智能小车讲座课程论.doc

智能小车讲座课程论文专业班级 学号 学生姓名 指导老师 王击 目录引言.3第一章 设计概览31设计概述31.1整车设计思路31.2车模整体造型3图1.2车模整体造型4第二章 硬件设计52硬件设计52.1机械结构52.1.1舵机改装52.1.2电池固定52.1.3电机定位62.1.4底盘固定62.1.5差速调节62.2硬件电路62.2.1电源设计62.2.2电池电压检测模块72.2.3驱动电路设计82.3摄像头选型8第三章 系统软件设计93软件设计93.1程序整体设计93.2图像提取与处理103.3控制策略123.3.1整体控制123.3.2PID算法的引入与改进123.3.3增量式or位置式14第四章 调试工具154调试工具15第五章 总结165总结16参考文献17引言我对智能小车特别特别感兴趣，我自己也组队准备参加智能车比赛，但是大二的时候由于特殊的原因终止了我的只能车之旅，只能无奈放弃了。通过这段时间王老师和学长们的讲课内容，我对智能车又有了进一步的了解和热爱。下面写论文的时候我将会把我了解到的智能车知识和我当时做小车时候的设计思路来展开写。全国大学生智能汽车竞赛是以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。 本竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能,倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神，为优秀人才的脱颖而出创造条件。第一章 方案设计1.1 系统总体方案的选定在最开始的设计中，要考虑诸多因素，如机械结构，电路板形状，传感器位置，所选用的传感器重量和各类芯片。我们使用了K60单片机配合线性CCD进行道路识别，控制舵机进行转向，控制电机进行控速。1.2 系统总体方案的设计智能汽车系统采用飞思卡尔的32位微控制器MK60DN512ZVLQ10单片机作为核心控制单元用于智能汽车系统的控制。在选定智能汽车系统采用光电传感器方案后，赛车的位置信号由摇头舵机上安装的线性CCD，经K60 MCU的AD口接收后，用于赛车的运动控制决策，同时内部发出PWM波，驱动直流电机对智能汽车进行加速和减速控制，以及伺服舵机对赛车进行转向控制，使赛车在赛道上能够自主循迹行驶。为了对赛车的速度进行精确的控制，在智能汽车电机输出轴上安装光电编码器，采集编码器转动时的脉冲信号，经K60捕获后定时进行数字PID闭环控制。此外，还增加了液晶键盘和拨码开关作为输入输出设备，用于智能汽车的速度和控制策略选择。系统总体结构方框图如图1.1。第一章 设计概览1 设计概述1.1 整车设计思路智能车主要由三个部分组成：检测系统，控制决策系统，动力系统。其中检测系统采用CMOS数字摄像头ov7620，控制决策系统采用MK60作为主控芯片，动力系统主要控制舵机的转角和直流电机的转速。整体的流程为，通过视觉传感器来检测前方的赛道信息，并将赛道信息发送给单片机。同时，通过光电编码器构成的反馈渠道将车体的行驶速度信息传送给主控单片机。根据所取得的赛道信息和车体当前的速度信息，由主控单片机做出决策，并通过PWM信号控制直流电机和舵机进行相应动作，从而实现车体的转向控制和速度控制。图1.1 智能车系统总体结构框图1.2 车模整体造型我们车模的整体设计简洁，轻便，可靠美观。如下图：图1.2车模整体造型 第二章 硬件设计2 硬件设计2.1 机械结构2.1.1 舵机改装舵机直接控制小车的转向，因此舵机安装及调整对小车转向性能有巨大影响。首先考虑的是舵机左右位置的精准定位。左右不对称就可能导致车模左转右转性能的差异，这种差异直接导致小车在连续的大s中累计偏左或偏右的误差，路径变差。我们适当加长了舵机连片的长度，使其动态响应性能有所提升。过长的连片会使舵机力臂加长，转向吃力。连片采用特制pcb板，既可精确定位也可减轻重量。如图图2.1舵机安装2.1.2 电池固定电池的固定我们采用了最简洁的固定方式-两块铝片和一个塑料柱。为了尽量降低重心，我们的电池是紧贴车底盘的。电池用一块可旋的塑料片卡住，非常方便装卸。如下图图2.2电池安装2.1.3 电机定位电机的定位主要影响前轮的齿轮动力传动。必须调整电机传动轴与轮轴平行，且要调整好合适的齿轮间距，否则会导致齿轮磨损严重，并发出刺耳的噪声。