標(biāo)題: 飛思卡爾無(wú)人小車的技術(shù)設(shè)計(jì)資料 [打印本頁(yè)]
作者: kangzhenhua 時(shí)間: 2018-12-14 10:11
標(biāo)題: 飛思卡爾無(wú)人小車的技術(shù)設(shè)計(jì)資料
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主要內(nèi)容包括系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，主控板設(shè)計(jì)，傳感器模塊設(shè)計(jì)等等。
這份技術(shù)報(bào)告中，我們小組通過(guò)對(duì)整體方案、電路、算法、調(diào)試、車輛參數(shù)的介紹，詳盡地闡述了我們的思想和創(chuàng)意，具體表現(xiàn)在電路的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以及算法方面的獨(dú)特想法，而對(duì)單片機(jī)具體參數(shù)的調(diào)試也讓我們付出了艱辛的勞動(dòng)。這份報(bào)告凝聚著我們的心血和智慧，是我們共同努力后的成果。
在準(zhǔn)備比賽的過(guò)程中，我們小組成員涉獵控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科，這次磨練對(duì)我們的知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)有極大的推動(dòng)作用，在此要感謝清華大學(xué)，感謝他們將這項(xiàng)很有意義的科技競(jìng)賽引入中國(guó)；也感謝北京科技大學(xué)相關(guān)學(xué)院對(duì)此次比賽的關(guān)注，我們的成果離不開(kāi)學(xué)校的大力支持及指導(dǎo)老師悉心的教導(dǎo)；還要感謝的是和我們一起協(xié)作的隊(duì)員們，協(xié)助，互促，共勉使我們能夠走到今天。
引言
目錄
第一章、方案設(shè)計(jì)
1.1系統(tǒng)總體方案的選定
1.2系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)
小結(jié)
第二章、智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化
2.1智能車車體機(jī)械建模
2.2智能車前輪定位的調(diào)整
2.2.1主銷后傾角
2.2.2主銷內(nèi)傾角
2.2.3車輪外傾角
2.2.4 前輪前束
2.3智能車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化
2.4智能車后輪減速齒輪機(jī)構(gòu)調(diào)整
2.5其它機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整
第三章、電路設(shè)計(jì)說(shuō)明
3.1 主控板的設(shè)計(jì)
3.1.1 電源管理模塊
3.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
3.1.3 主控板設(shè)計(jì)
3.1.4 接口模塊
3.1.5 信號(hào)采集模塊
3.2 智能車傳感器模塊設(shè)計(jì)
3.2.1光電傳感器的原理
3.2.2 激光傳感器的設(shè)計(jì)
第四章、智能車控制軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明
4.1光感器的路徑精確識(shí)別技術(shù)
4.1.1 光電傳感器路徑識(shí)別狀態(tài)分析
4.1.2 光電傳感器路徑識(shí)別算法
4.2彎道策略分析
4.3彎道策略制定
第五章、開(kāi)發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過(guò)程說(shuō)明
5.1 開(kāi)發(fā)工具
5.2 調(diào)試過(guò)程
第六章、模型車的主要技術(shù)參數(shù)說(shuō)明
6.1 智能車外形參數(shù)
6.2 電路部分參數(shù)
6.3 除了車模原有的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵機(jī)之外伺服電機(jī)數(shù)量
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
第一章、方案設(shè)計(jì)本章主要簡(jiǎn)要地介紹智能車系統(tǒng)總體方案的選定和總體設(shè)計(jì)思路，在后面的章節(jié)中將整個(gè)系統(tǒng)分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制模塊、控制算法等三部分對(duì)智能車控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的介紹分析。
1.1系統(tǒng)總體方案的選定通過(guò)學(xué)習(xí)競(jìng)賽規(guī)則和往屆競(jìng)賽相關(guān)技術(shù)資料了解到，路徑識(shí)別模塊是智能車系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識(shí)別方案的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣，因此確定路徑識(shí)別模塊的類型是決定智能車總體方案的關(guān)鍵。如圖2.1，而目前能夠用于智能車輛路徑識(shí)別的傳感器主要有光電傳感器和CCD/CMOS傳感器。光電傳感器尋跡方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、信號(hào)處理速度快，但是其前瞻距離有限；CCD攝像頭尋跡方案的優(yōu)點(diǎn)則是可以更遠(yuǎn)更早地感知賽道的變化，但是信號(hào)處理卻比較復(fù)雜，如何對(duì)攝像頭記錄的圖像進(jìn)行處理和識(shí)別，加快處理速度是攝像頭方案的難點(diǎn)之一。在比較了兩種傳感器優(yōu)劣之后，考慮到CCD傳感器圖像處理的困難后，決定選用應(yīng)用廣泛的光電傳感器，相信通過(guò)選用大前瞻的光電傳感器，加之精簡(jiǎn)的程序控制和較快的信息處理速度，光電傳感器還是可以極好的控制效果的。
圖1.1 光電傳感器參賽車與CCD傳感器參賽車
