最新全国大学生 飞思卡尔 杯 智能汽车竞赛2.docx
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全国大学生飞思卡尔杯智能汽车竞赛2
全国大学生飞思卡尔杯智能汽车竞赛2
全国大学生"飞思卡尔"杯智能汽车竞赛
(2)2010-07-1516:
28第四章赛车硬件系统的设计与实现
图4.3LM1881信号连接原理图
视频信号通过引脚2(compositevideoinput)输入LM1881,。
引脚1为行同步信号输出端(compositesyncoutput)。
引脚3为场同步信号输出端(verticalsyncoutput),当摄像头信号的场同步脉冲到来时,该端将变为低电平,一般维持230us,然后重新变回高电平。
引脚7为奇-偶场同步信号输出端(odd/evenoutput),当摄像头信号处于奇场时,该端为高电平,当处于偶场时,为低电平。
奇-偶场的交替处与场同步信号的下降沿同步,也就是和场同步脉冲后的上升沿同步。
事实上,我们不仅可以用场同步信号作为换场的标志,也可以用奇-偶场间的交替作为换场的标志。
图4.4LM1881信号时序图
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图4.5视频采集电路图
如图4.5所示,摄像头视频信号输入LM1881的视频信号输入端,同时送入S12的一个AD口(我们选用PAD00)。
LM1881的行同步信号端(引脚1)接入S12上的PT0口,PT0是一个带中断的I/O口,这样做的好处是不需要使用等待查询的方式来检测行同步信号,节省CPU资源。
LM1881的奇-偶场同步信号输出端接S12的普通I/O口PS2。
在此,我们选择奇-偶场同步信号来作为换场的标志信号,而不是选用LM1881引脚3输出的场同步信号。
这样做的好处是,当摄像头信号处于奇场或偶场时,则奇-偶场信号整场都相应地处于高电平或低电平,只要用个普通I/O口,若检测到该信号发生变化,就可以知道摄像头信号换场了。
因为每场信号持续的时间相对较长,所以也不用担心漏检到换场的发生。
接奇-偶场同步信号时,用中断的方式来判断换场的发生同样是很方便的。
上述摄像头、LM1881电路和S12就构成了赛车的图像采集模块。
4.2.3摄像头的安装
本次参赛车模采用CCD摄像头作为寻迹传感器,为了发挥摄像头前瞻距离大的优势,需要将其架设在一定的高度。
但是这个高度不能过高,如果摄像头架设过高,会导致摄像头视野过大,一来加剧图像梯形失真,造成黑线变细,不利于路径识别;二来赛车在行驶的过程中容易看到跑道外面,使得干扰更为严重;摄像头过
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第四章赛车硬件系统的设计与实现
高还容易引起摇晃,导致信号不稳;综上考虑,经过反复调试,我们发现比较合适的视野范围为:
摄像头视野最近处据前端10cm,左右各9cm,最远处据前端30cm,左右各14cm。
根据这一要求,我们确定了摄像头的安装位置:
据地面高度16cm,据车前端3cm。
我们采用一段M4铝制螺杆来对摄像头进行固定,简洁方便。
铝制螺杆质量轻,且具有较大的刚度,摄像头架设其上非常稳定。
4.3电机驱动模块
赛车采用后轮驱动,驱动电机采用了标准微型马达公司生产的RS-380SH型电机。
该电机额定电压为7.2V,空载电流为0.5A,转速可达16200r/min;当电机转速在14060r/min时,工作效率最大,转矩达到了10.9N·m。
RS-380SH型电机机械负载特性如下图:
图4.6RS-380型电机负载特性曲线
由于单片机输出的脉宽无法驱动大赛提供的直流电机,因此需要通过驱动电路来驱动电机。
赛车的电机驱动没有采用大赛组委会提供的MC33886电机驱动芯片,而是采用了自制的H桥电路,可以方便地实现电机正转和制动。
对于直流电机转速的控制采用了基于"H"桥驱动电路的PWM(PulseWidthModulation脉冲宽度调制)控制技术。
"H"桥驱动电路原理图如下:
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图4.7"H"桥驱动电路原理图
