五邑大学独眼行者队技术报告.doc

第三届全国大学生 飞思卡尔 杯智能汽车竞赛技术报告 1 第三届全国大学生 飞思卡尔 杯 智能汽车竞赛 技技 术术 报报 告告 学 校 五邑大学 队伍名称 独眼行者 参赛队员 廖家强 陈炎能 谭军 指导教师 姜为民 第三届全国大学生 飞思卡尔 杯智能汽车竞赛技术报告 2 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 第三届全国大学生 飞思卡尔 杯智能汽车竞赛技术报告 3 目目 录录 摘要摘要 5 5 关键词关键词 5 5 第一章第一章 引言引言 5 5 第二章第二章 智能车整体设计智能车整体设计 6 6 2 12 1 设计要求设计要求 6 6 2 22 2 整体设计整体设计 6 6 2 2 12 2 1 整体设计概述整体设计概述 6 6 2 2 22 2 2 硬件系统硬件系统 7 7 2 2 32 2 3 软件系统软件系统 7 7 2 2 42 2 4 智能车技术参数智能车技术参数 8 2 2 52 2 5 智能车整体电路智能车整体电路 8 第三章第三章 智能车硬件系统智能车硬件系统 9 9 第一部分第一部分 电机模块电机模块 9 9 3 1 13 1 1 MC33886MC33886 的工作原理的工作原理 9 9 3 1 23 1 2 电机驱动电路电机驱动电路 1010 第二部分第二部分 舵机模块舵机模块 1111 3 2 13 2 1 舵机工作原理舵机工作原理 1111 第三部分第三部分 电源模块电源模块 1111 3 3 13 3 1 电源工作原理电源工作原理 1111 3 3 23 3 2 5V5V 稳压电路稳压电路 1212 3 3 33 3 3 6V6V 稳压电路稳压电路 12 3 3 43 3 4 12V12V 稳压电路稳压电路 1212 第四部分第四部分 测速模块测速模块 1313 3 4 13 4 1 红外传感器红外传感器 RPR2200RPR2200 工作原理工作原理 1313 3 4 23 4 2 测速模块电路测速模块电路 1313 第三届全国大学生 飞思卡尔 杯智能汽车竞赛技术报告 4 第五部分第五部分 图象采集模块图象采集模块 1414 3 5 13 5 1 CCDCCD 的安装及工作原理的安装及工作原理 1414 3 5 23 5 2 LM1881LM1881 视频分离模块视频分离模块 1515 3 5 33 5 3 视频信号数据采集原理视频信号数据采集原理 1717 第六部分第六部分 辅助调试模块辅助调试模块 1919 3 6 13 6 1 遥控开关电源遥控开关电源工作原理工作原理 1919 3 6 23 6 2 遥控开关电路的安装遥控开关电路的安装 1919 第四章第四章 智能车软件系统智能车软件系统 2020 4 14 1 总体流程图总体流程图 2020 4 24 2 舵机方向及电机控制舵机方向及电机控制 2020 4 34 3 黑线提取思路黑线提取思路 2222 第五章第五章 智能车开发环境智能车开发环境 2424 5 15 1 编译环境编译环境 2424 5 25 2 下载调试下载调试 2424 第六章第六章 开发总结开发总结 2525 6 16 1 开发遇到的问题开发遇到的问题 2525 6 1 16 1 1 电源管理问题电源管理问题 2525 6 1 26 1 2 3388633886 散热的问题散热的问题 2525 6 1 36 1 3 电机和舵机电磁干扰的问题电机和舵机电磁干扰的问题 2525 6 26 2 简要总结简要总结 2525 附件附件 26 1 1 参考文献参考文献 2626 2 2 程序代码程序代码 2626 第三届全国大学生 飞思卡尔 杯智能汽车竞赛技术报告 5 摘要摘要 随着现代科技的飞速发展 人们对智能化的要求已越来越高 而智能化在汽车相关产 业上的应用最典型的例子就是汽车电子行业 汽车的电子化程度则被看作是衡量现代汽车 水平的重要标志 同时 汽车生产商推出越来越智能的汽车 来满足各种各样的市场需求 第三届全国大学生 飞思卡尔 杯智能汽车竞赛就是在这个背景下举行的 大赛组委 会为各支参赛队伍提供智能车车模 MC9S12DG128 开发板 可充电镉镍电池组 电机驱 动芯片 MC33886 和舵机 参赛队伍需要学习并应用嵌入式软件开发工具 