智能车控制系统的研制 (毕业设计论文).doc

毕业设计说明书(论文) 作 者： 学 号： 学 院： 班 级： 专 业： 自动化 测控技术与仪器 所 在 系： 控制科学与工程 仪器科学与技术 题 目： 智能车控制系统的研制 指导者： 签字： 评阅者： 2012 年 6 月 摘 要 -i- 摘 要 智能汽车又叫轮式移动机器人，是一种集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于 一体的综合系统，集中地应用到自动控制、模式识别、传感器技术、电气、计算机、机 械等多个学科，是典型的高新技术综合体。 本文详细介绍了智能车的设计，制作，调试过程。记述了小车数据采集，数据处理， 路径识别，舵机转向控制，电机驱动，车速检测，速度控制，以及电源管理等硬件电路 和软件算法，使智能车能够自主识别黑线稳定、快速地行驶。 我们的智能车控制系统以 飞思卡尔16位微控制器mc9s12xs128为控制芯片，以激光传感器和调制接收管作为路径检 测的主要传感器，以光电编码器作为本车的速度传感元件，bts7960作为电机的驱动芯片。 在调试过程中，利用mc9s12xs128的串口通信功能将激光传感器采集到的赛道信息发送 给上位机，利用软件进行信号处理，从传感器采集到的大量数据中提取出有用信息，综 合pid算法输出不同占空比的pwm对速度和前进方向进行调节控制。结合闭环控制的策略， 控制智能车及时调整车身的运动姿态，使其准确、快速地自主识别黑线行驶。 关键词：智能车；s12 微控制器；激光传感器；闭环控制 -ii- abstract smart car also known as the wheeled mobile robot is a set of context-aware planning and decision-making, automatic driving functions in one integrated system, centralized application to automatic control, pattern recognition, sensor technology, electrical, computer, mechanical, multi-disciplines, is a typical high-tech complex. in this article, we present the design, production and process of debugging of the intelligent vehicle detailedly. describing data acquisition and processing, path identification , gear shift control of the steering gear, motor drive, speed detection, speed control, as well as power management ,the hardware circuitry and the software algorithms. our system is using 16-bit freescale microcontroller chip, mc9s12xs128, as control chip. we use laser sensors as the major track detection sensor.,use optical encoder as our cars speed sensor.and bts7960 as the motor driver chip. in the process of debugging, we use the software programmed by labview to show the images which was collected by laser sensor and infrared sensor, consulting the pid algorithm to adjust and control the speed and the forward direction. with combining of the closed-loop control strategy, we make the smart car run along the black track and adjust body posture in time, accomplish the whole run accurately and quickly. keywords: smart car；s12 microcontroller ；laser sensor； closed-loop control 目 录 -iii- 目 录 摘 要 i abstract .ii 第 1 章 绪 论 .1 1.1 课题背景与意义 .1 1.2 智能小车研究现状 .2 1.2.1 国外智能车辆研究现状 2 1.2.2 国内智能车辆研究现状 3 第 2 章 系统设计 5 2.1 系统总体方案的选定 .5 2.2 系统总体方案的设计 .5 第 3 章 智能车机械结构调整 7 3.1 智能车车体机械建模 .7 3.2 智能车前轮定位的调整 .8 3.2.1 主销后倾角 .8 3.2.2 主销内倾角 .8 3.2.3 车轮外倾角 .8 3.2.4 前轮前束 .9 3.3 智能车转向机构调整 .9 第 4 章 电路设计 12 4.1 单片机模块 12 4.2 