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模糊pid和模糊控制的智能车编程实现.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.77M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    摘 要
    Abstract
    第一章 引 言
    1.1 比赛背景介绍
    1.2 本文章节安排及文献综述
    第二章 方案选择
    2.1 测量模块方案选择
    2.1.1 路径检测模块
    2.1.2 速度检测模块
    2.2 控制模块方案选择
    2.2.1 路径控制模块
    2.2.2 方向控制模块
    2.2.3 速度控制模块
    2.3 执行模块方案选择
    2.3.1 路径执行模块
    2.3.2 方向执行模块
    2.3.3 速度执行模块
    2.4本章小结
    第三章 机械结构设计
    3.1 车模组装与改造
    3.1.1 车模组装
    3.1.2 前轮定位的调整
    3.1.3 差速的调整
    3.1.4 舵机力臂的调整
    3.2 摄像头的安装
    3.3 光栅编码器的安装
    3.4 电路板的固定与安装
    第四章 硬件系统设计与实现
    4.1 电源模块
    4.1.1 降压稳压电路设计
    4.1.2 升压稳压电路设计
    4.1.3 电源模块小结
    4.2 路径识别模块
    4.3 电机模块
    4.4 舵机模块
    4.5 测速传感器模块
    4.6本章小结
    第五章 理论分析与算法实现
    5.1 模型建立
    5.1.1 基于后轮差速的运动模型
    5.1.2 基于速度和前轮转角的运动模型
    5.2 运动模型仿真
    5.3 控制算法
    5.3.1 控制算法的简单介绍
    5.3.2 方向控制
    5.3.3 速度控制
    5.3.4控制算法的优化部分
    5.3.5算法的程序实现
    第六章 软件系统设计与实现
    6.1 系统初始化
    6.2 视频图像信号采集
    6.3 图像处理和黑线提取
    6.3.1 图像处理
    6.3.2 黑线的提取
    第七章 开发与调试
    7.1 软件开发环境介绍
    7.2 智能车整体调试
    第八章 结论
    8.1 总结
    8.2 展望
    参考文献
    附录：控制程序
    第二届全国大学生“飞思卡尔”杯 智能汽车竞赛 技 术 报 告 附件 B 关于理论模型与智能车实际运动轨迹的研究 学 校： 西北工业大学 队伍名称： 参赛队员： 带队教师： 翱翔队 熊 波 常会贤 曹 阳 曲仕茹
    关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第二届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛关保留、使 用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委 会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、 技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会 出版论文集中。 参赛队员签名： 带队教师签名： 日 期： 2
    目 录 摘 要.................................................................................................................................................. I Abstract............................................................................................................................................II 第一章 引 言....................................................................................................................................1 1.1 比赛背景介绍 .....................................................................................................................1 1.2 本文章节安排及文献综述................................................................................................ 2 第二章 方案选择..............................................................................................................................3 2.1 测量模块方案选择 .............................................................................................................3 2.1.1 路径检测模块..........................................................................................................3 2.1.2 速度检测模块..........................................................................................................5 2.2 控制模块方案选择 .............................................................................................................6 2.2.1 路径控制模块..........................................................................................................6 2.2.2 方向控制模块..........................................................................................................9 2.2.3 速度控制模块....................................................................................................... 10 2.3 执行模块方案选择 ...........................................................................................................10 2.3.1 路径执行模块....................................................................................................... 10 2.3.2 方向执行模块....................................................................................................... 13 2.3.3 速度执行模块....................................................................................................... 13 2.4 本章小结 ............................................................................................................................13 第三章 机械结构设计................................................................................................................... 15 3.1 车模组装与改造...............................................................................................................15 3.1.1 车模组装................................................................................................................15 3.1.2 前轮定位的调整................................................................................................... 15 3.1.3 差速的调整............................................................................................................16 3.1.4 舵机力臂的调整................................................................................................... 