04-技术报告(湖北汽车工业学院惠捷二号).docx

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1、第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学 校：湖北汽车工业学院 队伍名称：惠捷二号 参赛队员：文U攀叶林夏平安带队教师：石振东 吕科关于技术报告和研究论文使用授权的说明本人完全了解第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽 车邀请赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参 赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体 公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技 术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编 纂收录在组委会出版论文集中。参赛队员签名:带队教师签名:日 期:目录第一章引言1第三章智能车机械部分安装和调试4第四章 智能车的电路设计与实现54.1 电

2、源部分54.2 电机驱动电路64.3 测速电路64.4 LED传感器74.4.1 激光传感器74.4.2 红外传感器84.5 按键液晶模块8第五章智能车软件设计与实现95.1 主程序流程框图95.2 程序初始化95.3 速度测量105.4 舵机和速度的PlD控制算法105.4.1 经典PID控制算法介绍105.4.2 经典PID算法在本智能车上的应用12第六章开发与调试146.1 软件开发环境介绍146.2 智能车整体调试166.2.1 舵机调试166.2.2 电机调试166.2.3 整体调试17第七章智能车技术参数说明18第八章总结19第一章引言本文详细介绍了我们为第四届全国智能车大赛而准备

3、的智能 车系统方案。该系统以Freescale 16位单片机MC9S12D64作为系 统控制处理器，采用激光传感器对赛道信息进行采集，通过单片机 处理优化，把控制信号发送给电机和舵机。同时通过自制的转速传 感器获取小车速度，进行速度反馈处理，最后利用PID控制方式作 为电机驱动。文中还将介绍赛车传感器布置及安装方法，自制电路 主板、路径优化算法及开发出的调试系统，还将介绍机械结构和调 整方法，及舵机安装方式。关键词：激光传感器、控制策略、速度传感器、优化路径第二章智能车的总体设计2.1技术方案的实现本设计以第四届飞思卡尔杯全国智能车大赛为背景，搭建了一个基于 MC9SD64单片机的智能车控制系

4、统。该系统综合了传感器技术，自动控制技 术，信号处理技术，单片机技术，使车模能够以最合适的速度自主循线,在碰 到传感器盲点时能主动找正，实时判断车体是否处正常状态并及时修正。系统采用主办方提供的飞思卡尔16位微控制器MC9S12D64作为核心控制 单元，采用PWM和PID技术，控制舵机的转向和电机转速。系统还扩展了液晶 和键盘模块作为人机操作界面，以便于智能小车的调试与相关参数调整。此 外，软件系统增加了复位快速自动重启技术，防止小车受到干扰后不能正常运 行情况的出现。信号由安装在车前部的光电传感器采集，经过选频，滤波电路 传入MCU, MCU对信号进行处理后，由PWM发生模块发出PWM波，分

5、别对转向 主舵机，电机进行控制，完成智能车的转向，前进。在智能车后轮上安有光电 编码器，采集关于车轮转速的脉冲信号,经由MCU进行PlD计算后自动调节对 电机的PWM波的占空比，控制车速度。本系统中，使用了长寿命的激光发射接收管作为黑线位置的检测。从而可 以进行识别路径。光电传感器的路径检测作为一个关键部分，对其处理的好坏 直接决定了小车运行状态和动态性能。本文析了采用位置模糊控制的理论来判 断黑线的位置，采用18个发射管能有效的提高检测精度。本系统显示了高度 的智能化、人性化，并且具备良好的安全性、稳定性与反应的灵敏性，后面的图2.1系统的总体控制框图第三章智能车机械部分安装和调试1. 1舵

