智能小车系统技术报告.doc

I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三届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、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：2008.8.18II目录第一章引言.1第二章智能车机械安装.12.1传感器的选择与布局.12.2舵机的安装.12.3测速传感器的安装.12.4后轮差速机构调整.12.5底盘高度调整.1第三章智能车硬件电路设计.13.1控制芯片MC9S12DG128B电路设计.13.1.1晶振及锁相环.13.1.2复位电路.13.1.3I/O口分配.13.2电源管理单元.13.3路径识别单元.13.4车速检测模块.13.5舵机控制单元.13.6直流驱动电机控制单元.1第四章智能车软件设计.14.1路径的检测.14.2转角的控制.14.3车速的控制.14.3.1模糊控制设定速度.14.3.2PID控制调整速度.1第五章智能车技术参数说明.19第六章总结.20参考文献.20附录A程序代码.I1第一章引言智能小车系统由HCS12微控制器、电源管理单元、路径识别电路、车速检测模块、舵机控制单元和直流驱动电机控制单元组成。本系统以飞思卡尔公司的16位微处理器MC9S12DG128为控制核心，并采用CodeWarrior软件、串口调试助手及BDM作为调试工具。运用反射式红外传感器进行道路信息采集，并采用PWM技术来控制舵机的转向和电机转速。舵机控制主要采用PWM信号开环控制,而速度控制方面，由模糊控制来设定速度，PID控制来调整速度。通过将总线频率超频到32M来更快更准确地进行控制。各个部分经过MCU的协调处理，能够以较快的速度在指定的轨迹上行驶，在进弯道之前能够提前减速并改变角度，达到平滑过弯和减小路程的效果。本报告分为六个章节：第一章为引言介绍；第二章主要介绍了智能车机械设计与安装；第三章主要介绍了智能车硬件电路设计；第四章为智能车软件设计；第五章为智能车技术参数说明；第六章为总结。2第二章智能车机械安装2.1传感器的选择与布局寻迹传感器用来检测道路的信息，相当于人的眼镜，其前瞻和检测精度决定了小车的过弯性能和速度。寻迹传感器的布局常见的有以下几种方案方案一：一字形布局反射式光电传感器在小车前方一字形简单排布。在一字形中传感器的间隔有均匀布局和非均匀布局两种方式，均匀布局不利于弯道信息的准确采集，通常采取的是非均匀布局。非均匀布局这种方案信息检测相对连贯，准确，使控制程序算法简单，小车运行连贯，稳定。方案二：八字形布局八字形布局从横向来看与一字形类似，但它增加了纵向的特性，从而具有了一定的前瞻性。将中间两传感器进行前置的主要目的在于能够早一步了到车前方是否为直道，从而可以进行加速。值得一提的是，由于纵向的排列不一致，就比一字形增加了多传感器同时感应的可能性(一字形只可能是所有传感器同时感应，而八字形则可能出现几个传感器同时感应的现象)。方案三：活动式传感器布局前面两种方案都是固定的布局方式，使传感器对赛道有一定的依赖。在这个方案中，传感器的位置是可以在一定范围内灵活排布的。这种方案的布局思路是传感器在安装板上的位置是可调的，先将传感器排布成为矩形点阵，根据不同的赛道情况而灵活地作出调整，就可以设计出不同的布局方式而适应不同的赛道。这样对不同赛道有更强的适应性。但这种方案可调性大，临时调节较难，其次机械设计中体积较大，增加了小车的重量，不利于加减速。在比较了以上几个方案后，我们选择了一字形排布方式。本系统采用双排非均匀排布红外传感器探测路面信号。下面一排用来检测起跑线，离地面较近，选择的灵敏度高的接收管。上面一排用于检测赛道信息，离地面较远，所以选择的抗干扰能力强的接收管。