1、 摘 要新一代汽車研究與開發將集中表現在信息技術微電子技術計算機技術智能自動化技術人工智能技術網絡技術通信技術在汽車上的應用智能汽車是是現代汽車發展的方向 光電傳感器的自動循跡智能車系統采用光電傳感器作為道路信息的采集傳感器單片機為控制系統的核心來處理信號和控制小車行駛MC9S12系列單片機在汽車電子控制領域得到廣泛應用本課題就是利用Freescale的MC9S12XS128微控制器對智能車系統進行設計智能車系統設計包括硬件電路和控制軟件系統的設計硬件系統使用專門軟件Altium Designer設計硬件電路系統主要包括freescale單片機最小系統電源管理系統路徑識別與檢測系統電機驅動系統

2、而控制系統軟件的設計主要包括單片機的初始化PID控制算法路徑識別算法舵機控制算法速度控制算法軟件設計是用Freescale 公司的Codewarrior軟件作為軟件開發和仿真下載的平臺最后完成了整個自動循跡智能車系統設計關鍵字 智能車光電傳感器自動循跡控制算法PIDABSTRACT The design of autoguiding smartcar system based on photoelectric sensor New generation automobile development and researched focus on information technology m

3、icroelectronic technology computer technology intelligent automation technology artificial intelligence technology networking technology communication technology and so on The intelligent automobile is the direction in which the modern automobile developed We use the photoelectric sensor as gatherin

4、g sensor to take path information The microcontroller is used as the control system core and process the signal and controls car to run signal-chip microcomputer MC9S12 series be widespread utilized in the automobile electronic control domain I use the Freescale microcontroller MC9S12XS128 to design

5、 the intelligent vehicle system The design of intelligent vehicle system including hardware circuit and control software system I adopt the software of electronics design Altium Designer to complete designing the hardware Hardware circuit system mainly includes the freescale 抯 Single-chip Microcompu

6、ter smallest system the power source management system the way recognition and the detecting system the motor-driven system But the control software system mainly includes Single-chip Microcomputer s initialization the PID control algorithm the way recognition algorithm the steering engine control a

7、lgorithm the speed control algorithm It uses Freescale Corporations Codewarrior as the software development the simulation and downloadings platform in the software designing Finally The design of auto track smartcar system based on photoelectric sensor is completedKey words Intelligent vehicle phot

8、oelectric Sensor auto track Control algorithm PID摘 要IABSTRACTII插圖清單I第1章 緒論- 1 -11 畢業設計論文內容及研究意義價值- 1 -12 畢業設計論文研究現狀和發展趨勢- 2 -第2章 控制系統整體方案設計- 3 -21 整體設計方案概述- 3 -22 控制系統整體方案設計- 4 - 221 模型車硬件整體方案設計- 4 -222 系統軟件模塊分析- 7 -223 控制算法設計方案- 8 -第3章 單片機最小系統模塊- 9 -31 單片機以及最小系統簡介- 9 -32 MC9S12XS128最小系統設計- 9 -第4章 電

9、源管理模塊- 11 -第5章 路徑識別模塊和測速檢測模塊- 13 -51 路徑識別模塊- 13 -511 光電傳感器- 13 -512 光電傳感器發射與接收電路設計- 13 -513 路徑識別傳感器布局設計- 14 -52 測速檢測模塊- 16 -第6章 電機驅動模塊- 19 -61 直流電機驅動模塊- 19 -611 電機的工作原理- 19 -612 MC33886介紹- 21 -613 PWM信號控制電機的轉速- 22 -62 舵機驅動模塊- 23 -第7章 智能車軟件的設計- 29 -71 單片機初始化- 30 -72 PID控制算法- 32 -73 路徑識別算法- 34 -74 舵機控

10、制算法- 34 -75 速度控制算法- 36 -第8章 開發制作與調試- 38 -81 CodewarriorV47軟件及其應用- 38 -82 BDM for S12的使用- 43 -結論和展望- 44 -致 謝- 45 -參考文獻- 46 -主要參考文獻摘要- 48 -附錄A- 50 - 插圖清單圖2-1 系統信息的控制流程圖- 4 -圖2-2 智能車控制系統整體結構圖- 5 -圖2-3 系統硬件結構圖- 6 -圖2-4 系統軟件結構- 7 -圖3-1 最小系統原理圖和PCB圖- 10 -圖4-1 電源系統結構框圖- 11 -圖4-2 LM7805電路圖- 12 -圖4-3 LM7806電

11、路圖- 12 -圖5-1 光電傳感器的基本組成- 13 -圖5-2 單對紅外傳感器電路圖- 14 -圖5-3 紅外探測布局的PCB圖- 16 -圖5-4 霍爾原理- 17 -圖5-5 霍爾測速電路圖- 18 -圖6-1 H橋式電機驅動電路- 20 -圖6-2 H橋電路驅動電機順時針轉動- 20 -圖6-3 H橋電路驅動電機逆時針轉動- 21 -圖6-4 MC33886電機驅動原理圖- 22 -圖6-5 舵機工作原理示意圖- 24 -圖6-6 舵機輸出轉角與控制信號脈寬之間關系- 25 -圖6-7 不同占空比的PWM波形控制的轉向伺服電機狀態圖- 26 -圖6-8 轉向伺服電機控制方法圖- 27

