光電組技術設計報告

1、第八屆“飛思卡爾杯全國大學生智能汽車競賽技術報告學校：中南民族大學隊伍名稱：混沌騎士參賽隊員：姚德翔甘仕舉徐睿帶隊教師：尹建新陳銀吳嶺清關于技術報告和研究論文使用授權的說明本人完全了解第七屆“飛思卡爾杯全國大學生智能汽車邀請賽關保存、使用技術報告和研究論文的規(guī)定,即：參賽作品著作權歸參賽者本人,比賽組委會和飛思卡爾半導體公司可以在相關主頁上收錄并公開參賽作品的設計方案、技術報告以及參賽模型車的視頻、圖像資料,并將相關內容編纂收錄在組委會出版論文集中.本文以第八屆飛思卡爾杯全國智能車競賽光電平衡組為背景,介紹了直立車模循跡系統.系統設計采用了自頂向下的整體設計思想,以Freescale微限制芯片

2、XS128為核心,并以CodeWarriorlDE為系統的開發(fā)平臺.硬件局部采用自主設計的主板電路、傳感器電路以及驅動電路.傳感器電路采用LM358運放實現微弱信號放大,采用速度傳感器MMA7260和加速度傳感器陀螺儀ENC-03實現對車模狀態(tài)的檢測,驅動電路采用集成驅動芯片BTS7960B來實現對電機的有效驅動.關鍵詞：XS128直立限制第一章引言1.1 概述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.該競賽以立足培養(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)大學生

3、的綜合知識運用水平、根本工程實踐水平和創(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.特別需要說明的是,智能汽車競賽組委會將電磁組比賽規(guī)定為車模直立行走,車模直立行走比賽是要求仿照兩輪自平衡電動車的行進模式,讓車模以兩個后輪驅動進行直立行走.近年來,兩輪自平衡電動車以其行走靈活、便利、節(jié)能等特點得到了很大的開展.國內外有很多這方面的研究,也有相應的產品.在電磁組比賽中,利用了原來C型車模雙后輪驅動的特點,實現兩輪自平衡行走.相對于傳統的四輪行走的車模競賽模式,車模直立行走在硬件設計、限制開發(fā)以及調試等方面提

4、出了更高的要求本技術報告主要將闡述我們隊整個智能車的設計理念和思想,本著交流與共享的原那么,我們毫無保存的提供了所有的核心思想及算法理論,希望與大家共同成長交流,由于我們相信思想只有在交流中產能碰撞出火花,技術只有在分享中才能成長進步,希望本文能為下一屆同學提供一定幫助.1.2 系統體系結構光電平衡組比賽要求車模在直立的狀態(tài)下以兩個輪子著地沿著賽道進行比賽,這勢必增加了限制難度,算法也相對復雜,我們將限制分為三個根本方面：直立控制,速度限制和方向限制,分別進行算法限制,最終將三方面融合實現目標限制.根據功能不同,光電平衡車體系結構大致包括傳感器、限制、執(zhí)行機構、人機接口和電源五大局部.1 .限

5、制局部分析傳感器數據,提取賽道信息,運行限制算法,向執(zhí)行機構發(fā)出動作信號,限制賽車沿賽道行駛.限制局部主體是單片機XS128.2 .傳感器局部負責感知外部世界的環(huán)境信息和車模自身的狀態(tài)信息,為小車完成賽道的檢測與跟蹤以及實現小車的直立、速度和方向限制提供所需的信息.傳感器局部包括TSL1401傳感器、速度編碼器、加速度計和陀螺儀等幾個模塊.3 .執(zhí)行機構負責執(zhí)行動作信號,實現車的直立、變速和轉向.執(zhí)行機構包括電機驅動和電機.4 .電源局部負責向各局部提供適宜的電源,包括電池和穩(wěn)壓模塊.5 .人機接口實現模式和參數選擇、狀態(tài)指示、實時監(jiān)控以及數據存儲等人機交互功能,包括撥碼開關、LCD液晶顯示、

