安科光電二隊(duì)智能汽車(chē)邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告

1、第五屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)邀請(qǐng)賽技 術(shù) 報(bào) 告學(xué) 校： 安徽科技學(xué)院隊(duì)伍名稱(chēng)： 安科光電二隊(duì)參賽隊(duì)員： 余子祥 唐志強(qiáng) 張 旻帶隊(duì)教師： 徐朝勝 曾麗梅關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說(shuō)明本人完全了解第五屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)邀請(qǐng)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(kāi)參賽作品的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車(chē)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111.1大賽背景和概況111.2智能車(chē)應(yīng)用前景12第二章

2、 賽車(chē)整體設(shè)計(jì)思路132.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求、目標(biāo)132.2系統(tǒng)總體方案的選定132.3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)142.4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)15第三張 智能車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化173.1智能車(chē)整體建模173.2車(chē)模機(jī)械改裝183.2.1前輪定位183.2.2舵機(jī)安置223.2.3底盤(pán)離地間隙233.3傳感器的原理、選擇與安裝233.3.1傳感器的選擇 .233.3.2激光傳感器的原理 .243.3.3激光傳感器的設(shè)計(jì)243.3.4傳感器的安裝263.3.3激光傳感器的調(diào)試方法27第四章 系統(tǒng)硬件電路334.1 核心電路板的組成334.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊34第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)355.1軟件整體設(shè)計(jì)365.2舵機(jī)轉(zhuǎn)

3、向控制和速度控制的pid算法365.3起始線的識(shí)別38第六章 賽車(chē)調(diào)試406.1軟件調(diào)試平臺(tái)codewarrior406.2 codewarrior ide基本使用方法41第七章 模型車(chē)的主要技術(shù)參數(shù)45第八章 結(jié)論46參考文獻(xiàn)47第一章 引言1.1大賽背景和概況教育部為了加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，在己舉辦全國(guó)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)等4大專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽的基礎(chǔ)上，經(jīng)研究決定，委托高等學(xué)校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委會(huì)主辦自2006年每年一度的全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽。高等學(xué)校自動(dòng)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委會(huì)決定飛思卡爾半導(dǎo)體公司為協(xié)辦單位，賽事冠名為“飛思卡爾”杯。競(jìng)賽要求參賽者在提供的

4、模型車(chē)體及主微控制器芯片基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制作具有自主道路識(shí)別能力并滿(mǎn)足比賽規(guī)則的智能汽車(chē)，在賽道上以最快速度完成賽程者為優(yōu)勝。 作為全球最大的汽車(chē)電子半導(dǎo)體供應(yīng)商，飛思卡爾一直致力于為汽車(chē)電子系統(tǒng)提供全范圍應(yīng)用的單片機(jī)、模擬器件和傳感器等器件產(chǎn)品和解決方案。飛思卡爾是排名第一的汽車(chē)電子半導(dǎo)體供應(yīng)商，其中在8位、16位及32位汽車(chē)微控制器的市場(chǎng)占有率居于全球第一，超過(guò)40%的新車(chē)都使用了飛思卡爾的技術(shù)。 智能車(chē)比賽源自韓國(guó)，并且已成功舉辦了四屆，其比賽的技術(shù)水平和成績(jī)已達(dá)到了相當(dāng)?shù)母叨?，已引起現(xiàn)代、寶馬等跨國(guó)企業(yè)的注意。在韓國(guó)成功舉辦多次的基礎(chǔ)上，在我國(guó)開(kāi)始嘗試舉辦該賽事，全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽暨第一

5、屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)邀請(qǐng)賽已于2006年8月2021日在清華大學(xué)圓滿(mǎn)結(jié)束，來(lái)自全國(guó)57所高校的112支隊(duì)伍參加了比賽，引起了各方的廣泛關(guān)注，并且已經(jīng)具備了較高的技術(shù)水平，清華大學(xué)2隊(duì)、上海交大速度之星隊(duì)及清華大學(xué)1隊(duì)分列成績(jī)前三名。 與以往的專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽不同，智能車(chē)大賽是以迅猛發(fā)展的汽車(chē)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)新比賽，已經(jīng)成為各高校展示科研成果和學(xué)生實(shí)踐能力的重要途徑，同時(shí)也為社會(huì)選拔優(yōu)秀的創(chuàng)新人才提供了重要平臺(tái)。第五屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽于2010年7月中旬舉行分區(qū)比賽，8月中旬舉行全國(guó)總決賽。競(jìng)賽內(nèi)