16 3.2 摄像头的安装 ...................................................................................................................16 3.3 光栅编码器的安装 ...........................................................................................................18 3.4 电路板的固定与安装...................................................................................................... 19 第四章 硬件系统设计与实现....................................................................................................... 21 4.1 电源模块 ...........................................................................................................................21 4.1.1 降压稳压电路设计............................................................................................... 22 4.1.2 升压稳压电路设计............................................................................................... 22 4.1.3 电源模块小结....................................................................................................... 23 4.2 路径识别模块 ...................................................................................................................24 4.3 电机模块 ...........................................................................................................................26 4.4 舵机模块 ...........................................................................................................................26 4.5 测速传感器模块...............................................................................................................26 4.6 本章小结 ............................................................................................................................28 第五章 理论分析与算法实现....................................................................................................... 29 I
    5.1 模型建立 ...........................................................................................................................29 5.1.1 基于后轮差速的运动模型................................................................................... 29 5.1.2 基于速度和前轮转角的运动模型 ..................................................................... 32 5.2 运动模型仿真 ...................................................................................................................37 5.3 控制算法 ...........................................................................................................................39 5.3.1 控制算法的简单介绍........................................................................................... 40 5.3.2 方向控制 ..............................................................................................................42 5.3.3 速度控制 ..............................................................................................................48 5.3.4 控制算法的优化部分 ............................................................................................ 50 5.3.5 算法的程序实现 .................................................................................................... 51 第六章 软件系统设计与实现....................................................................................................... 53 6.1 系统初始化.......................................................................................................................53 6.2 视频图像信号采集 ...........................................................................................................54 6.3 图像处理和黑线提取...................................................................................................... 55 6.3.1 图像处理................................................................................................................55 6.3.2 黑线的提取............................................................................................................56 第七章 开发与调试........................................................................................................................59 7.1 软件开发环境介绍 ...........................................................................................................59 7.2 智能车整体调试...............................................................................................................61 第八章 结论....................................................................................................................................63 8.1 总结 ...................................................................................................................................63 8.2 展望 ...................................................................................................................................63 参考文献............................................................................................................................................ I 附录：控制程序................................................................................................................................ I II