6、無線等模塊.1.3論文結構安排本技術報告總共分為七個章節(jié).第一章節(jié)是引言,主要介紹研究背景、系統方案和論文安排等.第二章節(jié)是系統的硬件設計,分別介紹了硬件的幾個根本局部：TSL1401傳感電路,加速度計和陀螺儀,編碼器和限制器.第三章節(jié)主要介紹系統的機械設計,車模改造.第四和第五章節(jié)主要是賽車主要技術參數和結論,就車模制作過程整體情況和技術指標做簡要說明,以及存在的問題和改良方法.第二章系統硬件設計硬件設計是整個系統的根底,只有搭建好了穩(wěn)定可靠的硬件環(huán)境,才能為后續(xù)的軟件提供幫助,同時硬件設計也能為軟件算法提供一種補償作用,所以說好的硬件設計是系統最初設計的關鍵.2.1、藍宙TSL1401線性

7、CCD環(huán)境光影響問題試驗說明TSL1401線fCCD的輸出信號和環(huán)境光線密切相關,在自然光條件比晚上燈光下AO引腳輸出電壓值高出很多,正對著光線比背著光線輸出電壓高,白熾燈光下比日光燈下輸出電壓高.因此,同一參數曝光時間、鏡頭光圈難以適應各種環(huán)境,在光線較弱環(huán)境下的參數在強光下會出現輸出飽和,在較強光線下調節(jié)好的參數在弱光下輸出電壓過低,甚至處于截止狀態(tài).在智能車應用中,白天自然光環(huán)境和晚上燈光環(huán)境、正對光和背光、不同的比賽場地之間都不能采用相同的曝光參數.與輸出電壓密切相關的參數是曝光量,曝光量取決于CCD模塊所采用的鏡頭光圈大小和程序所限制的曝光時間.智能車為適應各種運行環(huán)境,必須實時感知

8、環(huán)境,并根據環(huán)境閉環(huán)調節(jié)曝光量,使得在不同環(huán)境中曝光量都處于一個合理的范圍,這樣才能保證在不同環(huán)境中CCD輸出電壓在合理范圍,以利于算法提取黑線信息.鏡頭相關參數一旦選定在智能車運行難以改變,曝光時間比擬容易通過程序限制,因此比擬容易實現的調整曝光量方法是通過軟件調整曝光時間.曝光時間調整方法見“曝光時間自適應策略一章.輸出信號放大根據上一章所述,可以通過調整曝光時間來適應各種環(huán)境,在弱光環(huán)境增大曝光時間,在強光下減小曝光時間.但是曝光時間不能無限增大的,由于增大曝光時間勢必降低采樣率每秒采樣次數采樣率低限制周期就長,智能車反響就慢.根據歷屆攝像頭車參賽經驗,1米的前瞻,3.5m/s的速度情況

9、下,限制周期不得高于20ms采樣率不得低于50Hz,否那么智能車轉向機構反響再快也無法很好跟隨賽道而沖出賽道.限制周期不高于20ms就意味著曝光時間不能超過20ms.試驗時,我們將TSL1401線fCCD曝光時間調整到20ms采用周期20ms,分別在強光、弱光、燈光不同環(huán)境進行采用,采樣數據說明環(huán)境光線較弱時CCD輸出信號較低,以致賽道黑線信息不夠明顯,晚上日光燈環(huán)境下輸出信號電壓值更低,幾乎接近0,根本無法辨別賽道信息！由于智能車制作和調試很大局部時間都是在晚上,因此必須在不降低采樣率的情況下,增大晚上弱光環(huán)境下線性CCD的輸出電壓.要增大輸出電壓,簡單有效的方法就是放大輸出信我們可以采用運

10、放來放大AO輸出信號.藍宙電子實踐說明增大運放能非常有效的解決弱光時輸出電壓低問題,在晚上環(huán)境同1¥能到達50Hz的采樣率,這是無運放的線TCCD無法到達的.為了能保證輸出電壓在合理范圍不飽和、不截止、能分辨賽道黑線,需要根據選定的鏡頭確定運放放大倍數.以下是藍宙電子線性CCD模塊鏡頭為無畸變鏡頭中的運放電路圖:其中運放放大倍數A=1+R5/R4,此電路中A=11,也就是對TSL1401的AO信號進彳T11倍放大.由于增加了運放,白天環(huán)境下的采樣率可以調節(jié)到更高,甚至可以到達100Hz.增加了運放也會帶來一個問題,就是在全黑的環(huán)境例如蓋上鏡頭蓋下線性CCD的輸出已經不再接近0V,這里