电源模块 13 4.3 电机驱动模块 14 4.4 车速检测模块 15 4.5 道路检测模块 16 4.5.1 光电传感器的原理 16 4.5.2 激光传感器的设计 17 第 5 章 控制算法设计与实现 18 5.1 软件流程 18 5.2 速度控制算法 19 5.3 方向控制算法 21 第 6 章 调试过程 24 6.1 codewarriorid.24 6.2 bdm 调试模式介绍 24 6.3 智能车的整体调试 25 6.3.1 传感器电路的调试 25 6.3.2 舵机的调试过程 25 6.3.3 直流电机的调试 25 结 论 .27 -iv- 参考文献 .28 附 录 .30 致 谢 .38 第 1 章 绪论 -1- 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景与意义 由于工业现场中大多数恶劣环境和危险环境中仍采用的人工的操作方式，这促使了 我们对智能车的研究和开发。智能车是一个集环境感知、规划决策等功能于一体的综合 系统。它在各个领域都具有广泛的应用前景。例如，在工业生产中，可以代替人类完成 恶劣环境下的货物搬运、设备检测等任务；在军事上，可以在危险地带代替人类完成侦 察、排雷等任务；在民用上，可以作为导盲车为盲人提供帮助；在科学研究方面，可以 代替人类完成外星球勘探或者矿藏勘探等 1。智能车按照工作环境下要分为室外智能车 和室内智能车两种，这两种环境有着较大的区别。室外环境一般较开阔，受光照、天气、 时一间等的影响，环境变化很大，既包括简单的结构化环境也包括复杂的非结构化环境。 室外自主移动机器人导航一般要求更高的智能。室内环境一般较狭窄，光线较稳定日环 境复杂程度有限，一般视作结构化环境。中国自1978年把“智能模拟”作为国家科学技 术发展规划的主要研究课题，开始着力研究智能化。从概念的引进到实验室研究的实现， 再到现在高端领域（航天航空、军事、勘探等）的应用，这一过程为智能化的全面发展 奠定基石 2。智能化全面的发展是实现其对资源的合理充分利用，以尽可能少的投入得 到最大的收益，大大提高工业生产的效率，实现现有工业生产水平从自动化向智能化升 级，实现当今智能化发展由高端向大众普及。从先前的模拟电路设计，到数字电路设计， 再到现在的集成芯片的应用，各种能实现同样功能的元件越来越小为智能化产物的生成 奠定了良好的物质基础。 本论文结合以飞思卡尔半导体公司的hcsl2单片机为核心的全国智能车邀请赛项目展 开研究。该项赛事最初是在韩国举办。韩国大学生智能模型车竞赛是韩国汉阳大学汽车 控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以hcsl2单片机为核心的大学生课外科技 竞赛。组委会将提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作 一个能够自主识别路线的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，跑完整个赛 程用时最短，而且技术报告评分较高的参赛队就是获胜者 3。制作智能车，需要参赛队 伍学习和应用嵌入式软件开发工具软件codewarrior和在线开发手段，自行设计和制作可 以自动识别路径的方案、电机的驱动电路、模型车的车速传感电路、模型车转向伺服电 机的驱动以及微控制器mc9s12dgl28控制软件的编程，等等。其专业知识涉及控制、模式 识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，对学生的知识融合和实 践动手能力的培养，对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的长期 -2- 的推动作用。 1.2 智能小车研究现状 智能车辆是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电 子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创新性设计，它主要由路径识别、角度 控制及车速控制等功能模块组成 4。智能车辆驾驶是一种通用性术语，指全部或部分完 成一项或多项驾驶任务的综合车辆技术。智能车辆的一个基本特征是在一定道路条件下 实现全部或者部分的自动驾驶功能，下面简单介绍一下国内外智能小车研究的发展情况。 1.2.1 国外智能车辆研究现状 国外智能车辆的研究历史较长，始于上世纪 50 年代。它的发展历程大体可以分成三 个阶段： 第一阶段 20 世纪 50 年代是智能车辆研究的初始阶段。1954 年美国 barrett electronics 公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统 agvs（automated guided vehicle system） 。该系统只是一个运行在固定线路上的拖车式运货平台，但它却具有了 智能车辆最基本得特征即无人驾驶。早期研制 agvs 的目的是为了提高仓库运输的自动化 水平，应用领域仅局限于仓库内的物品运输。随着计算机的应用和传感技术的发展，智 能车辆的研究不断得到新的发展。 第二阶段 从 80 年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的 研究。在欧洲，普罗米修斯项目于 1986 年开始了在这个领域的探索。在美洲，美国于 1995 年成立了国家自动高速公路系统联盟（nahsc） ，其目标之一就是研究发展智能车辆 的可能性，并促进智能车辆技术进入实用化。