飛思卡爾智能車競(jìng)賽光電平衡組

1、“飛思卡爾” 杯全國(guó)大學(xué)生智育W汽車競(jìng)賽技術(shù)報(bào)告關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說(shuō)明本人完全了解第八屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽有關(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(huì)和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁(yè)上收錄并公開(kāi)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(huì)出版論文集中。參賽隊(duì)員簽名： 帶隊(duì)教師簽名： 日 期：I摘要本文詳細(xì)介紹了我們?yōu)榈诎藢萌珖?guó)智能車大賽而準(zhǔn)備的智能車系統(tǒng)方案。 該系統(tǒng)以Freescalel6位單片機(jī)MC9S12XS128MAA作為系統(tǒng)控制處理器，釆用 加速度計(jì)和陀螺儀傳

2、感器獲取直立車姿態(tài)信息以控制兩個(gè)直立驅(qū)動(dòng)馬達(dá)使車模 直立，同時(shí)借助于線性CCD的圖像采樣模塊獲取賽道圖像信息，通過(guò)軟件算法提 取賽道邊界，識(shí)別當(dāng)前所處賽道位置，算出小車與黑線間的位置偏差，采用PID 方式對(duì)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行差速控制，實(shí)現(xiàn)了車模的轉(zhuǎn)向控制。通過(guò)光電編碼器 實(shí)時(shí)獲取小車速度，形成速度閉環(huán)控制。調(diào)試過(guò)程中應(yīng)用CodeWarrior IDE軟件 觀察返回值，并結(jié)合串口上位機(jī)輔助調(diào)試PID參數(shù)。文中將介紹賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)和 調(diào)整方法、賽車直立方案和轉(zhuǎn)向方案、賽車硬件電路的搭建以及軟件的設(shè)計(jì)與 參數(shù)調(diào)試。關(guān)鍵詞：智能車系統(tǒng)直立線性CCD調(diào)試測(cè)試Freescalel6位單片機(jī)目錄13摘要第一章1

3、.11.21.3 第二章2.12.22.32.4 第三章3.1引言智能車競(jìng)賽的意義. 智能車競(jìng)賽規(guī)則系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 車模機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 車模初始結(jié)構(gòu)介紹. 測(cè)速編碼器的安裝. 線性模塊CCD的安裝. 電池的固定車模硬件電路設(shè)計(jì) 電源電路設(shè)計(jì)3.2 XS128最小系統(tǒng)3.3加速度計(jì)和陀螺儀電路3.4馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)3.5線性CCD模塊電路.7866.63.6起跑線檢測(cè)電路設(shè)計(jì)103.7模型車總體尺寸與外形照片11第四章車模軟件設(shè)計(jì)124.1軟件系統(tǒng)概述134.2 PID算法介紹134.3直立控制算法介紹144.4速度控制算法174.5線性CCD驅(qū)動(dòng)算法174.6轉(zhuǎn)向控制算法194.7起跑霸法

4、200第五章智能車開(kāi)發(fā)平臺(tái)和調(diào)試技術(shù).2115.1CodeWarrior簡(jiǎn)介2115.2軟彳牛開(kāi)發(fā)平臺(tái)2225.3軟件調(diào)試平臺(tái)CodeWarrior25ni34第六章結(jié)論6.1參賽心得6.2智能車的不足以及改進(jìn)參考文獻(xiàn)致謝附錄A：模型車程序源代碼343423#第二章車模機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)第一章引言智能車系統(tǒng)涵蓋了機(jī)械、電子、電氣、傳感、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化控制等多方 面知識(shí)，一定程度上反映了高校學(xué)生科研水平。本章節(jié)詳細(xì)闡述了智能車系統(tǒng) 的研究背景和本智能小車的系統(tǒng)總體概況。1.1智能車競(jìng)賽的意義全國(guó)大學(xué)生智能車大賽和其他競(jìng)賽一樣，為了培養(yǎng)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和 團(tuán)隊(duì)精神而開(kāi)展的。該項(xiàng)賽事與全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建

5、模、電子設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等四大競(jìng)賽齊名，被認(rèn)定為國(guó)家教育部正式承認(rèn)的第五個(gè)大學(xué)生競(jìng)賽 項(xiàng)目。競(jìng)賽以“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵(lì)探索，追求卓越”為指導(dǎo)思想，旨 在促進(jìn)高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識(shí)運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能 力和創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí) 際、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。該競(jìng)賽以“立足培養(yǎng)、重在參與、鼓勵(lì)探索、追求卓越”為指導(dǎo)思想，是 以智能汽車為競(jìng)賽平臺(tái)的多學(xué)科專業(yè)交叉的創(chuàng)意性科技競(jìng)賽，是面向全國(guó)大學(xué) 生的一種具有探索性的工程實(shí)踐活動(dòng)，涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電 子、電氣、計(jì)算機(jī)

6、、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科知識(shí)，旨在促進(jìn)高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng) 大學(xué)生的綜合知識(shí)運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)大學(xué)生從事 科學(xué)研究與探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)際、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié) 作的人文精神。1.2智能車競(jìng)賽規(guī)則參賽選手須使用競(jìng)賽秘書(shū)處統(tǒng)一指定的競(jìng)賽車模套件，釆用飛思卡爾半導(dǎo) 體公司的8位、16位、32位微控制器作為核心控制單元，自主構(gòu)思控制方案進(jìn) 行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括傳感器信號(hào)釆集處理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制以及控制算 法軟件開(kāi)發(fā)等，完成智能車工程制作及調(diào)試，于指定日期與地點(diǎn)參加各分賽區(qū) 的場(chǎng)地比賽，在獲得決賽資格后，參加全國(guó)總決賽的場(chǎng)地比賽。1.3系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)根據(jù)競(jìng)賽章程

