智能小車講座課程論文

1、智能小車講座課程論文專業(yè)班級 學號 學生姓名 指導老師 王擊 目錄引言.3第一章 設計概覽31設計概述31.1整車設計思路31.2車模整體造型3圖1.2車模整體造型4第二章 硬件設計52硬件設計52.1機械結構52.1.1舵機改裝52.1.2電池固定52.1.3電機定位62.1.4底盤固定62.1.5差速調節(jié)62.2硬件電路62.2.1電源設計62.2.2電池電壓檢測模塊72.2.3驅動電路設計82.3攝像頭選型8第三章 系統(tǒng)軟件設計93軟件設計93.1程序整體設計93.2圖像提取與處理103.3控制策略123.3.1整體控制123.3.2PID算法的引入與改進123.3.3增量式or位置式1

2、4第四章 調試工具154調試工具15第五章 總結165總結16參考文獻17引言我對智能小車特別特別感興趣，我自己也組隊準備參加智能車比賽，但是大二的時候由于特殊的原因終止了我的只能車之旅，只能無奈放棄了。通過這段時間王老師和學長們的講課內容，我對智能車又有了進一步的了解和熱愛。下面寫論文的時候我將會把我了解到的智能車知識和我當時做小車時候的設計思路來展開寫。全國大學生智能汽車競賽是以智能汽車為研究對象的創(chuàng)意性科技競賽，是面向全國大學生的一種具有探索性工程實踐活動，是教育部倡導的大學生科技競賽之一。 本競賽以“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵探索，追求卓越”為指導思想，旨在促進高等學校素質教育，培養(yǎng)大學

3、生的綜合知識運用能力、基本工程實踐能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)大學生從事科學研究與探索的興趣和潛能,倡導理論聯系實際、求真務實的學風和團隊協作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。第一章 方案設計1.1 系統(tǒng)總體方案的選定在最開始的設計中，要考慮諸多因素，如機械結構，電路板形狀，傳感器位置，所選用的傳感器重量和各類芯片。我們使用了K60單片機配合線性CCD進行道路識別，控制舵機進行轉向，控制電機進行控速。1.2 系統(tǒng)總體方案的設計智能汽車系統(tǒng)采用飛思卡爾的32位微控制器MK60DN512ZVLQ10單片機作為核心控制單元用于智能汽車系統(tǒng)的控制。在選定智能汽車系統(tǒng)采用光電傳感器方案后，賽車的位置信號

4、由搖頭舵機上安裝的線性CCD，經K60 MCU的AD口接收后，用于賽車的運動控制決策，同時內部發(fā)出PWM波，驅動直流電機對智能汽車進行加速和減速控制，以及伺服舵機對賽車進行轉向控制，使賽車在賽道上能夠自主循跡行駛。為了對賽車的速度進行精確的控制，在智能汽車電機輸出軸上安裝光電編碼器，采集編碼器轉動時的脈沖信號，經K60捕獲后定時進行數字PID閉環(huán)控制。此外，還增加了液晶鍵盤和撥碼開關作為輸入輸出設備，用于智能汽車的速度和控制策略選擇。系統(tǒng)總體結構方框圖如圖1.1。第一章 設計概覽1 設計概述1.1 整車設計思路智能車主要由三個部分組成：檢測系統(tǒng)，控制決策系統(tǒng)，動力系統(tǒng)。其中檢測系統(tǒng)采用CMOS

5、數字攝像頭ov7620，控制決策系統(tǒng)采用MK60作為主控芯片，動力系統(tǒng)主要控制舵機的轉角和直流電機的轉速。整體的流程為，通過視覺傳感器來檢測前方的賽道信息，并將賽道信息發(fā)送給單片機。同時，通過光電編碼器構成的反饋渠道將車體的行駛速度信息傳送給主控單片機。根據所取得的賽道信息和車體當前的速度信息，由主控單片機做出決策，并通過PWM信號控制直流電機和舵機進行相應動作，從而實現車體的轉向控制和速度控制。圖1.1 智能車系統(tǒng)總體結構框圖1.2 車模整體造型我們車模的整體設計簡潔，輕便，可靠美觀。如下圖：圖1.2車模整體造型 第二章 硬件設計2 硬件設計2.1 機械結構2.1.1 舵機改裝舵機直接控制小

