飞思卡尔智能汽车设计-软件设计基础主要内容主要内容一、硬件系统结构（光电组）一、硬件系统结构（光电组）二、智能车的主要软件功能模块二、智能车的主要软件功能模块三、智能车控制软件总体结构三、智能车控制软件总体结构四、主要控制算法及其实现四、主要控制算法及其实现一、硬件系统结构（光电组）一、硬件系统结构（光电组）二、智能车的主要软件功能模块二、智能车的主要软件功能模块1.系统初始化系统初始化2.车模运行状态检测车模运行状态检测3.车模速度测量车模速度测量4.车模倾斜角度测量车模倾斜角度测量5.赛道检测（引导线、坡道、障碍）赛道检测（引导线、坡道、障碍）6.PWM输出控制输出控制7.车模启动、刹车、停止控制车模启动、刹车、停止控制8.直立控制直立控制9.方向控制方向控制10.参数设置、状态与参数显示等参数设置、状态与参数显示等 三、智能车控制软件总体结构三、智能车控制软件总体结构1、智能车主程序结构框架、智能车主程序结构框架2、时间片轮转、时间片轮转任务调度程序任务调度程序结构框架结构框架四、主要控制算法及其实现四、主要控制算法及其实现1.1.车模直立行走任务分解车模直立行走任务分解车模直立行走任务分解车模直立行走任务分解 光电组要求车模在直立的状态下以两个轮子着地光电组要求车模在直立的状态下以两个轮子着地光电组要求车模在直立的状态下以两个轮子着地光电组要求车模在直立的状态下以两个轮子着地沿着赛道进行比赛，相比四轮着地状态，车模控制任务沿着赛道进行比赛，相比四轮着地状态，车模控制任务沿着赛道进行比赛，相比四轮着地状态，车模控制任务沿着赛道进行比赛，相比四轮着地状态，车模控制任务更为复杂。车模直立、运行的动力都来自于驱动两个车更为复杂。车模直立、运行的动力都来自于驱动两个车更为复杂。车模直立、运行的动力都来自于驱动两个车更为复杂。车模直立、运行的动力都来自于驱动两个车轮的直流电机。从控制角度来看，车模运动控制任务可轮的直流电机。从控制角度来看，车模运动控制任务可轮的直流电机。从控制角度来看，车模运动控制任务可轮的直流电机。从控制角度来看，车模运动控制任务可以分解成以下三个基本任务：以分解成以下三个基本任务：以分解成以下三个基本任务：以分解成以下三个基本任务：l l 控制车模直立：通过控制两个电机正反向运动保持车控制车模直立：通过控制两个电机正反向运动保持车控制车模直立：通过控制两个电机正反向运动保持车控制车模直立：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立状态；模直立状态；模直立状态；模直立状态；l l 控制车模速度：通过控制两个电机转速速度实现车模控制车模速度：通过控制两个电机转速速度实现车模控制车模速度：通过控制两个电机转速速度实现车模控制车模速度：通过控制两个电机转速速度实现车模行进控制；行进控制；行进控制；行进控制；l l控制车模转向：通过控制两个电机之间的转动差速实现控制车模转向：通过控制两个电机之间的转动差速实现控制车模转向：通过控制两个电机之间的转动差速实现控制车模转向：通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。车模转向控制。车模转向控制。车模转向控制。 在三个任务中，保持车模直立是关键。由于车模同时在三个任务中，保持车模直立是关键。由于车模同时受到三种控制的影响，从车模直立控制的角度，其它两个控制受到三种控制的影响，从车模直立控制的角度，其它两个控制就成为它的干扰。因此在速度、方向控制的时候，应该尽量平就成为它的干扰。因此在速度、方向控制的时候，应该尽量平滑，以减少对于直立控制的干扰。滑，以减少对于直立控制的干扰。 速度控制是在直速度控制是在直立控制下保持了稳定时，立控制下保持了稳定时，通过改变电机的电压打通过改变电机的电压打破了车模的直立平衡。破了车模的直立平衡。然而直立控制一直在起然而直立控制一直在起作用，它会自动改变车作用，它会自动改变车模的倾角，移动车模的模的倾角，移动车模的重心，使得车模实现加重心，使得车模实现加速或减速。速或减速。 2.2.车模直立控制车模直立控制车模直立控制车模直立控制 直立着的车模直立控制可以看成放置在可以左直立着的车模直立控制可以看成放置在可以左右移动平台上的倒立着的单摆。右移动平台上的倒立着的单摆。 控制倒立摆底部车轮，使得它作加速运动。这样站在小控制倒立摆底部车轮，使得它作加速运动。这样站在小车上（非惯性系）看倒立摆，它就会受到额外的力车上（非惯性系）看倒立摆，它就会受到额外的力(惯性力惯性力)，该力与车轮的加速度方向相反，大小成正比。假设控制车轮加该力与车轮的加速度方向相反，大小成正比。假设控制车轮加速度与偏角速度与偏角 成比例，且比例系数为成比例，且比例系数为成比例，且比例系数为成比例，且比例系数为KK1 1，则有：，则有：，则有：，则有： 显然，如果满足显然，如果满足显然，如果满足显然，如果满足KK1 1gg，那么回复力的方向，那么回复力的方向，那么回复力的方向，那么回复力的方向便于位移方向相反便于位移方向相反便于位移方向相反便于位移方向相反 ，从而使倒立摆恢复到平衡位置。