全国大学生智能车大赛技术报告

比赛技术报告

--光电组王奉献

该智能循迹小车以MC9S12XS128单片机最小系统为核心，辅以电源模块、图像采集模块、电机驱动模块和运行调试模块。小车通过龙邱线性CCD采集赛道信息，经过不断改进机械结构并优化算法，小车可以完美地识别各种赛道信息。经过图像处理后，通过转向控制策略与PID算法驱动电机速度，实现路径的检测与识别。这份技术报告中，我将通过对整体方案、软件算法、机械结构、调试参数等方面进行介绍。

一机械结构

根据比赛规则，此次比赛选用C型车模，对车模本身进行改造。

①首先去除原有车模的减震模块。（根据以往经验用处不大；且影响车模重心；

占电池摆放位置）

②为防止摩擦对车模前轴槽进行磨除。

③改变原有的连接方法改用硬连接。

④前轴加入垫片；增大轴距。（不影响正常转动）

⑤后轴同样处理。（解决电机声音大的问题，齿轮咬合不好）

⑥使用3D打印制作的连接座作为碳杆连接。（注意放置在车模正中间）

⑦改变主销后倾，主销内倾和前束，其具体作用见下：

a 主销后倾和主销内倾都有使转向轮自动回正的作用。但主销后倾的回正作用与车速有关，而主销内倾的回正作用与车速无关。因此，高速时主要靠主销后倾的作用，而低速时主要靠主销内倾的作用。

b前束的作用主要是为了使车辆具有自动回正的功能。前束一般为正。前束过小，方向不能自动回正（前轮前束过小）；过大会导致轮胎外侧过度偏磨或者轮胎“起级”。同时，方向盘转向较沉（前轮前束过大）。

c 主销内倾角的作用：在车载重时，能平衡掉悬挂系统因负重时产生的位移。使车轮在车辆负重时，能垂直于地面，减小轮胎的磨损。

d 从车头望向车轮,车轮与铅垂线的夹角称为外倾角，若轮胎上端向外倾斜即左右轮呈"\/"形, 称为正外倾角,向内倾斜为负外倾角。基本上，正外顷角的设定有较佳的灵活度，而负外顷角具较稳定的直进性。

⑧在某些位置添加垫片降低车模整体高度，提升稳定性。（如前后轮的垫片；

电机座的垫片）

二软件算法

A CCD介绍：

CCD电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器,也叫图像控制器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为电信号。CCD的作用就像胶片一样，但它是把光信号转换成电荷信号。CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。

对于路径规划采用的是补线原则：

在CCD看来赛路元素情况无非三种：①全丢边②单侧丢边③不丢边

对于不同的连接又有九种情况分别列写如下：

a 不丢边-不丢边自然过渡不作处理b

c 不丢边-单侧丢边补线（右侧边界丢掉使用上一周期左边界与中间值补出右边）

（左侧边界丢掉使用上一周期右边界与中间值补出左边）当前猜测中间值=真实左边界值+上一时刻中间值-上一时刻左边值右侧丢边

当前猜测中间值=真实右边界值-上一时刻中间值-上一时刻右边值左侧丢边

d 不丢边-全丢边使用第二个CCD并将采值作为当前时刻使用值不覆盖

e 单侧丢边-不丢边自然过渡（单侧丢边补线后与不丢便无差别）

f 单侧丢边-单侧丢边（解决方案同不丢边-单侧丢边）

j 单侧丢边-全丢边（解决方案同不丢边-全丢边）

h 全丢边-不丢边自然过渡

i 全丢边-单侧丢边使用未覆盖数据补线（具体方法同不丢边-单侧丢边）

g 全丢边-全丢边仍使用第二个CCD并将采值作为当前时刻使用值不覆盖

使用上述方法得到中间值

当前中间值=（理论\现实右边界值+理论\现实左边界值）\2

B 光电对射管：

使用该元器件检测车轮转速；并使用选择器对左右轮检测速度（奇数周期检测左轮，偶数

周期检测右轮）

使用选择器对通道选择。

MC9S12XS128可直接累加脉冲数。

C 伺服舵机

对于固定的PWM会有固定的打角；

使用PID算法对得到的中间值输出一个打角（使用位置式PID下文将做介绍）

D 电机

使用H桥驱动电路对PWM进行处理，并给予电机一个电压值获得不同的转速要求；

使用PID算法对光电对射管得到的脉冲数输出一个转速（使用增量式PID下文将做介绍）

【PID控制总结】

简介：

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其

结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或

不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。

积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

调节方法：

PID控制器参数选择的方法很多，例如试凑法、临界比例度法、扩充临界比例度法等。但是，对于PID控制而言，参数的选择始终是一件非常烦杂的工作，需要经过不断的调整才能得到较为满意的控制效果。依据经验，一般PID参数确定的步骤如下：

①现场凑试法

(1)确定比例系数Kp

确定比例系数Kp时，首先去掉PID的积分项和微分项，可以令Ti=0、Td=0，使之成为纯比例调节。输入设定为系统允许输出最大值的60％～70％，比例系数Kp由0开始逐渐增大，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例系数Kp 逐渐减小，直至系统振荡消失。记录此时的比例系数Kp，设定PID的比例系数Kp为当前值的60％～70％。

(2)确定积分时间常数Ti

比例系数Kp确定之后，设定一个较大的积分时间常数Ti，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，然后再反过来，逐渐增大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150％～180％。

(3)确定微分时间常数Td

微分时间常数Td一般不用设定，为0即可，此时PID调节转换为PI调节。如果需要设定，则与确定Kp的方法相同，取不振荡时其值的30％。