光電傳感器的設 智能車建模及尺寸參 第四章電路設 電源模塊設 電機驅動模塊設 舵機控制模塊設 車速檢測模塊設 測速方法研 M/T法測速測速原 坡道控制模塊設 第五章系統設 5.1系統總體設 5.2各功能模塊設 時鐘模 ECT模 AD轉換模 路徑識別與算 彎道控制及策 速度與轉角控制策略與算 第六章開發制作與調 系統開發工 調試過 硬件調 調 第七章智能車主要技術參數說 智能車基本參 電路部分參 第八章總 參考文 附錄 概自“飛思”杯大學生電子設計競賽2006年舉辦第一屆以來，越來越多地受到學校和企業各界的關注。今年三月報名參加第五屆智能汽車競賽，本小隊成員學習了“飛思”單片機控制器、傳感技術、汽車機械構造、模式識別等各方面知識，積累了大量理論知識與實踐經驗。本智能車系統采用M912X128單片機作為控制，接收并處理激光傳感器檢測賽道反饋信息，采用兩個舵機分別對轉向進行控制及實現光電傳感器賽道“搖頭”。并采用旋轉編對智能車速度進行實時檢測，同時運用ID算法實現速度閉環控制。另外，智能車系統采用獨立安裝在車前端的ST188光電傳感器檢測坡道路徑。小車速度提升的關鍵是轉角要和速度匹配的非常好，采用現場整定的辦法獲取智能小車轉角和速度的最佳匹配參數實現小車的最優控制。在控制單元的協調控制下，該智能車能夠快速穩定的跑完全程。本文結本文共八個章節，第一章為引言，簡明的講述大學生智能汽車競賽的情況并對本技術報告的結構作簡單介紹；第二章至第七章為本文的主體，詳細介紹了本小組的參模的機械、硬件電路以及的設計與實現，并對智能車的開發和調試作了說明；第八章為總結，對本技術報告的總體進行簡要說明以及本小隊在智能車競賽準備過程中的一些心得體會。系統方案介本參賽小隊的智能車系統采用“飛思”16位單片機M912X128作為控制單元，由安裝在智能車上部的數個光電傳感器接收從比賽賽道反饋回來的信號并傳到控制單元單片機中，由智能車“大腦”接收并處理從傳感器反饋的信號后，模塊產生相應的波形，通過輸出不同占空比控制智能車的轉向舵機與直流電機，以實現控制智能車按照規定賽道行駛。為了使智能車能夠更加快速穩定的行駛，智能車“大腦”S12單片機必須把對賽道路徑的判斷、轉向舵機的角度控制以及對直流電機的控制緊密的聯系在一起。不論是某一路信號的誤判還是單片機對轉向伺服電機控制的失當，都會引起智能車在行駛過程中產生抖動甚至偏離賽道。所以，對智能車總系統設計的合理性和科學性就顯得尤為重要。智能車系統總體結光電速度光電速度檢轉向控電電源直直流電2.1本智能車系統采用freescale單片機MC9S12XS128作為控制，對采集的信號進行分析和處理，再根據信號對直流電機和轉向舵機進行有效控制。MC9S12XS128CPU16CPU40MHz；8KBRAM128KB程序閃存、2KB數據閃存；脈寬調制模塊()4821611612位精度A/D轉換器；另外片內還具有增強型捕捉定時器。完全可以勝任大量的數利用光電方式對比賽賽道信息進行并反饋給處理單元，由處理單元對數據進行處理。對智能車的實時速度檢測并反饋，以實現對智能車速度的閉環控制，以便調對智能車上的舵機進行驅動，以達到快速準確的控制智能車的行駛方向及傳對直流電機進行驅動，控制的速度車模選根據大賽的要求，選擇B型車模作為智能車制作的基礎車模。B型車模采用的是國內廠商生產的1：16的電動越野車的底盤部分，其特點為四輪驅動，四輪獨立懸掛，相比于往年比賽采用的A型車模結構上復雜程度有所增加。同時可調整參數也有所增加，而通過調整這些參數，車輛的性能提升有明顯的效果。車模安在嚴格遵守比賽對車模所做的要求的前提下，按照說明書所說的步驟對車模按照車輛運動學理論，增大后輪距，能夠提高智能車穩定性并減小側滑。