智能车系统的软件算法设计方案

天津理工大学 2010 届本科 毕业设计说明书 - - 1 智能车系统的软件算法设计方案 第一章 绪论 能车现状与研究意义 1953 年，世界上第一台无人驾驶牵引车诞生，这是一部采用埋线电磁感应方式跟踪路径的自动导向车 1。如今，随着传感技术的不断进步以及各种智能算法的改进，无人驾驶车发展也越来越快。根据不同的应用，其速度、安全性、运行时间也大相径庭。正是由于设计的高难度性，智能车设计变得越来越复杂，集成度越来越高，功能越来越强大，也就吸引了更多的人关注这项设计。 本课题是基于智能车模型系统软件算法的设计，对此的研究在课题研究方面和实际生产方面都具有可观的 价值。该设计中 智能车 系统采用 光电传感器 采集道路信息 ，利用 片机 对道路信息进行分析、运算，从而控制电机和舵机使智能车平稳自动运行。本课题对智能车的算法进行仿真与分析以获得性能优越的控制算法，然后通过嵌入式软件开发工具软件 控制算法进行设计与实现。 通过本课题的研究，可以了解智能控制系统的基本原理与其实现，掌握智能控制系统软件系统及算法的基本知识以及实现方案。还熟悉了开发软件 入式单片机，掌握了软件算法编写的一些方法和技巧。本课题的研究是 对本专业所学知识的较系统综合的理解与应用，本课题的研究是对理论知识与实践结合的体现。 要完成的任务 本设计需要完成以下几个任务： 1、 设计基于光电传感器的智能车模型软件系统整体方案； 2、 了解智能车模型系统硬件； 3、 设计、实现智能车模型道路信息采集模块软件算法； 4、 设计、实现智能车模型采集信息处理与分析，以及运动控制算法； 5、 熟练掌握 入式单片机及其开发工具的使用，并应用该硬件集开发工具实现实时控制系统； 6、 配合同组同学，共同完成智能车系统的调试、测试。 天津理工大学 2010 届本科 毕业设计说明书 - - 2 控制 模块 方向角检测模块 驱动电机模块 舵机转向模块 道路信息检测模块 速度检测模块 电源管理部分 通讯及调试 部分 为各部分供电 文结构 本论文分为七章。第一章 为绪论，介绍智能车的现状与研究意义、课题主要解决的任务。第二章是智能车系统概述，介绍智能车的整体设计方案。第三章是智能车硬件设计部分，简要介绍硬件设计的电路等。第四章、第五章、第六章都是介绍智能车的软件设计，其中第四章为软件设计主流程，介绍了所使用到的单片机各模块的初始化功能；第五章、第六章分别是阐述智能车的转向控制策略和智能车的速度控制策略，提出了简单控制和 制 2 个策略。第七章包括两个方面，一是对这次毕业设计所得的结论和体会做出总结，二是对本次设计中还没有实现的地方进行补充，以及对智能车的未来做出展 望。 第二章 智能车系统概述 统总述 设计基于 司开发的 片机的自动控制器控制模型车在封闭的道路上自主循线运行 。 自动控制器是以单片机 核心，配合有 红外发射管、驱动 电机 、 舵机 、电源 电池及相应的驱动电路 等元件。 它能够自主识别路径，控制模型车高速稳定运行在道路上 2。 根据设计要求，系统可分为硬件设计和软件设计。硬件设计可分为电源管理模块、道路信息检测模块、电机驱动模块、舵机转向模块、方向角检测模块、速度检测模块。软件设计又可分为数据处理与 分析模块、控制模块。 各模块的功能关系与逻辑关系如下：电源管理模块为各模块供电；道路信息检测模块为控制模块获取路径参数，提供智能车与道路的位置信息；控制模块则根据控制策略对电机驱动模块和舵机转向模块输出合适的控制信号；而方向角检测模块与速度检测模块测得描述智能车运行的状态量：舵机转动的方向与角度、智能车后轮的转速，并反馈给控制模块；通讯及调试部分用于在线与单片机通讯并调整单片机的有关参数。