智能车系统的研究与设计

论文摘要

东北大学承办的第三届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车大赛,要求参赛者在提供的模型车体及主控制器芯片基础上,设计制作具有自主道路识别能力的智能赛车,在赛道上以最快速度完成赛程者为优胜。本文基于Freeescale的芯片对智能车系统进行研究和设计,使智能车具有自动识别路径和完成控制功能。此项目是一项具有现实应用意义的导引技术,有着广阔的前景。本文以第三届全国大学生智能车竞赛为背景,研究了智能赛车控制系统的软硬件设计和开发流程。该比赛采用组委会规定的标准车模,以Freescale半导体公司生产的16位单片MC9S12DG128为核心控制器,在CodeWarrior IDE开发环境中进行软件开发,开展了旨在提高小车路径识别和路径跟踪的准确性、稳定性和实时性的研究。本文首先设计了智能小车路径检测系统、速度检测、稳压电源以及电机驱动等各个模块的控制器硬件系统。其次研究了几种常用的控制方法并且对其运用于智能车做了实际测试,分析了控制效果以及优缺点,最后确定了小车的转向控制策略:在直道用PD控制,表现非常好;弯道为PD的P参数输出设计了一个模糊控制器进行路径跟踪,有效地克服了智能小车路径跟踪系统的非线性和不确定性等不良的影响,提高了系统的鲁棒性。在实际运动中环境未知的情况下,研究和比较了速度PID控制和速度模糊PID控制,通过最后实际测试得出结论:模糊PID控制速度比PID控制速度要优越。故速度控制最后方案是模糊PID控制,有效地提高了小车在实际行进中的速度连贯性,小车的比赛时间明显缩短。之后论述了整个系统的实现方式并且研究了另外一种新型算法—记忆算法。在第一圈以最安全的速度驶过一圈,并将赛道信息保存下来,第二圈根据保存下来的信息进行车速和转角决策的相应最优化,从而在第二圈取得更好的成绩。最后对全文进行了概括性总结,并提出一些需要进一步改进的地方。本文所研制的智能控制小车在总体方案和设计思想上有新意,测试结果表明所用方案是能够满足小车的稳定性、快速性、实时性的设计要求的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 智能车比赛概况
• 1.1.1 国外概况
• 1.1.2 国内概况
• 1.2 赛车硬件概述
• 1.2.1 赛车总体硬件设计
• 1.2.2 系统资源需求与分配
• 1.3 赛车软件概述
• 1.4 本文所开展的研究工作及章节安排
• 第2章 控制器硬件设计
• 2.1 电路板设计
• 2.2 核心板
• 2.2.1 微控制器
• 2.2.2 电源模块
• 2.2.3 电机驱动模块
• 2.3 路径识别板
• 2.3.1 红外管布局的设计
• 2.3.2 传感器间隔的设计
• 2.3.3 径向探出距离的设计
• 2.4 速度检测板
• 2.5 抗干扰措施
• 2.5.1 硬件抗干扰措施
• 2.5.2 印制电路板可靠性和抗干扰设计
• 2.6 小结
• 第3章 转向控制器设计
• 3.1 引论
• 3.2 舵机模型
• 3.3 转向PD控制
• 3.4 转向模糊控制
• 3.4.1 转向模糊控制器的总体设计
• 3.4.2 输入变量的模糊化
• 3.4.3 模糊量的清晰化
• 3.4.4 模糊控制规则
• 3.5 转向控制策略
• 3.5.1 模糊-PID基本原理
• 3.5.2 模糊-PID运用于转向控制
• 3.5.3 模糊-PID控制测试
• 3.6 小结
• 第4章 速度控制器设计
• 4.1 速度获得方式测试
• 4.1.1 脉冲累加方式
• 4.1.2 相邻脉冲间隔方式
• 4.2 速度PID控制
• 4.2.1 增量式PID控制
• 4.2.2 PID控制测试
• 4.3 速度模糊-PID控制
• 4.4 小结
• 第5章 实现与探索
• 5.1 智能车系统的实现
• 5.1.1 控制器硬件实现
• 5.1.2 控制器软件实现
• 5.2 探索
• 5.2.1 算法实现前提
• 5.2.2 初圈记忆
• 5.2.3 第二圈策略
• 5.3 小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