安科光電二隊智能汽車邀請賽技術(shù)報告

1、第五屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車邀請賽技 術(shù) 報 告學(xué) 校： 安徽科技學(xué)院隊伍名稱： 安科光電二隊參賽隊員： 余子祥 唐志強(qiáng) 張 旻帶隊教師： 徐朝勝 曾麗梅關(guān)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五屆“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(guān)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111.1大賽背景和概況111.2智能車應(yīng)用前景12第二章

2、 賽車整體設(shè)計思路132.1系統(tǒng)設(shè)計要求、目標(biāo)132.2系統(tǒng)總體方案的選定132.3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)142.4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)15第三張 智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化173.1智能車整體建模173.2車模機(jī)械改裝183.2.1前輪定位183.2.2舵機(jī)安置223.2.3底盤離地間隙233.3傳感器的原理、選擇與安裝233.3.1傳感器的選擇 .233.3.2激光傳感器的原理 .243.3.3激光傳感器的設(shè)計243.3.4傳感器的安裝263.3.3激光傳感器的調(diào)試方法27第四章 系統(tǒng)硬件電路334.1 核心電路板的組成334.2電機(jī)驅(qū)動電路模塊34第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計355.1軟件整體設(shè)計365.2舵機(jī)轉(zhuǎn)

3、向控制和速度控制的pid算法365.3起始線的識別38第六章 賽車調(diào)試406.1軟件調(diào)試平臺codewarrior406.2 codewarrior ide基本使用方法41第七章 模型車的主要技術(shù)參數(shù)45第八章 結(jié)論46參考文獻(xiàn)47第一章 引言1.1大賽背景和概況教育部為了加強(qiáng)大學(xué)生實踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊精神的培養(yǎng)，在己舉辦全國數(shù)學(xué)建模、電子設(shè)計、機(jī)械設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等4大專業(yè)競賽的基礎(chǔ)上，經(jīng)研究決定，委托高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委會主辦自2006年每年一度的全國大學(xué)生智能汽車競賽。高等學(xué)校自動專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委會決定飛思卡爾半導(dǎo)體公司為協(xié)辦單位，賽事冠名為“飛思卡爾”杯。競賽要求參賽者在提供的

4、模型車體及主微控制器芯片基礎(chǔ)上設(shè)計制作具有自主道路識別能力并滿足比賽規(guī)則的智能汽車，在賽道上以最快速度完成賽程者為優(yōu)勝。 作為全球最大的汽車電子半導(dǎo)體供應(yīng)商，飛思卡爾一直致力于為汽車電子系統(tǒng)提供全范圍應(yīng)用的單片機(jī)、模擬器件和傳感器等器件產(chǎn)品和解決方案。飛思卡爾是排名第一的汽車電子半導(dǎo)體供應(yīng)商，其中在8位、16位及32位汽車微控制器的市場占有率居于全球第一，超過40%的新車都使用了飛思卡爾的技術(shù)。 智能車比賽源自韓國，并且已成功舉辦了四屆，其比賽的技術(shù)水平和成績已達(dá)到了相當(dāng)?shù)母叨?，已引起現(xiàn)代、寶馬等跨國企業(yè)的注意。在韓國成功舉辦多次的基礎(chǔ)上，在我國開始嘗試舉辦該賽事，全國大學(xué)生智能汽車競賽暨第一

5、屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車邀請賽已于2006年8月2021日在清華大學(xué)圓滿結(jié)束，來自全國57所高校的112支隊伍參加了比賽，引起了各方的廣泛關(guān)注，并且已經(jīng)具備了較高的技術(shù)水平，清華大學(xué)2隊、上海交大速度之星隊及清華大學(xué)1隊分列成績前三名。 與以往的專業(yè)競賽不同，智能車大賽是以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機(jī)、機(jī)械等多個學(xué)科交叉的科技創(chuàng)新比賽，已經(jīng)成為各高校展示科研成果和學(xué)生實踐能力的重要途徑，同時也為社會選拔優(yōu)秀的創(chuàng)新人才提供了重要平臺。第五屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽于2010年7月中旬舉行分區(qū)比賽，8月中旬舉行全國總決賽。競賽內(nèi)