1.2系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)競(jìng)賽規(guī)則規(guī)定，智能車系統(tǒng)采用飛思卡爾的16位微控制器MC9S12DG128B單片機(jī)作為核心控制單元用于智能車系統(tǒng)的控制。在選定智能車系統(tǒng)采用光電傳感器方案后，賽車的位置信號(hào)由車體前方的光電傳感器采集，經(jīng)S12 MCU的I/O口處理后，用于賽車的運(yùn)動(dòng)控制決策，同時(shí)內(nèi)部ECT模塊發(fā)出PWM波，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)對(duì)智能車進(jìn)行加速和減速控制，以及伺服電機(jī)對(duì)賽車進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，使賽車在賽道上能夠自主行駛，并以最短的時(shí)間最快的速度跑完全程。為了對(duì)賽車的速度進(jìn)行精確的控制，在智能車后軸上安裝光電編碼器，采集車輪轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)，經(jīng)MCU捕獲后進(jìn)行PID自動(dòng)控制，完成智能車速度的閉環(huán)控制。此外，還增加了鍵盤(pán)作為輸入輸出設(shè)備，用于智能車的角度和方位控制。系統(tǒng)總體方框圖如圖1.2。
1
第三屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告
圖1.2系統(tǒng)總體方框圖
根據(jù)以上系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，賽車共包括七大模塊：MC9S12DG128B主控模塊、傳感器模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測(cè)模塊輔助調(diào)試模塊。各模塊的作用如下：
MC9S12DG128B主控模塊，作為整個(gè)智能車的“大腦”，將采集光電傳感器、光電編碼器等傳感器的信號(hào)，根據(jù)控制算法做出控制決策，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和伺服電機(jī)完成對(duì)智能車的控制。
傳感器模塊，是智能車的“眼睛”，可以通過(guò)一定的前瞻性，提前感知前方的賽道信息，為智能車的“大腦”做出決策提供必要的依據(jù)和充足的反應(yīng)時(shí)間。
電源模塊，為整個(gè)系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和伺服電機(jī)完成智能車的加減速控制和轉(zhuǎn)向控制。
速度檢測(cè)模塊，檢測(cè)反饋智能車后輪的轉(zhuǎn)速，用于速度的閉環(huán)控制。
輔助調(diào)試模塊主要用于智能車系統(tǒng)的功能調(diào)試、賽車狀態(tài)監(jiān)控等方面。
小結(jié)本章重點(diǎn)分析了智能車系統(tǒng)總體方案的選擇，并介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，以及簡(jiǎn)要地分析了系統(tǒng)各模塊的作用。在今后的章節(jié)中，將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制模塊和控制算法等三個(gè)方面的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。
第二章、智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化
我們對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求是：簡(jiǎn)單而高效。我們?cè)诓粩嗟膰L試后確定了以下的設(shè)計(jì)方案:
圖2.1 智能車器件布局圖
智能車系統(tǒng)任何的控制都是在一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，因此在設(shè)計(jì)整個(gè)軟件架構(gòu)和算法之前一定要對(duì)整個(gè)車模的機(jī)械結(jié)構(gòu)有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，然后建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。從而再針對(duì)具體的設(shè)計(jì)方案來(lái)調(diào)整賽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并在實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中不斷的改進(jìn)和提高。本章將主要介紹智能車車模的機(jī)械結(jié)構(gòu)和調(diào)整方案。
2.1智能車車體機(jī)械建模此次競(jìng)賽選用的智能車競(jìng)賽專用車模(G768仿真車模)。智能車的控制采用的是前輪轉(zhuǎn)向，后輪驅(qū)動(dòng)方案。智能車的外形大致如下：
圖2.2 智能車外形圖
其基本的尺寸參數(shù)如表2.1：
表2.1 模型車基本尺寸參數(shù)
2.2智能車前輪定位的調(diào)整現(xiàn)代汽車在正常行駛過(guò)程中，為了使汽車直線行駛穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向后能自動(dòng)回正，減少輪胎和轉(zhuǎn)向系零件的磨損等，在轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向節(jié)和前軸之間須形成一定的相對(duì)安裝位置，叫車輪定位，其主要的參數(shù)有：主銷后傾、主銷內(nèi)傾、車輪外傾和前束[2]。智能車競(jìng)賽模型車的四項(xiàng)參數(shù)都可以調(diào)整，但是由于模型車加工和制造精度的問(wèn)題，在通用的規(guī)律中還存在著一些偶然性。
2.2.1主銷后傾角主銷后傾角是指在縱向平面內(nèi)主銷軸線與地面垂直線之間的夾角[2]。它在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反的回正力矩，使車輪自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的中間位置上。所以，主銷后傾角越大，車速越高，前輪自動(dòng)回正的能力就越強(qiáng)，但是過(guò)大的回正力矩會(huì)使車輛轉(zhuǎn)向沉重。通常主銷后傾角值設(shè)定在1°到3°。
