科技光電平衡組一隊技術(shù)報告

關于技術(shù)報告和研 使用的說本人完全了解第八屆“飛思”杯大學生智能汽車邀請賽關于保留、使用技術(shù)報告和研究 的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽和飛思半導體公司可以在相關主頁上收錄并公開參賽作品的設計方案、技術(shù)報告以及參賽模型車的、圖像資料，并將相關內(nèi)容編纂收錄在 集中。日目目 線形CCD的安 線性CCD傳感 3.2.3編 2 參考文 大學生“飛思”杯智能汽車競賽是以“立足培養(yǎng)、重在參與、鼓勵探索、追求卓越”為，鼓勵創(chuàng)新的一項科技競賽活動。競賽要求在規(guī)定的汽車模型平臺上，使用飛思半導體公司的微控制器作為控制模塊，通過增加道路傳感器、電機驅(qū)動模塊以及編寫相應控制程序，制作完成一個能夠自主識別道路的模型汽車。智能汽車競賽的賽道路面為寬度不小于45cm的白色面板，賽道兩側(cè)邊沿有寬為25mm的連續(xù)黑線作為引導線。參賽隊員的目標是模型汽車需要按照規(guī)則以最短時間完成單圈賽在本次比賽中本組使用大賽統(tǒng)一提供的競模，采用飛思32位微控制器MK60DN256ZVLL10作為控制單元，自主構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)設化的位置的方法?？刂扑惴ㄉ希瑥腜ID到Bang-Bang,再到模糊PID都進行了一在這份報告中，我們主要通過對整體方案、機械、硬件、算法等方面的介紹，詳細闡述我隊在此次智能汽車競賽中的思想和創(chuàng)新。具體表現(xiàn)在電路的創(chuàng)新設計、算法以及輔助調(diào)試模塊等方面的創(chuàng)新。我隊成員涉及自動化、機械、計算機等專業(yè)，在準備比賽的過程中，隊員查閱了大量的專業(yè)資料，反復地調(diào)試汽車模型的各項參數(shù)。所有隊員都為此次智能汽車競賽付出了艱苦的勞動。這份報告凝聚著科技大學智能汽車隊光電組全本章主要介紹智能汽車系統(tǒng)總體方案的選定和總體設計思路，在后面的章節(jié)中將整個系統(tǒng)分為機械結(jié)構(gòu)、控制模塊、控制算法等三部分對智能汽車控制系統(tǒng)進行深入的介紹和分析。本屆智能汽車大賽光電組比賽對傳感器有著嚴格的規(guī)定，使用激光傳感器，改為統(tǒng)一線性DED光學傳感器，這對我隊是一個全新的。ED燈雖然有信號穩(wěn)定的特點，但是由于前瞻太小，不適合平衡組的汽車來循跡。相比之下，D與傳統(tǒng)的光電傳感器相比有著信息量大，質(zhì)量輕，電路簡單的特點，但是由于需要鏡頭成像，所以會帶來成像失真，靜電干擾嚴重等問題。由于平衡車的特殊性，車身在循跡前進的過程中，必須保持車身的平衡。根據(jù)最基本保持車身平衡的基本原理，我們需要知道車身當前的角度和角速度。因此在保持車身平衡方面，我們確定以加速度計作為角度傳感器，陀螺儀作為角速度傳感器。另外，車身轉(zhuǎn)向控制方面，也使用陀螺儀作為轉(zhuǎn)向反饋。遵照本屆競賽規(guī)則規(guī)定，智能汽車系統(tǒng)采用飛思的32位微控制器MK60DN256ZVLL10單片機作為控制單元用于智能汽車系統(tǒng)的控制。線性CCD賽道明暗信息，返回到單片機作為轉(zhuǎn)向控制的依據(jù)。加速度計返回的模擬信號作為車身當前角度的信號，陀螺儀車身轉(zhuǎn)動的角速度。主控輸出波控制電機的轉(zhuǎn)速以保持車身的平衡和鎖定賽道。同四輪車不同，平衡組需要使用左右輪的差速來轉(zhuǎn)彎。為了控制的準確性和快速性，我們使用編作為速度傳感器。編返回的信號可以形成閉環(huán)，使用PID控制電機的轉(zhuǎn)速。平衡組加會導致車身的傾角劇烈的變化，這并不利于車身保持平衡。因此整個調(diào)試過程就是要保證車身穩(wěn)定的前提下不斷提高車模前進的平均速度。根據(jù)以上系統(tǒng)方案設計，共包括六大模塊：MK60DN256ZVLL10主控模塊、傳感器模塊、電源模塊、電機驅(qū)動模塊、速度檢測模塊和輔助調(diào)試模塊。