因此增了后輪距使智能車更穩定的跑完全程。前輪的中心位置對智能車轉向有極其重要作用。為了保證智能車輪不人為打偏的情況下按照直線行駛，將前輪調整成外“八”字型，保證在直線賽道上不跑偏。車身重心位置的前后調整，對智能車行駛性能有很大的影響。按照車輛運動學理論，車身重心前移會增加轉向，但會降低轉向的靈敏度，同時降低后輪的抓地力；重心后移會減少轉向，但會增大轉向靈敏度，后輪抓地力也會增加因而調整合適的車體重心，讓智能車更加適應跑道是很關鍵的。根據實際調試經驗，鑒于當前舵機響應遲緩，因此，需要將車的中心前移，增加轉向性能。車模在整個競賽過程中，加速加速度和加速度的大小將直接決定車在全程中的平均速度，所以，提高加速度對全程平均速度的提高有重要作用。在量。組在減輕重量方面的操作原則為在不比賽規則和不影響正常行駛的情況下，減輕所用材料的重量，拆除多余零件。在電路板的設計過程中，為了減在布局上，使用的雙面緊湊布局的方法，最大限度減小電路板的面積，減輕重量。另外，在B型模型車的機械結構方面還有很多可以改進的地方，比如說懸架、底盤、車身高度等。B型車模的底盤材質較柔軟，對于復雜多變的賽道以及高速行駛的智能車，容易發生車體自身的彈性形變。所以本小隊在B型車模的底盤下此外，還對模型車的前后懸架彈簧的預緊力進行調節，選用不同彈性系統的彈簧等方法進行了改進，并且對車身高度，進行了相應的改進和調整，均取得了不錯效果。傳感器的設計安方案一：采用CCD/CMOS頭，CCD/CMOS頭的優點是檢測前瞻距離大、檢測范圍寬、檢測道路參數多；缺點是電路設計復雜，需要信號同步分離，且工作電壓高于電池電壓，需要升壓電路，加大電源的損耗，而且本系統采用的處理器是25MHz的單片機，處理速度有限，并且CCD一偵圖像的時間最快為50s，對于一個速度要求很高的系統，時間過長，還易受外界干擾，計算量大。方案二：采用電磁線磁場傳感器檢測電磁感應磁場的方法。競模需要能夠通過自動識別賽道中心線位置處由通有100A交變電流的導線所產生的電磁場進行路徑檢測。采用此方法檢測賽道的方法的優點是傳感器設計電路實現簡單，體積小。但缺點是磁場傳感器檢測能力小，環境中存在諸多電磁干擾。對智能車的平穩行駛有一定影響。方案三：使用光電傳感器。通過發光管發射激光照射跑道，跑道表面與中心黑線具有不同的反射強度，利用光電接收管可以檢測到反射回來的不同強度的光信息。這種檢測方法具有較高的可靠性和穩定性，且電路設計比較簡單，檢測信息快，而且單片機處理信息更加方便。但這種方法對道路參數檢測分辨率，易受到外界光線的干擾。利用紅外發光管發出紅外光線，接收管接收不同材質反射的不同信息。例如單光束反射取樣式ST18導致控制對賽道的預處理能力較差。利用激光發光管發出激光，接收管接收不同材質反射的不同信息。其優點是前瞻較大，接收管有效接收激光管發出的光線距離較紅外線更長，傳感器的視野更加廣闊，控制對賽道的預處理能力更強。通過對上述三個方案的比較，結合自身的實際情況，采用方案三第二種，即利用光電方式，通過激光發光管出激光，接收管接收反射回來的不同強度的光信息來檢測路徑的方案。對于坡道賽道而言，較長的發射光光線容易使智能車因ST188光電傳感器對坡道賽道進行獨立檢測，減少算法的復雜性。光電傳感器檢測路面信息的原理是由發射管發射一定波長的激光，經地面反射到接收管。如圖3.1，由于在黑色和白色上反射系數不同，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是不一樣，進而導致接收管的特性曲線發生變化程度不同，而從外部觀測可以近似認為接收管兩端輸出電阻不同，進而經分壓后的電壓就不一樣，就可以將黑白路面區分開來。