经过我们大量的调整试验发现了找最适合的齿轮间距的方法：压紧两齿轮，中间夹一张A4纸，固定好后抽掉纸则得到最佳齿间距。2.1.4 底盘固定由于小车行驶道路比较平整，车模位置有限，我们没有使用悬挂装置。但是我们发现底盘连接要有一定的刚性裕度，过硬的连接会导致车模转向时前轮上下震动，转向困难。为了降低重心，底盘上所有螺丝均为沉头螺丝，保证底盘的绝对平整。2.1.5 差速调节差速是决定车模转向的灵活性和直线加速的迅猛性的重要环节。我们发现过紧的差速使转弯变的迟钝，在高速情况下容易侧翻。当然，差速过松的情况下转弯甩尾。2.2 硬件电路2.2.1 电源设计小车电源主体分为4部分-核心板、摄像头、电机驱动、舵机。电机直接使用电池电压给驱动供电。而sd-5舵机需要6v电压，摄像头需要5v供电，故采用了超低压差线性稳压芯片lt1963。它的最低压差为0.5v，芯片稳压输出电压可通过两个电阻调节。而核心板k60工作电压3.3v，我们采用市场上价格低廉，技术成熟的tlv1117-3.3v稳压芯片。电源模块如图：图2.3 3.3v稳压图2.4 5v稳压图2.5 6v稳压2.2.2 电池电压检测模块电池耗尽时，时常需要用万用表检测。为了方便监测电池电压，我们自主设计了电压低电提示电路。当电池电压低于设定值时，对应led灯会亮起。电路如图：图2.6 电池电压检测2.2.3 驱动电路设计我们用两个半桥电路构成h全桥驱动电机正反转。BTS7960这款芯片非常适合电机驱动。它具有过压过流过热等保护，驱动电流可达43A，满足摄像头车对速度的渴望。电路如图：2.3 摄像头选型在众多的摄像头中我们选择了CMOS的OV7620，属于数字摄像头。模拟摄像头有更好的动态特性，在车子高速行驶时，图像更清晰，但是它需要额外的一块AD转换模块，增加了主板的开销。我们在对比了车子在3米和3米3之间的模拟摄像头和数字摄像头的图像时，发现在用DMA采集的图像没有什么大的差别，提取的中线差不多，故我们毅然决然选择了比较简洁的数字摄像头OV7620。第三章 系统软件设计3 软件设计3.1 程序整体设计如图所示，为系统软件整体结构框图，主要包括：系统参数的手动调节；CCD数据处理模块；角度传感器模块；路径控制模块；舵机控制模块；电机控制模块。 系统接通电源后，经初始化；通过系统参数的手动调节，使系统能够按照准确的设想方式运行；然后通过CMOS摄像头传感器采集数据，经过相应处理得出当前赛道路径信息；同时，电机测速模块测得模型车当前的运行速度，反馈给系统；最后，经路径控制系统综合当前赛道路径信息和车模速度值作出相应的处理，来控制电机和舵机的运行。3.2 图像提取与处理摄像头组的核心部分为左右边线的提取，从而推算出中心线的位置，引导车子的行进方向。我们使用了ov7620这款数字摄像头，返回的是灰度图像，远方图像较模糊，难以提取黑线。所以我们使用了边沿锐化算法，根据一定的阈值，对返回的灰度图像进行遍历，运算处理，得到反映图像边沿的二值图像，远方的信息也能较好地得到，再进行左右边线的提取。直道原图直道锐化图大s弯原图大s锐化图边线提取，中心线推算思路：1.近处图像较远处图像可靠，所以边线由近到远提取2.近十行先从中间向两边进行边沿搜索，找到边沿，确保近处图像有效3.之后的行采用边沿跟踪，根据上一行的黑线位置动态地确定本行黑线的搜索范围，搜索黑线，节省时间4.若连续几行的左右线都找不到，判断为十字弯，进行左右线的延伸，直至再找到有效的边线；若连丢几行的次数较多时，则认为是虚线小s，进行垂直方向的延伸后不必特别处理5.若左右边线均找到，该行中心线直接为左右边线等权重加权；若某一边线丢失，则根据前面有效行的赛道宽度和另一边线的位置对中心线进行推算6.推算完中心线后可对中心线进行一定的修正，更符合实际今年的规则相较于去年增加了虚线小s这种路况，给边线提取增加了难度，所以黑线提取及中心线的推算就需要更多的信息。我们统计了左右边线丢失的行数，左右边线的趋势，左线结束的位置，右线结束的位置，再进行中心线的推算。 大s锐化、中线提取图 十字路口锐化、中线提取图 虚线s锐化、中线提取图 60cm半径弯中线提取图3.3 控制策略3.3.1 整体控制电机的控制其实说简单点，就是根据舵机转角的二次关系，再按照图像的特点动态计算二次曲线的最高点和最低点，这样能既能保证在舵机小转角时以较快速度运行，又能避免直道入弯道时减速不及时的特点，这样计算出需要达到的理想速度，再以此速度与当前实际速度作比较，结合增量式PID作出是该加速还是该减速，该猛加速还是全速反刹的判断。 