模型車通過(guò)增減黃色墊片的數(shù)量來(lái)改變主銷后傾角的，由于競(jìng)賽所用的轉(zhuǎn)向舵機(jī)力矩不大，過(guò)大的主銷后傾角會(huì)使轉(zhuǎn)向變得沉重，轉(zhuǎn)彎反應(yīng)遲滯，所以設(shè)置為0°，以便增加其轉(zhuǎn)向的靈活性。
2.2.2主銷內(nèi)傾角主銷內(nèi)傾角是指在橫向平面內(nèi)主銷軸線與地面垂直線之間的夾角，它的作用也是使前輪自動(dòng)回正[2]。角度越大前輪自動(dòng)回正的作用就越強(qiáng)，但轉(zhuǎn)向時(shí)也就越費(fèi)力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動(dòng)回正的作用就越弱。通常汽車的主銷內(nèi)傾角不大于8°。
對(duì)于模型車，通過(guò)調(diào)整前橋的螺桿的長(zhǎng)度可以改變主銷內(nèi)傾角的大小，由于過(guò)大的內(nèi)傾角也會(huì)增大轉(zhuǎn)向阻力，增加輪胎磨損，所以在調(diào)整時(shí)可以近似調(diào)整為0°~3°左右，不宜太大。
主銷內(nèi)傾和主銷后傾都有使汽車轉(zhuǎn)向自動(dòng)回正，保持直線行駛的功能。不同之處是主銷內(nèi)傾的回正與車速無(wú)關(guān)，主銷后傾的回正與車速有關(guān)，因此高速時(shí)主銷后傾的回正作用大，低速時(shí)主銷內(nèi)傾的回正作用大。
2.2.3車輪外傾角前輪外傾角是指通過(guò)車輪中心的汽車橫向平面與車輪平面的交線與地面垂線之間的夾角[2]，對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向性能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安全性和轉(zhuǎn)向操縱的輕便性[1]。在汽車的橫向平面內(nèi)，輪胎呈“八”字型時(shí)稱為“負(fù)外傾”，而呈現(xiàn)“V”字形張開(kāi)時(shí)稱為正外傾。如果車輪垂直地面一旦滿載就易產(chǎn)生變形，可能引起車輪上部向內(nèi)傾側(cè)，導(dǎo)致車輪聯(lián)接件損壞。所以事先將車輪校偏一個(gè)正外傾角度，一般這個(gè)角度約在1°左右，以減少承載軸承負(fù)荷，增加零件使用壽命，提高汽車的安全性能。
模型車提供了專門(mén)的外傾角調(diào)整配件，近似調(diào)節(jié)其外傾角。由于競(jìng)賽中模型主要用于競(jìng)速，所以要求盡量減輕重量，其底盤(pán)和前橋上承受的載荷不大，所以外傾角調(diào)整為0°即可，并且要與前輪前束匹配。
2.2.4 前輪前束所謂前束是指兩輪之間的后距離數(shù)值與前距離數(shù)值之差，也指前輪中心線與縱向中心線的夾角[2]。前輪前束的作用是保證汽車的行駛性能，減少輪胎的磨損。前輪在滾動(dòng)時(shí)，其慣性力自然將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動(dòng)時(shí)的偏斜方向就會(huì)抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象會(huì)減少。像內(nèi)八字那樣前端小后端大的稱為“前束”，反之則稱為“后束”或“負(fù)前束”。在實(shí)際的汽車中，一般前束為0~12mm 。
在模型車中，前輪前束是通過(guò)調(diào)整伺服電機(jī)帶動(dòng)的左右橫拉桿實(shí)現(xiàn)的。主銷在垂直方向的位置確定后，改變左右橫拉桿的長(zhǎng)度即可以改變前輪前束的大小。在實(shí)際的調(diào)整過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)較小的前束，約束0~2mm可以減小轉(zhuǎn)向阻力，使模型車轉(zhuǎn)向更為輕便，但實(shí)際效果不是十分明顯。
雖然模型車的主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角和前束等均可以調(diào)整，但是由于車模加工和制造精度的問(wèn)題，在通用的規(guī)律中還存在著不少的偶然性，一切是實(shí)際調(diào)整的效果為準(zhǔn)。
2.3智能車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化理想的轉(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)車輛的的轉(zhuǎn)向建模。在這種理想的模型下，車體的轉(zhuǎn)向半徑可以計(jì)算得到。
圖2.3 智能車轉(zhuǎn)向示意圖
如圖2.3，假設(shè)智能車系統(tǒng)為理想的轉(zhuǎn)向模型，且其重心位于其幾何中心。車輪滿足轉(zhuǎn)向原理，左右輪的軸線與后輪軸線這三條直線必然交于一點(diǎn)。
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在車輛運(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)可以保證在車輛直線行駛過(guò)程中不會(huì)跑偏，能保證車輛行駛的方向穩(wěn)定性；而在車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，合適的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以使車輛自行回到直線行駛狀態(tài)，具有好的回正性。正是由于這些原因，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)成為智能車設(shè)計(jì)中機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的重點(diǎn)，直接關(guān)系到賽車能否順利地完成比賽。在實(shí)際操作中，我們通過(guò)理論計(jì)算的方案進(jìn)行優(yōu)化，然后做出實(shí)際結(jié)構(gòu)以驗(yàn)證理論數(shù)據(jù)，并在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中不斷改進(jìn)。
