通過速度檢測，對車模速度進行閉環反饋控制，即可消除上述各種因素的影響，使得車模執行得更穩定。
根據比賽規則，此次比賽選用b型車模，如圖3.1所示。
圖3.1 所用b車模圖形
車模各引數如表3.1 所示。
表3.1 b車模引數
車模實物圖3.2所示。
圖3.2 車模實物圖
舵機轉向是整個控制系統中延遲較大的乙個環節，為了減小此時間常數，則需要改變舵機的安裝位置。分析舵機控制轉向輪轉向的願力可以發現，在相同舵機轉向的條件下，轉向連桿在舵機一端的連線點離舵機軸心距離越遠，轉向輪轉向變化越迅速，所以適當的加長連桿就相當於增大力臂長度，能夠提高線速度。但是舵機連桿也不能太長，會燒壞舵機。
本次的舵機安裝方位與以往不同，舵機連桿面朝向車體前方，如下圖3.3和圖3.4所示。
圖3.3 舵機安裝示意圖（1）
圖3.4 舵機安裝示意圖（2）
鑑於本屆比賽與往屆規則的不同，要求攝像頭倒跑，而後輪處的底盤已經提前決定放置主控板，因此攝像頭固定的位置選擇靠近舵機，與舵機中心重合，見圖3.5所示。
圖3.5 攝像頭安裝位置示意
關於攝像頭的高度與角度，攝像頭看得太近或者太遠都不是很好。太近了，就失去了攝像頭該有的前瞻性的特定；太遠的話，干擾會比較大，經一系列校準與測試，最終確定了攝像頭的高度與角度。
前輪前束是前輪前端向內傾斜的程度，當兩輪的前端距離小後端距離大時為內八字，前端距離大後端距離小為外八字。由於前輪外傾使輪子滾動時類似與圓錐滾動，從而導致兩側車輪向外滾開。但由於拉桿的作用使車輪不可能向外滾開，車輪會出現邊滾變向內劃的現象，從而增加了輪胎的磨損。
前輪外八字與前輪外傾搭配，一方面可以抵消前輪外傾的負作用，另一方面由於賽車前進時車輪由於慣性自然的向內傾斜，外八字可以抵消其向內傾斜的趨勢。外八字還可以使轉向時靠近彎道內側的輪胎比靠近彎道外側的輪胎的轉向程度更大，則使內輪胎比外輪胎的轉彎半徑小，有利與轉向。前輪傾角安裝示意如圖3.
6所示。
圖3.6 前輪傾角安裝
3.5 後輪差速
賽車在轉彎時內外兩側車輪會移動不同的曲線距離，外側車輪移過的距離大於內側車輪。差速器的作用就是保證賽車在轉彎時內外驅動輪能以不同的轉速作純滾動運動，避免發生車輪拖滑。差速器的效能對於賽車過彎時的表現有著非常重要的影響，因此，對於差速器的調整也是賽車機械調整的重要環節。
差速器的作用主要表現在以下兩個方面：一是差速，二是限滑。差速作用能使內外車輪可以相對轉動，並使兩輪轉動速度的平均值等於整驅動軸的轉動速度；限滑作用則可以在兩輪相對轉動時產生阻力，限制兩輪速度差，防止其中乙個輪子發生過度打滑和空轉。
差速器主要分兩種：齒輪差速器和滾珠差速器。齒輪差速器利用齒輪之間的相互嚙合來實現差速，優點是阻力很小，差速效果好。
缺點是體積較大，結構複雜。而滾珠差速器則是利用齒輪上滾珠的滾動使滾珠兩邊的摩擦片獲得相的速度，從而實現差速。滾珠差速器的優點是結構簡單，體積小，適合於車模使用。
本次比賽車模採用的差速器就是滾珠差速器。滾珠差速器的差速效果與兩邊壓盤的夾緊力有關，如果壓緊力過大，那麼滾珠之間的摩擦力就會隨著增大，相對滑動困難，影響差速效果。相反的，如果夾緊力過小，加速時齒輪與兩邊壓盤之間會發生打滑現象，影響動力傳遞。
因此，為保證良好的差速效果，在對差速器進行調整的關鍵是要調節好壓盤和滾珠之間的壓緊力。具體的調整方法是：調節後軸螺母，使壓盤和滾珠之間鬆緊適中，捏住減速齒輪使其固定同時轉動一側車輪，檢查車輪的轉動是否遲滯艱澀；此外，還要觀察該側車輪向前轉動的角度是否與另一側車輪向後轉動的角度基本相同；然後將賽車滿載放置於賽道上，同樣捏住大齒輪然後拉動賽車轉彎，觀察後輪相對地面滑動的情況；調節後軸螺母，使得後輪與地面基本不發生拖滑為宜。
這樣賽車在入彎時既能靈活轉向，又能避免車輪側滑。
需要指出的是，採用這種結構的差速器，壓盤和滾珠之間的磨損比較嚴重，時間一長兩者之間會產生曠量。所以經常對差速器進行潤滑和清理是十分重要的。潤滑差速器需要用專門的滾珠差速器油。
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