6、容包括：以飛思卡爾hcs12單片機(jī)為核心控制模塊，以ccd、光電或電磁檢測元件檢測賽道引導(dǎo)線，引導(dǎo)改裝后的模型汽車以最快的速度按照大賽組委會所設(shè)定的賽道行進(jìn)，以賽車在最短時間跑完全程的隊為優(yōu)勝隊。該競賽是涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機(jī)、機(jī)械等多個學(xué)科的科技創(chuàng)意性比賽，極具挑戰(zhàn)性與競爭性。 該比賽已經(jīng)列入教育部主辦的全國大學(xué)生五大競賽之一。1.2智能車應(yīng)用前景智能小車采用飛思卡爾公司的mc9s12xs128maa作為主控芯片，配合有傳感器、電機(jī)、舵機(jī)、電池以及相應(yīng)的驅(qū)動電路，再加上信息處理和控制算法，它能夠自主識別路徑，控制模型車高速穩(wěn)定運行在跑道上。智能車要實現(xiàn)在城市繁忙道

7、路上完全無人駕駛，尚有很多研究工作要做。但是通過這輛車來研究一些關(guān)鍵技術(shù)，并且把它們應(yīng)用到實際工程中去，還是可行的。譬如在汽車定位、導(dǎo)航中的應(yīng)用；又如多種傳感器信息處理，如果將二維圖像與激光雷達(dá)的信息融合起來，可以得到更確切的道路或環(huán)境的信息；傳感器技術(shù)和自動駕駛技術(shù)可以實現(xiàn)汽車的自適應(yīng)巡航，輔助人們把車開得又快又穩(wěn)、安全可靠；汽車夜間行駛時，如果裝上紅外攝像頭，就能實現(xiàn)夜晚的汽車安全輔助駕駛；在倉庫、碼頭、工廠、機(jī)關(guān)、營房、住宅區(qū)或者危險、有毒、有害的工作環(huán)境里，自動駕駛或遙控駕駛技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景，如無人值守的巡邏監(jiān)視、設(shè)備的維護(hù)修理、物料的運輸、消防滅火等等。第二章 賽車整體設(shè)計思路

8、2.1系統(tǒng)設(shè)計要求、目標(biāo)智能車競賽所使用的車模是一款帶有差速器的后輪驅(qū)動模型賽車，由大賽組委會統(tǒng)一提供。通過設(shè)計基于freescale 公司開發(fā)的mc9s12dj256單片機(jī)的自動控制器控制模型車在封閉的跑道上自主循線運行。自動控制器是以單片機(jī)mc9s12dj256為核心，配合有傳感器，舵機(jī)，電機(jī)，電池及相應(yīng)的驅(qū)動電路，它能夠自主識別路徑，控制模型車高速穩(wěn)定運行在跑道上。智能車競賽要求參賽隊伍設(shè)計一輛以組委會提供的車模為主體的可以在賽道上自主尋線的模型車，比賽成績?yōu)閱稳ψ詈贸煽?。設(shè)計自動控制器是制作智能車的核心環(huán)節(jié)?？煽啃允侨〉贸煽兊挠辛ΡＵ?。在提高車速的同時保證智能車的穩(wěn)定性。同時盡量簡化電

9、路設(shè)計，提高靈活性。2.2系統(tǒng)總體方案的選定通過學(xué)習(xí)競賽規(guī)則和往屆競賽相關(guān)技術(shù)資料了解到，路徑識別模塊是智能車系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識別方案的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣，因此確定路徑識別模塊的類型是決定智能車總體方案的關(guān)鍵。而目前能夠用于智能車輛路徑識別的傳感器主要有光電傳感器和ccd/cmos 傳感器。光電傳感器尋跡方案的優(yōu)點是傳感器信號處理速度快，能夠有更多的總線資源進(jìn)行復(fù)雜算法的運行，但是突破前瞻的束縛是決定速度的關(guān)鍵所在；ccd 攝像頭尋跡方案的優(yōu)點則是可以更遠(yuǎn)更早地感知賽道的變化，但是信號處理卻比較復(fù)雜，如何對攝像頭記錄的圖像進(jìn)行處理和識別，加快處理速度及對賽道反光問題的處理是

