第六届飞思智能车炫风队技术报告

本人完全了解第六届“飞思”杯大学生智能汽车邀请赛关保留、使用技术报告和研究的规定，即：参赛作品著作权归像资料，并将相关内容编纂收录在集中。本文设计的智能车系统以MC9S12XS128微控制器为控制单关键字：MC9S12XS128CCDPIDLABVIEWInthispaperwewilldesignasmartcarsystembasedonMC9S12XS128asthemicro-controllerunit.WeuseaCCDimagesensortoobtainlaneimageinformation.Thenconverttheoriginalimageintothebinaryimagebytheogcomparatorcircuitinordertoextractblackguidelinefortrackidentification.Aninferredsensorisusedtomeasurethecar`smovingspeed.WeusePIDcontrolmethodtoadjusttherotatespeedofdrivingelectromotoranddirectionofsteeringelectromotor,toachievetheclosed-loopcontrolforthespeedanddirection.Inordertoincreasethespeedandthereliabilityofthecar,agreatnumberofthehardwareandsoftwaretestsarecarriedonandtheadvantagesanddisadvantagesofthedifferentschemesarecomparedbyusingtheLabVIEWsimulationtform,Wirelessmodule,SDcardmoduleandthekeyboardmodule.Theresultsindicatethatourdesignschemeofthesmartcarsystemis: 引 结 参考文 久的将来智能汽车将成为汽车生产和汽车市场的主品。受教育部高等教育司委托(教高司函[2005]201号文)，由教育部高等学校自动化专业教学指导分主办的“飞思”杯大学生智能汽车邀请赛是在飞思公司资助下以HCS12单片机为主识别能力的智能汽车，是教育部主办的大学生五大竞赛之一。思公司与各高校师生的高度评价。大学生智能汽车竞赛久的将来智能汽车将成为汽车生产和汽车市场的主品。像并以PAL制式信号输出到信号处理模块进行二值化处理并进行视MC9S12X128控制，进行进一步处理以获得图像信息；通过光电加计数计算速度以实现差速；舵机转向采用PD控制算法；电机转速控制采用PID控制算法，并通过 波控制驱动电路；综合控制，我们对飞思智能车的整车布局因本着尽量轻，重心尽量压智能车系统主要包括以下模块：MC9S12XS128单片机模块、CCD图像采轮外倾和前轮前束等4构，如图2.3所示头安装主要考虑的问题有：固定头的材料，头的低头的安装高度以此降低整车重心。 度，安装如图2.5所示。另外，我们采用两个计数器分别对左右轮进图2.5光电编的安模块，速度检测模块。以下分别介绍各个模块。3.1.1控制器介MC9S12XS单片机是以CPU12X的V2内核为的的16位单片系MC9S12XEXGate机尽可能兼容，并不增加开发难度，甚至有所降低MC9S12XS128单片机内部总线频率最高为40MHz，片内集成128KBFLASH器和8K的RAM8KB8KBD-flash,同时它的内部资源也非常丰富，拥有I/O输入输出端口、SPI、SCI、ECT、A/D、CAN和等片机比MC9S12XDADCPU.8路8位发生.1Mbit/sCANMC9S12XS128单片机，112引脚封装，为减少电路板空间，板上仅将 若干预留普通IO接口。其他部分还包括电源滤波电路、时钟振荡电路、复位电路、BDM接口，最小系统板的原理图如图3.1：IRQ：行同步脉冲输入信号 光电编脉冲输入信号45：舵机角度控制信号输出2367：需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效全部硬件电路的电源由配发的标准车模用7.2V2000mAhNi-cd5V电路提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量大于500mA。7.2V、压电路获得，12V电压通过升压稳压电路获得。我们采用的降压稳压是LM1117-5.0[9]。LM1117–5.0是一1A5V经实验证明，能够满足本智能车系统中各项要求。LM1117电路如图+2+2

