1、第三屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車邀請賽技 術 報 告基于紅外傳感器的智能小車設計 學 校： 東北大學秦皇島分校 隊伍名稱： 東秦4隊 參賽隊員： 栗韋 蔡文舟 葉徐靜帶隊教師： 汪晉寬老師 趙一丁老師關于技術報告和研究論文使用授權的說明 本人完全了解第二屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車邀請賽關保留、使用技術報告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權歸參賽者本人，比賽組委會和飛思卡爾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、技術報告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關內容編纂收錄在組委會出版論文集中。參賽隊員簽名： 參賽隊員簽名： 參賽隊員簽名： 帶隊教師簽名： 帶隊教師

2、簽名： 日 期： 目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc206820236 第一章 引言 PAGEREF _Toc206820236 h 5 HYPERLINK l _Toc206820237 1.1 飛思卡爾智能車大賽 PAGEREF _Toc206820237 h 5 HYPERLINK l _Toc206820238 1.2 智能車輛發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及應用 PAGEREF _Toc206820238 h 5 HYPERLINK l _Toc206820239 1.3 論文安排 PAGEREF _Toc206820239 h 6 HYPERLINK l _T

3、oc206820240 第二章 智能車系統(tǒng)方案設計 PAGEREF _Toc206820240 h 7 HYPERLINK l _Toc206820241 2.1 系統(tǒng)模塊設計基本要求 PAGEREF _Toc206820241 h 7 HYPERLINK l _Toc206820242 2.2 智能車整體結構 PAGEREF _Toc206820242 h 8 HYPERLINK l _Toc206820243 第三章 機械結構的調整 PAGEREF _Toc206820243 h 9 HYPERLINK l _Toc206820244 3.1 賽車基本尺寸參數(shù) PAGEREF _Toc20

4、6820244 h 9 HYPERLINK l _Toc206820245 3.2 一些重要參數(shù)對賽車的影響 PAGEREF _Toc206820245 h 9 HYPERLINK l _Toc206820246 3.2.1 路徑識別傳感器的固定 PAGEREF _Toc206820246 h 9 HYPERLINK l _Toc206820247 3.2.2 舵機力臂調整 PAGEREF _Toc206820247 h 10 HYPERLINK l _Toc206820248 3.2.3 重心的控制 PAGEREF _Toc206820248 h 10 HYPERLINK l _Toc206

5、820249 3.2.4 后輪的調整 PAGEREF _Toc206820249 h 11 HYPERLINK l _Toc206820250 第四章 硬件系統(tǒng)設計 PAGEREF _Toc206820250 h 12 HYPERLINK l _Toc206820251 4.1 S12控制核心 PAGEREF _Toc206820251 h 13 HYPERLINK l _Toc206820252 4.2 電源管理模塊 PAGEREF _Toc206820252 h 13 HYPERLINK l _Toc206820253 4.3 電機驅動模塊 PAGEREF _Toc206820253 h

6、15 HYPERLINK l _Toc206820254 4.4 舵機控制模塊 PAGEREF _Toc206820254 h 16 HYPERLINK l _Toc206820255 4.5 速度檢測模塊 PAGEREF _Toc206820255 h 17 HYPERLINK l _Toc206820256 4.6 路徑識別模塊 PAGEREF _Toc206820256 h 18 HYPERLINK l _Toc206820257 第五章 軟件系統(tǒng)設計 PAGEREF _Toc206820257 h 21 HYPERLINK l _Toc206820258 5.1系統(tǒng)的模塊化結構 PAG

7、EREF _Toc206820258 h 22 HYPERLINK l _Toc206820259 5.1.1 時鐘初始化 PAGEREF _Toc206820259 h 22 HYPERLINK l _Toc206820260 5.1.2 串口初始化 PAGEREF _Toc206820260 h 22 HYPERLINK l _Toc206820261 5.1.3 AD初始化 PAGEREF _Toc206820261 h 23 HYPERLINK l _Toc206820262 5.1.4 PWM初始化 PAGEREF _Toc206820262 h 26 HYPERLINK l _To

8、c206820263 5.2 路徑信息處理 PAGEREF _Toc206820263 h 28 HYPERLINK l _Toc206820264 5.3 小車控制算法 PAGEREF _Toc206820264 h 29 HYPERLINK l _Toc206820265 5.3.1 舵機控制 PAGEREF _Toc206820265 h 30 HYPERLINK l _Toc206820266 5.3.2 速度控制 PAGEREF _Toc206820266 h 31 HYPERLINK l _Toc206820267 六 系統(tǒng)調試 PAGEREF _Toc206820267 h 34

9、 HYPERLINK l _Toc206820268 6.1 開發(fā)調試工具 PAGEREF _Toc206820268 h 34 HYPERLINK l _Toc206820269 6.2 無線調試模塊 PAGEREF _Toc206820269 h 36 HYPERLINK l _Toc206820270 6.3 撥碼開關調試 PAGEREF _Toc206820270 h 36 HYPERLINK l _Toc206820271 6.4 試驗結果分析 PAGEREF _Toc206820271 h 36 HYPERLINK l _Toc206820272 七 結論 PAGEREF _Toc

10、206820272 h 38 HYPERLINK l _Toc206820273 參考文獻 PAGEREF _Toc206820273 h 39 HYPERLINK l _Toc206820274 附錄A 硬件電路原理圖 PAGEREF _Toc206820274 h 40 HYPERLINK l _Toc206820275 附錄B 表B-1 所使用的元器件及主要技術參數(shù) PAGEREF _Toc206820275 h 43 HYPERLINK l _Toc206820276 附錄C C-1程序源代碼 PAGEREF _Toc206820276 h 44第三屆全國大學生智能汽車邀請賽技術報告第