10、攝像頭方案的難點。在比較了兩種傳感器優(yōu)劣之后，考慮到我校前三屆強(qiáng)大的技術(shù)積累，決定選用應(yīng)用光電傳感器，相信通過選用成熟的大前瞻光電傳感器，加之先進(jìn)的程序控制算法和較快的信息處理速度，光電傳感器還是可以達(dá)到極好的控制效果的。該車的設(shè)計目標(biāo)是快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確，其指導(dǎo)思想有以下四點：一是要有盡可能大的前瞻性，以使智能車有更大的提速空間。因為最終目的是競速，所以速度是第一位,而要想提高賽車速度，需要盡可能遠(yuǎn)地采集到路況信息，即增大前瞻量，這樣才能提前進(jìn)行判斷，做出轉(zhuǎn)向、加速或減速等動作。二是要有盡可能快的響應(yīng)。因為要想提高賽車速度就必須使舵機(jī)的響應(yīng)足夠快，而舵機(jī)響應(yīng)的滯后性是制極限約速度的最重要的因素

11、，除了軟件上使用pd控制，即引入微分控制來提高舵機(jī)的動態(tài)性能外，硬件上的舵機(jī)安裝方法也嚴(yán)重影響舵機(jī)的響應(yīng)速度。三是要有很好的環(huán)境適應(yīng)性。環(huán)境適應(yīng)性不止是要有合理的控制算法來適應(yīng)不同的路況，在硬件的設(shè)計上也要考慮到系統(tǒng)的適應(yīng)性，尤其是對于環(huán)境光線的適應(yīng)性，這對于不管是基于光電的還是基于攝像頭的智能車都很重要，因為閾值的大小嚴(yán)重影響到路徑的識別。四是要有足夠的穩(wěn)定性，一個設(shè)計良好的控制系統(tǒng)必須要有很高的穩(wěn)定性才能正常工作。穩(wěn)定性包括軟件設(shè)計上的控制的穩(wěn)定性和硬件結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性，兩者都是必不可少的。2.3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)按照預(yù)計的設(shè)計，我們設(shè)計出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。我們力求在最簡的硬件系統(tǒng)上實現(xiàn)我們所要的效果

12、，使得系統(tǒng)更高效。在組委會提供的車模基礎(chǔ)上，通過mc9s12dj256采樣視頻信號，獲得圖像數(shù)據(jù)。然后根據(jù)圖像數(shù)據(jù)，提取目標(biāo)指引線。圖像采集模塊主要有光電傳感器、s12的放大電路組成。舵機(jī)模塊主要控制智能車的轉(zhuǎn)角。驅(qū)動模塊用于提供賽車的驅(qū)動，主要由pmos和nmos及其電路組成。速度傳感器模塊由小型光電編碼器和ect脈沖捕捉功能構(gòu)成。提供速度閉環(huán)控制。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。s12舵機(jī)電機(jī)光電編碼器驅(qū)動電路激光傳感器圖2.1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.4系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)有了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以后，通過軟件算法小車就可以跑起來了。系統(tǒng)的基本軟件流程為：首先，對各功能模塊和控制參數(shù)進(jìn)行初始化。然后，通過圖像采集模塊

13、獲取前方賽道的圖像數(shù)據(jù)，然后s12利用邊緣檢測方法從圖像數(shù)據(jù)中提取賽道黑線，求得賽車與黑線位置的偏差，接著采用pid對舵機(jī)進(jìn)行反饋控制。同時通過速度傳感器模塊獲取當(dāng)前賽車的速度。根據(jù)檢測到的速度，結(jié)合速度控制策略，對賽車速度不斷進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使賽車在符合比賽規(guī)則的前提下，沿賽道快速行駛。系統(tǒng)的基本軟件結(jié)構(gòu)如圖2.2 所示。開始采集傳感器信號各模塊初始化信號處理提取速度舵機(jī)控制提取黑線控制速度第三章 智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化31智能車整體建模智能車系統(tǒng)任何的控制都是在一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，因此在計整個軟件架構(gòu)和算法之前一定要對整個車模的機(jī)械結(jié)構(gòu)有一個感性的認(rèn)識，然后建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。從而

14、再針對具體的設(shè)計方案來調(diào)整賽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并在實際的調(diào)試過程中不斷的改進(jìn)和提高。本章將主要介紹智能車車模的機(jī)械結(jié)構(gòu)和調(diào)整方案。此次競賽選用的智能車競賽專用車模。智能車的控制采用的是四輪驅(qū)動，前輪轉(zhuǎn)向方案。智能車的外形大致如下：3.2 車模機(jī)械改裝3.2.1 前輪定位前輪定位主要包括主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角和前輪前束。前輪定位的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。前輪主銷后傾角（caster）上球頭或支柱頂端與下球頭的連線，向前或后傾斜的角度，稱為“主銷后傾角”。向前傾稱為負(fù)主銷后傾角，向后傾斜稱為正主銷后傾角。后傾角越大，車速愈高時，車輪偏轉(zhuǎn)后自動回正力越強(qiáng)，但