各模塊的作用如下：MK60DN256ZVLL10主控模塊，作為整個智能汽車的“大腦”，將采集CCD傳感器、陀螺儀，加速度計和光電編等傳感器的信號，根據(jù)控制算法做出控制決策，驅(qū)動兩個直流電機完成對智能汽車的控制；傳感器模塊，是智能汽車的“眼睛”，可以通過一定的前瞻性，提前感知前方的賽道信息，為智能汽車的“大腦”做出決策提供必要的依據(jù)和充足的反應時間，同時使用陀螺儀和加速度計計算車模行進過程中的實時角速度和加速度信息，用以保持車模穩(wěn)定行進；電機驅(qū)動模塊，驅(qū)動直流電機和伺服電機完成智能汽車的加控制速度檢測模塊，檢測反饋智能汽車輪的轉(zhuǎn)速，用于速度的閉環(huán)控制；輔助調(diào)試模塊，主要用于智能汽車系統(tǒng)的功能調(diào)試、狀態(tài)本章重點分析了智能汽車系統(tǒng)總體方案的選擇，并介紹了系統(tǒng)的總體設計和總體結(jié)構(gòu)，簡要地分析了系統(tǒng)各模塊的作用。在今后的章節(jié)中，將對整個系統(tǒng)的各個模塊進行詳細介紹。智能汽車各系統(tǒng)的控制都是在機械結(jié)構(gòu)的基礎上實現(xiàn)的，因此在設計整個軟件架構(gòu)和算法之前一定要對整個模型車的機械結(jié)構(gòu)有一個全面清晰的認識，然后建立相應的數(shù)學模型，從而再針對具體的設計方案來調(diào)整賽車的機械結(jié)構(gòu)，并在實際的調(diào)試過程中不斷的改進優(yōu)化和提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。本章將主要介紹智能汽模型車型車的機械結(jié)構(gòu)和調(diào)整方案。此次競賽選用的是東莞市博思電子數(shù)碼科技生產(chǎn)的智能車競賽模型車(D型模型車)，配套的電機型號為-2875。智能車的2.1速度傳感器的安圖2.2主銷后傾圖線形CCD圖2.4CCD的安裝車模傾角傳感重心的高度是影響智能車穩(wěn)定性的因一。當重心高度偏高時，智能車在轉(zhuǎn)彎過程中會發(fā)生抬輪現(xiàn)象，嚴重時甚至翻車。因此，從小車穩(wěn)定性出發(fā)，我們盡量降低重心高度，從而保證小車可靠穩(wěn)定。電路板的安電池安模型車的性能與機械結(jié)構(gòu)有著非常密切的聯(lián)系。良好的機械結(jié)構(gòu)是模型車提高速度的關鍵基礎。在同等的控制環(huán)境下，機械機構(gòu)的好壞對其速度的影響十分顯著。我們非常重視對智能汽車的機械結(jié)構(gòu)的改進，經(jīng)過大量的理論研究和實踐，我們小車的大部分質(zhì)量都集中在兩輪前后，達到降低重心的目的，從而提高了小車整體的穩(wěn)定性和可靠性。電源管理模首先了解一下不源的特點，電源分為開關電源和線性電源，線性電源的電壓反饋電路是工作性狀態(tài)，開關電源是指用于電壓調(diào)整的管子工作在飽和和截至區(qū)即開關狀態(tài)的。線性電源一般是將輸出電壓取樣然后與參考電壓送入比較電壓放大器，此電壓放大器的輸出作為電壓調(diào)整管的輸入，用以控制調(diào)整管使其結(jié)電壓隨輸入的變化而變化，從而調(diào)整其輸出電壓，但開關電源是通過改變調(diào)整管的開和關的時間即占空比來改變輸出電壓的。從其主要特點上看：線性電源技術(shù)很成熟，制作成本較低，可以達到很高的穩(wěn)定度，波紋也很小，而且沒有開關電源具有的干擾與噪音，開關電電源模塊對于一個控制系統(tǒng)來說極其重要，關系到整個系統(tǒng)是否能夠正常工作，因此在設計控制系統(tǒng)時應選好合適的電源模塊。競賽規(guī)則規(guī)定，比賽使用智能汽車競賽統(tǒng)一配發(fā)的標準車模用7.2V2000mAhid供電，而單片機系統(tǒng)、路徑識別的CD傳感器、陀螺儀和加速度傳感器均使用的是3.3V的電源。編需要5V電源，伺服電機工作電壓范圍為4V到6V（為提高伺服電機響應速度，采用7.2V供電），直流電機可以使用7.2V2000mAhNi-cd蓄電池直接供電，智能汽車電壓調(diào)節(jié)電路示例見圖3.1。3.15V電源模塊用于為74HC08，74HC14,編供電。