倒退行走式智能车速度控制算法设计本科毕业论文设计.docx
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倒退行走式智能车速度控制算法设计本科毕业论文设计
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本科毕业设计（论文）
题目：
倒退行走式智能车速度控制算法设计
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倒退行走式智能车速度控制算法设计
摘要
本文根据飞思卡尔智能车大赛规则，设计了倒退行走式摄像头智能车的速度控制系统，使智能车能够在赛道上稳定运行。
智能车采用飞思卡尔公司的9S12XSMAA单片机为核心控制器，配合有相应的硬件及H桥电机驱动电路，利用光电编码器测速形成一个闭环负反馈速度控制系统。
通过设计及调整智能车的机械结构和硬件电路图，编写控制系统C语言程序，对电机转速和舵机转角分别采用用增量式PID控制算法和位置式PD控制算法，从而实现对智能车的速度控制。
本文还增加了直道加速、弯道减速的速度控制算法，并且采用了上位机与蓝牙相结合的方式对智能车车速进行调试，以寻求最优的PID控制系统参数。
通过测试，智能车最终能以1.8ms的速度平稳地通过赛道。
关键词:
9S12XSMAA；PID控制；电机控制；舵机控制；H桥电机驱动电路
Walkingbackwardssmartcarspeedcontrolalgorithmdesign
Abstract
InthebackgroundoftheFreescaleSmartCarCompetition,fortheregressivegroupcarcameradesignandimageprocessingalgorithmsarediscussedandresearch.SmartcarthroughtheOV7620cameracaptureimagesusingedgedetectionalgorithmstoidentifytheblackline,withtheactiveedgetostrikethetrackcenterline.Invalidfilteredcenterlineofthecalculatedcenterofeachlinebias,andthetrackoftheoverallslope,intercept.Basedonthedeviationandtheslope,thecompletionoftheservomotorPDcontrolandPIDcontrol,andtracktypeidentification,determinethespecificcontrolscheme.Uponcompletionofthemechanicalstructureofthesmartcarmodificationand,throughactualtesting,constantlyoptimizethespeedofrotationofimageprocessingandcontrolalgorithms.
Keywords：
Imageprocessing;Camerasensors;Pathrecognition;PIDcontrol
第1章引言
1.1飞思卡尔智能车的背景
随着现代科技的发展，汽车的数量越来越多，由此引发的汽车拥堵、车祸等一系列安全问题引起人们的重视。
人们对汽车的智能化有了越来越高的要求，汽车生产商也推出越来越智能化的汽车来满足各种各样的市场要求。
汽车的电子化已成为行业发展的必然趋势，它包括了汽车电子控制装置，通过电子装置控制汽车发动机、车身、动力转向系统以及制动防抱死等。
汽车电子的迅速发展必将满足人们逐步增长的对于安全、节能、环保以及智能化和信息化的需求。
“飞思卡尔杯”智能汽车是以自动导航技术、汽车电子技术为背景，涉及自动控制、计算机、机械等多个学科。
采用飞思卡尔公司16位单片机9S12XSMAA作为核心控制器，控制系统包括传感器信号采集处理、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等。
摄像头组智能车是搭建基于视觉导航的智能汽车系统，通过摄像头对赛道图像的有效采集，然后再利用控制器进一步进行处理信息，作出相应的决策，控制小车寻迹。