圖 光電傳感器原激光傳感器與普通的光電傳感器原理都是一樣，但是其前瞻能力遠大于普通40-50厘米。在競賽中，規則規定傳感器最多過16個，選用12個激光傳感器，所有的傳感器呈“一”字排布。如圖3.2，激光傳感器由兩部份構成，一部份為300Hz頻率的振蕩波后，激光管發光；接收部份由一個相匹配300Hz的接收管接收返回的光強經過電容濾波后直接接入12單片機，由于激光傳感器使用了調制處理，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光對反射激光的影響。為了更好的接收反射回來的光，在接收管上套一個透鏡，可以起到一定的濾光作用，使接收管接收的信號更加強，便于單片機對數據進行處理。3.2為了簡化12路激光傳感器的控制，減少激光傳感器相互之間的干擾，傳感器的發光控制采用了分時點亮的策略，使用74LS154作為分時控制器，由S12的4個I/O口來控制傳感器的開斷.智能車建模及尺寸參改裝后的模型車如圖3.3改裝后的模型車基本尺寸參數如表3.128x18x電源模塊設電源是智能車系統中極其重要的部分，關系到整個系統是否能夠正常工作，因此在設計控制系統時應選好合適并且電壓穩定的電源。賽B型車模的電源由6節串聯共V的電池提供，由于電路中的不路模塊所需要的工作電壓和電流容量不相同，因此電源模塊應該包含多個穩壓電路，將充電電池電壓轉換成各個模塊所需要的電壓。智能車對電路功率消耗有較嚴格的要求，如果穩壓選用L7805，其轉換壓差較高，且785直接輸入不接輸出的情況下，其還會有3A的電流消耗（靜態電流。而L2940是低壓差線性穩定器，比785轉換效率更高。所以本智能車系統選用LM2940為其他模塊進行供電，功耗低，供電穩定。經過3片穩壓LM2940穩壓后，輸出5V電壓，分別對單片機、經過穩壓LM2941穩壓后，輸出6V電壓，對轉向舵機供電。電源穩壓電路如圖4.1電機驅動模塊設本智能車系統通過智能功率BTS7960驅動直流電機轉動，BTS7960的接口電路如圖4.2所示4.2舵機控制模塊設對舵機的控制分為“搖頭”舵機與轉向舵機，由于“搖頭”舵機對轉向的控制精度和轉向靈敏度要求更高，本智能車的“搖頭”舵機采用A型舵機，可以成它的制求“搖”機電直接9V電池。而轉向舵機采用B型舵機，電源接LM2941穩壓后的6V穩壓直流電源。車速檢測模塊設車速檢測采用編輸出脈沖來測量智能車在行進過程中的速度。編測3種：M法，TM/T3種測速方法，本智能車測速采用第三種M/T法測速，M/T法兼有MT法的優點，在高速和低M/T同時測量檢測時間和在此檢測時間呢脈沖發生器發送的脈沖數來確定被測轉速，原理如圖4.3所示。它是用規定時間間隔Tg以后的第一個測速脈沖去終止時鐘脈沖計數器，并由此計數器值m2來確定檢測時間T。檢測時間為： （Nm

(公式 TT時鐘脈沖坡道控制模塊設

圖4.3M/T根據大賽規則，在決賽比賽中增加坡道賽道，智能車制作采用光電方式獨立檢測坡道路徑，綜合考慮用使用了7個安裝在車前端的單光束反射取樣式光電傳感器ST188獨立檢測坡道路徑。單個ST188檢測電路如圖4.4。該傳感器檢測電路簡單，在硬件的外部沒有加任何的信號濾波電路，由環境光引起的環境干擾不能通過RC濾波網絡來簡單的濾除，只能通過來5.1系統總體設、在整個系統設計中，用到4個單片機基本功能模塊：時鐘模塊輸出模塊、ECT模塊、AD轉換模塊、。通過編寫程序先對所用到的模塊進行初始、系統通過在主程序內循環調用信號檢測、信號處理、路徑計算和控制等功能子模塊，程序的執行為先對各個模塊進行初始化，然后在主程序中完成相應的功能。