如图,U1当为高电平,U2为低电平时,Q3、Q6管导通,Q4、Q5管截止,电动机正转,赛车前进;当为U1低电平,U2为高电平时,Q3、Q6管截止,Q4、Q5管导通,电动机反转,适当利用这个过程可以使车模处于反接制动的状态,迅速降低车速。
当Q4、Q6导通且Q3、Q5截止时,没有电源加在电机上,电机两端相当于短接在一起。
由于电机轴在外力作用下旋转时,电机可以产生电能,此时可以把直流电动机看作一个带了很重负载的发电机,电机上会产生一个阻碍输出轴运动的力,这个力的大小与负荷的大小成正比,此时电机处于能耗制动状态。
由于电机工作状态切换时线圈会产生反向电流,通过四个保护二极管D1、D2、D3、D4接入回路,可以防止电子开关被反向击穿。
脉宽调速实质上是调节加在电机两端的平均功率,其表达式为:
maxmax01KTPPdtKPT==∫(公式2)
其中,P为电机两端平均功率;为电机最大功率;K为PWM控制信号的脉宽。
maxP24
第四章赛车硬件系统的设计与实现
当K=1时,P=,电机全速旋转,转速为;当K=0时,电机两端无电压,无输出扭矩。
当电机启动后转速稳定时,根据力学功率公式,得maxPmaxV
(公式3)()PfVf=为摩擦力
maxmaxPfV=(公式4)
又maxmaxKPKfV=(公式5)
合并化简可得maxVKV=(公式6)
这说明电机转速与PWM信号的输出脉宽是成正比的。
因此,通过改变PWM信号的脉宽,就能够改变赛车的车速。
在赛车启动和通过直道、弯道时,电机需要进行反复的加速和减速,瞬时电流很大,发热严重。
因此,为了保护电机,提高其使用寿命,我们在电机的外壳上加装了散热片;同时还增加了消火电容,以消除电机炭刷火花。
图4.8加装消火电容图4.9加装散热片
4.4转向舵机模块
赛车采用大赛组委会提供的Futaba牌舵机,型号为HS-3010。
该舵机扭力大,稳定性好,控制角度精确,但是响应灵敏度较差,存在严重的机械滞后。
在比赛中,舵机的作用是控制前轮转向,我们希望前轮的转向越灵敏越好,要又快又准的跟踪控制信号,因此必须最大限度的提高舵机的响应灵敏度。
由舵机的参数和实际测试
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可以得出结论:
在允许范围内提高舵机的供电电压能有效的提高舵机的扭矩和响应速度。
经过测试,舵机可以直接由7.2V电源供电。
但是舵机的工作电流变化很大,是个很大的干扰源,因此我们将舵机的供电电路与其他供电电路分开,采用单独供电,并且在电源正极和舵机之间串联一个二极管,防止舵机影响电源电压。
这样,虽然增加了系统功耗,但却有效的减小了舵机的机械滞后,为小车的稳定快速行驶奠定了基础。
舵机是一个位置随动系统,从结构上看,它由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电路组成。
通过内部的位置反馈,转向舵机可以使其舵盘输出转角正比于给定的控制信号,因此对于舵机的控制可以使用开环控制方式。
在负载力矩小于舵机最大输出力矩的情况下,舵机输出转角正比于给定的脉冲宽度。
小车使用舵机的接口采用了三线连接方法,黑线为电源地线,红线为电源线,外接5V电源,另外一根连线(白色)为控制信号线。
舵机的转向是由PWM(PulseWidthModulation脉冲宽度调制)技术来进行实时控制的。
其工作原理是:
单片机首先通过将摄像头采集回来的视频信号进行处理,然后根据不同的检测信号发出不同占空比的PWM控制信号给舵机,舵机就会在这个控制信号的作用下转动一定角度。
舵机的PWM控制信号是周期为20ms的脉冲,其脉冲宽度范围为1~2ms,改变PWM控制信号的脉冲宽度(即高电平的持续时间)就可以改变舵盘输出的转角从而改变舵机的方向。
脉冲宽度和舵机转角成线性关系,其计算公式为:
α=(L-1.5)*90°(公式7)
其中α为舵机转角,单位是°;L是脉冲宽度,单位是ms。
舵机转角和脉冲宽度的关系如图所示:
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第四章赛车硬件系统的设计与实现
图4.10舵机输出转角与控制信号脉宽之间关系
控制舵机的脉冲使用MC9S12DG128的PWM0与PWM1口级联成一个16位PWM输出。
由PWM1输出。
在单片机总线频率为24MHz的时候,设置级联的PWM周期常数为60000,对应PWM周期为20ms,PWM占空比常数为4500对应输出为1.5ms。
