智能車整體設計思路和方案報告.doc

關于技術(shù)報告和研究論文使用授權(quán)的說明本人完全了解第二屆全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽關保留、使用技術(shù)報告和研究論文的規(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體公司可以在相關主頁上收錄并公開參賽作品的設計方案、技術(shù)報告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關內(nèi)容編纂收錄在組委會出版論文集中。參賽隊員簽名：帶隊教師簽名：日期：目錄第一章引言.1第二章智能車整體設計思路和方案.1第三章智能車機械部分安裝和調(diào)試.2第四章智能車的電路設計與實現(xiàn).34.1電源部分.34.2電機驅(qū)動電路.44.3測速電路.64.4紅外對管檢測電路.74.5撥碼開關電路.8第五章智能車的控制策略和算法.95.1路徑搜索算法.95.2舵機、電機的控制.9第六章運行調(diào)試部分.126.1CODEWARRIOR開發(fā)環(huán)境.126.2軟件仿真.126.2實際調(diào)試.13第七章技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計.14參考文獻.15附件程序.錯誤!未定義書簽。第三屆全國大學生智能汽車大賽1第一章引言“飛思卡爾”杯智能車大賽是教育部為了加強大學生實踐、創(chuàng)新能力和團隊精神的培養(yǎng)而舉辦的面向全國大學生的智能汽車比賽?！帮w思卡爾”杯智能車大賽從2006年開始舉辦，今年是第三屆。比賽所涉及的專業(yè)知識包括控制、模式識別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計算機、機械等多個學科，對大學生的知識融合和實踐動手能力的培養(yǎng)，對汽車電子技術(shù)的發(fā)展，具有良好的長期的推動作用。大賽要求使用組委會統(tǒng)一提供的車模，采用飛思卡爾16位單片機MC9S12DG128作為核心控制單元，自主構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)設計，包括傳感器信號采集處理、控制算法及執(zhí)行、動力電機驅(qū)動、轉(zhuǎn)向舵機控制等。系統(tǒng)按照功能劃分為：電源模塊、單片機模塊、運行調(diào)試模塊、路徑識別模塊、直流電機驅(qū)動模塊、轉(zhuǎn)向伺服模塊、速度測量模塊等。本文將先從整體上介紹模型車的制作思路和方案，再從車子的機械、傳感器、電路等硬件方面到控制的策略、算法的實現(xiàn)和代碼等方面具體介紹模型車的制作以及調(diào)試過程，最后介紹模型車的主要技術(shù)參數(shù)。第二章智能車整體設計思路和方案由于今年組委會光電管和攝像頭分開比賽。所以傳感器部分我們選擇了光電管，比賽以小車的速度記成績，為了讓小車更快更穩(wěn)得跑完全程，傳感器的探測距離必須要遠，既要有大的前瞻，普通的紅外對管由于功率較小，探測距離增大時，干擾嚴重，所以我們自制了大功率對管，同時采用了程序控制脈沖發(fā)光的辦法，有效的降低了發(fā)熱，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用采用了7.2V2000mAhNi-Cd蓄電池作為系統(tǒng)能源，并且通過穩(wěn)壓第三屆全國大學生智能汽車大賽2電路分出6伏，5伏已分別給舵機和單片機供電。直流電機驅(qū)動模塊接收速度控制信號控制驅(qū)動電機運行，達到控制車速目的。轉(zhuǎn)向伺服模塊控制舵機轉(zhuǎn)向，進而控制智能車轉(zhuǎn)彎。速度測量模塊實時測量智能車車速，用于系統(tǒng)的車速閉環(huán)控制，以精確控制車速。系統(tǒng)充分使用了MC9S12DG128單片機的外圍模塊，具體使用到的模塊包括：ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、定時器模塊、PWM脈沖寬度調(diào)制模塊、中斷模塊、I/O端口和實時時鐘模塊等。系統(tǒng)調(diào)試過程中，使用了組委會提供的代碼調(diào)試環(huán)境CodeWarriorIDE，同時使用了清華的Plastid2軟件進行了仿真試驗。圖1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第三章智能車機械部分安裝和調(diào)試3.1舵機部分為了使轉(zhuǎn)彎更加靈活，對舵機相關部分作了部分改動。首先，我們將舵機力臂加長85mm。這樣，對于同樣的轉(zhuǎn)彎角度值，只需更小的舵機轉(zhuǎn)角，減小了舵機轉(zhuǎn)彎時慣性帶來的弊端。其次，我們將舵機反裝，使舵機連桿水平，因為此時舵機提供的力全部用在轉(zhuǎn)彎上。3.2前輪部分為了增加前輪轉(zhuǎn)彎時的穩(wěn)定性，對前輪相關部分進行了部分改動。首先，更改前后墊片的數(shù)量，使前輪主銷后傾，這樣，車輪具有更好的自動回正功能。其次，更改連桿的長度，使車輪外傾，車輪轉(zhuǎn)彎時，前半部分重心上移，促使賽車轉(zhuǎn)彎更加穩(wěn)定。再次，我們通過更改舵機連桿的長度，增加前輪前束，同樣增加了前輪的穩(wěn)定性。