黑白边沿这种视觉寻迹系统以其灵活、信息量大等优势成为了未来的寻迹发展方向，在将来智能汽车电子应用上有非常广大的发展空间。
1.2整体思路和总体介绍
本文分章节介绍了智能车系统用于速度控制的各个模块，包括智能车机械结构的设计及调整、智能车系统架构及其硬件设计、智能车速度控制软件设计方案和系统调试。
本智能车采用飞思卡尔公司的9S12XSMAA单片机为核心控制器，配合有相应的硬件及驱动电路，组成一个自动控制系统，由摄像头传感器、信息处理、控制算法和执行机构组成。
“飞思卡尔杯”智能汽车竞赛赛道用专用的白色KT基板制作，赛道两边有黑线。
赛道分为直道、小S虚线弯道、路障区、十字路口、上坡与下坡道路等，在控制算法上，采用位置式PD和增量式PID控制舵机和电机，窗口算法采集处理跑道，控制转速和转向，实现智能车直道加速、路障区和下坡路道减速等速率变化控制。
第2章车模系统机械设计
模型车的机械机构和组装形式是整个模型车身的基础，机械结构的好坏对智能车的运行速度有直接的影响。
经过大量的实验经验可以看出，机械结构决定了智能车的上限速度，而软件算法的优化则是使车速不断接近这个上线速度，软件算法只有在精细的机械结构上才能够更好的提高智能车的整体性能。
2.1差速器
差速器处于传动轴与左右半轴的交汇点，从变速箱输出的动力在这里被分配到左右两个半轴。
汽车在直线行驶时左右两个驱动轮的转速是相同的，由于在转弯时两边车轮的行驶距离不相等，因此两边车轮的转速也不相等。
差速器的作用就在于允许左右两边的驱动轮以不同的转速运行。
图2-1车辆直线行驶差速器状态
智能车直线行驶的时候左右两边驱动轮受到的阻力大致相同，发动机输出的动力首先传送到差速器壳体上使差速器的壳体开始转动，然后把动力从壳体传递到左右半轴上，由于两边车轮受到的阻力相同，因此差速器壳体内的行星齿轮跟着壳体公转时不会产生自转，两个行星齿轮咬合这两个半轴齿轮以相同的速度转动，这样智能车就能直线行驶。
[1]
图2-2一侧车轮遇到阻力
差速器壳体通过齿轮和输出轴相连，在传动轴转速不变情况下差速器壳体的转速也不变，假设智能车现在向左转，左侧的车轮行驶的距离短，左侧驱动轮会受到更大的阻力。
因此左侧半轴齿轮的转速会比差速器壳体的转速小，行星齿轮带动左侧半轴会更费力，这时行星齿轮会产生自转，把更多的扭矩传递到右侧齿轮半轴上。
行星齿轮的公转加自身的自转将导致右侧半轴齿轮会在差速器壳体转速的基础上增速，因此右侧车轮比左侧车轮转得快，从而实现智能车顺利通过左弯道。
2.2车轮定位
智能车在正常行驶过程中，为了使汽车直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动回正，减少轮胎和转向系零件的磨损等，在转向轮、转向节和前轴之间形成一定的相对安装位置，叫这轮定位，其主要参数有：
前轮前束、前轮外倾、后轮外倾。
（1）前轮前束
图2-3前轮约束示意图
前轮前束是指两轮后边缘距离A与前边缘距离R之差。
图2-4前轮前束
Toe角度（束角）是描述从车的正上方看，车轮的前段和车辆纵线的夹角。
车轮前端向内倾（内八字），称为Toe_in；车轮前轮向外倾（外八字），称为Toe_out。
当车轮有了外倾角后，在滚动时就类似于圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。
由于转向横拉杆和车桥的约束使车轮不可能向外滚开，车轮将在地面上出现滚边向内滑移的现象，从而增加了轮胎的磨损。
在安装车轮时，可以使两轮的前边缘距离R小雨后边缘距离A，从而使轮胎滚动时的偏斜方向抵消，轮胎内外侧磨损的现象将会减少。
[2]
Toe角度的大小会影响智能车的转向反应速度和直道行驶的稳定性。
模型车是由舵机带动左右横拉杆实现转向的，改变左右横拉杆的长度即可改变前轮前束的大小和Toe角度，经过多次试验，选择了车轮前轮向内倾，即Toe_in。
（2）前轮外倾
通过车轮中心的智能车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角α，称之为“前轮外倾角”，如图2-5所示。
图2-5前轮倾角示意
从车头望向车尾，若轮胎上端向外倾斜即左右轮呈V形，称之为正外倾角；若轮胎呈八字形张开则称之为负外倾角。
前轮外倾角对智能车的弯道性能有直接影响。