改变占空比常数可以改变输出脉冲的宽度。
4.5车速检测模块
为了使赛车能够在赛道上快速平稳的行驶,除了控制舵机转向以外,还需要对车速进行控制,使小车在直道上能尽快加速并尽量避免在遇到弯道时因车速过快而产生过冲现象。
对车速的控制是通过控制驱动电机转速来实现的。
但车速实际上受多种因素影响,如电机电压、电机传动摩擦力、赛道的附着率以及小车的轴荷分配等等,因此如果只是开环控制电机转速,那么就不能灵活的根据小车的实时速度进行精确调整,降低了小车的应变能力;而加入车速检测,对小车速度实施闭环反馈控制,就能够最大限度的消除以上因素的影响,使小车的运行更加精确。
车速检测有多种方案,常见的有霍尔传感器测速、光电码盘测速、测速电机测速等等。
在赛车的设计过程中,我们尝试过多种测速方法。
起初,采用的是霍尔传感器来进行测速。
霍尔测速主要应用的是霍尔效应,它利用安装在赛车减速齿轮上的磁钢经过霍尔传感器附近时会使霍尔传感器产生磁脉冲的原理来采集车速,该方案的特点是安装方便且抗干扰能力强。
但是经过实际测试,发现采用霍尔传感器虽然可以测量出车速,但是测速效果不稳定,精度较差。
这是因为磁钢需均布在减速齿轮表面,而减速齿轮大小有限,磁钢间距又不能太近,因而磁钢个数受到限制。
如果在减速齿轮表面均布8个小磁钢,那么车轮每转一周计数器只能采集到8个磁脉冲信号,即使脉冲的上下沿都计,也只能采集16个脉冲信号,这样的测速精度是不够的。
因此,放弃了该方案。
接着,受到机械鼠标结构的启发,我们自制了光电码盘进行测速。
具体的办法是,将机械鼠标上面的光栅拆下来,将其安装于后轮主轴上,在光栅下方安装了一个GP1S95T型光电门,用于检测光栅上的通光孔。
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图4.11自制光电码盘测速示意图
如图4.11所示,光栅上有37个通光孔,因此对脉冲的上下沿都进行计数的话,车轮每转一圈能采集到74个脉冲信号,这样的测速精度足够满足小车的控制要求。
但是这个方案在测试使用了一段时间后,我们还是发现了问题:
将测速光栅安装在后轴上进行测速的方法是不对的。
在赛车前进的过程中,左边车轮和右边车轮的转速不总是完全一样的。
这种现象在直线上不明显,但是赛车一旦进入弯道,由于差速器的差速作用,左右两边车轮的转速肯定是不一样的。
如果采用上述安装方法,根据赛车差速器机械结构决定了我们所测量的赛车转速永远是左边车轮的转速,这使得速度测量的准确性大打折扣,为赛车的速度控制埋下了隐患。
鉴于此,我们再次修改了测速方案。
这次结合了以前的经验,既要保证车速测量的准确性,同时尽可能提高测量精度。
具体实现方案如下:
先用激光打印机打印出黑白相间的编码盘,将其粘贴在后轮减速齿轮上,当车轮转动时,利用RPR220型红外反射式光电传感器对旋转的黑白条纹进行检测,将检测信号进行放大整形后输入S12的计数器模块,利用单片机的输入捕捉功能对输入信号进行计数,从而计算出赛车的车速。
速度测量电路如图,28
第四章赛车硬件系统的设计与实现
图4.12速度测量电路原理图
自制的编码盘上共有黑白相间的条纹32个,这样车轮每转一圈时,在RPR220接收端会产生64个信号(包括信号上升沿和下降沿)。
然后将此信号引入到单片机的中断断口,记录两次中断之间的时间以及这两次中断之间的信号数目。
实际测量小车后轮的周长为16.6cm,这样小车的实时速度如下:
cm/s259.0646.16TTTSV===(公式8)
这种方法测出来的车速比较稳定,准确性也很好,最重要的是它正确的反映了小车当前的整体车速而不是某个车轮的转速,这样就为接下来的速度PID控制提供了准确的速度值。
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第五章软件系统的设计与实现
5.1软件功能概述
单片机系统需要接收路径识别电路的信号、车速传感器的信号,采用某种路径搜索算法进行寻线判断,进而控制舵机和直流驱动电机的工作。
赛车系统的软件设计基于CodeWarrior4.6编程环境,使用C语言实现。
整个系统软件开发、制作、安装、调试都是在此环境下实现的。
系统程序流程图如图.1所示。
图5.1系统主程序流程图30
第五章软件系统的设计与实现
5.2系统的初始化