图 主要的升压有MC34063A/E，MAX734，MAX632。在去年的比赛中，使用MAX734，MAX632作为升压器件的参赛队伍很少。而MC34063A/E的使用却很多。并且我们在很多参考数目上都看到了使用MC34063A/E作为升压电路的实例，所以我们决定采用它MC34063是开关稳压，可构成升压、降压斩波电路。输出开VIN7.2V12V3.312VF3.3MC3406312V赛队的头选择，对目前可选的各种头进行了比较和实验。目前市面上常见的模拟头主要有CMOS和CCD两种：CMOS摄低，噪声较多。CCD头具有对比度高、动态特性好的优点，但需头的工作原理是：按一定的分辨率，以隔行扫描的方式图像上的点，当扫描到某点时，就通过图像传感将该点处图像的3.5，的灰度变化。当扫描完一行，信号端就输出一个低于最低信0.3V它是扫描换行的标志。然后，跳过一行后（因为头是隔行扫描的，开始扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场的信号，去，下一场的信号才真正到来。头每秒扫描25幅图像，每50描的行数也越多。事实上，分辨率反映的是头的纵向分辨能力。通过S12单片机的定时器模块对单个脉冲的下降沿和上升沿间的时间。实际测得所用头（1/3OmniVisionCMOS）的时序参数见表3.6。 头扫描的每场中有320行信号，中第23行到310行是信号，第311行到下一场的第22行是场消隐信号。在信号区，每行信号持续的时间相同，约为62us；4.7us。而在场消隐区，每表3.6头时序参3.3.2同步分离电我们使用了LM1881N对黑白全电视信号进行同步分离，得到行同步、场同步信号,具体原理不再赘述。同步分离电路原理图3.7由于头输出的黑白全电视信号为AL制式模拟信号，所以必须经过相应的图像处理模块进行相应转换之后才能由单片机进行处理。首先，我们采用的对PAL信号进行硬件二值化是为了降低单AD就以图了。其明显优在于通IO的操作速度要比AD快，使提高分辨率成为可能。在对硬件二值化的研究中，我们用MCP1010高速AD位/8A/DATD0ATD1，通称为模数/转换器(ATD)。但是换位数字信号后再通过I/O口送单片机内部进行数据处理。各引脚功能如下：AGND：D1～D8：数据输出端口。D1为数据最低位，D8为最；OE：OED1～D8OE时，D1～D8为高阻抗；VDDA：模拟电路工作电源；VDDD：额定的２Ｖ基准电压时，此端短路至REFT端；额定的２Ｖ基准电压时，此端短路至REFB端。５１０的模数转换器内含时钟发生器、内部基准电压分压器、1套高四位采样比较器、编、锁存器、2套低四位采样比较器、编四位的编交替提供。TLC5510的工作时序见图３.10。时钟信号ＣＬＫ在每一个下降沿模拟输入信号。第Ｎ次的数据经过２.5个时钟周期的延电压产生与数据相应的电压。低比较块在第三个时钟周期的上升升沿进行组合，这样，第Ｎ次的数据经过２.5个时钟周期的延OECLK50ns，因此，TLC5510数模转换器的最小采样速率可以达到20MSPS。（１）应尽可能。声的接地连接，试验时应当。 D0～D7开。在印制电路板上，AGND的走线应当尽可能地放OGIN走线的两侧以供之用（５）TLC5510 波的占空比高于50%时，电机朝一个方向转；占空比低于50%时，电机朝另一个方向转。通过这种方式，可以在程序中实现反向制动，而这对于在直道上提高速度是有帮助的。33886作为一个单片电路H.桥，是理想的功率分流直流马达和双向推力电磁铁控制器.它的集成电路包含内部逻辑控制,电荷泵,门控驱动,及低读选通(on)金属.氧化物半导体场效应晶体管输出电路.33886能够控制连续感应直流负载上升到5.0，输出 .ed)的频率可达10千赫一个故障状态输出可以报告欠压,短路,过热的情况.独立输入控制两个半桥的推拉输出电路的输出.两个无效输入使H桥产生三态输出(呈现高阻抗).•5.0v40v•120mΩRDS(ON)H图3.8MC33886内部封装图3.9 3.11MC33886如图3.12。通过逻辑设计，可以让电机处于多种模式下工作，经过车对不同赛道加的要求。3.12H较好的速度传感器。速度有多种方案。且制作较为，但是成本低。案而采用了欧姆龙的100线的光电编。始化，ECTI/OA/D钟信号，由时钟振荡电路或时序脉冲信号提供。MCU内部的所有void {}MC9S12XS128集成了8路8位独立通道，通过相应设置可变成4个16位通道，每个通道都有的计数器，输出极性和对齐方 5为一组，使用时钟源ClockA和ClockSA；2、3、6、7构成另一组，使用时钟源ClockB和ClockSB。