河海光电报告

1、河海大学光电组第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 PAGE 0 -第三届 全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛技 术 报 告学 校： 河海大学 队伍名称： 河海光电 参赛队员： 郭光 陈冬严 史团委带队教师： 李东新 刘久付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： 目录TOC

2、 o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc4025 第一章 引言 PAGEREF _Toc4025 4 HYPERLINK l _Toc10193 第二章 智能小车设计分析 PAGEREF _Toc10193 5 HYPERLINK l _Toc24063 2.1 设计要求 PAGEREF _Toc24063 5 HYPERLINK l _Toc26258 2.2 总体设计 PAGEREF _Toc26258 5 HYPERLINK l _Toc11038 2.3 方案论证 PAGEREF _Toc11038 6 HYPERLINK l _Toc19467 2.3.1 传感器设计方

3、案 PAGEREF _Toc19467 6 HYPERLINK l _Toc10488 2.3.2 控制算法设计方案 PAGEREF _Toc10488 7 HYPERLINK l _Toc25672 第三章 智能小车硬件设计 PAGEREF _Toc25672 8 HYPERLINK l _Toc18560 3.1 机械设计 PAGEREF _Toc18560 8 HYPERLINK l _Toc29715 3.1.1 车模结构特点 PAGEREF _Toc29715 8 HYPERLINK l _Toc22680 3.1.2 舵机位置 PAGEREF _Toc22680 8 HYPERLI

4、NK l _Toc25983 3.1.3系统电路板的固定及连接 PAGEREF _Toc25983 10 HYPERLINK l _Toc32473 3.2 电路设计 PAGEREF _Toc32473 10 HYPERLINK l _Toc25673 3.2.1 主控制器模块 PAGEREF _Toc25673 11 HYPERLINK l _Toc2671 3.2.2 电源管理模块 PAGEREF _Toc2671 12 HYPERLINK l _Toc5068 3.2.3 寻迹传感器模块 PAGEREF _Toc5068 15 HYPERLINK l _Toc18106 3.2.4 测速

5、传感器模块 PAGEREF _Toc18106 17 HYPERLINK l _Toc14732 3.2.5电机驱动 PAGEREF _Toc14732 18 HYPERLINK l _Toc25756 3.2.6舵机控制 PAGEREF _Toc25756 21 HYPERLINK l _Toc10476 第四章 智能小车软件设计 PAGEREF _Toc10476 21 HYPERLINK l _Toc15473 4.1 总体流程图 PAGEREF _Toc15473 21 HYPERLINK l _Toc6392 4.2 输入量检测与计算 PAGEREF _Toc6392 21 HYPE

6、RLINK l _Toc21714 4.2.1 车速检测 PAGEREF _Toc21714 21 HYPERLINK l _Toc10472 4.3 策略与控制量计算 PAGEREF _Toc10472 22 HYPERLINK l _Toc25060 4.3.1 转向控制 PAGEREF _Toc25060 22 HYPERLINK l _Toc29344 4.3.2 车速控制 PAGEREF _Toc29344 22 HYPERLINK l _Toc15118 4.4程序框架： PAGEREF _Toc15118 23 HYPERLINK l _Toc10451 4.5比赛方案选择 PA

7、GEREF _Toc10451 25 HYPERLINK l _Toc9613 第五章 开发工具、制作调试过程 PAGEREF _Toc9613 25 HYPERLINK l _Toc19379 5.1开发工具 PAGEREF _Toc19379 25 HYPERLINK l _Toc30960 5.2制作调试过程 PAGEREF _Toc30960 25 HYPERLINK l _Toc29722 第六章 总结 PAGEREF _Toc29722 27 HYPERLINK l _Toc5161 6.1模型车的主要技术参数说明 PAGEREF _Toc5161 27 HYPERLINK l _