12、 -圖6-9 舵機轉角控制模塊程序流程圖- 28 -圖7-1 光電傳感器方案主程序流程圖- 29 -圖7-2 典型PID控制結構- 33 -圖7-3 舵機控制流程圖- 35 -圖7-4 速度控制流程圖- 37 -圖8-1 CodearrierV47 創建新的工程窗口- 40 -圖8-2 CodearrierV47的工程的初始設置窗口- 41 -圖8-3 CodearrierV47的編譯窗口- 42 -圖8-4 BDM的PCB原理圖- 43 -第1章 緒論 自動循跡智能車是一個集環境感知規劃決策自動駕駛等多種功能于一體的綜合系統除了特殊潛在的軍用價值外還因其在公路交通運輸中的應用前景受到很多國家

13、的普遍關注近年來其智能化研究取得了很大進展而其智能主要表現為對路徑的自動識別和跟蹤控制上路徑跟蹤問題的研究正吸引著國內外計算機視覺車輛工程與控制領域學者們越來越多的注意得出了很多有意義的成果這些方法可分為兩類即傳統控制方法和智能控制方法傳統控制方法多建立在精確數學模型基礎上而自動引導車系統具有復雜的動力學模型是一個非線性時延系統由于各種不確定因素的存在精確的數學模型難以獲得只能采用理想化模型來近似所得到控制律較為繁瑣給實際應用造成不便隨著近年智能控制論的興起一些智能控制方法如模糊控制神經網絡等逐步走向完善尤其是模糊控制理論在很多地方顯示出相當的應用價值以此為基礎設計新概念的控制器受到人們很大關

14、注同時人們也正考慮這在各種方面包括硬件和軟件的綜合技術開發和研究探索智能車的技術將會趨于成熟并得到廣泛的應用11 畢業設計論文內容及研究意義價值隨著經濟的不斷發展人們生活水平的不斷提高人口的急速增加膨脹從而使得汽車使用率將大大提高石油等不可再生能源的大量消耗和枯竭交通的擁堵不堪交通事故的接連不斷等這些問題都擺在我們的面前而有待解決當汽車電子得以迅猛發展時智能車產生和不斷探索并服務于人類的趨勢將不可阻擋智能車的研究將會給汽車這個產生了一百多年的交通工具帶來巨大的科技變革人們在行駛汽車時不再只在乎它的速度和效率更多是注重駕駛時的安全性舒適性環保節能性和智能性等各國科學家和汽車工作人員以及汽車愛好者

15、都在致力于智能車的研究研究的成果有很多都已應用于人們的日常生活生產之中例如在2005年1月 美國發射的勇氣號和機遇號火星探測器 實質上都是裝備先進的智能車輛同樣在很多特殊的場合人員不宜或不便行駛車輛等情況下智能車都發揮著它難以替代的作用因此研究智能車的實際意義和取得的價值都非常重大在我國現階段很多企業和學校也都意識到了研究智能車的重大意義和有著廣闊的研究前景企業與學校聯合研究共享資源的智能車研究也已有較多的合作項目本課題利用傳感器識別路徑將賽道信息進行存儲利用單片機控制智能車行進本課題包括設計供電電路時鐘電路復位電路以及通信端口傳感器信號處理電路電機驅動電路以及相關控制和存儲軟件設計本課題的綜

16、合性很強是以迅猛發展的汽車電子為背景涵蓋了控制模式識別傳感電子電氣計算機和機械等多個學科交叉的科技創意性設計這對進一步深化高等工程教育改革培養本科生獲取知識應用知識的能力及創新意識等具有重要意義12 畢業設計論文研究現狀和發展趨勢 隨著汽車電子技術的飛速發展汽車智能化技術正在逐步得到應用汽車智能化技術使汽車的操縱越來越簡單動力性和經濟性越來越高行駛安全性越來越好這是未來汽車發展的趨勢 圖2-1 系統信息的控制流程圖22 控制系統整體方案設計221 模型車硬件整體方案設計 本次設計中的核心單片機將采用MC9S12XS128型號的單片機MC9S12XS-128是一款飛思卡爾16位的單片機其開發方法

17、和工作特點都與常用的8051單片機有一定的區別如何開發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良的上層控制算法是這一模塊的核心該微控制器是freescale公司推出的S12系列單片機中具有增強型的16位單片機該系列單片機在汽車電子領域有著廣泛的應用S12系列單片機的中央處理器CPU12由以下三部分組成算術邏輯單元ALU控制單元寄存器組CPU外部總線頻率為8MHZ或者 16MHZ通過內部鎖相環 PLL 可以使內部總線速度可以達到25MHZ尋址方式有16種內部寄存器組中的寄存器堆棧指針和變址寄存器均為16位它具有很強的高級語言支持功能CPU12的累加器A和B是8位的也可以組成16位