ClockA和ClockBPRCLK来设置，ClockSA和ClockSB是分别通过ClockA和ClockB进一步分频后得到的，分频范围为1~512，分别通过寄存器SCLA SCLB来设置，计算为：ClockSA=ClockA/（2* ClockSB=Clock 度，0和1，构成16位的 的常数寄存器和计数器均连接成16位的寄存器，3个16位通道的引脚，通道6、2、0的时钟选择没有意义。通过寄存器 SCLA、SCLB、CLK对各通道的时钟源进行设置。 、、、 SCLA 、、、 {E= CTL //0123//4567电机CLK=0x00; CLK_PCLK1=1; CLK_PCLK2=1; CLK_PCLK3 CLK_PCLK5=0; CLK_PCLK6=1; CLK_PCLK7= PRCLK=0x10; SCLA=12;SCLB=POL_PPOL1=1; POL_PPOL3=1;POL_PPOL5=POL_PPOL7=CAE PER01=20000; PER2=200; PER3=PER45=2; PER6=200; PER7=DTY01=1200; DTY2=0;DTY3=DTY45 DTY6=100; DTY7=100;E= }TIOSECTvoid{PACTL=0X50;//PT7PIN,16BIT,NOTTCTL3=0x52;//通道6、7仅捕捉上升沿用于测速TCTL4=0x10;42捕捉上升沿（TIE=0x54;//每一位对应相应通道中断允许,0表 TIOS0x00;0输入捕捉,1输出比较}{ PITCE_PCE0=1;//定时器通道使能选择：通道0、1、2、3PITMUX_PMUX0=0; //PCE11时，选择PITLD1，PCE01时，//PCE21时，选择PITLD2，PCE31时，//time-outperiod=(PITMTLD+1)*(PITLD+1)/fBUS. //PIT中断通道1使能,相应通道中断。 }void{ATD0CTL0=ATD0CTL10x00;//8ATD0CTL2=0x40;//0100_0000AD模块上电,快速,等待模式,外部触发,中断ATD0CTL3=0x88;//1000_1000 ATD0CTL4=0x19;// fATDCLK=fBUS/[2×(PRS+1)]ATD0CTL50x0f;//第15通道转换ATD0DIEN=0x00;}AD模块是信息的基础，也是整个系统识别道路的基础。AD初始化不是在主程序中完成的，而是在每次信息之前完成的。所以，AD的由于头自身的特性，图像会产生梯形式变形，这使得 决了通过问题。重计算出黑线中心的平均值，作为本场的黑线中心。图4.4 最高效的路径完成比赛是提高平均速度的关键。对于路径的优的S弯道时，通过算法计算出来的黑线中心就会处于视场附对整场有效行的黑线中心求平均值的算法，在低速情况下明显。为了解决这个问题，我们对于参与计算的图像行数及权重进行了处理，减小了车体前部50cm范围内的图像参与的行数和一套比较合适的参数，能够有效优化高速情况下的路径。能通过有效的测量来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。图4.5PIDukpekiedtkdkp、ki、kd分别称为比例系数、积分系数、微分系数。近，得到数字PID控制器的基本算式（位置算式：uk(e1eTTenen1T T

ik其中Tkp、Ti、Td为三个待调参数，我们在实际代PreU=Kp*error+Ki*Integral+Kd*：

k

[(en

T )T )i

Td

en2PreU+=（Kp*d_error+Ki*error+向器来整波形得到较为理想的。运用PIDPID通过光电编获取的当前速度值来调整电机的 性，故选用PID参数时选取较大的P参数，而积分参数I对车速控制有惯性，影响反应速度，而积分参数I过会使速度波动增加，影响车开始在较低速（2m/s以下）试验时，在偏离黑线很少的某个范Kp准确，跑直道时虽然能黑线，但是转向调整往往超调，导致车S弯道左右震荡，同时相应会，经过反复调试PID参数，我们发类型，我们没有选择赛道等方法来判断当前赛道是哪种类型，而功地增大了CMOS摄象头图象的分辨率，在问题影响远处黑线分辨率的制约下，使到的最远处每行黑线宽度达到了2~3个点，并且视场长度（视场最远处和最近处的距离）达到1.4m，最