7、規(guī)定，使用飛思卡爾公司的MC9S12XS128單片機(jī)為核心控制 器，使用MMA7260三軸加速度計(jì)和ENC-03M作為檢測(cè)車模直立姿態(tài)傳感器通過(guò)AD 釆樣后計(jì)算獲得車體傾角和加速度，進(jìn)而對(duì)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)通過(guò)PWM的方式施加 PID控制，使得車體自動(dòng)直立得到實(shí)現(xiàn)。然后在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上疊加一個(gè)速度控制分 量，加以使用光電編碼器檢測(cè)車輪速度，實(shí)現(xiàn)了車模速度的控制。最后利用競(jìng) 賽指定線性CCDTSL1401采集賽道黑色邊界，利用驅(qū)動(dòng)馬達(dá)差速方法實(shí)現(xiàn)車體轉(zhuǎn) 向，最終實(shí)現(xiàn)了車模直立尋線競(jìng)速。5第二章車模機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)車模機(jī)械結(jié)構(gòu)是車模高性能執(zhí)行控制決定的基礎(chǔ)，優(yōu)秀的機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與 設(shè)計(jì)可以是車模獲得更好的穩(wěn)定性

8、和更為優(yōu)異的速度，尤其是當(dāng)軟件控制上出 現(xiàn)瓶頸時(shí)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化往往達(dá)到事半功倍的效果。2. 1車模初始結(jié)構(gòu)介紹根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則，各個(gè)競(jìng)賽組別所使用的車模均為組委會(huì)指定車模，光電平 衡組所使用的車模為D型車模，其初始的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：其包含車體主底板以及傳動(dòng)齒輪結(jié)構(gòu)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)為RN-260型號(hào)。2. 2測(cè)速編碼器的安裝由于車體本身傳動(dòng)機(jī)構(gòu)處空間狹小，測(cè)速編碼器的選擇與安裝要求都較為 有限制，我們選用的體積較小的旋轉(zhuǎn)編碼器，在其旋轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒輪，然 后在車輪內(nèi)測(cè)將其咬合與車體傳動(dòng)齒輪上，形成一體，具體安裝方案如下圖所 示：2. 3線性CCD的安裝線性CCD為釆集賽道邊界模塊，賽道寬度為4

9、5cm,為了更好的采集到賽道 兩邊的黑線，必須使CCD位置達(dá)到一定高度，且具備一定的傾角（即前瞻），為 此，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試與實(shí)踐驗(yàn)證，車模線性CCD安裝位置如下圖所示：2.4電池的固定與安裝電池是車模所有物件中最重的一個(gè)，為了讓車模直立負(fù)載最小以及高速情況 下車體不至于側(cè)面反倒，要求電池的位置越低越好，這樣就可以降低車?？傮w 重心，是車模性能更好，為此，我們把車模電池座移到了車輪后方底部位置， 具體安裝如下圖所示：第三章車模硬件電路設(shè)計(jì)3. 1電源電路設(shè)計(jì)車模供電系統(tǒng)主要有三種電壓規(guī)格：電池7.2V、5V、3. 3V,其中7. 2V是主電 池，其主要供給馬達(dá)電源，5V和3.3V均屬于標(biāo)準(zhǔn)電壓，供

10、給于單片機(jī)及傳感器 電源。對(duì)于7. 2V的電源，只進(jìn)行簡(jiǎn)單的電容濾波處理，防止電壓出現(xiàn)大的波動(dòng)。5V和3. 3V的供電則采用成熟的三端穩(wěn)壓芯片，我們選用的是AMS1117-5. 0和 AMSU7-3.3兩種穩(wěn)壓芯片，采用精簡(jiǎn)的穩(wěn)壓電路，性能也可以得到保證，電源 電路如下：Input 3 100UFI+AMS1117-3.32 OutputJO tLlOO 卩 F3.2 XS128最小系統(tǒng)我們采用MC9SXS128MAA芯片作為控制芯片。具有體積小，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。 主頻最高可達(dá)到40M,根據(jù)競(jìng)賽組委會(huì)要求，MCU最小系統(tǒng)可以購(gòu)買指定商家成 品，我們選用的是藍(lán)宙電子科技有限公司的MC9S12XS

11、128MAL 112腳 最小系統(tǒng)板, 其體積小性能穩(wěn)定，如下圖所示：第三章智能汽車的整體設(shè)計(jì)3. 3加速度計(jì)和陀螺儀電路 加速度計(jì)和陀螺儀是車體直立必須的信息反饋器件，根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則要求，我們 選用的是freescale公司的MMA7260模擬式三軸加速度傳感器和丨1本村H1公司的 ENC-03MB單軸模擬式陀螺儀，之所以采用模擬式傳感器是因?yàn)槠涫褂梅捶奖憧?捷。首先介紹MMA7260,其應(yīng)用電路圖如下：其中，g_Sl和g_S2為靈敏度選擇邏輯，當(dāng)都為高電平時(shí)靈敏度為800mv/g, Xout、 Yout、Zout為信號(hào)輸出端，在本系統(tǒng)中，只使用Zout信號(hào)。其次，對(duì)于ENC-03MB,由于其信

