毕业论文设计--自循迹轮式移动机器人的控制系统设计--论文.doc

摘 要随着社会发展和科技进步，机器人在当前生产生活中得到了越来越广泛的应用。尤其是一种具有道路记忆功能、使用灵活方便、应用范围较广的轮式移动机器人。本研究是一种基于瑞萨H8单片机的自循迹轮式智能车的设计与实现，研究具有人类认知机理的环境感知、信息融合、规划与决策、智能控制等理论与方法，本文所述的智能车控制系统可以分为两个大的子控制系统，它们分别是方向控制系统和速度控制系统。其核心控制单元为瑞萨公司H8 系列8位单片机H8/3048F-ONE，系统采用反射式红外传感器检测赛道白线，在运行过程中能够识别赛道的不同情况，并能够根据信息反馈即时控制智能车的方向和速度，在预定的路径上进行快速移动。智能车的设计要达到竞速和巡线的目的，竞速环节主要包括动力提供，速度控制两部分；巡线环节包括路面信息，转向控制两部分。通过对智能车运动模型的建立与分析，本文详细阐述了方向控制系统与速度控制系统等重要控制系统的实现方法，使智能车能够完整通过直道、弯道、坡道和换道的过程，快速稳定的寻白线行驶。关键词： H8单片机 自循迹 运动模型 控制系统 AbstractWith the social development and scientific and technological progress, Robot in the current production and life has been more widely used. In particular, the wheeled mobile robotis with memory function, used of flexible, wide range of application.This study is based on Renesas H8 MCU wheeled self-tracking design and realization of intelligent vehicle, Research of the theories and methods about environmental perception, information fusion, planning and decision-making and intelligent control which like Mechanism of human cognition. This intelligent vehicle control system described can be divided into two major sub-control system, They are the direction and speed control system. The core control unit for the Renesas H8 series of 8-bit microcontroller H8/3048F-ONE. System uses infrared sensors to detect track reflective white lines, during operation to identify the different circumstances circuit. And according to the feedback control the direction and speed of smart cars real-time. Fast moving on the predetermined path. Intelligent vehicle design to achieve the purpose of racing and the transmission line. Racing links include power provided and Speed control; Transmission line links including road information and steering