安徽科技學(xué)院光電一隊(duì)技術(shù)報(bào)告

1、. . . . 第六屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽技 術(shù) 報(bào) 告學(xué) 校： 科技學(xué)院隊(duì)伍名稱： 光電一隊(duì)參賽隊(duì)員： 尚曉亮 志 陽鄲 帶隊(duì)教師： 梁磊 徐朝勝 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六屆“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)告以與參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關(guān)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： 目錄第一章引言.51.1大賽背景和概況.51.2智能車應(yīng)用前景.6第二章

2、系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì).72.1系統(tǒng)方案概述.72.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).72.2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu).72.2.2系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu).8第三章 智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化.93.1智能車行駛的數(shù)學(xué)模型.93.2車模機(jī)械改裝與優(yōu)化.123.2.1舵機(jī)的安裝.123.2.2車模前輪參數(shù)調(diào)整.133.2.3底盤高度.15 3.2.4車模齒輪傳動機(jī)構(gòu)調(diào)整.16 3.2.5車模后輪差速機(jī)構(gòu)調(diào)整.16 3.3車模測速模塊安裝.17 3.4傳感器的工作原理、選擇與安裝.17 3.4.1傳感器的選擇.17 3.4.2激光傳感器的原理 .183.4.3激光傳感器的設(shè)計(jì).183.4.4傳感器的安裝.203.4.5激光傳感器的

3、調(diào)試方法.20第四章 系統(tǒng)硬件電路.214.1 核心電路板的組成.214.2電機(jī)驅(qū)動電路模塊.22第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).235.1軟件整體設(shè)計(jì).245.2舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制和速度控制的PID算法.245.3起始線的識別.26第六章 賽車調(diào)試.276.1軟件調(diào)試平臺CodeWarrior.276.2 CodeWarrior IDE基本使用方法.28第七章 模型車的主要技術(shù)參數(shù).31第八章 結(jié)論.32參考文獻(xiàn). 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(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，在己舉辦全國數(shù)學(xué)建模、電子設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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

4、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模型車體與主微控制器芯片基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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位與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)。 智能車比賽源自國，并且已成功

5、舉辦了五屆，其比賽的技術(shù)水平和成績已達(dá)到了相當(dāng)?shù)母叨龋岩瓞F(xiàn)代、寶馬等跨國企業(yè)的注意。在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(duì)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(duì)、交大速度之星隊(duì)與清華大學(xué)1隊(duì)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(jì)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(shí)踐能力

6、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。第六屆“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(duì)為優(yōu)勝隊(duì)。該競賽是涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)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

7、主控芯片，配合有傳感器、電機(jī)、舵機(jī)、電池以與相應(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(yùn)行在跑道上。智能車要實(shí)現(xiàn)在城市繁忙道路上完全無人駕駛，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(shí)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(shí)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(shí)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

8、者危險(xiǎn)、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(yùn)輸、消防滅火等等。32 / 32 第二章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)方案概述 系統(tǒng)采用飛思卡爾16位單片機(jī)MC9S12XS128為核心控制單元，由車身上方的光電傳感器和固定在車身前方的紅外傳感器分別進(jìn)行路徑信號的采集和起跑線特征的識別；車身后部的編碼器進(jìn)行速度的采集，并將采集到的模擬電壓、TTL電平以與脈沖送至MCU，經(jīng)MCU處理后，分別控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)、直流電機(jī)，完成智能車的調(diào)速、轉(zhuǎn)向與制動等控制，使小車始終沿著賽道快速而又穩(wěn)定地行駛并有效駐車。 2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.