8、Toc28869 6.2问题及改进方向 PAGEREF _Toc28869 28 HYPERLINK l _Toc4171 参考文献 PAGEREF _Toc4171 1 HYPERLINK l _Toc3738 附录A 程序源代码 PAGEREF _Toc3738 1第一章 引言第三届“飞思卡尔杯”全国大学生智能汽车邀请赛规定参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定并负责采购竞赛车模套件，采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案进行系统设计，包括传感器信号采集处理、动力电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等，完成智能车工程制作及调试。大赛分光电与摄像头两个

9、赛题组，在车模中使用透镜成像进行道路检测方法属于摄像头赛题组，除此之外则属于光电赛题组。本组设计的智能小车是基于红外传感器的，属于光电赛题组。我们的技术报告以智能小车的设计为主线，包括小车的构架设计、软硬件设计，以及控制算法研究等，分为六章。其中，第一章为引言部分；第二章主要介绍了小车的总体设计；第三章对小车的硬件设计进行了详细的介绍，其中包括机械改造，电路设计两大部分；第四章描述了小车的软件设计和相关算法；第五章对开发工具、制作、安装、调试过程说明，以及模型小车的技术参数说明；第六章叙述了我们对设计的总结和展望。附录A为整体电路的PCB板，LM2575参数说明见附录B，附录C为程序源代码。

10、第二章 智能小车设计分析2.1 设计要求 本次竞赛中，要求所设计的小车具有自动寻迹功能，以计时起始线为计时点，在赛道上高速、稳定地跑完两圈后，赛车需要自动停在起始线之后三米的赛道内。赛道为白底黑线，白底宽60cm，黑线宽25mm，比赛允许选手自行设计传感器和控制电路，并编写控制程序，禁止改动舵机和轮胎等小车结构。 信息采集 速度信息采集位置信息采集 信息处理MCU数据处理命令输出 执行模块电机操作舵机操作 信息采集 速度信息采集位置信息采集 信息处理MCU数据处理命令输出 执行模块电机操作舵机操作 图2.1 系统框架图如图2-1所示，该智能小车系统主要分为以下三大块：（1）、信息采集模块：在该

11、模块中包括速度信息采集和位置信息采集两个子模块，分别采集小车当前的速度信息和位置信息，并将采集到的信息传给MCU，其核心是传感器。（2）、信息处理模块：信息处理模块包括信息处理和控制模块，其核心是 MCU，MCU接收到采集来的信号，对信号进行处理后作出判断，并 发出控制信号。（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，同时信息采集模块有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使的目的。2.3 方案论证2.3.1 传感器设计方案方案一：采用CCD传感器来采集路面信息使用CCD传感器，可

12、以获取大量的图像信息，可以全面完整的掌握路径信息，可以进行较远距离的预测和识别图像复杂的路面，而且抗干扰能力强。但是对于本项目来说，使用CCD传感器也有其不足之处。首先使用CCD传感器需要有大量图像处理的工作，需要进行大量数据的存储和计算。因为是以实现小车视觉为目的，实现起来工作量较大，相当繁琐。 方案二：使用光电传感器来采集路面信息使用红外传感器最大的优点就是结构简明，实现方便，成本低廉，免去了繁复的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于近距离路面情况的检测。但红外传感器的缺点是，它所获取的信息是不完全的，只能对路面情况作简单的黑白判别，检测范围有限，而且容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力

13、较差，背景光源，器件之间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其产生干扰。在本次比赛中，赛道只有黑白两种颜色，小车只要能区分黑白两色就可以 采集到准确的路面信息。经过综合考虑，在本项目中采用红外光电传感器作为信息采集元件。 2.3.2 控制算法设计方案方案一：比例控制 这种控制方法就是在检测到车体偏离的信息时给小车一个预置的反向偏移量，让其回到赛道。比例算法简单有效，参数容易调整，算法实现简单，不需复杂的数字计算。在实际应用中，由于传感器的个数与布局的限制，其控制量的输出是一个离散值，不能对舵机进行精确的控制，容易引起舵机左右摇摆，造成小车行使过程中的振荡，而且其收敛速度也有限。 方案二：PD控