control. Through the movement modeling and analysis on smart vehicle. This paper describes the direction and speed control system and other important realization. So the intelligent vehicle can through the straight, curved, ramp and lane changing process. Fast and stable searching the whitelane.Key words： H8MCU self-tracking motion model control system 目 录摘要IAbstractII绪论11 课题要求及总体设计方案21.1 课题要求21.2 课题主要内容及设计方案21.2.1 课题主要内容21.2.2 总体设计方案22 系统硬件设计及实现42.1 硬件组成及各部分作用42.2 舵机的工作原理及驱动52.2.1 舵机的工作原理52.2.2 舵机的驱动62.2.3 舵机的标定和修正72.3 传感器的工作原理及控制82.3.1 传感器的工作原理82.3.2 传感器的采集及处理82.4 电机的工作原理及驱动92.4.1 电机的选择92.4.2 电机的工作原理102.4.3 电机驱动102.5 车体结构112.5.1 硬件电路板的功能需求分析112.5.2 结构需求分析122.5.3 赛道基本要求133 系统软件设计143.1 智能车的数学模型及其控制算法的实现目标153.2 方向计算算法163.2.1 弯道处理163.2.2 换道处理163.2.3 坡道处理173.2.4 过渡处理部分173.3 方向控制算法173.4 速度控制算法193.4.1 赛道分析203.4.2 行驶策略203.4.3 速度给定算法203.4.4 速度闭环204 智能车调试与注意事项214.1 智能车的硬件调试214.2 系统的软件调试224.2.1 单元调试224.2.2 系统的组装调试224.2.3 系统调试224.3 注意事项22结论24致谢25参考文献26附录2727绪 论 智能机器人具有识别、推理、规划和学习等智能机制，它可以把感知和行动智能化结合起来，因此能在非特定的环境下作业。智能化机器人具有感知功能与识别、判断及规划功能。而感知本身，就是人类和动物所具有的低级智能。因此机器人的智能分为两个层次：具有感觉、识别、理解、和判断功能；具有总结经验和学习的功能。随着社会进步的步伐日益加快，对自动化的需求正在从制造业向工程、社会、生活等广泛领域扩展。原来在工厂结构化环境下工作的自动化机器或工业机器人，适合于大规模、较少柔性和变动的生产环境，对智能程度并无过高要求，而在广泛领域内所需的自动机器，则要满足不同的非结构环境下的不同需求，必须具有综合集成和自主的能力，向以技术集成为特征的智能机器人发展。信息技术需要载体，用信息化改造传统工业和各行各业，最后都要落实到用自动机器去完成信息的物化，机器人就是其载体之一。另一方面，信息技术的发展，特别是高性能计算机、通讯网络和电子器件、模式识别和信号处理、软件等技术的进展，又可促进机器人本身智力和体质的增强，为机器人向智能化、多样化发展创造条件，机器人技术与信息技术的这种互动发展在信息技术飞速发展的今天更为突出，这种机器人的高科技含量不断得到提升，始终处于高科技的前沿。机器人由于本身具有无限的想像空间，历来是概念创新、技术创新的源泉，可根据需要设想出具有对应功能的智能机器人，而且这种想象空间由低到高，永无止境。当前，由于自动化的概念正在急速向广泛领域扩展，而信息技术的发展又极大的提高了机器人的在智能程度，使这种想象空间的扩展有了需求和实现的可能，从而会更加激励围绕机器人的概念创新和技术创新，并蕴含着产生各种竞争前核心技术的可能性，从而必然是国际科技创新的重要竞争点1。未来的智能机器人技术将沿着自主性、智能通信和适应性三个方向发展。