它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。
如果轮胎垂直地面即前轮外倾角等于0°路面对车轮会产生垂直反作用力，一旦满载车轮就容易产生变形，可能引起车轮上部向内倾斜，导致车轮链接件损坏。
在实际过程中，智能车一般采用正外倾角，主要目的是使承载车辆车轮磨损均匀。
（3）后轮外倾
智能车的稳定性和抓地力与后轮外倾角有关，通过调整后悬挂长柄万向节上的拉杆的长度来改变后轮的外倾角；也可通过改变后悬挂长柄万向节车身一端的固定位置来获得不同的外倾角。
采用的车模是后轮驱动，前轮是转向轮。
由于车模本身质量较轻，在拐弯处，将会使车的中心向外倾斜，当摩擦力较小的时候，智能车整体将滑出赛道。
调整外倾角能改善车模的过弯特性。
外倾角越负，智能车过弯道时受到的摩擦力就越大，但是车模会出现弯道前轮上下抖动现象，会影响车辆过弯道时的速度。
外倾角越正，智能车过弯道时受到的摩擦力就越小，过弯道时就越平稳。
综合考虑过弯道特性以及稳定性，调整使得前轮外倾角为正2°左右。
由于智能车的底盘较低，在上坡路段时，后底盘可能会摩擦到赛道，导致智能车不能正常行驶，需要将后轮的车轮降低，从而提高后部底盘的高度。
2.3舵机的安装
舵机是操控车模行驶的方向盘，舵机的输出转角通过连杆传动来控制前轮转向。
舵机的转角精度直接影响到智能车是否能准确的按赛道路线行驶。
舵机的安装对智能车行驶过程的快速性和灵活性起着非常重要的作用。
舵机的灵活转向控制取决于机械系统中各个零部件之间的协调运行。
车身简洁、底盘低稳、转向灵活、协调配合是智能车车模的设计原则。
舵机连杆是将舵机的旋转运动转换成横摆运动的一种机构，通过它将舵机转矩传递到横拉杆，实现前轮的左右转动。
转向在智能车的行驶过程中是至关重要的，连杆的设计直接关系到智能车的转向灵敏度。
连杆的作用力越大，反应就越灵敏，舵机的转向速度就越快；当转矩一定时，连杆越长，作用力就越小，因而连杆不能太长。
智能车的舵机采用直立放置的方式，将舵机安放在车模的前部中间位置，这样可以保证车模转向时的机械对称性。
舵机连杆采用标准化的连接方式和舵机尺寸，适当地加长舵机力臂，并保证力矩作用于水平方向从而减少其他方向上的损失，使舵机输出的力臂增大，即当舵机转动一个小角度时前轮转动一个大角度，但这样在一定程度上减少了力矩，因而力臂不能加得太长。
选取适当长度的连接杆，得到了较快的反应速度和足够大的输出力矩。
第3章智能车硬件电路设计
对智能车而言，硬件系统设计的可靠性是智能车能稳定工作的基本要求，硬件电路设计的好坏直接决定智能车行驶的稳定性。
好的硬件电路设计能够减轻很多控制算法上的负担。
智能车与速度控制相关的硬件电路主要包括以下几个部分：
9S12最小系统、电源管理模块、电机驱动模块、速度测量模块、舵机模块。
智能车的速度控制系统的如图3-1所示。
图3-1智能车系统结构图
本系统是以飞思卡尔公司生产的9S12XSMAA单片机为处理核心，设计出在较为严格的循线的基础上智能车能以最优化的速度绕赛道行驶。
实现功能算法的前提是要设计好功能模块的电路，进行电路调试后再实现相应的控制算法。
利用AltiumdesignerSummer软件画出电路原理图和PCB板图。
在设计PCB板图时，为了减轻接线的负担和简化电路调试，将电机驱动模块电路与主板分离开来。
依照摄像头处理过的图像信息，利用光电编码器来实现测速的测量，并将测量的车速进行反馈从而形成闭环。
利用位置式PD控制算法，由单片机输出PWM波来控制舵机的转向；利用增量式PID控制算法，由单片机输出PWM波来控制电机的转速。
3.19S12XSMAA最小系统
9S12XSMAA系列单片机是飞思卡尔公司生产的16位单片机，是基于速度更快的CPU12内核的单片机系列，具备片上的纠错能力。
MC9S12系列采用Motorola第三代Flash，容量为32KB到512KB，具备在线编程能力以及保密机制，不需要外加编程电压，典型的HC12总线速率为8MHz，而MC9S12内部总线速率最高可以达到25MHz，即40ns的最小指令周期。
MC9S12系列串行接口丰富，时钟发生器模块内设有锁相环PLL。
此外MC9S12还具有灵活的定制模式，对C进行完全优化的压缩代码的优点。
[3]
图3-2MC9S12XEMAA开发板原理图
MC9S12系列的低功耗晶振、复位控制、实时中断以及看门狗等配置和功能更加有助于系统的可靠运行。