6、容包括：以飛思卡爾hcs12單片機(jī)為核心控制模塊，以ccd、光電或電磁檢測(cè)元件檢測(cè)賽道引導(dǎo)線，引導(dǎo)改裝后的模型汽車(chē)以最快的速度按照大賽組委會(huì)所設(shè)定的賽道行進(jìn)，以賽車(chē)在最短時(shí)間跑完全程的隊(duì)為優(yōu)勝隊(duì)。該競(jìng)賽是涵蓋了控制、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)科的科技創(chuàng)意性比賽，極具挑戰(zhàn)性與競(jìng)爭(zhēng)性。 該比賽已經(jīng)列入教育部主辦的全國(guó)大學(xué)生五大競(jìng)賽之一。1.2智能車(chē)應(yīng)用前景智能小車(chē)采用飛思卡爾公司的mc9s12xs128maa作為主控芯片，配合有傳感器、電機(jī)、舵機(jī)、電池以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，再加上信息處理和控制算法，它能夠自主識(shí)別路徑，控制模型車(chē)高速穩(wěn)定運(yùn)行在跑道上。智能車(chē)要實(shí)現(xiàn)在城市繁忙道

7、路上完全無(wú)人駕駛，尚有很多研究工作要做。但是通過(guò)這輛車(chē)來(lái)研究一些關(guān)鍵技術(shù)，并且把它們應(yīng)用到實(shí)際工程中去，還是可行的。譬如在汽車(chē)定位、導(dǎo)航中的應(yīng)用；又如多種傳感器信息處理，如果將二維圖像與激光雷達(dá)的信息融合起來(lái)，可以得到更確切的道路或環(huán)境的信息；傳感器技術(shù)和自動(dòng)駕駛技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的自適應(yīng)巡航，輔助人們把車(chē)開(kāi)得又快又穩(wěn)、安全可靠；汽車(chē)夜間行駛時(shí)，如果裝上紅外攝像頭，就能實(shí)現(xiàn)夜晚的汽車(chē)安全輔助駕駛；在倉(cāng)庫(kù)、碼頭、工廠、機(jī)關(guān)、營(yíng)房、住宅區(qū)或者危險(xiǎn)、有毒、有害的工作環(huán)境里，自動(dòng)駕駛或遙控駕駛技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景，如無(wú)人值守的巡邏監(jiān)視、設(shè)備的維護(hù)修理、物料的運(yùn)輸、消防滅火等等。第二章 賽車(chē)整體設(shè)計(jì)思路

8、2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求、目標(biāo)智能車(chē)競(jìng)賽所使用的車(chē)模是一款帶有差速器的后輪驅(qū)動(dòng)模型賽車(chē)，由大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供。通過(guò)設(shè)計(jì)基于freescale 公司開(kāi)發(fā)的mc9s12dj256單片機(jī)的自動(dòng)控制器控制模型車(chē)在封閉的跑道上自主循線運(yùn)行。自動(dòng)控制器是以單片機(jī)mc9s12dj256為核心，配合有傳感器，舵機(jī)，電機(jī)，電池及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，它能夠自主識(shí)別路徑，控制模型車(chē)高速穩(wěn)定運(yùn)行在跑道上。智能車(chē)競(jìng)賽要求參賽隊(duì)伍設(shè)計(jì)一輛以組委會(huì)提供的車(chē)模為主體的可以在賽道上自主尋線的模型車(chē)，比賽成績(jī)?yōu)閱稳ψ詈贸煽?jī)。設(shè)計(jì)自動(dòng)控制器是制作智能車(chē)的核心環(huán)節(jié)?？煽啃允侨〉贸煽?jī)的有力保障。在提高車(chē)速的同時(shí)保證智能車(chē)的穩(wěn)定性。同時(shí)盡量簡(jiǎn)化電

9、路設(shè)計(jì)，提高靈活性。2.2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(chē)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(lèi)型是決定智能車(chē)總體方案的關(guān)鍵。而目前能夠用于智能車(chē)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)是傳感器信號(hào)處理速度快，能夠有更多的總線資源進(jìn)行復(fù)雜算法的運(yùn)行，但是突破前瞻的束縛是決定速度的關(guān)鍵所在；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，加快處理速度及對(duì)賽道反光問(wèn)題的處理是

