學做智能車,挑戰(zhàn)飛思卡爾之6 光電管型設計.ppt

1、第6章 智能汽車設計實踐光電管型設計,第6章 智能汽車設計實踐光電管型設計,6.1 機械設計,6.1.1 光電管傳感器的布局 6.1.2 舵機的安裝 6.1.3 測速傳感器的安裝,6.1.1 光電管傳感器的布局,1傳感器的布局間隔 2傳感器的徑向探出距離,傳感器的布局間隔,各個傳感器的布局間隔對智能車的運行，是有一定影響的。傳感器的間隔是否合適，對過彎的精確性以及防止飛車有很大的影響。 設定傳感器間隔的原則是：既要滿足一定的密度以保證走彎道時軌跡相對精確，又要盡可能擁有大的橫向控制范圍來防止飛車。若傳感器間隔設置合適，當賽道有一點微小的變化時，小車的控制單元就能進行相應的反應（改變前輪轉角），

2、從而使得過彎道的軌跡與彎道大體重合，精確性好。,傳感器的徑向探出距離,（1）“一”字形布局 : “一”字形布局是傳感器最常用的布局形式，即各個傳感器在一條直線上，從而保證縱向的一致性，使其控制策略主要集中在橫向上，其排布如圖6.1所示。,圖6.1 “一”字形布局,傳感器的徑向探出距離,（2）“八”字形布局: “八”字形布局從橫向來看與“一”字形布局類似，但它增加了縱向的特性，從而具有了一定的前瞻性，其排布如圖6.2所示。,圖6.2 “八”字形布局,傳感器的徑向探出距離,（3）“W”字形布局: 為了能夠提早地預測到彎道的出現(xiàn)，我們還可以將左右兩端的傳感器進行適當前置，從而形成“W”形布局，此外，

3、還可利用“W”形布局來檢測賽道的彎曲程度。其光電管排布如圖6.3所示。,圖6.3 “W”字形布局,6.1.2 舵機的安裝,在智能車上，舵機的輸出轉角通過連桿傳動控制前輪轉向。舵機是系統(tǒng)中一個具有較大時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。其時間延遲正比于轉過的角度，反比于舵機的響應速度。對于快速性要求極高的智能小車來說，舵機的響應速度是影響其過彎最高速度的一個重要因素，特別是對于前瞻不夠遠的智能小車更是如此。,6.1.2 舵機的安裝,提高舵機控制前輪轉向速度的一種方法是采用杠桿原理，在舵機的輸出舵盤上安裝一個較長的輸出臂，其安裝圖如圖6.4所示。,圖6.4 舵機的安裝圖,6.1.3 測速傳感器的安裝,為了減輕智能

4、車的質量，測速時應盡量選用質量輕精度高的傳感器，為了不影響加速性能，編碼器的傳動齒輪較小，基本上和電機的齒輪相同。其安裝圖如圖6.5所示。,圖6.5 測速傳感器的安裝,6.2 硬件設計,6.2.1 HCS12控制核心 6.2.2 電源管理單元 6.2.3 路徑識別單元 6.2.4 車速檢測模塊 6.2.5 舵機控制單元 6.2.6 直流驅動電機控制單元,6.2 硬件設計,硬件電路設計是智能車控制系統(tǒng)設計的基礎。智能車控制系統(tǒng)硬件結構主要由HCS12控制核心、電源管理單元、路徑識別電路、車速檢測模塊、轉向伺服電機控制電路和直流驅動電機控制電路組成，其系統(tǒng)硬件結構如圖6.6所示。,圖6.6 系統(tǒng)硬

5、件結構圖,6.2.1 HCS12控制核心,HCS12控制核心單元既可以直接采用組委會提供的MC9S12EVKX電路板，也可以自行購買MC9S12DG128單片機，然后量身制作適合自己需要的最小開發(fā)系統(tǒng)。,6.2.1 HCS12控制核心,MC9S12DG12B單片機引腳圖如圖6.7所示。,圖6.7 MC9S12DG12B單片機引腳圖,6.2.1 HCS12控制核心,在光電管方案中，其I/O口具體分配如下： PH口與PA口用于小車光電發(fā)光管發(fā)光控制； PT0用于車速檢測的輸入口； PB口用于顯示小車的各種性能參數(shù)； PWM0（PP0引腳）與PWM1（PP1引腳）合并用于伺服舵機的PWM控制信號輸出