11、我們稱全黑的環(huán)境對應的電壓為暗電壓,藍宙電子設計的CCD模塊暗電壓是1V左右.其實暗電壓完全不影響上層軟件提取賽道黑線,我們可以把這個暗電壓當做信號中的直流分量,將采集的每個像素點的電壓減去暗電壓就可以了,該方法已經驗證可行,讀者也可以實踐.曝光時間自適應策略如果競賽環(huán)境各個方向的光線均勻一致,我們可以在賽車出發(fā)前根據環(huán)境光線調節(jié)一個合理的曝光時間,以得到合理的輸出,這樣賽車就能采用一個固定的曝光時間跑完全程.但是這是最理想的情況,實際比賽環(huán)境遠沒有假設的這么理想,實際比賽場館會有窗戶,賽道頂上也可能有燈,因此賽車的前進方向正對窗戶和背對窗戶不能采用同一曝光參數,電燈下和里燈較遠處也不能采用相

12、同曝光參數.換句話說要想賽車完整跑完全程需要適時地、動態(tài)的調整曝光參數.以下就藍宙電子研究的曝光時間自適應策略跟大家做一個介紹,策略示意圖如下：線性CCD模塊的曝光時間,反響是線性CCD感應到的曝光量.調節(jié)的目標是設定曝光量.限制器的工作原理是將設定的曝光量減去實際曝光量,差值即為曝光量的偏差e,曝光量調節(jié)器用Kp乘以e再加上上次的曝光時間作為新的曝光時間進行曝光,曝光時間調整后直接影響實際反響的曝光量.如此反復進行調節(jié)就能到達適應環(huán)境光的目的.需要大家注意的是實際曝光量并不是某一個像素的曝光量,由于單個像素是無法反響環(huán)境光強度的,實際曝光量應該是一段時間和一定像素點強度的函數.藍宙電子的做法

13、是取一次采集到的128個像素電壓的平均值作為曝光量當量,設定的曝光量也就是設定的128像素點平均電壓.采用該策略后線性CCD采集到電壓值在正常的智能車運行環(huán)境中都能保持在合理范圍內.2.2 加速度計和陀螺儀2.2.1 加速度計加速度傳感器可以測量由地球引力作用或者物體運動所產生的加速度.競賽規(guī)那么規(guī)定如果車模使用加速度傳感器必須使用飛思卡爾公司產生的加速度傳感器.該系列的傳感器采用了半導體外表微機械加工和集成電路技術,傳感器體積小,重量輕.由于加速度使得機械懸臂與兩個電極之間的距離發(fā)生變化,從而改變了兩個電容的參數.通過集成的開關電容放大電路量測電容參數的變化,形成了與加速度成正比的電壓輸出.

14、MMA7260是一款三軸低g半導體加速度計,可以同時輸出三個方向上的加速度模擬信號.通過設置可以使得MMA7260各軸信號最大輸出靈敏度為800mV/g,這個信號無需要在進行放大,直接可以送到單片機進行AD轉換.I6inGf圖2-6MMA7260三軸加速度傳感器只需要測量其中一個方向上的加速度值,就可以計算出車模傾角,比方使用Z軸方向上的加速度信號.車模直立時,固定加速度器在Z軸水平方向,此時輸出信號為零偏電壓信號.當車模發(fā)生傾斜時,重力加速度g便會在Z軸方向形成加速度分量,從而引起該軸輸出電壓變化.變化的規(guī)律為：Ukgsin式中,g為重力加速度,.為車模傾角；為加速度傳感器靈敏度系數系數.當

15、傾角.比擬小的時候,輸出電壓的變化可以近似與傾角成正比,Ukg似乎只需要加速度就可以獲得車模的傾角,再對此信號進行微分便可以獲得傾角速度.但在實際車模運行過程中,由于車模本身的擺動所產生的加速度會產生很大的干擾信號,它疊加在上述測量信號上使得輸出信號無法準確反映車模的傾角,車模運動產生的加速度使得輸出電壓在實際傾角電壓附近波動,為了減少運動引起的干擾,加速度傳感器安裝的高度越低越好.2.2.2 陀螺儀陀螺儀可以用來測量物體的旋轉角速度O競賽允許選用村田公司出品的ENC-03系列的加速度傳感器.它利用了旋轉坐標系中的物體會受到科里奧利力的原理,在器件中利用壓電陶瓷做成振動單元.當旋轉器件時會改變