第三屆全國大學生智能汽車大賽33.3底盤部分為了提高賽車運行時的穩(wěn)定性，對地盤相關部分作了部分改動。首先，前輪相關位置加墊片，降低了前輪重心。其次，更改后輪車軸處的調(diào)節(jié)塊，使后輪重心升高，這樣，車身前傾，一定程度上，增加了車的穩(wěn)定性。3.4后輪部分首先，更換后輪輪距調(diào)節(jié)塊，使后輪兩輪之間間距加大。這樣，車在轉(zhuǎn)彎時不容易產(chǎn)生側(cè)滑。其次，調(diào)節(jié)后輪差速，使賽車轉(zhuǎn)彎更加靈活。第四章智能車的電路設計與實現(xiàn)4.1電源部分為了能使智能車系統(tǒng)能正常工作，就需要對電池電壓調(diào)節(jié)。其中，單片機系統(tǒng)、車速傳感器電路需要5V電壓，路徑識別的光電傳感器和接收器電路電壓工作為5V、伺服電機工作電壓范圍4.8V到6V(或直接由電池提供)，直流電機可以使用7.2V2000mAhNi-cd蓄電池直接供電?？紤]到由于驅(qū)動電機引起的電壓瞬間下降的現(xiàn)象，因此采用低壓降的三端穩(wěn)壓器成為必然。我們在采用lm7805，和lm7806作為穩(wěn)牙芯片。經(jīng)試驗電壓紋波小，完全可以滿足要求。電池（7.2v）2000mAhNi-cd穩(wěn)壓電路電機圖4.1系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)圖5V對管單片機舵機測速板Encoder6V7.2V第三屆全國大學生智能汽車大賽4圖4.27805電路圖圖4.3電源模塊示意圖4.2電機驅(qū)動電路電機驅(qū)動使用飛思卡爾專用電機驅(qū)動芯片MC33886。驅(qū)動電路如圖4.4所示。為了增大驅(qū)動能力，減少單片發(fā)熱量，電路采用兩片MC33886并聯(lián)的方案。系統(tǒng)使用PWM控制電機轉(zhuǎn)速，充分利用單片機的PWM模塊資源。電機PWM頻率設定為8KHz。MC33886芯片的工作電壓為5-40V，導通電阻為140毫歐姆，PWM頻率小于第三屆全國大學生智能汽車大賽510KHz，具有短路保護、欠壓保護、過溫保護等功能。電機驅(qū)動芯片安裝在制作的電機驅(qū)動PCB板上，在PCB板設計時，考慮到芯片散熱問題，在芯片腹部設計了方型的通孔，實際運行效果表明芯片散熱均勻，設計合理。為了防止電動機突然停止時產(chǎn)生的電磁干擾，在電動機的兩端焊接了一個0.1F濾波電容。AGND1FS2IN13V+4V+5OUT16OUT17DNC8PGND9PGND10PGND11PGND12D213OUT214OUT215V+16Ccp17D118IN219DNC20U3MC33886AGND1FS2IN13V+4V+5OUT16OUT17DNC8PGND9PGND10PGND11PGND12D213OUT214OUT215V+16Ccp17D118IN219DNC20U5MC338861.3KR4Res21.3KR7Res247pFC12Cap47pFC14CapVCCPWM5PWM312P14Header2DS2LED21KR5Res2231S2SW-SPDT+7.2V1KR10Res21KR15Res2圖4.4兩片MC33886并聯(lián)使用圖4.5兩片MC33886并聯(lián)使用的實物圖在圖中可以看到，我們使用PWM23和PWM45作為電機驅(qū)動PWM信號，兩個PWM通道級聯(lián)可以使其輸出更加精確。在程序中，我們把PWM值直接轉(zhuǎn)換成了以米/秒為單位的絕對速度，這樣使智能車的速度更加直觀切易于調(diào)試。第三屆全國大學生智能汽車大賽64.3測速電路由于考慮到成本需要，我們采用了紅外對管和黑白碼盤作為測速模塊的硬件構(gòu)成。其中碼盤為32格的黑白相間圓盤，如下圖所示：圖4.5碼盤紅外傳感器安裝在正對碼盤的前方，雖然這樣做精度比編碼器要低很多，但是成本低廉制作容易，如果智能車速度較快，可以考慮再減少碼盤上黑白色條的數(shù)量即可。當圓盤隨著齒輪轉(zhuǎn)動時，光電管接收到的反射光強弱交替變化，由此可以得到一系列高低電脈沖。設置9S12的ECT模塊，同時捕捉光電管輸出的電脈沖的上升沿和下降沿。通過累計一定時間內(nèi)的脈沖數(shù)，或者記錄相鄰脈沖的間隔時間，可以得到和速度等價的參數(shù)值。測速電路使用自行研制的紅外反射式光電測速傳感器。速度測量電路使用紅外反射式光電對管RPR220，自行制作的編碼盤，比較電路等組成。速度測量電路圖2.8所示。紅外反射式光電對管的光敏三極管信號通過比較器處理后輸入單片機的計數(shù)器模塊，利用單片機的輸入捕捉功能，處理智能車速度信息。自制的編碼盤有24道黑色條紋，電機旋轉(zhuǎn)一周將產(chǎn)生24次輸入捕捉中斷。單片機記錄兩次中斷的時間間隔T。兩次中斷對應于智能車前進的距離S為：16.5/24cm,300VCC33K32184ALM35810K5.1KVCCVCC5.1KIOC0RPR220圖4.6測速電路第三屆全國大學生智能汽車大賽7即0.6875cm，其中16.5cm為智能車后輪實測周長7。智能車實時速度V(cm/s)的計算公式如下：scmTTTSV/6875.024/5.164.4紅外對管檢測電路由于我們采用了大功率對管，所以紅外對管的電路是整個電路中要求最高的，不緊要保證對管正常工作，而且還要考慮整個電路的能耗和發(fā)熱問題。經(jīng)測試我們發(fā)現(xiàn)單個對管在通以100mA到170mA電流時可以。保