15、回正力矩過大，將會引起前輪回正過猛，加速前輪擺震，并使轉(zhuǎn)向沉重。我們?yōu)榱耸鼓Ｐ蛙囖D(zhuǎn)向靈活，而加速時前輪不擺震，確保前輪直行的穩(wěn)定性，將主銷后傾角2-3。主銷后傾角 主銷前傾角圖3.1前輪主銷內(nèi)傾角（sal）（如圖3.2） 主銷內(nèi)傾角圖3.2主銷內(nèi)傾角的作用是轉(zhuǎn)向時，車輪因被抬起一個高度，在重力作用下轉(zhuǎn)向輪以將回復(fù)到中間直線行駛的位置，從而起到自動回正的作用，同時因力臂縮短使轉(zhuǎn)向操作輕便。當(dāng)轉(zhuǎn)向軸線向車輛中心線傾斜并且車輪處在直使位置時，轉(zhuǎn)向節(jié)的高度距離底盤更近。當(dāng)完成轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向盤回正時，車輛在重力作用下有降低到最低處的趨勢。因此，轉(zhuǎn)向軸銷內(nèi)傾角有助于將車輪在轉(zhuǎn)向后回到直駛位置。力矩致生偏向是指

16、在前輪驅(qū)動車輛急加速時左右驅(qū)動軸左右長度不相等引起的駛向側(cè)面的趨勢。沖擊轉(zhuǎn)向是指在懸架上跳回彈時前束或外傾角不相等，這使車輪突然轉(zhuǎn)向一側(cè)。主銷內(nèi)傾角不宜過大，否則在轉(zhuǎn)向過程中輪胎與地面間將產(chǎn)生較大的滑動。通常主銷內(nèi)傾角不大于8度，通過改變橫臂螺桿的長度來改變主銷內(nèi)傾角，調(diào)整范圍08度之間為宜。利用試驗法確定即可。本組將主銷內(nèi)傾角調(diào)節(jié)為5 左右。減小了賽道面作用于前輪的阻力矩，使舵機(jī)轉(zhuǎn)向更加輕便，同時車輪自動回正的速度加快。車輪外傾角（camber）輪胎的上沿偏向車輛內(nèi)側(cè)（朝向引擎、負(fù)外傾角）或外（偏離引擎、正外傾角）的角度稱為“車輪外傾角”。如圖3.3。主銷外傾角 圖3.3外傾的作用是使轉(zhuǎn)向操

17、縱輕便，同時抵消彈性變形可能產(chǎn)生的車輪內(nèi)傾，還可以在輪轂上產(chǎn)生向內(nèi)的軸向力從而減輕外軸承 和鎖緊螺母的負(fù)荷。前輪前束(toe)車輪有了外傾角之后，就會導(dǎo)致兩側(cè)車輪向外滾開。車輪將在地面上出現(xiàn)邊滾邊滑的現(xiàn)象，從而增加了車輪的磨損。為了消除車輪外傾帶來的不良后果，在安裝車輪時，使賽車兩前輪的中心面不平行，兩輪前邊緣距離b小于后邊緣距離a，a-b之差稱為前輪前束，這樣可使車輪在每一瞬時滾動方向接近于向著正前方，從而在很大程度上減輕和消除了由于車輪外傾而產(chǎn)生的不良后果。在實際的汽車中，一般前束為012mm 。3.2.2 舵機(jī)安置圖3.5舵機(jī)使用組委會提供的b車舵機(jī)，舵機(jī)的響應(yīng)速度對小車是一個很重要的因