在亚洲，日本于 1996 年成立了高速公路先 进巡航/辅助驾驶研究会，主要目的是研究自动车辆导航的方法，促进日本智能车辆技术 的整体进步。进入 80 年代中期，设计和制造智能车辆的浪潮席卷全世界，一大批世界著 名的公司开始研制智能车辆平台。 第三阶段 从 90 年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。最为突 出的是，美国卡内基.梅隆大学（carnegie mellon university）机器人研究所一共完成 了 navlab 系列的 10 台自主车（navlab1navlab10）的研究，取得了显著的成就 5。 目前，智能车辆的发展正处于第三阶段。这一阶段的研究成果代表了当前国外智能 车辆的主要发展方向。在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构研发的智能车辆 具有代表性的有： 德意志联邦大学的研究 1985 年，第一辆 vamors 智能原型车辆在户外高速公路上以 第 1 章 绪论 -3- 100km/h 的速度进行了测试，它使用了机器视觉来保证横向和纵向的车辆控制。1988 年， 在都灵的 promrtheus 项目第一次委员会会议上，智能车辆维塔（vita,7t）进行了展示， 该车可以自动停车、行进，并可以向后车传送相关驾驶信息。这两种车辆都配备了 ubm 视觉系统。这是一个双目视觉系统，具有极高的稳定性。 荷兰鹿特丹港口的研究 智能车辆的研究主要体现在工厂货物的运输。荷兰的 combi road 系统，采用无人驾驶的车辆来往返运输货物，它行驶的路面上采用了磁性导航参照 物，并利用一个光阵列传感器去探测障碍。荷兰南部目前正在讨论工业上利用这种系统 的问题，政府正考虑已有的高速公路新建一条专用的车道，采用这种系统将货物从鹿特 丹运往各地。 日本大阪大学的研究 大阪大学的 shirai 实验室所研制的智能小车，采用了航位推 测系统（dead reckoning system） ，分别利用旋转编码器和电位计来获取智能小车的转 向角，从而完成了智能小车的定位 6。 另外，斯特拉斯堡实验中心、英国国防部门的研究、美国卡内基梅隆大学、奔驰公 司、美国麻省理工学院、韩国理工大学对智能车辆也有较多的研究。 1.2.2 国内智能车辆研究现状 相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于 20 世纪 80 年代。 而且大多数研究处在于针对某个单项技术研究的阶段。虽然我国在智能车辆技术方面的 研究总体上落后于发达国家，并且存在一定得技术差距，但是我们也取得了一系列的成 果，主要有： （1）中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院与 2003 年研制 成功我国第一辆自主驾驶轿车。该自主驾驶轿车在正常交通情况下的高速公路上，行驶 的最高稳定速度为 13km/h,最高峰值速度达 170km/h，并且具有超车功能，其总体技术性 能和指标已经达到世界先进水平。 （2）南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院 校联合研制了 7b.8 军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等 传感器。计算机系统采用两台 sun10 完成信息融合、路径规划，两台 pc486 完成路边抽 取识别和激光信息处理，8098 单片机完成定位计算和车辆自动驾驶。其体系结构以水平 式结构为主，采用传统的“感知-建模-规划-执行”算法，其直线跟踪速度达到 20km/h， 避障速度达到 5-10km/h。 智能车辆研究也是智能交通系统 its 的关键技术。目前，国内的许多高校和科研院 所都在进行 its 关键技术、设备的研究。随着 its 研究的兴起，我国已形成一支 its 技 术研究开发的技术专业队伍。并且各交通、汽车企业越来越加大了对 its 及智能车辆技 -4- 术研发的投入，整个社会的关注程度在不断提高。交通部已将 its 研究列入“十五”科 技发展计划和 2010 年长期规划。相信经过相关领域的共同努力，我国 its 及智能车辆的 技术水平一定会得到很大提高 7。 可以预计，我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。 我们要结合我国国情，在某一方面或某些方面，对智能车进行深入细致的研究，为它今 后的发展及实际应用打下坚实的基础。 第 1 章 绪论 -5- -6- 第 2 章 系统设计 2.1 系统总体方案的选定 通过学习竞赛规则和往届竞赛相关技术资料了解到，路径识别模块是智能车系统的 关键模块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣，因此确定路径识别 模块的类型是决定智能车总体方案的关键。而目前能够用于智能车辆路径识别的传感器 主要有光电传感器和ccd/cmos 传感器 8。光电传感器寻迹方案的优点是传感器信号处理 速度快，能够有更多的总线资源进行复杂算法的运行，但是突破前瞻的束缚是决定速度 的关键所在；ccd 摄像头寻迹方案的优点则是可以更远更早地感知赛道的变化，但是信 号处理却比较复杂，如何对摄像头记录的图像进行处理和识别，加快处理速度及对赛道 反光问题的处理是摄像头方案的难点 9。在比较了两种传感器优劣之后，我们决定选用 应用光电传感器，相信通过选用成熟的大前瞻光电传感器，加之先进的程序控制算法和 较快的信息处理速度，光电传感器还是可以达到极好的控制效果的。 