毕业设计—2015直立车设计与实现

摘要

本文设计的智能车系统以飞思卡尔公司生产的MK60N512ZVLQ10微控制器为核心控制单元，利用线性CCD采集赛道信息，使用软件对采集的信息进行二值化，提取得到赛道两边的黑线信息，用于赛道识别和控制；利用编码器反馈模型车的实际速度，使用PID控制算法调节驱动电机的转速；根据前方黑线的信息，利用偏差计算、中心引导线、十字弯判断、直角弯处理等方法对图像进行处理，根据图像处理得到的黑线偏差关键信息，通过双电机差速控制来实现转向，小车直立，实现了对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。为了提高模型车的速度和稳定性，使用上位机、无线模块、液晶模块等调试工具，进行了大量硬件与软件测试。实验结果表明，该系统设计方案确实可行。

关键字：MK60N512VLQ10，互补滤波，PID控制，图像分析

第一章绪论

以智能汽车为研究背景的科技创意性制作，是一种具有探索性的工程实践活动，其本质也是人类创造有用人工物的一种训练性实践，其过程属性是综合，而结果属性很可能是创造。通过竞赛，参赛的同学们培养了对已学过的基础与专业理论知识与实验的综合运用的能力；带着背景对象中的各种新问题，学习控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科新知识，包括来自不同学科背景大学生的相互学习，逐渐学会了在学科交叉、集成基础上的综合运用；若是以实用为目的，还必须考虑考虑可靠性、寿命、外观工业设计、集成科学与非科学，在具体约束条件下融合形成整体的综合运用。这样的训练是很有意义的。

在智能车的开发过程中，各参赛队伍需要改装竞赛车模，完成智能巡线小车

的制作。在此过程中需要学习嵌入式系统开发环境与在线编程方法、单片机接口电路设计，自行设计实现识别引导黑线的硬件电路、电机的驱动电路、车速反馈电路、智能车舵机控制电路及能使小车在不驶出赛道的前提下尽可能快速行驶的控制策略与软件算法。飞思卡尔智能车竞赛到目前为止已经成功组织了七届，在赛制、规则、组别的不断改进中，增加了比赛的观赏性、技术性和实用性。

第二章两轮直立车原理分析

2.1直立行走任务分解

线性CCD比赛要求车模在直立的状态下以两个轮子着地沿着赛道进行比赛，相比四轮着地状态，车模控制的任务更为复杂。为了能够很方便找到解决问题的办法，首先将复杂的问题分解成相对简单的问题进行讨论。

为了方便分析，根据要求，假设维持车模的直立、运行的动力全都来自于车模的两个后车轮，后轮的转动由两个直流电机驱动。因此从控制角度看，由控制车模两个电机旋转方向及速度实现对车模的控制。车模控制任务可以分解成以下三个任务：

（1）车模直立控制：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立状态；

（2）车模速度控制：通过控制两个电机转速速度实现车模行进控制；

（3）车模转向控制：通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。

上面三个任务是通过控制两个直流电机来实现的。我们可以虚拟的假设每一个任务都是由两个电机控制来实现的，他们同轴相连，分别控制车模的直立、速度、方向，如图2.1 所示。

图 2.1 车模运动控制分解示意图

上面三个任务中控制车模的直立是关键任务，相对于直立控制，速度控制和方向控制都是干扰因素，为了减少速度控制和方向控制的干扰，速度和方向控制尽量平滑输出，以减小对直立的干扰。

图2.2 三层控制之间相互配合，底层尽量减少多上层的干扰

上面三个任务分为三个单独的任务进行控制，最后通过三个任务的输出量叠加在电机上对电机进行控制。

2.2 车模直立控制

车模平衡控制是通过负反馈来实现的。因为车模有两个轮子着地[2]，车体只会在轮子滚动的方向上发生倾斜。控制轮子转动，抵消在一个维度上倾斜的趋势便可以保持车体平衡了。如图2.2所示。

图2.2 通过车轮运动保持车模平衡

下面对倒立车模进行简单数学建模，然后建立速度的比例微分负反馈控制，根据基本控制理论讨论车模通过闭环控制保持稳定的条件。

假设倒立车模简化成高度为L，质量为m的简单倒立摆，它放置在可以左右移动的车轮上。假设外力干扰引起车模产生角加速度x(t)。沿着垂直于车模地盘方向进行受力分析，可以得到车模倾角与车轮运动加速度a(t)以及外力干扰加速度x(t)之间的运动方程。如图2.3所示。

对应车模静止时，系统输入输出的传递函数为：

H(s)

此时系统具有两个极点。其中一个极点位于s平面的右半平面，因此车模不稳定。车模引入比例、微分反馈之后的系统如下图所示：

图2.4 加入比例微分反馈后的系统框图

系统传递函数：

系统稳定需要两个极点都位于s平面的左半平面。要满足这一点，需要k1>g，

k2>0。由此可以得出结论，当k1>g,k2>0 时，直立车模可以稳定。

在角度反馈控制中，与角度成比例的控制量是称为比例控制；与角速度成比例的控制量称为微分控制（角速度是角度的微分）。因此上面系数分别称为比例和微分控制参数。其中微分参数相当于阻尼力，可以有效抑制车模震荡。通过微分抑制控制震荡的思想在后面的速度和方向控制中也同样适用。

总结控制车模直立稳定的条件如下：

（1）能够精确测量车模倾角θ的大小和角速度θ'的大小；

（2）可以控制车轮的加速度。

（2）可以控制车轮的加速度。

2.3 车模速度控制

对于直立车模速度的控制相对于普通车模的速度控制则比较复杂。由于在速度控制过程中需要始终保持车模的平衡，因此车模速度控制不能够直接通过改变电机转速来实现，而要通过改变车身倾角来实现。以加速过程为例，将角度控制的输出量减少一定的量，则车模有了一个向前的倾斜角度，在直立控制的作用下，车轮需要向前加速，此时车模就会向前加速。控制框图如图2.13所示。

图2.13 速度角度控制方案

改进后的角度和速度控制方案如下图所示：

2.4 车模方向控制

实现车模方向控制是保证车模沿着竞赛道路比赛的关键。通过线性CCD检测道路两边的黑线可以计算出车身的位置偏差，并利用电机差动控制实现方向控制，从而进一步保证车模在赛道上。

利用线性CCD检测到的偏差信号分别与两个车轮的控制信号进行加和减，形成左右轮差动控制电压，使得车模左右轮运行角速度不一致进而控制车模方向。如图2.16所示。

图2.12 通过差动控制左右电机驱动电压控制车模方向