河北工程大学科信学院飞天一队智能汽车竞赛技术报告.docx

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河北工程大学科信学院飞天一队智能汽车竞赛技术报告

摘要

本智能小车系统以Freescale16位单片机MC9S12DG128作为系统控制处理器，采用基于光电传感器的信号采样模块获取赛道黑线信息，通过PID控制策略和PWM控制技术对智能小车的转向和速度进行控制，使小车能够自主识别并实现快速稳定的寻线行驶。

通过对各种算法的筛选和优化，提高了智能车的可靠性。

在调试过程中，利用PC机显示本车摄像头拍摄到的图像，利用labview编制的软件显示PID调速信息。

利用图像处理程序中的模式识别功能判断起跑线,弯道，“十字”交叉，上下坡等，综合PID算法对速度，舵机的转向大小进行调节控制，结合闭环控制的策略，控制智能车沿主办方预设的轨道及时调整车身的姿态。

结果表明，智能小车系统工作稳定，能较好的满足控制要求。

关键词：

智能小车系统，MC9S12DG128，加速度传感器，速度检测，PID

摘要…………………………………………………………………………III

第一章引言…………………………………………………………………1

1.1总体方案介绍…………………………………………………………1

1.2智能车系统概述及框图………………………………………………1

1.3智能车主要设计与技术参数…………………………………………3

第二章系统硬件及软件设计……………………………………………………3

2.1系统硬件结构设计………………………………………………………3

2.2系统软件结构设计………………………………………………………3

第三章智能车的机械结构调整…………………………………………………5

3.1车模机械参数的调整……………………………………………………6

3.2轮定位参数的选择………………………………………………………6

3.3摄像头安装及调试………………………………………………………8

3.4差速器的调整……………………………………………………………10

3.5舵机的调整………………………………………………………………11

3.5.1舵机的安装……………………………………………………………11

3.5.2舵机的控制……………………………………………………………12

3.6其他机械模块调整………………………………………………………13

第四章控制策略设计……………………………………………………………14

4.1控制策略概述……………………………………………………………14

4.2PID控制算法…………………………………………………………15

4.3模糊推理方式……………………………………………………………16

第五章智能车硬件制作…………………………………………………………16

5.1单片机电路的设计………………………………………………………17

5.1.1S12微控制器电路………………………………………………………17

5.1.2时钟电路………………………………………………………………17

5.1.3S12单片机滤波电路设计………………………………………………18

5.1.4S12单片机复位电路的设计………………………………………………18

5.1.5BDM接口电路设计………………………………………………………18

5.2电源管理模块的电路设计……………………………………………19

5.2.1电源管理电路图………………………………………………………20

5.2.2LM2940-5的相关资料……………………………………………………20

5.3速度采集模块的电路设计……………………………………………21

5.3.1编码器工作原理………………………………………………………21

5.3.2编码器的使用………………………………………………………22

5.4串口部分的硬件设计………………………………………………22

5.4.1串行通信原理………………………………………………………22

5.4.2MAX232简介…………………………………………………………23

5.4.3MAX232电路图……………………………………………………24

第六章程序设计与调试………………………………………………………25

6.1开发工具………………………………………………………………25

6.1.1编译环境………………………………………………………………25

6.1.2调试环境………………………………………………………………26

6.1.3智能车图像调试工具……………………………………………………27

6.2智能车图像采集程序……………………………………………………28

6.2.1智能车图像采集策略……………………………………………………28

6.2.2图像采集程序…………………………………………………………29

6.3智能车图像处理程序调试过程…………………………………………30

6.3.1智能车图像处理程序策略………………………………………………30

6.3.2智能车找点程序………………………………………………………31

6.4智能车舵机控制程序调试………………………………………………32

6.4.1智能车舵机控制程序策略………………………………………………33

6.4.2智能车舵机控制部分程序………………………………………………33

6.5速度控制程序调试………………………………………………………34

6.5.1速度控制策略…………………………………………………………34

6.5.2速度控制部分程序……………………………………………………34

6.6串口部分程序调试…………………………………………………………36

6.6.1智能车系统中串口的功能………………………………………………36

6.6.2串口部分的程序………………………………………………………36

6.7开发与调试过程总结……………………………………………………37

第七章参赛总结…………………………………………………………………38

参考文献……………………………………………………………………………41

附录：

源程序代码…………………………………………………………………42

第一章引言

1.1总体方案介绍

一、智能小车以“飞思卡尔”公司的MC9S12DG128单片机为核心控制模块，自主构思控制方案及系统设计，引导改装后的模型汽车按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。