首先對各功能模塊進行初始化，初始化流程圖如圖5.1所示。ATDATDECTECT5.1初始化完成以后，就在主程序中編寫程序，完成智能車沿賽道快速平穩行駛5.2各功能模塊設時鐘基本脈沖是CPU工作的基礎。MC9S12XS128微控制器的系統時鐘信號，由時鐘振蕩電路或時序脈沖信號提供。MCU的所有時鐘信號都來源于EXTAL引腳，也為MUC與其他外接之間的通信提供了可靠的同步時S12的總線時鐘是整個MCU系統的定時基準和工作同步脈沖，其頻率固定為晶體頻1/2。對于S12，可以利用寄存SYNR、REFDV來改變晶振頻率FOSCCLK，可以8MHz或16MHz外部晶體振蕩器作外SYNR設為2，REFDV設為1，可以得到24MHz的總線頻率，接近S12單片機的上限總線頻率25MHz。而鎖相環產生的時鐘頻率為：設計中SYNR設為2，REFDV設為1，因此，總線時鐘為24MHzECT模S12ECT8個輸入（IC/輸出(OC)TIOS寄存器選擇輸入或輸出比較功能。ECT既可以作為一個時基定時產生中斷，也可模數遞減計數器（MDC）S12微控制器ECT16位計數器。其配備了常數寄存器T和控制寄存器MCCTL，分別為MDC提供定時常數和時鐘信號。通過寄存器TCTL4設定各個引腳的各種動作，初始化 //Settherisingendgefor //pt0andpt1級聯成16位計數 通過 第五章系統設ADAD轉換模塊由模擬量前端的8選1多路轉換開關，采樣緩沖器及放大器，逐次近式模擬量轉換、控制部分及轉換結果部分等組成。AD轉換所需要的時間周期是固定不變的，但采樣時間和時鐘頻率可以通過寄存器ATDxCTL4（x為0或1）在一定范圍內選擇，其公式為： 從公式和總線頻率的取值范圍可以得出A/D時鐘頻率范圍滿足：通過寄存器ATDxCTL2（x為0或1）控制ATDx的啟動、狀態標志以及上電模式；寄存器ATDxCTL3（x01）用于控制結果寄存器的影射，設置ATDxCTL5（x01）用于選擇轉換方式，選擇轉換通道，設置單/多通道轉換和單次/連續轉換模式以及選擇對齊方式，寫寄存器ATDxCTL5將會啟動一次新的轉換，如果寫該寄存器時ATD正在進行轉換，路徑識別與算要想很好的控制小車在規定的跑到上穩定而快速的行駛，路徑的識別，小車算法的依據是返回的二值化數據，通過這組數據算出小車的重心偏移量，公 （Position表示重心偏移量；v表示傳感去坐標；black_number表示在黑線在小車快速行駛的過程中，會有丟失數據，或是到噪點，所以要分別對 濾波算法是，如果數據的跳變超過2個傳感器。這樣的數據就認為是彎道控制及策車輛在彎道行駛時，需要對三個參數進行設定：切彎路徑、轉向角度、入彎其中，切彎路徑主要決定了車輛是選擇內道過彎還是外道過彎。切內道，路經最短，但是如果地面摩擦系數過小會導致車輛出現側滑，原因是切內道時曲率半徑小，速度快，智能車需要的向心力很大，而賽道本身是平面結構，向心力將全部由來自地面的摩擦力提供，因此賽道表面的摩擦系數將對的運行狀態有很大影響。切外道，路徑會略長，但是有的調整機會，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。轉向角度決定了車輛過彎的穩定性。合適的轉向角度會減少車輛在轉彎時的調整時間，不僅路徑可以保證最優，運動狀態的穩定也會帶來效率的提高，減少時間。舵機的轉角直接影響到車輛轉向角度的大小，轉角過大會導致前輪，在高速行駛過程中前輪轉向而影響速度甚至發生側滑。轉角過大則失去了過彎的最佳路徑甚至沖出賽道。