6、； PWM2（PP2引腳）與PWM3（PP3引腳）合并用于驅動電機的PWM控制信號輸出（電機正轉）； PWM4（PP4引腳）與PWM5（PP5引腳）合并用于驅動電機的PWM控制信號輸出（電機反轉）。 在連續(xù)路徑識別算法中，PAD口用于傳感區(qū)光電接收管電壓信號的輸入口。,6.2.2 電源管理單元,電源管理單元是智能車硬件設計中的一個重要組成部分，它的作用是對組委會提供的7.2 V 1800 mA Ni-cd蓄電池進行電壓調節(jié)。按照系統(tǒng)各部分正常工作的需要，各模塊電壓值分為5 V, 6.5 V和7.2 V三個擋。,6.2.2 電源管理單元,電源管理單元主要用于以下三個方面： （1）采用穩(wěn)壓管芯片L

7、7805CV將電源電壓穩(wěn)壓到5 V后，給單片機系統(tǒng)電路、路徑識別的光電傳感器電路、車速檢測的轉角編碼器電路和驅動芯片MC33886電路供電； （2）經過一個二極管降至6.5 V左右后供給轉向伺服電機； （3）直接供給直流驅動電機。,6.2.2 電源管理單元,同時考慮到穩(wěn)壓芯片L7805CV的額定輸出電流較小，故采用兩片L7805CV分別對單片機電路、車速檢測電路、驅動芯片電路和光電傳感器電路供電，以保證系統(tǒng)正常運行。其穩(wěn)壓電路如圖6.8所示。,圖6.8 穩(wěn)壓電源單元,6.2.3 路徑識別單元,在光電管方案中，通過紅外發(fā)光管發(fā)射紅外光照射跑道，由于跑道表面與中心線具有不同的反射強度，因此利用紅外

8、接收管可以檢測到這些信息。通過合理安排紅外發(fā)射/接收管的空間位置可以檢測到智能車相對于前方道路的位置。紅外發(fā)射接收管一般安放在模型車前端，可以安裝成一排，也可以前后安裝兩排，傳感器的總數(shù)量受到比賽規(guī)則的限制。,6.2.3 路徑識別單元,紅外接收管接收道路反射的紅外光后產生電壓的變化，它可以反映出賽道中心線的位置。這個電壓信號可以通過外部的電壓比較器變成高、低電平由單片機的I/O端口讀取，也可以通過單片機A/D端口直接讀取。從I/O端口讀取的參考電路如圖6.9所示，從A/D端口直接讀取的參考電路如圖6.10所示。,圖6.9 I/O端口讀取電路,圖6.10 A/D端口讀取電路,6.2.3 路徑識別

9、單元,兩個光電管方案中常見的問題 1相鄰光電管之間的干擾 2光電管發(fā)射功率的影響,相鄰光電管之間的干擾,由于紅外發(fā)射管是基于漫反射原理的，其發(fā)射的紅外光可能影響到安裝在附近的紅外接收管。消除這種干擾可以采取以下幾種措施： （1）選擇發(fā)射與接收方向性好的紅外傳感器。 （2）選擇發(fā)射與接收一體化的紅外傳感器，它的外殼可以抑制相鄰干擾。 （3）在紅外接收管上安裝黑色套管，使其只接收前方一定角度內的紅外光線，這種減小互擾動的措施效果較好。 （4）使相鄰的紅外發(fā)射/接收管交替工作（即“點火”）。這種方法不僅減小了相鄰紅外傳感器之間的干擾，同時也降低了整體傳感器的功耗。,光電管發(fā)射功率的影響,為了增加前瞻

10、距離，需要加大光電管紅外發(fā)射功率，使得返回的紅外線的強度提高，這樣不僅使得電池電能的消耗量增加，同時也會縮短紅外發(fā)射管的壽命。為解決這個問題，可以利用紅外接收管響應速度快的特點，采用光電管脈沖發(fā)射/接收的方法加以處理。紅外發(fā)射管工作在周期脈沖方式下，可以大大降低平均工作電流，從而降低了整個發(fā)射電路的電量消耗。,6.2.4 車速檢測模塊,為了使得模型車能夠平穩(wěn)地沿著賽道運行，除了控制前輪轉向舵機以外，還需要控制車速。通過對速度的檢測，可以對車模速度進行閉環(huán)反饋控制。此外，若采用基于路徑記憶的控制策略，為了獲取道路信息，需要得到智能車的行駛距離，也必須通過車速檢測模塊來間接實現(xiàn)。,6.2.4 車速

