智能小車系統(tǒng)技術(shù)報(bào)告.doc

I關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說明本人完全了解第三屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車邀請賽關(guān)保留、使用技術(shù)報(bào)告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁上收錄并公開參賽作品的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會出版論文集中。參賽隊(duì)員簽名：帶隊(duì)教師簽名：日期：2008.8.18II目錄第一章引言.1第二章智能車機(jī)械安裝.12.1傳感器的選擇與布局.12.2舵機(jī)的安裝.12.3測速傳感器的安裝.12.4后輪差速機(jī)構(gòu)調(diào)整.12.5底盤高度調(diào)整.1第三章智能車硬件電路設(shè)計(jì).13.1控制芯片MC9S12DG128B電路設(shè)計(jì).13.1.1晶振及鎖相環(huán).13.1.2復(fù)位電路.13.1.3I/O口分配.13.2電源管理單元.13.3路徑識別單元.13.4車速檢測模塊.13.5舵機(jī)控制單元.13.6直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制單元.1第四章智能車軟件設(shè)計(jì).14.1路徑的檢測.14.2轉(zhuǎn)角的控制.14.3車速的控制.14.3.1模糊控制設(shè)定速度.14.3.2PID控制調(diào)整速度.1第五章智能車技術(shù)參數(shù)說明.19第六章總結(jié).20參考文獻(xiàn).20附錄A程序代碼.I1第一章引言智能小車系統(tǒng)由HCS12微控制器、電源管理單元、路徑識別電路、車速檢測模塊、舵機(jī)控制單元和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制單元組成。本系統(tǒng)以飛思卡爾公司的16位微處理器MC9S12DG128為控制核心，并采用CodeWarrior軟件、串口調(diào)試助手及BDM作為調(diào)試工具。運(yùn)用反射式紅外傳感器進(jìn)行道路信息采集，并采用PWM技術(shù)來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向和電機(jī)轉(zhuǎn)速。舵機(jī)控制主要采用PWM信號開環(huán)控制,而速度控制方面，由模糊控制來設(shè)定速度，PID控制來調(diào)整速度。通過將總線頻率超頻到32M來更快更準(zhǔn)確地進(jìn)行控制。各個(gè)部分經(jīng)過MCU的協(xié)調(diào)處理，能夠以較快的速度在指定的軌跡上行駛，在進(jìn)彎道之前能夠提前減速并改變角度，達(dá)到平滑過彎和減小路程的效果。本報(bào)告分為六個(gè)章節(jié)：第一章為引言介紹；第二章主要介紹了智能車機(jī)械設(shè)計(jì)與安裝；第三章主要介紹了智能車硬件電路設(shè)計(jì)；第四章為智能車軟件設(shè)計(jì)；第五章為智能車技術(shù)參數(shù)說明；第六章為總結(jié)。2第二章智能車機(jī)械安裝2.1傳感器的選擇與布局尋跡傳感器用來檢測道路的信息，相當(dāng)于人的眼鏡，其前瞻和檢測精度決定了小車的過彎性能和速度。尋跡傳感器的布局常見的有以下幾種方案方案一：一字形布局反射式光電傳感器在小車前方一字形簡單排布。在一字形中傳感器的間隔有均勻布局和非均勻布局兩種方式，均勻布局不利于彎道信息的準(zhǔn)確采集，通常采取的是非均勻布局。非均勻布局這種方案信息檢測相對連貫，準(zhǔn)確，使控制程序算法簡單，小車運(yùn)行連貫，穩(wěn)定。方案二：八字形布局八字形布局從橫向來看與一字形類似，但它增加了縱向的特性，從而具有了一定的前瞻性。將中間兩傳感器進(jìn)行前置的主要目的在于能夠早一步了到車前方是否為直道，從而可以進(jìn)行加速。值得一提的是，由于縱向的排列不一致，就比一字形增加了多傳感器同時(shí)感應(yīng)的可能性(一字形只可能是所有傳感器同時(shí)感應(yīng)，而八字形則可能出現(xiàn)幾個(gè)傳感器同時(shí)感應(yīng)的現(xiàn)象)。方案三：活動(dòng)式傳感器布局前面兩種方案都是固定的布局方式，使傳感器對賽道有一定的依賴。在這個(gè)方案中，傳感器的位置是可以在一定范圍內(nèi)靈活排布的。這種方案的布局思路是傳感器在安裝板上的位置是可調(diào)的，先將傳感器排布成為矩形點(diǎn)陣，根據(jù)不同的賽道情況而靈活地作出調(diào)整，就可以設(shè)計(jì)出不同的布局方式而適應(yīng)不同的賽道。這樣對不同賽道有更強(qiáng)的適應(yīng)性。但這種方案可調(diào)性大，臨時(shí)調(diào)節(jié)較難，其次機(jī)械設(shè)計(jì)中體積較大，增加了小車的重量，不利于加減速。在比較了以上幾個(gè)方案后，我們選擇了一字形排布方式。本系統(tǒng)采用雙排非均勻排布紅外傳感器探測路面信號。下面一排用來檢測起跑線，離地面較近，選擇的靈敏度高的接收管。上面一排用于檢測賽道信息，離地面較遠(yuǎn)，所以選擇的抗干擾能力強(qiáng)的接收管。上排9組光電管呈一字型排列，考慮到弧度信息采集的連貫性，非均勻布局的理論依據(jù)是等角度分布原則，即先確定一合適的定點(diǎn)，從頂點(diǎn)依次等角度畫射線，射線與傳感器水平線相交的位置即為傳感器的位置。這種方案信息檢測相對連貫，準(zhǔn)確，使控制程序算法簡單，小車運(yùn)行連貫，穩(wěn)定。