本课题主要是研究在瑞萨单片机Renesas H8/3048F-ONE MCU作为控制单元，RY3048F-ONE作为底板的基础上进行自循迹轮式移动机器人控制系统设计。1 课题要求及总体设计方案1.1 课题要求 随着社会发展和科技进步，机器人在当前生产生活中得到了越来越广泛的应用。此次设计是针对一种具有道路识别功能、使用灵活方便、应用范围较广的轮式移动机器人。该模型由四轮驱动，运行过程中能够自动识别路径，并由电机、舵机、红外传感器及编码器协调控制速度和方向。1.2 课题主要内容及设计方案1.2.1 课题主要内容 本课题的主要内容是设计并制作一个具备自循迹功能的四轮移动机器人，在预定的路径上进行快速移动。在不移动预定路径的前提条件下能够快速稳定地从起点到终点的运动控制，速度能够达到2m/s。具体技术要求如下：（1） 采用Renesas H8/3048F-ONE MCU作为主版微控制单元。（2） 电源采用5号碱性电池或者5号（镍氢、镍镉、锂电子等）充电电池来充当电源，数量不可超过8节。（3） 轮式机器人的外形尺寸要控制在：宽300mm、高150mm以内。（4） 识别的路径表面，由黑白灰三色组成。由内至外为：白色中心线宽20mm、两侧灰线宽10mm、外侧黑色宽100mm、最外侧的路肩白线宽30mm。（5） 路径由直道、弯道、连续S弯、直角弯、变道、坡道等构成。1.2.2 总体设计方案本设计最终实现的是一个自循迹轮式机器人，设计采用Renesas公司的8位单片机H8/3048F-ONE为核心控制器，由电源模块、路径识别模块、车速检测模块、转向控制模块和电机驱动模块组成。为处理好决策与运动控制之间的关系，采用了三级控制的策略，即将控制系统分为组织级、协调级和执行级对机器人进行控制。组织级根据传感器提供的信息，对机器人自身状态和所处环境进行分析，运算后给出机器人的运动规划；协调级根据组织级发出的动作指令，结合机器人自身的运动特性、电机特性及码盘信息，向执行级发出指令和数据；执行级则根据协调级输出的期望值驱动电机工作，完成机器人的行走与动作控制。组织级的软件设计包括硬件初始化、传感信号的采集与处理、系统状态判断、运动决策等；协调级的软件则包括码盘信号的处理及速度控制等。在组织级采用了模糊控制的策略,协调级则采用PID算法对驱动电机进行速度控制2。智能车控制系统总体结构如图1-1所示；智能车安装包括电池部分的安装，舵机的安装，传感器的安装以及车速检测模块的安装，智能车结构如图1-2所示3。 图1-1 智能车控制系统总体结构 图1-2 模型车结构示意图2 系统硬件设计及实现2.1 硬件组成及各部分作用机器人的系统硬件主要包括单片机、运动控制芯片、传感器、直流电机、舵机及编码器。单片机主要对传感器检测的各种信息进行处理并按照程序对其他外围器件进行协调控制，运动控制芯片则根据编码器的反馈信息专门对驱动电机进行精确控制。单片机：采用瑞萨8位单片机H8/3048F-ONE为控制核心芯片，其主要特点是片内硬件资源非常丰富、高速、低耗、大容量、易于拓展、支持C语言编程，H8/3048 系列特别适合电池供电设备的使用。是主控制模块的主要器件，可以利用PWM模块产生PWM调制信号来控制电机和舵机，通过A/D 转换器获取位置传感器的信息和车速传感器的信息。电源：电源是电源模块的构成，是一个系统正常工作的基础，因此电源的设计至关重要。智能车中接受供电的部分包括：路径识别模块、转向舵机模块、电机驱动模块、车速检测模块。寻迹智能车使用8节5号2000mAh 充电电池作为系统主电源。由于系统各模块所需电压和电流容量不同，因此需要通过不同的DC-DC 转换电路实现电压调节。为防止电机和舵机等大功率器件在反复启动状态下对系统产生干扰，主要功能模块均采用单独供电。微控制器的工作电压由LM2940稳定在5V，舵机的工作电压由可调集成稳压器LM350调节在6V，而驱动电机电源为电池组电压。 传感器：智能车路径识别模块的设计是整个智能车设计中的重要的一部分,而此部分就是靠传感器来实现，其作用相当于人的眼睛和耳朵。考虑到要使车辆的行驶过程稳定，寻迹智能车采用8对反射式红外传感器作为路径识别元件。