11、檢測模塊,車速檢測一般是通過檢測驅動電機轉速來實現(xiàn)的。比賽中所使用的常見測速方法列舉如下： 1轉角編碼盤 2反射式光電檢測 3霍爾傳感器檢測,轉角編碼盤,轉角編碼盤分為絕對位置輸出和增量式位置輸出兩種。一般可使用增量式編碼盤。它輸出脈沖的個數(shù)正比于電機轉動的角度，從而使編碼盤輸出脈沖的頻率正比于轉速?？梢酝ㄟ^測量單位周期內脈沖個數(shù)或者脈沖周期得到脈沖的頻率。,反射式光電檢測,許多隊伍在后輪齒輪傳動盤上粘貼一個黑白相間的碼盤，通過安裝在碼盤側面的反射式紅外傳感器，來讀取光碼盤的轉動脈沖。其原理和轉角編碼盤的測速機理是類似的。,霍爾傳感器檢測,在后輪輪轂上粘貼1個或者2個小型的永磁體，附近固定一個

12、霍爾傳感器?；魻栐?個引腳，其中2個分別是電源引腳和接地引腳，另一個是輸出信號引腳，只要通過一個上拉電阻接至5 V電壓，就可以形成開關脈沖信號。后輪電機每轉1周，則可以產生1個或者2個脈沖信號。這種方式簡易、廉價，但測速精度不如前面的方法，因為永磁體本身的體積決定了不可能在后輪輪轂上安裝過多磁片，對測速精度要求不高的隊伍可以考慮此方法。,6.2.5 舵機控制單元,舵機本身是一個位置隨動系統(tǒng)。它是由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機和控制電路組成的。通過內部的位置反饋，使它的舵盤輸出轉角正比于給定的控制信號，因此對于它的控制可以使用開環(huán)控制方式。在負載力矩小于其最大輸出力矩的情況下，

13、它的輸出轉角正比于給定的脈沖寬度。但實際上，由于舵機反應的延遲性，智能車的舵機轉角通常不能在一個控制周期內到達指定的設定角度，因此，可以在舵機外部再安裝一個位置反饋裝置，構成雙閉環(huán)系統(tǒng)，以實時檢測和控制舵機的轉動角度。,6.2.5 舵機控制單元,舵機控制單元采用組委會提供的Futaba公司S3010型舵機作為智能車方向控制部件。,圖6.14 轉向伺服電機實物圖,6.2.6 直流驅動電機控制單元,直流驅動電機控制電路主要用來控制直流電動機的轉動方向和轉動速度。改變直流電動機兩端的電壓可以控制電動機的轉動方向；而控制直流電動機的轉速，則有不同的方案，較常規(guī)的方法是采用PWM控制。驅動電路既可以直接

14、采用MC33886電機驅動芯片，也可以采用大功率MOS管來自行設計電機驅動電路。,MC33886全橋驅動電路,采用MC33886的全橋驅動時，為了提供更大的驅動電流，可以將多片MC33886并聯(lián)使用，其采用3片MC33886并聯(lián)方式驅動電機硬件電路如圖6.15所示。,圖6.15 電機驅動硬件電路圖,大功率MOS管電機驅動電路,采用大功率MOS管組成電機驅動電路時，在保證大電流驅動電機的同時，可以有效地避免多片MC33886并聯(lián)時由于芯片分散性導致的驅動芯片某些片發(fā)熱某些不發(fā)熱的現(xiàn)象。但由分離元件組成的驅動電路的穩(wěn)定性低于集成芯片。,圖6.16 MOS管組成電機驅動電路,6.3 軟件設計,6.3