14、制PD控制在比例控制的基础上加入了微分控制，可以抑制振荡，加快收敛速度，调节适当的参数可以有效地解决方案一的不足。不过，P、D两个参数的设定较难，需要不断进行调试，凭经验来设定，因此其适应性较差。在我们的选择中，根据比赛规则，赛道模型与相关参数已给定，即小车运行的环境基本上已经确定，可通过不断调试来获得最优的参数。因此我们选用的是PD算法来对舵机进行控制。对驱动电机的控制（即速度控制），要达到的目的就是在行使过程中，小车要有最有效的加速和减速机制。高效的加速算法使小车能在直道上高速行使，而快速减速则保证了小车运行的稳定，流畅。为了精确控制速度，时时对速度进行监控，我们还引入了闭环控制的思想，在

15、硬件设计，增加了旋转编码器实时采集速度信息。第三章 智能小车硬件设计 3.1 机械设计3.1.1 车模结构特点 本项目采用后轮驱动，前轮转向。使用前置单排均匀排布红外传感器探测起始线位置，另设红外传感器探测路面信号。电源模块和MCU的扩展电路板置于小车顶部。整个小车重心在中部偏后，有较好的稳定性。3.1.2 舵机位置 按车模附带的图纸搭建，其中将舵机竖起、架高，使寻迹传感器所在的电路板直接与舵机连接，随舵机摆动。当车轮往一侧转动时，光电传感器就往同侧摆动，使转弯时探测范围增大。图3.1 舵机前侧图由于舵机竖起，使得两条舵机拉杆几乎成直线，某种程度上增长了拉杆的有效长度，可提高智能车转向控制的速

16、度。图3.2 舵机后侧图3.1.3系统电路板的固定及连接 本组共用到一块外接电路板，且制作成了印制板，规格(长*宽)为100*80mm，安装在车身中央，前倾30。包括MCU，调试电路，电源电路，电机驱动，编码器。 主控制器使用组委会提供的S12开发板，并且我们将其他外围电路功能模块电路整合到另一张电路板上，为降低智能车重心，将外围电路板安装在开发板底部。3.2 电路设计模型车控制电路设计是车模控制设计中的基础环节。为保证电路可靠性，我们按功能划分，将整个电路划分为主控板接口电路，光电传感器，摄像头信号分离和输入电路，转速检测电路，电机驱动电路，电源电路几个部分。各部分间关系如下图3.3所示：

17、图3.3 整体电路图3.2.1 主控制器模块 主控板电路以飞思卡尔公司提供的16位微处理器MC9S12DG128为核心，主要包括时钟电路、串口电路、BDM接口、供电电路、复位电路、调试小灯等。其中各个部分的功能如下：（1）、时钟电路给单片机提供一个外接的16MHZ的石英晶振。（2）、串口的RS-232驱动电路可实现TTL电平到RS-232电平的电平转换。（3）、BDM口让用户可以通过BDM头向单片机下载和调试程序。（4）、供电电路主要是给单片机提供+5V电源。（5）、复位电路是通过一个复位芯片在电压达到正常值时给单片机一个复位信号。（6）、调试用小灯和单片机的PORTB口相连，供程序调试使用。

18、对于工作环境恶劣、噪声与干扰强，且对系统的稳定性、可靠性有较高要求时，印刷线路板的设计可采用多层板，如4层板、6层板等。6层板的噪声比四层板低10dB，4层板比双面板噪声低20dB。对于成本比较敏感的系统、要求不高的系统也可以使用双面板。双面板的制造成本比4层板低很多。为降低研制成本，我们组采用双面板。3.2.2 电源管理模块 电源电路为系统其它各个模块提供所需要的电源。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。 全部硬件电路的电源由7.2V、2A/h的可充电镍镉蓄电池提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流