對于入彎速度的分析，應該綜合考慮路徑和轉向角度的影響。一般采取入彎，出彎加速的方案，這樣理論上可以減少過彎時耗費的時間。如果不考慮路徑和轉向角度，只是單純地分析過彎速度，會造成控制策略的局限甚至錯誤。所以現在本系統參考實際駕駛時的一些經驗，對過彎速度的處理方式確定為：入彎時急，以得到足夠的調整時間，獲得正確的轉向角度；在彎道內適當提速，并保持角度不變，為出彎時的加速節約時間；出彎時，先準確判斷標志，然后加速，通過消耗掉一定的時間，保證行駛狀態的穩定性，而且彎道內的有限加速對之后在直道上的提速也有很大的幫助。速度與轉角控制策略與線的范圍和穩定性，特別將光電收發模塊裝在一個可以“搖頭”的舵機上。舵機的算法，使用的是PD 算法，要到達的目標是使傳感器緊跟黑線中心，其實這里就形成了一個閉環控制系統，這個系統中P參數影響系統的反應快慢，D參數用于減小超調。既要很快的跟上黑線，又要防止振蕩。第五章系統設轉向舵機的參數來源與“搖頭”舵機值，在加上傳感器的重心偏移量。這些參數，經過多次反復的調試和現場整定，最終確定。速度電機的控制使用的是PID算法，他能很好的對小車進行快速而準確的要想讓小車跑的更快，特別是轉角要和速度匹配的非常好，這是決定小車速度極限的關鍵和。采用現場整定的辦法獲取智能小車轉角和速度的最佳匹配參數。方法是首先將小車的速度開環控制，給定一個較大的速度值，然后在此恒定速度下獲取并調整轉角的控制曲線和參數值，最后再將速度閉環控制，進一步調整速度和轉角的控制參數值，使兩者達到一個最優控制。經過反復調試比較，轉角的最終控制曲線接近于一個二次或三次函數曲線。傳感器使用了分時點亮的算法，每次點亮距離相隔最遠的一個，這樣就有效的減少和防止了的傳感器間的互相干擾，能準確的返回數據。系統開發工S12系列微控制器具有一個由片內仿真、觸發和硬件構成的單線背景調試模式(BDM)，因此它可以通過使用兩種開發工具：簡單串行電纜或低成本的BDM，來完成調試功能。CodeWarriorforS12HC1S12CPU的單片機應用開發括集成開發環境IDE、處理器庫、全仿真、可視化參數顯示工具、項目工程管理器、C交叉編譯器、匯編器、器以調試過智能車系統的調試是智能車制作過程中一個很重要的環節。在完成系統硬件和設計后，要進行系統調試，以檢查系統的完整性和有效性。系統調試主要包括硬件調試和調試兩部分。對智能車系統調試，首先分別對直流電機驅動、舵機驅動、傳感器、電源、速度檢測等模塊進試。特別是對傳感器模塊的測試，傳感器就像是智能車的傳感器接收效果受激光發射管所發射光的距離影響，理論上是光照越近，接收管接收效果越好，但是較小前瞻對智能車對賽道的預知能力有所影響，導致智能車對整體控制效果的局限。后經過調試，激光發射管發射的光在4045cm時接收管接收效果較好且方便控制對信號進行處理。各模塊在調試過程中都出現了不同類型的問題，不過經過本小隊隊員的努力單個模塊調試完成后，就可以對智能車整體系統進行調試。將各個模塊按照首先不開電機與舵機，使前后輪都保持直線方向，用手輕推只能車，查看之前在機械機構設計過程中對車輪的改動是否達到預期的目標，調試初期車輛并不能保持直線方向行駛，而是稍稍向一邊偏，這樣在直道行駛控制策略當中就會影響控制精度。經過一定的改動過后，直線偏向問題得到解決。給電機一個相對較小的速度，設置一個的轉角，讓在賽道上慢跑一圈檢測各模塊對系統整體的作用及對整體的誤差影響。同硬件調試過程一樣，首先對CT、D、等模塊進行調試。調試是一個漫長而艱辛的過程：傳感器信號的接收和處理、速度控制算法、舵機轉角對賽道的適應能力、起跑線的檢測以及彎道控制策略的參數調整等，都是比較復雜而的歷程。