系统的方框图如图 示。 天津理工大学 2010 届本科 毕业设计说明书 - - 3 图 统方框图 计方案 根据智能车系统设计要求，各模块设计如下： 1、 电源管理模块： 系统采用 氢蓄电池供电，通过 片进行降压与稳压处理。其中，单片机、方向角检测模块、速度检测模块需要 5V 电压，红外发射管工作电压为 2V。伺服驱动电机工作电压范围 6V，直流驱动电机可以使用 氢蓄电池直接供电 3。 2、 道路信息检测模块： 本系统采用 14 对红外发射管接收管一字型排列。用红外发射管发射的红外线，经过道路反射回来后，被红外接收管接收。由于白色 与黑色吸收红外线的强度不同，所以不同位置上的红外接收管接收到强弱不同的反射红外线，就可以判断出黑线与智能车的相对位置。 3、 电机驱动模块与舵机转向模块： 电机驱动采用飞思卡尔公司的电机驱动芯片 机控制采用 片机输出的占空比不同，来确定转角方向。 4、 方向角检测模块： 采用电位器检测舵机的转角与转向。电位器选用了 日本 密单圈线绕电位器 。 电路连接简单，使用方便。通过电位器把舵机的转角与转向变成模拟的电压信号，经单片机内的 采集，可以得出较精确的数值。 5、 速度检测模块： 该模块采用光电编码器。在后轮的轴上安装一个齿轮和一对红外发射管与红外接收管，当转动后，齿能挡住红外接收管接收、槽可以通过红外线。计算被挡住的次数，可知在某时间内，通过的齿数，已达到检测智能车速度的目的。 6、 通讯与调试部分： 为了方便在线调试智能车， 采用了嵌入式单片机开发调试接口 模块、按键与液晶显示电路，及 嵌入式软件开发工具软件 第三章 智能车系统硬件设计 智能车的硬件结构框图如图 示。 图 件结构图 统由 为中央处理器 ，联系各个模块，接受外部探测得到信号，根据软件算法发出控制指令来控制电机和舵机，使智能车沿着道路的中心黑线行驶。 块、时钟模块和 块 1、 试模块电路如图 示 。 图 块电路 DM 、 晶 振时钟模块电路如图 示 。 图 钟电路 、 芯片 脚电路如图 示 。 图 片机芯片电路 CU 管脚连接如下： 1) 接到红外发射管与红外接收管。 天津理工大学 2010 届本科 毕业设计说明书 - - 6 2) 别作为 出，控制电机与舵机。 3) 接到 示模块。 4) 为按键的输入。 5) 为按键 出。 以上 3 个模块： 块、时钟模块和 片机可以整合在一块 上。 键模块、显示模块和通讯模块 1、 按键模块电路如图 示。 图 键模块电路图 、显示模块电路如图 示 。 图 示模块电路图 津理工大学 2010 届本科 毕业设计说明书 - - 7 3、串口通讯接口电路如图 示。 图 口通讯接口电路 节的 3 个模块也可以集成在一块 上。 外传感器组电路 智能车采用 14 对红外传感器分为 7 组作为道路信息采集传感器。其中两个红外传感器电路如图 示。 图 个红外传感器电路 天津理工大学 2010 届本科 毕业设计说明书 - - 8 R 源模块和电机控制模块 1、电源模块电路如图 示。 图 源模块电路 源模块包括了 5V 电压，这是给单片机、方向角检测模块供电； 2V 供给红外发射管工作； 6V 是为伺服驱动电机即舵机供电；直流驱动电机可用 述电压均通过芯片 压与升压处理后得到。 2、电机控制模块电路如图 示。 天津理工大学 2010 届本科 毕业设计说明书 - - 9 图 机模块电路 第四章 智能车系统软件设计主流程 智能车系统的软件设计包括三部分：智能车的状态信息检测、控制算法和执行控制。其中，状态信息检测部分包括道路信息检测、速度检测、方向角检测。