19、容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。主要包括如下不同的电压：（1）5V电压。主要为单片机提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量大于 500mA。另外还要为旋转编码器提供5V电源。（2）6V电压。这部分电压主要为舵机提供电源，由芯片LM1117构成。（3）7.2V电压。这部分直接取自电池两端电压，主要为后轮电机驱动模块提供 电源。 电源模块由若干相互独立的稳压电路组成。一般采用如图3.4所示的星型结构，可以减少各模块之间的相互干扰。图3.4 电源方案3.3.2.1 5V电压电路（LM2575） LM2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导

20、体公司生产的1A集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等；芯片可提供外部控制引脚。是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。基于LM2575芯片的优点，我们采用此款芯片来设计编码器及光电管等所需的+5V电压电源，其电路图如图3.5所示。 图3.5 5V电压模块（LM2575）3.2.2.2 5V电压电路（2940） 为了避免外围电路对单片机工作的影响，我们将单片机的供电电路与外围供电电路分开，并采用芯片2940实现单片机5V电路。其电路图如图3.6所

21、示。图3.6 5V电压模块（2940） 3.2.2.3 6V电压电路 本组采用输出可调节的LM1117芯片来组成6V电压模块。其电路图如图3.6所示。图3.7 6V电压模块 3.2.3 寻迹传感器模块布局方案：方案一：一字型布局 这是传感器最常用的布局形式，即各个传感器都在一条直线上，从而保证纵向的一致性，使其控制策略主要集中在横向上。方案二：八字形布局 从横向上来看与一字型类似，但增加了纵向的特性，从而具有一定的前瞻性。将中间的传感器进行前置，能早一步了解到车前方是否为直道，从而可以进行加速。方案三：W型布局 此方案能够更早的预测到弯道的出现，调整车速，保证智能车平稳过弯。方案比较：一字型由

22、于纵向型一致，控制策略较为简单；八字形、W型布局可以进行更复杂控制，在加速性以及弯道性能方面有着更好的表现。通过对各种方案实际使用的效果比较发现，每种方案都没有绝对的优势和劣势，只是对用的方向控制策略不同，对最终模型车的形式效果影响不大。最终选用瑞萨杯智能车大赛提供的传感器S7136-10进行一字型布局，实物图及排列尺寸如下图。红外传感器宽5mm，相邻两个传感器距离18mm，8个传感器组成的电路板总长度为15cm，不超过车宽要求。考虑到前瞻性，传感器尽量前伸，使车长为最大允许长度。传感器所在的电路板直接与舵机连接，当车轮往一侧转动时，光电传感器就往同侧摆动，使转弯时探测范围增大。图3.8 寻迹

23、模块尺寸图图3.9 寻迹模块实物图 传感器S7136-10直接输出数字信号 ，感应最大距离2.1 cm。表3.1 S7136功能表方向说明“0”（0V）“1”（高电平）1-+5V白黑2输出1区输出信号白黑3输出2区输出信号白黑4输出3区输出信号白黑5输出4区输出信号白黑6输出5区输出信号白黑7输出6区输出信号白黑8输出7区输出信号白黑9输出8区输出信号白黑10-地单个传感器电路如下图所示，可通过旋转可调电阻调节传感器的感应距离以及灵敏度。图3.10 S7136电路图3.2.4 测速传感器模块为了精确控制车模运动，需要设计转速检测电路检测车模运动速度，同时获取车模运动的里程信息。我们采用的是单片

24、机控制编码器的方法来检测小车的电机转速。我们所采用的是一款旋转编码器，其引出红、黑、白三根线。红色是电源线，黑色是地线，白色是信号线。编码器的工作电压为512V，我们直接将编码器的电源线接到7.2V电池上。编码器的地线要和单片机的地线连在一起。每转一周，白色信号线就输出360个脉冲，将信号线接到单片机的PT7口，进行脉冲累加，再用单片机的定时器定时，每10ms记一次PCANT数据，作为小车速度的参考值，然后清空脉冲累加器，再定时计数。 3.2.5电机驱动 控制车模的运动速度是车模控制的重要环节，这就必须使用PWM调速驱动电路。在这一部分中我们花了相当大的精力，先后设计使用了两种不同的驱动电路。