11、一章 引言1.1 飛思卡爾智能車大賽教育部為了加強大學生實踐、創(chuàng)新能力和團隊精神的培養(yǎng)，委托教育部高等學校自動化專業(yè)指導分委員會主辦每年一度的全國大學生智能汽車競賽。全國大學生智能汽車競賽與全國大學生數(shù)學建模、電子設計、機械設計、結構設計等四大競賽一起被列為教育部主辦的全國大學生五大競賽之一。該大賽綜合性很強，以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感、電子、電器、計算機和機械等多個學科交叉的科技創(chuàng)意性比賽，對進一步深化高等工程教育改革據有重要意義，對學生的知識融合和動手能力的培養(yǎng)，對高等學?？刂萍捌囯娮訉W科學術水平的提高，具有良好的推動作用。智能汽車競賽所使用的車模是一款帶有差

12、速器的后輪驅動模型賽車，有大賽組委會統(tǒng)一提供。參賽隊伍通過設計基于單片機的自動控制器控制模型車在封閉的跑道上自主循線運行。在保證模型車運行穩(wěn)定即不沖出跑道的前提下，跑完一圈的時間越小，成績越好。1.2 智能車輛發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及應用智能車輛，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運用了計算機、現(xiàn)代傳感、信息融合、通訊、人工智能及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體.它具有道路障礙自動識別、自動報警、自動制動、自動保持安全距離、車速和巡航控制等功能。智能車輛致力于提高汽車的安全性、舒適性和提供優(yōu)良的人車文互界面，是目前各國重點發(fā)展的智能交通系統(tǒng)中一個重要組成部

13、分，也是世界車輛工程領域研究的熱點和汽車工業(yè)增長的新動力.隨著科學技術的發(fā)展，特別是計算機技術、信息技術、人工智能、電子技術的突飛猛進，智能車輛技術有了實現(xiàn)的技術基礎。目前智能車輛技術在轎車和重型汽車上主要應用于碰撞預警系統(tǒng)、防撞及輔助駕駛系統(tǒng)、智能速度適應、自動操作等，其在軍事上的應用更加廣泛和重要。車輛智能化是汽車工業(yè)今后的發(fā)展趨勢，也是人們對安全性要求越來越高未來汽車的發(fā)展方向。隨著計算機技術和信息技術為代表的高新技術的發(fā)展，人工神經網絡技術、模糊控制技術、神經模糊技術、虛擬實現(xiàn)等新技術的出現(xiàn)，智能車輛技術的研究將會有突破性的進展。智能車輛系統(tǒng)的實用化是是智能車輛發(fā)展的前進方向，適應性強

14、、環(huán)境適應性好的智能車輛將是研究的重點。1.3 論文安排技術報告共六章，包括小車的框架結構、智能車模型的調整、小車的硬件和軟件的設計和控制算法的研究等。其中，第一章為引言，主要介紹了智能車大賽的背景和發(fā)展現(xiàn)狀；第二章為智能車系統(tǒng)方案的設計，主要包括智能車系統(tǒng)模板設計的基本要求和框架結構；第三章為智能車模型的機械結構調整，分別介紹了智能車模型的基本參數(shù)，以及車體前輪傾角、舵機力臂、車體重心、兩后輪間距、后輪差齒輪不同程度調整對智能車性能的影響；第四章為智能車的硬件系統(tǒng)設計，介紹了電源管理模塊，路徑識別模塊、車速檢測模塊、顯示模塊、轉向舵機控制模塊和直流電機驅動模塊；第五章為智能車軟件系統(tǒng)設計，包

15、括小車軟件設計的整體流程，時鐘模塊初始化，A/D模塊初始化，PWM模塊初始化，ECT模塊初始化，以及小車控制算法的研究；第六章介紹了我們在智能車設計過程中遇到的一系列問題和解決辦法。第二章 智能車系統(tǒng)方案設計2.1 系統(tǒng)模塊設計基本要求制作一個能夠自主識別路線的智能車，在專門設計的跑道上自動識別道路行駛，要求最快跑完全程而沒有沖出跑道。智能小車要求跑的又快又穩(wěn)，所以對于小車的控制系統(tǒng)來說穩(wěn)定性和快速性是控制系統(tǒng)設計的兩個重要指標。智能車控制系統(tǒng)從硬件上分為電源模塊、傳感器模塊、信號處理模塊、直流電機驅動模塊、轉向伺服電機驅動模塊和單片機模塊。各個模塊設計有各自不同的要求：直流電機驅動模塊控制驅

16、動電機二端電壓可以使模型車加速運行，也可對智能車進行制動，是智能車的執(zhí)行機構。電源模塊為系統(tǒng)其他各個模塊提供所需要的電源，以保證各模塊的正常工作，是智能車運行的基礎。尋跡傳感器模塊為智能車的前進指明了方向，使智能車始終根據傳感器反饋的信息來調整行走策略。單片機模塊在智能車控制系統(tǒng)中扮演核心的位置，好比人的大腦，從硬件設計的角度來說，首先要保證其供電穩(wěn)定，其次要對其部分功能模塊如PWM通道，定時器通道的進行編程，寫入驅動程序，使其工作。從系統(tǒng)考慮，此模塊最重要的是控制算法和控制程序的編寫。只有軟硬件精密結合，系統(tǒng)才能穩(wěn)定，良好的工作。(1)電機驅動與電源管理模塊根據直流電機的特性和對其速度控制的

17、要求，選擇合適的控制方法，制作相應的驅動電路；針對轉向伺服電機的輸入信號要求，進行控制方法的試驗，找到最精確的控制方法；向系統(tǒng)提供電源的關鍵是避免各模塊之間的相互影響，尤其是直流電機啟動瞬間，電壓下降過大，會對其他模塊供電產生影響。如何避免或者如何將此影響削弱是電源管理模塊設計的難點。(2)路徑識別傳感器模塊路徑識別傳感器模塊中，首先要對傳感器選型，即選擇適合系統(tǒng)的視覺傳感器。在此基礎上要考慮傳感器的分布位置及其安裝方法，這些都是智能小車尋跡方案的硬件基礎。這一模塊工作情況是系統(tǒng)能否快速穩(wěn)定工作的一個重點，而傳感器及其信號處理部分的抗干擾設計尤其重要(3)單片機模塊MC9S12DG128是一款