18、累加器D它的寄存器組包括如下5個部分 l 8位累加器AB或16位的累加器D 2 16位尋址寄存器X和Y是用來處理操作數的地址可分別用于源地址目的地址的指針型變量運算 3 堆棧指針SP是16位寄存器 4 程序計數器PC是16位寄存器它表示下一條指令或下一個操作數的地址 5 條件碼寄存器CCRMC9S12XS128是Freescale公司推出的S12 系列單片機中的一款增強型16 位單片機片內資源豐富接口模塊包括SPISCIIICADPWM 等單片機采用增強型16 位HCS12 CPU片內總線時鐘最高可達25MHz片內資源包括8K RAM128K Flash2K EEPROM SCISPIPWM

19、串行接口模塊脈寬調制 PWM 模塊可設置成4 路8 位或者2 路16 位邏輯時鐘選擇頻率寬它包括兩個8 路10 位精度AD 轉換器控制器局域網模塊 CAN 增強型捕捉定時器并支持背景調試模式本次設計所提到的智能車自動控制系統就是基于此芯片設計賽車硬件電路作為系統實現其一系列控制功能的基礎其設計的好壞直接關系到最終系統能否正常穩定的運行通過分析得到系統各主要功能模塊電路及其與微處理器之間的邏輯關系系統整體硬件結構設計框圖如下圖2-2所示 圖智能車控制系統整體結構圖222 系統軟件模塊分析圖2-4 系統軟件結構從該結構圖中可以看出系統的軟件模塊主要有1 單片機系統的初始化包括單片機系統時鐘的初始化

20、ATD模塊的初始化PWM模塊的初始化增強型時鐘模塊的初始化還有一些輸入輸出口的初始化2 光電信號的采集通過對紅外接收管接收道路反射的紅外光后產生電壓的變化采集到了有效的智能車位置信號3 光電信號的處理將采集到的電壓信號存儲在單片機中通過對光電信號的分析和判斷來識別路徑判斷黑線中間位置判斷道路是直線還是曲線以及通過計算判斷出曲線的斜率從而進一步的控制舵機的轉角和驅動電機的轉速4 舵機轉角的控制和電機轉速的控制通過控制PWM口的信號輸出可以實現對舵機轉角和輪速的控制5 霍爾輪速傳感信號的輸入通過對輸入信號的捕捉和計算實現對驅動電機的轉速的測算223 控制算法設計方案 在小車的運行中主要有方向和速度

21、的控制即舵機和電機的控制這兩個控制是系統軟件的核心操作對小車的性能有著決定性的作用 對舵機的控制要達到的目的就是在任何情況下總能給舵機一個合適的偏移量保證小車能始終連貫地沿黑線以最少距離行駛在舵機的控制方案中有以下兩種方案可供選擇 方案一比例控制 這種控制方法就是在檢測到車體偏離的信息時給小車一個預置的反向偏移量讓其回到賽道比例算法簡單有效參數容易調整算法實現簡單不需復雜的數字計算在實際應用中由于傳感器的個數與布局方式的限制其控制量的輸出是一個離散值不能對舵機進行精確的控制容易引起舵機左右搖擺造成小車行駛過程中的振蕩而且其收斂速度也有限 方案二PID控制 PID控制在比例控制的基礎上加入了積分

22、和微分控制可以抑制振蕩加快收斂速度調節適當的參數可以 有效地解決方案一的不足不過PID三個參數的設定較難需要不斷進行調試憑經驗來設定因此其適應性較差 在考慮選擇中根據設計的賽道規則賽道模型與相關參數已給定即小車運行的環境基本上已經確定可通過不斷調試來獲得最優的參數因此選用的是PID算法來對舵機進行控制對驅動電機的控制即速度控制要達到的目的就是在行駛過程中小車要有最有效的加速和減速機制高效的加速算法使小車能在直道上高速行駛而快速減速則保證了小車運行的穩定流暢為了精確控制速度同時對速度進行監控本次設計中還引入了閉環控制的思想所以在硬件設計增加了速度傳感器實時采集速度信息 下面第7章對PID算法進行

23、詳細介紹 第3章 單片機最小系統模塊智能車系統設計的基礎微控制器即單片機單片機是系統電路的核心組件本次設計所采用的單片機是Freescale的HCS12系列產品中的一款芯片叫MC9S12XS128下面將對單片機和以MC9S12XS128芯片為核心的最小系統做一下闡述31 單片機以及最小系統簡介隨著大規模集成電路的出現及發展將計算機的CPURAMROM定時計數器和多種IO接口集成在一塊芯片上形成芯片級的計算機因此單片機早期的含義成為單片微型計算機Single Chip Microcomputer直譯為單片機又稱為微控制器Microcontroller或嵌入式控制器Embedded Control

