自控力量队技术报告(最终版)

第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛技术报告附件D具有一定鲁棒性的智能车控制算法研究学校北京机械工业学院队伍名称自控力量参赛队员王帅徐宇驰赵双朋带队教师王辉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一届“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目录第一章引言1第二章硬件设计及调试221电源管理模块222电机驱动模块223路径识别模块424测速传感器模块525模型车机械部分安装6第三章软件设计及调试931PID控制算法932电机驱动软件设计1033路径检测软件设计1134测速部分软件设计13第四章结论16参考文献17附录A19附录B20附录C22附录D28第一章引言本文主要介绍我们在整个比赛过程中软硬件的设计以及调试过程中的心得体会。全文共分三部分，第一部分介绍硬件部分的设计与调试，第二部分介绍软件部分的设计与调试，最后一部分总结比赛过程中所遇到的主要问题及心得体会。第一部分介绍的是硬件部分的设计与调试。该部分主要分四小块，第一块介绍电源管理模块，在此我们采用LM2575进行电源管理。第二块介绍路径检测模块，该部分我们采用十对光电管进行路径检测。第三块介绍电机驱动模块，也即舵机和直流电机的驱动。其中，对直流电机的驱动采用了MC33886全桥芯片。然而由于MC33886是贴片的，我们开始是在面包板上做的试验，所以开始我们使用L298N代替MC33886驱动电机。第四块是测速模块，该模块使用了码盘和一对发光二极管，利用码盘的特性，得出相应的高低电平，通过S12单片机的输入捕捉功能可以得知在给定时间的脉冲个数，也就确定了小车的速度。第二部分进行软件的设计与调试。在算法方面主要就是PID控制算法1。对直流电机的控制采用PID控制可以得到较明显的改善效果。在软件编程方面2、3、4主要包括PWM模块的使用以及定时器模块中定时及输入捕捉功能的使用。在PWM控制中，我们由于采用的是80引脚的小板子，只有PWM4、PWM5以及PWM7可用。因此，为了得到较高的方向控制精度，我们将PWM4和PWM5合起来用，PWM7则用来控制直流电机。至于定时器模块，我们是用其来测速的，利用一对发光二极管通过码盘得出相应的高低电平，使用定时器的输入捕捉功能得到200MS通过码盘的脉冲数，即得到相应的速度关系。第三部分为总结部分。该部分主要介绍我们还有哪些未解决和未解决好的问题以及我们在在整个比赛过程中的心得体会。第二章硬件设计与调试21电源管理模块为了满足智能车系统各部件正常工作的需要，我们需要对配发的标准车模用72V2000MAHNICD蓄电池进行电压调节。其中，单片机系统、路径识别的光电传感器和接收器电路、车速传感器电路需要5V电压，伺服电机工作电压范围48V到6V，直流电机我们采用72V2000MAHNICD蓄电池直接供电。考虑到由驱动电机引起的电压瞬间下降的现象，我们选用比较常用电压调节器LM2575。下图为我们采用的LM2575的应用图如图21图21在使用的过程中，由于我们用了十对光电管，负载较大，我们发现LM2575的输出小于了4V，因此，我们把输出的电容由原来的330微发变为了660微发，电感的数值也进行了改变，使输出能稳定的达到5V。22电机驱动模块在本次比赛中，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。其电路原理图如图22图22逻辑表如表21表21由于比赛要求并不需要使用倒车，所以我们在此使用了半桥。将两个半桥并联用以提供芯片的驱动能力。MC33886的管脚图如图23图23在此，需要说明的是由于MC33886是贴片的，而我们刚开始是在面包板上做的，因此不易焊接，故我们使用了L298N代替，并且取得了不错的效果。L298N的电路图如图24图2423路径识别模块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。在本次比赛中，我们采用的是光电传感器寻迹。所谓光电传感器寻迹方案，即路径识别电路由一系列发光二极管、接收二极管组成，由于赛道中存在轨迹指示黑线，落在黑线区域内的光电二极管接收到的反射光线强度与白色的赛道不同，由此判断行车的方向。