该系列单片机具有很高的集成度，片上集成了很多功能模块，如串行设备接口、串行通信接口、AD转换器、USB接口、CAN、SPI和PWM等。
其基本特性为：
Ø16-bitCPU
Ø8位和4位的带中断功能的接口
Ø存储器：
64KFlashEEPROM
Ø2个八通道的数字模拟转换器，精度达到10bit
Ø外部转换触发功能1Mbits
Ø4个独立的中断通道，分别对应Rx,Tx,error和wake_up
Ø低通滤波器唤醒功能
Ø增强型捕捉时钟功能
Ø8个可编程输入捕捉通道输出比较通道
Ø4个8位2个16位脉冲累加器（pulseaccumulator）
Ø8个PWM通道：
周期和占空比系数可编程控制
Ø8位八通道16位4通道
Ø串行接口：
异步SCI和同步SPI
Ø112引脚封装80引脚封装
Ø带驱动能力的5VIO线路和5VAD转换
Ø50MHz工作频率，相当于25MHz总线速度-支持开发应用
MC9S12单片机主要有3个低电源模式：
Stop,PseudoStop和Wait。
Stop:
执行CPUstop指令，停止所有时钟和振荡器，以此将芯片放在全静态模式。
通过复位和外部中断可以从该模式当中唤醒。
PseudoStop：
通过执行CPUSTOP指令进入该模式。
在该模式当中振荡器任然在工作，并且实时中断和（RTI）和看门狗（COP）可以停留在激活状态。
其他外设停止工作。
该模式比fullSTOP模式产生更多电流,但是唤醒时间很明显缩短。
[4]
Wait：
通过执行CPUWAI指令进入该模式。
该模式当中CPU不执行指令。
内部CPU信号（地址和数据总线）处于全局静态状态。
所有外设保持激活状态。
为了减少功耗，所有外设可以分别停止其本地时钟。
3.2电源管理模块
稳定的电源对于一个控制系统而言至关重要，电源的稳定性关系到系统能否正常工作。
系统中各个电路模块所需的工作电流和工作电压各不相同，因此设计了多种稳压电路，将7.2V电池电压转换为各个模块所需的电压。
在设计智能车系统时为各个功能模块配置了稳定、合适的电源并在电路的设计上要避免不同电源之间、相同电源不同模块之间的干扰，从而保证整个系统的稳定运行。
智能车系统的总的电源由7.2V大容量镍镉电池，单片机最小系统、摄像头以及大多数芯片都需要5V供电，伺服电机工作电压为5V，驱动电路需要12V电源，电机直接接电池供电，智能车电压调节电路框架图如图3-3所示。
图3-3电源管理系统框架图
3.2.112V稳压电路
电机驱动电路采用12V电源供电，由7.2V镍镉电池作为12V稳压电路的输入电压，由于电机驱动电路的电流较大，因此采用MC34063大电流升压变换器电路得到12V的输出电压，并且该电路比较稳定，相对较为可靠。
MC34063是一单片双极型线性集成电路，用于直流-直流变换器控制部分。
MC34063片内包含有温度补偿带隙基准源、大电流输出开光和驱动器、一个占空比周期控制振荡器，能够输出1.5A的开关电流。
MC34063可以使用较少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。
[5]
MC34063有如下特点：
Ø能在3.0-40V的输入电压下工作
Ø工作振荡频率从100HZ到100KHZ
Ø短路电流限制
Ø输出电压可调
Ø低静态电流
Ø输出开关电流可达1.5A（无外接三极管）
MC34063的电路原理如图3-4所示。
图3-4MC34063的电路原理图
振荡器通过恒流源对外接在CT管脚（3脚）上的定时电容不断地充电和放电以产生振荡波形。
充电和放电时电流都是恒定的，振荡器的振荡频率仅仅由外接定时电容的容量决定。
在振荡器对外部定时电容充电过程中，与门的C输入端为高电平，并且在比较器的输入电平低于阈值电平时D输入端为高电平，此时C和D输入端都变成高电平，触发器被置为高电平，输出开关管导通。
在振荡器在定时电容放电期间，C输入端变为低电平，触发器的R端变为低电平，触发器被复位，触发器的Q端变为高电平，此时输出开关管处于关闭状态。
电流限制通过检测连接在VCC和5脚之间电阻上的压降来完成功能。
当检测到6、7脚之间电阻上的电压降接近超过300mV时，芯片将启动内部过流保护功能，电流限制电路开始工作。
实际设计的DC-DC升压电路如下图3-5所示，升压得到的12V电压作为电机驱动电路的电源，该升压电路采用大电流升压控制，输出电流能满足电机所需的电流要求。