上排9组光电管呈一字型排列，考虑到弧度信息采集的连贯性，非均匀布局的理论依据是等角度分布原则，即先确定一合适的定点，从顶点依次等角度画射线，射线与传感器水平线相交的位置即为传感器的位置。这种方案信息检测相对连贯，准确，使控制程序算法简单，小车运行连贯，稳定。为了获得尽第二章智能车机械安装3量大的前瞻，将光电管架在约19cm的高度，以45的角度射向地面，这样前瞻可达28cm，可以让系统对赛道信息提前获取并更快更好地做出决策，从而更容易弯道提前减速，直道提前加速并走出更节省路程的路径。传感器单元安装图如图2.1所示。图2.1传感器单元安装图2.2舵机的安装舵机转向是系统中一个较大时间常数的惯性环节。由于大赛采用的舵机的工作速度为0.16s/60度，对于对快速性要求极高的智能小车来说，是影响其速度的一个重要因素，特别是对于前瞻不够远的智能小车。我们可以通过加长舵机力臂的方法来弥补这一缺陷。加大力臂后减小了舵机的转向范围，所以要使前轮转动相同的角度，舵机力臂加长后所需时间更短，响应更快。但如果舵机的力臂太长又会造成舵机的转向力矩太小，PWM信号与角度不能很好的一一对应，对于舵机的开环控制会带来很大的稳态误差。综合以上考虑,我们将转臂加长至3.0cm，而且力臂的材料刚度较大，避免转向时发生形变，这样克服了原舵机力臂刚度不够导致的响应延时问题。其安装图片如图2.2：第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告4图2.2舵机的安装图2.3测速传感器的安装为了减轻智能车的重量，测速时尽量选用重量轻精度高的传感器，因此，本系统车速检测单元采用日本OMRON公司的E6A2-CW3C型旋转编码器作为车速检测元件，质量为35克。考虑到码盘重量会影响车体重心位置，我们将其通过一块轻质硬板固定在车尾部，让重心更加靠近后轮，增加轮胎与地面的摩擦力。为了不影响加速性能，编码器的传动齿轮较小，基本上和电机的齿轮相同，齿轮之间夹角小于120度。这样安装齿轮咬合很好，即避免由于齿轮咬合太紧以致加重负载，同时也避免了因过松而出现的在转动中齿轮撞击的现象，减少电机的摩擦损耗和噪音。其安装图片如图2.3：第二章智能车机械安装5图2.3测速传感器的安装2.4后轮差速机构调整由于后轮采用滚珠式差速器，它在实现差速的过程中会影响后轮的动力传递，因此应适当的调整两片轴承的压力以满足后轮驱动和差速的要求。2.5底盘高度调整按照常规，车辆底盘高度越低，车辆重心越低，后轮抓地力越好，前轮转向越敏感。因此在很多赛车比赛中，提高速度有效方法就是降低底盘高度。我们在前轮转向机构处，增加一块垫片，略微降低了赛车前部的底盘高度，使底盘呈现一种前低后高的倾斜状态。6第三章智能车硬件电路设计智能车的硬件设计采用模块化的设计方法，分为控制芯片MC9S12DG128B电路，电源的管理单元，路径识别单元，车速检测模块、舵机控制单元和直流驱动电机控制单元，各单元设计如下：（1）电源管理单元主要为稳压电路的设计及合理利用，通过稳压管将7.2伏电压稳到5伏给系统各部件供电。（2）路径识别单元作为系统的重要组成部分，采用红外光电传感器作为路径识别元件。（3）车速检测模块主要作为小车速度闭环控制的反馈环节，该模块主要采用旋转编码器作为车速检测元件。其输出方式为电平输出方式，通过定时采样旋转编码器输出的高电平个数，得出当前小车的速度并反馈给控制回路。（4）舵机控制单元通过加长舵机的力臂来提高舵机的响应速度。（5）直流驱动电机控制单元采用组委会提供的MC33886电机驱动H-桥作为电机的驱动元件。其系统硬件结构如图3.1所示。HCS12控制核心转向伺服电机控制单元电源管理单元车速检测模块直流驱动电机控制单元路径识别电路图3.1系统硬件结构图3.1控制芯片MC9S12DG128B电路设计3.1.1晶振及锁相环芯片外部使用16MHZ无源晶振，通过