18、飛思卡爾16位的單片機，其開發(fā)方法和工作特點都與常用的8051單片機有一定的區(qū)別。如何開發(fā)這款單片機，如何為單片機多個模塊寫入底層的驅動程序和編寫優(yōu)良的上層控制算法是這一模塊的核心。因此將智能車控制系統(tǒng)系統(tǒng)化設計，模塊化制作，最后再進行系統(tǒng)級調試，可以收到較好的效果。2.2 智能車整體結構該系統(tǒng)采用飛思卡爾MC9S12DG128B單片機為檢測和控制核心；以紅外傳感器為路徑檢測傳感器，自動檢測賽道上的黑線；并根據采集到的黑線信息，通過軟件對小車進行轉向和速度的控制，再通過速度反饋和小車的位置，實時監(jiān)控調節(jié)智能車的行進狀態(tài)，整體結構框圖如下：MC9S12MC9S12 單片機控制 核心路徑識別模塊測

19、速模塊直流電機驅動模塊舵機驅動模塊車速信號舵機控制信號后輪驅動PWM方波信號圖2.1 智能車整體框架結構圖第三章 機械結構的調整第三章 機械結構的調整模型車的機械結構是整個智能車系統(tǒng)的基礎。對模型車的機械調整完善是提高智能車速度的一個關鍵因素。鑒于這個原因，我們小組在車輛機械方面的改進做了很多的工作，從傳感器安裝布置、轉向機構調節(jié)、重心位置的調整、后輪差速定位到制動機構的設計都進行了大膽的嘗試和改進。這些工作大大提高了車的可靠性和適應性，為后來調試模型車打下了基礎。3.1 賽車基本尺寸參數(shù)車模長39.5cm，寬24.6cm，光電高7cm，探出17cm表3.1 智能車參數(shù)長395mm寬246mm

20、高100mm重1.16Kg傳感器個數(shù)13個（12個反射式，1個對射式）紅外光電管其它伺服電機個數(shù)0檢測精度、頻率25Hz車模平均電流（勻速行駛）800毫安3.2 一些重要參數(shù)對賽車的影響3.2.1 路徑識別傳感器的固定本設計路徑識別傳感器采用紅外反射式傳感器，單排一字型排列，制作好的路徑識別傳感器PCB板為長度為24.6cm的長方形板，簡單輕便。在安裝此PCB板時，考慮到如果此電路板安裝不穩(wěn)定，在模型車運行的過程中，電路板會發(fā)生上下振動，或在轉彎時發(fā)生左右晃動，會大大降低路徑識別的準確性。所以，我們購買到硬度較好的鋁合金，采用其帶有拐角的部分做支架，并經過反復試驗，在使勁搖晃小車的情況下，路徑

21、識別電路板也不會發(fā)生松動及位置上的改變。路徑識別電路板安裝在模型車的正前方，考慮到安裝位置與方法決定檢測道路范圍，我們通過試驗，得到紅外傳感器相對地面的高度為7cm、相對地面的角度大約為30的時候，其檢測前瞻距離可以滿足模型車的控制要求，并且在此情況下，得到紅外傳感器檢測到黑線與白線時的電壓值區(qū)分明顯，有利于小車的軟件控制。同時，在滿足大賽要求，并且模型車的重心前移不影響小車運行的整體效果的前提下，我們增大小車的探出距離到17cm，大大加大了檢測前瞻距離。3.2.2 舵機力臂調整舵機轉動一定角度有時間延時，時間延時正比于旋轉過的角度，反比于舵機的響應速度。通過控制策略分析可知，舵機的響應速度直

22、接影響模型車通過轉彎通道時的最高速度，提高舵機的響應速度是提高模型車平均速度的一個關鍵。提高舵機響應速度有二個方法，一是提高舵機的工作電壓；二是在機械上進行調整，根據杠桿原理，我們將舵機的輸出舵盤適當加長，將轉向傳動桿連接在加長的輸出盤的末端。這樣就可以在舵機輸出較小的轉角下，取得最大的前輪轉角，提高了舵機的響應速度，即加大了小車的整體速度。3.2.3 重心的控制在模型車的控制方面，如果重心靠近后軸，對模型車的動力性能有益，后輪抓地力增加，增大轉向靈敏度，但會減少轉向；如果重心靠近前軸，則對模型車的制動性和操縱穩(wěn)定性有益，會增加轉向，但會降低轉向靈敏度，并且降低了后輪的抓地力。考慮到模型車頻繁

23、轉向，動力性能并不高，所以我們在不增加車重的前提下，通過電路板設計安裝來使模型車的重心適當前移。3.2.4 后輪的調整后輪是模型車的驅動輪，對車模性能起著重要作用。我們對后輪的差速及輪距進行了適當?shù)恼{整。通過試驗發(fā)現(xiàn)：差速較緊時，模型車直道不易擺動，行駛平穩(wěn)，但轉彎不夠靈活；差速較松時，模型車轉彎靈活，但直道易擺動。我們通過安裝零件是后輪距比未安裝時加大了4mm，采用大后輪距，減小了行駛中的側滑。第三屆全國大學生智能汽車邀請賽技術報告第四章 硬件系統(tǒng)設計第四章 硬件系統(tǒng)設計本系統(tǒng)硬件結構主要由S12控制核心、電源管理模塊，路徑識別模塊、車速檢測模塊、顯示模塊、轉向舵機控制模塊和直流電機驅動模塊

24、組成，其系統(tǒng)硬件結構簡圖如下所示。MC33886MC33886電機LM1117舵機6VMOSFET驅動路徑識別模塊7.2V電源LM2940速度檢測模塊MC9S12DG128LM2940顯示模塊PWM信號PWM信號PWM信號信號信號5V5V5V5V5V圖4.1 硬件結構框圖4.1 S12控制核心系統(tǒng)的控制芯片采用飛思卡爾公司的MC9S12DG128B,該芯片采用增強型16位S12CPU，片內總線時鐘頻率最高可達25MHZ；片內資源包括8KBRAM、128KB FLASH、2KBEEPROM；SCI、SPI、PWM串行接口模塊；還提供2個8路10位精度A/D轉換器、控制器局域網模塊CAN和增強型捕