12、號(hào)輸出幅值較小，因而需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯螅?經(jīng)驗(yàn)證，放大10倍效果比較理想，典型應(yīng)用電路如下：GKOV<xOutCindVrcfU20.1 uFFNC-O3-3.3VNC7R7 -:： oI Ok 20k >1ir-C12| O.luFU3/X 勺LM35HGNOCNCR6<iNDO.luba cio isoopLCiYRO第三章智能汽車的整體設(shè)計(jì)其中，由于采用的LM358單電源運(yùn)算放大器，如果沒(méi)有參考點(diǎn)遷移，那么陀螺儀 將有一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)錯(cuò)誤值，因而設(shè)置了下方的運(yùn)放以提供合適的電壓比較 點(diǎn)遷移，選取的比較電壓值為ENC-03MB的輸出幅值最小值即可。3.4馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)車

13、模馬達(dá)是馬達(dá)的主動(dòng)力機(jī)構(gòu)，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路我們采用的方案是經(jīng)典的H 橋驅(qū)動(dòng)方案，配以合適的PWM,即可實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)，我們選用的是四片 BTN7970B半橋芯片搭建H橋驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)橋承受電流能力達(dá)到40A以上，完 全勝任車模馬達(dá)的要求，且BTN7970B自身壓降和功耗極低，進(jìn)一步節(jié)省了電池 電量，電路如下：圖中只列出了單個(gè)H橋原理圖，另一個(gè)H橋與其完全一樣。由圖可知，當(dāng)PWM占空比為50%時(shí)，馬達(dá)停轉(zhuǎn)，分別大于或小于50%時(shí)，馬達(dá)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。3. 5線性CCD電路模塊線性CCD為光電平衡組獲取賽道信息的主要傳感器，根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則，線性 CCD需選用TSL1401系列線性CCD傳感器。TSL140

14、1在時(shí)序控制下，可以串行輸 出內(nèi)部128個(gè)點(diǎn)的模擬數(shù)據(jù)，由于輸出模擬信號(hào)幅值較小，需加一級(jí)運(yùn)算放大 器。根據(jù)競(jìng)賽規(guī)定，我們選用的是藍(lán)宙電子科技有限公司的線性CCD模塊，其 結(jié)構(gòu)如下：其中，SI為曝光時(shí)間控制信號(hào)，elk為串行時(shí)鐘信號(hào)，A0為放大后的像素模擬 量輸出。其于單片機(jī)的接口如下圖所示：9第八屆全國(guó)人學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告3.5起跑線檢測(cè)電路起跑線的檢測(cè)停車也是午模制作過(guò)程中需要考慮的問(wèn)題，根據(jù)起跑線的特 征，可以利用線性CCD的圖像進(jìn)行起跑線判斷，但考慮到起跑線寬度很短，在 車速較高的情況下，由于CCD采樣周期太大導(dǎo)致沒(méi)有釆到起跑線的圖像。我們 釆取的方案為使用競(jìng)賽組委會(huì)規(guī)定的光電

15、對(duì)管作為檢測(cè)起跑線的輔助電路，光 電對(duì)管布置方案如下圖所示：圖中四個(gè)圓點(diǎn)為光電對(duì)管位置，共計(jì)4個(gè)，黑色邊框?yàn)檐圀w俯視圖。假定調(diào)整 好的光電對(duì)管信號(hào)在照射黑色時(shí)輸出高電平，在照射白色跑道時(shí)輸出低電平， 當(dāng)經(jīng)過(guò)起跑線時(shí)，左右輸出1,中間兩個(gè)輸出0。當(dāng)在正常道路時(shí)，都輸出0。 當(dāng)經(jīng)過(guò)全黑路障時(shí)，由于我們調(diào)整中間兩個(gè)對(duì)管距離小于單個(gè)路障寬度，故在 進(jìn)和出路障時(shí)均不能輸出起跑線時(shí)的邏輯值。將起跑線處邏輯值處理后利用單 片機(jī)的一路中斷即可準(zhǔn)確無(wú)誤的檢測(cè)到起跑線。當(dāng)然，本方案也有不足之處， 如果經(jīng)過(guò)起跑線時(shí)車體嚴(yán)重偏離跑道中線顯然此方案是不可行的，單經(jīng)過(guò)實(shí)踐 驗(yàn)證，在車體狀態(tài)良好的情況下，檢測(cè)到起跑線的準(zhǔn)確

16、度達(dá)到了 98%以上，并 且基本上沒(méi)有誤判的情況。第三章智能汽車的整體設(shè)計(jì)參數(shù)光電平衡組路徑檢測(cè)方法（賽題組）車模軸距/輪距（毫米）0mm /162mm車模平均電流（勻速行駛）（毫安）1200mA（微法）1900uf傳感器種類及個(gè)數(shù)線性CCD 一個(gè)，旋轉(zhuǎn)編碼器23. 6模型車尺寸與外形照片項(xiàng)目車模幾何尺寸（長(zhǎng)、寬、高）（毫米）長(zhǎng)85mm,寬180mm,高280mm11個(gè)，光電對(duì)射管4個(gè)，陀螺儀ENC-03M, MMA7260新增加伺服電機(jī)個(gè)數(shù)賽道信息檢測(cè)空間精度（毫米）4mm100MC9S12XS128MAL賽道信息檢測(cè)頻率（次/秒）主要集成電路種類/數(shù)量車模重量（帶有電池）（千克）1. 23

