汽服李洋洋飛思卡爾智能汽車(chē)方案設(shè)計(jì)

1、 李洋洋 汽服 “飛思卡爾”智能汽車(chē)方案設(shè)計(jì) 摘 要 本文設(shè)計(jì)的智能車(chē)系統(tǒng)以MK60N512VMD100微控制器為核心控制單元，通過(guò)線陣攝像頭檢測(cè)賽道信息，使用模擬比較器對(duì)圖像進(jìn)行硬件二值化，提取賽道中心線，用于賽道識(shí)別；通過(guò)光電編碼器檢測(cè)模型車(chē)的實(shí)時(shí)速度，使用PID控制算法調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向舵機(jī)的角度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型車(chē)運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的閉環(huán)控制。為了提高模型車(chē)的速度和穩(wěn)定性，使用C#、鍵盤(pán)模塊等調(diào)試工具，進(jìn)行了大量硬件與軟件測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案確實(shí)可行。關(guān)鍵字：MK60N512VMD100，CMOS，PID，C# AbstractIn this paper the aut

2、hor will design a smart car system based on MK60N512VMD100as the micro-controller unit. We use a CCD image sensor to obtain lane image information. Then convert the original image into the binary image by the analog comparator circuit in order to extract black guide line for track identification. An

3、 inferred sensor is used to measure the cars moving speed. We use PID control method to adjust the rotate speed of driving electromotor and direction of steering electromotor, to achieve the closed-loop control for the speed and direction. In order to increase the speed and the reliability of the ca

4、r, a great number of the hardware and software tests are carried on and the advantages and disadvantages of the different schemes are compared by using the C# and the keyboard module. The results indicate that our design scheme of the smart car system is feasible.Keywords: MK60N512VMD100，CMOS，PID，C#

5、 目錄摘要1Abstract1目 錄21、整車(chē)方案設(shè)計(jì)3 1.1系統(tǒng)概述3 1.2整車(chē)布局42、整車(chē)功能設(shè)計(jì)53、速度控制與轉(zhuǎn)向控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 6 3.1速度控制6 3.1.1方案選擇6 3.1.2編碼器安裝6 3.2轉(zhuǎn)向控制7 3.2.1方案設(shè)計(jì)7 3.2.2舵機(jī)安裝74、實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)與結(jié)果分析.8參考文獻(xiàn)131、整車(chē)方案設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)概述智能車(chē)系統(tǒng)的總體工作模式為：智能汽車(chē)系統(tǒng)采用飛思卡爾的32位微控制器MK60DN256ZVLL10單片機(jī)作為核心控制單元用于智能汽車(chē)系統(tǒng)的控制。線性CCD攝像頭采集賽道明暗信息，返回到單片機(jī)作為轉(zhuǎn)向控制的依據(jù)。通過(guò)光電編碼器來(lái)檢測(cè)車(chē)速，并采用MK60N5

6、12VMD100的DMA輸入捕捉功能進(jìn)行脈沖計(jì)算獲得速度和路程；轉(zhuǎn)向舵機(jī)采用PD控制；驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用 PI控制，通過(guò)PWM控制驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整電機(jī)的功率；而車(chē)速的目標(biāo)值由默認(rèn)值、運(yùn)行安全方案和基于圖像處理的優(yōu)化策略進(jìn)行綜合控制。根據(jù)智能車(chē)系統(tǒng)的基本要求，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖1.1所示。在滿足比賽要求的情況下，力求系統(tǒng)簡(jiǎn)單高效，因而在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，減少因硬件而出現(xiàn)的問(wèn)題。 圖1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.2整車(chē)布局 “飛思卡爾”智能汽車(chē)整車(chē)布局本著輕量化設(shè)計(jì)，如圖1.2.具有以下特點(diǎn)： （1）架高舵機(jī)并直立安裝，以提高舵機(jī)響應(yīng)速度； （2）主板低位放置，降低賽車(chē)重心； （3）采用強(qiáng)度高、質(zhì)量輕