16、振動頻率從而反映出物體旋轉的角速度.在車模上安裝陀螺儀,可以測量車模傾斜角速度,將角速度信號進行積分便可以得到車模的傾角.由于陀螺儀輸出的是車模的角速度,不會受到車體運動的影響,因此該信號中噪聲很小.車模的角度又是通過對角速度積分而得,這可進一步平滑信號,從而使得角度信號更加穩(wěn)定.因此車模限制所需要的角度和角速度可以使用陀螺儀所得到的信號.2.3 速度傳感器為了使得智能車能夠平穩(wěn)地沿賽道導引線運行,需要比擬精確地限制車速,使智能車在急轉彎時不會由于速度過快而沖出跑道.根據自動限制原理可以知道閉環(huán)的系統一般比擬穩(wěn)定,通過一定的方法實時測量智能車的速度,從而形成閉環(huán)限制,使得智能車更加準確的運行.

17、一般可以采用以下幾種測速方法：方案一：霍爾傳感器測速.在后輪的軸附近安裝一個霍爾傳感器,相對應的再在軸上安裝多個小型永磁鐵,根據霍爾傳感器特點,用一個上拉電阻將其接至5V,隨著后輪的轉動就會形成多個脈沖信號.根據單位時間內的脈沖數量據可以測得當前車速.方案二：反射式光電管測速.在后輪的軸上安裝一個黑白相間的光碼盤,然后通過一側安裝的反射式光電管讀取光碼盤轉動的脈沖.方案三：投射式光電管測速.采用具有齒槽結構的圓盤固定的后軸上,采用直射式紅外光傳感器讀取齒槽圓盤的轉動脈沖.方案三：光電編碼器測速.光電編碼器可以分為增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器.增量式光電編碼器可以輸出正比于轉速的脈沖,記錄

18、單位時間內的脈沖數就可以間接測取實時速度.鑒于光電編碼器安裝簡單,輸出信號比擬規(guī)整,所以我們采用方案三.速度傳感器用于感知車模本身的行駛速度,是速度閉環(huán)限制的一個必須環(huán)節(jié).電磁車使用光電編碼器作為速度傳感器,安裝在車尾與傳動齒輪嚙合,使用與電機相同齒數的齒輪,相當于直接測得電機的轉速.光電編碼器測量精度為300P/R,有AB兩相輸出,相位差90°±45°,信號波形為方波.2.4 主板電路設計主板電路是整個系統的硬件核心,只有正確合理的規(guī)劃設計,才能高效地完成設計.2.4.1 微限制器MCU整個系統的核心限制采用Freescale的XS128型號16位單片機,5V電

19、壓供電.單片機內部資源：ColdFireV232位內核；主頻80MHz;片內512KFlashROM;片內64KSRAM;一個快速以太網限制器模塊FEC,可用于以太網應用；一個USBOn-The-GoUSBOTG,可作為USB主機或設備；一個靈活的CAN總線模塊FlexCAN;3個異步串口模塊UART;2個IIC模塊I2C;隊列型SPI模塊QSPI;8通道12位模擬數字轉換ADC;4通道直接存取訪問模塊4channelDMA;4個32位支持DMA的輸入捕獲/輸出比擬定時器DTIM;4通道通用定時器,可以配置成輸入捕獲,輸出比擬,脈沖寬度調制PWM,脈沖編碼器PCM,脈沖計數器；8通道/4通道,

20、8位/16位脈沖調制模塊PWM;2個16位周期中斷定時器PIT;實時時鐘模塊RTC;可編程的軟件看門狗模塊；57個外設中斷源內部集成鎖相環(huán),可將外部8M晶振時鐘倍頻到80M系統時鐘；BDM或JTAG調試方式.圖2-10實際效果圖2.4.2 電源電路由于采用7.2V的電池供電,而受到單片機所需的正常工作電壓是3.3V,所以必須采用降壓電路,從電池的7.2V穩(wěn)壓到5V和3.3V.我們最后采用了AS2850芯片,它具有低壓差工作特性,相比一般的穩(wěn)壓芯片而言,它所需的工作壓差很小,這對于我們的應用情景十分有用.最后采用的電路圖如下：2.4.3 外圍接口局部主板上的接口主要包括傳感器、電機、編碼器、薄碼