舵机转角的控制就是按照提取出的中线，选取部分固定行，计算出推算的中线与图像中线的累计偏差值，然后再按照经典的pd控制来确定舵机的转角。3.3.2 PID算法的引入与改进舵机的控制以及电机的控制都不同程度的结合了PID算法，故将PID算法讲解如下： PID控制策略其结构简单，稳定性好，可靠性高，并且易于实现。其缺点在于控制器的参数整定相当繁琐，需要很强的工程经验。相对于其他的控制方式，在成熟性和可操作性上都有着很大的优势。所以最后我们选择了PID的控制方式。 在小车跑动中，因为不需要考虑小车之前走过的路线，所以，我们舍弃了I控制，将小车舵机的PID控制简化成PD控制。速度闭环控制采用了增量式PID控制。参数调节使用试凑法来确定控制器的比例、积分和微分参数。 试凑法是通过闭环试验，观察系统响应曲线，根据各控制参数对系统响应的大致影响，反复试凑参数，以达到满意的响应，最后确定PID控制参数。试凑不是盲目的，而是在控制理论指导下进行的。 在控制理论中已获得如下定性知识： 比例调节（P）作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分调节（I）作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI 调节器或PID 调节器。 微分调节（D）作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性， 能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前， 已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD 或PID 控制器。 试凑法的具体实施过程为： （1）整定比例部分 将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统静差小到允许范围，响应曲线已属满意，那么只需比例控制即可，由此确定比例系数。 （2）如果在比例控制基础上系统静差不能满足设计要求，则加入积分环节， 整定时首先置积分时间为很大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小（如缩小为原值的0.8），然后减小积分时间，使得在保持系统良好动态的情况下，静差得到消除，在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程，得到整定参数。 （3）若使用比例积分控制消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意， 则可加微分环节，构成比例、积分、微分控制器。在整定时，先置微分时间为零，在第二步整定基础上增大，同样地相应改变比例系数和微分时间，逐步试凑以获得满意的调节效果和控制参数。3.3.3 增量式or位置式在电机的控制中，我们分别尝试和对比了位置式PID和增量式PID，经过比对和分析，最终选择了增量式PID，现将调试过程中的心得和各自的优势与劣势告知于读者。位置式PID的特点为：作为PID控制的输入，作为PID控制器的输出和被控对象的输入。所以模拟PID控制器的控制规律如下公式，原理图如图所示。式中：控制器的比例系数 控制器的积分时间，也称积分系数 控制器的微分时间，也称微分系数 位置式PID控制原理图增量式PID特点为： 其中，为第n次输出增量；为第n次偏差；为第n1次偏差；为第n2次偏差，在上次输出量的基础上加上当前计算出的变化量。运用位置式PID会感觉控速很连贯，不会有明显的加速和减速，因此车子看上去会比较流畅；运用增量式PID时会明显感觉到车子加速和减速特别迅猛，入弯时速度会减得特别猛，出弯时速度会很快加到预期速度。通过调整增量式pid的参数后可以得到一个比较好的加减速效果，这样在入弯时会以一个比较慢的速度平稳的过弯，然后出弯时立刻加速，加到一个很快的速度，这样车子适应性强，过弯时安全平稳，正因为这个特点，我们选择了增量式PID。第四章 调试工具4 调试工具对于摄像头队而言，对图像的提取的处