智能車整體設(shè)計(jì)思路和方案報(bào)告.doc

關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說明本人完全了解第二屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽關(guān)保留、使用技術(shù)報(bào)告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會(huì)和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁(yè)上收錄并公開參賽作品的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會(huì)出版論文集中。參賽隊(duì)員簽名：帶隊(duì)教師簽名：日期：目錄第一章引言.1第二章智能車整體設(shè)計(jì)思路和方案.1第三章智能車機(jī)械部分安裝和調(diào)試.2第四章智能車的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).34.1電源部分.34.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路.44.3測(cè)速電路.64.4紅外對(duì)管檢測(cè)電路.74.5撥碼開關(guān)電路.8第五章智能車的控制策略和算法.95.1路徑搜索算法.95.2舵機(jī)、電機(jī)的控制.9第六章運(yùn)行調(diào)試部分.126.1CODEWARRIOR開發(fā)環(huán)境.126.2軟件仿真.126.2實(shí)際調(diào)試.13第七章技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì).14參考文獻(xiàn).15附件程序.錯(cuò)誤!未定義書簽。第三屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車大賽1第一章引言“飛思卡爾”杯智能車大賽是教育部為了加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)而舉辦的面向全國(guó)大學(xué)生的智能汽車比賽?！帮w思卡爾”杯智能車大賽從2006年開始舉辦，今年是第三屆。比賽所涉及的專業(yè)知識(shí)包括控制、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，對(duì)大學(xué)生的知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，對(duì)汽車電子技術(shù)的發(fā)展，具有良好的長(zhǎng)期的推動(dòng)作用。大賽要求使用組委會(huì)統(tǒng)一提供的車模，采用飛思卡爾16位單片機(jī)MC9S12DG128作為核心控制單元，自主構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括傳感器信號(hào)采集處理、控制算法及執(zhí)行、動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制等。系統(tǒng)按照功能劃分為：電源模塊、單片機(jī)模塊、運(yùn)行調(diào)試模塊、路徑識(shí)別模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)向伺服模塊、速度測(cè)量模塊等。本文將先從整體上介紹模型車的制作思路和方案，再?gòu)能囎拥臋C(jī)械、傳感器、電路等硬件方面到控制的策略、算法的實(shí)現(xiàn)和代碼等方面具體介紹模型車的制作以及調(diào)試過程，最后介紹模型車的主要技術(shù)參數(shù)。第二章智能車整體設(shè)計(jì)思路和方案由于今年組委會(huì)光電管和攝像頭分開比賽。所以傳感器部分我們選擇了光電管，比賽以小車的速度記成績(jī)，為了讓小車更快更穩(wěn)得跑完全程，傳感器的探測(cè)距離必須要遠(yuǎn)，既要有大的前瞻，普通的紅外對(duì)管由于功率較小，探測(cè)距離增大時(shí)，干擾嚴(yán)重，所以我們自制了大功率對(duì)管，同時(shí)采用了程序控制脈沖發(fā)光的辦法，有效的降低了發(fā)熱，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用采用了7.2V2000mAhNi-Cd蓄電池作為系統(tǒng)能源，并且通過穩(wěn)壓第三屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車大賽2電路分出6伏，5伏已分別給舵機(jī)和單片機(jī)供電。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接收速度控制信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，達(dá)到控制車速目的。