天津工业大学毕盛队技术报告

第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛技术报告学校天津工业大学队伍名称毕盛队参赛队员王朝盛吴立江贺丹带队教师熊慧目录第一章引言111智能车制作过程概况112报告内容安排说明1第二章智能车的具体设计和实现221智能车的硬件设计2211主要器件2212智能车的主要参数3213电源方案3214电池电压检测模块4215LCD模块5216路径检测5217后轮电机驱动模块6218车速检测模块7219辅助模块822系统软件设计与实现9221系统框图9222开发工具9223路径搜索算法9224驱动电机的PID控制算法11第三章总结12参考文献13附录14第一章引言11智能车制作过程概况智能车的制作过程主要包括车模的拼装，各功能模块的制作和调试以及整车的调试运行。车模的拼装是一个最基础的工作，必须按照拼装说明书正确安装，各组件要安装到位，不能松动，舵机螺杆的长度一定要合适，以免舵机有机械误差，导致转向不准确。智能车的功能模块主要有FREESCALE的16位单片机MC9S12DG128控制核心模块，路面黑线检测模块，后轮电机的驱动模块，方向控制模块，速度检测模块，电池电量检测模块以及调试辅助模块。这些模块是根据大赛要求和功能需要进行制作的。制作过程主要包括查阅资料、方案选择和论证，电路的制作和调试。有了上述模块，智能车的硬件制作基本完成，在此基础上给MC9S12DG128下载程序后小车就能跑动了。但要使其成为智能车还需要做大量的工作。在整车调试过程中会发现很多问题，这就需要分析解决，主要是通过对控制策略的完善，程序参数的调整，硬件电路的改动等等。12报告内容安排说明本文主要阐述智能车各功能模块的硬件电路组成和工作原理以及系统软件设计。下面先介绍所使用的主要器件，再按各个模块逐一的详尽的说明，最后分析系统软件，包括路径搜索，控制方案等。第二章智能车的具体设计和实现21智能车的硬件设计211主要器件控制模块目标板HCS12最小系统微控制器MC9S12DG128BFREESCALE路径检测模块红外传感器红外发射管、红外接收管后轮驱动和速度检测模块直流电机RS380编码器光电开关和码盘直流电机驱动器MC33886前轮转向模块舵机HS925SANWA尺寸394378278重量56G工作速度011SEC/6048V008SEC/6060V堵转力矩61KGCM48V77KGCM60V工作角度45度/400US电源模块电池72V镍镉电池2000MAH稳压芯片LM25765V、LM3176V微控制器MC9S12DG128舵机红外传感器发送接收液晶显示直流电机编码器辅助模块图21系统模块图212智能车的主要参数长346CM宽245CM高70CM重12KG检测频率3MS检测精度4MM电容总容量1000F213电源方案通过分析，在小车的整个系统中需要使用三种电压，即MCU及传感器所需的5V工作电压，舵机所需的6V工作电压以及后轮直流电机驱动模块的电压。我们使用开关电源LM2576来提供5V电压，由于LM2576的工作原理是通过斩波和电感续流来提供5V电压的，所以内部消耗的功率很低，从而提高了电池的利用效率。舵机的6V工作电压是通过可调式稳压器LM317提供的。后轮直流电机的驱动模块的电压有电池直接提供。整个系统的电压分配情况如下图所示72V2000MAH镍镉电池LM25765VLM3176V主板红外传感器编码器舵机直流电机图23电源分配图214电池电压检测模块这个模块是为了完善智能车的功能而设计的，也是人性化的体现。此模块能够正确测量当前电池电压，并通过液晶屏显示，在欠电压的情况下会自动报警。由于在电动机起动时会产生电压浮动和电磁干扰，这就会影响AD对电池电压采集的精确度，因此，我们利用光耦（TLP5212）与电压跟随器组成光电耦合电路传输信号，消除电动机起动时所造成的干扰，提高电池电压检测的正确性。原理如图24所示图24光电耦合电路215LCD模块车上的这个模块主要是为了方便调试。在LCD上显示的是智能车的几个主要参数，可以通过按键直接调节。25液晶显示块的电路连接图216路径检测图26路面黑线检测模块原理图探测路面黑线的基本原理光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱判断是黑线还是白纸。