17、第八屆全國(guó)人學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告模型車外形照片:第四章車模的軟件設(shè)計(jì)第四章車模軟件設(shè)計(jì)4. 1軟件系統(tǒng)概述在智能車硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢之后，剩下的就是車模軟件算法的設(shè)計(jì)，這也是 車模設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的部分。車模的軟件設(shè)計(jì)屬于典型的前后臺(tái)程序設(shè)計(jì)思路，主要包含的傳感器數(shù)據(jù)采 集與處理程序，控制算法PID程序以及馬達(dá)驅(qū)動(dòng)程序等若干模塊，程序設(shè)計(jì)采用 CPU分時(shí)的方法，利用一固定定時(shí)中斷同步各個(gè)程序段的運(yùn)行時(shí)序，順序執(zhí)行整 個(gè)程序。4.2 PID算法介紹在過(guò)程控制中，按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進(jìn)行控制的PID 控制器(亦稱PID調(diào)節(jié)器)是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡(jiǎn)

18、單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)； 而且在理論上可以證明，對(duì)于過(guò)程控制的典型對(duì)象一“一階滯后+純滯后” 與“二階滯后+純滯后”的控制對(duì)象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī) 律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)改 變靈活。根據(jù)控制對(duì)象的不同，有時(shí)使用PD控制，也有時(shí)使用PI控制，本車 模軟件設(shè)計(jì)中，因?yàn)橛卸鄠€(gè)控制環(huán)節(jié)，故在平衡控制中采用了 PD控制，速度控 制中采用PI控制，而在轉(zhuǎn)向控制中使用了 PID控制。傳統(tǒng)PID的算法公式是：/U (n) =Kpe (n) -e (nl) +Kie (n) +Kde (n) 2e (n

19、-1) +e (n2)U(n) = JU(n)+U(n-l)e(n) ,e(n-l), e (n-2)就是歷史上的三個(gè)設(shè)定值跟過(guò)程值之間的偏差了。這是一個(gè)增量式的PID算式。另外還有就是位置式PID算法，其算法公式 如下：U (n) = Kp* () + A7 * £ e(i) +Kd* e(n) - e(n -1)r=0比例控制：就是對(duì)偏差進(jìn)行控制，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即就發(fā)生作用 即調(diào)節(jié)控制輸出，使被控量朝著減小偏差的方向變化，偏差減小的速度取決于 比例系數(shù)Kp, Kp越大偏差減小的越快，但是很容易引起振蕩，尤其是在遲滯 環(huán)節(jié)比較大的情況下，Kp減小，發(fā)生振蕩的可能性減小但是調(diào)

20、節(jié)速度變慢。但 單純的比例控制存在靜差不能消除的缺點(diǎn)，這里就需要積分控制。積分控制：實(shí)質(zhì)上就是對(duì)偏差累積進(jìn)行控制，直至偏差為零。積分控制作 用始終施加指向給定值的作用力，有利于消除靜差，其效果不僅與偏差大小有 關(guān)，而且還與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把偏差積累起來(lái)，一起進(jìn)行 運(yùn)算。微分控制：它能敏感出誤差的變化趨勢(shì),可在誤差信號(hào)出現(xiàn)之前就起到修正 誤差的作用，有利于提高輸出響應(yīng)的快速性,減小被控量的超調(diào)和增加系統(tǒng)的穩(wěn) 定性。但微分作用很容易放大高頻噪聲，降低系統(tǒng)的信噪比，從而使系統(tǒng)抑制干 擾的能力下降。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)慎用微分控制。4. 3直立控制程序設(shè)計(jì)車模直立控制程序就是利用經(jīng)典

21、的反饋控制思路，馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，車 模是一個(gè)倒立擺，在程序的控制下通過(guò)給定不同的占空比，可以實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的正 轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，于是我們需要的就是車模姿態(tài)的反饋信息，即車模傾角與車模擺動(dòng) 方向的角速度。采用的是陀螺儀和加速度計(jì)。由于加速度計(jì)測(cè)量的是沿一個(gè)軸方向的加速度，因而在車模靜止且加速度 計(jì)沒(méi)有漂移的情況下，可以較為準(zhǔn)確的獲得車模的角度信息。但是微觀上來(lái)看, 車模始終處于不斷的加速減速階段，因而前進(jìn)方向上的加速度會(huì)對(duì)車模加速度 計(jì)的測(cè)量造成很大的影響，因而導(dǎo)致產(chǎn)生錯(cuò)誤的角度值。陀螺儀具有很好的測(cè)量角速度的性能，但是要想進(jìn)行積分得到角度則是會(huì) 存在很大誤差的，伴隨著器件漂移和時(shí)間的推移，算出的角度值是

22、極為有差錯(cuò) 的，因而單使用陀螺儀也是存在很大問(wèn)題的。通用的做法是采用陀螺儀和加速度計(jì)兩個(gè)傳感器，利用二者信息的融合計(jì) 算濾波，則可以達(dá)到很好的效果，基本上在一定的擾動(dòng)下可以很好的反映車體 實(shí)時(shí)的角度和角速度信息。實(shí)際車模中使用的角度和角速度計(jì)算方法如下: float Angle 二 0, Angle_dot 二 0;float Q_angle=0. 001, Q_gyro=0. 003, R_angle=0. 67, dt二0.0025;float P22 = 1, 0 , 0, 1 ;char C_0 = 1;float E = 0;float q_bias 二 0;float Angle_

23、err 二 0;float PCt_0 = 0, PCt_l = 0;float K_0 = 0, K_1 = 0;float t_0 二 0, t_l 二 0;float Pdot 4二0,0, 0,0;void filter (float angle_m, float gyro_m)Angle +二(gyro_m-q_bias) * dt;Pdot0Wangle - P0l - Pl0;Pdotl=- Pll;Pdot 2 Pll;Pdot3=Q_gyro;P00 += Pdot0 * dt;P0l += PdotEl * dt;Pl0 += Pdot2 * dt;PE11E1 + 二 P