道路信息检测由红外发射管收集管和处理两部分组成。涉及 模块、模块、 块、外部中断等的使用。开发工具是 译器，主要用 C 语言进行代码的编写。 系统软件的主流程是：主程序持续采集并记录信息，包括道 路信息、速度信息、方向角信息。当检测到的数据触发中断后，对相应的数据进行处理并计算控制量，控制舵机转向和驱动电机加减速，然后等待下一场数据的到来。主流程图如图 示 ： 图 件主流程 he 速中断 按键中断 初始化 采集并记录信息 分析处理信息 控制驱动电机和舵机 显示通讯 天津理工大学 2010 届本科 毕业设计说明书 - - 11 统初始化 本系统需要初始化的模块包括系统模式、 I/O 口、 、等。 完 整的初始化程序如下： / 0 / 0 0 / 0 /,; 0 0 0 0 0; = 100; = 0; /on = 20000; /0= / = 0 /=4 /3 /+ /TD /TD , TD 5 /TD 3 / 天津理工大学 2010 届本科 毕业设计说明书 - - 12 统模式模块的初始化 1、系统选项寄存器 1（ 4：选择芯片的系统功能如表 示 。 表 统选项寄存器 1 0 了选择：关闭 启 能。做了如下初始化： 0 2、系统选项寄存器 2（ 4：该寄存器包含了 列的特殊功能，如 表 示。 表 统选项寄存器 2 0 0 始化如下： 0 3、系统时钟控制寄存器 1（ 4：该寄存器设置了 模块是否使用系统总线时钟。如表 示。 表 统时钟控制寄存器 1 设计中，是将 为系统总线时钟，初始化程序如下： 0 4.、系统时钟控制寄存器 2（ 4：设置了 块是否使用总线时钟。如表 示。 表 统时钟控制寄存器 2 设计将 为总线时钟，初始化如下： 0 、 分别表示 据流动的方向。本设计需要口为输入、 低 4 位输出、 口为输出，初始化为： 0 0 0 天津理工大学 2010 届本科 毕业设计说明书 - - 13 2、 示这几个端口是否需要上拉电阻。本设计需要设置上拉电阻，初始化为： 0 0 0 块的初始化 块分为 3 部分：测速、舵机控制和电机控制。 1、测速模块： ： 块 1 的状态和控制寄存器，如表 示。 表 块 1 的状态和控制寄存器 设计需要定时器溢出中断、总线时钟频率和 1/4 内部总线时钟功能，初始化如下： = 0 ：共有 16 位。初始化程序： = 100。 ： 块 0 通道状态和控制寄存器，如表 示。 表 块 0 通道状态和控制寄存器 0 本设计需要功能为： 0 通道中断可用、捕捉上升沿，初始化为： 0 2、舵机控制模块： 功能和速度模块一样，初始化有区别： = 0= 20000; 0 ：表示 0 通道的值寄存器，共有 16 位。初始化为： = 初始化的 块的周期公式： 4* (占空比公式： 占空比 = (块的初始化 1、 ：用于选择操作、时钟源时钟划分和配置低电平或者长样本时间等模式。如表 示。 天津理工大学 2010 届本科 毕业设计说明书 - - 14 表 置寄存器 设计需要输入 1/2 时钟、长样本时间，初始化为： 2、 都是 通道，本设计需要开启 始化： 3、 ： 改变 存器 1 的状态和控制的寄存器。如表 示。 表 态和控制寄存器 1 设计不需要 始化为： 4、 ： 控制比较、转化功能的寄存器。如表 示。 表 态和控制寄存器 2 0 R R 本设计需要软件出发模式，不需要比较功能，初始化为： 块的初始化 1、 ：用于改变 断状态和控制，如表 示。 表 断状态和控制寄存器 1 0 0 0 0 设计要求按键中断 1 只检测边沿触发，初始化为： 0 2、 ：按键中断 1 管脚选择，如表 示。 