25、捉定時器，并支持背景調試模塊（BDM）。本系統(tǒng)I/O的具體分配如下：PWM1輸出舵機的控制信號；PWM2、PWM3輸出光電發(fā)射管的驅動脈沖；PWM4、PWM5輸出電機控制信號；PAD0-PAD11用于小車前面路面識別的輸入口；PH0-PH3用于設置中斷開關；I/O1口用于速度檢測信號的輸入口；ADDR0-ADDR10輸出顯示電路的控制信號；4.2 電源管理模塊電源是一個系統(tǒng)正常工作的基礎，因此電源的設計至關重要。此系統(tǒng)中接受供電的部分有：單片機模塊、傳感器模塊、轉向舵機模塊、驅動電機模塊。電源模塊的框圖如圖所示：電源主電源7.2V 2Ah鎳鎘電池穩(wěn)壓器LM29405VLM29405V LM11

26、176V 用電模塊速度傳感器模塊路徑傳感器模塊單片機模塊驅動電機模塊轉向舵機模塊 顯示模塊圖4.2 系統(tǒng)電源模塊框圖使用LM2940作為5V電壓的穩(wěn)壓芯片，考慮到單片機電路芯片與與其他電路同時供電的干擾問題，所以采用二塊LM2940，一塊用來為單片機提供5V電壓，另一塊用來為其他模塊提供電壓。其電路圖如下：圖4.3 單片機電源電路使用LM1117作為6V電壓的穩(wěn)壓芯片，為轉向舵機提供工作電壓。其原理圖如下。LM1117通過二個外部電阻R3和R5來實現(xiàn)1.2513.8V的輸出電壓范圍。在其輸出端接上二個100uf的電容用來改善瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性。圖4.3 舵機電源電路而后輪電機驅動模塊可直接取自7

27、.2V 2Ah鎳鎘電池二端電壓。4.3 電機驅動模塊電機驅動模塊采用主辦方提供的MC33886作為驅動芯片。由于在使用過程中，MC33886工作時間稍長，發(fā)熱會較嚴重。嚴重時，MC33886會出現(xiàn)過溫保護，無PWM信號輸出。我們設計了兩片MC33886并聯(lián)來驅動電機，這樣不僅MC33886只有輕微的發(fā)熱，同時MC3886總的驅動電流可達到10A。只要通過程序改變IN1和IN2的PWM波形占空比，就能實現(xiàn)電機調速與正反轉。下圖為MC33886的外形和引腳圖：圖4.4 MC33886的外形和引腳圖各引腳具體說明如下表： 表4.1 MC33886的引腳圖引腳1：模擬地；引腳9、10、11、12：電源

28、地；引腳2：H橋故障狀態(tài)輸出；引腳13、18：使能引腳；引腳3：PWM驅動信號輸入1；引腳14、15：輸出2；引腳4、5、16：電源正極；引腳17：電荷泵電容外接引腳；引腳6、7：輸出1；引腳19：PWM信號輸入2；引腳8、20：空腳；其中D1和D2是MC33886的使能端，分別接0和1才能使其正常工作； FS為MC33886的中斷保護輸出端，加上拉電阻后接入單片機的輸入端，如發(fā)生短路、欠壓或者過溫保護，此信號可以及時反饋給單片機，讓單片機及時做出相應的動作，保護電路元件，避免故障發(fā)生；IN1和IN2為輸入端；OUT1和OUT2為其輸出端，接電機兩級。將MC33886的輸入端接到單片機的PWM

29、輸出口，在其輸出端可以得到與單片機PWM輸出口相應的并可以驅動直流電機的PWM信號。這樣，就能實現(xiàn)對電機的轉速控制，方向控制及制動等。圖4.5 MC33886電路原理圖4.4 舵機控制模塊舵機的控制信號共有三根，中間紅色的是電源線，一邊黑色的是地線，這兩根線給舵機提供最基本的能源保證，主要是由內部電機的轉動消耗掉了。需提供的電源一般有兩種規(guī)格，一種是4.8V，一種是6.0V，分別對應不同的轉矩標準，即輸出力矩不同，6.0V對應的要大一些，具體看應用條件；另外一根線是控制信號線，它的顏色是不確定的，隨著生產廠家的不同而不同，舵機的控制信號一般為頻率為50Hz，周期為20ms的脈寬調制（PWM）信

30、號，其中在一定范圍之內的脈沖寬度與舵盤的0180度位置相對應，且呈線性變化。4.5 速度檢測模塊速度檢測模塊采用收發(fā)一體的直射式紅外發(fā)射/接收管作為檢測元件，我們自制一20個齒的法蘭盤，固定在小車后車輪主軸處，同時將光電開關固定在法蘭盤的正上方。從而小車后輪旋轉帶動光碼盤旋轉，當紅外發(fā)射管發(fā)射出的紅外光遇到法蘭盤的齒的時候，紅外光被遮擋，至紅外接收管接收不到發(fā)射管發(fā)射的紅外光，光電開關處于斷開狀態(tài)；而當紅外光遇到間隙的時候，接收管便可接受到紅外光線，紅外光線處于導通狀態(tài)。這樣，紅外接受管輸出間隔的高低電平。將此信號再通過CD40106進行整形，送入單片機中，便可實現(xiàn)對車速的檢測。圖4.6 速度

31、檢測模塊電路圖4.6 路徑識別模塊路徑識別系統(tǒng)相當于智能車的眼睛，是整個設計的關鍵。實現(xiàn)智能車的路徑識別功能有多種方式，針對此次比賽大體有以下兩種方案：1）使用CCD攝像頭進行圖像采集和識別。我們認為此種方案不適用于小體積系統(tǒng)，具體識別過程還涉及圖像采集、圖像處理及識別等步驟。此種方法雖然有分辨率比較高，對路面的信息處理準確等優(yōu)點，但對硬件處理速度和軟件算法的要求都比較嚴格，實時性欠佳，且成本較大。2）使用反射式光電傳感器進行路徑識別。這種傳感器在智能識別技術中有著廣泛的應用。它可以用來檢測地面明暗和顏色的變化，也可以探測有無接近的物體。這種光電傳感器的基本原理是，自帶一個光源和一個光接收裝置