24、dot3 * dt；Angle_err 二 angle_m 一 Angle:PCt 0 二 C 0 * P00;PCt_l 二 C_0 * Pl0;E = R_angle + C_0 * PCt_0;K 0 二 PCt 0 / E;K_1 = PCt_l / E;t_0 二 PCt_0;t_l 二 C_0 * P0l;P00 -二 K 0 * t 0;Pol -= K_0 * t_l;Plo -二 K_1 * t_0;PE11E1 -二 K_1 * t_l；Angle +二 K_0 * Angle_err;q_bias+二 K_1 * Angle_err;Angle_dot = gyro_m-

25、q_bias;其中，函數(shù)形參為傳感器測(cè)得元數(shù)據(jù)（經(jīng)過(guò)單位變換），Angle和Angle.dot 為最終濾波輸出結(jié)果，分別為角度和角速度。dt為濾波器采樣時(shí)間，其余均為 中間變量。17第四帝車模的軟件設(shè)計(jì)在得到了具體的角度和角速度信息后，采用典型的PD控制產(chǎn)生輸出量。dut y_PD=Kp_Ang1e *Ang1e_Err+Kd_Ang1e * Angle_V:其中Angle_Err為角度偏差，Angle_V為角速度。當(dāng)仔細(xì)調(diào)整Kp_Angle和Kd_Angle，車模可以實(shí)現(xiàn)直立。4. 4速度控制算法速度控制就是使車模按一定的速度勻速行駛，但是因?yàn)檐嚹１旧碇痪哂幸粋€(gè) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即兩個(gè)主控馬達(dá)，因

26、而就涉及到馬達(dá)的復(fù)用問(wèn)題，為了保持車模的 直立不倒，應(yīng)該在車模速度可控的前提下盡量對(duì)車模平衡造成最小的干擾，平 衡控制釆用大約3ms個(gè)周期，而速度控制則釆用大約50ms個(gè)周期，這樣 的方法就可以使速度即可控，平衡也不被打破。速度控制中采取的也是經(jīng)典的PI控制，通過(guò)編碼器測(cè)定側(cè)模速度，然后與設(shè)定 速度比較產(chǎn)生誤差，在誤差的基礎(chǔ)上進(jìn)行PI運(yùn)算，然后得到的結(jié)果平滑處理之 后直接疊加與平衡控制輸出之上，即可實(shí)現(xiàn)速度的控制?？刂扑惴ㄈ缦拢篜LD_OUT=Kp_speed *En_speed+Ki_speed *En_speed_sum;En_speed_sum+= En_speed其中積分項(xiàng)要進(jìn)行限幅，

27、最終輸出也需要限幅，這些都是根據(jù)車模具體情況進(jìn) 行調(diào)整。4. 5線性CCD驅(qū)動(dòng)模塊線性CCD屬于方向控制中賽道信息獲取的主要傳感器，因?yàn)樗褂么薪?口，因而在使用上要進(jìn)行時(shí)序信號(hào)的匹配，我們使用的單片機(jī)的若干10 口來(lái)產(chǎn) 生驅(qū)動(dòng)，并使用AD來(lái)采樣線性CCD數(shù)據(jù)，線性CCDTSL1401的時(shí)序如下：第四章車模的軟件設(shè)計(jì)其中，CLK為釆樣時(shí)鐘信號(hào)，在每個(gè)下降沿A0線輸出像素點(diǎn)模擬值，可由 AD釆樣獲得。SI為曝光信號(hào)，當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)高電平時(shí)，內(nèi)部電路清空電荷，相當(dāng) 于控制了 CCD的曝光時(shí)間，在光線較強(qiáng)或較暗的情況下可以通過(guò)調(diào)整SI的位置 來(lái)調(diào)節(jié)圖像亮度。利用10 口和AD釆樣采集CCD數(shù)據(jù)的程序邏

28、輯如下：SI_SetVal ();SamplingDelay();CLK_SetVal();SamplingDelay();SI_ClrVal ();SamplingDelay();error 二 ADC_Measure 仃RUE);error 二 ADC_GetValuel6(&temp_int);*pl+ = (byte)(temp_intCCD_1 >> 8):CLKClrVal();for(i=0; i<127; i+) SamplingDelay();SamplingDelay();CLK_SetVal();SamplingDelay();SamplingD

29、elay();error 二 ADC_Measure(TRUE);error 二 ADC_GetValuel6(&temp_int);*pl+ 二(byte)(temp_intCCD_1 >> 8);CLK_ClrVal ();SamplingDelay();SamplingDelay();CLK_SetVal();SamplingDelay();SamplingDelay();CLK_ClrVal();4. 6轉(zhuǎn)向控制算法智能車的轉(zhuǎn)向控制是利用兩個(gè)馬達(dá)的差速方法實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)CCD采集來(lái)的 圖像數(shù)據(jù)存放在一個(gè)128大小的數(shù)組里面，值得大小為0-255,在中線64點(diǎn)處 開(kāi)始掃

30、描整個(gè)數(shù)組，利用差值法找到黑色邊界線，利用兩個(gè)黑色邊界線的坐標(biāo) 中點(diǎn)與車體中點(diǎn)64比較，得到轉(zhuǎn)向誤差，基于此進(jìn)行PID運(yùn)算得到轉(zhuǎn)向輸出值, 疊加到平衡控制和速度控制的疊加值之上即可(差速疊加)。主要算法如下： for(Black_L = 0, i = (uint8_t)Start_Line;i > 2;i-)a = (intl6_t)CCD_Datai - (intl6_t)CCD_Datai-3;if(a >= Threshold)Black_L = (intl6_t)(i - 1);break;for(Black_R = 127, i = (uint8_t)Start_Line