常用的電源有串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源（LM2940TPS7805等和開關型穩(wěn)壓電源（LM2596、LM2575、AS1015等）兩大類。前者具有紋波小、電路結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，但是效率較低，功耗大；后者功耗小，效率高，電流大，但電路卻比較復雜，電路的紋波大。本次電路5V的電源分成2個穩(wěn)壓來提供，一個為H橋芯片IR2184S提供5V電源，另一個為編和邏輯轉(zhuǎn)換提供電源。由于本次使用的是K60單片機和CCD傳感器。這些模塊均要求使用3.3V電源。3.3電源也分為2個電源，一個為傳感器供電，另一個為單片機，鍵盤，液晶供電?？傮w上來說，我們電源的分離是為了減小傳感器電源的穩(wěn)定。CCD，陀螺儀，加速度計都是模擬傳感器，電源的紋波將影響傳感器的性能。減小電源的紋波的大小可以保證傳感器的可靠性。電機驅(qū)動模本次光電平衡組需要驅(qū)動2個電機，驅(qū)動的設計尤為重要。常用的電柵極驅(qū)動設計。市面上常見的集成H橋式電機驅(qū)動中，飛思卡爾公司的33886型性能較為出色，該具有完善的過流、欠壓、過溫保護等功能，內(nèi)部MOSFET導通電阻為120毫歐，具有最大5A的連續(xù)工作電流。使用集成的電路設計簡單，可靠性高，但是性能受限。由于比賽電機內(nèi)阻僅為幾毫歐，而集成內(nèi)部的每個OSFET導通電阻在120毫歐以上，大大增加了電樞回路總電阻，此時直流電動機轉(zhuǎn)速降落較大，驅(qū)動電路效率較低，電機性能不能充分發(fā)揮。由于分立的N溝道MOSFET具有極低的導通電阻，大大減小了電樞回路總電阻。另外，專門設計的柵極驅(qū)動電路可以提高MOSFET的開關速度，使控制方式的調(diào)制頻率可以得到提高，從而減少電樞電流脈動。并且柵極驅(qū)動通常具有防同臂導通、硬件死區(qū)、欠電壓保護等功能，可以提高電路工作的可靠性。IR公司號稱功率半導體，所以我們主要在IR公司的產(chǎn)品中進行選擇。其中IR2184型半橋驅(qū)動可以驅(qū)動高端和兩個N溝道MOSFET，能提供較大的柵極驅(qū)動電流，并具有硬件死區(qū)、硬件防同臂導通等功能。使用兩片IR2184型半橋驅(qū)動可以組成完整的直流電機H橋式驅(qū)動電路。由于其功能完善，價格低廉容易采購，所以我們選擇它進行設計，如圖3.2所示。3.2IR2184應用圖選擇MOSFET時主要考慮的因素有：耐壓、導通內(nèi)阻和封裝。智能汽車電源是額定電壓為7.2V的電池組，由于電機工作時可能處于再生發(fā)電狀態(tài)，所以驅(qū)動部分的元件耐壓值最好取兩倍電源電壓值以上，即耐壓在16V以上。而導通內(nèi)阻則越小越好。封裝越大功率越大，即同樣導通電阻下通過電流更大，但封裝越大柵極電荷越大，會影響導通速度。常用的MOSFET封裝有TO-220、TO-252、SO-8等，TO-252封裝功率較大、而柵極電荷較小。于是我們最終選擇了IR公司TO-252封裝的LR7843型N溝道MOSFET，VDSS=55伏、RDS(on)=8.0毫歐、ID=110安。IR2104的控制信號有兩個管腳IN和SD。IR2104輸入輸出信號關系圖如圖3.3所示：而當兩片IR2104驅(qū)動如圖3.4所示可逆橋式電路時，其真值表為表3.4HHLHHLLHLHHHLHHLHHHHHLHLLHLHLHLHXLXLLLLL3.5圖3.6中IC是一個高壓驅(qū)動,動2個半橋SFET。b,s為高壓端供電oMoss電位為下橋臂功率管2的飽和導通壓降,基本上接近地電位,此時cc通過自舉二極管D對自舉電容2充電使其接近Vc電壓.當2關斷時s端的電壓就會升高,由于電容兩端的電壓不能突變,因此b端的電平接近于Vs和Vc端電壓之和,而和s之間的電壓還是接近Vc電壓.