32、，光源發(fā)出的光經過待測物體的反射被光敏元件接收，再經過相關電路的處理得到所需要的信息（如灰度值）。采用這種方法易于實現(xiàn)，響應速度較快，算法相對于CCD較簡單，實時性比較好，成本較低。缺點也是顯而易見的，分辨率不高，易受外界環(huán)境光線影響，同時占用單片機端口比較多。經過慎重分析選擇，我們小組最終選定了第二種識別方案，即采用反射式傳感器進行路徑識別。反射式光電傳感器的光源有多種，常用的有紅外發(fā)光二極管、普通發(fā)光二極管以及激光二極管，其中普通發(fā)光二極管消耗功率比較大，而激光二極管發(fā)出的光的頻率雖然較集中，傳感器只接收很窄的頻率范圍信號，不容易被干擾，但成本較高。我們采用的是紅外發(fā)光二極管。紅外反射式傳

33、感器可以采用紅外對管自行制作，由于自行制作的傳感器發(fā)射管與接收管位置難以保證在同一水平線上且固定安裝比較困難，容易造成傳感器性能不一致，我們放棄了自行制作，而直接采用了成品紅外光電傳感器。目前市場上的紅外反射式光電傳感器種類很多且價格低廉，經查閱大量產品資料，在對6個型號的傳感器測試后，我們選用了價格、性能基本適合的反射式紅外傳感器TCRT5000。在使用約40mA的發(fā)射電流，沒有強烈日光干擾（在有日光燈的房間里）探測距離能達3cm，完全能滿足探測距離要求。圖4.7紅外反射式光電傳感器TCRT5000由于比賽對采用傳感器數(shù)量的限制，最終決定采用12個TCRT5000。設計采用單排一字型排列方式

34、。經測量，比賽賽道中間的黑線寬25mm，為了使相鄰的傳感器能同時檢測到黑線，決定把相鄰傳感器間距定為16mm，這樣，小車可以跑出23種不同的情況。固定于小車前方的路徑識別電路板整體長度為250mm，滿足小車寬度要求在設計檢測電路PCB板的時候，考慮到小車重心應盡量靠近小車后軸，這樣不但可以防止小車前傾、穩(wěn)定性下降、轉彎不穩(wěn)的狀況，同時，也可以提高小車的動力性能。所以將檢測電路的PCB板盡量簡化，并設計接口電路，使得檢測電路與小車的控制電路連接簡單，準確。下圖即為小車檢測電路電路板。圖4.8 小車檢測電路板考慮到紅外傳感器的檢測范圍，應注意安裝的相對地面高度、探出距離與角度。安裝紅外傳感器的過程

35、中，我們做了反復的測試。從檢測結果來看，將傳感器安裝在距為最佳位置，在此位置，紅外接收管可接受到良好的紅外光。光電檢測電路板的支架采用具有一定硬度的鋁合金制作，安裝牢固可靠，使在小車發(fā)生急轉彎或撞車的時候，檢測電路板不至發(fā)生晃動，甚至變形，影響檢測效果。對于外界環(huán)境對光電管的影響，以及相鄰發(fā)射管的相互干擾問題，除了選用發(fā)射與接收一體化的紅外傳感器，用它們的外殼來抑制相互干擾之外，我們還將每個紅外傳感器安裝上等長的熱收縮管，實踐證明，當安裝上長度適宜的套管之后，相鄰發(fā)射管的干擾可完全抑制住。第五章 軟件系統(tǒng)設計第五章 軟件系統(tǒng)設計本次比賽要求小車能夠自主識別路線，按照設定的軌跡行走，在不沖出跑道

36、的前提下追求速度。因此，程序設計的基本原則是，首先考慮小車的穩(wěn)定性，在此基礎上，盡量提高小車的速度。 （1）：主程序流程圖：主程序入口主程序入口各個模塊初始化開中斷傳感器信號輸入Y路徑信息識別與上次路徑信息比較，進行PID運算對電機和舵機進行控制等待N信號有效？YN有中斷？圖5.1 主程序流程圖5.1系統(tǒng)的模塊化結構為了體現(xiàn)程序的系統(tǒng)性和連貫性，智能小車的控制軟件采用模塊化的程序結構。各個模塊有相應的數(shù)據接口，方便其它模塊調用，這樣，系統(tǒng)條理顯得清晰。主要包括：系統(tǒng)初始化模塊、路徑數(shù)據采集模塊、數(shù)據處理模塊、速度檢測模塊、起跑線識別模塊，再有，為了系統(tǒng)調試方便，本系統(tǒng)還設計了串口調試模塊等。5

37、.1.1時鐘初始化單片機的晶振是16MHz，MC9S12DG128在時鐘初始化后可以通過鎖相環(huán)將系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)時鐘提高到48MHz，這里就用到了一些寄存器中的某些位，倍頻公式如下： 公式1其中，OSCCLK_VALUE系統(tǒng)的外部晶振；REFDV_VALUE系統(tǒng)時鐘分頻系數(shù)，在初始化中，它的值為3；SYNR_VALUE倍頻系數(shù)，它的值為3。而SYNR=SYNR_VALUE，REFDV=REFDV_VALUE，SYNR、REFDV就是寄存器中的對應位。void CLK_init(void) /鎖相環(huán)24M SYNR=2; REFDV=1;/PLL=2*OSC*(SYNR+1)/(REFDV+1) w

38、hile(!(CRGFLG & 0 x08) /等待鎖相環(huán)穩(wěn)定 CLKSEL=CLKSEL_PLLSEL_MASK; /設置鎖相環(huán)為內部時鐘5.1.2串口初始化可以看到，不論8位、16位還是32位單片機的最小系統(tǒng)都是通過異步串行口與人溝通的。使用串行通信接口SCI(Serial Communication Interface)通信是計算機與人對話最傳統(tǒng)、最基本的方法，異步通信接口也成為通用異步接受器/發(fā)送器UART(Universal Asynchronous Receiver/Tansmitter)。為了便于調試，本系統(tǒng)利用串口通信接口SCI實現(xiàn)數(shù)據的傳輸。串口部分程序主要是初始化各寄存器，