24、ler近年來單片機結合專用集成電路Application Specific Integrated CircuitASICReduce Instruction Set ComputerRISCEmbedded Processor適用于數據與數值分析信號處理智能機器及圖像處理等高技術領域所謂的單片機最小系統是指在單片機外部增加盡可能少的元件電路組成一個讓單片機可獨立工作的系統32 MC9S12XS128最小系統設計本節將介紹以MC9S12XS128芯片為核心的最小系統的組成如圖3-1所示該最小系統主要包括以下幾個部分組成時鐘電路BDM接口供電電路復位電路和調試用的LED燈時鐘電路為單片機提供一個外

25、接的16HZ的石英晶振BDM接口允許用戶通過該接口向單片機下載和調試程序供電電路主要是給單片機提供5V的電源復位電路是通過一個復位芯片給單片機一個復位信號調試用的LED燈和單片機的PORTB口相連供程序調試使用圖3-1 最小系統原理圖和PCB圖第4章 電源管理模塊 電源模塊為系統其他各個模塊提供所需要的電源設計中除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數之外還要在電源轉換效率降低噪音防止干擾和電路簡單等方面進行優化所以說可靠的電源方案設計是整個硬件電路穩定可靠運行的基礎本次設計的全部硬件電路的電源由72V2Ah的可充電鎳鎘蓄電池提供由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同因此電

26、源模塊應該包含多個穩定電路將充電電池電壓轉換成各個模塊所需要的電壓電源模塊整體供電的可框圖如圖4-1 圖4-1 電源系統結構框圖下面將對幾種主要供電電壓電路進行設計15V電壓主要為單片機信號調理電路紅外對管以及部分接口電路提供電源電壓要求穩定且噪聲小電流容量大于500mA本次低壓降采用型號為LM7805的穩壓芯片LM7805具有大電流低功耗電路簡單可靠的優點其電路圖如圖4-2圖4-2 LM7805電路圖26V電壓主要是為舵機提供工作電壓實際工作時舵機所需要的工作電流一般在幾十毫安左右電壓無需時十分穩定6V低壓降采用型號為7806的三端線性穩壓器7806穩壓電路把72V的電池電壓轉換為6V的電壓

27、供給舵機使用其電路圖如下圖圖4-3 LM7806電路圖 372V電壓這部分直接取自電池兩端電壓主要為后輪電機驅動模塊提供電源第5章 路徑識別模塊和測速檢測模塊51 路徑識別模塊路徑識別模塊是智能車系統的關鍵模塊之一路徑識別方案的好壞直接關系到最終性能的優劣本設計采用的是光電傳感器實現智能車路徑識別功能所謂光電傳感器尋跡方案即路徑識別電路由一系列發光二極管接收二極管組成由于賽道中存在軌跡指示黑線落在黑線區域內的光電二極管接收到的反射光線強度與白色的賽道不同由此判斷行車的方向511 光電傳感器光電傳感器是利用光電器件把光信號轉換成電信號的裝置光電傳感器工作時先將被測量轉換為光量的變化然后通過光電器

28、件再把光量的變化轉換為相應的電量的變化從而實現非電量的測量光電傳感器的基本組成如下圖5-1 光電傳感器的基本組成512 光電傳感器發射與接收電路設計本項目中選用的是紅外對管RPR-220作為傳感元件RPR-220是一種一體化反射型光電探測器其發射器是一個砷化鎵紅外發光二級管而接收器是高靈敏度硅平面光電三級管 它有如下三大特點塑料透鏡以提高靈敏度內置的可見光過濾器以減小離散光的影響體積小結構緊湊傳感器電路如下圖5-2所示 圖5-2 單對紅外傳感器電路圖工作原理 當小車在白色地面行駛時裝在車下的紅外發射管發射紅外線信號經白色反射后被接收管接收一旦接收管接收到信號那么圖中光敏三極管將導通比較器輸出為

29、低電平當小車行駛到黑色引導線時紅外線信號被黑色吸收后光敏三極管截止比較器輸出高電平從而實現了通過紅外線檢測信號的功能將檢測到的信號送到單片機IO口當IO口檢測到的信號為高電平時表明紅外光被地上的黑色引導線吸收了表明小車處在黑色的引導線上同理當IO口檢測到的信號為低電平時表明小車行駛在白色地面上513 路徑識別傳感器布局設計通過分析可知尋跡傳感器模塊的設計是整個智能小車設計中的最重要的一部分其作用相當于人的眼睛和耳朵采集外部路面的信息并將其送入MCU微控制器進行數據處理其能否正常工作直接影響著小車對路面的判斷以及小車下一步的行動因而其布局的合理性與有效性對小車穩定而又快速的行駛起著至關重要的作用

30、個人認為在傳感器的布局中要解決兩個問題信息檢測的精確度和信息檢測的前瞻性 一般尋跡傳感器的布局常見的有以下幾種方案 方案一一字形布局 反射式光電傳感器在小車前方一字形簡單排布在一字形中傳感器的間隔有均勻布局和非均勻布局兩種方式均勻布局不利于彎道信息的準確采集通常采取的是非均勻布局考慮到弧度信息采集的連貫性非均勻布局的理論依據是等角度分布原則即先確定一合適的定點從頂點依次等角度畫射線射線與傳感器水平線相交的位置即為傳感器的位置這種方案信息檢測相對連貫準確使控制程序算法簡單小車運行連貫穩定 方案二M形布局 傳感器呈M形排布這種方案的優點在于拓寬了邊沿傳感器的檢測范圍更適合于小車快速行進中的彎道檢測