25、TPIC0108B芯片的电路驱动能力较弱，上限开关频率2KHz。不能满足我们的需要；MC33886和MC33887芯片的驱动电路基本相同，是比赛组委会推荐的驱动芯片，所以我们采用后者。TPIC0108B芯片 芯片的结构框图如下图3.11： 图3.11 TPIC0108B芯片结构框图 2、MC33886芯片 芯片结构框图如下图3.12： 图3.12 MC33886芯片结构框图通过改变从单片机输入到电机驱动芯片MC33886 的PWM波的占空比，控制对电机的供电电压的大小，从而控制电机的转动速率。通过向IN1、IN2口送出PWM波来控制电机的正转和反转，使电机正转为智能车加速，当转弯时利用了反转P

26、WM波控制电机减速。因MC33886芯片内阻较大，电机频繁地加速减速使其负荷增大，导致芯片严重发热，必须采取措施加快芯片散热速度，如使用导热硅胶，在电路板上大面积覆铜，加散热片，使用两片MC33886并联等。驱动电路如下图所示：图3.13 电机驱动模块3.2.6舵机控制舵机脉宽与转角在-450-+450范围内呈线性变化，舵机有2-5ms延迟，5%左右的误差。舵机的响应速度直接影响到智能车过弯时的最高速度，而多级的响应速度与工作电压有关，电压越大速度越快，所以直接使用7.2V电压为舵机供电【1】；由于舵机竖起，使得两条舵机拉杆几乎成直线，某种程度上增长了拉杆的有效长度，提高了智能车转向控制的速度

27、。智能小车软件设计4.1 总体流程图4.2 输入量检测与计算4.2.1 车速检测自制光栅轮，将塑料圆片上均匀地钻N个孔，与对射管组合，每产生一个脉冲,将其送到定时器通道M,从而触发中断,将计速值加一.通过MDC(模数累加器)来产生定时信息,当定时时间T到达后,读取计速值,从而计算出此时小车的速度.所以,如果设车轮的周长为S1,定时时间到达后计速值为P,则小车速度的计算公式为:V=S1*P/(N*T)4.2.2 小车位置检测 通过小车前面的八个发红外探头来读取黑线的位置,从而判断小车所在位置。如黑线处在探头的中间,则说明小车在直道上,不需要转到舵机；如果探测到黑线在探头的两侧,这时就要控制舵机转

28、到相应的位置,从而使小车能够沿着轨道正确行驶。4.3 策略与控制量计算控制器是控制系统的核心部件，控制算法的好坏直接决定了车模的性能。车模控制中，转向控制是车模寻线前进的基础，而车速控制则是提高比赛成绩的关键。两者缺一不可。4.3.1 转向控制转向控制采用了位置和角度PD控制相结合的控制方法。4.3.1.1 比例控制位置控制中的比例控制采用了分段比例控制，位置较小时与位置较大时设置不同的比例带，原因是传感器宽度有限，检测的位置范围也就有限，统一的比例带过大会导致小车振荡，过小导致最大控制量偏小，小车转向不足，过弯时冲出赛道。使用分段比例控制既方便又可以解决以上两种问题。4.3.1.2 微分控制

29、 传感器输出模拟量的情况下检测的位置连续性较好，因此不再需要不完全微分的PD控制，用一般形式的位置微分控制即可达到很好的效果。由于比例带过小造成小车振荡时，适当增加微分控制；振荡频率较高时则应该减小微分控制，因为此时D控制量过大。此外，加大微分控制可以避免小车的速度影响舵机在拐弯处的拐角，使小车稳定性和跟随性变好，防止冲出赛道。 4.3.2 车速控制车速控制采用了PD控制方法，调节合适的参数，满足响应速度等指标。 在控制过程中,既要知道小车的速度,又要知道小车的位置,使小车在直道上达到一个最合适的速度,而不是无限地加速.这时候就要考虑多个因素,如小车当前的速度,小车此时所处的赛道道路情况(直道