在模型車制做過(guò)程中，賽車的轉(zhuǎn)向是通過(guò)舵機(jī)帶動(dòng)左右橫拉桿來(lái)實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)向舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和功率是一定，要想加快轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)響應(yīng)的速度，唯一的辦法就是優(yōu)化舵機(jī)的安裝位置和其力矩延長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度。由于功率是速度與力矩乘積的函數(shù)，過(guò)分追求速度，必然要損失力矩，力矩太小也會(huì)造成轉(zhuǎn)向遲鈍，因此設(shè)計(jì)時(shí)就要綜合考慮轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度與舵機(jī)力矩之間的關(guān)系，通過(guò)優(yōu)化得到一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)向效果。經(jīng)過(guò)最后的實(shí)際的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算，最后得出一套可以穩(wěn)定、高效工作的參數(shù)及機(jī)構(gòu)。
如圖3.3，我們最終設(shè)計(jì)的這套轉(zhuǎn)向拉桿，我們綜合考慮了速度與扭矩間的關(guān)系，并根據(jù)模型車底盤(pán)的具體結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了安裝方式，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。
圖3.3 轉(zhuǎn)向拉桿圖
2.4智能車后輪減速齒輪機(jī)構(gòu)調(diào)整模型車后輪采用RS-380SH 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)軸與后輪軸之間的傳動(dòng)比為 18：76（電機(jī)軸齒輪齒數(shù)為18，后軸傳動(dòng)齒數(shù)為76）。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)車模的驅(qū)動(dòng)能力有很大的影響。齒輪傳動(dòng)部分安裝位置的不恰當(dāng)，會(huì)大大增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪的負(fù)載，會(huì)嚴(yán)重影響最終成績(jī)。調(diào)整的原則是：兩傳動(dòng)齒輪軸保持平行, 齒輪間的配合間隙要合適，過(guò)松容易打壞齒輪，過(guò)緊又會(huì)增加傳動(dòng)阻力，浪費(fèi)動(dòng)力；傳動(dòng)部分要輕松、順暢，不能有遲滯或周期性振動(dòng)的現(xiàn)象。判斷齒輪傳動(dòng)是否良好的依據(jù)是，聽(tīng)一下電機(jī)帶動(dòng)后輪空轉(zhuǎn)時(shí)的聲音。聲音刺耳響亮，說(shuō)明齒輪間的配合間隙過(guò)大，傳動(dòng)中有撞齒現(xiàn)象；聲音悶而且有遲滯，則說(shuō)明齒輪間的配合間隙過(guò)小，或者兩齒輪軸不平行，電機(jī)負(fù)載變大。調(diào)整好的齒輪傳動(dòng)噪音很小，并且不會(huì)有碰撞類的雜音，后輪減速齒輪機(jī)構(gòu)就基本上調(diào)整好了，動(dòng)力傳遞十分流暢。
2.5其它機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整另外，在模型車的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面還有很多可以改進(jìn)的地方，比如說(shuō)車輪、懸架、底盤(pán)、車身高度等。
模型車在高速的條件下（2.3m/s~3.5m/s），由于快速變化的加減速過(guò)程，使得模型車的輪胎與輪輞之間很容易發(fā)生相對(duì)位移，可能導(dǎo)致在加速時(shí)會(huì)損失部分驅(qū)動(dòng)力。在實(shí)驗(yàn)中調(diào)試表明，賽車在高速下每跑完一圈，輪胎與輪輞之間通常會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)厘米的相對(duì)位移，嚴(yán)重影響了賽車的加速過(guò)程。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)趯?shí)際調(diào)試過(guò)程中對(duì)車輪進(jìn)行了粘胎處理，可以有效地防止由于輪胎與輪輞錯(cuò)位而引起的驅(qū)動(dòng)力損失的情況。
此外，我們還對(duì)模型車的前后懸架彈簧的預(yù)緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)，選用不同彈性系統(tǒng)的彈簧等方法進(jìn)行了改進(jìn)，并且對(duì)車身高度，以及底盤(pán)的形狀和質(zhì)量 、后輪的輪距等，都進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)和調(diào)整，均取得了不錯(cuò)效果。
第三章、電路設(shè)計(jì)說(shuō)明3.1 主控板的設(shè)計(jì)3.1.1 電源管理模塊圖3.1 電源管理模塊原理圖
電源模塊對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)極其重要，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)是否能夠正常工作，因此在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)選好合適的電源。
競(jìng)賽規(guī)則規(guī)定，比賽使用智能車競(jìng)賽統(tǒng)一配發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)車模用7.2V 2000mAh Ni-cd供電，而單片機(jī)系統(tǒng)、路徑識(shí)別的光電傳感器、光電碼編碼器等均需要5V電源，伺服電機(jī)工作電壓范圍4V到6V（為提高伺服電機(jī)響應(yīng)速度，采用7.2V 供電），直流電機(jī)可以使用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄電池直接供電，智能車電壓調(diào)節(jié)電路示例見(jiàn)圖3。
