4.1控制算法方面
4.1.1传感器检测路面信息的处理
因为比赛要求智能车必须自主识别赛道路径，完全按照规定路线行走，因此如何确保智能车沿着黑线轨道稳定的行驶，并最大限度的提高车速将是我们在程序设计中的关键部分。我们将传感器安装距离地面2.5cm~3cm，相对地平面15°左右的倾角的同一高度上，13个光电传感器的输出信号通过4片LM339整形输出后给单片机的AD转换模块，即当传感器检测到黑线时输出为0，否则输出为1。
由于智能车通过13个一字形排列的传感器进行位置信号的采样，如果黑线在传感器的范围内，则至少一个传感器检测到黑线，所以水平偏差量的范围就是传感器数量的两倍减1，即[-12，12]。比如：传感器的值为0000000001000，则水平偏移量为+9，传感器的值为0110000000000，则水平偏移量为-10，以此类推。根据偏差量的不同对应着不同的舵机转角。按照如此分组可向MCU传送25组不同数字信号， 单片机通过判断高低电平的位置从而判断出黑线相对于车身的位置，并根据程序算法做出相应的反应。
4.1.2转向角度控制
在路径识别模块跟踪黑线的过程中，舵机的转向主要是依据路径识别模块获取的赛道参数信息，由单片机输出不同占空比的16bit、50Hz的PWM脉冲信号控制舵机的转动。舵机控制信号脉宽与转角在-45°~+45°内范围内呈线性变化规律。单片机通过PLL将总线频率倍频到24MHz，20ms时间需要计数60000次。经实验发现，舵机处于中间位置时，对应舵机控制信号PWMDTY45为4500,对应舵机旋转角度，一方面要考虑舵机的极限位置；另一方面考虑到车模转向的极限，通过测试最后得到大约40度左右的旋转极限角度。前轮向左右偏转到极限位置时，分别对应舵机控制信号PWMDTY45为4000和5000。
4.1.3采用PID算法控制舵机
PID控制器本身是一种基于对“过去”、“现在”和“未来”信息进行估计的简单控制算法。常规的PID控制器系统原理框图如图所示。
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图4.1 常规系统PID控制器系统原理框图 |
比例调节（P）的作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，会使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。
积分调节（I）的作用：是系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，一旦停止，积分调节输出一个常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数 ， 越小，积分作用就越强， 越大，积分作用就越弱。加入积分环节可使系统的稳定性下降，动态响应变慢。
微分调节（D）的作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能遇见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有产生之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此，过强的微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当系统没有变化时，微分作用为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，构成PD或PID控制器。
1)舵机控制中PID算法的实现
由于舵机的控制系统是一个时间离散控制系统，为了用单片机控制系统实现公式1，必须将其离散化，用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程。此时，积分项和微分项可用求和及增量式表示：
根据PID控制器的原理得知，PID控制器的主要作用是平稳的消除系统产生的偏差。根据赛车的数学模型，就需要控制舵机来将黑线平滑的控制在赛车的中央。换言之，当黑线不在赛车中央的时候，赛车即产生了一个水平偏差，此时应用PID控制算法来消除这个水平偏差，从而达到让黑线保持在赛车中央的目的。积分作用是消除静差，但积分器可使动态响应变慢，这对于对实时性要求非常高的小车控制系统中不适合使用，因此本方案没有使用积分控制，将PID控制简化为PD控制。
PD调节虽然仍是有差调节，但在多次实验中可以看出，在实时性和稳定性方面，PD调节同样可以使舵机具有很好的转弯效果。
下面是PD控制器的结构，如下所示：
int Error=0; //水平偏差量
int dError=0; //水平偏差的微分
int Proportion=0; //P参数
int Derivative=0; //D参数
有了PD控制器对象，则输出为：
PID Out=Proportion×Error + Derivative×dError
至此，PD控制器的对象已经全部构造完毕，PID的输入为水平偏移量X0，输出为舵机转角。最后只需要在控制算法中将PD控制器对象的参数设置好，将当前赛车的水平偏移量计算出来并且当作PD控制器的输入，然后调用PD控制函数，得到的输出即为与舵机转角成比例的数值。