6、車的轉向，因此舵機安裝及調整對小車轉向性能有巨大影響。首先考慮的是舵機左右位置的精準定位。左右不對稱就可能導致車模左轉右轉性能的差異，這種差異直接導致小車在連續(xù)的大s中累計偏左或偏右的誤差，路徑變差。我們適當加長了舵機連片的長度，使其動態(tài)響應性能有所提升。過長的連片會使舵機力臂加長，轉向吃力。連片采用特制pcb板，既可精確定位也可減輕重量。如圖圖2.1舵機安裝2.1.2 電池固定電池的固定我們采用了最簡潔的固定方式-兩塊鋁片和一個塑料柱。為了盡量降低重心，我們的電池是緊貼車底盤的。電池用一塊可旋的塑料片卡住，非常方便裝卸。如下圖圖2.2電池安裝2.1.3 電機定位電機的定位主要影響前輪的齒輪動

7、力傳動。必須調整電機傳動軸與輪軸平行，且要調整好合適的齒輪間距，否則會導致齒輪磨損嚴重，并發(fā)出刺耳的噪聲。經過我們大量的調整試驗發(fā)現了找最適合的齒輪間距的方法：壓緊兩齒輪，中間夾一張A4紙，固定好后抽掉紙則得到最佳齒間距。2.1.4 底盤固定由于小車行駛道路比較平整，車模位置有限，我們沒有使用懸掛裝置。但是我們發(fā)現底盤連接要有一定的剛性裕度，過硬的連接會導致車模轉向時前輪上下震動，轉向困難。為了降低重心，底盤上所有螺絲均為沉頭螺絲，保證底盤的絕對平整。2.1.5 差速調節(jié)差速是決定車模轉向的靈活性和直線加速的迅猛性的重要環(huán)節(jié)。我們發(fā)現過緊的差速使轉彎變的遲鈍，在高速情況下容易側翻。當然，差速過

8、松的情況下轉彎甩尾。2.2 硬件電路2.2.1 電源設計小車電源主體分為4部分-核心板、攝像頭、電機驅動、舵機。電機直接使用電池電壓給驅動供電。而sd-5舵機需要6v電壓，攝像頭需要5v供電，故采用了超低壓差線性穩(wěn)壓芯片lt1963。它的最低壓差為0.5v，芯片穩(wěn)壓輸出電壓可通過兩個電阻調節(jié)。而核心板k60工作電壓3.3v，我們采用市場上價格低廉，技術成熟的tlv1117-3.3v穩(wěn)壓芯片。電源模塊如圖：圖2.3 3.3v穩(wěn)壓圖2.4 5v穩(wěn)壓圖2.5 6v穩(wěn)壓2.2.2 電池電壓檢測模塊電池耗盡時，時常需要用萬用表檢測。為了方便監(jiān)測電池電壓，我們自主設計了電壓低電提示電路。當電池電壓低于設定

9、值時，對應led燈會亮起。電路如圖：圖2.6 電池電壓檢測2.2.3 驅動電路設計我們用兩個半橋電路構成h全橋驅動電機正反轉。BTS7960這款芯片非常適合電機驅動。它具有過壓過流過熱等保護，驅動電流可達43A，滿足攝像頭車對速度的渴望。電路如圖：2.3 攝像頭選型在眾多的攝像頭中我們選擇了CMOS的OV7620，屬于數字攝像頭。模擬攝像頭有更好的動態(tài)特性，在車子高速行駛時，圖像更清晰，但是它需要額外的一塊AD轉換模塊，增加了主板的開銷。我們在對比了車子在3米和3米3之間的模擬攝像頭和數字攝像頭的圖像時，發(fā)現在用DMA采集的圖像沒有什么大的差別，提取的中線差不多，故我們毅然決然選擇了比較簡潔的