5V電源模塊用于為單片機(jī)系統(tǒng)、傳感器模塊等供電。常用的電源有串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源（LM2940、7805等）和開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源（LM2596、LM2575等）兩大類。前者具有紋波小、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是效率較低，功耗大；后者功耗小，效率高，但電路卻比較復(fù)雜，電路的紋波大。對(duì)于單片機(jī)，需要提供穩(wěn)定的5V電源，由于LM2940的穩(wěn)壓的線性度非常好，所以選用LM2940-5單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行供電；而其它模塊則需要通過(guò)較大的電流，而LM2596-5，轉(zhuǎn)換效率高，帶載能力大，缺點(diǎn)是其紋波電壓大，不適合做單片機(jī)電源，不過(guò)對(duì)其它模塊供電還是能保證充電的電源。利用LM2940-5和LM2596-5對(duì)控制系統(tǒng)和執(zhí)行部分開(kāi)供電，可以有效地防止各器件之間發(fā)生干擾，以及電流不足的問(wèn)題，使得系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作
3.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
圖3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖
電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用主辦方提供的33886作為驅(qū)動(dòng)芯片， MCU通過(guò)IN1引腳輸入PWM波，以調(diào)節(jié)33886的DNC口的輸出電壓,調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢，并且在IN2口輸入電壓以調(diào)節(jié)電機(jī)的反轉(zhuǎn)和制動(dòng)功能。
3.1.3 主控板設(shè)計(jì)智能車控制系統(tǒng)主控電路圖3.3：
圖3.3 MC9S12DG128主控板電路圖
智能車系統(tǒng)以MC68S912DG128B為控制核心，可以直接利用清華大學(xué)的S12最小系統(tǒng)板，另外再設(shè)計(jì)了一塊外圍電路的主控板。如圖4.3 所示，MC9S12DG128單片機(jī)在控制系統(tǒng)所需要使用的管腳如下，主要包括了傳感器控制與檢測(cè)部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、ECT部分、BDM 調(diào)試接口以及其它常用電路的接口等。
表3.1 MC9S12DG12單片機(jī)管腳分配表
3.1.4 接口模塊
圖3.4 接口模塊原理圖
接口模塊的作用即外部設(shè)備單片機(jī)的接口，分別有電機(jī)接口，轉(zhuǎn)向主舵機(jī)接口，伺服電機(jī)接口，光電編碼器接口，電源接口。
3.1.5 信號(hào)采集模塊從簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)角度，我們直接從微控制器的電源線上串聯(lián)上限流電阻，再和光電傳感串聯(lián)使用。限流電阻既在光電傳感器檢測(cè)時(shí)起到了上拉電阻的作用。和微控制器共地，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。
圖3.5 信號(hào)采集模塊原理圖
3.2 智能車傳感器模塊設(shè)計(jì)在確定智能車總體方案時(shí)，我們選擇光電傳感器的方案。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(shí)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(jìng)賽的要求。
3.2.1光電傳感器的原理光電傳感器檢測(cè)路面信息的原理是由發(fā)射管發(fā)射一定波長(zhǎng)的紅外線，經(jīng)地面反射到接收管[13]。如圖4.7，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，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(cè)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(kāi)來(lái)。
圖3.6 光電傳感器原理
3.2.2 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(duì)于智能車來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠。
在競(jìng)賽中，規(guī)則規(guī)定傳感器最多不能超過(guò)16個(gè)，我選用了14個(gè)激光傳感器，所有的傳感器呈“一”字排布。如圖4.8，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(gè)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；接收部份由一個(gè)相匹配180KHz的接收管接收返回的光強(qiáng)，經(jīng)過(guò)電容濾波后直接接入S12單片機(jī)的PA與PB口(PA與PB口兩下8位的數(shù)據(jù)口組成一個(gè)16位的數(shù)據(jù)口，用于檢測(cè)14路傳感器信號(hào))，檢測(cè)返回電壓的高低。由于激光傳感器使用了調(diào)制處理，接收管只能接受相同頻率的反射光，因而可以有效防止可見(jiàn)光對(duì)反射激光的影響。
圖3.7 激光傳感器發(fā)射與接收電路
圖3.8 激光傳感器的控制電路