每对传感器由红外发射管和红外接收管组成，水平均匀分布在智能车前部的传感器板上,传感器间距约为20mm 。系统针对红外路径识别前瞻能力较弱的缺点，将传感器板前伸至距车头30cm 处，使得智能车的“预判”性能大大增强。这样不仅能保证车有足够的前瞻性，还可以牢牢“钳”住白线，使车在跑直线时快速平稳，不会摇晃。 编码器：车速的检测是对车速进行闭环控制的基础，直接影响到将来控制的效果。本设计采用的是在后轴中点位置再增设一个均匀分布有黑白条纹的编码盘的测速轮的方法，根据光电反射原理，在车轮转动时，红外接收管接收到反射光强弱高低变化，通过A/D传感器将车速信息传递到单片机相应接口。车速检测模块检测模型车在前进和后退不同行驶方向时速度的大小和方向。舵机：转向控制系统中最重要的部分就是舵机。舵机的主要作用是控制智能车的转向，其过程是单片机首先通过A/D转换器将传感器采集的路面信息进行处理，再通过PWM技术对智能车的舵机进行适时的控制。本文所述的智能车采用较为独特的前轴转向方式，将舵机输出盘固定在智能车前轴的中点上，利用舵机转动带动智能车转向。智能车舵机的转向是由PWM 来控制的，当红外传感器检测到的信号满足舵机脉冲占空比要求时，舵机就会使前轮转动一定的角度，8个红外传感器在智能车前对称排开。舵机对每个传感器做出的反应也是不一样的，中间的起到正舵的作用是使智能车沿着跑道行驶，越靠近对称轴的传感器要求智能车的转向角度越小，越远离对称轴的传感器要求智能车的转向角度越大。电机：寻迹智能车采用四轮驱动方式，由四个RC-260 型直流电机分别对每个车轮进行独立驱动。在智能车行驶的过程中，由于四个车轮能够同时提供抓地力，因此智能车的动力性和行驶稳定性得到大大增强。对于电机的控制采用了基于“H”桥驱动电路的PWM 控制。电机驱动模块选用大功率场效应晶体管IRL3803 作为H 桥开关元件。经测试，当IRL3803 的栅源电压VGS 为16V 时，其导通电阻仅有6m左右，因此可以管压降显著降低，电机的驱动功率得到有效提高。系统对电机采用全桥驱动，因此可以在智能车速度过快时对电机实施反向制动，从而迅速降低车速。实验证明，当智能车车速由70%降至40%时（PWM 占空比），采用全桥驱动方式，电机响应时间仅为0.2s 左右，减速效果十分显著4。2.2 舵机的工作原理及驱动2.2.1 舵机的工作原理舵机简单的说就是集成了直流电机、电机控制器和减速器等，并封装在一个便于安装的外壳里的伺服单元。能够利用简单的输入信号比较精确的转动给定角度的电机系统。舵机的主体结构主要有以下几个部分：外壳、减速齿轮组、电机、电位器、控制电路。舵机的工作原理是：PWM信号由接收通道进入信号解调电路进行解调，获得一个直流偏置电压。该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出送入电机驱动集成电路，以驱动电机正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转直到电压差为O，电机停止转动。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。减速齿轮组是由马达驱动，其终端(输出端)带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生调整脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，将调整脉冲趋于为0，从而达到使舵机精确定位的目的。典型20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与舵机的输出轴转角关系如图 2-1所示。舵机的原理如图2-2所示。图2-1 舵机输出轴转角与输入信号脉冲宽度的关系 比例电压图2-2 舵机的原理图2.2.2 舵机的驱动本方案采用单片机产生PWM来达到对舵机的控制，PWM(Pulse Width Modulation)是脉冲宽度调制的英文缩写，利用大功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电源电压变成一定频率的方波电压，并加在直流电机的电枢上，通过对脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压来控制电机的转速。