31、;i < 125;i+)a = (intl6_t)CCD_Datail - (intl6_t)CCD_Datai+3;if (a >= Threshold)Black_R = (intl6_t)(i + 1);break;Start_Line = (uintl6_t)(Black_L + Black_R) / 2;其中(uintl6_t) (Black_L + Black_R) / 2即為實(shí)時(shí)車體位置。 然后PID運(yùn)算：value = Kp_Dir * (float)Dir_Err + Kd_Dir *Dir Differential+Ki Dir*dir err sum;即得到轉(zhuǎn)

32、向控制輸出值valueo4. 7起跑線檢測(cè)起跑線檢測(cè)根據(jù)前面的描述，由于采用了光電對(duì)管，最后綜合出一條起跑 線檢測(cè)中斷，因而只需在程序第二次(第一次為起跑時(shí))進(jìn)入中斷時(shí)進(jìn)行停車 即可。因而該方案方便簡(jiǎn)潔高效。19第五章智能車開(kāi)發(fā)平臺(tái)和調(diào)試技術(shù)第五章智能車開(kāi)發(fā)平臺(tái)和調(diào)試技術(shù)5. 1 CodeWar r i or簡(jiǎn)介Freescalel6位微處理器最為常用的開(kāi)發(fā)工具是CodeWarrior Development Studio,我們釆用的是 CodeWarrior Development Studio for S12(X) V5. 0, 為官方發(fā)布的免費(fèi)版本，有32K的C語(yǔ)言代碼限制。不過(guò)對(duì)于智能

33、車的程序來(lái) 說(shuō)，程序是在32K之內(nèi)，所以己經(jīng)足夠了。CodeWarrior作為官方推薦的IDE,有著穩(wěn)定、高效的特點(diǎn)，友好簡(jiǎn)潔的界 面很容易上手。支持函數(shù)、變量、宏定義的索引跳轉(zhuǎn)查看功能，這種貼心的功 能在代碼量龐大而很難以找到函數(shù)或變量的定義時(shí)尤為方便。CodeWarrior的 界面如下圖所示：圖 5. 1 CodeWarrior 的界面CodeWarrior的界面雖然簡(jiǎn)潔，但支持的編譯選項(xiàng)卻很強(qiáng)大。CodeWarrior 開(kāi)發(fā)套件還帶有 Ture - Time Simula tor & RealTime Debugger 仿真調(diào)試工具，可以利用軟件仿真調(diào)試，也可以和BDM聯(lián)合調(diào)試，

34、大大提高了 開(kāi)發(fā)人員的調(diào)試效率。除此之外，還有一個(gè)我們平常很少用到但非常實(shí)用的工具一一Processor Expert,有了它，我們就可以利用圖形界面來(lái)“寫(xiě)”程序了。另外不得不提的是CodeWarrior開(kāi)發(fā)套件中自帶的幫助文檔，有開(kāi)發(fā)環(huán)境 手冊(cè)、編譯器手冊(cè)、鏈接器手冊(cè)、CPU12編程指南等實(shí)用資料。各主題自成章 節(jié)，在眾多的編譯器中，能夠提供如此詳盡的幫助文檔，實(shí)屬罕見(jiàn)。從中也透 露出Freescale在此開(kāi)發(fā)套件上的細(xì)心投入。5. 2軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)本次飛思卡爾智能車大賽的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Code Warrioro Code Warrior 是面向以HC12和S12為CPU的單片機(jī)嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)

35、的軟件包，包括集成開(kāi)發(fā)環(huán) 境IDE、處理器專家?guī)臁⑷酒抡?、可視化參?shù)顯示工具、項(xiàng)目工程管理器、 C交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試器等。在Code Warrior軟件中可以使用 匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言，以及兩種語(yǔ)言的混合編程。其使用界面如圖5. 3所示。1、新建一個(gè)工程，設(shè)置工程名和選擇工程的保存路徑27圖53新建工程2選擇啟用Processor Expert功能。圖54啟用Processor Expert功能3、設(shè)置其它選項(xiàng)EJC(S) 12 (X) Hicrocontrollers New ProjectTi zurd IspProject ParanetersVhich Ifival o

36、f startup code do you v*nt use?S a1 a« 4 * nt v irrtAl av4iir» "Ac'Xa:+C nixiimaL starts codejXKSI startup coda:ioThis y:11 p«r£orn g AKSI compli4nt startup code： it initializes globalicz/oLjqcts and calls tha application main routine.Add Additional filesProcttszor E

37、1;poriC/C44 OptionsWhich menory nodel shall be used? r弘a.C Large廣 Custonrc-LmtSelect tho floating point fornt supported. < tfoner float ts IEZE32. double is IEEE32C float is IEEEC2. double is IEEE64圖55設(shè)置其它選項(xiàng)上.ir:l： ： ' - i* O C 3 X 逡田b 0 n» 目 f wh eQ j <cthLS runtine routine should no

38、t be used !To ba on the sav© side the runtins routines are created anyway.If sone of the -Cp options are given an adapted versions which only covers needed cases is produced*/ /* if no compiler option -Cp is given, ie is assuned ehat all pcesible are given八 COnpile with option -CHCS12 to activa

39、te this code */xif <i91inod(HCS12) | definQd(ji812) 11 defined|_HCS12_J / HCS12 family has I Xdefine PPAGE.AEDR (0x30fREGISTER_B4SE)xifndef _ppage_ nay be set already by option cpppage */Adeline _PPAGE_畑 nd if/* Conpile with option -DDG128 to activate this code */xelif deiined D3128 /* HC912DG123