表 断管脚选择寄存器 1 设计不需要 任何管脚中断可用，初 始化为： 0 3、 ：功能与 同，比 增加“中断可用”。初始化为： 天津理工大学 2010 届本科 毕业设计说明书 - - 15 0 4、 ： 能与 同，高 4 位作为输入中断。初始化为： 0 5、 ：用于选择中断触发沿。如表 示。 表 断边沿选择寄存器 2 设计需要选择为下降沿或者低电平触发，初始化为： 0 集信息、分析处理信息、控制电机模块 采集信息是采用查询式，每一对红外传感器依次对道路信息进行扫描，通过 换记录到单片机内部。通过程序比较分析所得信息，做出相应指令控制舵机转向以及控制电机加减速。详细算法参看第五章和第六章部分。 示通讯模块 示模块 本设计应用的显示模块为 动芯片用的是 模块用于显示智能车的一些状态参数，比如当前速度、转角等；还可以显示修改调试后的 数值。显示初始化程序如下： 1; 000); /01 N 0); /11 1/9 0); /08 0); /15 0); /17 V0 天津理工大学 2010 届本科 毕业设计说明书 - - 16 0); /18 /18 00); /16 00); /10 0); /02 00); /nd / ig i; =0|0=0) ; 天津理工大学 2010 届本科 毕业设计说明书 - - 24 =0|1=0) ; =0|2=0) ; =0|3=0) ; =0|4=0) ; 度控制策略 经测量得出，智能车后轮的直径 D=55定在后轴上的分度盘是一个圆周被分成 60个等大小齿的齿轮。这个齿轮的一个齿和一个缺口连续通过速度传感器后，速度传感器就会生成一个脉冲信号。经过整形处理后由单片机 块对其进行捕捉，每捕捉到一个脉冲信号，智能车前进的路程由下式得到： （ 其中 D 为后轮直径。把 D=55入上式，得： L=60 天津理工大学 2010 届本科 毕业设计说明书 - - 25 利用 法原理并经实验和调试 5，得到结论：在速度采样周期为 有最佳效果。但是 时间很长，脉冲累加器中得到的脉冲数量太多，对算法不利，所以把定时器计时时间设定为 48每隔 48时器就产生一次终端并读取脉冲累加器中的数值，并进行储存。当经过 4 个间隔后做一次 法来改变电机驱动信号，进而改变智能车速度。对于法中的检测值（反馈值）由这 4 次读取脉冲累加器的值平均后得到，这样做的目的在于防止检测值突变而干扰控制。这种方法相当于加入一个滑动平均滤波器，滤除干扰 信号。 按上述设定时器设定值和脉冲累加器后可以推算出速度表达式如下： （ 智能车行使过程中，随着道路的不同，需要配合不同的速度值，因此对电机的 一个给定值不断变化的 智能车的目标速度（ 定规则 9： 1. 智能车在直道上的最大速度， 2. 智能车转弯时的最小速度， 3. 智能车小转弯时的速度， 大。 4. 智能车大转弯时的速度， 小。 5. 智能车由直道进入弯道， 渐减小。 6. 智能车由弯道进入直道， 渐加大。 超调量主要在第一个波形中起作用，即 车 速度由很大到很小的时候，或由低速突然加到高速的过程中，会出现很大的超调。但是这个超调并不是有害的，因为，当速度要求突变的时候，往往是智能车由直道入弯道，或者由弯道入直道的过程，这个过程往往需要很大的加速或减速，而由于智能车的惯性 ，一般的 节难以满足要求，这时使用大的超调量可以使智能车有一个加速或刹车的过程，使之更好的达到要求速度。 由于本系统不要求速度控制很精确，一点点的加速和减速就能满足对智能车的控制要求，所以采用简单速度控制策略。 