39、其中包括設置波特率、數(shù)據格式、接受發(fā)送功能使能、設置接受模式等。串口初始化函數(shù)：SCI_Init(uchar BUS_CLK,unsigned long BR)，它有兩個輸入變量，其中BUS_CLK是系統(tǒng)的時鐘頻率,BR為波特率。通過此函數(shù)可直接設置串口的時鐘頻率、波特率5。5.1.3 AD初始化AD的初始化主要是設置一些相關的寄存器位，以ATD0為例，相應的初始化如下。ATD0CTL2寄存器的ADPU置1，因為ADPU是AD的電源開關，置1打開電源；把AFFC置1，這樣可使ADC上電，快速清零, 無等待模式, 禁止外部觸發(fā), 禁止中斷；ATD0CTL3的S1C置1，表示每個序列1次轉換, N

40、o FIFO, Freeze模式下繼續(xù)轉換；ATD0CTL4的SRES8置1，這樣可實現(xiàn)8位精度,因為ATDClock=BusClock*0.5/PRS+1，其中BusClock =24MHz，PRS=1, 所以分頻系數(shù)為4，即AD時鐘為6MHz；最后執(zhí)行ATD0DIEN=0 x00，實現(xiàn)禁止數(shù)字輸入。void AD_Init(void)/AD初始化 ATD0CTL2 = 0 xC0 ; /控制寄存器2：上電，標志位快速清零，關中斷 ATD0CTL3 = 0 x7C; /控制寄存器3：轉換序列長度為8，F(xiàn)IFO模式 ATD0CTL4 = 0 x83; /控制寄存器4：8位轉換精度，8分頻 AT

41、D0CTL5 = 0 xB0; /控制寄存器5：從0通道開始的多道連續(xù)無符號轉換，轉換結果右對齊方式 ATD0DIEN=0 x00; / 禁止數(shù)字輸入緩沖 ATD1CTL2 = 0 xC0 ; /控制寄存器2：上電，標志位快速清零，關中斷 ； ATD1CTL3 = 0 x7C; /控制寄存器3：轉換序列長度為8，F(xiàn)IFO模式 ATD1CTL4 = 0 x83; /控制寄存器4：8位轉換精度，8分頻 ATD1CTL5 = 0 xB0; /控制寄存器5：從0通道開始的多道連續(xù)無符號轉換，轉換結果右對齊方式 ATD1DIEN=0 x00； /禁止數(shù)字輸出5.1.4 PWM初始化PWM(Pulse W

42、idth Modulation)即脈寬調制，脈寬調制波是一種可用程序來控制波形占空比、周期、相位的波形。它在電動機驅動、D/A變換等場合有著廣泛的應用6。PWM模塊特點：R8個帶周期占空比可程控的PWM獨立通道R 4個可程控選擇的時鐘源 R 每個PWM通道有專用的計數(shù)器 R PWM每個通道脈沖極性可以選擇 R 每個PWM通道可使能/禁止R 周期和占空比雙緩沖 R 每個通道有中心對齊和邊緣對齊方式 R 分辨率: 8位(8通道)，16位(4通道)R 帶中斷功能的緊急切斷 PWM在本系統(tǒng)中主要用于驅動兩個伺服電機，一個是電機，另一個是舵機，而控制這兩個電機的PWM信號是經過路徑識別和系統(tǒng)決策后給出的

43、，這樣就能實現(xiàn)小車的循線跑。對于控制電機的PWM信號的頻率應小于10KHZ。舵機的響應時間對于控制非常重要，一方面可以通過修改PWM周期獲得。另一方面也可以通過機械方式，利用舵機的輸出轉矩余量，將角度進行放大，加快舵機的響應速度。而舵機的脈沖范圍，它對應舵機旋轉角度，在設置時一方面應考慮到舵機的極限位置；另一方面還要考慮到車模轉向的極限。本設計中，我們通過測試找到了40度對應的脈沖寬度。還有一個PWM信號用于驅動路徑識別傳感器，本系統(tǒng)設計了12對光電傳感器用于路徑識別，同時，為了提高檢測前瞻距離，需要加大紅外發(fā)射功率使得返回的紅外線的強度提高，來抑制外界環(huán)境光線的干擾。這樣，不僅使得電池電能的

44、消耗量增加，同時也會縮短紅外發(fā)射管的壽命，甚至會燒毀紅外發(fā)射管。為了解決這個問題，本設計采用了脈沖發(fā)射/接收的方法。具體來說，由于紅外接收管響應速度快，而道路檢測周期一般為十幾毫秒，相比之下，紅外接收管對于道路反射光的響應時間以及單片機通過A/D端口讀取該信號的十幾都很短，一般在幾十微妙。因此，在一個檢測周期內大部分時間，紅外發(fā)射管不需要工作，只要在檢測瞬間發(fā)射紅外線即可。用PWM信號周期信號驅動大功率MOSFET管，這樣紅外發(fā)射管工作在周期窄脈沖方式下，大大降低了平均工作電流，從而降低了整個發(fā)射電路的電量消耗。圖5.2是PWM初始化程序流程圖開始開始允許PWM通道選擇PWM時鐘選擇極性、脈寬

45、對齊方式選擇周期、脈寬結束 圖5.2 PWM初始化流程圖具體程序如下：void pwminitial(void) PWMCTL_CON01 = 1; / PWM01 合并 16 btPWMPRCLK = 0 x20; / A=24M/1=24M,B=24/4=6MPWMSCLA =12; / SA=A/2/12=1MPWMSCLB =150; / SB=B/2/150=20KHzPWMCLK = 0 x3E; / PWM0,1-SA;PWM4,5-SA,PWM2,3-SB;PWMPOL = 0 xff; / 位極性1 DutyHigh TimePWMCAE = 0 x00; / 對齊方式左對齊