Codewarrior 进行 在线开发和调试 这个大赛的综合性很强 涵盖了控制 模式识别 传感 电子 电气 计算机和机械等多个学科交叉的科技创意性比赛 参赛队员需要在了解上述多学科知识的 基础上 利用 Codewarrior 软件编程控制智能车对路径信息进行采集和处理 识别当前路 径状况 进而控制舵机转相应的角度 驱动电机以快速 平稳的速度在跑道上行进 能够 在最短时间内跑完全程 不脱离黑线并遵守大赛的一系列规则的队伍即可胜出 关键词关键词 MC9S12DG128 单片机 控制策略 智能车 CCD 图像处理 第一章第一章 引言引言 本论文介绍了五邑大学 独眼行者 队为第三届 飞思卡尔 杯全国大学生智能汽车 竞赛的设计方案 我们设计的智能车系统主要由MC9S12DG128控制核心 电源管理单元 CCD路径识别电路 车速检测模块 舵机控制单元和直流电机驱动单元组成 以飞思卡尔 公司的16位单片机S12为控制核心 CCD路径识别和车速的检测相结合 通过控制转向舵 机和驱动电机 使智能车系统达到所需的精确性 稳定性及快速性要求 本文先从总体上介绍了智能车的设计思想和方案论证 然后分别从机械 硬件 软件 等方面的设计进行论述 重点介绍了车道检测和控制策略 描述了智能车的制作及调试过 程 其中包含我们队在制作和调试过程中遇到的问题及其解决方法 第三届全国大学生 飞思卡尔 杯智能汽车竞赛技术报告 6 第二章第二章 智能车整体设计智能车整体设计 2 12 1 设计要求设计要求 在本次竞赛中 要求所设计的小车具有自动寻迹的功能 能在指定跑道上快速 稳定地 运行 跑道为黑白两色 其背景色为白色 跑道中央有一条黑线作为小车行进的依据 很 明显 我们要设计的小车是要能沿黑线的正常行驶 并在此基础上 尽量提高小车行驶速 度 2 22 2整体设计整体设计 2 2 12 2 1 整体设计概述整体设计概述 本章将主要介绍采用CCD方案的整体系统设计 其中包括硬件系统和软件系统 在后面 的章节中将详细阐述硬件系统 软件系统 开发环境和开发总结 智能车共包括硬件系统的四大模块 信息采集模块 测度和 CCD 图像 执行模块 舵机和电机控制 电源模块 5 6 12V 电压 及辅助调试模块 无线电源开关 而 智能车软件系统采用 BDM 调试工具以及 CodeWarrior 编译器进行调试 采用模糊算法进行 设计 下图 2 1 是智能车的整体相片 图 2 2 是智能车的安装图 第三届全国大学生 飞思卡尔 杯智能汽车竞赛技术报告 7 2 2 22 2 2 硬件系统硬件系统 1 信息采集模块 在该模块中包括有速度信息采集和图像信息采集两个子模块 分别 采集小车当前的速度信息和路径信息 并将采集到的信息传给 MCU 其核心是 CCD 2 电源模块 此模块利用电路芯片将标准车模用 7 2V 2000mAh Ni cd 蓄电池转化为 5 6 12V 的电压提供给单片机系统 电机 舵机及 CCD 3 执行模块 该模块包括了驱动电机和舵机 当接收到MCU的命令后便执行相应的操 作 同时信息采集模块又采集到电机和舵机的状态信息 反馈给MCU 从而整个系统构 成一个闭环系统 在运行过程中 系统自动调节而达到正确行驶的目的 4 辅助调试模块 在该模块中利用BDM调试工具以及CodeWarrior编译器进行调试 运 用无线遥控的电源开关控制车的启停 2 2 32 2 3 软件系统软件系统 S12 单片机是系统的核心部分 它负责接收赛道图像数据 赛车速度等反馈信息 并对 这些信息进行恰当的处理 形成合适的控制量来对舵机与驱动电机进行控制 软件系统控 制如图 2 2 所示 图 2 2 软件系统控制 第三届全国大学生 飞思卡尔 杯智能汽车竞赛技术报告 8 2 2 42 2 4 智能车技术参数智能车技术参数 根据系统硬件结构设计思想 同时结合实际调试 最终确定了车的 CCD 安装方式 高度和位置 对赛车的总重量进行了一定的优化 参照各个功能模块的硬件功能需求 选 定了各元器件的类型和数量如下表 2 1 项目参数 路径检测方法 赛题组 CCD 寻道 车模几何尺寸 长 宽 高 毫米 288 165 320 车模轴距 轮距 毫米 195 车模平均电流 匀速行驶 毫安 550 电路电容总量 微法 1582 传感器种类及个数CCD 一个 红外传感器一个 新增加伺服电机个数无 