10、數字攝像頭OV7620。第三章 系統(tǒng)軟件設計3 軟件設計3.1 程序整體設計如圖所示，為系統(tǒng)軟件整體結構框圖，主要包括：系統(tǒng)參數的手動調節(jié)；CCD數據處理模塊；角度傳感器模塊；路徑控制模塊；舵機控制模塊；電機控制模塊。 系統(tǒng)接通電源后，經初始化；通過系統(tǒng)參數的手動調節(jié)，使系統(tǒng)能夠按照準確的設想方式運行；然后通過CMOS攝像頭傳感器采集數據，經過相應處理得出當前賽道路徑信息；同時，電機測速模塊測得模型車當前的運行速度，反饋給系統(tǒng)；最后，經路徑控制系統(tǒng)綜合當前賽道路徑信息和車模速度值作出相應的處理，來控制電機和舵機的運行。3.2 圖像提取與處理攝像頭組的核心部分為左右邊線的提取，從而推算出中心線的

11、位置，引導車子的行進方向。我們使用了ov7620這款數字攝像頭，返回的是灰度圖像，遠方圖像較模糊，難以提取黑線。所以我們使用了邊沿銳化算法，根據一定的閾值，對返回的灰度圖像進行遍歷，運算處理，得到反映圖像邊沿的二值圖像，遠方的信息也能較好地得到，再進行左右邊線的提取。直道原圖直道銳化圖大s彎原圖大s銳化圖邊線提取，中心線推算思路：1.近處圖像較遠處圖像可靠，所以邊線由近到遠提取2.近十行先從中間向兩邊進行邊沿搜索，找到邊沿，確保近處圖像有效3.之后的行采用邊沿跟蹤，根據上一行的黑線位置動態(tài)地確定本行黑線的搜索范圍，搜索黑線，節(jié)省時間4.若連續(xù)幾行的左右線都找不到，判斷為十字彎，進行左右線的延伸

12、，直至再找到有效的邊線；若連丟幾行的次數較多時，則認為是虛線小s，進行垂直方向的延伸后不必特別處理5.若左右邊線均找到，該行中心線直接為左右邊線等權重加權；若某一邊線丟失，則根據前面有效行的賽道寬度和另一邊線的位置對中心線進行推算6.推算完中心線后可對中心線進行一定的修正，更符合實際今年的規(guī)則相較于去年增加了虛線小s這種路況，給邊線提取增加了難度，所以黑線提取及中心線的推算就需要更多的信息。我們統(tǒng)計了左右邊線丟失的行數，左右邊線的趨勢，左線結束的位置，右線結束的位置，再進行中心線的推算。 大s銳化、中線提取圖 十字路口銳化、中線提取圖 虛線s銳化、中線提取圖 60cm半徑彎中線提取圖3.3 控

13、制策略3.3.1 整體控制電機的控制其實說簡單點，就是根據舵機轉角的二次關系，再按照圖像的特點動態(tài)計算二次曲線的最高點和最低點，這樣能既能保證在舵機小轉角時以較快速度運行，又能避免直道入彎道時減速不及時的特點，這樣計算出需要達到的理想速度，再以此速度與當前實際速度作比較，結合增量式PID作出是該加速還是該減速，該猛加速還是全速反剎的判斷。 舵機轉角的控制就是按照提取出的中線，選取部分固定行，計算出推算的中線與圖像中線的累計偏差值，然后再按照經典的pd控制來確定舵機的轉角。3.3.2 PID算法的引入與改進舵機的控制以及電機的控制都不同程度的結合了PID算法，故將PID算法講解如下： PID控制