31、但相對一字形布局來說M形布局不利于信息檢測的穩定易于產生振蕩不利于小車行駛的穩定 方案三活動式傳感器布局 前面兩種方案都是固定的布局方式使傳感器對賽道有一定的依賴在這個方案中傳感器的位置是可以在一定范圍內靈活排布的這種方案的布局思路是傳感器在安裝板上的位置是可調的先將傳感器排布成為矩形點陣根據不同的賽道情況而靈活地作出調整就可以設計出不同的布局方式而適應不同的賽道這樣對不同賽道有更強的適應性但這種方案可調性大臨時調節較難其次機械設計中體積較大增加了小車的重量不利于加減速 在方案選擇中最終采用的是上述第一種方案通過比較得到的結論是對第一種第二種和第三種方案進行綜合考慮由于本次比賽的賽道相關參數已

32、知而且賽道只有直道和彎倒兩種可以在測試中對賽道進行模擬賽道變化不大因此沒有必要采取比較復雜的第二種和第三種方案方案具體布局的PCB圖如圖5-3 圖5-3 紅外探測布局的PCB圖52 測速檢測模塊為了使得模型車能夠平穩地沿著賽道運行除了控制前輪轉向舵機以外還需要控制車速通過對速度的檢測可以對車模速度進行閉環反饋控制在車輪沒有打滑的情況下車速正比于驅動電機的轉速車速檢測一般是通過檢測驅動電機轉速來實現的比賽中所使用的常見測速方法如下1霍爾傳感器霍爾傳感器是一種磁傳感器它的工作原理是霍爾效應它是德國物理學家霍爾于1879年研究載流導體在磁場中受力的性質時發現的如圖1所示在半導體薄片兩端通以控制電流I

33、并在薄片的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場則在垂直于電流和磁場的方向上將產生電勢差為UH的霍爾電壓它們之間的關系為U k 5-1 圖5-4 霍爾原理式中d 為薄片的厚度k稱為霍爾系數它的大小與薄片的材料有關通過對一定時間內脈沖信號數量的捕捉可以計算出車輪的轉速霍爾具有體積小成本低反應快獲取信號準確等優點只是霍爾元件與磁鋼之間距離不一調節2 測速電機測速電機實際上是一種微型直流發電機其輸出電壓和電機轉速成正比測速發電機的輸出電動勢具有斜率高特性成線性無信號區小或剩余電壓小正轉和反轉時輸出電壓不對稱度小對溫度敏感低等特點光電編碼器是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的

34、傳感器光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔由于光電碼盤與電動機同軸電動機旋轉時光柵盤與電動機同速旋轉經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速具有體積小精度高工作可靠接口數字化等優點PWM信號來完成由于設計的智能車沒有倒車功能所以電機只工作在正轉方向上做功與發電兩種狀態為了簡化驅動電路設計將采用集成電機驅動芯片MC33886對電機進行控制MC33886為典型的H橋式驅動電路通過控制輸入的信號可以控制兩個半橋的通斷來實現電機的順轉與倒轉由于智能車不需要倒車為了擴大芯片的驅

35、動能力 把兩個半橋并聯使用下面介紹一下H橋式電機驅動電路 H橋式電機驅動 圖中所示為一個典型的直流電機控制電路電路得名于H橋式驅動電路是因為它的形狀酷似字母H4個三極管組成H的4條垂直腿而電機就是H中的橫杠注意圖及隨后的兩個圖都只是示意圖而不是完整的電路圖其中三極管的驅動電路沒有畫出來如圖所示H橋式電機驅動電路包括4個三極管和一個電機要使電機運轉必須導通對角線上的一對三極管根據不同三極管對的導通情況電流可能會從左至右或從右至左流過電機從而控制電機的轉向 圖 H橋式電機驅動電路要使電機運轉必須使對角線上的一對三極管導通例如如圖413所示當Q1管和Q4管導通時電流就從正極經Q1從左至右穿過電機然后

36、再經Q4回到電源負極按圖中電流箭頭所示該流向的電流將驅動電機順時針轉動當三極管Q1和Q4導通時電流將從左至右流過電機從而驅動電機按特定方向轉動電機周圍的箭頭指示為順時針方向 圖 H橋電路驅動電機順時針轉動圖所示為另一對三極管Q2和Q3導通的情況電流將從右至左流過電機當三極管Q2和Q3導通時電流將從右至左流過電機從而驅動電機沿另一方向轉動電機周圍的箭頭表示為逆時針方向 圖 H橋電路驅動電機逆時針轉動CPU 發出PWM 波通過MC33886 驅動芯片控制電機的電壓 PWM3 輸出PWM波經由IN1 口輸入OUT1 輸出電機調速信號通過預設的DUTYCYCLE對電機的轉速進行調解工作電壓5-40V導

