智能车整体设计思路和方案报告.doc

关于技术报告和研究论文使用授权的说明本人完全了解第二届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。参赛队员签名：带队教师签名：日期：目录第一章引言.1第二章智能车整体设计思路和方案.1第三章智能车机械部分安装和调试.2第四章智能车的电路设计与实现.34.1电源部分.34.2电机驱动电路.44.3测速电路.64.4红外对管检测电路.74.5拨码开关电路.8第五章智能车的控制策略和算法.95.1路径搜索算法.95.2舵机、电机的控制.9第六章运行调试部分.126.1CODEWARRIOR开发环境.126.2软件仿真.126.2实际调试.13第七章技术参数统计.14参考文献.15附件程序.错误!未定义书签。第三届全国大学生智能汽车大赛1第一章引言“飞思卡尔”杯智能车大赛是教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养而举办的面向全国大学生的智能汽车比赛。“飞思卡尔”杯智能车大赛从2006年开始举办，今年是第三届。比赛所涉及的专业知识包括控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，对大学生的知识融合和实践动手能力的培养，对汽车电子技术的发展，具有良好的长期的推动作用。大赛要求使用组委会统一提供的车模，采用飞思卡尔16位单片机MC9S12DG128作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等。系统按照功能划分为：电源模块、单片机模块、运行调试模块、路径识别模块、直流电机驱动模块、转向伺服模块、速度测量模块等。本文将先从整体上介绍模型车的制作思路和方案，再从车子的机械、传感器、电路等硬件方面到控制的策略、算法的实现和代码等方面具体介绍模型车的制作以及调试过程，最后介绍模型车的主要技术参数。第二章智能车整体设计思路和方案由于今年组委会光电管和摄像头分开比赛。所以传感器部分我们选择了光电管，比赛以小车的速度记成绩，为了让小车更快更稳得跑完全程，传感器的探测距离必须要远，既要有大的前瞻，普通的红外对管由于功率较小，探测距离增大时，干扰严重，所以我们自制了大功率对管，同时采用了程序控制脉冲发光的办法，有效的降低了发热，提高了系统的稳定性。系统采用采用了7.2V2000mAhNi-Cd蓄电池作为系统能源，并且通过稳压第三届全国大学生智能汽车大赛2电路分出6伏，5伏已分别给舵机和单片机供电。直流电机驱动模块接收速度控制信号控制驱动电机运行，达到控制车速目的。转向伺服模块控制舵机转向，进而控制智能车转弯。速度测量模块实时测量智能车车速，用于系统的车速闭环控制，以精确控制车速。系统充分使用了MC9S12DG128单片机的外围模块，具体使用到的模块包括：ADC模拟数字转换模块、定时器模块、PWM脉冲宽度调制模块、中断模块、I/O端口和实时时钟模块等。系统调试过程中，使用了组委会提供的代码调试环境CodeWarriorIDE，同时使用了清华的Plastid2软件进行了仿真试验。图1.1系统结构框图第三章智能车机械部分安装和调试3.1舵机部分为了使转弯更加灵活，对舵机相关部分作了部分改动。首先，我们将舵机力臂加长85mm。这样，对于同样的转弯角度值，只需更小的舵机转角，减小了舵机转弯时惯性带来的弊端。其次，我们将舵机反装，使舵机连杆水平，因为此时舵机提供的力全部用在转弯上。3.2前轮部分为了增加前轮转弯时的稳定性，对前轮相关部分进行了部分改动。首先，更改前后垫片的数量，使前轮主销后倾，这样，车轮具有更好的自动回正功能。其次，更改连杆的长度，使车轮外倾，车轮转弯时，前半部分重心上移，促使赛车转弯更加稳定。再次，我们通过更改舵机连杆的长度，增加前轮前束，同样增加了前轮的稳定性。第三届全国大学生智能汽车大赛33.3底盘部分为了提高赛车运行时的稳定性，对地盘相关部分作了部分改动。首先，前轮相关位置加垫片，降低了前轮重心。其次，更改后轮车轴处的调节块，使后轮重心升高，这样，车身前倾，一定程度上，增加了车的稳定性。3.4后轮部分首先，更换后轮轮距调节块，使后轮两轮之间间距加大。这样，车在转弯时不容易产生侧滑。其次，调节后轮差速，使赛车转弯更加灵活。第四章智能车的电路设计与实现4.1电源部分为了能使智能车系统能正常工作，就需要对电池电压调节。其中，单片机系统、车速传感器电路需要5V电压，路径识别的光电传感器和接收器电路电压工作为5V、伺服电机工作电压范围4.8V到6V(或直接由电池提供)，直流电机可以使用7.2V2000mAhNi-cd蓄电池直接供电。