為了簡(jiǎn)化14路激光傳感器的控制，減少激光傳感器相互之間的干擾，傳感器的控制采用了分時(shí)發(fā)光的策略，使用74LS138作為分時(shí)控制器，如圖4.9，由S12的3個(gè)IO口來(lái)控制7組傳感器的開(kāi)斷，同一時(shí)間控制每組相隔最遠(yuǎn)的兩路傳感器發(fā)光，這樣接收管就接收不到相鄰傳感器發(fā)射的激光了，因而達(dá)到了防止相互傳感器之間干擾的目的。
第四章、智能車控制軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明4.1光感器的路徑精確識(shí)別技術(shù)在智能車系統(tǒng)中，光電（激光）傳感器就是整個(gè)系統(tǒng)的“眼睛”，其對(duì)于路徑的識(shí)別在控制系統(tǒng)中尤為重要。
4.1.1 光電傳感器路徑識(shí)別狀態(tài)分析由于往屆競(jìng)賽對(duì)光電傳感器排布方式研究已經(jīng)比較深入，傳統(tǒng)的“一”字型排布方式在眾多排布方式中效果顯著，是最常用的一種排布方式。模型車也充分利用了往年的成熟的傳感器技術(shù)，其排布方式如圖5.1。
圖4.1 模型車激光傳感器一字排布圖
對(duì)于我們模型車，傳感器在賽道上可能的狀態(tài)有：在普通的賽道處、在起點(diǎn)處、在十字交叉線處，分別如下圖（并未列出所有的狀態(tài)圖），下面將分別進(jìn)行分析。
圖4.2激光傳感器在普通賽道上
圖4.3 激光傳器在起點(diǎn)處
圖4.4 激光傳感器在十字交叉線處
為了識(shí)別賽車是處于什么樣狀態(tài)下，用于進(jìn)行賽道記憶和速度控制，對(duì)于我們的數(shù)字型激光傳感器，每個(gè)傳感器只有0與1 兩種狀態(tài)，我們分別把14路傳感器標(biāo)記為1到14號(hào)傳感器，每個(gè)傳感器又可以對(duì)應(yīng)一個(gè)是否在黑線上的標(biāo)志位，分別為Sen_Flag[0]到Sen_Flag[13]，相應(yīng)在黑線上為1，不在黑線上為0，從而通過(guò)對(duì)任一時(shí)刻傳感器標(biāo)志位的讀取就可以知道此時(shí)模型車的狀態(tài)。
為了精確地識(shí)別起跑線和十字交叉線，在程序設(shè)計(jì)時(shí)還定義了一個(gè)名為Sen_ChangeCount的變量，表示傳感器狀態(tài)變化（由1變?yōu)?和由0變?yōu)?）的次數(shù)。
從上面的傳感器狀態(tài)圖中可以輕松看出，在普通賽道上出除了賽車移出賽道之外傳感器變化次數(shù)都為2次，而在起跑線處模型車的傳感器狀態(tài)變化次數(shù)為4次，在十字交叉線時(shí)傳感器狀態(tài)變化次數(shù)為0次。
為了進(jìn)一步把各種狀態(tài)分開(kāi)，在程序中還定義了變量Sen_FlagCount，用于統(tǒng)計(jì)所有傳感器狀態(tài)標(biāo)志位之和，即在黑線上的傳感器的數(shù)目。結(jié)合以上幾個(gè)變量，就可以準(zhǔn)確地分清各個(gè)傳感器狀態(tài)了。各個(gè)傳感器狀態(tài)如下表：
表4.1 傳感器狀態(tài)判定表
通過(guò)上表，就可以輕松地把模型車任一時(shí)刻的傳感器狀態(tài)識(shí)別出來(lái)，也為賽道記憶識(shí)別起點(diǎn)等提供的必要的保障。
4.1.2 光電傳感器路徑識(shí)別算法路徑識(shí)別算法是我們使用的是模糊算法，這種算法的優(yōu)點(diǎn)是能夠根據(jù)傳感器返回的狀態(tài)值，得到車的重心偏離黑線的程度，還可以通過(guò)一定的算法，計(jì)算出舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角度，并且在一定程度上具有抗拒微小干擾的能力。具體算法介紹如下：
圖4.5 傳感器重心取值分配圖
（1）、將每個(gè)傳感器進(jìn)行加權(quán)處理，給相應(yīng)各個(gè)傳感器的權(quán)重值，如圖5.5所示。
（2）、當(dāng)傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)相應(yīng)的傳感器返回所在的權(quán)重值，并計(jì)算所有傳感器的平均加權(quán)值，即偏離程度。計(jì)算公式為:
式(4 .1)
式中，Sen_Flag為對(duì)應(yīng)傳感器的狀態(tài)值，Sen_QuanZhong為對(duì)應(yīng)傳感器的權(quán)重值，Sen_Jiaquan為傳感器的加權(quán)平均值。
for(i=0;i<14;i++)
{
Sen_Jiaquan+=(Sen_Flag*Sen_QuanZhong);
Sen_FlagCount+=Sen_Flag;
}
Sen_Jiaquan= Sen_Jiaquan /Sen_FlagCount;
由上程序段即可以計(jì)算出此時(shí)模型車傳感器的加權(quán)平均值，由此可以得到模型車的狀態(tài)，為下一步控制決策提供必要的信息。
（3）、建立偏離程度和舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度所對(duì)應(yīng)的PWM脈寬關(guān)系的模型，擬合二者的函數(shù)關(guān)系曲線。
在這里我們認(rèn)為舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是和PWM脈寬成線性的正比關(guān)系，因此以一次函數(shù)來(lái)唯一確定PWM脈寬與舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的關(guān)系。
建立的一次函數(shù)方程為：
式4 .2)
式中，TurnAngle為舵機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)的角度，PWMMiddle為車輪擺正是舵機(jī)PWM脈寬應(yīng)賦的PWMDTYx的值，Sen_Jiaquan為由傳感器狀態(tài)求得的偏離程度，PWMHalf為舵機(jī)由中心擺到車輪允許的最大值PWMDTYx的變化值，F(xiàn)actor 為影響比例因數(shù)。由此，我們求出了在不同的傳感器狀態(tài)下舵機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)的角度。
4.2彎道策略分析
在車輛進(jìn)彎時(shí)，需要對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定：切彎路徑、轉(zhuǎn)向角度、入彎速度。