9、2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)車模的系統(tǒng)框圖與各模塊之間的關(guān)系如圖所示：主控模塊道路檢測模塊速度檢測模塊舵機(jī)控制模塊電機(jī)驅(qū)動模塊電源模塊調(diào)試模塊圖 1-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖主要模塊：1) 主控模塊：通過MC9S12XS128處理器，對所有子系統(tǒng)采集的信息進(jìn)行處理，該模塊是整個系統(tǒng)的核心部件，結(jié)合該處理器，最終我們自行設(shè)計(jì)了最小系統(tǒng)板。2） 道路檢測模塊：在賽道信息采集方面，主要由光電傳感器、S12的放大電路組成。3）速度檢測模塊：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。提供閉環(huán)速度控制。4）電機(jī)驅(qū)動模塊：通過由場效應(yīng)管搭建而成的H橋?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行驅(qū)動，效果良好。5）舵機(jī)控制模塊：主要控制智能車的轉(zhuǎn)

10、角，主要由PMOS和NMOS與其電路組成。6） 電源模塊：主要用到的有5V和6V，5V芯片選擇的是LM2940,6V芯片選擇的是LM2941。傳感器和單片機(jī)，采用分別供電的方式供電。7） 調(diào)試模塊：調(diào)試模塊主要用到BDM。2.2.2系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)軟件算法小車即可運(yùn)行。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

11、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)如圖所示。第三章、智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與調(diào)整 3.1智能車行駛的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)汽車?yán)碚摚?假設(shè)輪胎不打滑，并忽略輪胎所受的重力作用產(chǎn)生的形變以與左右兩側(cè)輪胎由于受力不均產(chǎn)生的形變，即可得到理想的汽車轉(zhuǎn)向模型：如圖2.1所示，即左右兩輪的軸線與后輪的主軸，三點(diǎn)交于車身中心所處道路位置的曲率中心. 不失一般性， 這里只討論右轉(zhuǎn)的情形.對于圖2.1，設(shè)左輪轉(zhuǎn)向?yàn)?，右輪角分別為，對于以上模型，顯然有如下關(guān)系：于是得到在理想狀態(tài)下，汽車的過彎時的轉(zhuǎn)角方程： 公式(一)同樣也可以得到右轉(zhuǎn)時： 公式（二) 圖 2.1采

12、用第一屆“飛思卡爾”智能車大賽組委會提供的國Matiz系列1：10模型車的參數(shù)對方程（1），方程（2）進(jìn)行仿真.圖2.2 圖2.3 結(jié)論：在模型車結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的情況下，小車左右兩輪的轉(zhuǎn)角存在一定的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)向右過彎時，右輪轉(zhuǎn)向比左輪轉(zhuǎn)向大，同理向左轉(zhuǎn)彎時，左輪轉(zhuǎn)向較右輪轉(zhuǎn)向大，同時，隨著道路曲率半徑的越大，車輪所需的轉(zhuǎn)角越小。3.2車模機(jī)械改裝與優(yōu)化智能車的機(jī)械部分是影響其行駛性能最直接的部分，其重要性不言而喻。一個不良的機(jī)械系統(tǒng)會增加小車控制的難度，會為小車的速度提升帶來障礙。因此，小車的機(jī)械性能應(yīng)該是優(yōu)先考慮的問題。此屆比賽中光電組選用的車模為A型車模，智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)只使用競賽提供車模的

13、底盤部分與轉(zhuǎn)向和驅(qū)動部分?？刂撇捎们拜嗈D(zhuǎn)向，后輪驅(qū)動方案。智能車的大致外形如下圖所示：3.2.1舵機(jī)的安裝舵機(jī)轉(zhuǎn)向是整個控制系統(tǒng)中延遲較大的一個環(huán)節(jié)，舵機(jī)的響應(yīng)速度不僅與舵機(jī)的安裝方式有關(guān)，也與舵機(jī)輸出臂的長度有極大的關(guān)系，輸出臂越長越有利提高響應(yīng)速度，但舵機(jī)在輸出力矩一樣的條件下，力臂越長，作用力越小，所以當(dāng)轉(zhuǎn)輪遇到較大轉(zhuǎn)向阻力時，會影響舵機(jī)對轉(zhuǎn)向輪控制的精度，甚至反而使轉(zhuǎn)向輪的反應(yīng)速度變慢。因此找到一個較好的舵機(jī)安裝方式與其最優(yōu)的輸出臂長對提高舵機(jī)的反應(yīng)速度十分重要。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，加長舵機(jī)臂對提高舵機(jī)的響應(yīng)確實(shí)有一定的效果，但是車身轉(zhuǎn)動的慣性限制了車的轉(zhuǎn)向。而舵機(jī)臂加長會降低舵機(jī)定位的精