15、.1 初始化算法 6.3.2 路徑離散識別算法 6.3.3 路徑連續(xù)識別算法 6.3.4 控制策略及控制算法,6.3 軟件設計,在智能車控制系統(tǒng)光電管方案的軟件設計中，程序的主流程是：先完成單片機初始化（包括I/O模塊、PWM模塊、計時器模塊、定時中斷模塊初始化）之后，通過無限循環(huán)語句不斷地重復執(zhí)行路徑檢測程序、數(shù)據處理程序、控制算法程序、舵機輸出及驅動電機輸出程序。其中，定時中斷用于檢測小車當前速度，作為小車速度閉環(huán)控制的反饋信號。,6.3 軟件設計,光電管方案主程序流程圖如圖6.17所示。,圖6.17 光電管方案主程序流程圖,6.3.1 初始化算法,1鎖相環(huán)初始化 2A/D初始化 3PWM

16、初始化 4定時器初始化,6.3.2 路徑離散識別算法,路徑離散識別算法是通過普通I/O端口將光電管接收端的電壓值讀入單片機，根據端口輸入的高、低電平邏輯來判斷該傳感器是否處于黑色引導線上方，再篩選出所有處于引導線上方的傳感器，便可以大致判斷出此時車身相對道路的位置，確定出路徑信息。,6.3.2 路徑離散識別算法,路徑離散識別算法簡便易行，因為輸入量為開關量，所以對硬件及算法的要求都比較低，在傳感器數(shù)目較多的情況下也可以實現(xiàn)較高的識別準確性。但它的一個缺陷在于路徑信息只是基于間隔排布的傳感器的離散值，對于兩個相鄰傳感器之間的“盲區(qū)”無法提供有效的距離信息，因此其路徑識別精度極大地受限于傳感器的間

17、距。此外，由于離散算法得到的路徑信息是離散值，如果將離散的路徑信息直接應用到轉向及車速控制策略中去，會導致轉向及車速調節(jié)的階躍式非連續(xù)變化，這將會對智能車的性能產生不利影響。此時，舵機轉向及車速控制僵硬，舵機對路徑變化反應不靈敏，舵機輸出轉向相對于路徑為階躍式延遲響應，易產生超調及振蕩現(xiàn)象，對于追求高車速、短決策周期的控制策略來說，很可能因為舵機響應不及時而造成控制失效。,6.3.3 路徑連續(xù)識別算法,路徑連續(xù)識別算法是通過單片機A/D口將接收管電壓讀入。道路中心線相對于各個紅外接收管的距離所引起的電壓變化經A/D轉換成相應的數(shù)字量，然后通過插值運算可以得到更加精確的路徑信息。然而，由于器件制

18、造工藝引起的分散性問題，各個光電管的性能特性存在很大的差異，特別是電壓波動范圍相差較大，這就給算法制定統(tǒng)一的標準帶來了困難。為了解決這一問題，可以采用歸一化方法把各傳感器的電壓值都處理成相對于該傳感器最大電壓（白區(qū)的電壓）和最小電壓（黑區(qū)的電壓）的變化百分比，以使所有的特性曲線的范圍都將在0100之間。,6.3.3 路徑連續(xù)識別算法,在比賽前先對光電管進行預標定，找到各光電管對黑線的敏感程度，將預標定過程中各個光電管的最大值和最小值存下來，用最大值減去最小值得到每個傳感器在賽道上的輸出范圍，小車行駛過程中，將每個傳感器輸出的信號減去最小值，再除以該傳感器的輸出范圍即可得到其相對輸出值，然后找到

19、其中最大的那個值。該值對應的光電管下面的黑線比例為最大，然后找到此光電管旁的另外兩個光電管?？梢愿鶕@三個值可以算出黑線的準確位置。,6.3.4 控制策略及控制算法,1轉角的控制 2車速的控制 3路徑記憶算法,6.3.4 控制策略及控制算法,為保證小車一直沿著黑色引導線快速行駛，系統(tǒng)主要的控制對象是小車的轉向和車速。即應使小車在直道上以最快的速度行駛。在進入彎道的過程中盡快減速，且轉向要適合彎道的曲率，確保小車平滑地轉彎，并在彎道中保持恒速。從彎道進入直道時，小車的舵機要轉至中間，速度應該立即得到提升，直至以最大的速度行進。為實現(xiàn)上述控制思想，可以采用不同的控制方法來控制小車的轉角和速度。,轉