其中，切彎路徑主要決定了車輛是選擇內(nèi)道過(guò)彎還是外道過(guò)彎。切內(nèi)道，路經(jīng)最短，但是如果地面附著系數(shù)過(guò)小會(huì)導(dǎo)致車輛出現(xiàn)側(cè)滑的不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，原因是切內(nèi)道時(shí)，曲率半徑過(guò)小，同時(shí)速度又很快，所以模型車需要的向心力會(huì)很大，而賽道本身是平面結(jié)構(gòu)，向心力將全部由來(lái)自地面的摩擦力提供，因此賽道表面的附著系數(shù)將對(duì)賽車的運(yùn)行狀態(tài)有很大影響。切外道，路徑會(huì)略長(zhǎng)，但是有更多的調(diào)整機(jī)會(huì)，同時(shí)曲率半徑的增加會(huì)使得模型車可以擁有更高的過(guò)彎速度。
轉(zhuǎn)向角度決定了車輛過(guò)彎的穩(wěn)定性。合適的轉(zhuǎn)向角度會(huì)減少車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)的調(diào)整，不僅路徑可以保證最優(yōu)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的穩(wěn)定也會(huì)帶來(lái)效率的提高，減少時(shí)間。在考慮轉(zhuǎn)向角度設(shè)置時(shí)需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：對(duì)于檢測(cè)賽道偏移量的傳感器而言，在增量較小時(shí)的轉(zhuǎn)向靈敏度；檢測(cè)到較大彎道時(shí)的轉(zhuǎn)向靈敏度；對(duì)于類似S彎的變向連續(xù)彎道的處理。
對(duì)于入彎速度的分析，應(yīng)該綜合考慮路徑和轉(zhuǎn)向角度的影響。簡(jiǎn)單而言，我們會(huì)采取入彎減速，出彎加速的方案，這樣理論上可以減少過(guò)彎時(shí)耗費(fèi)的時(shí)間。然而，在過(guò)去幾屆比賽中，通過(guò)觀察各參賽車對(duì)彎道的處理后，我們發(fā)現(xiàn)并不是所有人都選擇了相同的方案。正如前面說(shuō)到的那樣，不聯(lián)系路徑和轉(zhuǎn)向角度，只是單純地分析過(guò)彎速度，會(huì)造成思路的局限甚至錯(cuò)誤。例如，在不能及時(shí)判斷入彎和出彎的標(biāo)志點(diǎn)就采取“入彎減速、出彎加速”的方案，會(huì)出現(xiàn)彎道內(nèi)行駛狀態(tài)不穩(wěn)定、路徑差，同時(shí)出彎加速時(shí)機(jī)過(guò)晚，一樣會(huì)浪費(fèi)時(shí)間。所以現(xiàn)在本系統(tǒng)參考實(shí)際駕駛時(shí)的一些經(jīng)驗(yàn)，對(duì)過(guò)彎速度的處理方式確定為：入彎時(shí)急減速，以得到足夠的調(diào)整時(shí)間，獲得正確的轉(zhuǎn)向角度；在彎道內(nèi)適當(dāng)提速，并保持角度不變，為出彎時(shí)的加速節(jié)約時(shí)間；出彎時(shí)，先準(zhǔn)確判斷標(biāo)志，然后加速，雖然會(huì)耗費(fèi)一些時(shí)間，但是面對(duì)連續(xù)變向彎道可以減少判斷出錯(cuò)的概率，保證行駛狀態(tài)的穩(wěn)定性，而且彎道內(nèi)的有限加速對(duì)后面的提速也有很大的幫助。綜合考慮用可以接收的額外時(shí)間換回行駛穩(wěn)定性還是值得的。
下面以常見(jiàn)的幾種彎道轉(zhuǎn)角處理方式解釋各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，其中，橫坐標(biāo)表示由傳感器采集回來(lái)的賽道中心線相對(duì)賽車中心線的偏移量，縱坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)角大小。
圖4.6彎道轉(zhuǎn)角處理方式
a圖表示偏移量與轉(zhuǎn)向角度呈線性關(guān)系，在計(jì)算及程序編寫(xiě)上都比較簡(jiǎn)單，也可以實(shí)現(xiàn)控制賽車行駛的目標(biāo)，但是由于規(guī)則制定比較簡(jiǎn)單，對(duì)賽車實(shí)際行駛狀態(tài)的分析不夠全面，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)不能簡(jiǎn)單套用。
b圖表示的是在賽車略微偏離賽道中心時(shí)，不要對(duì)行駛方向作太大調(diào)整，而是在當(dāng)偏離度大到預(yù)定值時(shí)急速調(diào)整轉(zhuǎn)角以保證過(guò)彎的及時(shí)，同時(shí)在以判斷出是急彎后，也不要進(jìn)行大的變動(dòng)，因?yàn)榇藭r(shí)轉(zhuǎn)角的值已經(jīng)很大，僅需對(duì)舵機(jī)進(jìn)行微調(diào)就可以保證方向的正確性。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是綜合考慮了賽車對(duì)個(gè)彎道的適應(yīng)程度，同時(shí)保證了在直線行駛時(shí)的穩(wěn)定性，和抗干擾性，但是對(duì)急彎的響應(yīng)可能不夠及時(shí)，這是該方案的主要缺點(diǎn)。
c圖表示的對(duì)彎道的處理方案與B圖恰好相反，它提高了相應(yīng)靈敏度，降低了抗干擾性，對(duì)于多彎道，且彎道曲率半徑較小的賽道有比較好的適應(yīng)性。
d、e圖是兩種比較特殊的處理方案，它們不能用于賽車的全程控制，只是考慮到賽車的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)對(duì)某部分的偏移量有特別要求是使用。對(duì)于傳統(tǒng)四輪車輛，轉(zhuǎn)向時(shí)前輪有比較嚴(yán)格的角度關(guān)系，而它們的得到是由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)決定的。這樣兩套系統(tǒng)都對(duì)某個(gè)值做出了限制，必然會(huì)有矛盾，在車由0度轉(zhuǎn)到最大轉(zhuǎn)角時(shí)，并不是每時(shí)每刻都能同時(shí)滿足兩種條件的限制，那么為了賽車行駛的穩(wěn)定性，我們可能會(huì)在小范圍內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)角波動(dòng)，以得到附近最合適的轉(zhuǎn)角值，減小矛盾。