7、的材料制作線陣攝像頭CCD支架； （4）攝像頭后置于模型車(chē)的中間部分，減少賽車(chē)前方盲區(qū)。 圖1.2 整車(chē)布局圖 圖1.3 整車(chē)布局圖2、整車(chē)功能設(shè)計(jì) 線陣攝像頭CCD能夠分辨白色的賽道及黑色的邊線，對(duì)道路狀況的檢測(cè)起著至關(guān)重要的作用。TSL1401線性CCD傳感器包含128個(gè)線性排列的光電二極管。每個(gè)光電二極管都有各自的積分電路，以下將此電路統(tǒng)稱(chēng)為像素。每個(gè)像素所采集的圖像灰度值與它所感知的光強(qiáng)和積分時(shí)間成正比。一般來(lái)說(shuō)線性CCD模塊的焦距是固定的，因此要想得到清晰的圖像就需要通過(guò)調(diào)節(jié)鏡頭的進(jìn)出來(lái)解決。如果鏡頭擰的位置合適，則會(huì)得到清晰的圖像，CCD輸出的數(shù)據(jù)在波形上會(huì)表現(xiàn)的比較尖銳。此時(shí)，根

8、據(jù)CCD采集到圖像，通過(guò)找到左右邊線，計(jì)算出實(shí)際智能車(chē)行駛的中線，模擬出行駛軌跡，進(jìn)而通過(guò)優(yōu)化處理智能車(chē)的路徑，以便能夠更快的速度行駛完規(guī)定的賽道。如圖2.1所示。 圖2.1 上位機(jī)圖像 綜上所述：將CCD采集時(shí)間定為8s，此時(shí)圖像的穩(wěn)定性是最高的。3、速度控制與轉(zhuǎn)向控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 速度控制方案選擇 在保證賽車(chē)穩(wěn)定性的前提下，提高速度是獲勝的關(guān)鍵，也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。同時(shí)賽車(chē)的重量和重心的調(diào)整也是設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的問(wèn)題。對(duì)賽車(chē)速度的控制主要有兩種方案。即：開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制。方案一：開(kāi)環(huán)控制 開(kāi)環(huán)控制是指沒(méi)有反饋的控制。即通過(guò)預(yù)先設(shè)定的方案，沒(méi)有外部反饋地進(jìn)行操作。優(yōu)點(diǎn)在于操作和控制比較簡(jiǎn)單，

9、只需要提供理論運(yùn)行的過(guò)程然后編程調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)在于理論和實(shí)際始終有一定的誤差，實(shí)踐證明開(kāi)環(huán)控制的精度不高，無(wú)法切實(shí)有效的提高速度。方案二：閉環(huán)控制 閉環(huán)控制是指具有反饋的控制。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，需要不斷檢測(cè)賽車(chē)速度的狀態(tài),與預(yù)期的狀態(tài)進(jìn)行比較,當(dāng)相差到一定程度時(shí),修正誤差,精度很高。但是缺點(diǎn)在于電路的搭建和程序的編制都比開(kāi)環(huán)控制要復(fù)雜。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制傳感器主要是采用旋轉(zhuǎn)編碼器，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度的時(shí)候形成脈沖，由外部器件捕獲這些脈沖，得出與實(shí)際運(yùn)行的差異。開(kāi)環(huán)速度控制實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但速度會(huì)隨著電池電壓的變化而變化，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的精確控制。為了使小車(chē)能以不同的速度通過(guò)不同的彎道，精

10、確的速度控制是關(guān)鍵。而且由于賽道上有斜坡，賽車(chē)安全通過(guò)斜坡的關(guān)鍵是控制上坡和下坡的速度，所以對(duì)于采用速度閉環(huán)控制的賽車(chē)來(lái)說(shuō)通過(guò)斜坡就像是通過(guò)普通的直道一樣的簡(jiǎn)單，不需要對(duì)斜坡進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的檢測(cè)。 綜上所述，采用速度閉環(huán)PI控制方案。 3.1.2 編碼器安裝 選用5V工作電壓的光電編碼器進(jìn)行速度的測(cè)量。速度傳感器用螺釘通過(guò)支架固定在后輪支架上，這樣固定好之后，就有了較高的穩(wěn)定性。然后調(diào)節(jié)編碼器齒輪，使其與差速齒輪緊密咬合，增大測(cè)速的精確性，但是咬合過(guò)緊也增大了摩擦，減小了對(duì)電機(jī)做功的利用率，影響小車(chē)的快速行駛，因此減小摩擦同時(shí)增強(qiáng)齒輪間的咬合是主要考慮的因素。編碼器安裝示意圖如圖3.1.2所示： 圖