21、開關、無線模塊、LCD模塊等外設接口.這些接口的設計能方便整體的系統規(guī)劃和設J1consLCDR居丁LCDgCE上DDCLCDSDIMRL166+3.3VLCDSCLKTAO1A3彳TC5JIRQ11IRQ37IRQ5aIRQ742.5 驅動電路設計常用的電機驅動方案有采用獨立MOS管,或者集成的電機驅動芯片來實現BTS7960B是NovalithIC家族三個獨立的芯片的一局部：一是p型通道的高電位場效應晶體管,二是一個n型通道的低電位場效應晶體管,結合一個驅動晶片,形成一個完全整合的高電流半橋.所有三個芯片是安裝在一個共同的引線框,利用芯片對芯片和芯片芯片技術.電源開關應用垂直場效應管技術來

22、保證最正確的阻態(tài).由于p型通道的高電位開關,需要一個電荷泵消除電磁干擾.通過驅動集成技術,邏輯電平輸入、電流取樣診斷、轉換速率調整器,失效發(fā)生時間、預防欠電壓、過電流、短路結構輕易地連接到一個微處理器上.BTS7960B可結合其他的BTS7960B形成全橋和三相驅動結構.圖2-13驅動原理圖第三章系統機械設計良好的車模機械設計與制作,對于車模穩(wěn)定運行、平安調試都非常重要.所以我們對車體進行了精心改造,為后期調試做好準備!3.1 車體改造固定車模底盤與后輪支架原有車模為了減輕后輪振動對于車體的影響,后輪的支架與底盤之間采用了活動連接方式.但是,為了保證車模直立車體穩(wěn)定性,需要將原有車模地盤與后輪

23、支架固定在一起.我們采用PCB板配合熱溶膠固定車體,這樣便于直立限制.圖4-2車模底盤與后輪固定3.2 加固電機引線c車模的后輪電機引線管腳非常薄弱,屢次晃動之后極易從根部折斷,造成電機無法使用.增加一個電機轉接板,將電機的引線先焊接的轉接板上,然后將轉接板固定在電機支架或者車模地板上,這樣拆卸相關的電路板時那么不會造成電機引線的折斷.圖4-3加固電機引線3.3 傳感器安裝車模中的傳感器包括有：速度傳感器,車模姿態(tài)傳感器陀螺儀、加速度計以及光電平衡傳感器TSL1401.3.4 速度傳感器安裝我們采用光電編碼器,由于c模車留有固定的孔眼,所以安裝軸編碼器很方便.圖4-4編碼器安裝第四章賽車主要技

24、術參數改造后智能車的主要技術參數如表所示:工程參數路徑檢測方法賽題組光電平衡組車模幾何尺寸寬毫米240車模平均電流勻速行駛毫安5000電路電容總量微法1200傳感器種類及個數TSL1401*2,加速度計*1,陀螺儀*1,編他器*2賽道信息檢測空間精度毫米10賽道信息檢測頻率次/秒200主要集成電路種類/數量4/5車模重量帶有電池千克1.2第五章結論本文主要的寫作思路是由硬件到軟件,由分析到結果,由現象到本質.通過借助于上位機軟件對各項指標數據進行分析研究.首先,著重分析傳感器的設計,由于對于電磁組,賽道信息的檢測至關重要,我們拋棄了傳統的三極管電路,采用了最新運放檢測賽道下的交流信號,非常好地完成了任務.為了更好的限制車模,我們對車體進行的改造,將車體的重心降得很低；為了提升電路的可靠性,我們將驅動,最小系統等做到了一張PCB上,增強了系統的抗擾性和可靠性.直立車模限制最重要就是如何將角度限制、速度限制和方向限制綜合起來,采用PID算法來限制兩電機,實現車模直立循跡.目前,軟件算法還存在一定的瑕疵,還沒有到達我們理想的目標,有待改良.1234567891011參考文獻競賽秘書處.第