飛思卡爾智能車競賽培訓(xùn)教程

1、主講： 張樹波 共青團(tuán)北京聯(lián)合大學(xué)委員會(huì) 賽車的意義 汽車及車模簡介 電池使用方法 賽道及比賽規(guī)則 研究項(xiàng)目介紹 關(guān)于電機(jī)驅(qū)動(dòng) 關(guān)于舵機(jī)驅(qū)動(dòng) 關(guān)于賽道檢測方式 最佳路線問題 飛斯卡爾單片機(jī)介紹 軟硬件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 工程化方法與團(tuán)隊(duì)精神 答疑時(shí)間 該競賽與教育部已舉辦的數(shù)學(xué)建模、電子設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè) 計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4大專業(yè)競賽不同，是以迅猛發(fā)展的汽車電子為 背景，涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算 機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)意性比賽。 引導(dǎo)和激勵(lì)學(xué)生實(shí)事求是、刻苦鉆研、勇于創(chuàng)新、多出成 果、提高素質(zhì)，發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)一批在學(xué)術(shù)科技上有作為、有潛力 的優(yōu)秀人才。 車模調(diào)校的主要參數(shù) 后傾角

2、外傾角 前束 減震彈簧預(yù)緊力 參數(shù)： 電壓：1.26=7.2 v 容量：2000mAh 放電曲線（在3A的大電流放電條件下得到的結(jié)果） 正確充電： 推薦使用比賽選配的充電器。該充電器是為玩具電池設(shè)計(jì)的廉價(jià)的 充電器，內(nèi)部沒有智能充電控制電路，只能采用恒功率充電模式， 最大充電電流為700mA，平均充電電流300mA，涓流充電電流小于 100mA，充電時(shí)間約為10小時(shí)。 正確放電： 由于鎳鎘電池具有記憶效應(yīng)，對電池的不完全放電將 會(huì)人為的降低電池的電容量； 從放電曲線可以看出，隨著電池電量的減少，其電壓 也會(huì)逐漸降低，當(dāng)電壓降低到某個(gè)閾值后繼續(xù)放電， 電池電壓將很快的跌落。這個(gè)閾值就是電池的放電

3、下 限電壓。廠家給出了放電下限電壓為6V。因此，在使 用時(shí)，建議在動(dòng)力車的電源設(shè)計(jì)中加入電池保護(hù)電路， 當(dāng)電池電壓低于6V時(shí)切斷電路，用來保護(hù)電池。如果 沒有保護(hù)電路，要注意，電池接通時(shí)人不要離開。因 為當(dāng)電池電壓降到接近6V時(shí)，電池已經(jīng)給不出多少電 流，已經(jīng)沒有能力驅(qū)動(dòng)電機(jī)了，此時(shí)一定要及時(shí)斷開 電路，到了給電池充電的時(shí)候了。 賽道材料： KT板、高密度、白色、0.5厘米厚。 中心黑線： 為黑色即時(shí)貼經(jīng)過裁減而成。 7 Of 63 詳細(xì)參考資料 第二屆智能車競賽專網(wǎng) 聯(lián)合大學(xué)團(tuán)委網(wǎng)站 書籍 作 者：卓晴 等編 I S B N ：781124022X 出版社：北京航空航天大學(xué)出版社 定 價(jià)：3

4、6.50元 用指定車模沿黑線跑兩圈取單圈最快者為勝。 汽車動(dòng)態(tài)分析 車速控制系統(tǒng) 方向控制系統(tǒng) 賽道檢測系統(tǒng) 電子控制系統(tǒng) 策略規(guī)劃系統(tǒng) 行為決策系統(tǒng) 路況記憶系統(tǒng) 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 電機(jī)特性和MC33886芯片 RS-380SH RS-380SH RS-380SH RS-380SH n特性： n工作電壓：5-40V n導(dǎo)通電阻： 120毫歐姆 n輸入信號：TTL/CMOS nPWM頻率： 10KHz n短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)等； n應(yīng)用說明： n多個(gè)MC33886并聯(lián)使用； n應(yīng)用說明： n使用半橋：由于賽車過程中不時(shí)用倒車，所 以可以只使用其中的半橋；并且將兩個(gè)半橋 并聯(lián)，擴(kuò)大芯片的驅(qū)動(dòng)

5、能力； n使用其中的一個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)；使用另外一 個(gè)半橋作為12V升壓電路為CCD提供工作電 源； n使用說明： n規(guī)則中的電容限制 n全部電容容量和不得超過2000微法；電容 最高充電電壓不得超過25伏。 n電機(jī)加速與減速限制，避免對于工作電源 的影響； n使用說明： nPWM頻率限制： 10KHz n使用說明： nPWM頻率限制： 10KHz n使用說明： nPWM頻率限制： 10KHz 舵機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 舵盤、齒輪組、位置 反饋電位計(jì)、直流電 機(jī)、控制電路板等。 工作原理 脈寬信號給定參考位 置，舵機(jī)內(nèi)部電路通 過反饋控制調(diào)節(jié)舵盤 角位。 舵盤角位由PWM控 制信號的脈寬決定。 舵機(jī)基本參數(shù)