2.2 系统总体方案的设计 智能车控制系统的总体结构如图2-1所示，它以飞思卡尔高性能单片机mc9s12xs128 为核心，主要由电源管理、红外传感器路径识别、驱动电机转速检测、转向舵机控制、 直流驱动电机调速、上位机调试等功能的模块组成 10。在选定智能车系统采用光电传感 器方案后，赛车的位置信号由车体前方的光电传感器采集，经xs12 mcu 的i/o 口处理后， 用于赛车的运动控制决策，同时内部pulse-width 模块发出pwm 波，驱动电机对智能车 进行加速和减速控制，以及舵机对赛车各个部位的转向进行控制，使赛车在赛道上能够 自主行驶。为了对赛车的速度进行精确的控制，在智能车后轴上安装光电编码器，采集 车轮转速的脉冲信号，经mcu 捕获后进行pid 调节自动控制，完成智能车速度的闭环控 制。 第 2 章 系统设计 -7- 图 2-1 系统总体方框图 根据以上系统方案设计，赛车共包括以下几大模块：单片机模块、电源模块、电机 驱动模块、车速检测模块、道路检测模块以及其他辅助电路。 各模块的作用如下： mc9s12xs128 主控模块，作为整个智能车的“大脑”，将采集光电传感器、光电编 码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机和伺服电机完成对智 能车的控制 11。 电源模块，为整个系统提供合适而又稳定的电源。 电机驱动模块，驱动直流电机和伺服电机完成智能车的加减速控制和转向控制。 车速检测模块，检测反馈智能车后轮的转速，用于速度的闭环控制。 道路检测模块，是智能车的“眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛 道信息，为智能车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。 辅助调试模块主要用于智能车系统的功能调试、赛车状态监控等方面。 本章重点分析了智能车系统总体方案的选择，并介绍了系统的总体设计，以及简要 地分析了系统各模块的作用。在今后的章节中，将对整个系统机械结构、控制模块和控 制算法等三个方面的实现进行详细介绍。 -8- 第 3 章 智能车机械结构调整 智能车系统任何的控制都是在一定的机械结构基础上实现的，因此在设计整个软件 架构和算法之前一定要对整个车模的机械结构有一个感性的认识，然后建立相应的数学 模型。从而再针对具体的设计方案来调整赛车的机械结构，并在实际的调试过程中不断 的改进和提高 12。本章将主要介绍智能车车模的机械结构和调整方案。 3.1 智能车车体机械建模 本设计选用的智能车竞赛专用车模。智能车的控制采用的是前轮转向，后轮驱动方案。 智能车的外形大致如下： 图 3-1 智能车外形图 表 3-1 模型车基本尺寸参数 基本尺寸 尺寸 轴距 198mm 前轮距 137mm 后轮距 138mm/146mm 车轮直径 52mm 主减传动比 18/76 第 3 章 智能车机械结构调整 -9- 3.2 智能车前轮定位的调整 3.2.1 主销后倾角 主销后倾角是指在纵向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角。它在车辆转弯时会 产生与车轮偏转方向相反的回正力矩，使车轮自动恢复到原来的中间位置上。所以，主 销后倾角越大，车速越高，前轮自动回正的能力就越强，但是过大的回正力矩会使车辆 转向沉重。通常主销后倾角值设定在1-3。 模型车通过增减黄色垫片的数量来改变主销后倾角的，由于所用的转向舵机力矩不 大，过大的主销后倾角会使转向变得沉重，转弯反应迟滞，所以设置为0，以便增加其 转向的灵活性。 3.2.2 主销内倾角 主销内倾角是指在横向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角，它的作用也是使前 轮自动回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强，但转向时也就越费力，轮胎磨损增 大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。通常汽车的主销内倾角不大于8，主 销内倾的调整应该保持在一个合适的范围，“一般来说0-8 范围内皆可” 13。在实 际的调整中，只要将角度调整为5左右就会对于过弯性能有明显的改善。如果赛道比较 滑，可以将这个角度再调节的大一些。在实际制作中，这个角度调节为8 左右。 对于模型车，通过调整前桥的螺杆的长度可以改变主销内倾角的大小，由于过大的 内倾角也会增大转向阻力，增加轮胎磨损，所以在调整时可以近似调整为0-3左右， 不宜太大。 主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。不同之处是 主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时主销后倾的回正 作用大，低速时主销内倾的回正作用大。 3.2.3 车轮外倾角 前轮外倾角是指通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹 角，对汽车的转向性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻 便性。在汽车的横向平面内，轮胎呈“八”字型时称为“负外倾”，而呈现“v”字形张 开时称为正外倾 14。如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内 倾侧，导致车轮联接件损坏。