为了进一步训练大学生的科学技术研究素质，参赛队伍除了进行现场比赛之外，还需提交技术报告，并计入竞赛总分。

二、智能小车需反射后，由于白纸和黑线吸收红外线的强度不同，接收管收到的红外光强弱也不同，由此来判断黑线的位置。

这种检测方法的优点是检测速度快，成本低，但精确度很低；CCD摄像头则是通过图像采集，动态拾取路径信息来进行寻线判断。

采用CCD摄像头寻迹则能大幅度提升小车的前瞻性。

但是它的电路设计较要实现自主寻迹，因而需要选择合适的寻线传感器。

目前普遍采用的寻线方案主要有光电管寻迹和CCD摄像头寻迹。

用红外发射管发射出的红外线，经过赛道为复杂，检测信息更新速度慢，数据处理量比较大，算法较为复杂。

三、由于速度是比赛的关键，那么在智能小车的设计中设计一个好的电机驱动电路至关重要。

选用“飞思卡尔”公司的MC33886主电机驱动芯片，该芯片的内部构造为MOS管构成的H桥式电路，并加入了逻辑控制电路和过流过热保护电路，性能优良。

1.2智能车系统概述及框图

硬件系统框图设计:

图1.1系统硬件结构框图

由上面框图可知：

智能车设计包括主控制器模块（微控制MC9S12DG128）、图像采样模块、速度检测模块、舵机驱动模块、电机驱动模块、现场参数设定模块、电源管理模块七个模块组成。

●微处理器S12单片机是系统的核心部分，它接收图像数据和速度的反馈信息，根据采集到的图像数据提取黑色的引导线的位置，利用PID算法等控制舵机转动的偏移量和给驱动电机输出适当的占空比。

●图像采样模块是除S12微控制器外最重要的模块，他负责采集道路的信息系统的眼睛。

它由图像采集模块驱动电路和芯片OV6620组成，负责道路的检测，并将道路图像信息转换成微处理器能够处理的数据。

●车速检测模块是用轴脚编码器测定车速，同时将检测到的车速反馈给S12微控制器。

●舵机驱动模块和电机驱动模块分别用于实现赛车的转向和前进控制。

●电源管理模块的核心芯片是LM2940CT，它为S12单片机、图像处理模块、速度检测模块和舵机提供稳定可靠的电压。

1.3智能车主要设计与技术参数

智能车的设计主要体现在机械结构改造、电子电路的设计和软件的设计。

对于机械结构又可以分为调整车模的参数和为便于安装进行的改造；电子电路的设计主要包括S12微处理器和外围电路的设计，舵机、电机的驱动电路、速度检测模块的电路设计、图像检测模块的电路设计，还有电源部分的电路设计几部分构成；软件设计主要包含图像信息中黑色引导线的提取、PID控制和闭环控制程序。

车模的技术参数表：

长×宽×高

297×158×251（mm）

摄像头

1个

总重量

1.17kg

轴编码器

1个

电路总功耗

10~40W

新增伺服电机

0个

电容总容量

1280.5uf

新增驱动电机

0个

赛道检测频率

50Hz

赛道检测精度

8mm

表1-1车模技术参数表

第二章系统硬件及软件设计

2.1系统硬件结构设计

（1）主控芯片用飞思卡尔半导体公司生产的16位单片机（MC9S12DG128）

（2）图像采集模块采用模拟摄像头提取赛道信息；

（3）速度检测模块采用轴编码器采集智能车的速度；

（4）路径识别模块由S12的AD模块、传感器和外围电路组成；

（5）电源管理模块使用5V的稳压芯片；

（6）舵机，电机，采用组委会统一提供的器件，就不再讲述。

2.2系统软件结构设计

硬件设计就是给智能车建立了基本的框架，给它制造了身体；软件设计就是赋予小车生命，给予其灵魂。

只有有了健壮灵敏的身躯和聪明、智慧的大脑，才能取得优异的成绩。

所以，赛车的软件系统设计对于赛车来说是至关重要。

整个赛车的运行过程又可以分为以下的几个步骤。

首先，智能车系统通过图像采样模块获取前方赛道的二维图像数据，在数据中才找黑色的引导线的位置，判断是直道还是弯道，指引舵机进行方向的改变，然后读取速度的反馈，再进行调速，在判断出直道以后检测起跑线。