10、攝像頭方案的難點(diǎn)。在比較了兩種傳感器優(yōu)劣之后，考慮到我校前三屆強(qiáng)大的技術(shù)積累，決定選用應(yīng)用光電傳感器，相信通過(guò)選用成熟的大前瞻光電傳感器，加之先進(jìn)的程序控制算法和較快的信息處理速度，光電傳感器還是可以達(dá)到極好的控制效果的。該車(chē)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確，其指導(dǎo)思想有以下四點(diǎn)：一是要有盡可能大的前瞻性，以使智能車(chē)有更大的提速空間。因?yàn)樽罱K目的是競(jìng)速，所以速度是第一位,而要想提高賽車(chē)速度，需要盡可能遠(yuǎn)地采集到路況信息，即增大前瞻量，這樣才能提前進(jìn)行判斷，做出轉(zhuǎn)向、加速或減速等動(dòng)作。二是要有盡可能快的響應(yīng)。因?yàn)橐胩岣哔愜?chē)速度就必須使舵機(jī)的響應(yīng)足夠快，而舵機(jī)響應(yīng)的滯后性是制極限約速度的最重要的因素

11、，除了軟件上使用pd控制，即引入微分控制來(lái)提高舵機(jī)的動(dòng)態(tài)性能外，硬件上的舵機(jī)安裝方法也嚴(yán)重影響舵機(jī)的響應(yīng)速度。三是要有很好的環(huán)境適應(yīng)性。環(huán)境適應(yīng)性不止是要有合理的控制算法來(lái)適應(yīng)不同的路況，在硬件的設(shè)計(jì)上也要考慮到系統(tǒng)的適應(yīng)性，尤其是對(duì)于環(huán)境光線的適應(yīng)性，這對(duì)于不管是基于光電的還是基于攝像頭的智能車(chē)都很重要，因?yàn)殚撝档拇笮?yán)重影響到路徑的識(shí)別。四是要有足夠的穩(wěn)定性，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的控制系統(tǒng)必須要有很高的穩(wěn)定性才能正常工作。穩(wěn)定性包括軟件設(shè)計(jì)上的控制的穩(wěn)定性和硬件結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性，兩者都是必不可少的。2.3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)按照預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)，我們?cè)O(shè)計(jì)出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。我們力求在最簡(jiǎn)的硬件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)我們所要的效果

12、，使得系統(tǒng)更高效。在組委會(huì)提供的車(chē)?；A(chǔ)上，通過(guò)mc9s12dj256采樣視頻信號(hào)，獲得圖像數(shù)據(jù)。然后根據(jù)圖像數(shù)據(jù)，提取目標(biāo)指引線。圖像采集模塊主要有光電傳感器、s12的放大電路組成。舵機(jī)模塊主要控制智能車(chē)的轉(zhuǎn)角。驅(qū)動(dòng)模塊用于提供賽車(chē)的驅(qū)動(dòng)，主要由pmos和nmos及其電路組成。速度傳感器模塊由小型光電編碼器和ect脈沖捕捉功能構(gòu)成。提供速度閉環(huán)控制。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。s12舵機(jī)電機(jī)光電編碼器驅(qū)動(dòng)電路激光傳感器圖2.1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.4系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)有了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以后，通過(guò)軟件算法小車(chē)就可以跑起來(lái)了。系統(tǒng)的基本軟件流程為：首先，對(duì)各功能模塊和控制參數(shù)進(jìn)行初始化。然后，通過(guò)圖像采集模塊

13、獲取前方賽道的圖像數(shù)據(jù)，然后s12利用邊緣檢測(cè)方法從圖像數(shù)據(jù)中提取賽道黑線，求得賽車(chē)與黑線位置的偏差，接著采用pid對(duì)舵機(jī)進(jìn)行反饋控制。同時(shí)通過(guò)速度傳感器模塊獲取當(dāng)前賽車(chē)的速度。根據(jù)檢測(cè)到的速度，結(jié)合速度控制策略，對(duì)賽車(chē)速度不斷進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使賽車(chē)在符合比賽規(guī)則的前提下，沿賽道快速行駛。系統(tǒng)的基本軟件結(jié)構(gòu)如圖2.2 所示。開(kāi)始采集傳感器信號(hào)各模塊初始化信號(hào)處理提取速度舵機(jī)控制提取黑線控制速度第三章 智能車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化31智能車(chē)整體建模智能車(chē)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，因此在計(jì)整個(gè)軟件架構(gòu)和算法之前一定要對(duì)整個(gè)車(chē)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