6、机部分为了使转弯更加灵活，对舵机相关部分作了部分改动。首先，我们将舵机 力臂加长。这样使同样的转弯角度值，只需更小的舵机转角，减小了舵机转弯 时惯性带来的弊端。并且，通过降低舵机高度，降低整车重心，使小车转向灵 敏并且转向轻便。3. 2前轮部分为了增加前轮转弯时的稳定性，对前轮相关部分进行了部分改动。首先， 更改前后垫片的数量，使前轮主销后倾，这样，车轮具有更好的自动回正功 能。其次，改变前悬架上横臂的长度，使车轮倾角与车速适应，车轮转弯时， 能够提供足够侧向力不发生侧滑导致侧向力不足，促使赛车转弯更加稳定。再 次，我们通过更改舵机连杆的长度，使前束与车轮倾角相适宜，同样增加了前 轮的稳定性。

7、并且通过加装不同垫片，改变前悬刚度改变车轮的转向和通过性 能。4. 3底盘部分为了提高赛车运行时的稳定性，对地盘相关部分作了部分改动。首先，前 轮相关位置加垫片，降低了前轮重心。由于转向大，对底盘的部分地方做了相 应处理，使其不和轮辆发生运动干涉。其次，更改后轮车轴处的调节块，使后 轮重心升高，这样，车身前倾，一定程度上，增加了车的稳定性。5. 4后轮部分调节后轮差速，使赛车转弯更加灵活。第四章智能车的电路设计与实现4.1电源部分为了能使智能车系统能正常工作，就需要对电池电压调节。其中，单片机 系统、车速传感器电路需要5V电压，路径识别的光电传感器和接收器电路电 压工作为5V、伺服电机工作电压

8、范围4.8V至6V（或直接由电池提供），直流电 机可以使用7.2V 2000mAh Nbcd蓄电池直接供电。考虑到由于驱动电机引起 的电压瞬间下降的现象，因此采用低压降的三端稳压器成为必然。我们在采用 LM7806,和LM2940作为稳压芯片。经试验电压纹波小，完全可以满足要求。UB3 LM2940-5MCU电源图4. 2电源模块示意图4. 2电机驱动电路电机驱动使用功率管搭建的桥式驱动电路。驱动电路如图4.4所示。系统 使用PWM控制电机转速，充分利用单片机的PWM模块资源。电机PWM频 率设定为8KHzo因为桥路需要的电压和稳压要求，驱动电路通过一个升压块升压供电， PWM频率小于IOKH

9、z,具有短路保护、欠压保护、过温保护等功能。图4.4 H桥式驱动电路4. 3测速电路由于考虑到成本需要，我们采用了红外对管和自制光栅作为测速模块的硬 件构成。其中码盘为45齿的黑色圆盘，如下图所示：图4. 5光栅红外传对管安装在正对码盘的前方，虽然这样做精度比编码器要低很多， 但是成本低廉制作容易，如果智能车速度较快，可以考虑再减少码盘上黑白色 条的数量即可。当圆盘随着齿轮转动时，光电管接收到的反射光强弱交替变化，由此可以 得到一系列高低电脉冲。通过集成运放芯片设置电压比较，放大形成方波。同 时捕捉光电管输出的电脉冲的跳变沿。通过累计一定时间内的脉冲数，可以得 到和速度等价的参数值。.测速电路

10、使用自行研制的红外对射式光电测速传感器。速度测量电路使用 红外对管，自行制作的编码盘，比较电路等组成。速度测量电路图2. 8所示。红外对射式光电对管的光敏三极管信号通过比 较器处理后输入单片机的定时器端口，利用单片机的脉冲计数功能，处理智能 车速度信息。自制的编码盘有45齿，电机旋转一周将产生45次输入捕捉中 断。单片机记录两次中断的时间间隔To两次中断对应于智能车前进的距离S 为：16. 5/45 cm,即0.3666cm,其中16. 5CnI为智能车后轮实测周长。智能车 实时速度V(Cms)的计算公式如下：V=S=I 2/45 二 MS (Cm/0+5EA-%LE9O3图4. 6转速米集电