直流电机的转速大小取决于加在其上的平均电压，平均电压越大，转速越快。因而通过改变PWM波，也即改变平均电压的大小，就可以控制直流电机的转速。单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：首先是产生基本的PWM周期信号，本设计是产生20ms的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线。电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源电压通常介于46V，一般取5V。注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20 ms(即频率为50 Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。实验中要求赛车沿着黑线前进，不能偏离黑线一定的距离。舵机的方向控制对于赛车安全稳定前进的重要性不言而喻，对于舵机各种参数的测试显得尤为重要包括舵机机械性能的调整、舵机工作性能与温度的有关性，PWM波占空比与角度参数关系的标定，这些稳定的舵机性能是角度控制的有力保证。2.2.3 舵机的标定和修正舵机作为一种简单的位置伺服系统，其规范程度比较低。在将舵机应用于机器人关节驱动的时候，需要对关节进行精确的角度控制，所以需要设计一套标定方法，对舵机的脉宽转角关系进行标定。使用标定系统对舵机进行标定，对每10度记录一次脉宽值，测定范围从0-180度，每次传送的角度信息都是从起始位置到目的位置的角度。实际系统中，为了保护舵机，在舵机两个方向分别留了安全裕量，选定舵机控制从10-170度，所以不会出现超过这个范围而造成舵机烧掉。舵机是整个赛车系统非常脆弱却又极为重要的部件，多次运行舵机容易出现零漂现象，其稳定性较差，严重影响了赛车的性能。可以对舵机进行机械上的调整改善舵机性能，调整主要是垫高舵机的安放位置，通过机械方式，利用舵机的输出转矩余量，将角度进行放大，加快舵机响应速度；实验证明这对舵机的灵活性与稳定性都有较大的提高。由于舵机正常运行的速度极限为45度，未进行机械调整以前，赛车运行2-3圈后即出现零漂、滞后等问题，调整后滞后性大大减小，运行时间也有所增加，不易出现零漂问题5。2.3 传感器的工作原理及控制2.3.1 传感器的工作原理 本设计采用反射式红外传感器，利用黑线对红外线的吸收，白线对红外线的发射来实现的。红外反射式光电传感器由一个发射管和一个接收管组成，LED发出红外线，照射到赛道上，利用漫反射原理，采用与发射管配对的接收管采集反射回来的红外光线，采集得到模拟电压，相应于不同的路面条件（主要是反射程度），接收管接收到地面漫反射红外线后其两端电压将有所不同。其电压大小与路面情况有关：当路面的颜色为白色时，反射光较强，电压较高；当路面的颜色为黑色时，反射光较弱，电压较低。送回单片机的AD口，然后通过AD/DA转换器变成数字信号，由于红外线有明显的不同，因此可以区分出黑线与白板便能够通过程序来判断赛道的路况。传感器系统通过将多个传感器进行合理配置,利用多传感器提供的综合信息,对外界环境进行判断和分析,决定避障策略、路线规划和动作调整。在正常情况下,机器人利用光电传感器检测车体偏离导航线的程度，对行进速度进行调整，使机器人保持正确的运动轨迹。2.3.2 传感器的采集及处理在本系统中，对车体前沿的8个红外传感器进行编码，左1和右1传感器分别紧贴导航线的两侧。当机器人沿导航线向正前方行进时，其编码值应为0，即无偏差。由于左右轮的不一致，机器人所读取的传感器编码将在正负码值之间变化。MCU通过它提供的信号发出指令，通过传感器板上面的单排LED现实其状态，并控制智能车其它部件协同工作。单排LED原理：通过接收路面反射的主动发射的已知特性的光线强度进行路面类别和颜色的识别，如图2-3所示。