11、3.1.2 編碼器安裝示意圖3.2轉(zhuǎn)向控制 3.2.1 方案設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向模塊主要由舵機(jī)實(shí)現(xiàn)，舵機(jī)的響應(yīng)速度和舵機(jī)臂長(zhǎng)決定了轉(zhuǎn)向控制的實(shí)時(shí)性。舵機(jī)的響應(yīng)速度與驅(qū)動(dòng)電壓和控制舵機(jī)的PWM波周期有聯(lián)系，通過(guò)查閱相關(guān)資料得知，在電壓允許條件下，驅(qū)動(dòng)電壓越高舵機(jī)的響應(yīng)速度越快。調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)直接使用電池電壓供電舵機(jī)也可以正常工作，把控制舵機(jī)的PWM波周期調(diào)整為4ms，然后結(jié)合CCD采集時(shí)間，將CCD一個(gè)周期內(nèi)計(jì)算出的PWM值分成兩次分給舵機(jī)。把舵機(jī)臂長(zhǎng)加長(zhǎng)，舵機(jī)的響應(yīng)速度有了很大提高，實(shí)現(xiàn)了對(duì)賽車(chē)的快速轉(zhuǎn)向控制。 3.2.2 舵機(jī)安裝舵機(jī)安裝直接關(guān)系到是否能快速靈敏地轉(zhuǎn)向的問(wèn)題。如果舵機(jī)調(diào)整不到位，將很大

12、程度上限制轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度。舵機(jī)安裝有兩種方式，一種是臥式安裝，另外一種為立式安裝。 臥式安裝為車(chē)模默認(rèn)安裝方式，但這樣安裝會(huì)使左右兩邊輪子連桿不等長(zhǎng)，根據(jù)杠桿原理可知舵機(jī)對(duì)長(zhǎng)連桿輪子用的力要大些，因此造成了舵機(jī)對(duì)左右兩邊轉(zhuǎn)向響應(yīng)時(shí)間不一樣。另外由于臥式安裝會(huì)使連桿與水平面呈現(xiàn)一定角度，從力學(xué)知識(shí)可以知道在輪子轉(zhuǎn)向獲得的力只是舵機(jī)施加在連桿上力的一個(gè)水平方向上的分力。 立式安裝把舵機(jī)架高，增長(zhǎng)了力臂，使得小車(chē)反應(yīng)更加靈活，但增大了阻力，力的作用減小。因此，根據(jù)舵機(jī)性能和實(shí)際情況確定高度，將舵機(jī)立式正放，不僅提高了其響應(yīng)速度，還增加了小車(chē)底盤(pán)空間，易于安放電路板，降低小車(chē)重心。根據(jù)舵機(jī)形狀

13、制作了一個(gè)小巧堅(jiān)固的舵機(jī)支架，支架邊緣盡量少，以減少整車(chē)的重量，避免影響賽車(chē)提速。然后將支架以合適的高度固定在底盤(pán)上。 如圖3.2.2所示。 圖3.2.2 舵機(jī)安裝示意圖 4、實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)與結(jié)果分析 4.1 通過(guò)對(duì)比不同時(shí)間的CCD采集時(shí)間，得出了幾組不同的數(shù)據(jù)，并且根據(jù)上位機(jī)顯示的圖像對(duì)比，得出8ms的采集周期是最穩(wěn)定的。 圖4.1.1 2s時(shí)上位機(jī)的圖像 圖4.1.2 4s時(shí)上位機(jī)的圖像 圖4.1.3 6s時(shí)上位機(jī)的圖像 圖4.1.4 8s時(shí)上位機(jī)的圖像 4.2 通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較電機(jī)閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制，在實(shí)際過(guò)程中，觀察到： 在使用開(kāi)環(huán)控制時(shí)，速度不穩(wěn)，偶爾會(huì)由于速度不均勻會(huì)沖出跑道，另外，由

14、于是開(kāi)環(huán)控制，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)熱，最后會(huì)整個(gè)控制系統(tǒng)崩潰。 在使用閉環(huán)控制時(shí)，雖然偶爾也會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定，但是是在誤差允許的范圍。而且電流比較穩(wěn)定，不影響電機(jī)驅(qū)動(dòng)。而且調(diào)節(jié)PI兩個(gè)參數(shù)，可以很快的進(jìn)行調(diào)節(jié)。 4.3 理想的轉(zhuǎn)向模型，是指在輪胎不打滑時(shí)，忽略左右兩側(cè)輪胎由于受力不均產(chǎn)生的變形，忽略輪胎受重力影響下的變形時(shí)車(chē)輛的的轉(zhuǎn)向建模。在這種理想的模型下，車(chē)體的轉(zhuǎn)向半徑可以計(jì)算得到。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中有著非常重要的作用。合適的前橋和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以保證在車(chē)輛直線行駛過(guò)程中不會(huì)跑偏，能保證車(chē)輛行駛的方向穩(wěn)定性；而在車(chē)輛轉(zhuǎn)向時(shí)，合適的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以使車(chē)輛自行回到直線行駛狀態(tài)，具有好的回正性。前輪轉(zhuǎn)向