14、度、提高重心、造成舵機(jī)損壞等。所以今年我們放棄了加長舵機(jī)臂，將舵機(jī)從車的中心移到車頭，直接安裝在車的底盤上。這樣既可以降低車的重心，又可以降低車的轉(zhuǎn)動慣量。安裝示意圖如下：3.2.2車模前輪參數(shù)的調(diào)整1）主銷后傾主銷后傾如圖2.2 所示，過車輪中心的鉛垂線和真實(shí)或假想的轉(zhuǎn)向主銷軸線在車輛縱向?qū)ΨQ平面的投影線所夾銳角為主銷后傾角，向前為負(fù)，向后為正。主銷后傾角的存在可使車輪轉(zhuǎn)向軸線與地面的交點(diǎn)在輪胎接地點(diǎn)的前方，可利用地面對輪胎的阻力前輪的回正力矩，該力矩的方向正好與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反，使車輛保持直線行駛。后傾角越大車輛的直線行駛性越好，轉(zhuǎn)向后方向盤的回復(fù)性也越好，但主銷后傾角過大會使轉(zhuǎn)向變得沉重

15、；主銷后傾角過小，當(dāng)汽車直線行駛時，容易發(fā)生前輪擺振；當(dāng)左右輪主銷后傾角不等時，車輛直線行駛時會使智能車跑偏。圖 2. 2 主銷后傾2）主銷傾主銷傾如圖2.3 所示，定義為在同時垂直于車輛縱向?qū)ΨQ平面和車輛支承平面的平面，由真實(shí)的或假想的轉(zhuǎn)向主銷的軸線在該平面上的投影與車輛支承平面的垂線所構(gòu)成的銳角。主銷傾角的作用，是使車輪在受外力偏離直線行駛時，前輪會在重力作用下自動回正。另外，主銷傾角還可減少前輪傳至轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上的沖擊，并使轉(zhuǎn)向輕便，但傾角不宜過大，否則在轉(zhuǎn)向時，會使輪胎磨損加快。主銷傾角越大前輪自動回正的作用就越強(qiáng)烈，但轉(zhuǎn)向時也越費(fèi)力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動回正的作用就越弱。

16、圖 2. 3 車輪外傾和主銷傾3）車輪外傾車輪外傾，如圖2.3 所示，在過車輪軸線且垂直于車輛支承平面的平面，車輪軸線與水平線之間所夾銳角。如圖A 所示，即由車前方看輪胎中心線與垂直線所成的角度，向外為正，向?yàn)樨?fù)。其角度的不同能改變輪胎與地面的接觸點(diǎn)，直接影響輪胎的磨損狀況。并改變了車重在車軸上的受力分布，避免軸承產(chǎn)生異常磨損。此外，外傾角的存在可用來抵消車身載重后，懸架系統(tǒng)機(jī)件變形所產(chǎn)生的角度變化。外傾角的存在也會影響車的行進(jìn)方向，因此左右輪的外傾角必須相等，在受力互相平衡的情況下不致影響車輛的直線行駛，再與車輪前束配合，使車輪直線行駛并避免輪胎磨損不均。4）前輪前束車輪前束如圖2.4 所示

17、，同一軸兩端車輪輪輞側(cè)輪廓線的水平直徑的端點(diǎn)為等腰梯形的頂點(diǎn)，等腰梯形前后底邊長度之差為前束。當(dāng)梯形前底邊小于后底邊時，前束為正，反之則為負(fù)。車輪的水平直徑與車輛縱向?qū)ΨQ平面之間的夾角為前束角。由于車輪外傾與路面阻力使前輪有向兩側(cè)開做滾錐運(yùn)動的趨勢但受車軸約束，不能向外滾動，導(dǎo)致車輪邊滾邊滑，增加了磨損，通過調(diào)整前束可以使車輪在每個瞬間的滾動方向都接近于正前方，減輕了車輪外軸所承受的壓力和輪胎的磨損。圖 2. 4 車輪前束3.2.3 底盤高度底盤的高度對車的重心影響很大，一般來說，底盤的高度越低，車的轉(zhuǎn)向性能越好，行駛穩(wěn)定性越佳。由于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