46、PWMPER01 = 20000; PWMDTY01 =1430 ;PWMPER4 = 100; /Frequency=SA/300=10KHzPWMPER5 = 100; /Frequency=SA/300=10KHzPWMDTY4 = 0;PWMDTY5 = 0;PWME = 0 x32; / 舵機使能 5.2 路徑信息處理 此智能車的路徑識別傳感器，在車的前方均勻排成一字型，每二個傳感器的間距為1.6cm，即足夠大但不大于黑線的寬度，這樣，保證了在賽車壓到黑線的時候，總有傳感器能檢測到黑線，而且能得到比較精確的位置。 為了得到智能車的精準位置，需要做一下處理： = 1 * GB2 ：將1

47、2個紅外傳感器信號通過單片機內部的A/D模塊進行處理，將其轉變?yōu)閿?shù)字量，讀入單片機中。 = 2 * GB2 ：歸一化處理：由于各個光電管的性能特性存在很大差異，特別是電壓波動范圍相差較大。因此，為了給算法制定統(tǒng)一的標準，給數(shù)據處理帶來方便，須對A/D傳感器采集來的信號做歸一化處理。此設計中的具體方法是通過公式，將各傳感器電壓值都處理成相對該傳感器最大電壓和最小電壓，使得傳感器輸出電壓值都保持在0到101之間。 = 3 * GB2 ：確定傳感器出現(xiàn)的所有情況：在12對傳感器中，如果某對傳感器的輸出電壓值小于50，則可以認為此對傳感器已經檢測到黑線。對檢測到黑線的傳感器進行記錄，并將這些檢測到黑線

48、的傳感器的A/D值進行處理，得出小車可能出現(xiàn)的23種情況。具體實現(xiàn)方法是建立一個數(shù)學模型，將各種情況下小車的水平偏移量求出來，即可得到小車的即時位置。具體情況如下： = 1 * GB3 ：當6、7號傳感器同時檢測到黑線的時候，即小車在賽道中央，小車的水平偏移量E為0； = 2 * GB3 ：當只有6號傳感器檢測到黑線的時候，即小車偏右了一個單位，水平偏移量E為-1； = 3 * GB3 ：當只有7號傳感器檢測到黑線的時候，即小車偏左了一個單位，水平偏移量E為1； 依此類推，當只有1號傳感器檢測到黑線的時候，即小車向右偏轉最大角度，水平偏移量為-11，此時應讓舵機控制輪胎向左轉；當只有12號傳感

49、器檢測到黑線的時候，小車向左偏轉最大角度，此時應讓舵機控制輪胎向右轉，水平偏移的越大，那么轉向程度也越大。所以，再加上沒有檢測到黑線，以及遇見交叉線或跑道的情況，共有25種情況。對于每種情況，對舵機以及小車速度做不同的處理控制，使小車能穩(wěn)定、快速的前進。5.3 小車控制算法車體控制是整個控制算法的核心，它直接關系到小車的性能好壞。小車控制主要包括對舵機和電機的控制，結合各種算法的優(yōu)缺點，對舵機的控制選用了預判和PD算法結合的思想，對電機的控制，由于涉及到速度的準確性問題，選用了預判和PID算法結合的思想。具體控制流程圖如圖5.3所示。預判算法預判算法起始線特殊控制交叉線斜率控制 大S角度控制直

50、道，小SPD控制否是否是是否是 圖5.3 小車控制流程圖5.3.1 舵機控制在對舵機的控制中，加入了預判算法，主要用來判別道路的不同類型，包括大S道，小S道，直道，彎道，空白和邊緣，再依據道路的不同，進行相應的控制。對于大S道，經過測試發(fā)現(xiàn)，如果利用PD控制的話，小車完全壓線行駛，舵機的轉向過于頻繁，這樣行駛下來不僅增加了小車行駛的路程，而且如果速度過快的話，小車會來不及轉向，而沖出賽道，考慮到這些因素，在數(shù)據處理中，選取合適的控制點數(shù)，建立最近點和最遠點的數(shù)學模型，算出小車最佳行駛路線的弦線角度，采用角度控制，從而讓小車沿著算出的角度前進，這樣既減少了行駛的路程，也不容易沖出去,下圖為小車舵

51、機占空比和實際小車轉向偏角之間的關系： 圖5.4 小車占空比和實際轉角之間關系對于小S道，直道和彎道則采用了PD控制算法，在預先判斷出各個賽道類型之后，選擇合適的控制點數(shù)，調節(jié)KP,KD參數(shù)。尤其對于小S道來說，參數(shù)的選擇尤為重要，因為對于小S到而言，最佳的控制策略是讓舵機盡量不動，從而使小車沿著一條直線行駛。5.3.2 速度控制 小車的速度控制采用了預判算法和閉環(huán)PID算法結合的思想。在預先判斷賽道類型的前提下，對各個賽道標定各自的速度，利用閉環(huán)PID進行控制。 PID 控制是工程實際中應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律。問世至今70 年多年來，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工

52、業(yè)控制的主要技術之一。PID的控制結構圖如下： Kp KpKi Kd G(S)R-+e+UY 圖5.5 PID控制結構圖e 代表理想輸入與實際輸出的誤差，這個誤差信號被送到控制器，控制器計算出誤差信號的積分值和微分值，并將它們與原誤差信號進行線性組合，得到輸出量U。 公式2 其中，其中，分別稱為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。u 接著被送到了執(zhí)行機構，這樣就獲得了新的輸出信號Y。這個新的輸出信號被再次送到感應器以發(fā)現(xiàn)新的誤差信號，這個過程就這樣周而復始地進行。 運用PID 控制的關鍵是調整三個比例系數(shù)，即參數(shù)整定。PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依

53、據系統(tǒng)的數(shù)學模型，經過理論計算確定控制器參數(shù)。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。 一般來說，增大比例系數(shù)能夠減小上升時間,并減小穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除。增大積分系數(shù)能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，但會使瞬時響應變差。增大微分系數(shù)能夠增強系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，減小超調，并且改善瞬時響應。 以上簡要介紹了PID 算法的原理和特性，實際過程中，由于傳感器是按一定間隔周期獲取位置信息的，因此必須將連續(xù)PID 控制離散化，這樣得到的就是數(shù)字PID 算法。 公式3在對電機速度的調節(jié)過程中發(fā)現(xiàn)，由于電機的振動，如果單純對電機用PID進行控制的話，會導致