图3-5DC-DC升压电路（7.2V转12V）
3.2.2TPS7350Q稳压电路
9S12XSMAA最小系统和OV7620摄像头的供电电压均为5V，由于单片机是整个控制系统的核心，因此单片机供电电源的稳定性尤其重要，并且考虑到单片机和摄像头的额定电流较小，所以采用TPS7350Q搭建稳压电路专为9S12XSMAA最小系统和OV7620摄像头进行供电。
[6]这样既可以有效抑制电源纹波，又可以消除9S12XSMAA最小系统和OV7620摄像头的供电电源与其他元件供电模块之间产生干扰，保证其工作的稳定性。
图3-6TPS7350Q稳压电路（7.2V转5V）
3.2.3LM2940稳压电路
舵机SD-5的工作电压只能在5.5V以下，正常工作电流为200mA，具有堵转保护功能，堵转电流为800mA，舵机在堵转后3s开始启用保护功能，降低电流，保护马达和电板。
考虑到舵机的堵转问题，本电路采用两片LM2940芯片搭建两个5V稳压电路。
利用一个稳压电路专门用于舵机SD-5供电，另一个5V稳压电路则用于给液晶、蓝牙、拨码开关等其他外设及芯片的供电。
图3-7LM2940稳压电路（7.2V转5V）
3.3电机驱动模块
电机驱动电路对于智能车的速度控制有着至关重要的作用，较好的制动能力和加速对于提高小车的速度有着很大的帮助。
电机的速度与施加在电机上的电压成正比，输出转矩与电机的电流成正比。
因为在智能车行驶过程中要改变直流电机的转速，采用一个PWM（脉宽调制）方波，施加在直流电机上的PWM波的占空比对应着智能车所需的速度，电机起到一个低通滤波器的作用，将PWM信号转换为有效的直流电平。
PWM信号可以由9S12XSMAA单片机产生，用精准的脉冲宽度可以调节直流电机的转速，并且要优化PWM信号的频率，以防止电机抖动。
更换直流电机的电流方向，可以控制直流电机的转动方向。
智能车采用了540电机，该电机的工作电压为12V。
利用IR公司的MOS管IRLR783和MOS管驱动芯片IR2104搭建了H桥驱动电路。
H桥驱动电路主要包括4个MOS管和两片MOS管驱动芯片，MOS管具有内阻小、开关速度快等优点，并且方便加散热片。
MOS管是电压驱动器件，使用N沟道增强型MOS管，其导通电阻小，当栅极电压大于源极电压时MOS管导通。
如图3-8所示，要是电机M转动，必须导通对角线上的一对MOS管，根据不同的MOS管对的导通情况，电流可能会从左至右或者从右至左流过电机，从而控制电机的正转和反转。
图3-8H桥电机驱动电路
当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经过Q1管从左至右流过电机，再由Q4流回到电源负极，此时电机将顺指针转动。
当Q2管和Q3管导通时，电流就从电源正极经过Q3管从右至左流过电机，再由Q2流回到电源负极，此时电机将逆指针转动。
由于9S12XSMAA单片机P口驱动能力不够大，所以要加MOS管驱动芯片IR2104来驱动MOS管。
IRLR7843的最小内部只有3.3毫欧姆，最大允许连续源极电流为161A，远远能满足要求，并且IRLR7843具有很强的驱动能力。
IR2104外接自举电路，输出驱动电压在10V到20V，具有刹车使能功能，能够较好的保护，并且具有恰当的死区，外接电路也较为简单。
具体的H桥电机驱动电路如图3-9所示。
图3-9实际H桥电机驱动电路
3.4速度反馈模块
为了使智能车能够平稳的沿着赛道行驶，需要测试智能车的速度，同过测速模块得到智能车的实际速度，将其与给定速度进行比较，形成闭环反馈系统，实现对智能车速度的控制，从而使智能车在急转弯时不会因为速度过快而冲出赛道。
通过控制电机驱动中PWM信号的占空比来控制电机的平均电压，从而控制电机的转速即控制智能车的车速。
如果没有测速模块，开环控制电机转速，会受到很多因素影响，如电机传动的摩擦力、道路摩擦力、电池电压、前轮转向角等。
这些因素都会造成智能车运行不稳定。
使用测速模块后，可以实现对车模速度的闭环反馈PID控制，就可以消除上述因素对智能车运行所带来的不利影响，是智能车运行时更加稳定。
检测测速的方法有很多种，例如用测速发动机、反射式光电检测、透射式光电检测等。
本次采用的是透射式光电编码器，其内部是光电对管加光栅码盘构成，结构简单，稳定性高。
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