30、,过弯还是蛇形走道),设位置为P(P越大,则小车偏离中心黑线越远),小车当前速度为V,路况为X(直道,过弯还是蛇形走道),则此时控制电机的PWM=F1(P,V，X)函数;或者考虑小车的速度V、加速度、舵机角度和角加速度的PWM=F2(V，)函数。图4.1 速度控制流程图4.4程序框架：While(1) /扫描道路RoadCondition=ReadRoad();Switch(RoadCondition)Case:MM.;Case:MN.;Default:;/*实现定时的作用,用来计速*/void interrupt 26 MDCOVER(void) DisableInterrupts; cou

31、nt+; if(countN) /用来设定定时时间 count=0; if(pulse_countM) /用来计算车速 . . /作出相应控制 pulse_count=0; MCFLG_MCZF=1; EnableInterrupts; /*IC2输入通道输入捕捉中断,用来统计IC2通道的脉冲数量,再通过MDC计器来计算小车的速度,实理PID或PD控制*/ void interrupt 10 IC2(void) DisableInterrupts; pulse_count+;/用来捕捉光电开光的中断,用计速累加器计速 TFLG1=0 x04; EnableInterrupts; #pragma

32、 CODE_SEG DEFAULT 4.5比赛方案选择为适应比赛规则及赛道情况，我们制定了多个比赛方案，利用拨码开关进行方案选择。图4.2 拨码开关电路 方案一：稳妥算法，比赛过程中智能车行驶两圈的控制算法完全相同，保证跑完比赛全程。方案二：记忆算法，第一圈以稳妥的速度形式，充分记录赛道信息；第二圈在分析赛道信息的基础上，针对赛场具体跑道（直道,过弯还是蛇形走道）情况采用优化控制算法，争取在第二圈获得较好成绩。方案三：针对“如果智能车第二圈冲出赛道，继续比赛只能再跑一圈”的比赛规则，设定了再次检测到赛道起跑线即停车的方案。第五章 开发工具、制作调试过程5.1开发工具开发工具使用的是大赛组委会提

33、供的CodeWarrior4-6开发环境。该开发工具是Metrowerks公司的、专门面向飞思卡尔所有MCU与DSP嵌入式应用开发的软件工具，是飞思卡尔向用户推荐的产品。它包括集成开发环境IDE、处理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理器、C交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器。它能够为单片机MC9S12DG128提供与之配套的应用程序开发模块。在目标程序的下载与调试方面，使用了MC9S12DG128的COM1串口功能。下载程序时，连接PC的串口与单片机的串口，通过串口调试软件进行程序的下载与调试。5.2制作调试过程本次比赛的准备工作从07年12月份开始，制作调试持续了8个月

34、之久，为了保证顺利完成比赛任务，我们的工作主要分为一下几个阶段：第一阶段：在寒假期间搜集、整理资料，包括购买竞赛指导用书、关注大赛网站信息及电子产品世界中智能车的相关介绍等，并分工阅读，做好详尽笔记。第二阶段：本学期开学后，制作智能车的基本模块，包括电源模块、寻迹和测速传感器模块、电机驱动模块、舵机控制模块等，完成外围电路的PCB制板。购买车模后，对智能车进行安装，加载各模块后编写程序整体调试，对各种寻迹和测速传感器方案测试比较，以实现各种资源优化配置。第三阶段：暑假期间研究大赛的最新规则，制定多个比赛方案；按大赛要求制作较为规范的赛道，继续调试程序，以保证智能车在各种赛道上稳定、快速行驶，以最好状态参加华东赛区比赛。值得一提的是虽然我们在华东赛区比赛过程中遇到了很多问题，如大赛赛场灯光、赛道材料与学校测试条件相差较多，导致智能车