14、再針對(duì)具體的設(shè)計(jì)方案來(lái)調(diào)整賽車(chē)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(chē)車(chē)模的機(jī)械結(jié)構(gòu)和調(diào)整方案。此次競(jìng)賽選用的智能車(chē)競(jìng)賽專(zhuān)用車(chē)模。智能車(chē)的控制采用的是四輪驅(qū)動(dòng)，前輪轉(zhuǎn)向方案。智能車(chē)的外形大致如下：3.2 車(chē)模機(jī)械改裝3.2.1 前輪定位前輪定位主要包括主銷(xiāo)后傾角、主銷(xiāo)內(nèi)傾角、前輪外傾角和前輪前束。前輪定位的作用是保障汽車(chē)直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。前輪主銷(xiāo)后傾角（caster）上球頭或支柱頂端與下球頭的連線，向前或后傾斜的角度，稱(chēng)為“主銷(xiāo)后傾角”。向前傾稱(chēng)為負(fù)主銷(xiāo)后傾角，向后傾斜稱(chēng)為正主銷(xiāo)后傾角。后傾角越大，車(chē)速愈高時(shí)，車(chē)輪偏轉(zhuǎn)后自動(dòng)回正力越強(qiáng)，但

15、回正力矩過(guò)大，將會(huì)引起前輪回正過(guò)猛，加速前輪擺震，并使轉(zhuǎn)向沉重。我們?yōu)榱耸鼓Ｐ蛙?chē)轉(zhuǎn)向靈活，而加速時(shí)前輪不擺震，確保前輪直行的穩(wěn)定性，將主銷(xiāo)后傾角2-3。主銷(xiāo)后傾角 主銷(xiāo)前傾角圖3.1前輪主銷(xiāo)內(nèi)傾角（sal）（如圖3.2） 主銷(xiāo)內(nèi)傾角圖3.2主銷(xiāo)內(nèi)傾角的作用是轉(zhuǎn)向時(shí)，車(chē)輪因被抬起一個(gè)高度，在重力作用下轉(zhuǎn)向輪以將回復(fù)到中間直線行駛的位置，從而起到自動(dòng)回正的作用，同時(shí)因力臂縮短使轉(zhuǎn)向操作輕便。當(dāng)轉(zhuǎn)向軸線向車(chē)輛中心線傾斜并且車(chē)輪處在直使位置時(shí)，轉(zhuǎn)向節(jié)的高度距離底盤(pán)更近。當(dāng)完成轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向盤(pán)回正時(shí)，車(chē)輛在重力作用下有降低到最低處的趨勢(shì)。因此，轉(zhuǎn)向軸銷(xiāo)內(nèi)傾角有助于將車(chē)輪在轉(zhuǎn)向后回到直駛位置。力矩致生偏向是指

16、在前輪驅(qū)動(dòng)車(chē)輛急加速時(shí)左右驅(qū)動(dòng)軸左右長(zhǎng)度不相等引起的駛向側(cè)面的趨勢(shì)。沖擊轉(zhuǎn)向是指在懸架上跳回彈時(shí)前束或外傾角不相等，這使車(chē)輪突然轉(zhuǎn)向一側(cè)。主銷(xiāo)內(nèi)傾角不宜過(guò)大，否則在轉(zhuǎn)向過(guò)程中輪胎與地面間將產(chǎn)生較大的滑動(dòng)。通常主銷(xiāo)內(nèi)傾角不大于8度，通過(guò)改變橫臂螺桿的長(zhǎng)度來(lái)改變主銷(xiāo)內(nèi)傾角，調(diào)整范圍08度之間為宜。利用試驗(yàn)法確定即可。本組將主銷(xiāo)內(nèi)傾角調(diào)節(jié)為5 左右。減小了賽道面作用于前輪的阻力矩，使舵機(jī)轉(zhuǎn)向更加輕便，同時(shí)車(chē)輪自動(dòng)回正的速度加快。車(chē)輪外傾角（camber）輪胎的上沿偏向車(chē)輛內(nèi)側(cè)（朝向引擎、負(fù)外傾角）或外（偏離引擎、正外傾角）的角度稱(chēng)為“車(chē)輪外傾角”。如圖3.3。主銷(xiāo)外傾角 圖3.3外傾的作用是使轉(zhuǎn)向操

17、縱輕便，同時(shí)抵消彈性變形可能產(chǎn)生的車(chē)輪內(nèi)傾，還可以在輪轂上產(chǎn)生向內(nèi)的軸向力從而減輕外軸承 和鎖緊螺母的負(fù)荷。前輪前束(toe)車(chē)輪有了外傾角之后，就會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)車(chē)輪向外滾開(kāi)。車(chē)輪將在地面上出現(xiàn)邊滾邊滑的現(xiàn)象，從而增加了車(chē)輪的磨損。為了消除車(chē)輪外傾帶來(lái)的不良后果，在安裝車(chē)輪時(shí)，使賽車(chē)兩前輪的中心面不平行，兩輪前邊緣距離b小于后邊緣距離a，a-b之差稱(chēng)為前輪前束，這樣可使車(chē)輪在每一瞬時(shí)滾動(dòng)方向接近于向著正前方，從而在很大程度上減輕和消除了由于車(chē)輪外傾而產(chǎn)生的不良后果。在實(shí)際的汽車(chē)中，一般前束為012mm 。3.2.2 舵機(jī)安置圖3.5舵機(jī)使用組委會(huì)提供的b車(chē)舵機(jī)，舵機(jī)的響應(yīng)速度對(duì)小車(chē)是一個(gè)很重要的因