赛道信息检测空间精度 毫米 3 0 赛道信息检测频率 次 秒 50 主要集成电路种类 数量MC33886 LM1881 LM2940 车模重量 带有电池 千克 1 2 2 2 52 2 5 智能车整体电路智能车整体电路 共用到两块 PCB 电路板 即车身主板 包括 MCU 调试电路 电源电路 红外传 感器 加速度传感器电路 测速传感器等 和测速电路板 电路板原理图如下图 2 3 第三届全国大学生 飞思卡尔 杯智能汽车竞赛技术报告 9 其外形尺寸见表2 2 表 2 2 电路板参数表 长 160mm 宽 77mm 所有电容总容量小于1500uF 除MC9S12DG128外的主要芯片 LM2940 MAX761 MC33886 LM1117 LM1881 第三章第三章 智能车硬件系统智能车硬件系统 第一部分第一部分 电机驱动模块电机驱动模块 3 1 13 1 1 MC33886MC33886 的工作原理 的工作原理 MC33886 是单片理想的 H 桥式小功率直流电机驱动芯片 其特性为 工作电压 5 40V 导通电阻 120 毫欧姆 输入信号 TTL CMOS PWM 频率 12 pwmsteer center 50 line 18 16 30 line 18 line 23 PID count else 弯路 spe 85 wan pwmsteer center 50 line 18 16 30 line 18 line 23 if pwmsteer right max pwmsteer right max if pwmsteer left max pwmsteer left max PWMDTY23 pwmsteer set speed spe 4 34 3黑线提取思路黑线提取思路 1 提取思路 有了采集到的30 33 的图像数组数据 我们就可以对其进行分析 提取出黑线信息 以 便用来对赛车进行控制 数组中的数据采用十进制显示 根据CCD 成像原理 图像经感 光元件后形成由电压组成的模拟信号 电压值对应图像的灰度 电压值越高 表明图像越 白 反之 图像越黑 由于赛道只由黑白两种颜色组成 因此黑线和赛道白色地板的电压 值应该有明显的差距 大部分数据都在30 即10 进制的48 以上 而图像左侧有一系列成 弧线状的数值均低于20 即10 进制的32 采集数据与实际赛道信息完全吻合 由于数值 大小有很明显的区分度 因此我们引入一个阀值参数以便提取赛道中心线 根据实际数据 分析 黑白两色的差值都在16 以上 因此我们只需用循环语句让数组中每行的值从左边向 右或从右向左作差值 判断差值是否大于16 即可得出中心线的位置 一般黑线经采集后的 数据会形成3 5 个点 而如果采用单侧检测 当有干扰信息时极易出现误判 直接结果是 会导致赛车出现突然的转向而冲出跑道 由于跑道会有交叉线 按照单向检测方法 当车 身与交叉线位置很垂直时 检测到的值会是一整行的小数值 不能判断出中线位置 这时 程序应该屏蔽掉 以免赛车突然变向 另外当车身稍微有点斜度时 直线会在两行数组中 产生数值 因此会出现误判的情况 赛车极易出现突然转向 基于以上情况 我们采用两 侧同时检测加安全判断的中线提取方式进行控制 2 程序代码 for a 1 a 30 a 第三届全国大学生 飞思卡尔 杯智能汽车竞赛技术报告 23 lineflag a 0 b 0 left 0 right 0 leftflag 0 rightflag 0 while b10 left b 1 leftflag 1 else if rightflag 0 if video a b video a b 2 10 right b 1 rightflag 1 else if right left 0 lineflag a 1 b cigma 0 curve 0 for c 1 c 9 c cigma cigma line c line c 2 line c line c 2 计算弯路曲率 curve curve line c line 27 第三届全国大学生 飞思卡尔 杯智能汽车竞赛技术报告 24 cigma0 cigma curve0 curve 第五章第五章 智能车开发环境智能车开发环境 5 15 1 编译环境编译环境 在制作过程中 运行的编译环境为 CodeWarrior 4 