以下为测速中断程序： ; 10) ) 0; ; ; 48 天津理工大学 2010 届本科 毕业设计说明书 - - 26 0; ; 0; 第七章 结论与 展望 论 本文介绍了应用 片机、红外传感器、 机驱动芯片等一系列模块，实现智能车自动寻迹。主要论述了智能车系统软件算法的设计，包括驱动电机加减速的控制、舵机转向的控制、红外传感器检测，以及增量式 转向控制中的算法原理，通过编写相应的程序实现对各个模块的控制。 在此次设计过程中，使用 司为 列专门提供的全套开发工具（ 10。这是一套用 C 语言进行编程的集成开发环境 本文智能车系统的软件设计部分就是在此开发环境下完成的。 由 司提供的专门面向 有 入式应用开发的软件工具。其中包括集成开发环境 理器专家、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理、 C 交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器。 够自动地检查代码中的明显错误，它通过一个集成的调试器和编辑器来扫描你的代码，以找到并减少明显的错误，然后编译并链接程序以便计算机能够理解并执行你的程序。每个应 用程序都经过了使用象 样的开发工具进行编码、编译、编辑、链接和调试的过程。 的 件对所有寄存器对应的存储映射地址都进行了宏定义，开发者在软件开发时直接调用这些宏就可以了。 在本次整个设计工程中，我认为比较关键的部分是检测道路中心黑线所用的控制策略，即简单控制或者 制。简单控制能够迅速判断黑线的位置，做出转向指示，但如果遇到复杂路况，比如黑线交叉时，简单控制就会同时检测到两个黑线点，发出错误的指示。而 于能够“记住”旧的路况，并“预计”新的路况，做出相应的指示。 实现智能车“视觉”功能有多种方法，本论文中系统采用的是收发一体的红外反射式传感器作为智能车的探测系统。由于黑线和白底对红外线的反射系数不同，可以根据接收到的红外光信号强弱来判断黑线位置，其使用简单，测量精确，均具有良好的抗干扰特性，能够在白天和复杂光线情况下使用，同时还具有较好的聚焦效果和方向性，且便于安装和使用。 望 在实现智能车检测道路的方法中，还有一种常用的探测系统是用 者 摄像头检测方式，采用黑白图像传感器即可满足要求。 者 像头有面阵和线阵两种类型，它们在接口电路、输出信号以及检测信息等方面有着较大的区别，面阵摄像头可以获取前方道路图像信息，而线阵 能获取道路一条直线上的图像信息。与红外检测方法相比，摄像头检测方法有一下优点：检测前站距离大、检测范围宽、检测道路参数多，这些优点使得智能车在行驶过程中能更加平稳。 天津理工大学 2010 届本科 毕业设计说明书 - - 28 智能车设计的关键在于选取恰当的元器件，改造合理的机械机构，编写响应迅速的程序算法，提高运行速度，以减少干 扰和质量，加快前进速度为目标。以后的智能车造型必然想着简单、轻便的方向发展。智能车中出现新型的数据采集方法、控制方法如激光传感器、记忆算法等都对其他产品设计有着重要的借鉴的意义，同时，与传感器技术的结合必将使得智能车的应用越来越广泛，比如夜间安全行驶、雾天安全行驶、在高危险高污染的环境下安全行驶等。所有的这一切都预示着智能化的智能车，甚至是实际用车的发展方向，将会成为人们的生活一部分。 参考文献 1. 吴建平，红外反射式传感器在自助式寻迹智能车导航中的应用 J，中国测试技术，2004， 30（ 6）： 212. 大学生智能汽车设计 J. 飞思卡尔杯智能车比赛交流论坛， 3. 黄开胜，金华民，蒋狄南著 . 韩国智能模型车技术方案分析 J华大学汽车安全与节能国家重点实验室 464. 5.