光电传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快。光电传感器的排列方法、个数、彼此之间的间隔都与控制方法密切相关。一般的认识是，在不受到外部因素影响的前提下，能够感知前方的距离越远，行驶效率越高。在本次比赛中，我们使用了十对光电二级管，采用倒八字排列结构。其发射接收电路图如图25图25在该图中，左侧为红外发射二级管，右侧为接收管。当右侧接收管所处位置为黑色跑道时，由于黑色的吸光性强，接收管接收的光很少，使得接收管不导通，其送给运放2号端的电压大于3号端，运放输出低电平。当接收管在白色跑道时刚好相反，接收管导通，运放输出高电平。在此需要说明的是，在调试过程中我们先采用过“一”字形和“V”字形，最后才采用倒八字，也发现倒八字的效果更好一些。采用的倒八字结构的PCB图见附录B。由于当接受二级管导通时接受端输出低电平，当其未导通时输出只有2V左右，因此我们使用了LM324N运算放大器。其芯片图如下图2624测速传感器模块测速传感器由一个自制的码盘和一对光电二极管组成，码盘平均分成16份，黑白各8份，光电二极管垂直正对码盘照射，当码盘随轮转动光电二极管的采集管输出高低变化的电平，通过运算放大器对采集到的信号滤波，并输入到单片机，并让单片机对脉冲计数。由于速度不同，单位时间内的脉冲个数不同，这个脉冲数值便可代表小车的速度。只需测定出每个设定速度对应的标准脉冲数作为给定信号，而实时状态下得到的脉冲个数便能直接在PID调节中作为速度反馈信号。25模型车机械部分安装251模型车的整体安装拿到模型时模型车已经大体成形，只是校正了前轮的位置，把前轮用连杆与舵机的轴连接起来，并安装了轮胎。252传感器的安装及选型路径检测传感器安装于车模前端，用两片铝合金支架作为机械支撑，支架固定在车的前端并向前伸出，以提高小车在路径识别时对路径的预判能力（如图27）。图27在选择路径检测传感器上光电二极管的排列时，我们考察了“一”字形和“V”字形，对于这两种的共同优点是使靠外侧的传感器比内侧更先探测到路径的变化，这样可以以较大的角度调整小车的路径，从而在一定程度上能使小车通过弯道的速度不至于很低，而“一”字形能在出现十字交叉的情况下提高判断出来的概率，因为传感器左右两边同时探测到路径的情况在正常情况下是不可能的。而“V”字形探测到这种情况的概率较小；但是“V”字形能探测的范围比“一”字形大，因为“V”字形盘列的有层次，远端和近端的路径情况都能检测到，综上，选择了这两种的混合体倒“八”字形。（如图28，图中白色部分即为光电二极管的安装位置；实物如图29）图28图29速度检测传感器（一对光电二极管）放在了后轮部分，码盘贴在了大齿轮上，光电二极管固定在正对大齿轮的车模后架上（如图210）。图210253系统电路板的安装和连接我们的主控制板的尺寸为长90毫米、宽110毫米。鉴于小车上自带的两根支柱，我们在板子上打了两个孔，这样通过螺丝就能很好地固定在上面了。（如图211）图211第三章软件设计与调试31PID控制算法驱动电机的PID控制部分通过下面公式实现1NNMVV112NNNNKPEIKDEE其中，、当前和上次操作量NMV1当前操作量微分N、当前，上次，上上次偏差NE12N、的数值通过实验得到。为了得到与目标速度的偏差，要利用电KPID机解码器或者其他的转速传感器测量当前驱动电机的速度。图31是PID控制框图。图31需要说明的是，在此我们只使用了P控制。因为P控制算法简单，同时能够取得较好的控制效果，因此在此使用这种控制策略也是可取的。32电机驱动软件设计在本次比赛的设计过程中，我们采用分块的设计方法。首先，我们完成舵机的PWM控制，因为该部分只需单片机输出PWM波即可控制舵机。在此，我们为了更好地控制转向，采用了较高的精度，将PWM4和PWM5合起来使用，并由PWM5作为输出控制舵机。上述部分完成后，我们进行的是直流电极的PWM控制。由PWM7输出给MC33886用以驱动电机。该部分需要构成速度环，我们在此采用了P控制。其相关软件代码如下DDRA0X00DDRB0X00PWME0XFFPWMPOL0XFFPWMCLK0X80PWMPRCLK0X73PWMCTL0X40PWMSCLA0X00PWMSCLB0X02PWMPER40XEAPWMPER50X60PWMPER70XFF/以上为电机及舵机控制部分，PWM4与PWM5合成16为一块使用控制/舵机，PWM7则控制直流电机。