40、 derivative has PPAGE register only at OxFF / Xdeiine PPAGE_ADDP (OxFFREGISTER.EASE)rifndef _PPAGE_ z* nay be set already by option -CPPPAGE /Xdefin© _PPAGE_畑 nd ifXelif deiiD6<i(H0$12A4j/ alL setting default to A4 already */Xendif10Xif JdefmedlEPAGE_| 4 defined|_PPAGE_| 汕!defined(_DPAGE_| /

41、* as default use all page rooisters */ define _IPAGE_ xdefinG _EFAGE_圖5. 6 Freescale Code Warrior 運(yùn)疔界面用戶可在新建工程時(shí)將芯片的類庫(kù)添加到集成環(huán)境開(kāi)發(fā)環(huán)境中，工程文件 一旦生成就是一個(gè)最小系統(tǒng)，用戶無(wú)需再進(jìn)行繁瑣的初始化操作，就能直接在 工程中添加所需的程序代碼。在硬件初始化及控制方面，選取PE模式進(jìn)行設(shè)置, 不需要用戶去操作繁瑣的寄存器，就可以進(jìn)行硬件的初始化，當(dāng)需要在軟件執(zhí) 行中使用相關(guān)寄存器時(shí)，只需要調(diào)用PE自動(dòng)封裝好的相關(guān)函數(shù)即可。5. 3軟件調(diào)試平臺(tái)CodeWar r i or我們選

42、擇的是freescale公司推薦的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE） CodeWarrior for HC12 v4. 6版本。CodeWarrior for S12是面向以HC12和S12為CPU的單片機(jī)嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā) 軟件包。包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE、處理器專家?guī)?、全芯片仿真、可視化參?shù)顯示 工具、項(xiàng)目工程管理器、C交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試器。CodeWarrior開(kāi)發(fā)工具是完整的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，它具有高度可視性和自動(dòng)的 框架幫助加速最復(fù)雜的嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)。用戶可在新建工程時(shí)將芯片的類庫(kù)添加到集成環(huán)境開(kāi)發(fā)環(huán)境中，工程文件 一旦生成就是一個(gè)最小系統(tǒng)，用戶無(wú)需再進(jìn)行繁瑣的初始化操作，就能直接在 工程

43、中添加所需的程序代碼。利用BDM和CodeWarrior自帶的hiwave. exe 用戶可以進(jìn)行一系列的調(diào)試工作，如監(jiān)視寄存器狀態(tài)、修改PC指針、設(shè)置斷 點(diǎn)等，這樣能快速地幫助我們找到軟件或硬件的問(wèn)題。MC9S12XS128支持BDM 在線調(diào)試方式，使用BDM調(diào)試器時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)程序燒寫(xiě)和調(diào)試雙重功能。在BDM調(diào)試方式下，程序在實(shí)體芯片中運(yùn)行，BDM返回程序執(zhí)行的狀態(tài)信 息供用戶查看。此外，還可以設(shè)置斷點(diǎn)，進(jìn)行單步調(diào)試，全速執(zhí)行等調(diào)試功能， 這對(duì)于程序的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，英為方便。務(wù) TwsTimo& R3L仆oDfibj%& ；0d5?化勺如憶.：4-UM:Cr/L Re g Rtr

44、 TBDM. KS12 Ccmpcrt M?mo<y Wndow Help區(qū)舊1 魚(yú)I電111 峠bPMI&kl olH) AssfinWpiLre 11mbW13 53E1JE停40啟loag ta«ia(i3OCi3; uLeiaiI:?!R況 t.speHQ; C_low_l«',»11;tT "lcd uituio：O E）益丨Mia (I _XO» 0QoaticlFWlcEB _：«U3 田 KfiJAB<2> VdUilla :CfiABSIU <2> voUille Kfi

45、IA33TfcaM09361M1 urjignfdlegLdMl_apeedC gise&d1210 un517irtlflC0 uaaignedchirthu_p<!aiuon3C unH 尹fid4.1ACrreri&H(dP.AC<N$YNCSTO«£0圖5 7 Code Warrior時(shí)疥"“MI ftnao no rraiac sr- O212E 皿 n>!in 翊;3 ftans reaia? IL213BSIX UO U« FSHX fSHD30522 ：.S? 27 D.5P2.SF O.s?HC12D:

46、X0SaIX0X4JY l而IPJEillfW |Bid?reSPnF2 Ft0CCR 京：】：2,£g reC；M£ 0DDSCro g目 MemoryMOOSO'L ooooae'LS0030吃 MOWe'L MOCADL00 03 W 00 00 00 M 00 00 W M 00 00 00 M 0000 CO &3 00 00 00 &3 M 00 W M 00 00 00 W 00 00 W M 00 00 00 M 00-©163S Ccnrnardo s T kSUEXEDAREW BreiXpoirrtI1

47、MC9512X5123沁改pomW rW調(diào)試界面u y uxd圖 5. 8 BDM for S12第六章結(jié)論6. 1參賽心得自從參加飛思卡爾智能車競(jìng)賽以來(lái)，我們每個(gè)人都真真切切的體會(huì)到了做 事的方法和規(guī)則，從硬件到軟件，我們一開(kāi)始的馬虎到后期造成的影響等一系 列的問(wèn)題，使我們都意識(shí)到，做東西，不管在什么階段，都來(lái)不得一點(diǎn)馬虎。在技術(shù)知識(shí)的提升上，我們也得到了極大的鍛煉，從基本硬件電路做起， 再到上層軟件程序，我們沒(méi)有一步步是辛辛苦苦認(rèn)認(rèn)真真的編寫(xiě)調(diào)試的，體會(huì) 到了，我們想在呵護(hù)一個(gè)初生的嬰兒，呵護(hù)它成長(zhǎng)，呵護(hù)它成功。6.2智能車的不足以及改進(jìn)1. 硬件上不足之處在于人機(jī)接口太少只有幾個(gè)個(gè)撥碼開(kāi)