11、路4. 4 LED传感器包括上排的激光传感器和下排的红外传感器。两个传感器共同工作采集路 面彳百息O6. 4. 1激光传感器图4. 9 传感器正面激光传感器，由激光管有18个激光发射叠和六个接收管，每个接收管接 收三路激光信号。7. 4. 2红外传感器红外传感器用在车头的下排，由9个大功率红外对管构成传感电路。4. 5按键液晶模块液晶和按键模使用一块LCM1010和三个按键，按键用来设置调节各种参 数，调节过程中每个代码表示不同参数，以调整小车的基本参数使之适应比赛 时的环境条件。图4. 10液晶模块LCM1010电路图第五章智能车软件设计与实现高效稳定的软件程序是智能车平稳快速寻线的基础。本

12、智能车采用激光管 和红外对管作为寻线传感器，采集数据的处理就成了整个软件的核心内容。在 智能车的转向和速度控制方面，我们使用了增量式PID控制算法，配合使用理 论计算和实际参数补偿，使在寻线中智能车达到了稳定快速的效果。5. 1主程序流程框图图5. 1主程序流程图5. 2程序初始化初始化包括：总线时钟的设置，I/O端口的设置，ADC通道选择和工作方式配置，PWM通道选择和工作方式设置，中断设置。5. 3速度测量由硬件设计部分可知，速度采用脉冲计数器，光电编码器的输出接在定时 器接口上。在软件里，通过每隔5ms的中断处理程序读取一次脉冲次数，读完 后立即清零，等待下一次的中断。并将读取数据经过处

13、理，除去偶然误差，做 为速度值。8. 4舵机和速度的PID控制算法8.1. 1经典PlD控制算法介绍PID控制是工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律。问世至今70多年 来，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要 技术之一。单位反馈的PlD控制原理框图如图5. 2：图5. 2单位反馈的PID控制原理图单位反馈e代表理想输入与实际输出的误差，这个误差信号被送到控制 器，控制器算出误差信号的积分值和微分值，并将它们与原误差信号进行线性 组合，得到输出量u。公式1其中，3、J kd分别称为比例系数、积分系数、微分系数。U接着 被送到了执行机构，这样就获得了新的输出信号J这个

14、新的输出信号被再次送 到感应器以发现新的误差信号，这个过程就这样周而复始地进行。(1) PlD各个参数作用基本介绍：增大微分项系数可以加快动态系统响应，但容易引起震荡。一般增大比例 系数能够减小上升时间，但不能消除稳态误差。增大积分系数能够消除稳态误 差，但会使瞬时响应变差。增大微分系数能够增强系统的稳定特性，减小超 调，并且改善瞬时响应。对连续系统中的积分项和微分项在计算机上的实现， 是将上式转换成差分方程，由此实现数字PID调节器。(2)位置式PlD控制算法用矩形数值积分代替上式中的积分项，对导数项用后向差分逼近，得到数 字PID控制器的基本算式(位置算式)：公式 2其中T是采样时间，kp

15、、乙、0为三个待调参数，我们在实际代码实现算 法时，处理成以下形式：PreU = Kp * error + Ki * Integral + Kd * derror公式 3(3)增量式PlD控制算法对位置式加以变换，可以得到PlD算法的另一种实现形式(增量式)：我们在实际代码实现时，处理成以下形式:PreU += (Kp * d_error + Ki * error + Kd*dd_error) 公式 5这种算法用来控制步进电机特别方便，对直流电机也可以采用，其实如果 对控制有更高的要求或者干扰因素较多，我们可以对PlD算法做各种改进，比 如用梯形法做数值积分以提高精度，将差分改成一阶数字滤波等等，在实际调 车的过程中，我们确实遇到过由于自制码盘采样得到的脉冲上升下降沿不够 陡，使得速度采样出现不稳定和失真，但由于这些附加处理比较耗费代码的运 行时间，出于代码效率和实际效果的比较，我们没有采用这些改进的方案，另 外可以考虑加反向器来整波形得到较为理想的方波。运用PlD控制的关键是调整三个比例系数，即参数整定。PID整定的方法 有两大类：一是理论计算整定法。它