33路径检测软件设计至于路径检测部分，由于我们采用的是十对光电二极管，中间两对，左右各四对。中间两对与B口相连，其余八对的输出接入A口。我们的程序设计思想是先判断小车有没有偏移，也即先判断A口是否为零，A口等于零表示没有偏移或者是没有检测到黑线。不为零再根据A口的值判断左偏右偏，以及偏离的程度。在此，我们事先测出小车实际能左偏及右偏的最大角度，然后分成几分，每种情况对应相应的角度。如我们用1、2、3、4、5、6、7、8分别表示A口的连接情况。1、2、3、4表示左偏，5、6、7、8为右偏。1对应最左边的传感器，8对应最右边的传感器。因此，当1为高电平是对应左偏移最大角度，1、2同时为高电平其次，2为高电平再次，依次类推。当A口为零且B口对应检测中间传感器的引脚有值时，说明小车没偏，即黑线位于路径搜索传感器的正中，此时小车以最快速度直线行驶。在此需要说明的是如果在通过某些弯道时速度过快，赛道中间的黑线可能不再在路经检测传感器的搜索范围中时，我们采取的措施是保持上一个状态，这样能把赛车以最大转角修正回赛道，使黑线重新回到路经检测传感器的搜索范围。而且我们只对设定好的方位状态进行处理，其他的均视为无效状态，例如表示左转右转的状态同时出现，这在正常情况下显然是不可能的，这有可能就是赛道中的干扰，这时就会保持上一次的有效状态运行从而避免干扰。这种思想也是我们在小车性能可靠性方面的一个想法。其相关软件如下IFPORTAPWMDTY50X9DA0XEEB10V0X0FU0X9DELSEIFPORTA0X60/76/PWMDTY40X10PWMDTY50X86A0XEFB14V0X10U0X86ELSEIFPORTA0X30/65/PWMDTY40X11PWMDTY50X6FA0XF0B18V0X11U0X6FELSEIFPORTAPWMDTY50X9DA0XEEB18V0X0EU0X9DIFPORTAPWMDTY50X86A0XEFB16V0X10U0X86IFPORTAPWMDTY50XEAA0XF0B12V0X10U0XEAIFPORTAPWMDTY50XE3A0XF1B10V0X11U0XE3ELSEIFPORTA/COMMONDEFINESANDMACROS/INCLUDE/DERIVATIVEINFORMATION/PRAGMALINK_INFODERIVATIVE“MC9S12DG128B“VOIDMAINVOIDINTV0X12,U0X79INTP10INTN0X00,Z0X00,C0INTA0XD0,B0X00INTMM0INTKK0DDRA0X00DDRB0X00PWME0XFFPWMPOL0XFFPWMCLK0X80PWMPRCLK0X73PWMCTL0X40PWMSCLA0X00PWMSCLB0X02PWMPER40XEAPWMPER50X60PWMPER70XFF/以上为电机及舵机控制部分，PWM4与PWM5合成16为一块使用控制/舵机，PWM7则控制直流电机。TIOS0X00TSCR10X80TCTL30X55TCTL40X55TSCR20X07MCCNT0XEA60MCCTL0X4FPACTL0X50ICOVW0XFF/以上为定时器部分，进行输入捕捉初始化设置FORIFPORTAPWMDTY50X9DA0XEEB10V0X0FU0X9DELSEIFPORTA0X60/76/PWMDTY40X10PWMDTY50X86A0XEFB14V0X10U0X86ELSEIFPORTA0X30/65/PWMDTY40X11PWMDTY50X6FA0XF0B18V0X11U0X6FELSEIFPORTAPWMDTY50X9DA0XEEB18V0X0EU0X9DIFPORTAPWMDTY50X86A0XEFB16V0X10U0X86IFPORTAPWMDTY50XEAA0XF0B12V0X10U0XEAIFPORTAPWMDTY50XE3A0XF1B10V0X11U0XE3ELSEIFPORTA0XF5PWMDTY70XFDELSEIFA21AA1PWMDTY7A|0X01ELSEPWMDTY7A/以上为电机的P控制附件D研究论文具有一定鲁棒性的智能车控制算法研究王帅1，徐宇驰2，赵双朋3北京机械工业学院计算机及自动化系，北京100085文摘本文主要讨论采用光电管进行路径检测的智能车系统1。