在赛车软件系统的编写过程中,主要用到了单片机中6个基本模块,它们是:
A/D模块、PWM模块、ECT模块、时钟模块、SCI模块以及普通的I/O口。
下面将对各个功能模块的初始化配置进行详细说明。
图5.2系统开发的基本模块
5.2.1AD模块
MC9S12DG128具有80pin和112pin两种封装形式,本次比赛的芯片采用了112pin封装。
该封装中引出了16路AD(AanlogtoDigital)转换通道,极大的方便了我们的使用。
S12芯片的AD模块具有如下特点:
可选的8位或10位分辨率
左/右对齐和有/无符号数的结果数据
外部触发器控制
灵活的1到8转换序列长度控制
多AD通道
AD模块的初始化是通过设置相关寄存器来完成的。
可选的8位或10位精度,单次转换时间、转换结果类型、转换完成是否产生中断、转换序列长度等都是可以自行设置的。
在赛车的设计中,我们将摄像头采集的视频信号接入A/D,利用单通
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道的方式采集信号,具体的设置为:
voidini_AD(void)
{ATD0CTL2=0xC0;//AD模块上电,等待模式下禁止转换,读取结果自动清零;
ATD0CTL3=0x08;//每个周期转换一次,无FIFO;
ATD0CTL4=0x81;//选择8位精度,2个AD时钟周期;//ADClock=[BusClock*0.5]/[PRS+1];PRS=1,AD8MHz;
ATD0CTL5=0xA0;//右对齐方式,连续转换,转换通道为ATD0;
ATD0DIEN=0x00;}//禁止数字信号输入;
5.2.2PWM模块
PWM(PulseWidthModulate)即脉宽调制,脉宽调制是一种可以用程序来控制波形占空比、周期、相位的方法。
它在电机驱动、D/A变换等场合具有广泛应用。
MC9S12芯片的PWM脉宽调制模块有8路独立的可设置周期和占空比的8位PWM通道,每个通道配有专门的计数器。
该模块有4个时钟源,能分别控制8路信号。
通过配置寄存器可设置PWM的使能与否、每个通道的工作脉冲极性、每个通道输出的对齐方式、时钟源以及使用方式(八个8位通道还是四个16位通道)。
在赛车系统的软件设计中,我们共使用了PWM0、PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5六路通道来分别控制舵机和电机。
其中,我们将PWM0、PWM1两路8位通道合并为一个16位通道来控制舵机,这样可使舵机的控制精度从1/255提高到1/65536。
并且将PWM2、PWM3和PWM4、PWM5分别级联成16位通道控制电机的正转和反转。
具体配置如下:
voidInit_PWMout(void)
{PWME=0x00;//禁止输出;
PWMPOL=0xff;//位极性为正,起始为高电平;
PWMCTL=0x70;//将PWM0和1,2和3,4和5分别级联成16位
PWMSCLA=8;//ClockSA=ClockA/(2*PWMSCLA)=2MPWMSCLB=8;//ClockSB=ClockB/(2*PWMSCLB)=2MPWMCLK=0b00110011;//时钟分配:
7B,6B,5SA,4SA,3SB,2SB,1A,0A32
第五章软件系统的设计与实现
PWME=0x2a;//PWM相应通道使能;
PWMPER01=40000;//将PWM01周期设为10ms;
PWMDTY01=0x00;//
PWMPER45=667;}//设置PWM45的周期为3kHz;
5.2.3串口模块
串口通信模块设有两个串行通信接口SCI1和SCI0,均为TTL电平输出。
使用时,可以对波特率、数据格式(8位或9位)、发送输出极性、接收唤醒方式等进行选择。
另外,发送和接收可分开使能,模块中还提供了多种避免传输错误的选项。
在本次设计,我们利用其中一个串口SCI0,通过PC机的超级终端搭建了调试平台,其具体设置如下:
SCI0BD=208;//设置串口波特率为9600SCI0CR1=0x00;//8位数据,无优先级
SCI0CR2=0x0C;//发送接收使能
串口发送函数为
voidtransmit_sci(unsignedchartransmit_data)
{
while(SCI0SR1_TC!