所以事先将车轮校偏一个正外倾角度，一般这个角度约在 1左右，以减少承载轴承负荷，增加零件使用寿命，提高汽车的安全性能。 模型车提供了专门的外倾角调整配件，近似调节其外倾角。由于模型车主要用于竞 速，所以要求尽量减轻重量，其底盘和前桥上承受的载荷不大，所以外倾角调整为0即 -10- 可，并且要与前轮前束匹配。 3.2.4 前轮前束 所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心 线的夹角。前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。前轮在滚动时， 其惯性力自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎 内外侧磨损的现象会减少。像内八字那样前端小后端大的称为“前束”，反之则称为 “后束”或“负前束”。在实际的汽车中，一般前束为0-12mm 。 前束的调整总是依据主销内倾的调整。只有主销内倾确定后才能确定合适的前轮前 束与之配合。前轮前束的调整是方便的。主销内倾的调整由于要拧开螺丝钉，固定件又 为塑料，所以频繁的调整容易引发滑丝现象。而前束不会，所以调整前束是最安全、方 便的。前束在摩擦大的时候有明显的效果。但是一定不要太大，适当的放开一两圈就够 了。 在模型车中，前轮前束是通过调整伺服电机带动的左右横拉杆实现的。主销在垂直 方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度即可以改变前轮前束的大小。在实际的调整 过程中，我们发现较小的前束，约束0-2mm 可以减小转向阻力，使模型车转向更为轻便， 但实际效果不是十分明显。 调节合适的前轮前束在转向时有利过弯，还能提高减速性。将前轮前束调节成明显 的内八字，运动阻力加大，提高减速性能。由于阻力比不调节前束时增大，所以直线加 速会变慢。智能车采用稳定速度策略或者采用在直道高速弯道慢速的策略时，应该调节 不同的前束。后一种策略可以适当加大前束 15。 虽然模型车的主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前束等均可以调整，但是由 于车模加工和制造精度的问题，在通用的规律中还存在着不少的偶然性，一切是实际调 整的效果为准。 3.3 智能车转向机构调整 理想的转向模型，是指在轮胎不打滑时，忽略左右两侧轮胎由于受力不均产生的变形， 忽略轮胎受重力影响下的变形时车辆的的转向建模。 第 3 章 智能车机械结构调整 -11- 图 3-2 智能车转向示意图 如图3-2，假设智能车系统为理想的转向模型，且其重心位于其几何中心。车轮满足 转向原理，左右轮的轴线与后轮轴线这三条直线必然交于一点。 转向机构在车辆运行过程中有着非常重要的作用。合适的前桥和转向机构可以保证 在车辆直线行驶过程中不会跑偏，能保证车辆行驶的方向稳定性；而在车辆转向时，合 适的转向机构可以使车辆自行回到直线行驶状态，具有好的回正性 16。正是由于这些原 因，转向系统优化设计成为智能车设计中机械结构部分的重点，直接关系到赛车能否顺 利地完成比赛。 在模型车制做过程中，赛车的转向是通过舵机带动左右横拉杆来实现的。转向舵机 的转动速度和功率是一定，要想加快转向机构响应的速度，唯一的办法就是优化舵机的 安装位置和其力矩延长杆的长度。由于功率是速度与力矩乘积的函数，过分追求速度， 必然要损失力矩，力矩太小也会造成转向迟钝，因此设计时就要综合考虑转向机构响应 速度与舵机力矩之间的关系，通过优化得到一个最佳的转向效果。 如图3-3，我们最终采用的这套舵机连片（转向拉杆），我们综合考虑了速度与扭矩 间的关系，并根据模型车底盘的具体结构，简化了安装方式，实现了预期目标。 图3-3 舵机连片（转向拉杆） 舵机的安装方式目前较为主流的是直立式安装和倒置式安装。都采用图3-3的舵机连 -12- 片。然而舵机与连片的啮合是类似齿轮的啮合，由于连片的长度的以及齿宽的影响，很 难调节到合适的舵机机械中值。为了弥补这种连片的缺陷，我们采用了可调中值的舵机 连片。 图3-4 舵机连片（中值可调） 第 3 章 智能车机械结构调整 -13- 第 4 章 电路设计 -14- 第 4 章 电路设计 硬件电路设计是系统的基础。本设计以mc9s12xs128为核心控制处理器，建立最小系 统，并在此基础上集成了外围接口驱动电路、调试电路等，形成了功能完备，体积小的 控制电路。小车的硬件电路主要包括单片机模块、电源模块、电机驱动模块、车速检测 模块、道路检测模块以及其他辅助电路 17。 4.1 单片机模块 单片机模块是小车的“大脑”，本次设计所用到的单片机芯片为mc9s12xs128，实 物如图4-1 所示。 图4-1 mc9s12xs128开发板 以mc9s12xs128为核心的单片机系统的硬件电路设计主要包括以下几个部分：时钟电 路、电源电路、复位电路、bdm接口。其中各个部分的功能如下： (1)、时钟电路给单片机提供一个外接的16mhz的石英晶振。 (2)、电源电路主要是给单片机提供5v电源。 (3)、复位电路在电压达到正常值时给单片机一个复位信号。 (4)、bdm接口让用户可以通过bdm头向单片机下载和调试程序。 如下图，本系统采用的是标准的mc9s12系列单片机的时钟电路，通过把一个16mhz的 外部晶振接在单片机的外部晶振输入接口extal和xtal上，然后利用mc9s12xs128内部的 压控振荡器和锁相环（pll）把这个频率提高到40mhz，作为单片机工作的内部总线时钟。 东北电力大学自动化工程学院学士学位论文 -15- 图4-2 外部振荡电路 4.2 电源模块 电源模块为系统其它各个模块提供所需要的电源。是小车的“心脏” 。