，从而使倒立摆恢复到平衡位置。，从而使倒立摆恢复到平衡位置。，从而使倒立摆恢复到平衡位置。 为了使得倒立摆能够尽快地在垂直位置稳定为了使得倒立摆能够尽快地在垂直位置稳定为了使得倒立摆能够尽快地在垂直位置稳定为了使得倒立摆能够尽快地在垂直位置稳定下来，还需要增加阻尼力，设阻尼力与偏角的速度下来，还需要增加阻尼力，设阻尼力与偏角的速度下来，还需要增加阻尼力，设阻尼力与偏角的速度下来，还需要增加阻尼力，设阻尼力与偏角的速度成正比，方向相反，则有：成正比，方向相反，则有：成正比，方向相反，则有：成正比，方向相反，则有： 可得控制车轮加速度的控制算法：可得控制车轮加速度的控制算法： -车模倾斜角度车模倾斜角度-车模倾斜角速度车模倾斜角速度 陀螺仪输出的是车模的角速度，不会受到车体陀螺仪输出的是车模的角速度，不会受到车体运动的影响，因此该信号中噪声很小。车模的角度又运动的影响，因此该信号中噪声很小。车模的角度又是通过对角速度积分而得，这可进一步平滑信号，从是通过对角速度积分而得，这可进一步平滑信号，从而使得角度信号更加稳定。因此车模控制所需要的角而使得角度信号更加稳定。因此车模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号。度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号。 由于从陀螺仪角速度获得角度信息，需要经过由于从陀螺仪角速度获得角度信息，需要经过积分运算。如果角速度信号存在微小的偏差和漂移，积分运算。如果角速度信号存在微小的偏差和漂移，经过积分运算之后，变化形成积累误差。这个误差经过积分运算之后，变化形成积累误差。这个误差会随着时间延长逐步增加，最终导致电路饱和，无会随着时间延长逐步增加，最终导致电路饱和，无法形成正确的角度信号法形成正确的角度信号 ： 一种简单的方法就是通过上面的加速度传感器一种简单的方法就是通过上面的加速度传感器获得的角度信息对此进行校正。通过对比积分所得到获得的角度信息对此进行校正。通过对比积分所得到的角度与重力加速度所得到的角度，使用它们之间的的角度与重力加速度所得到的角度，使用它们之间的偏差改变陀螺仪的输出，从而积分的角度逐步跟踪到偏差改变陀螺仪的输出，从而积分的角度逐步跟踪到加速度传感器所得到的角度。加速度传感器所得到的角度。 根据车模角度控制和角度测量方法，可以得到根据车模角度控制和角度测量方法，可以得到如下车模角度控制方案框图如下车模角度控制方案框图 。3.3.车模速度控制车模速度控制车模速度控制车模速度控制 由于在速度控制过程中需要始终保持车模的平由于在速度控制过程中需要始终保持车模的平衡，车模速度控制不能直接通过改变电机转速来实衡，车模速度控制不能直接通过改变电机转速来实现，只能通过控制车模的倾角来实现。现，只能通过控制车模的倾角来实现。 （1 1）速度测量）速度测量）速度测量）速度测量（2）速度控制原理）速度控制原理 给定车模直立控制角度设定值，在直立控制给定车模直立控制角度设定值，在直立控制给定车模直立控制角度设定值，在直立控制给定车模直立控制角度设定值，在直立控制调节下，车模将会自动维持在一个角度，角度的积调节下，车模将会自动维持在一个角度，角度的积调节下，车模将会自动维持在一个角度，角度的积调节下，车模将会自动维持在一个角度，角度的积分即是车辆的速度值。分即是车辆的速度值。分即是车辆的速度值。分即是车辆的速度值。（3）速度控制方框图）速度控制方框图缺点：缺点：缺点：缺点：微分运算对高频干扰信号敏感，没有积微分运算对高频干扰信号敏感，没有积微分运算对高频干扰信号敏感，没有积微分运算对高频干扰信号敏感，没有积分环节始终存在稳态误差。分环节始终存在稳态误差。分环节始终存在稳态误差。分环节始终存在稳态误差。（3）改进后的速度控制方框图）改进后的速度控制方框图4.4.车模转向控制车模转向控制车模转向控制车模转向控制(1)(1)赛道中心位置与车模中心位置误差检测赛道中心位置与车模中心位置误差检测赛道中心位置与车模中心位置误差检测赛道中心位置与车模中心位置误差检测 电磁组电磁组电磁组电磁组光电组光电组光电组光电组(2)(2)电机差速转向控制电机差速转向控制电机差速转向控制电机差速转向控制 利用电磁线偏差检测信号分别与车模速度控制利用电磁线偏差检测信号分别与车模速度控制信号进行加和减，形成左右轮差动控制电压，使得信号进行加和减，形成左右轮差动控制电压，使得车模左右轮运行角速度不一致进而控制车模方向。车模左右轮运行角速度不一致进而控制车模方向。 (3)(3)转向控制方框图转向控制方框图转向控制方框图转向控制方框图5、软件算法框图、软件算法框图 THE END谢谢各位同学！谢谢各位同学！