14、策略其結構簡單，穩(wěn)定性好，可靠性高，并且易于實現。其缺點在于控制器的參數整定相當繁瑣，需要很強的工程經驗。相對于其他的控制方式，在成熟性和可操作性上都有著很大的優(yōu)勢。所以最后我們選擇了PID的控制方式。 在小車跑動中，因為不需要考慮小車之前走過的路線，所以，我們舍棄了I控制，將小車舵機的PID控制簡化成PD控制。速度閉環(huán)控制采用了增量式PID控制。參數調節(jié)使用試湊法來確定控制器的比例、積分和微分參數。 試湊法是通過閉環(huán)試驗，觀察系統(tǒng)響應曲線，根據各控制參數對系統(tǒng)響應的大致影響，反復試湊參數，以達到滿意的響應，最后確定PID控制參數。試湊不是盲目的，而是在控制理論指導下進行的。 在控制理論中已獲

15、得如下定性知識： 比例調節(jié)（P）作用：是按比例反應系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現了偏差，比例調節(jié)立即產生調節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 積分調節(jié)（I）作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調節(jié)就進行，直至無差，積分調節(jié)停止，積分調節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數Ti，Ti越小，積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。積分作用常與另兩種調節(jié)規(guī)律結合，組成PI 調節(jié)器或PID 調節(jié)器。 微分調節(jié)（D）作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具

16、有預見性， 能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前， 已被微分調節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調，減少調節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節(jié)規(guī)律相結合，組成PD 或PID 控制器。 試湊法的具體實施過程為： （1）整定比例部分 將比例系數由小變大，并觀察相應的系統(tǒng)響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。如果系統(tǒng)靜差小到允許范圍，響應曲線已屬滿意，那么只需比例控制即可，由此確

17、定比例系數。 （2）如果在比例控制基礎上系統(tǒng)靜差不能滿足設計要求，則加入積分環(huán)節(jié)， 整定時首先置積分時間為很大值，并將經第一步整定得到的比例系數略微縮?。ㄈ缈s小為原值的0.8），然后減小積分時間，使得在保持系統(tǒng)良好動態(tài)的情況下，靜差得到消除，在此過程中，可根據響應曲線的好壞反復改變比例系數和積分時間，以期得到滿意的控制過程，得到整定參數。 （3）若使用比例積分控制消除了靜差，但動態(tài)過程經反復調整仍不能滿意， 則可加微分環(huán)節(jié)，構成比例、積分、微分控制器。在整定時，先置微分時間為零，在第二步整定基礎上增大，同樣地相應改變比例系數和微分時間，逐步試湊以獲得滿意的調節(jié)效果和控制參數。3.3.3 增量式

18、or位置式在電機的控制中，我們分別嘗試和對比了位置式PID和增量式PID，經過比對和分析，最終選擇了增量式PID，現將調試過程中的心得和各自的優(yōu)勢與劣勢告知于讀者。位置式PID的特點為：作為PID控制的輸入，作為PID控制器的輸出和被控對象的輸入。所以模擬PID控制器的控制規(guī)律如下公式，原理圖如圖所示。式中：控制器的比例系數 控制器的積分時間，也稱積分系數 控制器的微分時間，也稱微分系數 位置式PID控制原理圖增量式PID特點為： 其中，為第n次輸出增量；為第n次偏差；為第n1次偏差；為第n2次偏差，在上次輸出量的基礎上加上當前計算出的變化量。運用位置式PID會感覺控速很連貫，不會有明顯的加速和減速，因此車子看上去會比較流暢；運用增量式PID時會明顯感覺到車子加速和減速特別迅猛，入彎時速度會減得特別猛，出彎時速度會很快加到預期速度。通過調整增量式pid的參數后可以得到一個比較好的加減速效果，這樣在入彎時會以一個比較慢的速度平穩(wěn)的過彎，然后出彎時立刻加速，加到一個很快的速度，這樣車子適應性強，過彎時安全平穩(wěn)，正因為這個特點，我們選擇了增量式PID。第四章 調試工具4 調試工具對于攝像頭隊而言，對圖像的提取的處