电源模块为系 统其他各个模块提供所需要的电源，设计中除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参 数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰等方面进行优化。本智能车有+5 v 和7.2 v 两种电压, 由7. 2 v/ 2000 mah 的ni-cd 蓄电池组直接给驱动电机和转向舵机 供电，5 v 给车速传感器、光电传感器等供电 18。由于电路中的不同电路模块所需要的 工作电压和电流容量各不相同，因此需要电源稳压，转换成所需要的5v。电源管理原理 图如下。 充电电池 7.2v 电机 舵机 7805 稳压电路 （ 5v） 光电激光管 单片机 接受管 转速传感器 图4-3 电源系统原理图 图4-3中： (1)、5v电压。主要为单片机、信号调理电路以及部分接口电路提供电源，电压要求 稳定、噪声小，电流容量大于500ma。 (2)、72v电压。这部分电压直接取自电池两端电压，主要为后轮电机驱动模块和 第 4 章 电路设计 -16- 舵机提供工作电压。 通过各个部件的正常工作电压我们可以知道，需要采取降压稳压电路来实现。选择 稳压芯片时除了考虑输出电压和电流容量参数外，还需对稳压芯片的工作最小压差留有 一定的余量。降压稳压电路可以采用串联稳压和开关稳压两种芯片。常选择的稳压芯片 有7805、lm2576、tps7350。本次设计中我采用的是7805稳压芯片，所采用的应用电路如 下： 图4-4 稳压电路 其中 c1 为 220uf，c2 为 100uf。vi 为出入端，vo 为输出端。 4.3 电机驱动模块 电机驱动模块为小车的“肌肉” 。竞速比赛比的是速度，需要模型车能够以尽量快的 速度跑完全程，有了好的算法之后，需要有驱动电路对电机进行控制 19。本系统使用的 电机驱动板为bts7960全桥驱动电路，由此电路，通过设置mc9s12输出的pwm波的占空比 可以达到控制电机正反转的效果。 东北电力大学自动化工程学院学士学位论文 -17- 图4-5 电机驱动芯片 关于pwm接口占空比控制电机的使用说明： pwm 1,2 输入端输入为5v 时，该路输出为最小，随着占空比的变小，输出的电压变 大； pwm 1,2 输入端输入为0v 时，该路输出为最大，随着占空比的变大，输出的电压变 小； 图 4-6 电机驱动电路原理图 控制逻辑为： 第 4 章 电路设计 -18- 表4-1 电机驱动芯片控制逻辑图 en pwm1 pwm2 out1(电机-) out2(电机+) 正转 1 0-100% 5v 0 100%-0 反转 1 5v 0-100% 100%-0 0 停止 0 x x x x 4.4 车速检测模块 车速检测模块为小车的“神经系统”。为了使得模型车能够平稳地沿着赛道运行， 除了控制前轮转向舵机以外，还需要控制车速，使模型车在急转弯时速度不要过快而冲 出跑道。而由于电池电压、电机传动摩擦力、道路摩擦力等因素的影响，开环控制中实 际速度不能达到给定值，因此加入速度测速装置，形成速度反馈 20。要实现对模型车的 闭环控制，需要时刻检测模型车当前速度，经常使用的测速传感器有以下几种： (1)、测速电动机：其实就是普通的一个电动机，将电动机的轴连接到车子传动轴或 者车子的电机上，测速电动机随着电动机的转动而转动，转速的快慢决定测速电动机所 产生的电压，然后通过ad采样、量化，根据转换的结果大小来判断速度的快慢。 (2)、光电编码盘：通过一个带有孔的光栅，将光栅放在光电发射管和接收管之间， 配合比较器电路，将光电接收管的电压变化转变为高低电平变化给单片机，单片机根据 单位时间内高低电平的数量来判断速度的快慢 21。 (3)、光电编码器：光电编码器是一个封闭的光电编码盘，相比后者优点非常多，长 时间使用稳定性高，适应能力强。同时精度也很高，能够达到500线、1024线、2048线甚 至更高。唯一不足就是价格是前两者的好几倍甚至几十倍。 综上对比，我们考虑到系统的稳定性、pid反馈控制的精度和车子自身体积的限制， 最后选用500线ab两相光电编码器，当采样时间在2.5ms的时候，可以返回100多个脉冲， pid控制精度足够，效果非常好。 图4-7 光电编码器 4.5 道路检测模块 道路检测模块为小车的“眼睛”。在确定智能车总体方案时，我们选择光电传感器的 东北电力大学自动化工程学院学士学位论文 -19- 方案。为了获得更大前瞻距离，为控制系统后续处理赢得更多的时间，在从众多光电传 感器中选择了大前瞻的激光传感器，可以使小车更稳定、快速的行驶。 4.5.1 光电传感器的原理 光电传感器检测路面信息的原理是由发射管发射一定波长的红外线，经地面反射到 接收管。由于在黑色和白色上反射系数不同，在黑色上大部分光线被吸收，而白色上可 以反射回大部分光线，所以接收到的反射光强是不一样，进而导致接收管的特性曲线发 生变化程度不同，而从外部观测可以近似认为接收管两端输出电阻不同，进而经分压后 的电压就不一样，就可以将黑白路面区分开来 22。 图4-8 光电传感器原理 4.5.2 激光传感器的设计 激光传感器与普通的光电传感器原理都是一样，但是其前瞻能力远大于普通的光电 传感器，可以达到40-50 厘米，对于智能车来说已经足够。我选用了8个光电传感器，每 4个光电传感器对应一个接收管，所有的传感器呈“一”字排布。激光传感器由两部份构 成，一部份为发射部份，一部分为接收部份 23。通过单片机程序发出180khz 频率的振荡 波后，经三极管放大，激光管发光；接收部份由一个相匹配180khz 的接收管接收返回的 光强，经过电容滤波后直接接入s12 单片机的pb1 与pb5口，检测返回电压的高低。