    摘 要 本文在第二届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车比赛的背景下，制作一 个在专门设计的跑道上自动识别道路行驶的智能车，能够在最短时间内跑完全 程，不脱离跑道并遵守大赛的一系列规则的队伍即可胜出。 本系统主要由 MC9S12DG128 控制核心、电源管理单元、路径识别电路、 车速检测模块、舵机控制单元和直流电机驱动单元组成，以飞思卡尔公司的 16 位单片机 S12 为控制核心，路径识别和车速的检测相结合，通过控制转向舵机 和驱动电机，使智能车系统达到所需的稳定性及快速性要求。本文详细的介绍 了智能汽车的机械结构设计，硬件电路设计，系统软件设计合理论分析以及模 型车的控制算法设计。本智能车采用了适合智能控制的模糊控制算法，首先对 系统的模型进行了分析，从而选择合适的算法，其次，对图像采集所用到的基 本模块进行了简要介绍，然后介绍了所使用的图像采集和路径识别的算法。 关键词：智能汽车，模糊控制，PID 控制，CCD 传感器，直流电机 I
    Abstract This text is under the background of the intelligence automobile invitational tournament of the national university student of the second" freescare " cup, manufactures to be able independently to distinguish the way the intelligent vehicle on the runway which specially designs the automatic diagnosis path travel, can run the entire journey in the shortest time, is not separated from the heavy line and observes the big game a series of rules troop then to win. This system is mainly composed with the MC9S12DG128 control core, the power source management unit, the way identification circuit, the vehicle speed examination module, the servo control unit and the direct current machine actuates the unit, take 16 monolithic integrated circuits S12 as the control core, the way recognition and the vehicle speed examination unifies, changes the servo and the actuation electrical machinery through the control, enables the intelligent vehicle system to achieve needs stable and rapid request. This paper introduced the Intelligent Vehicle mechanical structure design, hardware circuit design, system software design and analysis of a theoretical model of vehicle control algorithm design. Control of fuzzy control algorithms was used in our Intelligent Vehicle, first, in order to choose a suitable algorithm, we analysis the model of the system,；secondly, the basic module which used to image gathering has carried on the brief introduction; then, introduced the used image gathering method and the road recognition algorithm. Keyword: intelligence car,fruzzy control,PID control, CCD sensor, DC-motor II
    第一章 引 言 1.1 比赛背景介绍 教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，在已举办的全 国大学生数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等 4 大竞赛的基础上，经 研究决定，委托教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办每年一度的 全国大学生智能汽车竞赛，并成立了由教育部、自动化分教委、清华大学、飞 思卡尔半导体公司等单位领导及专家组成了组委会。 该竞赛与教育部已举办的 4 大专业竞赛一样，都是为了提高大学生的动手 能力和创新能力而举办的，具有重大的现实意义。与其他大赛不同的是，这个 大赛的综合性很强，是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、 传感、电子、电气、计算机和机械等多个学科交叉的科技创意性比赛，这对进 一步深化高等工程教育改革，培养本科生获取知识、应用知识的能力及创新意 识，培养硕士生从事科学、技术研究能力，培养博士生知识、技术创新能力具 有重要意义。 根据自动化专业教学指导分委员会与飞思卡尔公司签署的有效期为 5 年的 飞思卡尔公司协办全国大学生智能竞赛的合作协议书，竞赛由飞思卡尔公司提 供统一的标准硬软件技术平台。各参赛队以飞思卡尔 HC12 单片机为核心控制 模块，以引导改装后的模型汽车按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。 组委会办公室技术组专家赴韩国汉阳大学交流访问，认真考察了其举办的 多届智能汽车竞速比赛，在学习与总结其宝贵经验的基础上，为了保证竞赛的 普及性，规定每支参赛队伍三名成员中最多只能有一名研究生参加；为了保证 竞赛的公平性，制定了多种赛道方案以及体现公平、透明的比赛规则；为了进 一步训练大学生的科学技术研究素质，参赛队伍除了进行现场比赛之外，还须 提交技术报告，并计入竞赛总分。 经各参赛队与组委会充分准备，于 2006 年 8 月 20—21 日在清华大学成功 举办了由清华大学承办、飞思卡尔公司协办的第一届“飞思卡尔”杯全国大学 生智能汽车邀请赛。赛后队员们反映热烈，众多媒体竞相报导。 为了使该竞赛向普及、健康的方向发展，成为在全国范围内大学生科技创 1
    第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 意性的重要赛事，经自动化分教指委、飞思卡尔公司及组委会协商决定，在清 华大学自动化系设立竞赛秘书处；为了使更多的高校、更多的大学生参与到这 一活动中来，从第二届开始，采用分赛区比赛形式，将大赛参赛范围扩大为全 国 300 多所学校（包括港、澳等地区的高校）[1]。 1.2 本文章节安排及文献综述 本文系统的介绍了制作本智能模型车的各项技术。具体章节安排如下： 第一章 引言 介绍了本次比赛的背景，引出下文。 第二章 方案选择 将智能车控制系统分解为模块，分别从各个模块讨论本 智能车系统将要采用的控制方案。在这部分中，为了确定方案我们查找了很多 文献，有关于传感器和传感器技术的，如参考文献[3]，[4]；还有关于机器人技 术的，如参考文献[5]；以及关于去年比赛的论文，如参考文献[6]。 第三章 机械结构设计 介绍了智能车的搭建与调整，以及摄像头、光栅编 码器与电路板的安装。应用了一些相关的汽车理论知识，如参考文献[8]。 第四章 硬件系统设计及实现 分析智能车系统各组成部分为实现特定功能 应采用什么样的电路，能达到最好效果同时产生的噪声和对其他电路的干扰最 小。参考的主要资料是芯片的 datasheet，如参考文献[7]，[9]，[10]，[11]，[12]。 第五章 理论分析与算法实现 从建模的角度分析车的运动形式，最后得出 控制算法。其中，数学基础理论参考了文献[13]。在控制算法上，我们对比了 模糊控制和 PID 控制，最终采用模糊控制。主要参考文献有[14]，[15]，[16]。 第六章 软件系统设计与实现 介绍了本智能车系统的初始化，图像采集、 图像处理和黑线提取的方法。在视频信号的采集上，我们主要参考了《视频技 术与应用》（参考文献[18]）。在图像的处理上用到了《MATLAB 7.0 控制系统应 用与实例》（参考文献[19]）。 第七章 开发与调试 介绍了软件开发的环境，以及对各部分的调试方法。 我们软件开发环境为 Metrowerks 公司开发的软件集成开发环境 Codewarrior， 因此，我们仔细研究了 Codewarrior 使用指南（参考文献[17]）。 第八章 总结与展望 总结了几个月来的工作，对未来进行了展望。 2
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