智能車(chē)總體方案智能車(chē)系統(tǒng)以飛思卡爾公司的MC68S912DP256為核心，由電源模塊、傳感器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)向電機(jī)控制模塊、控制參數(shù)選擇模塊、單片機(jī)模塊等組成，如圖1所示。智能車(chē)系統(tǒng)工作電壓由 1.6V、 5V、7.2V三個(gè)系統(tǒng)混合組成，其中7.2V用于給驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向舵機(jī)供電，5V給車(chē)速傳感器、MCU以及光電傳感器接收管供電，1.6V給發(fā)光管供電。為了在線(xiàn)控制參數(shù)的調(diào)整方便，還設(shè)置了一個(gè)控制參數(shù)選擇模塊，可以通過(guò)幾個(gè)按鍵的設(shè)置，調(diào)用不同的程序或控制參數(shù)，以適應(yīng)不同場(chǎng)地條件的要求。

圖1智能車(chē)總體結(jié)構(gòu)
智能車(chē)的工作模式是：光電傳感器探測(cè)賽道信息，轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)當(dāng)前車(chē)速，電池電壓監(jiān)測(cè)電路檢測(cè)電池電壓，并將這些信息輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。通過(guò)控制算法對(duì)賽車(chē)發(fā)出控制命令，通過(guò)轉(zhuǎn)向舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)賽車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
想要取得智能車(chē)比賽的好成績(jī)，模型車(chē)底盤(pán)參數(shù)優(yōu)化和硬件設(shè)備的可靠性是非常重要的。其中，前輪定位參數(shù)優(yōu)化、轉(zhuǎn)向舵機(jī)力臂增大和底盤(pán)重心位置調(diào)整對(duì)于車(chē)模的機(jī)械性能有著較大的影響。底盤(pán)參數(shù)的優(yōu)化參見(jiàn)[1>，本文不贅述。
路徑識(shí)別方案選擇與電路設(shè)計(jì)路徑識(shí)別方案是首先需要確定的，主要有以下幾個(gè)問(wèn)題。
*光電識(shí)別還是攝像頭識(shí)別；
*傳感器如何排列？間隔多大、形狀如何、單排還是雙排；
*傳感器可向前探測(cè)的遠(yuǎn)度；
*傳感器信號(hào)采用數(shù)字式還是模擬式；
*電路上如何實(shí)現(xiàn)。
由于光電識(shí)別方案簡(jiǎn)單可靠，因此本文采用了光電識(shí)別方案。
數(shù)字式光電識(shí)別與模擬式光電識(shí)別比賽組委會(huì)要求傳感器個(gè)數(shù)最多為16個(gè)，除掉1個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，可用于探測(cè)路徑的傳感器為15個(gè)，而傳感器允許布置的總寬度為25cm，如果采用數(shù)字式光電傳感器均勻分布，對(duì)道路的探測(cè)精度只能達(dá)到17mm左右，這樣賽車(chē)在前進(jìn)過(guò)程中很難達(dá)到很高的控制精度和響應(yīng)速度。從本質(zhì)上講，數(shù)字式光電傳感器的劣勢(shì)就在于它丟掉了路徑探測(cè)中的大量信息。
模擬式光電傳感器從理論上可以大大提高路徑探測(cè)精度。模擬式光電傳感器的發(fā)光和接收都是錐角一定的圓錐形空間，其電壓大小與傳感器距離黑色路徑標(biāo)記線(xiàn)的水平距離有定量關(guān)系：離黑線(xiàn)越近，電壓越低，離黑線(xiàn)越遠(yuǎn)，則電壓越高(具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系與光電管型號(hào)以及離地高度有關(guān))，如圖2所示。

圖2傳感器電壓與偏移距離關(guān)系示意圖
因此，只要掌握了傳感器電壓—偏移距離特性關(guān)系，就可以根據(jù)傳感器電壓大小確定各傳感器與黑色標(biāo)記線(xiàn)的距離(而不是僅僅粗略判斷該傳感器是否在線(xiàn)上)，進(jìn)而獲得車(chē)身縱軸線(xiàn)相對(duì)路徑標(biāo)記線(xiàn)的位置，得到連續(xù)分布的路徑信息。
根據(jù)實(shí)車(chē)試驗(yàn)，可以將路徑探測(cè)的精度提高到1mm。這樣傳感器采集的信息就能保證了單片機(jī)可以獲得精確的賽道信息，從而為提高賽車(chē)的精確控制提供了保證。
雙排排列與前瞻設(shè)計(jì)本文開(kāi)發(fā)了智能車(chē)性能仿真平臺(tái)[2>，對(duì)傳感器的布局進(jìn)行了深入研究[3>。由于轉(zhuǎn)向舵機(jī)、電機(jī)和車(chē)都是高階慣性延遲環(huán)節(jié)，從輸入到輸出需要一定的時(shí)間，越早知道前方道路的信息，就越能減小從輸入到輸出的滯后。檢測(cè)車(chē)前方一定距離的賽道就叫前瞻，在一定的前瞻范圍內(nèi)，前瞻越大的傳感器方案，其極限速度就會(huì)越高，其高速行駛過(guò)程中對(duì)引導(dǎo)線(xiàn)的跟隨精度也相對(duì)較高，系統(tǒng)的整體響應(yīng)性能較好。因此路徑識(shí)別模塊設(shè)計(jì)成抬起與地面形成一個(gè)夾角，前排傳感器用于前瞻，后排傳感器對(duì)賽道始點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別、計(jì)算車(chē)身縱軸線(xiàn)與賽道中心線(xiàn)的偏差斜率，以利于更好地調(diào)整車(chē)輛的姿態(tài)。
為了保證在離地間隙盡可能大的情況下光電傳感器仍然有足夠大的發(fā)光強(qiáng)度，本文采用了大電流脈沖觸發(fā)發(fā)光的控制方式。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)光管在發(fā)光時(shí)，經(jīng)過(guò)的電流約為0.5A。如果用15個(gè)傳感器，則瞬時(shí)電流為7.5A。這樣大的電流肯定會(huì)對(duì)電池電壓造成一定的沖擊，不利于整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此將前后排傳感器的發(fā)光時(shí)間錯(cuò)開(kāi)，通過(guò)兩套觸發(fā)電路來(lái)控制發(fā)光。這樣就有效減小了紅外發(fā)光管發(fā)光時(shí)對(duì)電池電壓的沖擊。
轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)控制與路徑記憶算法
驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制本文在電機(jī)輸出軸上加一齒盤(pán)，電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)。將對(duì)射光偶發(fā)光和接受管放在碼盤(pán)兩側(cè)。碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于碼盤(pán)上的齒經(jīng)過(guò)發(fā)光管發(fā)出的光線(xiàn)時(shí)，會(huì)阻礙光線(xiàn)傳播。所以接收管兩端的電阻會(huì)有很大的變化，這樣，在電路中采樣電阻兩端的電壓就會(huì)有很大的變化。用處理器上的脈沖捕捉端口采集電壓脈沖單位時(shí)間內(nèi)的個(gè)數(shù)，就會(huì)獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而獲得車(chē)速。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用的是飛思卡爾公司的MC33886。所不同的是本文采用了三片MC33886并聯(lián)，一方面可以減小導(dǎo)通電阻，提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力，并且MC33886的發(fā)熱情況也有了很大的好