由于 激光传感器使用了调制处理，接收管只能接受相同频率的反射光，因而可以有效防止可 见光对反射激光的影响。 第 4 章 电路设计 -20- 图4-9 激光传感器发射与接收电路 为了简化8 路激光传感器的控制，减少激光传感器相互之间的干扰，传感器的控制 采用了分时发光的策略，由s12的8个i/o口来控制8组激光传感器的开断，这样接收管就 接收不到相邻传感器发射的激光了，因而达到了防止相互传感器之间干扰的目的。 东北电力大学自动化工程学院学士学位论文 -21- 第 5 章 控制算法设计与实现 5.1 软件流程 程序主要用到xs128芯片中的pwm模块, ect模块，i/o模块等模块化设计。pwm模块主 要是用来控制前轮舵机和舵机的左右转向，以及驱动电机的运行；ect模块主要是用在速 度脉冲采集和传感器信息采集上，捕捉中断并计算处理；i/o模块主要是用于控制激光的 发射和接收，以及接收和输出各种控制信号。 开机后，对所有硬件进行初始化，完成之后，ppt定时中断，对激光管扫描发射，并 接收信号进行采样保存。 在扫描完之后，开始处理采样数据，并计算出当前黑线与车身的相对位置。单片机 根据当前位置决定随动舵机摆角的大小以保证紧跟黑线。单片机再根据上舵机pwm值与光 点所得到的位置综合给出下舵机的pwm值。 单片机根据舵机的打角，经过复杂运算与处理得到速度期望值，并结合当前速度值 对电机控制如加速、减速、电机反转和反向刹车制动等。速度控制采用pid控制算法实现 闭环控制。 总体流程图如下： 定时中断 提取黑线 判断赛道信息 程序初始化 开始循环 获取当前车速 设定速度与舵机 pwm 给出操作指令 图5-1 软件程序流程图 第 5 章 控制算法设计与实现 -22- 5.2 速度控制算法 所谓速度控制，就是智能车可以根据路况信息调整速度，判断是该加速、减速，还 是该刹车。我采用的是增量式 pid 控制算法来实现速度控制。 pid 控制理论： 在模型车控制器中，比较常用的一种控制器为pid 调节器。pid 调节在连续系统中 应用比较成熟。它具有许多特点，如不需要求出数学模型、控制效果好等， 特别是在微 机控制系统中，对于时间常数比较大的被控对象来说，数字pid 完全可以代替模拟pid 调节器，应用更加灵活，实用性更强 24。pid 调节器是一种线性调节器，其框图如下所 示： kp ki kd 对象 r e u y d(s) _ 图 5-2 pid 控制器原理图 比例调节器（p）是一种简单的调节器，式中kp 为比例系数，e 为偏差。比例调节 器与偏差成比例调节，调节及时，误差一旦产生，调节器立即产生控制作用，使被控量y 向减小偏差的方向变化，但这种调节使得被调量存在静态误差，因为调节作用是以偏差 的存在为前提条件的。增大可以减小静态误差，但不能完全消除，而且过大会产生振荡。 积分环节为对误差的积分作用，积分调节器的突出优点为，只要被调量存在偏差，其输 出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零，减小静态误差 25。但积分调节器动作 过于迟缓，因而在改善静态品质的同时，往往使调节的动态品质变坏，过渡过程时间加 长。积分调节器可以通过检测误差的变化率来预报误差，根据误差变化趋势， 产生强烈 的调节作用，使偏差尽快消除在萌芽状态。微分作用主要用来加快系统的响应速度，减 小超调，克服振荡。将p、i、d 三种调节规律结合在一起，既快速敏捷，又平稳准确， 只要三者强度配合适当，便可获得满意的调节效果。 经过一定的采样周期离散化后，数字pid 公式为: 东北电力大学自动化工程学院学士学位论文 -23- 00 )1()()()()( uketsdjeiskepu kj ? （5.1） 上式为位置型 pid 公式。从上式中可以看出算式中存在累加项，因此输出的控制量 与过去历次采样偏差有关，使得 u(k)产生大幅度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成 事故。因此一般采用增量式 pid，增量式 pid 算法只要存储最近的三次采样值就可以。增 量式是计算机的累积功能，由硬件或者被控对象完成的，增量式 pid 的控制结构框图如 图所示。 图 5-3 增量式 pid 结构框图 增量式pid算法有以下优点如下： (1)、增量算法不需要作累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计 算误差或计算精度的问题，对控制量的影响较小，而全量算法要用到过去的误差的积累 值，容易产生大的积累误差。 (2)、增量式算法得出的是控制量的增量，误动作影响小，必要时，通过逻辑判断限 制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。 (3)、采用增量式算法，易于实现由手动到自动的无冲击切换。 下图为速度采集流程图。 )2()1(2)( ?kekekdkipu 对象 第 5 章 控制算法设计与实现 -24- 开 始 系统初始化 开启 ect 和 pit 中断 速度记录 sd_sum 自加 1 进入 ect 中断？ 是 否 进入 pit 中断？ 读取 sd_sum 值 sd_sum 清零 是 否 pid 控制算 法 结 束 图 5-4 速度采集流程图 5.3 方向控制算法 在本智能车系统中, 舵机控制最为关键的2个方面是: 提高响应速度和克服舵机的不 东北电力大学自动化工程学院学士学位论文 -25- 对称性 26。