由于智能车控制的首要目标是完成比赛，所以控制策略的鲁棒性对系统极为重要2。由于干扰、光电管品质以及其它一些不确定因素的存在，很难保证光电管检测出的信息是准确的。这就要求我们的系统在检测的信息不可靠时仍能够保证较好的控制以顺利完成比赛。本文在智能车方向控制策略采用一种新的方法，使得小车控制具有一定的鲁棒性。试验证明该策略具有一定的适用性。关键词智能车；方向控制；鲁棒性；中图分类号TP24ACERTAINROBUSTNESSOFTHESMARTCARCONTROLALGORITHMSRESEARCHWANGSHUAI1，XUYUCHI2，ZHAOSHUANGPENG3BEIJINGINSTITUTEOFMACHINERY,BEIJING100085,CHINAABSTRACTTHECONTROLSYSTEMOFSMARTCARWHICHUSEDPVSYSTEMSFORROADDIRECTIONTESTEDISDISCUSSEDINTHEPAPERTHECOMPLETIONOFTHECOMPETITIONISTHEPRIMARYGOAL,SOTHEROBUSTNESSOFTHESYSTEMCONTROLSTRATEGYISEXTREMELYIMPORTANTBECAUSEOFINTERFERENCE,QUALITYOFPHOTOCELLANDOTHERUNCERTAINFACTORS,ITISDIFFICULTTOGUARANTEEDETECTEDINFORMATIONISACCURATETHISREQUIRESUSTOUSEBETTERCONTROLSTRATEGYTOENSURETHECARCANCONTINUETHECOMPETITIONWHENTHEINFORMATIONDETECTEDBYSENSORSISUNRELIABLETHENEWMETHODPRESENTEDINTHISPAPERMAKESTHECONTROLOFTHECARROBUSTTHETESTSPROVEDTHEAPPLICABILITYOFTHECERTAINSTRATEGYKEYWORDSSMARTCARDIRECTIONCONTROLROBUSTNESS智能车方向系统的鲁棒性是整个控制系统的鲁棒性的重要组成部分。对于采用光电管作为路径检测部分的智能车系统由于光电管更容易受到干扰并且光电管也有忽然不工作的问题，所以得出其方向系统的鲁棒性控制算法就更有实际意义。本文首先介绍我们小组所采用的方向控制方法，然后介绍在此基础上所加的鲁棒性策略。在整个比赛的调试过程中，我们首先是采用未加鲁棒性策略的方向控制系统。由于其鲁棒性不强，受干扰的影响较大，出现了有时晚上调试的结果还不错，而第二天白天的调试效果就不令人满意的情况。针对该问题的出现，我们小组最终得出了具有鲁棒性的方向控制策略。应用该方向控制系统，我们取得了较好的控制效果，增强了系统的鲁棒性。1方向定位规则图1图1为我们传感器板的PCB图。如图所示，我们采用了十对光电二级管作为我们的路径检测环节。左边四对接入单片机的PA口的低四位，从左至右依次为PA0PA3。右边四对接入单片机的PA口的高四位，从左至右依次为PA4PA7。中间两对分别接入PB0和PB1。在此，我们采用的是倒八字排列结构。通过试验我们确定了针对我们控制策略的两对光电管之间的较好距离。我们对接入PA口的八对光电管依次排号为18。其至14对应左偏，58对应右偏。首先，我们根据在给定舵机下小车的左右偏转角度，然后将其分为左右各七个等级。而小车的左右也恰好可以分出七个等级。如左侧只有1号为高电平对应向左偏向最大。1号和2号同时为高电平对应其次。依次对应的偏向程度为2号、2号与3号、3号、3号与4号、4号。中间两对表示不偏，小车将以给定的最快速度直线形式。2具有鲁棒性的方向控制策略我们在此系统中所加的鲁棒性控制策略是通过在黑线不在路径搜索传感器范围内或者是无效状态（如表示向左偏和向右偏的状态同时出现）小车将以上一次的参数运行。其运用的手段就是在每次给出设定参数时同时将该给定参数保存，这样出现上诉情况时的给定参数就是上一次的给定值。通过如下程序可以看出该方法IFPORTAPWMDTY50X9DA0XEEB10V0X0FU0X9DELSEIFPORTA0X60/76/PWMDTY40X10PWMDTY50X86A0XEFB14V0X10U0X86ELS