15、舵機(jī)有立式和臥式兩種安裝方案（這里以舵機(jī)轉(zhuǎn)軸為參考對(duì)象，立式：轉(zhuǎn)軸處于水平方向；臥式：轉(zhuǎn)軸處于豎直方向）， 舵機(jī)立式安裝方式的優(yōu)點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)向角較為符合阿克曼轉(zhuǎn)向原理，它由舵機(jī)臂豎直平面的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為拉桿水平方向的運(yùn)動(dòng)，減少了在同一平面上運(yùn)動(dòng)的死區(qū)；（2）方便安裝舵機(jī)臂，有利于調(diào)節(jié)賽車(chē)轉(zhuǎn)向的中心值。 舵機(jī)立式安裝方式的缺點(diǎn)：（1）不好安裝固定；（2）安裝后較高，占用豎直方向的空間；（3）重心較高。舵機(jī)臥式安裝方式的優(yōu)點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度較快；（2）高度較低；（3）重心低。舵機(jī)臥式安裝方式的缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)向角部分符合阿克曼轉(zhuǎn)向原理（轉(zhuǎn)角小時(shí)），舵機(jī)臂和拉桿都在水平平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)舵機(jī)臂長(zhǎng)

16、度與轉(zhuǎn)角臂長(zhǎng)度相等時(shí)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)、外側(cè)輪不符合阿克曼轉(zhuǎn)角。經(jīng)過(guò)仿真分析后得出舵機(jī)立式安裝方式較好，立式安裝方式的轉(zhuǎn)角較符合阿克曼轉(zhuǎn)角。為此，可利用Inventor和Excel對(duì)車(chē)模進(jìn)行仿真，并根據(jù)阿克曼原理算出理論轉(zhuǎn)角，然后進(jìn)行比較分析。 首先，將車(chē)模簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的幾何模型進(jìn)行分析，如圖4.14。然后根據(jù)此模型分析出車(chē)模參數(shù)的幾何關(guān)系：V / tan = V / tan + H 。再用控制變量法，改變（外側(cè)車(chē)輪的角度），算出（內(nèi)側(cè)車(chē)輪的角度）。最后，將算出的值和利用Inventor實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel中進(jìn)行分析 圖4.3.1 車(chē)模簡(jiǎn)化模型 圖4.3.2 仿真數(shù)據(jù)曲線圖根據(jù)分析的結(jié)果，可以得出：

17、（1）立式和臥式安裝方式在轉(zhuǎn)角較小時(shí)，跟阿克曼轉(zhuǎn)角比較吻合；（2）在轉(zhuǎn)角較大時(shí)，立式比臥式更接近阿克曼轉(zhuǎn)角。故立式安裝方式是較為理想的安裝方式。再考慮舵機(jī)臂長(zhǎng)度對(duì)其他方面的影響：舵機(jī)臂越長(zhǎng)，響應(yīng)速度越快，但是舵機(jī)響應(yīng)時(shí)的打角力度會(huì)減小，所以應(yīng)該選取適中的舵機(jī)臂長(zhǎng)度參數(shù)，才對(duì)車(chē)模的轉(zhuǎn)向不會(huì)造成負(fù)面的影響。 通過(guò)研究以及參照以往經(jīng)驗(yàn)，為了達(dá)到較好的效果，設(shè)計(jì)出的舵機(jī)臂如下： 圖 舵機(jī)臂仿真圖 為了讓前輪有更大的轉(zhuǎn)角，這就需要轉(zhuǎn)向舵機(jī)有更大的轉(zhuǎn)角，原車(chē)模中的轉(zhuǎn)向連桿是由一個(gè)具有環(huán)狀末端的連桿和一個(gè)球頭關(guān)節(jié)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，此種結(jié)構(gòu)將會(huì)有比較大的空程差，會(huì)給車(chē)模轉(zhuǎn)向時(shí)帶來(lái)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。而且原裝車(chē)模轉(zhuǎn)向角度不夠，轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)阻力較大，且不對(duì)稱(chēng)。 圖4.3.4 原車(chē)模轉(zhuǎn)向連桿 為了盡量減小不穩(wěn)定的現(xiàn)象，決定采用A型車(chē)模中的球頭，球關(guān)節(jié)，連桿及與A型車(chē)類(lèi)似的安裝方式（即兩球頭的固定孔位對(duì)稱(chēng)的位于舵機(jī)臂對(duì)稱(chēng)軸