检测电路主要有红外发射管和光敏三极管组成。此电路尺寸小、质量轻、灵敏度高，外围电路简单，对人眼无伤害。由于采用了红外发射管，电路不易受到普通光源的干扰，能够准确的实时检测。为了让小车能高速行驶，小车必须具备一定的前瞻性。理论上，小车能感知的距离越远，那么有更多的时间来处理前方的情况，结果自然会跑的很好。但是受到硬件电路功率的制约和大赛对车身长度的限制，我们就通过传感器对地面角度来增加感知距离。检测电路的工作原理由于黑线和白纸对红外光的反射系数不同，使光敏三极管上产生不同的电压降，通过AD对这个电压的采集并转换成数字信号进行处理，根据AD值的情况来判断黑线的位置。这种方法的特点是通过采集的AD值，反模糊化精确控制舵机的转向角度，充分利用MCU里的ADCANALOGTODIGITALCONVERTER功能和模糊推理机的功能。路径搜索和模糊控制在下文中详述。217后轮电机驱动模块后轮直流电机的控制由单片机的PWM信号来完成，驱动芯片采用飞思卡尔半导体公司的半桥式驱动器MC33886。电路图示见图27。图27MC33886工作特性和MC33186DH1一样具有增强功能5V到40V的连续操作可以接受TTL或CMOS以及与它们兼容的输入控制信号PWM控制频率可以达到10KHZ通过PWM的通断来控制驱动电流的大小内部设有短路保护电路内部设有欠压保护电路内部设有错误状态报告功能在应用中，为了给小车提供强劲的动力，我们把MC33886的两个半桥并联来增强驱动能力，但这样做也增加了发热量，带来了散热问题。我们在按照MC33886参考布线的情况下还安装了散热片，以防止芯片超过40125的正常工作温度而出现故障。考虑到智能车在直线加速区间的末端可能会遇到突然出现的拐弯区间，智能车设计过程中使用了MC33886的反转功能来实现制动。在行驶过程中可以通过单片机的控制使直流电机紧急制动。218车速检测模块受到鼠标工作原理的启发，我们采用光电码盘进行速度检测。光电码盘测距基本原理如下旋转轴转动，带动码盘转动，码盘上刻有许多狭缝，码盘转动时发射光透过狭缝被接收元件接收，将信号整形后送入计数器，用计数器对接收到的信号进行计数。用这种方法能很精确地计算出小车在行驶时的车速。实验证明效果很好。图28车速检测电路在车体上固定一个对射式红外传感器，将码盘安装在电机轴上，使其处于对射式传感器沟槽之间。车轮转动时，码盘随着车轴一起转动，码盘上的小孔依次通过沟槽，传感器得到通断相间的高低电平信号，经过三极管的放大和施密特触发器的整形后得到理想的脉冲信号，单片机对脉冲信号进行计数，以实现对车速的检测。在物理结构上，我们将该检测装置安装在后轮上，由于前轮主要负责车的转向，所以前轮将会时常左右转动，这样将会影响车速检测的精确性。219辅助模块为了调试方便，在小车上安装了红外遥控装置，这样，可以很方便的控制小车的起动，停止。另外，我们在车体上安装了调速模块，可以在赛前根据不同特征的赛道，调节速度到相应的大小，从而在保证小车稳定的前提下，跑出最好成绩。22系统软件设计与实现221系统框图IR传感器中断舵机PWM驱动电机PWM编码器中断AD数据方向补偿加速度补偿电动机位置路径定位PID控制位置速度加速度状态控制表图29系统框图222开发工具开发环境METROWERKS,CODEWARRIORV41调试工具BDMMULTILINKPUNSIGNEDCHARSPEED_MEMCHARTURN_ANGLE,ANGLE_NOW,ANGLE_LAST,ANGLE_DIFFUNSIGNEDCHARDRIVE_SPEED,SPEED_NOWCHARADJ_VAL/动态调整变量定义/BOOLSTRAIGHT_FLAG,BREAK_FLAGUNSIGNEDCHARBREAK_COUNT,S_COUNTUNSIGNEDCHARPOWER_MEMCHARDIR_FLAGCHARHISTORY_ANGLEDATA_RECUNSIGNEDCHARSENSOR_MAX,SENSOR_MIN/定义PID结构体TYPEDEFSTRUCTINTLASTPOINTINTPGAININTIGAININTDGAININTDEADBANDINTPRIVERRORINTLASTERRORINTSUMERRORPIDDATAPIDDATAMOTOR2_PIDTYPEDEFSTRUCTUCHARLEFT