當2,2作為一個浮動的電壓源驅(qū)動22s2.6D2I2184在脈寬調(diào)制（）應用時應嚴格挑選和設計的元器件,根據(jù)一定的規(guī)則進行計算分析;并在電路實驗時進行調(diào)整,使電路工作處于最佳狀態(tài),其中D是一個重要的自舉器件應能阻斷直流干線上的高壓其承受的電流是柵極電荷與開關頻率之積,為了減少電荷損失,應選擇反向漏電流小的快恢復二極管,內(nèi)高壓部分的供電都來自圖中自舉電容2上的電荷;為保證高壓部分電路有足夠的能量供給#應適當選取2的大小.OSFET具有相似的門極特性,開通時需要在極短的時間內(nèi)向門極提供足夠的柵電荷,在自舉電容的充電路徑上,分布電感影響了充電的速率,下橋臂功率管的最窄導通時間應保證自舉電容有足夠的電荷#以滿足柵極所需要的電荷量再加上功率器件穩(wěn)態(tài)導通時漏電流所失去的電荷量.因此,從最窄導通時間為最小值考慮,自舉電容應足夠小;綜上所述,在選擇自舉電容大小時應考慮,既不能太大影響窄脈沖的驅(qū)動性能;也不能太小影響寬脈沖的驅(qū)動要求,應從功率器件的工作頻率、開關速度、門極特性等方面進行選擇、估算后調(diào)試而定。接口模CCD的器件很少，輸出信號經(jīng)過濾波等處理后就可以直接連接K60AD端口上。接口極其簡單，電路如下所示。3.7CCD3.8由于今年比賽規(guī)則對光電平衡組的傳感器有明確的規(guī)定，所以我們在傳感器的選擇上沒有花費時間。對于的傳感器的優(yōu)化，我們也主要是傳感器對環(huán)境的適應性方面。線性CCD時間成正比。因此為了適應場地，CCD的積分時間應該是可變的。加速度計使用MMA7361。ENC-03陀螺儀有比較小的體積和高的靈敏度。其工作電壓范圍為2.75~5.25V。一種運用比較廣泛的電路，如圖3.10所示。同一PCB板上使用2個陀螺儀的時候，需要使用一個ENC-03MA和一個加速度傳感計。我們使用的是MMA7361，MMA7361具有工作電壓第（2.2~3.6V），靈敏度高濾波。電路如圖3.11所示。3.2.3編設計上拉電阻同時為了保證波形的穩(wěn)定主控板上使用了74HC14非門K603.113.12所示。我們選用ZLG7290控制，它可以驅(qū)動八位數(shù)碼管，最多可驅(qū)動64個獨立圖 圖 ZLG7290應用原理圖 ZLG7290管腳說我們設計了八位數(shù)碼管，3*4共十二鍵的鍵盤，在具體的設計中可依據(jù)實際的應用選擇限流電阻的大小，這樣可以靈活的控制數(shù)碼管的亮度。硬件電路是模型汽車系統(tǒng)的必備部分。只有穩(wěn)定的硬件電路才能保證程序的正確控制。為此，我們在設計電路之時，考慮了很多問題，采用了模擬部分與數(shù)字部分等措施。我們的硬件電路的設計思想是在保證正確檢測信號的前提下，盡可能精簡電路。主程序流程圖由于LED的前瞻距離十分有限，所以線性CCD自然成為了較好的方案選擇。新型傳感器路徑識別狀由于今年的賽道信息增加了小S虛線規(guī)則以及黑色路障規(guī)則，并且對光源傳感器做出了要求，在使用CCD進行賽道識別，傳統(tǒng)的傳感器搜索跳變沿算法可取之處不是很大，不過不缺乏借鑒之處。對于我們的模型車，CCD在賽道上可能的狀態(tài)有：在普通的賽道處、在起點處、在十字交叉線處、小S虛線處、路障處。由于傳感器的改變以及規(guī)況也顯得錯綜復雜，點層出不窮。記為left16~63和right64~111。在直道時，兩側(cè)都會檢測到賽道邊沿，且大體處于中間位置，左右較對稱；在小彎道時，兩側(cè)都會檢測到賽道邊沿，但會有小幅地左右擺動；在其它彎道時，會出現(xiàn)左右側(cè)跳變沿出賽道的狀況，這時主要依靠一側(cè)D進行全白的也只會在十字的時候出現(xiàn)，當然小S虛線位置也不排除會有全白的情況發(fā)生，雖說黑白線時左右對稱的，但是黑白條的長度固定十公分，內(nèi)側(cè)長度遠不及外側(cè)長度，無可避免的會多次出現(xiàn)單側(cè)全白的情況；終點線依靠CCD返回值具有駝峰形狀的賽道信息返回值來測得。線性CCD傳感器路徑識別算路徑識別算法是我們使用的是由CCD中心向兩側(cè)搜索提取跳變沿的算法，通過提取到的兩側(cè)跳變沿相加除二來得到小車轉(zhuǎn)向需要的轉(zhuǎn)向值。具通過CCD返回的像素值，利用17閾值來找到跳變沿，計算當傳感器檢測到黑線時相應的傳感器返回中線值。式中，Pixel[i]為對應傳感器的狀態(tài)值。