54、調速不穩(wěn)定，所以在PID算法的基礎上，又加入了前饋控制，直接輸入給電機。 第三屆全國大學生智能汽車邀請賽技術報告 第六章 系統(tǒng)調試六 系統(tǒng)調試6.1 開發(fā)調試工具在制作過程中，運行的編譯環(huán)境為 CodeWarrior 4.6 。CodeWarrior4.6是Metrowerks公司一套比較著名的集成開發(fā)環(huán)境，具有直觀，易用的優(yōu)點。CodeWarrior4.6包括項目管理，代碼生成，語法敏感編輯器等，具有快速下載，單步調控的特點，同時可以融合C語言和匯編語言的混合編程。CodeWarrior4.6具有在線調試，單步運行程序的功能，同時能夠觀察到主程序中定義的所有的變量的值。這一功能在進行程序錯誤

55、檢查和改正時起到了至關重要的作用。下圖即為CodeWarrior4.6的編程界面： 圖6.1 CodeWarrior4.6編程界面如圖5.2所示，利用BDM和CodeWarrior4.6的調試界面，可以進行一系列的調試工作，如黑白線的電壓值，路徑采集狀態(tài)，各個寄存器值，程序調試的變量值，能夠很好的監(jiān)視攝像頭的狀態(tài)，小車舵機和電機的當前值等，給調試提供了極大的方便。 圖6.2 調試界面 圖6.3 調試的變量6.2 無線調試模塊在系統(tǒng)調試初期，雖然利用CodeWarrior4.6的調試界面，可以觀察小車的運行狀態(tài)，但是我們發(fā)現(xiàn)，CodeWarrior4.6的調試環(huán)境只能觀察一些當前值，不能實時的調

56、試觀察，例如小車的速度值，所以利用了串口線把小車的一些狀態(tài)值發(fā)送到PC機上進行觀察，但是由于串口線的距離有限，最后使用了無限串口調試，這樣的話，即使在小車的行駛過程中，也可以觀察小車的運行狀態(tài)。6.3 撥碼開關調試 由于比賽時不知道賽道狀況，如果賽道狀況過于復雜，不利于小車高速運行的話，就要適當降低小車的速度或者改變小車的一些調試參數(shù)，這個時候就需要利用撥碼開關，給小車設定幾個運行狀態(tài)，以根據實際情況讓小車走出最理想的狀態(tài)。 圖6.4 撥碼開關電路6.4 試驗結果分析在調試過程中發(fā)現(xiàn)，小車不同行駛速度下，要使小車沿著既定的賽道前進，舵機的PD參數(shù)需要進行一定的調整，具體的調試過程如表6.1所示

57、。 由表6.1可知，隨著小車速度的提高，KP值不斷增大，會提高舵機的響應速度，從而讓小車在最短的時間內調整車身，讓小車沿著黑線行駛；同時，為了減小系統(tǒng)的超調量，加入KD系數(shù)，在動態(tài)響應不變的前提下，使小車盡可能的不沖出賽道。 表 6.1 PD參數(shù)和占空比關系 占空比 PD值 45 50 55 60 70 80 KP 1314.7 16.7 17.7 18.7 18.7 KD 10 10 12 12 13 15七 結論 在參加了東北賽區(qū)的初賽后，小車暴露出了很多硬件和軟件控制上的問題，雖然經過了最近半個多月的改進和調試，但許多東西因為時間的問題，還是不能得到有效的解決。 在硬件方面，因為是第一次

58、參加比賽，考慮的不夠全面，在電路板的制作中，沒有將板子集成到一塊板子上，而且板子的位置放的太高，導致小車重心偏高，行駛起來穩(wěn)定性太差，這種情況在高速行駛時尤為明顯。其次，小車傳感器支架的安裝問題，在這次設計中，我們采用了單排紅外管的安裝方式，一共利用了12對紅外管，盡管在低速行駛時的穩(wěn)定性方面，效果很好，但是因為受到檢測距離的限制，在高速行駛時，小車很容易失控，此外，可能是安裝位置的原因，小車重心不穩(wěn)，在行駛時，前端抖動頻繁，影響了小車的控制。最后，在車模結構的調整方面，還不盡人意，包括前輪是調整成內八字還是外八字對控制有利，以及后輪差速輪的調整。 在軟件控制方面，對舵機的控制主要采用了預判算

59、法和PD控制的結合，但是在賽道的識別方面，因為受到檢測距離的限制，一些賽道還是不能有效的識別，所以在小車控制方面還存在一定的欠缺。在小車速度控制方面，一直存在的主要問題就是小車在短時間之內速度提不上來，這嚴重影響了小車的成績，在這個方面，還需要下很大的功夫。參考文獻卓晴 黃開勝 邵貝貝. 學做智能車挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯 北京航空航天大學出版社 2007.邵貝貝. 單片機嵌入式應用的在線開發(fā)方法. 清華大學出版社 2004.王威. HCS12微控制器原理及應用. 北京航空航天大學出版社 2007.Steven F.Barrett Daniel.Pack. 嵌入式系統(tǒng)使用68HC12和HCS12的設

60、計與應用.電子工業(yè)出版社 2006.譚浩強. C語言程序設計. 清華大學出版社1999.附錄A 硬件電路原理圖圖A-1電源管理電路圖A-2MC33886驅動電路原理圖圖A-3傳感器檢測電路圖圖A-4 其他電路原理圖附錄B：表B-1 所使用的元器件及主要技術參數(shù)名稱數(shù)量120電阻124K電阻1210 K電阻21.5 K電阻11.3 K電阻2100F電解電容647F電解電容233nF電解電容210F電解電容310nF電解電容3MC33886DH2插針若干電容總容量724uF附錄C C-1程序源代碼#include /* common defines and macros */#include /*