5 CodeWarrior4 5 是 Metrowerks 公司一套比较著名的集成开发环境 具有直观 易用的优点 CodeWarrior4 5 包括项目管 理 代码生成 语法敏感编辑器等 具有快速下载 单步调控的特点 同时可以融合 C 语 言和汇编语言的混合编程 CodeWarrior4 5 具有在线调试 单步运行程序的功能 同时能 够观察到主程序中定义的所有的变量的值 这一功能在进行程序错误检查和改正时起到了 至关重要的作用 下图 5 1 即为 CodeWarrior4 5 的编程界面 图5 1CodeWarrior4 5编程界面 5 25 2 下载调试下载调试 调试下载工具应用的是由东北大学飞思卡尔实验室开发的 BDM 调试器 第三届全国大学生 飞思卡尔 杯智能汽车竞赛技术报告 25 第六章第六章 开发总结开发总结 6 1 开发遇到的问题开发遇到的问题 6 1 1 电源管理问题电源管理问题 在小车的运行过程中 电源管理是一个很重要的问题 在调试过程中 由于刚开始设 计的不完善 小车在运行中出现了舵机运行失控 单片机工作异常 经过分布调试 我们 最终发现这些都由电源管理设计失当所引发 电源设计主要有两方面的问题 1 稳压芯片选择失当 由于供电电池稳定时只有7 2V 而稳压输出需5V 6V和12V 因此选择低压差和升压 稳定的芯片 保证输出电压的稳定 2 各供电模块相互干扰 信息采集模块和执行模块供电分配不当 会导致模块相互干扰 造成模块工作不稳定 我们采取的措施是对这三个模块 分别用相互独立的稳压电路供电 6 1 26 1 2 3388633886散热的问题散热的问题 由于电机的功耗极大 运行后会产生很大的热量 我们采取以下两种方式 1 安装散热片 2 并联两片33886 6 1 36 1 3 电机和舵机电磁干扰的问题电机和舵机电磁干扰的问题 由于电源电路 驱动电路和MCU电路板均位于一块电路板上 且距离电机和舵机距离 较近 因此CCD的数据采集会受到电机和舵机的电磁干扰 造成数据的失真甚至是硬件器件 的损坏 在实际调试中 为了避免干扰 对于电路板进行了以下措施 1 多重飞线以减少电阻和电磁干扰 2 把信号地与电源地分开 电机地与舵机地分开 3 一个稳压电源输出单独提供给一个模块 6 26 2 简要总结简要总结 在这次设计中 我们初步完成了小车的制作 达到了比赛的基本要求 但由于时间有 限 小车各方面的性能还有待提高 设计方案还可以进一步扩展如传感器采用CCD与红外 相结合以便更好的控制精度和稳定性 控制采用模糊控制等 这需要我们以后进一步完善 第三届全国大学生 飞思卡尔 杯智能汽车竞赛技术报告 26 附件附件 1 参考文献参考文献 1 邵贝贝编著 单片机嵌入式应用的在线开发方法 北京 清华大学出版社 2 邵贝贝等编著 学做智能车 挑战 飞思卡尔 杯 北京 北京航空航天大学出版社 2007 3 3 王威等编著 HCS12微控制器原理及应用 北京 北京航空航天大学出版 社 2007 10 4 刘换成编著 工程背景下的单片机原理及系统设计 北京 清华大学出版社 2008 4 5 谭浩强编著 C语言程序设计 北京 清华大学出版社 2006 1 2 程序代码程序代码 include common defines and macros include derivative information pragma LINK INFO DERIVATIVE mc9s12dg128b unsigned char chang 0 ccd 0 x12fe spe oe zhi 35 wan 40 unsigned int xir 0 center 2680 left max 2000 right max 3300 unsigned int speed 0 xc86 unsigned int AD 500 0 xc88 unsigned int ad count 0 unsigned char n1 n2 int u u1 0 u2 u3 u0 60 int n 0 unsigned int h k1 l int i j j1 j2 0 xff k a b c d point point1 mid pwmsteer average cigma cigma0 sum curve curve0 cnt 0 Flag