18、素，特別是在自己的前瞻范圍內(nèi)如何更快的響應(yīng)就顯得及其重要了。為了加快舵機(jī)的響應(yīng)速度，我們做了以下三個方面的改進(jìn)：第一，舵機(jī)立式放置，使舵機(jī)位于兩輪的中心線上，小車前部相對于舵機(jī)左右對稱，從而左右橫拉桿長度相同，舵機(jī)左右轉(zhuǎn)向時受力比較均勻。這樣，經(jīng)建模分析得，即使左右橫拉桿長度相同，轉(zhuǎn)彎時，內(nèi)側(cè)輪的轉(zhuǎn)角還是大于外側(cè)輪的轉(zhuǎn)角，有利于轉(zhuǎn)向，也使轉(zhuǎn)彎更加穩(wěn)定可靠。通過以上這些改造，舵機(jī)的響應(yīng)速度提高許多，穩(wěn)定性增強(qiáng)，為快速靈巧的轉(zhuǎn)向提供了硬件的保證第二，實驗可知，由于舵機(jī)的響應(yīng)速度與舵機(jī)的供電電壓有直接的關(guān)系，而電壓越高其響應(yīng)速度越快，但是大賽規(guī)則中禁止用dc-dc升壓電路給電機(jī)供電，故我們直接用電池

19、電壓即7.2v直接給舵機(jī)供電。第三，將舵機(jī)偏前放置，從而增加了舵機(jī)到連桿之間的擺桿長度，這樣與以前的長度相比讓前輪轉(zhuǎn)過同樣的角度舵機(jī)只需轉(zhuǎn)過比以前更小的角度。3.2.3底盤離地間隙底盤的高度對車的重心影響很大，因為我們采取光電傳感器采集路面信息的策略，傳感器的安裝，必然導(dǎo)致整車的重心偏高，在高速過彎時則向心力比較大，同時由于慣性則車很容易向一側(cè)翻倒。為了避免這類事情的發(fā)生，不僅需要減輕傳感器支架的重量，也要盡量降低小車底盤的高度。我們把車底盤放低，從而降低整車的重心，防止車翻倒。雖此次比賽中有坡度在15度之內(nèi)的坡道，但坡道是圓弧形的拱坡，車在上下坡過程中不會出現(xiàn)碰觸賽道的情況，故我們對車的前后

20、部的底盤高度都做了調(diào)整。以下是車前后部分底盤高度調(diào)整方法：(1)底盤前半部分離地間隙調(diào)整：我們利用固定彈簧和去掉彈簧，從而使小車前部離地間隙達(dá)到最低，為8mm。(2)底盤后半部分離地間隙調(diào)整：通過變換偏心卡圈調(diào)整底盤后半部離地間隙。為了降低小車整體重心，我們采用了偏心最大的卡圈，使間隙最小。33傳感器的原理、選擇與安裝3.3.1傳感器的選擇光電車的傳感器主要有兩種，也是大部分學(xué)校用的，一種紅外傳感器，另一種是激光傳感器。在確定智能車總體方案時，我們選擇激光傳感器的方案。為了獲得更大前瞻距離，為控制系統(tǒng)后續(xù)處理贏得更多的時間，在從眾多光電傳感器中選擇了大前瞻的激光傳感器，前瞻距離可以達(dá)到普通光電

21、傳感器的數(shù)倍甚至十幾倍，完全滿足競賽的要求。而且激光傳感器同時發(fā)光，互不干擾。3.3.2 激光傳感器的原理光電傳感器檢測路面信息的原理是由發(fā)射管發(fā)射一定波長的紅外線，經(jīng)地面反射到接收管。由于在黑色和白色上反射系數(shù)不同，在黑色上大部分光線被吸收，而白色上可以反射回大部分光線，所以接收到的反射光強(qiáng)是不一樣，進(jìn)而導(dǎo)致接收管的特性曲線發(fā)生變化程度不同，而從外部觀測可以近似認(rèn)為接收管兩端輸出電阻不同，進(jìn)而經(jīng)分壓后的電壓就不一樣，就可以將黑白路面區(qū)分開來。圖3.6 光電傳感器原理3.3.3 激光傳感器的設(shè)計激光傳感器與普通的光電傳感器原理都是一樣，但是其前瞻能力遠(yuǎn)大于普通的光電傳感器，可以達(dá)到40-50