20、角的控制,為了使舵機迅速地轉至期望的角度，先通過前排發(fā)射接收光電管檢測黑線，當小車處于直道時，最中間的光電管檢測到信號，當處于不同曲率的彎道時，前排兩側不同的光電管將檢測到信號。所以，根據前排光電管檢測到的不同信號，可以判斷出小車所處的位置。然后，根據小車的位置再對調整舵機進行相應的調整。,轉角的控制,調整舵機的原則是：小車處于直道時，擺正舵機。小車處于彎道的曲率越大，則舵機轉角越大。除此之外，小車還會遇到黑色交叉線的特殊情況，對此，本系統(tǒng)將保持小車原有的方向與速度，使小車不受交叉線的干擾。如果小車轉過的彎過大，則可能使前排光電管全部偏離黑色軌跡，從而沒有一個光電管檢測到黑線，故應使舵機保持原

21、角度，讓小車急轉駛回正道。同時，將速度適當降低，防止小車沖出軌跡。,轉角的控制,這里采用比例和微分相結合的PD控制方法。 （1）比例控制：通過前面提取的position與中心位置相減得到比例控制的偏差量，然后再根據偏差量的大小采用比例系數(shù)控制舵機轉向。 （2）微分控制：通過存儲連續(xù)20次采樣所得到的黑線位置，可以計算出相應的黑線位置變化率，進而根據這個變化率的大小，來調整微分系數(shù)，以控制舵機轉向。,車速的控制,因為小車比賽的賽道是未知的，彎道的分布情況也不能確定，小車可能頻繁地進出彎道，不停地調整速度來適應不同軌跡。所以，需要對智能車的速度進行閉環(huán)控制，使得小車的速度能夠頻繁地變化，且能在很短

22、的時間內由當前速度轉變?yōu)槠谕霓D速?；谶@幾點的考慮，可以考慮利用MC9S12DG128單片機的模糊指令集。,路徑記憶算法,由于傳感器看到賽道的長度有限，不能很好地對賽道狀況進行預測，因此，如果小車在跑第一圈的時候能夠記下賽道全部路徑信息，在第二圈的時候則能夠根據第一圈的記憶信息輔助控制，在相同條件下將比不使用賽道記憶的智能車更具有優(yōu)勢。,路徑記憶算法,成功實現(xiàn)賽道記憶算法，必須具備以下五個條件 賽車必須識別起跑線。 賽車需要在第一圈記下正確的賽道信息。 正確地濾波。 賽車必須擁有足夠的存儲空間。 賽車在第二圈如何應用第一圈記下的信息。,起跑線的檢測,從圖6.18的起始線的特點可以看到，在兩條

23、黑線之間有大約2 cm的白色區(qū)域，可以通過識別這個特征信息，來區(qū)別起始線和十字交叉線。我們采用一排為五個的紅外光電管，中間三個之間的距離為2 cm，旁邊兩個的距離為5 cm，如圖6.19所示。,圖6.18 起始線尺寸圖,圖6.19 光電管排列圖,賽車如何在第一圈記下正確的賽道信息,當起跑線被檢測到后，開始對賽道進行記憶。我們采用的是分段式記憶算法，當黑線的位置在中間某個區(qū)域內則記為直道，在右面的區(qū)域則記為右彎道，在左面的區(qū)域則記為左彎道。我們利用編碼器記錄小車走過的路程，具體做法為：用PCAN1記錄編碼器的脈沖數(shù)，輸入到計數(shù)器當中，進而采用計數(shù)器的溢出中斷來對賽道進行定距離記憶，當計數(shù)器的脈沖數(shù)溢出時，這時計數(shù)器申請溢出中斷，從而實現(xiàn)對賽道定距離記憶。當?shù)诙螜z測到起始線時記憶結束。,正確的濾波,確的濾波對賽道記憶而言是至關重要的，它決定了在第二圈時賽車的運行路線和運行速度，對賽道濾波需要分兩種情況，第一種就是在記憶過程中對賽道濾波，由于我們采用的是分段式記憶方法，當某一段記到的脈沖數(shù)小于某個數(shù)時，這時我們把它歸為上一段。第二種就是在第二次檢測到起始線后對賽道進行全局濾波，這時我們要從賽道中濾出小S道、大S道