6、 型 號： S3010 電 壓： 4.0 6.0 V 角度控制： 1/ 400us 工作速度： 0.16 + 0.02 堵轉(zhuǎn)力矩： 6.5 + 1.3 Kg.cm 舵機(jī)控制方法 n三線連接方式 紅線：電源線+6V 藍(lán)線：地線 黑線：PWM控制信號 舵機(jī)簡介 S12 PWM控制舵機(jī) 舵機(jī)功能 舵機(jī)結(jié)構(gòu) 舵機(jī)的基本參數(shù) 舵機(jī)控制方法 舵機(jī)最早出現(xiàn)在航模運(yùn)動(dòng)中； 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量； 副翼舵面； 水平尾翼舵面； 垂直尾翼舵面； 賽車中控制前輪轉(zhuǎn)向； 舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)5k，直流 電機(jī)、控制電路板等； 工作原理： 控制信號控制電路板電極轉(zhuǎn)動(dòng) 齒輪組減速 舵盤轉(zhuǎn)動(dòng) 位置反饋電位計(jì)控制電路板反 饋

7、； 控制量 舵盤角度 尺寸：39.4*37.8*27.8 重量：56g 工作速度: 0.11sec/60(4.8V) 0.8sec/60(6.0V) 堵轉(zhuǎn)力矩: 6.1kg.cm(4.8V) 7.7kg.cm(6.0V) 工作角度： 45度/400us 三線連接方法： 黑線：底線； 紅線：電源線；兩種標(biāo)準(zhǔn)：4.8V, 6V; 藍(lán)線（黃線）：控制信號線； 顏色區(qū)分電源線和底線； 舵機(jī)的控制方法 舵機(jī)的控制方法 舵機(jī)的控制方法 軟件計(jì)數(shù)方式； 定時(shí)器中斷方式； PWM硬件產(chǎn)生方式； 等； S12 PWM控制器； 具有8路PWM輸出端口； 具有獨(dú)立的8路8bitPWM輸出，或者4路 16bitPWM

8、輸出； 具有A,B,SA,SB時(shí)鐘源； 舉例 使用PWM4,5合成16bitPWM輸出； PWM4 控制信號； PWMCTL_CON45 = 0 x1; PWMPER4,5 = 60000; 50Hz PWMDTY4,5 = 1500*3; 1500us BUS osc = 24MHz 規(guī)則限制： 伺服電機(jī)個(gè)數(shù)不超過3個(gè)； 不可以通過提高工作電壓提升舵機(jī)的性能； 不可以更換舵機(jī)； 控制說明 脈寬范圍： 對應(yīng)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，一方面舵機(jī)的極限位置； 另一方面考慮到車模轉(zhuǎn)向的極限。可以通過測 試得到大約40 度左右； PWM周期： 可選擇 50 200Hz 控制說明： 舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間對于控制非常重要，

9、一方面 可以通過修改PWM周期獲得。另一方面也 可以通過機(jī)械方式，利用舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距 余量，將角度進(jìn)行放大，加快舵機(jī)響應(yīng)速 度； 賽道路徑幾何特點(diǎn) 由直線和圓弧組成； 賽道路徑檢測內(nèi)容 確定路徑中心位置； 確定路徑方向； 確定路徑曲率； 需要在賽道垂直方向上 35點(diǎn)便可確定道路參數(shù)； 賽道路徑檢測方法 n光電管陣列； nCCD: 線陣CCD; 面陣CCD; （黑白） n激光掃描器；電磁感應(yīng)；超聲檢測等 n光電管陣列優(yōu)缺點(diǎn)： n優(yōu)點(diǎn)：簡單、響應(yīng)快速等； n缺點(diǎn)： n空間分辨率低； n水平分辨率: 16 pixel /線；（可以采用細(xì)分的方法 進(jìn)行優(yōu)化）；受到大賽規(guī)則傳感器個(gè)數(shù)限制； n垂直分辨率

10、：只能檢測一點(diǎn)位置； n占用端口資源多； n安裝固定、接線較困難； n容易受到外界環(huán)境影響； n使用面陣檢測路徑參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)： n分辨率高： n識(shí)別路徑參數(shù)多：中心位置、方向、曲率； n占用端口資源少： n轉(zhuǎn)換； n一路中斷輸入； n一路口輸入； n通過算法減少外部環(huán)境影響； 12 of 18 n采集速率； n圖像的分辨率 : 水平高，垂直低； n存儲(chǔ)空間； nDG128 8KRAM n處理速度； n圖像采集，處理，控制等等； n電源電壓； n12V工作電源 n采集速率： S12 AD 轉(zhuǎn)換速率10bit : 7us 視頻信號一行時(shí)間：64us;(有效圖像時(shí)間56) 一行有效采集像素： 300線

