第五章 控制方案
前轮的转向控制是保证赛车行走稳定性的关键，它是由赛道的黑线所决定的，为了保证不跑出赛道以外，最稳定的运行状态就是始终使赛车的中轴线与黑线相对齐。但是考虑到赛道的内圈与外圈周长有一定的差值，可以尝试着在转变处时让赛车行走弯道的内圈以减小行走距离。由于赛道宽度较大有600mm，而车身的宽度只有160mm，所以车体有足够的空间在赛道的内圈行走。
实现舵机转向控制的方案有多种，以下介绍三种方案：
方案一：模拟红外光电管法
由于摄像头所拍摄图像的最近一行噪声小，失真小，准确性高，故可选其作为模拟红外光电管的位置。把图像一行坐标分为9个区间，查询该行中心坐标值落在哪一个区间内，再用查表的方式使舵机得到一个PWM值以控制舵机转角。
这种方案较为简单，处理速度较快。经过实际的测试后，发现该方案控制的精度并不够高，只能在赛车低速行走时才能较稳定地寻迹跑，在快速的跑动过程中（尤其是直道的情况），可能会出现较大的摆动，导致行走路线并不佳，需要进一步的改进。
方案二：综合判断法
摄像头相对红外光电管的优势之一就是它的可视范围较大，有效距离较远，因此利用好赛道远处的信息对黑线进行综合判断无疑起了很好的预测作用，十分有利于控制方案的实现。
摄像头拍摄图像最近一行的中心坐标是一个非常关键的因素，它确定了赛车车体与赛道黑线之间的偏离值，如果两者偏离太大，赛车存在着冲出赛道的危险，这是绝对不允许不出现的情况！因此，在转向的控制方案中，必须控制车体的中轴线尽量与黑线对齐，以提高行走的稳定性。而摄像头拍摄图像的最远一行有黑线的图像，能够确定赛道黑线的发展趋势。利用该信息可以减少舵机的摆动角度，有利于提高赛车的快速性。两者结合起来确定舵机的转角将有利于赛车的稳定和快速运行。
因此在转角的计算中可以分路径情况采用k1*Bottom_error+k2*Top_error，其中Bottom_error代表的是图像最近一行的黑线中心偏差值，而Top_error代表的是图像最远一行的黑线中心偏差值，对不同的路径情况采用不同的控制系数k1，k2便可较理想地对舵机的转角进行控制。
方案三：模糊控制法
基于方案二，可以改用模糊控制算法来对其进行实现，达到微调效果更佳的目的。该方法中模糊控制器采用的两输入一输出，即把黑线中心坐标的偏离中间位置的程度，摄像头拍摄图像的最远一行有黑线的中心坐标作为控制器的输入，而输出则为舵机的转向角。
此方案可以对舵机进行更加细微地调节，程序的扩展也较为简单，但是由于模糊的隶属度函数等参数过多，参数的设计与调试是一个比较复杂的问题，不太容易找到最佳参数。所以赛车最终采用了方案二的算法。
5.2 车速PID控制
赛车的最终成绩取决于赛车速度，毫无疑问车速控制是该系统中一个比较关键的环节。
赛车车速控制的要求就是要稳定、快速地达到预设值，而PID控制在这方面具有较大的优势，因此采用了增量式数字PID算法作为该赛车的速度控制算法，其公式如式5-1。
式中 k-------采样序号，k=0,1,2, . . .. ；
uk------第k次采样时刻的计算机输出值；
ek------第k次采样时刻输入的偏差值；
Kp------比例系数；
Ki------积分系数，Ki=KPT/Ti; 此处与Ti成反比关系；
Kd------微分系数，KD=KPTd/T；
Uo------开始进行PID控制式的原始初值。
对了车速的测量，
5.3 赛车车速控制方案
由于赛道宽度的限制以及冲出赛道次数的限制，本次设计以稳定性为首要条件，必须保证赛车能够成功跑完至少一圈。因此，为避免车速过快而在急转弯时由于未能及时减速而造成赛车冲出赛道，应以急转弯时冲出赛道的极限值作为赛车在进入弯道时的极限速度，以保证其在急转弯及在蛇形弯道上正常行驶。本方案以求在稳定性和快速性上求得平衡，保证第一圈顺利跑完后，进入第二圈时便可以快速性为主要目的，以求获得更好的成绩。具体方法可以通过提高直道、弯道、蛇形道三种条件下的给定速度；或者是通过第一圈对赛道做记忆的方法，使赛车在第二圈时对赛道有个整体的提前预知能力，可以更好地调节车速。
考虑到赛车跑道的不确定性，赛车可能频繁进出弯道，需要不停地调整速度来适应不同的路径情况。因此本系统对赛车速度的控制应具备响应时间短、稳态误差小等特点。所以本系统选择PID控制算法来实现转速控制。赛车行驶控制的系统结构图如图5-1。
图5-1 行驶控制的系统结构
其中赛车的速度设定是根据第六章中路径信息的特征提取而得到的结果，可以将速度的设定值分为高、中、低三个档。
为了尽量提高车速，采用在直道上设定最高目标车速，即定速控制；在接近转变处开始降速，当正式转入弯道时，将车速调整到过弯的极限车速，而在将要出弯道时提前加速。
在跑好了第一圈的前提下，可以尝试采用赛道记忆算法，在跑第一圈的时候需将赛道的重要特征按特定的格式记录下来，作为第二圈的参考。初圈最终要记录的数据的横坐标一般为行驶的路程，而纵坐标则为赛道此点的曲率半径。对于横坐标，由于初圈一般匀速行驶完，一般可以直接用时间来表示。而对于纵坐标，则无法第一时间取得当前点的曲率半径，它需要对采集到的原始数据进行相关处理后才能得出。在初圈中，我们能记录的只是当前的转角设定值，可用舵机占空比或者直接转换过来的角度值表示[7]。