18、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：我們在前輪處裝入不同的調(diào)節(jié)塊調(diào)節(jié)前輪的高度，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

19、用了偏心最大的卡圈，使間隙最小。3.2.4車模齒輪傳動機(jī)構(gòu)的調(diào)整A型車模后輪電機(jī)軸與后輪軸之間的傳動比為 18：76（電機(jī)軸齒輪齒數(shù)為18，后輪軸傳動輪齒數(shù)為76）。齒輪傳動機(jī)構(gòu)對賽車的驅(qū)動能力有很大的影響。齒輪傳動部分安裝位置的不恰當(dāng)，會大大增加電機(jī)驅(qū)動后輪的負(fù)載，從而影響到最終成績。調(diào)整的原則是：兩傳動齒輪軸保持平行, 齒輪間的配合間隙要合適，過松容易打壞齒輪，過緊又會增加傳動阻力，白白浪費(fèi)動力;傳動部分要輕松、順暢，容易轉(zhuǎn)動，不能有卡住或遲滯現(xiàn)象.判斷齒輪傳動是否調(diào)整好的一個依據(jù)是,聽一下電機(jī)帶動后輪空轉(zhuǎn)時的聲音。聲音刺耳響亮，說明齒輪間的配合間隙過大，傳動中有撞齒現(xiàn)象；聲音沉悶而且有遲

20、滯，則說明齒輪間的配合間隙過小，或者兩齒輪軸不平行，電機(jī)負(fù)載加大。調(diào)整好的齒輪傳動噪音小，并且不會有碰撞類的雜音。3.2.5車模后輪差速機(jī)構(gòu)的調(diào)整差速機(jī)構(gòu)的作用是在車模轉(zhuǎn)彎的時候，降低后輪與地面之間的滑動；并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會損害到電機(jī)。當(dāng)車輛在正常的過彎行進(jìn)中 (假設(shè)：無轉(zhuǎn)向不足亦無轉(zhuǎn)向過度)，此時4 個輪子的轉(zhuǎn)速(輪速)皆不一樣，依序?yàn)椋和鈧?cè)前輪外側(cè)后輪側(cè)前輪側(cè)后輪。此次所使用車模配備的是后輪差速機(jī)構(gòu)。差速器的特性是：阻力越大的一側(cè)，驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速越低；而阻力越小的一側(cè)，驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速越高以此次使用的后輪差速器為例，在過彎時，因外側(cè)前輪輪胎所遇的阻力較小，輪速便較高；而側(cè)前

21、輪輪胎所遇的阻力較大，輪速便較低。差速器的調(diào)整中要注意滾珠輪盤間的間隙，過松過緊都會使差速器性能降低，轉(zhuǎn)彎時阻力小的車輪會打滑，從而影響車模的過彎性能。好的差速機(jī)構(gòu)，在電機(jī)不轉(zhuǎn)的情況下，右輪向前轉(zhuǎn)過的角度與左輪向后轉(zhuǎn)過的角度之間誤差很小，不會有遲滯或者過轉(zhuǎn)動情況發(fā)生。3.3車模測速模塊安裝測速模塊采用的是旋轉(zhuǎn)編碼器測速，旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)一周會產(chǎn)生100個脈沖，這已經(jīng)充分滿足的小車的檢測精度，從而提高了小車高速時速度控制的穩(wěn)定性，大大減小了檢測誤差。編碼器安裝主要考慮的問題是與齒輪的咬合，太緊會使電機(jī)轉(zhuǎn)動吃力并且會發(fā)出很大的噪聲，太松有時候會丟齒。因此最好使得安裝的編碼器松緊程度能夠調(diào)整最好。 安

22、裝方式如下圖所3.4傳感器的工作原理、選擇與安裝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)校選用的，一種是紅外傳感器，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。2） 激光傳感器的工作原理：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