22、厘米，對于智能車來說已經(jīng)足夠。在競賽中，規(guī)則規(guī)定傳感器最多不能超過16 個，我選用了12個激光傳感器，所有的傳感器呈“一”字排布。激光傳感器由兩部份構(gòu)成，一部份為發(fā)射部份，一部分為接收部份。發(fā)射部份由一個振蕩管發(fā)出180khz 頻率的振蕩波后，經(jīng)三極管放大，激光管發(fā)光；接收部份由一個相匹配180khz 的接收管接收返回的光強(qiáng)，經(jīng)過電容濾波后直接接入s12 單片機(jī)的pa 與p口，檢測返回電壓的高低。由于激光傳感器使用了調(diào)制處理，接收管只能接受相同頻率的反射光，因而可以有效防止可見光對反射激光的影響。圖3.7 激光傳感器發(fā)射與接收電路電路圖說明 1、l11和r15之間可加上電位器； 2、c11為4

23、7uf的鉭電容(說明書中有一個圖對應(yīng))，加在接收管的1和3腳之間，起濾波作用；如果不行，可以試一下1uf的電解電容,或者0.1uf、0.01uf。 3、in為信號輸入單片機(jī)，out為單片機(jī)i/o口控制發(fā)光； 4、接收到黑色為1，接收到白色為0； 5、當(dāng)照射在黑色時，l12指示燈應(yīng)該為滅 3.3.4傳感器的安裝傳感器的固定是關(guān)鍵，其安裝位置、高度以及負(fù)仰角，直接影響圖像的采集和整車的重心。但是我們小車有搖頭的原因，車的整體重心肯定在車的中心靠前位置，為了讓車轉(zhuǎn)向更靈活，我們必修減輕車的重量，以此增加車的速度。為減輕重量，我們?nèi)サ粢恍]有必要的金屬或者換成塑料。攝像頭位置越高，則前瞻性越好，看到的

24、賽道信息越豐富，有利于賽車的預(yù)判和加減速，但對支架的剛性要求越高。在高速轉(zhuǎn)彎時，整車的重心偏高，很容易發(fā)生翻車等極惡劣的情況。因此我們將傳感器高度定為20cm，既保證了前瞻，又保證了圖像采集時左右寬度相等。3.2.3傳感器的調(diào)試方法一、先將光斑調(diào)整到一條直線。二、俞電腦連接，在線調(diào)試。三、寫入程序使傳感器分組發(fā)光。四、單個安裝鏡頭并調(diào)試位置。五、檢查同組傳感器是否相互干擾32第四章 系統(tǒng)硬件電路4.1 核心電路板的組成核心電路板我們采用飛思卡爾提供的mc9s12dj256作為主控制器，用來實現(xiàn)對小車的控制。mc9s12dj256微控制器采用增強(qiáng)型16位s12cpu，片內(nèi)總線是時鐘頻率最高可達(dá)2

25、5mhz，片內(nèi)資源包括128kb的flash存儲器、8kb的ram、2kb的eeprom；兩個異步串行通信接口、兩個串行外圍接口、一組8通道的輸入捕捉或輸出捕捉的增強(qiáng)型捕捉定時器、兩組8通道10路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一組8通道脈寬調(diào)制模塊、一個字節(jié)數(shù)據(jù)鏈路控制器、29路獨立的數(shù)字i/o接口、20路帶中斷和喚醒功能的數(shù)字i/o接口、5個增強(qiáng)型can總線接口，并支持背景調(diào)試模式（bdm）。整個智能車系統(tǒng)的接口層結(jié)構(gòu)如圖4-1，5v電源給s12單片機(jī)提供所需供電壓，s12的pwm模塊產(chǎn)生的pwm信號控制舵機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動電路，s12單片機(jī)的ect模塊則采集測速模塊的速度信號和攝像頭的同步信號，s12的pim

26、模塊則并行讀入攝像頭的亮度信息。結(jié)構(gòu)如下圖4-1。s12單片機(jī)舵機(jī)s12的電源s12的pwms12的ects12的pim測速模塊電機(jī)攝像頭圖4-1 s12控制模塊結(jié)構(gòu)圖通過我們自行設(shè)計的核心電路板外圍接口電路實現(xiàn)對電機(jī)驅(qū)動、舵機(jī)控制以及速度反饋的控制。在設(shè)計制作主電路板時我們的原則是體積小、重量輕、安裝重心低等。由于整車的重心和重量主要取決于電路板和電池的位置和重量，而電池的重量和位置是固定的，我們只能在主控板上進(jìn)行改進(jìn)。4.2電機(jī)驅(qū)動電路模塊模型車的動力部分設(shè)計重點就是電機(jī)的驅(qū)動電路模塊，大賽使用的是直流電機(jī)，它一般用的是橋式驅(qū)動電路驅(qū)動，為了實現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速我們采用的是pwm 波控制調(diào)速