37、通電阻120 毫歐姆輸入信號TTLCMOSPWM 頻率 10KHz具有短路保護欠壓保護過溫保護等 圖6-4 MC33886電機驅動原理圖613 PWM信號控制電機的轉速PWM脈沖寬度調制控制通常配合橋式驅動電路實現直流電機調速非常簡單且調速范圍大它的原理就是直流斬波原理電機的轉速與電機兩端的電壓成比例而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比因此電機的速度與占空比成比例占空比越大電機轉得越快當占空比1時電機轉速最大PWM控制波形的實現可以通過模擬電路或數字電路實現例如用555搭成的觸發電路但是這種電路的占空比不能自動調節不能用于自動控制小車的調 速而目前使用的大多數單片機都可以直接輸出這種PWM

38、波形或通過時序模擬輸出最適合小車的調速我們使用的單片機它是16位單片機可提供路PWM 直接輸出頻率可調占空比可調控制電機的調速范圍大使用方便單片機有個IO口 內部設有2個獨立的計數器完全可以模擬任意頻率占空比隨意調節的PWM信號輸出用以控制電機調速在實際制作過程中認為控制信號的頻率不需要太高一般在400Hz以下為宜占空比16級調節也完全可以滿足調速要求并且在小車行進的過程中占空比不應該太高在直線前進和轉彎 的時候應該區別對待若車速太快則在 轉彎的時候方向不易控制而車速太慢則很浪費時間這時可以根據具體情況慢慢調節20ms左右的脈沖信號脈沖信號的寬度決定舵機輸出舵盤的角度舵機輸出轉角與控制信號脈寬

39、之間的關系如下圖6-6圖6-6 舵機輸出轉角與控制信號脈寬之間關系控制信號PWMPulse Width Modulate脈寬調制波在特定的頻率和占空比轉向伺服電機會轉動特定的角度圖描述了在不同占空比的條件下轉向伺服電機所轉過的角度給出了量化后的結論圖6-7 不同占空比的PWM波形控制的轉向伺服電機轉向伺服電機由于小車前輪轉向只能在度范圍內所以用于小車轉向的PWM波的占空比范圍為5-10之間右轉極限位置時PWM波占空比為5左轉極限占空比為10頻率為50HZ在了解了轉向伺服電機的控制方法后利用單片機的PWM通道產生相應頻率和占空比的PWM波形即可實現對轉向伺服電機的控制進而實現對小車轉向的控制PW

40、M模塊的相應通道使得該通道輸出PWM波頻率為520Hz同時設置PWM極性即起始電平為高電平 舵機停止控制子程序用來停止舵機動作并恢復其到初始狀態具體實現方法為設定通道輸出PWM波的高電平時間為147ms并延時一段時間后關閉PWM輸出舵機轉向角度控制子程序實現設定PWM調制波的脈寬使其高電平寬度從121ms 147ms173ms可調所對應舵機轉向角度為-38°0° 38°下圖6-9 表示了舵機控制模塊的工作過程圖6-9 舵機轉角控制模塊程序流程圖第7章 智能車軟件的設計車輛之所以能實現智能行駛自動駕駛居于核心地位是控制算法隨著微控制器技術的發展控制器的資源愈加豐富功

41、能日趨強大為實現更高智能的控制算法提供了良好的平臺本設計采用的是基于光電傳感器的設計方案軟件的設計中程序的主流程是先完成單片機的初始化包括IO模塊PWM模塊計時器模塊定時中斷模塊初始化之后通過無限循環語句不斷的重復執行路徑檢測程序數據處理程序控制算法程序舵機輸出及驅動電機輸出程序其中定時中斷用于檢測小車當前速度作為小車速度閉環控制的反饋信號光電傳感器方案主流程圖如圖7-1所示圖7-1 光電傳感器方案主程序流程圖71 單片機初始化單片機初始化主要包括鎖相環初始化IO端口初始化PWM初始化定時中斷的初始化輸入捕捉通道初始化AD轉換模塊初始化以及各種變量和常量初始化以下列出幾種初始化代碼鎖相環初始化

42、鎖相環即PLL技術通過設置鎖相環可以改變單片機的時鐘頻率void PLL_init void 系統時鐘的初始化因當時摸索欠考慮時鐘初始化比較亂需要改進 CLKSEL_PLLSEL 0 選定外部時鐘為1時選擇鎖相環時鐘 時鐘選擇寄存器初始化 CLKSEL 0 選擇外部晶振為時鐘源PLLCTL_PLLON 0 鎖相環電路禁止PLLCTL_PRE 1 實時中斷允許PLLCTL_PCE 1 允許看門狗PLLCTL_AUTO 1 選擇高頻寬帶控制PLLCTL_SCME 1 探測到外部時鐘失效時產生自給時鐘信號SYNR 8 時鐘合成寄存器初始化REFDV 0X07 時鐘分頻寄存器初始化 與上句為做實驗時確