考虑到由于驱动电机引起的电压瞬间下降的现象，因此采用低压降的三端稳压器成为必然。我们在采用lm7805，和lm7806作为稳牙芯片。经试验电压纹波小，完全可以满足要求。电池（7.2v）2000mAhNi-cd稳压电路电机图4.1系统电压调节图5V对管单片机舵机测速板Encoder6V7.2V第三届全国大学生智能汽车大赛4图4.27805电路图图4.3电源模块示意图4.2电机驱动电路电机驱动使用飞思卡尔专用电机驱动芯片MC33886。驱动电路如图4.4所示。为了增大驱动能力，减少单片发热量，电路采用两片MC33886并联的方案。系统使用PWM控制电机转速，充分利用单片机的PWM模块资源。电机PWM频率设定为8KHz。MC33886芯片的工作电压为5-40V，导通电阻为140毫欧姆，PWM频率小于第三届全国大学生智能汽车大赛510KHz，具有短路保护、欠压保护、过温保护等功能。电机驱动芯片安装在制作的电机驱动PCB板上，在PCB板设计时，考虑到芯片散热问题，在芯片腹部设计了方型的通孔，实际运行效果表明芯片散热均匀，设计合理。为了防止电动机突然停止时产生的电磁干扰，在电动机的两端焊接了一个0.1F滤波电容。AGND1FS2IN13V+4V+5OUT16OUT17DNC8PGND9PGND10PGND11PGND12D213OUT214OUT215V+16Ccp17D118IN219DNC20U3MC33886AGND1FS2IN13V+4V+5OUT16OUT17DNC8PGND9PGND10PGND11PGND12D213OUT214OUT215V+16Ccp17D118IN219DNC20U5MC338861.3KR4Res21.3KR7Res247pFC12Cap47pFC14CapVCCPWM5PWM312P14Header2DS2LED21KR5Res2231S2SW-SPDT+7.2V1KR10Res21KR15Res2图4.4两片MC33886并联使用图4.5两片MC33886并联使用的实物图在图中可以看到，我们使用PWM23和PWM45作为电机驱动PWM信号，两个PWM通道级联可以使其输出更加精确。在程序中，我们把PWM值直接转换成了以米/秒为单位的绝对速度，这样使智能车的速度更加直观切易于调试。第三届全国大学生智能汽车大赛64.3测速电路由于考虑到成本需要，我们采用了红外对管和黑白码盘作为测速模块的硬件构成。其中码盘为32格的黑白相间圆盘，如下图所示：图4.5码盘红外传感器安装在正对码盘的前方，虽然这样做精度比编码器要低很多，但是成本低廉制作容易，如果智能车速度较快，可以考虑再减少码盘上黑白色条的数量即可。当圆盘随着齿轮转动时，光电管接收到的反射光强弱交替变化，由此可以得到一系列高低电脉冲。设置9S12的ECT模块，同时捕捉光电管输出的电脉冲的上升沿和下降沿。通过累计一定时间内的脉冲数，或者记录相邻脉冲的间隔时间，可以得到和速度等价的参数值。测速电路使用自行研制的红外反射式光电测速传感器。速度测量电路使用红外反射式光电对管RPR220，自行制作的编码盘，比较电路等组成。速度测量电路图2.8所示。红外反射式光电对管的光敏三极管信号通过比较器处理后输入单片机的计数器模块，利用单片机的输入捕捉功能，处理智能车速度信息。自制的编码盘有24道黑色条纹，电机旋转一周将产生24次输入捕捉中断。单片机记录两次中断的时间间隔T。两次中断对应于智能车前进的距离S为：16.5/24cm,300VCC33K32184ALM35810K5.1KVCCVCC5.1KIOC0RPR220图4.6测速电路第三届全国大学生智能汽车大赛7即0.6875cm，其中16.5cm为智能车后轮实测周长7。智能车实时速度V(cm/s)的计算公式如下：scmTTTSV/6875.024/5.164.4红外对管检测电路由于我们采用了大功率对管，所以红外对管的电路是整个电路中要求最高的，不紧要保证对管正常工作，而且还要考虑整个电路的能耗和发热问题。经测试我们发现单个对管在通以100mA到170mA电流时可以。保证抬高20到30厘米的距离。此时每个对管的管压降为1.2到1.5伏。为了进一步加大发光量，我们采用了双发射管的办法，即一个接受管对应两个发射管。为了降低整体的能耗。我们让同一对的发射管串联，14对发射管再并联。同时使用了irf540进行开关控制。控制对管脉冲发光。开关频率为200HZ。这样既保证了大前瞻探测的需要，又降低了整体的能耗和对电源的冲击图4.7先串联再并联的脉冲发光对管电路图。