11、/幀 n采集速率 路徑檢測需要圖像特點(diǎn)： 水平分辨率: 高； 垂直分辨率：低；3-5點(diǎn) n矛盾：如何解決？ n采集速率- 解決方法 攝像頭水平旋轉(zhuǎn)90度； 水平分辨率 垂直分辨率 n采集速率- 解決方法 采用CPU 內(nèi)部總線超頻； 48 規(guī)則沒有限制 CPU超頻 n采集速率- 解決方法 * 攝像頭旋轉(zhuǎn)90度； * CPU超頻； 可以得到 300 48 分辨率圖像；可以 滿足道路檢測需要； 實(shí)際需要可以使用降低的圖像分辨率： 72 24 即可； n存儲(chǔ)空間 n必須存儲(chǔ)正幅圖像；這是由于將垂直分辨率 轉(zhuǎn)換為水平分辨率的原因； n存儲(chǔ)空間： 每個(gè)像素存儲(chǔ)1字節(jié)； 72 * 24 圖像需要 1728字

12、節(jié)； DG128 RAM空間為8K字節(jié)；可以滿足存儲(chǔ) 需要。 同時(shí)還可以開辟雙圖像存儲(chǔ)區(qū)，采集、 處理同時(shí)進(jìn)行； n處理速度： 采集時(shí)間： 圖像采集采用終端采集的方式；節(jié)省CPU 處理事件； 72 * 24 分辨率下：只對于其中的1/4行進(jìn) 行圖像采集。CPU花費(fèi)在圖像采集上的 時(shí)間少于 總時(shí)間1/4。其余的時(shí)間用于圖 像處理、控制等運(yùn)算； n處理速度 優(yōu)化圖像路徑參數(shù)檢測算法，算法時(shí)間 小于 20ms。 圖像：黑白色，檢測中心算法簡單； 可以適當(dāng)增加些動(dòng)態(tài)亮度補(bǔ)償算法；滿 足路徑參數(shù)檢測速度要求； nCCD工作電源 12V; n使用PWM 斬波升壓電路得到12V電源； n這不違反比賽規(guī)則；

13、禁止使用DC-DC升壓電路為驅(qū)動(dòng)電機(jī) 以及舵機(jī)提供動(dòng)力； n系統(tǒng)框圖 nCPU最小系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果 n CPU最小系統(tǒng) nPAD02 視頻信號 nIRQ 視頻行同步信號 nPM1 奇偶場信號 nPWM2 12V 斬波升壓開關(guān)信號； nPWM0,1 電極控制PWM信號； nPWM4 舵機(jī)控制信號； nPAD0,1 電池電壓，12V電壓監(jiān)測； 視頻信號同部分離電路 實(shí)現(xiàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果 注意：視頻信號不 經(jīng)過直流隔離進(jìn)入 AD轉(zhuǎn)換器； n12V 斬波升壓電路 實(shí)現(xiàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果 實(shí)現(xiàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果 12 of 18 nCCD相對昂貴； n占用RAM比較多； n道路檢測速率受到限制； 50Hz

14、 n檢測有一定的延時(shí)（1/50）秒； n附注電路較多：12V, LM1881等； n開發(fā)有效路徑參數(shù)算法； n攝像頭安裝與固定，為之比較的高； n攝像頭鏡頭設(shè)計(jì)； n混合檢測方法：光電管+ CCD; 多個(gè)CCD; n方法核心內(nèi)容 n攝像頭旋轉(zhuǎn)90度。水平分辨率垂直分辨 率； n適當(dāng)CPU 超頻； n有效路徑檢測算法； n該方法也可以在一些粗分辨率視頻監(jiān)視 中進(jìn)行應(yīng)用； 基于虛擬儀器技術(shù)的智能車仿真系統(tǒng)基于虛擬儀器技術(shù)的智能車仿真系統(tǒng) 特點(diǎn)： 賽道與賽車環(huán)境模擬 控制算法的仿真驗(yàn)證 路徑識(shí)別的方案分析 離線/在線仿真相結(jié)合 基 本 構(gòu) 架 賽道設(shè)計(jì)界面 基于虛擬儀器技術(shù)的智能車仿真系統(tǒng)基于虛擬儀器技術(shù)的智能車仿真系統(tǒng) 賽車參數(shù)設(shè)定界面 基于虛擬儀器技術(shù)的智能車仿真系統(tǒng)基于虛擬儀器技術(shù)的智能車仿真系統(tǒng) 動(dòng)態(tài)仿真界面 1、確立設(shè)計(jì)需求 2、選擇合理的方案 3、繪制原理圖和PCB圖 4、焊接、組裝 5、電路調(diào)試 6、實(shí)際環(huán)境驗(yàn)證 1、確立軟件需求 2、構(gòu)思軟件結(jié)構(gòu) 3、算法設(shè)計(jì) 4、 選擇硬件平臺(tái) 5、編制程序 6、仿真及調(diào)試 7、軟件維護(hù) 1、