43、定的參數與理論參數有差距可重新設置CLKSEL_PLLSEL 1 選定鎖相環時鐘 此句被注解掉PLLCTL_CME 1 時鐘監控允許 鎖相環控制寄存器初始化PLLCTL_PLLON 1 while CRGFLG_LOCK 循環直到該位為1即時鐘頻率已穩定CLKSEL_PLLSEL 1 選定鎖相環時鐘 PWM初始化PWM初始化主要包括以下6個步驟禁止PWM選擇時鐘選擇極性選擇對其模式對占空比和周期編程使能PWM通道void PWM_init void 脈寬調制模塊的初始化參考中文PPT PWME 0 關閉PWMPWMCNT01 0 01通道被禁止PWMCTL_CON01 1 01共同組成16位通

44、道作為舵機的控制信號輸入口 為1級聯為0分開PWMCTL_CON45 0 分別組成8位通道 分別為驅動電機的正反轉的輸入口PWMCTL_PSWAI 1 不準許等待模式下分頻時鐘禁止運行PWMCTL_PFRZ 1 不準許冷結模式下PWM波形輸出PWMPOL 0X03 對應通道脈沖起始位為高電平 極性為1PWMCLK 0X33 0145分頻PWMPRCLK 0X03 A_CLOCK BUS_CLOCK8 3MHZPWMSCLA 15 比例因子寄存器設置PWM寄存器的工作頻率 SA_CLOCK A_CLOCK215 100KHZPWMCAE 0X00 輸出波形左對齊否則中心對齊PWMDTY01 80

45、 初始化時可任意設置PWMPER01 2000 設置PWM01通道頻率100KHZ2000 50HZPWMPER4 20 設置PWM4頻率為5KHZPWMPER5 20PWMDTY5 10PWMDTY4 15 占空比為1520初始化時可任意設置PWME 0X13 使能PWM PID是建立在經典控制理論基礎上的一種控制策略PID控制器作為最早實用化的控制器已經有五十多年的歷史現在仍然是最廣泛的工業控制器PID控制器最大的特點是簡單易懂使用中不需要精確的系統模型等先決條件因而成為應用最廣泛的控制器 PID控制器系統原理框圖如圖7-2所示 圖7-2 典型PID控制結構在PID控制其中其輸入為設定值r

46、 t 與被調量實測值y t 構成的控制偏差信號e t e t r t -y t 7-1其輸出為該偏差信號的比例積分微分的線性組合也即PID控制規律 7-2式中為比例系數為積分時間常數為微分時間常數在PID調節作用下控制器對誤差信號e t 分別進行比例 P 積分 I 微分運算 D 其結果的加權和構成系統的控制信號u t 送給被控象加以控制 比例環節的主要作用是的值增大時系統的響應速度加快閉環系統響應的幅值增加當達到某個值系統將趨于不穩定 當增加積分時間常數Ti的值時系統超調量減小而系統的響應速度將變慢因此積分環節的主要作用是消除系統的穩態誤差其作用的強弱取決于積分時間常數Ti的大小當增加微分時間

47、常數時系統的響應速度增加同時響應的幅度也增加因此微分環節的主要作用是提高系統的響應速度由于該環節產生的控制量與信號變化速率有關因此對于信號無變化或者變化緩慢的系統不起作用 73 路徑識別算法 路徑識別算法是通過的AD端口將光電管接收端轉化的電壓值讀入單片機道路中心線相對于各個紅外接收管的距離所引起的電壓變化經AD轉換成相應的數字量然后通過插值運算可以得到更加精確的路徑信息74 舵機控制算法方向控制策略的作用是控制小車在不同類型的賽道下對小車位置與黑色引導線之間偏差的修正輸入是賽道識別的結果有效前瞻和位置偏差輸出是舵機控制量我們采用了PID算法 Y N 圖7-3 舵機控制流程圖75 速度控制算法

48、小車運行中另外一個關鍵的物理量是速度由于小車在運行過程中有較大的時延和慣性從控制信號輸出到舵機響應到位有一段時間延遲同時小車運行本身的慣性也使得車體難以按照理想狀況立即調整完畢時延加慣性的系統特性對于小車通過彎道時影響尤其明顯進入彎道后速度過快容易沖出賽道而速度過慢可能會導致動力不足卡停在彎道處同時小車進入直道時需要盡可能提升速度并保持在一定范圍內避免因為速度過快影響直道穩定性如果沒有速度閉環僅僅依靠對電機的開環控制這是無法實現的在小車實際運行中電機接受到控制信號后從初始轉速提升到期望轉速需要經歷 35 秒的加速過程延遲是相當大的因此除了使用PID對于位置偏差量進行控制外本項目對小車速度也進行