为了分析pid算法中各个系数对小车性能的影响，本文测试了8组数据，但是 这几组的积分项都为o，因为只要加上积分项，小车就处于非常不稳定的状态，其原因在 于累积的误差太大，积分效果十分明显，即便在积分系数很小的时候，依然会造成舵机 响应的缓慢，使得智能车难以及时对赛道的变化做出响应。而积分系数最小只能调到1， 所以小车表现欠佳。另一个原因在于积分项会增加闭环响应的稳定时间，使小车一直处 于不断校正的状态。引入积分项所带来的好处-消除静态误差对智能车的控制来说是不 需要的。所以用pd控制，数字pd控制是以连续系统pd控制规律为基础的，然后再将其数 字化，写成差分方程，最后写成的差分方程为： （5.2）)1()()()1()()()( ? kekdkpeketsdkekpu 式中t为采样周期，数字pd控制结构图如图5-5所示。 图5-5 数字pd控制结构图 赛道变化多样，在比较pid、pd后，发现pd控制在舵机控制上有诸多优点， 首先， pd调试较简单，总体来说只有p,d两个参数需要调整；而且，pd控制较直观，单纯p控制 可认为是位置直接对应舵机，kd参数可以认为是预测，kd参数的大小反映了预测能力的 大小,调试初期先根据实际赛车行驶情况分配一个舵机量，然后逐渐加大kd来分析赛车行 驶情况，最终确定kp，kd参数 27。pd算法程序流程图如图5-6所示。 入口 采样 y(k) x(k)-y(k)e(k) kp e(k)+kd e(k)-e(k-1)u(k) u(k)u(k-1);e(k) e(k-1) 出口 )1()()( ?kedkkpeu 对象 第 5 章 控制算法设计与实现 -26- 图5-6 pd算法流程图 转向控制流程图如下图所示。 激光传感器采集信号 判断小车位置 是否有效？ 否 是 单片机进行处理计算 对转角进行 pd 控制 系统初始化 图5-7 转向控制流程图 东北电力大学自动化工程学院学士学位论文 -27- 第 6 章 调试过程 前面几章一直是在为系统制定方案以及方案的细化。但整个系统的完善主要还是在 系统的现场调试。在细分的每个模块中，大部分都涉及有众多参数，对这些参数的确定 就需要软硬件联合调试。而这过程就需要一整套开发调试环境和工具。包括程序源代码 的编辑以及编译环境，参数调节与设定工具等。 6.1 codewarriorid codewarrior? development studio（开发工作室）是完整的用于编程应用中硬件 bring-up 的集成开发环境。采用 codewarrior ide，开发人员可以得益于采用各种处理 器和平台（从 motorola 到 ti 到 intel）间的通用功能性。根据 gartner dataquest 的 报告， codewarrior 编译器和调试器在商用嵌入式软件开发工具的使用率方面排名第一。 而这只是流行的 codewarrior 软件开发工具中的两个 28。codewarrior 包括构建平台和 应用所必需的所有主要工具 - ide、编译器、调试器、编辑器、链接器、汇编程序等。 另外，codewarrior ide 支持开发人员插入他们所喜爱的工具，使他们可以自由地以希 望的方式工作。 6.2 bdm 调试模式介绍 微处理器的调试模块针对不同场合的应用分别提供了 3 种调试支持：实时跟踪、bdm 调试和实时调试。实时跟踪是要求能够跟踪应用程序的动态执行路径，这是实时系统的 基本要求；在 bdm 调试方式下，处理器被停机， 大量的命令可以被发送到处理器中访问 内存和寄存器，外部仿真系统使用一个三脚、串行的双工通道与处理器通信；实时调试 则可以不需要 cpu 停止运行，调试中断允许实时系统执行一个惟一的服务例程，快速保 存主要的寄存器和变量等上下文内容，并使系统立即返回到正常操作，外部的开发系统 能访问被保存的数据是因为硬件支持处理器和 bdm 初始化命令的一致性操作 29。其中 bdm 调试模式为设计人员提供了一种低层次的调试手段，让用户能够中断 cpu 的运行， 单步调试程序，读取 cpu 的各个寄存器的内容，这些仅仅是通过向 cpu 发送几个简单的 命令就可以实现，显然，这样使调试软件的设计很简单，通常自己就可以编写。硬件调 试卡的设计也非常简单，关键是要满足好通信时序关系和电平转换要求。 第 6 章 调试过程 -28- 6.3 智能车的整体调试 6.3.1 传感器电路的调试 激光传感器的调试主要是机械调试。机械调试的主要任务是保证传感器组位于小车 的最前端，并与地面保持合适的距离，以保证传感器发射的激光扫到黑线或白线后，可 以通过接收管电路上的二极管的亮灭反映这个信息，通过软件编程，让 8 个激光头分时 发射，当激光扫到黑线时，二极管亮，扫到白线时，二极管灭，说明接受管可以接收到 该光电传感器，经过反复试验，最终确定了每个光电激光管位置相距 1cm，呈一字型排列， 接收管位于这 4 个激光头正上方 2.5cm 位置，这样就可以保证一个接收管对应 4 个激光 管了。最后我们根据激光管的前瞻距离，确定了传感器模块在小车前方的位置。下图为 传感器模块实物图。 图 6-1 传感器模块实物图 6.3.2 舵机的调试过程 调试舵机时，可以先不用直流电机，将小车放于白纸上，用 25mm 宽的黑线在传感器 下方移动，看舵机的转向与设置的角度是否一致，然后在跑道上，用手推车的方法，让 车经过不同曲率半径的轨迹。对于不同曲率半径的轨迹，不同的传感器会检测到不同的 信号。记下针对不同的传感器对不同方向检测到信号的情况，让其中较为合适的舵机转 角作为一组经验值，待软件设计时使用。 6.3.3 直流电机的调试 舵机和传感电路调试完成后，将直流电机接入电路，先不将小车放到跑道上，在白 纸上稍微将后轮悬空，用黑线在下面移动，用示波器观测电机两端的 pwm 信号是否按要 求改变，确认无误后可以拿到跑道上进行试