float p q char s k2 int line 28 lineflag 28 flag left right leftflag rightflag unsigned char video 30 35 0 x1300 static long absoluteTime 0 void ad ini void ATD0CTL2 ATD0CTL2 0 x80 ATD0CTL3 0 x08 ATD0CTL4 0 x81 ATD0DIEN 0 x00 第三届全国大学生 飞思卡尔 杯智能汽车竞赛技术报告 27 void ad1 ini void ATD1CTL2 ATD1CTL2 0 x80 ADCLOCK 32 4 8M ATD1CTL3 0 x08 ADTIME 1 8M 14 1 75us ATD1CTL4 0 x81 ATD1DIEN 0 x00 static void RTIInit void 设置中断频率 1ms 中断 setup of the RTI interrupt frequency adjusted to get 1 millisecond 1 024 ms with 16 MHz oscillator RTICTL 0 x1F set RTI prescaler CRGINT 0 x80 enable RTI interrupts static void startTimeBase void 初始定时中断 absoluteTime 0 RTIInit void find speed void 找低值的最长数据段 unsigned int kg 0 unsigned int ix1 0 ix2 0 speed 0 for kg 0 kg 500 kg if AD kg ix2 ix2 ix1 ix1 0 speed ix2 第三届全国大学生 飞思卡尔 杯智能汽车竞赛技术报告 28 void CLK init void 锁相环 64M 总线频率 64 1 2 32M SYNR 7 REFDV 3 PLL 2 OSC SYNR 1 REFDV 1 while CRGFLG 设置锁相环为内部时钟 void set speed char speed1 n1 speed1 PWMDTY0 n1 pragma CODE SEG NON BANKED interrupt 7 void RTI ISR void 实时中断 absoluteTime clear RTIF bit CRGFLG 0 x80 ATD1CTL5 0 x21 while ATD1STAT1 CCF0 AD ad count ATD1DR0H ad count if ad count 500 ad count 0 interrupt 6 void IRQ ISR void 行中断 i if i 35 for j 0 j11 video k j 13 ATD0DR0H k if i n n i interrupt 5 void XIRQ ISR void 场中断 DisableInterrupts chang 1 i 0 j 0 k 0 EnableInterrupts void main void asm LDAA 0 asm TAP CLK init ad ini ad1 ini startTimeBase PWMCTL 0 x20 con23 1 输出 2 路 16 位的 PWM PWMCAE 0 x00 输出左对齐 PWMPOL 0 xFF 正极性输出 PWMCLK 0 x0f SB 为 2 3 通道的时钟 SA 为 0 1 通道的时钟 PWMPRCLK 0 x25 时钟源 A 32 32 1M 时钟源 B 32 4 8M PWMSCLB 0 x02 SB 8M 2 2 2000KHz PWMSCLA 0 x05 SA 1M 5 2 100K PWMPER0 100 set the frequency of PWM0 equal to 1kHz PWMDTY0 50 PWMPER1 100 set the frequency of PWM1 equal to 1kHz PWMDTY1 0 PWMDTY23 3000 PWMPER23 40000 period of PWM3 20ms PWME 0 xFF 通道使能 DD