18、素，特別是在自己的前瞻范圍內(nèi)如何更快的響應(yīng)就顯得及其重要了。為了加快舵機(jī)的響應(yīng)速度，我們做了以下三個(gè)方面的改進(jìn)：第一，舵機(jī)立式放置，使舵機(jī)位于兩輪的中心線上，小車(chē)前部相對(duì)于舵機(jī)左右對(duì)稱(chēng)，從而左右橫拉桿長(zhǎng)度相同，舵機(jī)左右轉(zhuǎn)向時(shí)受力比較均勻。這樣，經(jīng)建模分析得，即使左右橫拉桿長(zhǎng)度相同，轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)側(cè)輪的轉(zhuǎn)角還是大于外側(cè)輪的轉(zhuǎn)角，有利于轉(zhuǎn)向，也使轉(zhuǎn)彎更加穩(wěn)定可靠。通過(guò)以上這些改造，舵機(jī)的響應(yīng)速度提高許多，穩(wěn)定性增強(qiáng)，為快速靈巧的轉(zhuǎn)向提供了硬件的保證第二，實(shí)驗(yàn)可知，由于舵機(jī)的響應(yīng)速度與舵機(jī)的供電電壓有直接的關(guān)系，而電壓越高其響應(yīng)速度越快，但是大賽規(guī)則中禁止用dc-dc升壓電路給電機(jī)供電，故我們直接用電池

19、電壓即7.2v直接給舵機(jī)供電。第三，將舵機(jī)偏前放置，從而增加了舵機(jī)到連桿之間的擺桿長(zhǎng)度，這樣與以前的長(zhǎng)度相比讓前輪轉(zhuǎn)過(guò)同樣的角度舵機(jī)只需轉(zhuǎn)過(guò)比以前更小的角度。3.2.3底盤(pán)離地間隙底盤(pán)的高度對(duì)車(chē)的重心影響很大，因?yàn)槲覀儾扇」怆妭鞲衅鞑杉访嫘畔⒌牟呗?，傳感器的安裝，必然導(dǎo)致整車(chē)的重心偏高，在高速過(guò)彎時(shí)則向心力比較大，同時(shí)由于慣性則車(chē)很容易向一側(cè)翻倒。為了避免這類(lèi)事情的發(fā)生，不僅需要減輕傳感器支架的重量，也要盡量降低小車(chē)底盤(pán)的高度。我們把車(chē)底盤(pán)放低，從而降低整車(chē)的重心，防止車(chē)翻倒。雖此次比賽中有坡度在15度之內(nèi)的坡道，但坡道是圓弧形的拱坡，車(chē)在上下坡過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)碰觸賽道的情況，故我們對(duì)車(chē)的前后

20、部的底盤(pán)高度都做了調(diào)整。以下是車(chē)前后部分底盤(pán)高度調(diào)整方法：(1)底盤(pán)前半部分離地間隙調(diào)整：我們利用固定彈簧和去掉彈簧，從而使小車(chē)前部離地間隙達(dá)到最低，為8mm。(2)底盤(pán)后半部分離地間隙調(diào)整：通過(guò)變換偏心卡圈調(diào)整底盤(pán)后半部離地間隙。為了降低小車(chē)整體重心，我們采用了偏心最大的卡圈，使間隙最小。33傳感器的原理、選擇與安裝3.3.1傳感器的選擇光電車(chē)的傳感器主要有兩種，也是大部分學(xué)校用的，一種紅外傳感器，另一種是激光傳感器。在確定智能車(chē)總體方案時(shí)，我們選擇激光傳感器的方案。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

21、傳感器的數(shù)倍甚至十幾倍，完全滿(mǎn)足競(jìng)賽的要求。而且激光傳感器同時(shí)發(fā)光，互不干擾。3.3.2 激光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。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3.3.3 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

22、厘米，對(duì)于智能車(chē)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12個(gè)激光傳感器，所有的傳感器呈“一”字排布。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p口，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)射與接收電路電路圖說(shuō)明 1、l11和r15之間可加上電位器； 2、c11為4