49、閉環控制在速度控制中如何獲取小車當前速度以及如何對小車進行減速是兩個關鍵問題為了能對速度進行檢測前面的章節中已詳細說明了本設計中采用的霍爾式速度傳感器這里就不再贅述了下面就重點介紹一下小車的減速這里考慮了兩種方方案 方案一 使電機短時間停機這種案可控性強適合于輪軸自鎖的電機如減速電機與步進電機但由于小車的慣性作用從剎車到停止需要一個緩沖時間這樣容易造成小車由直道進入彎道時容易沖出跑道限制了小車的直道速度而且使小車在彎道運行時連貫性很差 方案二 電機瞬時反轉來快速降低小車速度這種適合于直流電機這相當于給小車一個反向力矩來迅速降低小車的速度很明顯其減速效率優于方案一經實驗驗證其速度上連貫性也優于方

50、案一 為進一步精確控制小車速度還需要引入閉環速度控制把采用速度傳感器檢測到小車的實時速度通過實際速度與期望速度之間的比較確定小車速度狀態以及決定加速或減速的強度大小如果沒有速度閉環雖然也可以較好的實現速度控制但是不能靈活地根據小車的實時速度來進行調整這會降低小車對賽道的應變能力會降低小車的整體速度速度控制的閉環流程圖如圖7-4 以下程序示意出了本項目采用的速度控制方案 if BrakeTime 0 BrakeTime表示減速時間 BrakeTime- 冷卻時間處理減速功能子函數 else if小車偏離賽道比較嚴重和小車剎車就緒 啟動減速功能給定剎車強度減速冷卻開始 else 根據小車狀態和當前

51、速度決定小車的速度 程序設計中通過調整減速時間BreakTime以及減速功能子函數里設定的速度參數來控制減速的程度通過實驗得出結論在良好識別彎道的前提下可以達到迅速降低電機轉速而滿足小車過彎的要求 Y N Y N 圖7-4 速度控制流程圖第8章 開發制作與調試在本次設計中所采用的智能車軟件開發工具為由清華大學開發的專門Motorola S12系列微處理器的BDM調試工具以及由MetroWerks 公司開發的Codewarrior 47編譯器 BDM背景調試手段與傳統調試方法最大區別在于其能在不影響單片機運行的前提下很好的監視單片機的運行狀態觀察內部的存儲器及IO資源的情況這一優點摒棄了傳統的仿

52、真器調試手段實現了在線運行在線調試的目的提高了軟件調試的效率與準確性小車的硬件開發工具主要為Altium Designer Summer 09通過該軟件來完成電路原理圖的繪制及PCB板制作下面對Codewarrior 47和BDM調試工具作簡要介紹81 CodewarriorV47軟件及其應用Codewarrior軟件是Metrowerks公司開發的軟件集成開發環境IDE intergrated develop inviroment Freescale的單片機都可以在codewarier IDE軟件下進行開發Codewarrior IDE 為軟件開發提供了一系列的工具Codewarrior I

53、DE為軟件開發提供了一系列的工具其中包括 項目管理器為軟件開發人員管理上層的文件將項目進行分組管理比如文件或目標系統跟蹤狀態信息比如修改日期決定編譯順序或每次編譯應包括哪些文件與插件一起提供版本控制功 編輯器利用顏色來區分不同的關鍵字允許用戶利用顏色機制自定義關鍵字自動檢查括號范圍利用菜單在不同的文件或函數中導航 搜索器搜索一個特定的字符串用特定的字符串代替查找到的字符串允許使用常規表達式提供文件比較功能 源代碼瀏覽器標志符變量名稱函數名稱數據庫利用數據庫來對代碼快速定位對所有的標志符連接到用到它的代碼中 編譯系統編譯器將源代碼編譯成機器碼鏈接器將目標文件鏈接成可執行文件 調試器利用標志符數據

54、庫進行源代碼級調試支持各種標志符數據庫開發人員可以在不同的操作系統下使用 codewarrior IDE 來開發自己的件這些操作系統包括 Windows Macintosh Solaris 和 Linux IDE在不同作系統下的界面完全相同支持CC和 Java多種語言IDE支持許多通用的桌面或嵌入式處理器支持插件工具開發環境界面統一在軟件開發過程中通常需要經過以下幾個步驟新建創建新項目源文件編輯按照一定的規則編輯源代碼注釋編譯將源代碼編譯成機器碼同時還會檢查語法錯誤和進行編譯優化鏈接將編譯后的獨立的模塊鏈接成一個二進制可執行文件調試對軟件進行測試并發現錯誤CodearrierV47的創建新的工

55、程窗口圖8-1 CodearrierV47 創建新的工程窗口CodearrierV47的工程的初始設置窗口圖8-2 CodearrierV47的工程的初始設置窗口CodearrierV47的編譯窗口圖8-3 CodearrierV47的編譯窗口82 BDM for S12的使用BDM是Motorola的一種調試接口全稱是Background Debug Mode是一個內嵌于MPU 的調試單元BDM for S12即TBDML 硬件由清華大學Freescale MCUDSP 應用開發研究中心研制采用Daniel Malik設計的TBDML該工具是支持 Freescale MC9S12 系列 16 位單片機的 BDM 調試工具采用USB接口與PC通信以下是BDM的PCB原理圖圖8