=1);
while(SCI0SR1_TDRE!
=1);
SCI0DRL=transmit_data;
}
串口接收函数为
unsignedcharreceive_sci(void)
{
unsignedcharsci_data;
while(SCI0SR1_RDRF!
=1);
sci_data=SCI0DRL;
returnsci_data;
}
5.2.4时钟模块33
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S12单片机中有四个不同的时钟,即外部晶振时钟、锁相环时钟、总线时钟和内核时钟。
开发板采用的是16MHz的外部晶振,因此外部晶振时钟为16MHz;默认设置下,锁相环时钟为32MHz,总线时钟为8MHz,内核时钟为16MHz。
锁相环时钟与外部晶振时钟的倍、分频关系由SYNR、REFDV两寄存器决定。
总线时钟用作片上外围设备的同步,而内核时钟则用作CPU的同步,它决定了指令执行的速度。
赛车采用摄像头作为寻线传感器,为提高AD转换速度,增加一行视频信号的采样点数,我们对单片机进行了超频,设置超频后的总线时钟为32MHz,设置过程为:
REFDV=3;
SYNR=7;//busclock=16MHz*(SYNR+1)/(REFDV+1)
while(0==CRGFLG_LOCK);//直到VCO使能
CLKSEL=0x80;//PLLSEL=15.2.5ECT模块
赛车采用S12单片机中的ECT模块来对视频信号和测速信号进行输入捕捉。
ECT(EnhancedCaptureTimerModule)是指增强型捕捉定时器,它通过设置相应的控制寄存器和可供读写的数据寄存器来对端口功能进行拓展,主要能实现输入捕捉和输出波形两大功能。
在视频处理的过程中,利用ECT的脉冲捕捉方式,通过查询TFLG1的标志位来对LM1881视频分离芯片采集到的行、场同步以及奇偶场信号进行判断并与之准确同步,从而顺利实现数据点的采集。
此外,在赛车车速检测模块中,我们采用了ECT模块中的脉冲累加器对车速进行检测。
相关设置如下:
TIOS=00;//PT设为输入捕捉
TCTL4=0b00001101;//PT5上下沿捕捉,PT4上沿捕捉
TCTL3=0b11000000;//PT3上下沿捕捉
TSCR1_TEN=1;//TCNT计数器使能
ICPAR_PA1EN=1;//8位脉冲累加器使能
5.2.6I/O口模块34
第五章软件系统的设计与实现
MC9SDG128的所有I/O口通过端口复用,可以实现诸多功能,在赛车的设计中我们将拨码开关引入单片机的I/O口实现赛车运行参数的调节。
5.3黑线检测算法
对于黑色引导线的提取,通常有两种方法:
一种是二值化的方法,另外一种是边缘检测算法。
5.3.1二值化方法
二值化方法首先对图像进行二值化,将灰度图转化为二值图像。
然后对二值图像进行去噪处理,得到比较正常的二值图像。
接下来在二值图像中按照一定算法寻找数字0或者1(用0或者1表示黑色),将找到点的位置记录下来。
这些点的位置就表示了黑线与图像中心的偏差大小。
这种方法的优点是原理简单,容易实现。
但是它的缺点是程序实现起来比较烦琐,而且抗干扰能力不强。
5.3.2边缘检测算法
图像最基本的特征是边缘,所谓边缘是指图像中像素灰度值有阶跃变化或屋顶状变化的那些像素的集合,它存在于目标和背景,目标与目标,区域与区域之间。
边缘有两种:
阶跃边缘和线条边缘。
阶跃边缘表现为图像亮度在不连续处的两边的像素灰度值有着明显的差异,这种差异从视觉上表现为图像从亮场景过渡到暗背景,或从亮背景过渡到暗景。