23、7uf的鉭電容(說(shuō)明書(shū)中有一個(gè)圖對(duì)應(yīng))，加在接收管的1和3腳之間，起濾波作用；如果不行，可以試一下1uf的電解電容,或者0.1uf、0.01uf。 3、in為信號(hào)輸入單片機(jī)，out為單片機(jī)i/o口控制發(fā)光； 4、接收到黑色為1，接收到白色為0； 5、當(dāng)照射在黑色時(shí)，l12指示燈應(yīng)該為滅 3.3.4傳感器的安裝傳感器的固定是關(guān)鍵，其安裝位置、高度以及負(fù)仰角，直接影響圖像的采集和整車(chē)的重心。但是我們小車(chē)有搖頭的原因，車(chē)的整體重心肯定在車(chē)的中心靠前位置，為了讓車(chē)轉(zhuǎn)向更靈活，我們必修減輕車(chē)的重量，以此增加車(chē)的速度。為減輕重量，我們?nèi)サ粢恍](méi)有必要的金屬或者換成塑料。攝像頭位置越高，則前瞻性越好，看到的

24、賽道信息越豐富，有利于賽車(chē)的預(yù)判和加減速，但對(duì)支架的剛性要求越高。在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，整車(chē)的重心偏高，很容易發(fā)生翻車(chē)等極惡劣的情況。因此我們將傳感器高度定為20cm，既保證了前瞻，又保證了圖像采集時(shí)左右寬度相等。3.2.3傳感器的調(diào)試方法一、先將光斑調(diào)整到一條直線。二、俞電腦連接，在線調(diào)試。三、寫(xiě)入程序使傳感器分組發(fā)光。四、單個(gè)安裝鏡頭并調(diào)試位置。五、檢查同組傳感器是否相互干擾32第四章 系統(tǒng)硬件電路4.1 核心電路板的組成核心電路板我們采用飛思卡爾提供的mc9s12dj256作為主控制器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的控制。mc9s12dj256微控制器采用增強(qiáng)型16位s12cpu，片內(nèi)總線是時(shí)鐘頻率最高可達(dá)2

25、5mhz，片內(nèi)資源包括128kb的flash存儲(chǔ)器、8kb的ram、2kb的eeprom；兩個(gè)異步串行通信接口、兩個(gè)串行外圍接口、一組8通道的輸入捕捉或輸出捕捉的增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器、兩組8通道10路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一組8通道脈寬調(diào)制模塊、一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)鏈路控制器、29路獨(dú)立的數(shù)字i/o接口、20路帶中斷和喚醒功能的數(shù)字i/o接口、5個(gè)增強(qiáng)型can總線接口，并支持背景調(diào)試模式（bdm）。整個(gè)智能車(chē)系統(tǒng)的接口層結(jié)構(gòu)如圖4-1，5v電源給s12單片機(jī)提供所需供電壓，s12的pwm模塊產(chǎn)生的pwm信號(hào)控制舵機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，s12單片機(jī)的ect模塊則采集測(cè)速模塊的速度信號(hào)和攝像頭的同步信號(hào)，s12的pim

26、模塊則并行讀入攝像頭的亮度信息。結(jié)構(gòu)如下圖4-1。s12單片機(jī)舵機(jī)s12的電源s12的pwms12的ects12的pim測(cè)速模塊電機(jī)攝像頭圖4-1 s12控制模塊結(jié)構(gòu)圖通過(guò)我們自行設(shè)計(jì)的核心電路板外圍接口電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)控制以及速度反饋的控制。在設(shè)計(jì)制作主電路板時(shí)我們的原則是體積小、重量輕、安裝重心低等。由于整車(chē)的重心和重量主要取決于電路板和電池的位置和重量，而電池的重量和位置是固定的，我們只能在主控板上進(jìn)行改進(jìn)。4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊模型車(chē)的動(dòng)力部分設(shè)計(jì)重點(diǎn)就是電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路模塊，大賽使用的是直流電機(jī)，它一般用的是橋式驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速我們采用的是pwm 波控制調(diào)速

27、，由于大賽組委會(huì)提供的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片mc33886 在大電流下容易產(chǎn)生死鎖而進(jìn)行自我保護(hù)，影響小車(chē)的性能。所以我們用mos 場(chǎng)效應(yīng)管自行設(shè)計(jì)了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，此驅(qū)動(dòng)電路具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。具體電路見(jiàn)下圖4-2 示：圖 4-2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖在具體使用中我們采用四片場(chǎng)效應(yīng)管并聯(lián)的方式來(lái)降低每片場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電流，從而來(lái)降低場(chǎng)效應(yīng)管的發(fā)熱量達(dá)到保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路的目的。這樣可以不用增加散熱片來(lái)給驅(qū)動(dòng)芯片散熱，并且大大的提高了驅(qū)動(dòng)能力，使得電機(jī)的加減速性能有很大提高。第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的軟件程序是智能車(chē)平穩(wěn)快速尋線的基礎(chǔ)。本智能車(chē)采用激光傳感器作為尋線傳感器，圖像采集處理就成了整個(gè)軟件的核心內(nèi)