单排LED，从安装看：贴地式，抬起式；从信号格式看：模拟式，数字式；从信号传输看：直流式，调制式；从信号定位看：发射管定位，接收管定位。间隔图2-3 单排LED示意图由于MCU信息处理及机械结构上存在延时，故在车速较快的情况下需要提前知道赛道的信息，故通过传感器伸长板将传感器前伸，以提高赛道信息的前瞻量6。2.4 电机的工作原理及驱动2.4.1 电机的选择电机是机器人的主要动力机构，因此选择一款合适的电机来驱动机器人十分重要。按照电机的特点，一般可将其分为直流电机、步进电机和舵机。步进电机：步进电机本质上是一种低速电机，所以它有一个优点能实现精确运动，一旦到达指定位置后就能保持在那里。但也存在它的缺陷，功率与自重比小，体积大，较难与车轮装配，负载能力低，功率小，控制复杂。在同等功率条件下，步进电机的尺寸显得比直流电机要大且笨重，步进电机的输出转矩通常也不够强劲，因此不推荐把它用在超过两磅重的机器人上。舵机：舵机由直流电机、高效而轻便的齿轮箱以及控制电机速度和方向的控制器构成。它易于安装，容易与车轮装配，借口简单，但功率不高，负载能力较低，速度调节范围较小，一般适用于小型机器人和步行机器人。直流电机：直流电机实际上是机器人平台的标准电机，有着极宽的功率调节范围、适用性好、率大、接口简单、具有很高的性价比，是一种最为通用的电机。到目前为止，直流电机仍是输出功率最强劲的电机。适合较大型机器人。根据机器人所要完成的任务，我们选用直流电机，并且是自身带有齿轮减速器的电机，这样不但可以方便的将车轮的速度降至足够低，而且用较小的功率就能获得更强的输出。2.4.2 电机的工作原理 图2-4 直流电机的内部结构在绕有线圈的铁心（转子）的外周，有相同数目的定子（永久磁铁）相向包围。通过整流器的电刷转子断续的得到电流，转子与定子的永久磁铁反复相吸、排斥，结果无论它们的相互位置如何，转子始终能够沿着一定的方向回转。在永久磁铁（N、S极）之间的线圈有电流通过时，产生电磁力，对应于永久磁铁产生的磁场，N极产生向上的力，S极产生向下的力，从而使线圈动作。结果导致线圈旋转。在线圈转动的同时，整流器也随之旋转，这样就能保证电流流向的自动切换以便维持转子向同一方向的连续转动。于是，线圈中不断的产生相同方向的旋转力。根据弗莱明（Fleming）左手法则，电机产生转矩，而电机一旦开始回转，就使线圈磁场中转动，再由弗莱明右手法则，应该有电压产生，称之为反电动势，外部所施加的电压克服反电动势，线圈中就有电流流过7。2.4.3 电机驱动直流电机驱动中使用最广泛的就是H型全桥驱动电路，如图2-5所示。图2-5 H型全桥驱动电路当开关Q1与Q4闭合时，负载电流从电源由A流向B，此时负载端A点相对于B点是正电位，电机两端承受正向电压。开关Q1与Q4由控制逻辑来同步工作，在开关Q1与Q4闭合期间，控制逻辑使另一对开关Q2与Q3处于断开状态。反之，当开关Q2与Q3闭合时，开关Q1与Q4断开，此时，负载电流从电源U由B流向A，负载端B点相对于A点是正电位，电机两端承受反向电压。通过调节PWM信号的占空比就可改变电机电枢两端的平均电压，从而控制电机的转速或方向8。2.5 车体结构2.5.1 硬件电路板的功能需求分析(1) 电源部分：MCU板、红外传感器板、速度传感器、舵机、四个轮子的电机；(2) 电机驱动：安全、快速响应、低损耗；(3) 人机交互：按键、拨码开关、LED、蜂鸣器；(4) 与外界机构的接口：MCU板、红外传感器板、速度传感器、舵机、四个轮子的电机、电池、串口、车体安装孔位；(5) 传感器：7+1个反射式传感器，主要由S7136组成。2.5.2 结构需求分析 表2-6 结构需求分析设计要求考虑因素总重1000g以内转向、加速度总宽190mm左右转向总长480mm左右转向高度尽量低重心车轮设计方案要能保证车轮无偏摆稳定性、加速度齿轮啮合应做好选择合适的模数和减速比在结构上考虑强度及刚度问题选择合适的材料 结构需求分析如上表2-6所示。成品性能分析：（1） 能够正常跑完赛道全程。（2） 最大速度=2m/s。（3） 有较强的走直线能力。（4） 转弯灵活，反应迅速。