轉(zhuǎn)向伺服模塊控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，進(jìn)而控制智能車轉(zhuǎn)彎。速度測(cè)量模塊實(shí)時(shí)測(cè)量智能車車速，用于系統(tǒng)的車速閉環(huán)控制，以精確控制車速。系統(tǒng)充分使用了MC9S12DG128單片機(jī)的外圍模塊，具體使用到的模塊包括：ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、定時(shí)器模塊、PWM脈沖寬度調(diào)制模塊、中斷模塊、I/O端口和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊等。系統(tǒng)調(diào)試過程中，使用了組委會(huì)提供的代碼調(diào)試環(huán)境CodeWarriorIDE，同時(shí)使用了清華的Plastid2軟件進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。圖1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第三章智能車機(jī)械部分安裝和調(diào)試3.1舵機(jī)部分為了使轉(zhuǎn)彎更加靈活，對(duì)舵機(jī)相關(guān)部分作了部分改動(dòng)。首先，我們將舵機(jī)力臂加長(zhǎng)85mm。這樣，對(duì)于同樣的轉(zhuǎn)彎角度值，只需更小的舵機(jī)轉(zhuǎn)角，減小了舵機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)慣性帶來的弊端。其次，我們將舵機(jī)反裝，使舵機(jī)連桿水平，因?yàn)榇藭r(shí)舵機(jī)提供的力全部用在轉(zhuǎn)彎上。3.2前輪部分為了增加前輪轉(zhuǎn)彎時(shí)的穩(wěn)定性，對(duì)前輪相關(guān)部分進(jìn)行了部分改動(dòng)。首先，更改前后墊片的數(shù)量，使前輪主銷后傾，這樣，車輪具有更好的自動(dòng)回正功能。其次，更改連桿的長(zhǎng)度，使車輪外傾，車輪轉(zhuǎn)彎時(shí)，前半部分重心上移，促使賽車轉(zhuǎn)彎更加穩(wěn)定。再次，我們通過更改舵機(jī)連桿的長(zhǎng)度，增加前輪前束，同樣增加了前輪的穩(wěn)定性。第三屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車大賽33.3底盤部分為了提高賽車運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，對(duì)地盤相關(guān)部分作了部分改動(dòng)。首先，前輪相關(guān)位置加墊片，降低了前輪重心。其次，更改后輪車軸處的調(diào)節(jié)塊，使后輪重心升高，這樣，車身前傾，一定程度上，增加了車的穩(wěn)定性。3.4后輪部分首先，更換后輪輪距調(diào)節(jié)塊，使后輪兩輪之間間距加大。這樣，車在轉(zhuǎn)彎時(shí)不容易產(chǎn)生側(cè)滑。其次，調(diào)節(jié)后輪差速，使賽車轉(zhuǎn)彎更加靈活。第四章智能車的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1電源部分為了能使智能車系統(tǒng)能正常工作，就需要對(duì)電池電壓調(diào)節(jié)。其中，單片機(jī)系統(tǒng)、車速傳感器電路需要5V電壓，路徑識(shí)別的光電傳感器和接收器電路電壓工作為5V、伺服電機(jī)工作電壓范圍4.8V到6V(或直接由電池提供)，直流電機(jī)可以使用7.2V2000mAhNi-cd蓄電池直接供電?？紤]到由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)引起的電壓瞬間下降的現(xiàn)象，因此采用低壓降的三端穩(wěn)壓器成為必然。我們?cè)诓捎胠m7805，和lm7806作為穩(wěn)牙芯片。經(jīng)試驗(yàn)電壓紋波小，完全可以滿足要求。電池（7.2v）2000mAhNi-cd穩(wěn)壓電路電機(jī)圖4.1系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)圖5V對(duì)管單片機(jī)舵機(jī)測(cè)速板Encoder6V7.2V第三屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車大賽4圖4.27805電路圖圖4.3電源模塊示意圖4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用飛思卡爾專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33886。驅(qū)動(dòng)電路如圖4.4所示。為了增大驅(qū)動(dòng)能力，減少單片發(fā)熱量，電路采用兩片MC33886并聯(lián)的方案。系統(tǒng)使用PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，充分利用單片機(jī)的PWM模塊資源。