28、容。在智能車(chē)的轉(zhuǎn)向和速度控制方面，我們使用了魯棒性很好的經(jīng)典pid控制算法，配合使用理論計(jì)算和實(shí)際參數(shù)補(bǔ)償?shù)霓k法，使在尋線中智能車(chē)達(dá)到了穩(wěn)定快速的效果。5.1 軟件整體設(shè)計(jì)根據(jù)此次我們對(duì)于智能車(chē)的整體設(shè)計(jì)方案，我們從傳感器得到的外部信息輸入有：光電傳感器得到的車(chē)前方的黑線圖像數(shù)據(jù)，速度傳感器得到的智能車(chē)即時(shí)速度。要進(jìn)行的外部控制輸出有：舵機(jī)轉(zhuǎn)向輸出以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力輸出。我們所采用的尋路、速度控制算法總體來(lái)說(shuō)可以這樣描述:根據(jù)光電傳感器所得到的圖像信號(hào)，經(jīng)過(guò)反射回來(lái)光線強(qiáng)弱的不同從而對(duì)智能車(chē)的轉(zhuǎn)向方向以及位置、速度等進(jìn)行控制。速度傳感器得到的智能車(chē)運(yùn)行速度則是對(duì)轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行修正，另外的，為了保持

29、智能車(chē)的穩(wěn)定運(yùn)行，去除電池電壓對(duì)于車(chē)速度的影響，依靠速度傳感器反饋形成閉環(huán)的速度控制，有一速度傳感器的信號(hào)由程序自動(dòng)調(diào)整電機(jī)輸出的占空比，從而讓小車(chē)以相對(duì)平穩(wěn)的速度運(yùn)行。軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖如下：激光傳感器光斑強(qiáng)度速度控制輸出尋跡、速度和小車(chē)位置的控制算法方向控制輸出速度傳感器數(shù)據(jù)圖5.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖5.2 舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制和速度控制的pid 算法pid控制是工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律。問(wèn)世至今70多年來(lái)，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。單位反饋e代表理想輸入與實(shí)際輸出的誤差，這個(gè)誤差信號(hào)被送到控制器，控制器算出誤差信號(hào)的積分值和微分值，并將它們

30、與原誤差信號(hào)進(jìn)行線性組合，得到輸出量u。controlerplantreuc+- 圖 5.3 單位反饋的pid 控制原理圖單位反饋e代表理想輸入與實(shí)際輸出的誤差，這個(gè)誤差信號(hào)被送到控制器，控制器算出誤差信號(hào)的積分值和微分值，并將它們與原誤差信號(hào)進(jìn)行線性組合，得到輸出量u。其中，、 、 分別稱(chēng)為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。u接著被送到了執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這樣就獲得了新的輸出信號(hào)u,這個(gè)新的輸出信號(hào)被再次送到感應(yīng)器以發(fā)現(xiàn)新的誤差信號(hào)，這個(gè)過(guò)程就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行。pid各個(gè)參數(shù)作用基本介紹：增大微分項(xiàng)系數(shù)可加快動(dòng)態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)，但易引起震蕩。增大比例系數(shù)能夠減小上升時(shí)間，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。增大積分系數(shù)能夠

31、消除穩(wěn)態(tài)誤差，但會(huì)使瞬時(shí)響應(yīng)變差。增大微分系數(shù)能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，減小超調(diào)，并且改善瞬時(shí)響應(yīng)。對(duì)連續(xù)系統(tǒng)中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)在計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)，是將上式轉(zhuǎn)換成差分方程，由此實(shí)現(xiàn)數(shù)字pid調(diào)節(jié)器。位置式pid控制算法：用矩形數(shù)值積分代替上式中的積分項(xiàng)，對(duì)導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用后向差分逼近，得到數(shù)字pid控制器的基本算式（位置算式）：位置式pid控制算法用矩形數(shù)值積分代替上式中的積分項(xiàng)，對(duì)導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用后向差分逼近，得到數(shù)字pid控制器的基本算式（位置算式）：其中t是采樣時(shí)間，、為三個(gè)待調(diào)參數(shù)，我們?cè)趯?shí)際代碼實(shí)現(xiàn)算法時(shí)，處理成以下形式：preu = kp * error + ki * integral + kd *