（5） 能够适应一定程度的坡度，探测部分爬坡不受影响。底盘设计：底盘是整个赛车的承载基体，支承着舵机、电机、电池组、电路板等组件。车架的设计主要有以下几个方面：车体几何尺寸，包括轴距、轮距、传感器前伸量等；车体结构，包括舵机安装，驱劢电机安装，传感器安装等；重心。轴距:就是汽车前轴中心到后轴中心的距离。汽车的轴距短，赛车长度就短，最小转弯半径和纵向通过半径也小，赛车的机动性就好。但如果轴距过短，则后悬(车辆最后轮轴线与赛车最后端的距离) 也会过长，就会造成行驶时纵向摆动大及制动、加速或上坡时质量转移大，其操纵性和稳定性就会变坏。如果轴距过长，就会使得车身长度增加，过弯、换道性能就会大打折扣。轮距：是前或后两轮中心间距。轮距受车体结构的制约。轮距大，车体的稳定性会得到提高，相同情况下侧翻的概率会变小。不过大轮距使车轮外侧距跑道边沿的距离就会变小，对巡线的要求就会变高。此外，大轮距舵机对转向的控制相对于差速对转向的控制的权值就会减小，小轮距舵机对转向的控制相对于差速对转向的控制的权值就会加大。传感器前伸量：是指传感器至前轮中心的沿车长方向的距离。传感器前伸量和车长有一定的关系，一般在1：1.2左右。对于舵机车，转弯时根据转弯半径大小由不同的传感器贴合赛道，故传感器前伸量与车长和传感器间距都有关系。前轮定位对于保证赛车车轮与地面的良好接触非常重要。前轮定位的主要目的是使车轮在路面上做纯滚动而无侧滑。正确的前轮定位能为我们带来良好的方向稳定性，轻便的转向，良好的轮胎触地性以及少量的电池支出。重心：车的轴距WB是前车轴和后车轴之间的距离。F表示重心到前车轴的距离，B表示重心到后车轴的距离。则有分布在前车轴的重量=车重*（B/WB） （2-1）分布在后车轴的重量=车重*（F/WB） （2-2）如果重心的位置靠后的话，车会有更多的后轮抓地力。如果重心位置靠前的话，将带给车更大的转向力。赛车在较陡侧坡行驶戒高速急转弯时，会发生侧向倾覆，为避免这种危险，重心应在保证最小离地间隙的前提下尽量降低。相对而言，赛车的底盘质量都较大，这样可以降低赛车的重心，增加赛车行驶时的稳度。四驱赛车重心尽量在离后轴1/3轴距处。底盘、电池及电路板：这些是赛车的主体，也是赛车重量组成的重头，对他们进行合理的布局能有效提高赛车的综合性能9。2.5.3 赛道基本要求全程赛道由直道、弯道、直角弯道（90的左右弯道）、S 字弯赛道设计道（内径450mm）变线区域以及倾斜角在以内的斜坡组合而成。如图2-7所示。 图2-7 赛道模型3 系统软件设计控制系统中的软件需要完成系统初始化以及控制过程的实现等功能，是一个控制系统的核心部分，软件设计的好坏直接影响到系统的性能。单片机系统需要接收路径识别电路的信号及车速传感器的信号，并采用某种路径搜索算法进行寻线判断，进而控制转向伺服电机和直流驱动电机的工作。这些功能的实现都是通过软件实现的算法设计主要包括数学建模、方向控制算法和速度控制算法。核心控制部分分为直道弯道处理、直角弯换道识别与处理、坡道处理、过渡过程处理、稳定性调试、角度与速度调试等。相应的主程序流程如图3-1所示10。 图3-1 主程序流程图3.1 智能车的数学模型及其控制算法的实现目标智能车传感器采用一字形布置，这种布置形式使输入信号简单明确，抗干扰信号能力强，但是由于硬件条件的限制，智能车只能看到脚下的道路。我们对智能车进行数学建模时并不需要过多的计算，将智能车与现实世界结合起来，通过传感器的信息采集我们就可以知道，智能车告诉我们的不是其处于弯道还是直道，是左转还是右转，将要走直线还是转弯，而是说明的智能车当前的位置与白线的关系，所以我们可以建立一个以原点对称的坐标轴来描述智能车的数学模型，如图3-2所示。 图3-2 智能车的数学模型-坐标轴模型 根据数学模型的原理可以看出，控制算法的实现目标就是将白线保持在坐标轴中央，即水平位移为0，如果白线在坐标轴的正半轴就控制智能车左转，水平偏移量大那么转向程度就大，反之亦然。3.2 方向计算算法智能车采用的 8 个红外传感器能够很好的检测到地面白线的信息，同时充分利用了片上8 路 A/D 转换器的资源。