27、，由于大賽組委會提供的專用驅(qū)動芯片mc33886 在大電流下容易產(chǎn)生死鎖而進(jìn)行自我保護(hù)，影響小車的性能。所以我們用mos 場效應(yīng)管自行設(shè)計了電機(jī)的驅(qū)動電路，此驅(qū)動電路具有很強(qiáng)的驅(qū)動能力。具體電路見下圖4-2 示：圖 4-2 電機(jī)驅(qū)動電路原理圖在具體使用中我們采用四片場效應(yīng)管并聯(lián)的方式來降低每片場效應(yīng)管的驅(qū)動電流，從而來降低場效應(yīng)管的發(fā)熱量達(dá)到保護(hù)驅(qū)動電路的目的。這樣可以不用增加散熱片來給驅(qū)動芯片散熱，并且大大的提高了驅(qū)動能力，使得電機(jī)的加減速性能有很大提高。第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計高效穩(wěn)定的軟件程序是智能車平穩(wěn)快速尋線的基礎(chǔ)。本智能車采用激光傳感器作為尋線傳感器，圖像采集處理就成了整個軟件的核心內(nèi)

28、容。在智能車的轉(zhuǎn)向和速度控制方面，我們使用了魯棒性很好的經(jīng)典pid控制算法，配合使用理論計算和實際參數(shù)補(bǔ)償?shù)霓k法，使在尋線中智能車達(dá)到了穩(wěn)定快速的效果。5.1 軟件整體設(shè)計根據(jù)此次我們對于智能車的整體設(shè)計方案，我們從傳感器得到的外部信息輸入有：光電傳感器得到的車前方的黑線圖像數(shù)據(jù)，速度傳感器得到的智能車即時速度。要進(jìn)行的外部控制輸出有：舵機(jī)轉(zhuǎn)向輸出以及驅(qū)動電機(jī)動力輸出。我們所采用的尋路、速度控制算法總體來說可以這樣描述:根據(jù)光電傳感器所得到的圖像信號，經(jīng)過反射回來光線強(qiáng)弱的不同從而對智能車的轉(zhuǎn)向方向以及位置、速度等進(jìn)行控制。速度傳感器得到的智能車運行速度則是對轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行修正，另外的，為了保持

29、智能車的穩(wěn)定運行，去除電池電壓對于車速度的影響，依靠速度傳感器反饋形成閉環(huán)的速度控制，有一速度傳感器的信號由程序自動調(diào)整電機(jī)輸出的占空比，從而讓小車以相對平穩(wěn)的速度運行。軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖如下：激光傳感器光斑強(qiáng)度速度控制輸出尋跡、速度和小車位置的控制算法方向控制輸出速度傳感器數(shù)據(jù)圖5.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖5.2 舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制和速度控制的pid 算法pid控制是工程實際中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律。問世至今70多年來，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。單位反饋e代表理想輸入與實際輸出的誤差，這個誤差信號被送到控制器，控制器算出誤差信號的積分值和微分值，并將它們

30、與原誤差信號進(jìn)行線性組合，得到輸出量u。controlerplantreuc+- 圖 5.3 單位反饋的pid 控制原理圖單位反饋e代表理想輸入與實際輸出的誤差，這個誤差信號被送到控制器，控制器算出誤差信號的積分值和微分值，并將它們與原誤差信號進(jìn)行線性組合，得到輸出量u。其中，、 、 分別稱為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。u接著被送到了執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這樣就獲得了新的輸出信號u,這個新的輸出信號被再次送到感應(yīng)器以發(fā)現(xiàn)新的誤差信號，這個過程就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行。pid各個參數(shù)作用基本介紹：增大微分項系數(shù)可加快動態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)，但易引起震蕩。增大比例系數(shù)能夠減小上升時間，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。增大積分系數(shù)能夠