{if(ABS(Pixel[i-1]-Pixel[i]){leftbreak=i;}}for(i=111;i>64;i--{if(ABS(Pixel[i+1]-Pixel[i]){rightbreak=i;}}其中l(wèi)eftbrk_num與rightbrk_num是判斷左右是否全黑與全白的判斷條件。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。通過得到的leftrk_numrightbrk_num是否等于48來判斷左右側(cè)是否是全白的情況。對于直立車來說，在控制過程中，不僅要考慮雙電機差速轉(zhuǎn)向問題，還要考慮直立與速控問題，這三個重要的量都是在兩個車輪上完成，復雜度極高，我們采用線性相加的方式將其擬合在一起，并對其上下限做出限制，當超出這個限制時，強制到限制的最大值處。彎道策略分其中，切彎路徑主要決定了車輛是選擇內(nèi)道過彎還是外道過彎。切內(nèi)道，路經(jīng)最短，但是如果地面附著系數(shù)過小會導致車輛出現(xiàn)側(cè)滑的不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，原因是切內(nèi)道時，曲率半徑過小，同時速度又很快，所以模型車需要的向心力會很大，而賽道本身是平面結(jié)構(gòu)，向心力將全部由地面的摩擦力提供，因此賽道表面的附著系數(shù)將對的運行狀態(tài)有很大影響。切外道，路徑會略長，但是有的調(diào)整機會，同時曲率半徑的增加會使得模型車可以擁有更高的過彎速度。熟性和可操作性上都有著很大的優(yōu)勢。所以最后我們選擇了PID的控制方式。組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。成PD或PID控制器。本章詳細介紹了智能汽車的控制軟件的設計和思路。傳感器部分重點介紹了CCD傳感器的原理和算法。在控制策略上主要介紹了PID控制理論和對彎道信息的處理和控制上。程序的開發(fā)是在提供的IAR下進行的，包括源程序的編寫、編譯和，并最終生成可執(zhí)行文件。IARSystems是全球領先的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具和服務的供應商。公司成立于1983年，提供的產(chǎn)品和服務涉及到嵌入式系統(tǒng)的設計、開發(fā)和測試的每一個階段，包括：帶有C/C++編譯器和調(diào)試器的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、實時操作系統(tǒng)和中間件、開發(fā)套件、硬件仿真器以及狀態(tài)機建模工具。通過提供的IAR編譯軟件的調(diào)試功能，可以得到大量的信息，為智能汽車的調(diào)試提供了很大的幫助。在智能汽車的調(diào)試過程中，有針對性的開發(fā)一個便于人機交互的上位機系統(tǒng)，通過簡單明了的可視化界面直觀的顯示智能汽車的狀態(tài)對調(diào)試有很大幫助。我們開發(fā)了用于監(jiān)測智能汽車實時狀態(tài)的實時監(jiān)測系統(tǒng)，大大提高了調(diào)試效率?？萍即髮W光電平衡組上位機系統(tǒng)用C#開發(fā)完成。本系統(tǒng)可以記錄車運行信息的SD卡，并根據(jù)所以記錄信息，畫出相應的曲線，可以很方便的看出車身前進過程中傳感器，電機轉(zhuǎn)速等相關信息。5.1在該版本系統(tǒng)中，我們不僅可以智能汽車行駛過程中的狀態(tài)，并且可以保存一些重要信息，比如各種特殊道傳感器的狀態(tài)，速度及路徑圖等。通過該系統(tǒng)，我們可以綜合智能汽車實際行駛中的信息，分析得出最優(yōu)控制策略，進而得到最優(yōu)控制策略。經(jīng)過改裝后，智能汽車的外形參數(shù)為：車長：300mm；車寬：200mm；車高：180mm；車重：智能汽車相關技術(shù)參數(shù)如表6.16.11 “飛思”杯大學生智能汽車競賽已經(jīng)成功舉辦了七屆，該競賽涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機、機械等多個學科，培養(yǎng)了學生的知識融合和實踐動手