智能车上8 个红外传感器能够检测到8 个精确的位置，加上相邻两个传感器同时检测到白线和没有传感器检测到白线的情况，一共有16 种检测状态，这样就可以将智能车的水平偏移量求出来了。将每种检测状态下白线距智能车中心线的水平偏移量e 标定出来作为智能车的控制参数。针对不同检测状态输出不同智能车的舵机控制量以及目标车速，从而实现智能车寻迹行驶。针对赛道的不同，小车在行进过程中通过路面识别得到的信息，要能较好并且稳定进行直道弯道、直角弯、换道坡道的处理。3.2.1 弯道处理比赛弯道分为R450和R600两种，两种不同的弯道上运行是不一样的，由于曲率半径的不同导致差速不同和循线角度的不同。处理时用到了8个数字传感器，假设初始状态为0000 0000。在非特殊赛道时，当出现0000 0010、0000 0111、0000 0011、0000 0001等则认为进入了右弯道，左弯道与之对称。弯道时当出现000x 1x00（x为0或1）时，则回归直道。3.2.2 换道处理当传感器检测到换道标志时，控制芯片对其转向（左转右转）做出判断，并适当调整舵机方向和车速，保证智能车顺利转换。换道结束后，继续调整车速和方向，以保证智能车在直道上进行加速。3.2.3 坡道处理车速很高时面对坡道时如不进行特殊处理，小车会冲出赛道。解决办法：坡道检测、适当限速。坡道检测:自身传感器识别和利用辅助传感器识别。自身传感器识别又分为模拟量识别和数字量识别。辅助传感器识别主要有角度传感器识别、加速度传感器识别、超声波测距、光电传感器识别等。前者的优点是充分利用资源，既可以用作循迹又可以识别坡道，不需要硬件电路，缺点是要求算法高，易误判。后者的优点是识别准确，缺点是浪费传感器个数，有些传感器需要复杂的外围硬件电路，才能达到要求。自身传感器模拟量识别：LED发出红外线，照射到赛道上，利用漫反射原理，采用与发射管配对的接收管采集反射回来的红外光线，采集得到的模拟电压，送回单片机的AD口，由于红外线有明显的不同，因此可以区分出黑线与白板。利用此反射原理同样可以分辨出上坡与下坡，车在进入上坡时，红外线照射距离变进，当照射到白板时，AD口采集到的模拟电压一致比在平地上大，当照射到黑线上是，AD口采集到的模拟电压一致比在平地上小，并且会在一小段时间内保持相同的状态，这样就不会由于智能车在行驶时由于传感器支架抖动而误检测，以此识别上坡。下坡原理相同。适当限速：在小车后部添加编码器，在行进的过程中通过码盘转动，测试小车当前速度，并通过信息反馈再由运动控制芯片发出指令。3.2.4 过渡处理部分所谓过渡处理，即是在不同的赛道类型间进行特殊的处理。因为随着小车的速度提高，调试发现在不同的赛道间转换时由于小车姿态很难及时调整好，所以在赛道切换后会出现各种各样的问题。过渡处理包括：左右弯道间(即s弯)的短直道过渡、直道与坡道间的过渡、直角弯换道后与直道的过渡11。3.3 方向控制算法 智能车方向控制的作用好比是驾驶员和他所控制的方向盘。在这里我们采用基于白线偏差e的开环P控制（比例控制）的算法就能很好的控制小车的转向，且这种方法具有实时性好，传输速度高等优点。所谓P控制就是输出方向和测得的白线位置成分段比例关系。比例关系的确定依据如图3-3所示，设为舵机转角，偏移量为e，前轴到传感器间距为b。根据几何知识可以得出舵机转角公式：arctan(e/b)。 图3-3 方向控制的实现在前面介绍的基础上我们知道，智能车“看”到的路面情况一共有16种状态，其中每一种状态都有一个相应舵机转角值与之对应。这样就可以在程序中创建出每种传感器状态对应的白线偏差e与舵机转角之间的二维映射表，如表3-4所示。这样单片机就可以在传感器A/D信号解读后查表确定舵机的转角大小，从而可以牢牢“钳”住白线，使车在跑直线时快速平稳，不会摇晃。表3-4 传感器状态对应的白线偏差e 与舵机转角 之间的二维映射表序号传感器状态白线便偏差e（mm）舵机转角（度）1002-20-3.43203.44005006203.47407.486011.39-20-3.410-40-7.411-60-11.312-60-11.3136011.314-40-7.415407.41600 （代表检测到白色引导