32、derror增量式pid控制算法對(duì)位置式加以變換，可以得到pid算法的另一種實(shí)現(xiàn)形式（增量式）：我們?cè)趯?shí)際代碼實(shí)現(xiàn)時(shí)，處理成preu + =（ kp * d_error + ki * error + kd * dd_error ) 。的形式。5.3 起始線的識(shí)別根據(jù)今年的比賽規(guī)則，在跑完一圈后賽車(chē)需要自動(dòng)停止在起始線之后三米的賽道內(nèi)。因此，我們針對(duì)起始線提出了識(shí)別和處理的方法。要在三米內(nèi)自動(dòng)停止，首先要正確的識(shí)別起始線。起始線的識(shí)別有兩中方法：一是在車(chē)體前增加紅外管；二是直接用激光傳感器識(shí)別。第二種方法在搖頭的情況下，很難停住車(chē)或者在十字交叉處停車(chē)，根據(jù)比較和多次試驗(yàn)得知，我們利用第一種方案，

33、即在車(chē)前安裝一排紅外線傳感器。圖 5.4 起始線算法流程圖第六章 賽車(chē)調(diào)試6.1軟件調(diào)試平臺(tái)codewarriorcodewarrior是由metrowerks 公司提供的專(zhuān)門(mén)面向freescale 所有mcu 與dsp 嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)的軟件工具。其中包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境ide、處理器專(zhuān)家、全芯片仿真、可視化參數(shù)顯示工具、項(xiàng)目工程管理、c 交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試器。codewarrior不僅支持匯編語(yǔ)言，而且支持c、c+和java高級(jí)語(yǔ)言。codewarrioride支持深入的c語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言調(diào)試：?jiǎn)?dòng)/停止、單步、設(shè)置跟蹤觸發(fā)器、校驗(yàn)/修改存儲(chǔ)器和c變量、結(jié)構(gòu)與陣列，以及執(zhí)行其他仿真

34、功能。其中在本設(shè)計(jì)方案中最為重要的部分就是集成開(kāi)發(fā)環(huán)境ide 以及調(diào)試器。仿真調(diào)試窗口如圖6.1所示。圖6.1 仿真調(diào)試窗口code warrior 4.6可以很好方便的完成mcs12dj256單擊的新工程的建立，程序的編寫(xiě)、下載和調(diào)試。通過(guò)bdm頭不僅可以燒寫(xiě)程序，還可以在程序運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)查看各參數(shù)的值。6.2 codewarrior ide基本使用方法 運(yùn)行“開(kāi)始菜單所有程序freescale codewarriorcw for hc12 v4.6codewarrior ide”，選擇“filenew”。此后選擇mc9s12dj256，按照提示選取期望的選項(xiàng)。直至建立工程文件。如下： 打開(kāi)s

35、tart12.c 文件，找到代碼#ifdef _hcs12_serialmon#define _initrm (*(volatile unsigned char *) 0x0010)#define _initrg (*(volatile unsigned char *) 0x0011)#define _initee (*(volatile unsigned char *) 0x0012)#endif修改成：/#ifdef _hcs12_serialmon#define _initrm (*(volatile unsigned char *) 0x0010)#define _initrg (*(

36、volatile unsigned char *) 0x0011)#define _initee (*(volatile unsigned char *) 0x0012)之所以要進(jìn)行這個(gè)步驟是因?yàn)椋跏蓟a是認(rèn)為程序中有監(jiān)控程序的，但是因?yàn)槲覀兪鞘褂玫腷dm調(diào)試工具，所以就不需要監(jiān)控程序了。如果不注釋掉這兩條語(yǔ)句，一旦將程序燒寫(xiě)到片內(nèi)的flash，會(huì)發(fā)現(xiàn)程序跑不起來(lái)，因?yàn)槌跏蓟^(guò)程在等待監(jiān)控程序的響應(yīng)，如果沒(méi)有監(jiān)控程序，那么程序就會(huì)進(jìn)入死循環(huán)的狀態(tài)。 添加代碼：將自己的代碼加入到工程文件中。 如果文件編譯通過(guò)，通過(guò)bdm 下載。啟動(dòng)codewarrio 4.6 自帶的hiwave.exe 程序，該程序一般位于codewarrio 4.6 的安裝目錄“ freescale codewarrior cw for hcs12x v4.6prog”中，是用來(lái)往單片機(jī)下載程序和調(diào)試單片機(jī)