4.3彎道策略制定在智能車比賽中，我們使用的是通用二輸入一輸出系統(tǒng)，其中兩個(gè)輸入量是中心線偏移量，和相鄰兩次檢測(cè)的偏移量差值；輸出量可以分別選用舵機(jī)轉(zhuǎn)角值和速度輸出值做兩套系統(tǒng)。
中心線偏移量的隸屬度函數(shù)表為9級(jí)：
表4.2中心線偏移量的隸屬度函數(shù)表
偏移量差值的隸屬度函數(shù)表為3級(jí)（計(jì)算時(shí)需要先做加100運(yùn)算）：
表4.3偏移量差值的隸屬度函數(shù)表
速度規(guī)則表為：
表4.4速度規(guī)則表
速度精確值為：
表4.5速度精確值
轉(zhuǎn)角規(guī)則表為：
表4.6轉(zhuǎn)角規(guī)則表
轉(zhuǎn)角精確值為：
表4.7轉(zhuǎn)角精確值
這套控制方案是基于07年第二屆“飛思卡爾”全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽的要求制定的，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同曲率彎道的轉(zhuǎn)角合理分配，速度精確限制等目標(biāo)。
第五章、開(kāi)發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過(guò)程說(shuō)明5.1 開(kāi)發(fā)工具程序的開(kāi)發(fā)是在組委會(huì)提供的CodeWarrior IDE下進(jìn)行的，包括源程序的編寫(xiě)、編譯和鏈接，并最終生成可執(zhí)行文件。
CodeWarrior for S12 是面向以HC1和S12為CPU的單片機(jī)嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件包。包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE、處理器專家?guī)臁⑷酒抡妗⒖梢暬瘏?shù)顯示工具、項(xiàng)目工程管理器、C交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試器。
5.2 調(diào)試過(guò)程在調(diào)試過(guò)程中，我們開(kāi)發(fā)了用于智能車監(jiān)測(cè)智能車實(shí)時(shí)狀態(tài)的智能車實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。能夠方便的監(jiān)測(cè)智能車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)角，傳感器狀態(tài)，速度等信息，很大的方便了智能車的調(diào)試。
界面如圖所示：
圖5.1 賽道模擬結(jié)果
真實(shí)賽道如圖：
圖5.2 真實(shí)賽道
第六章、模型車的主要技術(shù)參數(shù)說(shuō)明
6.1 智能車外形參數(shù)
車長(zhǎng)：36cm
車寬：17cm
車高：7cm
車重：約1.5kg
6.2 電路部分參數(shù)
我們小組所改造的智能車采用一塊比賽標(biāo)準(zhǔn)7.2V電池供電，電路中共有 16個(gè)電容，容量總計(jì)142.099μF。當(dāng)模型車全功率開(kāi)動(dòng)時(shí)，功耗約為50W 。
6.3 除了車模原有的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵機(jī)之外伺服電機(jī)數(shù)量
除了車模原有的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵機(jī)之外使用了1個(gè)伺服電機(jī)。
結(jié)論
自三月初報(bào)名參加“飛思卡爾”杯智能車邀請(qǐng)賽以來(lái)，我們小組成員查找資料，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，組裝車模，編寫(xiě)程序，分析問(wèn)題，最后終于完成了最初目標(biāo)，定下了現(xiàn)在這個(gè)方案。
在此份技術(shù)報(bào)告中，我們主要介紹了準(zhǔn)備比賽時(shí)的基本思路，包括機(jī)械，電路，以及最重要的控制算法的創(chuàng)新思想。
在機(jī)械方面，我們分析了W型，A型，V型等排布方法，考慮到程序的穩(wěn)定性、簡(jiǎn)便性，我們最后敲定了一字形排布，并通過(guò)反復(fù)實(shí)踐決定了傳感器的數(shù)量和位置。
在電路方面，我們以模塊形式分類，在電源管理，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，接口，控制，信號(hào)采集，傳感器這六個(gè)模塊分別設(shè)計(jì)，在查找資料的基礎(chǔ)上各準(zhǔn)備了幾套方案；然后我們分別實(shí)驗(yàn)，最后以報(bào)告中所提到的形式?jīng)Q定了我們最終的電路圖。
在算法方面，我們使用C語(yǔ)言編程，利用比賽推薦的開(kāi)發(fā)工具調(diào)試程序，經(jīng)過(guò)小組成員不斷討論、改進(jìn)，終于設(shè)計(jì)出一套比較通用的，穩(wěn)定的程序。在這套算法中，我們結(jié)合路況調(diào)整車速，做到直線加速，彎道減速，保證在最短時(shí)間跑完全程。
現(xiàn)在，面對(duì)即將到來(lái)的大賽，在歷時(shí)近五個(gè)月的充分準(zhǔn)備之后，我們有信心在比賽中取得優(yōu)異成績(jī)。也許我們的知識(shí)還不夠豐富，考慮問(wèn)題也不夠全面，但是這份技術(shù)報(bào)告作為我們五個(gè)月辛勤汗水來(lái)的結(jié)晶，凝聚著我們小組每個(gè)人的心血和智慧，隨著它的誕生，這份經(jīng)驗(yàn)將永伴我們一生，成為我們最珍貴的回憶。
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第三屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生北京科技大學(xué)光電一隊(duì)技術(shù)報(bào)告.doc
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2018-12-14 10:07 上傳
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