线条边缘表现为图像亮度突然从一个灰度变化到另一个灰度,之后又很快的返回到原来或接近原来的灰度。
从视觉上看线条边缘位于灰度值从增加到减少(或从减少到增加)的变化的转折点。
比赛用的赛道中,只存在白色和黑色两种颜色,从左往右扫描时,先是白色,然后是黑色线,接下来又是白色。
这样摄像头所采集到的图像中存在着两个边缘,即黑线的左边缘和右边缘。
这两种边缘都属于阶跃边缘,但是不需要对两个边缘都进行识别。
由于CCD摄像头的扫描顺序是从左往右,因此我们在图像处理程序中设定时只要识别出左边缘就返回,这样能够加快图像处理的速度。
识别边缘的办法是判断其两边的灰度值是否有一定程度的变化,也就是看是否存在所谓的"阶跃"。
实际赛道中,黑线的左边缘指的从白色底面过渡到黑线的那个区域,反映到灰度值方面就是灰度值突然变小的那个点,并且向右保持几个相似灰度点(点的数目与采集分辨率有关系)。
直观的讲,黑线边缘的特点是其左,右像
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素为一白一黑,而且两像素值差的绝对值大于某个阈值,该值可以通过实际测试来确定。
这个点附近的其他位置相邻两像素或全为白,或全为黑,像素值差的绝对值小于阈值。
在黑线识别程序中,对每行中任意相邻两点作差。
然后根据绝对值的大小是否大于我们设定的阈值来判断某点是否是我们寻找的黑线边缘。
算法的核心思想就是对每一行从左往右对像素点进行扫描,寻找灰度值突然降低并且其右边几个点的灰度值与其相似的那个点,将这个点作为该行图像中黑线的左边缘。
具体的算法如下:
对每一行,从第一个数据点开始对每一个像素点的阈值进行判断。
这里需要注意的是实际赛道边缘并不是突变的,可能会存在模糊区域,这样阈值就不是介于相邻的两个点之间,有可能相隔两个或者三个点。
体现到程序中,我们先设定某个点image[i][j]为原点,然后判断image[i][j+3]与image[i][j]的差是否大于我们设定的阈值。
如果是,将image[i][j+3]设为k,从k开始判断在接下来的从k+3到
该行最末一个点之间的差值是否大于阈值,如果是,则将j+i/2的坐标赋给黑线的左边缘位置。
具体的算法流程图如图5.3所示:
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将image[i][j]作为扫描的原点
从原点image[i][j]
开始向右对每个点进行判断
(image[i][j+3]-最末点)阈值
将j+k/2赋给黑线左边缘
原点右移一个点,
从image[i][j+1]开
始判断
原点右移一个点,
从image[i][j+1]开
始判断
第五章软件系统的设计与实现
图5.3黑线检测算法程序流程图
5.4赛车的方向控制算法
对赛车进行方向控制,就是利用摄像头提取出黑线位置信息,然后通过一定的控制策略,使赛车能够实时跟踪黑线走向,自动控制舵机带动前轮转向,完成寻线行驶。
赛车在行驶的过程中是一个参数不定的系统。
一辆具有智能化的赛车必须能够根据赛道的特征将参数调整的到最佳,以实现最优控制。
要想实现赛车方向的自适应控制,首先要将路径识别出来,也就是说要能够判断出赛道的形状特征,计算出赛道的曲率半径。
然后再设法将赛道的曲率半径与控制赛车转向的PWM信号之间建立起相应的数学关系。
这样一来,在赛车进入弯道时,就能够通过判断弯道的大小迅速计算出所需的PWM信号来控制舵机转向。
这就是我们进行方向控
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