31、消除穩(wěn)態(tài)誤差，但會使瞬時響應(yīng)變差。增大微分系數(shù)能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，減小超調(diào)，并且改善瞬時響應(yīng)。對連續(xù)系統(tǒng)中的積分項和微分項在計算機(jī)上的實現(xiàn)，是將上式轉(zhuǎn)換成差分方程，由此實現(xiàn)數(shù)字pid調(diào)節(jié)器。位置式pid控制算法：用矩形數(shù)值積分代替上式中的積分項，對導(dǎo)數(shù)項用后向差分逼近，得到數(shù)字pid控制器的基本算式（位置算式）：位置式pid控制算法用矩形數(shù)值積分代替上式中的積分項，對導(dǎo)數(shù)項用后向差分逼近，得到數(shù)字pid控制器的基本算式（位置算式）：其中t是采樣時間，、為三個待調(diào)參數(shù)，我們在實際代碼實現(xiàn)算法時，處理成以下形式：preu = kp * error + ki * integral + kd *

32、derror增量式pid控制算法對位置式加以變換，可以得到pid算法的另一種實現(xiàn)形式（增量式）：我們在實際代碼實現(xiàn)時，處理成preu + =（ kp * d_error + ki * error + kd * dd_error ) 。的形式。5.3 起始線的識別根據(jù)今年的比賽規(guī)則，在跑完一圈后賽車需要自動停止在起始線之后三米的賽道內(nèi)。因此，我們針對起始線提出了識別和處理的方法。要在三米內(nèi)自動停止，首先要正確的識別起始線。起始線的識別有兩中方法：一是在車體前增加紅外管；二是直接用激光傳感器識別。第二種方法在搖頭的情況下，很難停住車或者在十字交叉處停車，根據(jù)比較和多次試驗得知，我們利用第一種方案，

33、即在車前安裝一排紅外線傳感器。圖 5.4 起始線算法流程圖第六章 賽車調(diào)試6.1軟件調(diào)試平臺codewarriorcodewarrior是由metrowerks 公司提供的專門面向freescale 所有mcu 與dsp 嵌入式應(yīng)用開發(fā)的軟件工具。其中包括集成開發(fā)環(huán)境ide、處理器專家、全芯片仿真、可視化參數(shù)顯示工具、項目工程管理、c 交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試器。codewarrior不僅支持匯編語言，而且支持c、c+和java高級語言。codewarrioride支持深入的c語言和匯編語言調(diào)試：啟動/停止、單步、設(shè)置跟蹤觸發(fā)器、校驗/修改存儲器和c變量、結(jié)構(gòu)與陣列，以及執(zhí)行其他仿真

34、功能。其中在本設(shè)計方案中最為重要的部分就是集成開發(fā)環(huán)境ide 以及調(diào)試器。仿真調(diào)試窗口如圖6.1所示。圖6.1 仿真調(diào)試窗口code warrior 4.6可以很好方便的完成mcs12dj256單擊的新工程的建立，程序的編寫、下載和調(diào)試。通過bdm頭不僅可以燒寫程序，還可以在程序運行時實時查看各參數(shù)的值。6.2 codewarrior ide基本使用方法 運行“開始菜單所有程序freescale codewarriorcw for hc12 v4.6codewarrior ide”，選擇“filenew”。此后選擇mc9s12dj256，按照提示選取期望的選項。直至建立工程文件。如下： 打開s

35、tart12.c 文件，找到代碼#ifdef _hcs12_serialmon#define _initrm (*(volatile unsigned char *) 0x0010)#define _initrg (*(volatile unsigned char *) 0x0011)#define _initee (*(volatile unsigned char *) 0x0012)#endif修改成：/#ifdef _hcs12_serialmon#define _initrm (*(volatile unsigned char *) 0x0010)#define _initrg (*(

36、volatile unsigned char *) 0x0011)#define _initee (*(volatile unsigned char *) 0x0012)之所以要進(jìn)行這個步驟是因為，初始化代碼是認(rèn)為程序中有監(jiān)控程序的，但是因為我們是使用的bdm調(diào)試工具，所以就不需要監(jiān)控程序了。如果不注釋掉這兩條語句，一旦將程序燒寫到片內(nèi)的flash，會發(fā)現(xiàn)程序跑不起來，因為初始化過程在等待監(jiān)控程序的響應(yīng)，如果沒有監(jiān)控程序，那么程序就會進(jìn)入死循環(huán)的狀態(tài)。 添加代碼：將自己的代碼加入到工程文件中。 如果文件編譯通過，通過bdm 下載。啟動codewarrio 4.6 自帶的hiwave.exe 程序，該程序一般位于codewarrio 4.6 的安裝目錄“ freescale codewarrior cw for hcs12x v4.6prog”中，是用來往單片機(jī)下載程序和調(diào)試單片機(jī)