6,MID,RIGHT6SENSOR_DATASENSOR_DATASENSOR_NOW/定义模糊控制变量，13个输入变量，13个输出变量，13/CHARFUZZY_IN_MF1340,0XFF,1,0,0,0XFF,1,0,0,0XFF,1,0,0,0XFF,1,0,0,0XFF,1,0,0,0XFF,1,0,0,0XFF,1,0,0,0XFF,1,0,0,0XFF,1,0,0,0XFF,1,0,0,0XFF,1,0,0,0XFF,1,0,0,0XFF,1,0UNSIGNEDCHARFUZZY_OUT_ANGLE130,0,10,20,30,36,40,44,50,60,70,80,80/代表的角度为40,35,30,26,17,8,0,8,17,26,30,35,40UCHARFUZZY_IN_OUT260XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0UCHARFUZZY_RULE850,0XFE,13,0XFE,/THEFIRSTRULE1,0XFE,14,0XFE,/THESENCONDRULE2,0XFE,15,0XFE,/THETHIRDRULE3,0XFE,16,0XFE,/THEFOURTHRULE4,0XFE,17,0XFE,/THEFIFTHRULE5,0XFE,18,0XFE,/THESIXTHRULE6,0XFE,19,0XFE,/THESEVTHRULE7,0XFE,20,0XFE,/THEEIGHTHRULE8,0XFE,21,0XFE,/THENINTHRULE9,0XFE,22,0XFE,/THETENTHRULE10,0XFE,23,0XFE,/THEELEVETHRULE11,0XFE,24,0XFE,/THETWELFTHRULE12,0XFE,25,0XFF,/THETHIRTEENTHRULE/程序中小车舵机定义为MOTOR1；后轮驱动电机定义为MOTOR2/DEFINESPEED_DETECTOR_STARTTIE_C0I1DEFINEMOTOR1_STARTPWME_PWME11DEFINEMOTOR1_STOPPWME_PWME10DEFINEMOTOR2_STARTPTM0X11DEFINEMOTOR2_STOPPTM0X01DEFINELCD_ONLCD_COMMAND0X0CDEFINELCD_OFFLCD_COMMAND0X08DEFINEBACKLIGHT_ONPTJ_PTJ10DEFINEBACKLIGHT_OFFPTJ_PTJ11DEFINEPWM5_ENPWME_PWME51DEFINEPWM7_ENPWME_PWME71DEFINEIR_STARTTIE_C1I1DEFINETIMER_STARTTSCR10X80/文件描述本文件包含了用HD44780显示相关的3个子程序1LCDSHOW在LCD上显示32个字符2LCDINIT初始化LCD3LCD_COMMAND执行给定的CMD命令/以下为子程序源代码/头文件DEFINELCDDATAPTS/LCD显示数据传送口DEFINELCDDATA_DDDRS/数据口方向拇嫫DEFINELCDCTRLPORTK/LCD控制信号传送口DEFINELCDCTRL_DDDRK/控制口方向寄存器DEFINELCDRS3/LCD寄存器选择信号PTB7DEFINELCDRW5/读写信号接PTB6DEFINELCDE4/LCD使能信号接PTB5/子函数声名/内部调用子程序VOIDLCD_COMMANDUNSIGNEDCHARCMD/命令执行子程序VOIDLCD_DATAUNSIGNEDCHARDATAVOIDLCDSHOWUNSIGNEDCHARLEVEL,UNSIGNEDCHARVERTICAL,UNSIGNEDCHARSTRVOIDLCDINITVOID/LCD初始化子程VOIDLCDSHOWUNSIGNEDCHARSTRVOIDBACKLIGHT_INITVOIDVOIDSYSTEMINITVOIDVOIDSCI_INITVOIDVOIDSENDCHARCHARIVOIDSPEED_DISPVOIDVOIDPOWER_DISPVOIDVOIDLINEAR_FUZZYVOIDVOIDWRITE_FUZZY_MFVOIDVOIDIOCINITVOIDVOIDRTIINITVOIDVOIDSPEED_DETECTOR_INITVOIDVOIDSETBUSCLOCKVOIDVOIDADC_INITVOIDVOIDATD_SET_CONVERT_ENABLEDCHARCHANNELVOIDATD_SET_SOURCECHARCHANNEL,CHARBITVOIDSET_SENSOR_ENVIRONMENTVOIDVOIDREAD_SENSORVOIDVOIDPTM_INITVOIDVOIDPTP_INITVOIDVOIDPWM_INITVOIDVOIDMOTOR2_DRIVEUCHARSPEEDVOIDMOTOR2_BRAKEUCHARDUTYVOIDMOTOR1_TURNUCHARANGLEVOIDMOTOR2_PID_INITVOIDVOIDIR_DETECTVOIDVOIDIR_EXEVOIDVOIDMOTOR2_REVERSEUCHARDUTYPRAGMACODE_SEGDEFAULT_ROM/系统初始化子程序/VOIDSYSTEMINITVOIDSETBUSCLOCKDDRAB0X00/红外传感数据从AB口读入SCI_INITPTM_INITPWM_INIT/VOIDSCI_INITVOIDSCI0CR20X0CSCI0BDL13/VOIDSENDCHARCHARIWHILESCI0SR1_TDRE0SCI0DRLIWHILESCI0SR1_TC0ASMLDAASCI0SR1VOIDIR_DETECTVOIDINTIUCHARJFORFORI0IMOTOR2_PIDDEADBANDPTERMNOW_ERRORMOTOR2_PIDPGAINPTERM1PTERM100PTERM100IFPTERM50DTERM50IFDTERM250CON_DATA250IFCON_DATA280|CHECK_SUM0ADJ_VALABSANGLE_DIFFDIR_FLAGCURVE_STRONGELSEADJ_VALABSANGLE_DIFFDIR_FLAGCURVE_WEAK/STRAIGHT,BREAK处理/IFABSANGLE_NOW40TURN_ANGLE40IFTURN_ANGLESENSOR_MAXSENSOR_MAXSENSOR_NOWLEFT5IFSENSOR_NOWLEFT4SENSOR_MAXSENSOR_MAXSENSOR_NOWLEFT4IFSENSOR_NOWLEFT3SENSOR_MAXSENSOR_MAXSENSOR_NOWLEFT3IFSENSOR_NOWLEFT2SENSOR_MAXSENSOR_MAXSENSOR_NOWLEFT2IFSENSOR_NOWLEFT1SENSOR_MAXSENSOR_MAXSENSOR_NOWLEFT1IFSENSOR_NOWLEFT0SENSOR_MAXSENSOR_MAXSENSOR_NOWLEFT0IFSENSOR_NOWMIDSENSOR_MAXSENSOR_MAXSENSOR_NOWMIDIFSENSOR_NOWRIGHT0SENSOR_MAXSENSOR_MAXSENSOR_NOWRIGHT0IFSENSOR_NOWRIGHT1SENSOR_MAXSENSOR_MAXSENSOR_NOWRIGHT1IFSENSOR_NOWRIGHT2SENSOR_MAXSENSOR_MAXSENSOR_NOWRIGHT2IFSENSOR_NOWRIGHT3SENSOR_MAXSENSOR_MAXSENSOR_NOWRIGHT3IFSENSOR_NOWRIGHT4SENSOR_MAXSENSOR_MAXSENSOR_NOWRIGHT4IFSENSOR_NOWRIGHT5SENSOR_MAXSENSOR_MAXSENSOR_NOWRIGHT5/IFSENSOR_NOWLEFT58ELSEIR_DATAIIR_POINTER1IR_POINTER08/SENDCHARIR_DATAIIIFI9I0/ENDPRAGMACODE_SEG_NEAR_SEGDEFAULT_ROM/显示速度子程序/VOIDSPEED_DISPVOIDSTATICUCHARSPEED30,0,0UNSIGNEDCHARSPEED_NOWUNSIGNEDCHARSPEED_DISP_MEM9UNSIGNEDINTI,SUNSIGNEDCH