調試的關鍵是看智能車的數據，使用仿真調試，可以方便的看到變量和寄存器的數值變化，為調試減輕了不少的負擔，也可以使用無線收發模塊，進行數據的傳輸實時的觀察智能車動態情況，為進一步分析和提高車速以及加強穩定性有很大的意義。在反復的調試中尋找合適的參數，分析和解決所遇的的各種各樣的問題。經過長時間的調試以及對參數的調整，智能車達到對不同賽道的較強適應能本智能車采用一塊比賽標準9V電池供電，電路有6個電容，容量總計約1110μF。當模型車全功率運行時，功耗約為50W。在這份技術報告中，分模塊的介紹了智能車機械硬件方面、方面以及電路的設計，最重要的是的控制策略及算法。在傳器的排法和置選擇上，過綜合考慮，傳感器按照“一”字型排列安裝在智能車的中部，這樣防止在賽道調試過程中車輛沖出賽道而撞壞模型車。另外注意到：激光發射管發射的光如果不在同一直線上，即發射光照出的距離不同，接收管接收信號會有很大差距，所以嚴格控制發射光必須控制在同一直線，這樣對整個系統的穩定性有很大作用。在設計和算法方面，先分模塊介紹智能車所用到的模塊的初始化流程，再詳細的介紹路徑識別、彎道控制以及車輛行駛速度的控制算法。通過不斷地調試與參數的修改，能夠比較平穩的跑完整個賽道。另外，機械結構相當重要。當模型車的速度遇到一個新的瓶頸，在嘗試了新的控制策略、提高舵機響應等各種方法都沒有效果時，就不要忽視了機械結構方面的因素，應及時檢查運動部件是否出現松動，兩車輪轉角是否符合，并作出相應的改進。一個穩定的系統必然要經歷不斷的調試與修改，小隊成員都在不斷努力，經過接近半年的努力，相信，在即將到來的比賽中會取得成功，也許的知識還不夠豐富，思維還不夠嚴謹，硬件技術還不夠精湛，但是堅信，通過不斷的學習和團隊合作，一定會取得更高的成就，也認識到要做好一件事情，只有和是完全不夠的，還要有持之以恒的毅力和不辭辛苦的精神，特別是部分的調試，沒有冷靜的頭腦和縝密的思維，是不可能編寫出結構嚴謹的程序的。這一部智能車和這一份技術報告，凝結了小隊每一位成員的汗水和智慧。我相信它們會成為珍貴的。[1].實時操作系統[LC／OS-Ⅱ(第2版)[M]. [2] 單片機應用的開發方法[M]．．[3].電的單片機控制[M]．.航空航天大學[4]，.汽車構造[M]..機械工業[5]，．S12單片機模塊應用及程序調試[J].電子產品世界.2006．第[6]童詩白，華成英．模擬電子技術基礎[M]． 高等教育沈長生．常用電子元器件使用一讀通[M]． 人民郵電宗光華．機器人的創意設計與實踐[M]． 航空航天大學等．Pro高級應用[M]．.人民郵電 汽車理論[M]．．機械工業}}COPYRIGHT(c) 2010BYLSTC.- -LeshanTeachersCollegeSmartcarLabDesignedbyLiFuGang#include<hidef.h> /*commondefinesandmacros*/#include<MC9S12XS128.h> /*derivativeinformation*/ #pragmaLINK_INFODERIVATIVE void{{}COPYRIGHT(c) 2010BYLSTC.--S-LeshanTeachersCollegeSmartcarLabDesignedbyLiFuGang void{ucharucharblack_number;{{{}}}elseif(pre_position<=-{{{}}程序源代{{{}}} {{{}}}{}{

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