48、關(guān)，不利于現(xiàn)場(chǎng)調(diào) 試。應(yīng)該加一些簡(jiǎn)單可視的界面幫助在現(xiàn)場(chǎng)觀察參數(shù)，最好可以改變其中的參 數(shù)，比如用觸摸屏。2. 控制算法上沒(méi)有找到更有效的方法，僅僅使用了經(jīng)典的PID算法，車模性 能出現(xiàn)瓶頸，尤其是路障的處理上。3. 機(jī)械結(jié)構(gòu)整體還不夠合理4. 速度策略過(guò)于簡(jiǎn)單，沒(méi)有什么創(chuàng)新。一些高級(jí)算法沒(méi)有應(yīng)用到程序中, 如果在控制策略上采用一些高級(jí)算法，車的性能一定會(huì)有質(zhì)的飛躍。6. 調(diào)試手段原始，僅擁有仿真器和串口調(diào)試方法，數(shù)據(jù)通信速度和數(shù)量上遭 到限制。參考文獻(xiàn)11卓晴，黃開(kāi)勝，邵貝貝等學(xué)做智能汽車M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.2 張昊颶，馬旭，卓晴，基于電磁場(chǎng)檢測(cè)的尋線智能車設(shè)計(jì).北京

49、:清華人學(xué)，2009.11.09.3 李仕伯，馬旭，卓晴，基于磁場(chǎng)檢測(cè)的尋線小車傳感器布局研究.2009. 12. 10.4 競(jìng)賽秘書(shū)處，電磁組競(jìng)賽車模路徑檢測(cè)設(shè)計(jì)參考方案（版本1. 0）.2010. 1.5 王威等,HCS12微控制器原理及應(yīng)用.北京：北京航空航天人學(xué)出版社,2007. 10.6 閻石，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，1998.7 杜剛，電路設(shè)計(jì)與制板:Protel應(yīng)用教程M.北京:清華大學(xué)出版社,2006.8 聶榮等，實(shí)例解析PCB設(shè)計(jì)技巧M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.9 陳伯時(shí)，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)一一運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.10 梅

50、曉榕，自動(dòng)控制原理（第二版）.北京：科學(xué)出版社，2007. 211 梅曉榕，柏桂珍，張卯瑞，自動(dòng)控制元件及線路（第四版）.北京：科學(xué)出版社，致謝首先我們感謝教育部舉辦這樣的創(chuàng)新比賽，感謝飛思卡爾公司對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新 活動(dòng)的大力支持，感謝飛思卡爾智能汽車競(jìng)賽組委會(huì)提供競(jìng)技平臺(tái)，讓我們?cè)谶@ 個(gè)平臺(tái)上學(xué)到了知識(shí)；其次感謝我們指導(dǎo)教師的悉心指導(dǎo)，感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)對(duì)我們本次參賽的支持與 幫助；同時(shí)還要感謝前輩們，感謝前輩們給我們提供的資源以及經(jīng)驗(yàn)；再次感謝本屆大賽各位評(píng)委能夠在百忙之中抽出寶貴時(shí)間對(duì)我們的智能車 進(jìn)行評(píng)定和提出寶貴的建議；最后感謝所有關(guān)心過(guò)我們比賽的親人、老師、同學(xué)，在你們的期盼和祝福下, 我們

51、贏得了最悅耳掌聲，在此向各位致以崇高的敬意！9附錄A：模型車程序源代碼#include HCpu.hH#include HEvents.hH#include nTuner.hM/#iiiclude MTmier.hH#mclude ”ADC.h”#mclude HLeft_Dii-.hH#mclude ”Right_Difh”#mclude nCounter_Contiol.hH#mclude HPuls_Count.hH#mclude nMotoi_Left_F.hn#mclude HBO.hM#mclude HBl.hM#iiiclude HAS.hn#mclude nSI.hM#mclu

52、de HCLK.hH#mclude HSI_L.hH#mclude HBuzzer.hM#mclude ”CLK_L#mclude nMotoi_Right_F.hH#mclude HLEDl.hn#mclude HLED2.hn#mclude nTuner_Test.hH#mclude HDuection_Test.hn#mclude#mclude HStart_Check.h"#mclude HStart_Check_Switch.hM#mclude HStart_Check_Delay.hMinclude ”Mode.h"#mclude "TILh*1/*

53、Include shared modules, which are used for whole project */include HPE_Tvpes.hn#mclude HPE_Enor.hM#mclude HPE_Const.hM#mclude HIO_Map.hH/* User mcludes (存include below this line is not maintained by Processor Expert) */include Huser.hH#mclude HMotor.hnextern unsigned char TimeiFlag20ms;extern void C

54、 CD_Aiigle_ControlQ;extern float Aiigle.dot Angle;extern mtl6_t Speed_Set;/ 標(biāo)速度設(shè)定值extern float Kp_Dir_Iiut;/ P 相參數(shù)基值extern float Kd_Dir;extern float Speed_Iiut/速度基值extern float Kp_Dir;/23iy/170extern float Ki_Dir;extern float Kd_Dir;/415; /25extern float Angle;extern float k_up;extern float k_down;unsigned char Pixel128;/CCD 采集存儲(chǔ)數(shù)組wo