23、，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）激光傳感器的設(shè)計(jì)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 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

24、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，接收管只能接受一樣頻率的反射光，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47UF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

25、應(yīng)該為滅。4)激光傳感器的固定傳感器的固定是關(guān)鍵，其安裝位置、高度以與負(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。安裝示意圖如下圖所示：5） 傳感器的調(diào)試方法：1、觀察光斑，先將其調(diào)整到一

26、條水平直線；2、用電腦連接，在線調(diào)試；3、寫入程序使傳感器分組發(fā)光；4、單個安裝鏡頭并調(diào)試位置；5、檢查同組傳感器是否相互干擾。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(shí)現(xiàn)對小車的控制。MC9S12DJ256微控制器采用增強(qiáng)型16位S12CPU，片總線是時鐘頻率最高可達(dá)25MHz，片資源包括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

27、、29路獨(dú)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激光傳感器的同步信號，S12的PIM模塊則并行讀入激光傳感器的亮度信息。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)傳感器圖4-1 S12控制模塊結(jié)構(gòu)圖 通過我們自行設(shè)計(jì)的核心電路板外圍接口電路實(shí)現(xiàn)對電機(jī)驅(qū)動、舵機(jī)控制以與速度反饋

28、的控制。在設(shè)計(jì)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(jì)重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速我們采用的是PWM 波控制調(diào)速，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(jì)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

29、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(jì)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(jì)算和實(shí)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(jì)根據(jù)此次我們對于智能車的整體設(shè)計(jì)方案，我們從傳感器得到的外部信息輸入有：

30、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)向輸出以與驅(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)向方向以與位置、速度等進(jìn)行控制。速度傳感器得到的智能車運(yùn)行速度則是對轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行修正，另外的，為了保持智能車的穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)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

31、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(shí)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(shí)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。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(shí)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)

32、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(xiàng)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(xiàng)和微分項(xiàng)在計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)，是將上式轉(zhuǎn)換成差分方程，由此實(shí)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

33、項(xiàng)，對導(dǎo)數(shù)項(xiàng)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(xiàng)，對導(dǎo)數(shù)項(xiàng)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(shí)際代碼實(shí)現(xiàn)算法時，處理成以下形式：PreU = Kp * error + Ki * Integral + Kd * 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(shí)現(xiàn)形式（增量式）：我們在實(shí)際代碼實(shí)現(xiàn)時，處理成PreU + =（ Kp * d_error + Ki * error + Kd * dd_error )的形式。5.3

34、起始線的識別根據(jù)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。因此，我們針對起始線提出了識別和處理的方法。要在三米自動停止，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(yàn)得知，我們利用第一種方案，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

35、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(xiàng)目工程管理、C 交叉編譯器、匯編器、器以與調(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(yàn)/修改存儲器和C變量、結(jié)構(gòu)與陣列，以與執(zhí)行其他仿真功能。其中在本設(shè)計(jì)方案中最為重要的部分就是集成開發(fā)環(huán)境IDE 以與調(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

36、程序，還可以在程序運(yùn)行時實(shí)時查看各參數(shù)的值。6.2 CodeWarrior IDE基本使用方法） 運(yùn)行“開始菜單>所有程序>Freescale CodeWarrior>CW for HC12 V4.6>CodeWarrior IDE”，選擇“File>New”。此后選擇MC9S12DJ256， 按照提示選取期望的選項(xiàng)。直至建立工程文件。如下：）打開Start12.c 文件，找到代碼#ifdef _HCS12_SERIALMON#define _INITRM (*(volatile unsigned char *) 0x0010)#define _INITRG (*

37、(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 (*(volatile unsigned char *) 0x0011)#define _INITEE (*(volatile unsigned char *) 0x0012)之所以要進(jìn)行這個步驟是因?yàn)?，初始化代碼是認(rèn)為程序中有監(jiān)控程序的，但是因?yàn)槲覀兪鞘褂玫腂DM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的flash，會發(fā)現(xiàn)程序跑不起來，因?yàn)槌跏蓟^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CodeWar