電機(jī)PWM頻率設(shè)定為8KHz。MC33886芯片的工作電壓為5-40V，導(dǎo)通電阻為140毫歐姆，PWM頻率小于第三屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車大賽510KHz，具有短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)等功能。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片安裝在制作的電機(jī)驅(qū)動(dòng)PCB板上，在PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到芯片散熱問題，在芯片腹部設(shè)計(jì)了方型的通孔，實(shí)際運(yùn)行效果表明芯片散熱均勻，設(shè)計(jì)合理。為了防止電動(dòng)機(jī)突然停止時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾，在電動(dòng)機(jī)的兩端焊接了一個(gè)0.1F濾波電容。AGND1FS2IN13V+4V+5OUT16OUT17DNC8PGND9PGND10PGND11PGND12D213OUT214OUT215V+16Ccp17D118IN219DNC20U3MC33886AGND1FS2IN13V+4V+5OUT16OUT17DNC8PGND9PGND10PGND11PGND12D213OUT214OUT215V+16Ccp17D118IN219DNC20U5MC338861.3KR4Res21.3KR7Res247pFC12Cap47pFC14CapVCCPWM5PWM312P14Header2DS2LED21KR5Res2231S2SW-SPDT+7.2V1KR10Res21KR15Res2圖4.4兩片MC33886并聯(lián)使用圖4.5兩片MC33886并聯(lián)使用的實(shí)物圖在圖中可以看到，我們使用PWM23和PWM45作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)，兩個(gè)PWM通道級(jí)聯(lián)可以使其輸出更加精確。在程序中，我們把PWM值直接轉(zhuǎn)換成了以米/秒為單位的絕對(duì)速度，這樣使智能車的速度更加直觀切易于調(diào)試。第三屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車大賽64.3測(cè)速電路由于考慮到成本需要，我們采用了紅外對(duì)管和黑白碼盤作為測(cè)速模塊的硬件構(gòu)成。其中碼盤為32格的黑白相間圓盤，如下圖所示：圖4.5碼盤紅外傳感器安裝在正對(duì)碼盤的前方，雖然這樣做精度比編碼器要低很多，但是成本低廉制作容易，如果智能車速度較快，可以考慮再減少碼盤上黑白色條的數(shù)量即可。當(dāng)圓盤隨著齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電管接收到的反射光強(qiáng)弱交替變化，由此可以得到一系列高低電脈沖。設(shè)置9S12的ECT模塊，同時(shí)捕捉光電管輸出的電脈沖的上升沿和下降沿。通過累計(jì)一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，或者記錄相鄰脈沖的間隔時(shí)間，可以得到和速度等價(jià)的參數(shù)值。測(cè)速電路使用自行研制的紅外反射式光電測(cè)速傳感器。速度測(cè)量電路使用紅外反射式光電對(duì)管RPR220，自行制作的編碼盤，比較電路等組成。速度測(cè)量電路圖2.8所示。紅外反射式光電對(duì)管的光敏三極管信號(hào)通過比較器處理后輸入單片機(jī)的計(jì)數(shù)器模塊，利用單片機(jī)的輸入捕捉功能，處理智能車速度信息。自制的編碼盤有24道黑色條紋，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周將產(chǎn)生24次輸入捕捉中斷。單片機(jī)記錄兩次中斷的時(shí)間間隔T。兩次中斷對(duì)應(yīng)于智能車前進(jìn)的距離S為：16.5/24cm,300VCC33K32184ALM35810K5.1KVCCVCC5.1KIOC0RPR220圖4.6測(cè)速電路第三屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車大賽7即0.6875cm，其中16.5cm為智能車后輪實(shí)測(cè)周長(zhǎng)7。智能車實(shí)時(shí)速度V(cm/s)的計(jì)算公式如下：scmTTTSV/6875.024/5.164.4紅外對(duì)管檢測(cè)電路由于我們采用了大功率對(duì)管，所以紅外對(duì)管的電路是整個(gè)電路中要求最高的，不緊要保證對(duì)管正常工作，而且還要考慮整個(gè)電路的能耗和發(fā)熱問題。經(jīng)測(cè)試我們發(fā)現(xiàn)單個(gè)對(duì)管在通以100mA到170mA電流時(shí)可以。保