為了獲得盡第二章智能車機(jī)械安裝3量大的前瞻，將光電管架在約19cm的高度，以45的角度射向地面，這樣前瞻可達(dá)28cm，可以讓系統(tǒng)對賽道信息提前獲取并更快更好地做出決策，從而更容易彎道提前減速，直道提前加速并走出更節(jié)省路程的路徑。傳感器單元安裝圖如圖2.1所示。圖2.1傳感器單元安裝圖2.2舵機(jī)的安裝舵機(jī)轉(zhuǎn)向是系統(tǒng)中一個(gè)較大時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。由于大賽采用的舵機(jī)的工作速度為0.16s/60度，對于對快速性要求極高的智能小車來說，是影響其速度的一個(gè)重要因素，特別是對于前瞻不夠遠(yuǎn)的智能小車。我們可以通過加長舵機(jī)力臂的方法來彌補(bǔ)這一缺陷。加大力臂后減小了舵機(jī)的轉(zhuǎn)向范圍，所以要使前輪轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度，舵機(jī)力臂加長后所需時(shí)間更短，響應(yīng)更快。但如果舵機(jī)的力臂太長又會造成舵機(jī)的轉(zhuǎn)向力矩太小，PWM信號與角度不能很好的一一對應(yīng)，對于舵機(jī)的開環(huán)控制會帶來很大的穩(wěn)態(tài)誤差。綜合以上考慮,我們將轉(zhuǎn)臂加長至3.0cm，而且力臂的材料剛度較大，避免轉(zhuǎn)向時(shí)發(fā)生形變，這樣克服了原舵機(jī)力臂剛度不夠?qū)е碌捻憫?yīng)延時(shí)問題。其安裝圖片如圖2.2：第三屆全國大學(xué)生智能汽車邀請賽技術(shù)報(bào)告4圖2.2舵機(jī)的安裝圖2.3測速傳感器的安裝為了減輕智能車的重量，測速時(shí)盡量選用重量輕精度高的傳感器，因此，本系統(tǒng)車速檢測單元采用日本OMRON公司的E6A2-CW3C型旋轉(zhuǎn)編碼器作為車速檢測元件，質(zhì)量為35克?？紤]到碼盤重量會影響車體重心位置，我們將其通過一塊輕質(zhì)硬板固定在車尾部，讓重心更加靠近后輪，增加輪胎與地面的摩擦力。為了不影響加速性能，編碼器的傳動(dòng)齒輪較小，基本上和電機(jī)的齒輪相同，齒輪之間夾角小于120度。這樣安裝齒輪咬合很好，即避免由于齒輪咬合太緊以致加重負(fù)載，同時(shí)也避免了因過松而出現(xiàn)的在轉(zhuǎn)動(dòng)中齒輪撞擊的現(xiàn)象，減少電機(jī)的摩擦損耗和噪音。其安裝圖片如圖2.3：第二章智能車機(jī)械安裝5圖2.3測速傳感器的安裝2.4后輪差速機(jī)構(gòu)調(diào)整由于后輪采用滾珠式差速器，它在實(shí)現(xiàn)差速的過程中會影響后輪的動(dòng)力傳遞，因此應(yīng)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整兩片軸承的壓力以滿足后輪驅(qū)動(dòng)和差速的要求。2.5底盤高度調(diào)整按照常規(guī)，車輛底盤高度越低，車輛重心越低，后輪抓地力越好，前輪轉(zhuǎn)向越敏感。因此在很多賽車比賽中，提高速度有效方法就是降低底盤高度。我們在前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)處，增加一塊墊片，略微降低了賽車前部的底盤高度，使底盤呈現(xiàn)一種前低后高的傾斜狀態(tài)。6第三章智能車硬件電路設(shè)計(jì)智能車的硬件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，分為控制芯片MC9S12DG128B電路，電源的管理單元，路徑識別單元，車速檢測模塊、舵機(jī)控制單元和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制單元，各單元設(shè)計(jì)如下：（1）電源管理單元主要為穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)及合理利用，通過穩(wěn)壓管將7.2伏電壓穩(wěn)到5伏給系統(tǒng)各部件供電。（2）路徑識別單元作為系統(tǒng)的重要組成部分，采用紅外光電傳感器作為路徑識別元件。（3）車速檢測模塊主要作為小車速度閉環(huán)控制的反饋環(huán)節(jié)，該模塊主要采用旋轉(zhuǎn)編碼器作為車速檢測元件。其輸出方式為電平輸出方式，通過定時(shí)采樣旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的高電平個(gè)數(shù)，得出當(dāng)前小車的速度并反饋給控制回路。（4）舵機(jī)控制單元通過加長舵機(jī)的力臂來提高舵機(jī)的響應(yīng)速度。（5）直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制單元采用組委會提供的MC33886電機(jī)驅(qū)動(dòng)H-橋作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)元件。其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。HCS12控制核心轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制單元電源管理單元車速檢測模塊直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制單元路徑識別電路圖3.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖3.1控制芯片MC9S12DG128B電路設(shè)計(jì)3.1.1晶振及鎖相環(huán)芯片外部使用16MHZ無源晶振，通過