检测出起跑线，赛车停止，不是，重复以上过程。

只有将上述硬件、软件部分进行有效的融合，进行充分的实验、测试，才能使赛车具有一个相对良好的整体行驶性能。

这也就是在接下来的各个分模块中需要做的工作。

软件设计流程图如图2.1所示：

图2.1程序流程图

第三章智能车的机械结构调整

智能车的机械结构是一个不容忽视的问题，主要有前轮倾脚的调整，后轮轮距的调整，增加调节块调节缓冲器弹簧的力度等等。

摄像头是智能车对道路情况进行检测的唯一的途径，摄像头安装的好于坏直接关系到智能车能不能正常的行驶。

机械结构是车模的基本性能，当车速提高到一定程度后，这将严重影响车模的行走路线。

车架调试的好坏决定了智能车的转弯半径，转向的灵活性和稳定性。

如果车模调试得当，可大大增强智能车的竞争力。

3.1车模机械参数的调整

我们队所制作的车模的技术参数如下：

项目

参数

路径检测方法（赛题组）

摄像头组

车模几何尺寸（长、宽、高）（毫米）

297*158*251

车模轴距/轮距（毫米）

204/110

车模平均电流（匀速行驶）（毫安）

900

电路电容总量（微法）

1280.5

传感器种类及个数

模拟摄像头光电编码器

新增加伺服电机个数

0

赛道信息检+测空间精度（毫米）

8

赛道信息检测频率（次/秒）

50

主要集成电路种类/数量

TLC55101881一个34063一个3205四个

车模重量（带有电池）（千克）

约1.17

表3-1车模的技术参数

3.2定位参数的选择

现代汽车在正常行驶过程中，为了使汽车直线行驶稳定，转向轻便，转向后能够自动回正，并减小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了一定的相对安装位置，叫前轮定位，其主要定位参数包括：

主销后倾、主销内倾、前轮外倾和前束，模型车前轮的四项定位参数均可调。

以下是车模的调校内容、参数与选用理由：

●主销后倾角：

2°

主销后倾角，如图3.1，是指主销在汽车的纵向平面内（汽车的侧面）有一个向后的倾角，即主销轴线与地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角。

由于主销后倾后，小车在车轮偏转后会产生一回力矩，纠正车轮的偏转。

后倾角越大，车速越高，车轮偏转后自动回正能力越强。

但回正力矩过大，将会引起前轮回正过猛，加速前轮摆振，并导致转向沉重。

所以将主销后倾角设置为2°

●主销内倾角：

0°

由于车模行驶速度小、重心低，转向时侧倾极少，所以为了提高转向的灵敏性，车的主销内倾角都设为0°。

●前轮外倾角：

0°

通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角称为“前轮外倾角”。

轮胎呈现“八”字形张开时称为“负外倾”，而轮胎呈现“V”字形张开时称为“正外倾”。

前轮外倾角一方面可以在汽车重载时减小或消除主销与衬套、轮毂与轴承登出的装载间隙，使车轮接近垂直路面滚动而滑动，同时减小转向阻力，使汽车转向轻便；另一方面还可以防止由于路面对车轮垂直反作用力的轴向分力压向轮毂外段的轴承，减小轴承及其锁紧螺母的载荷，从个人增加这些零件的使用寿命，提高汽车的安全性。

一般前轮外倾角为1°左右。

由于本模型车主要用于竞速,在设计中必然要尽可能减轻重量，所以其底盘承重不大，且前轮外倾角仅有两档可调，故设为0°即可，关键是前束角要与之匹配。

●前轮束角：

前束1.5°

由于我们的比赛车模的车速并不快（20km/h以内），并且跑道平整，所以选用前束1.5°，以便提高车模的转向反应速度。

前轮束角，如图3.2，是描述从车的正上方看，车轮的前端和车辆纵线的夹角。

车轮前端向内倾（内八字），称为Toe-in;车轮前端向外倾（外八字），称为Toeout。

Toe-in可以帮助车在加速时保持稳定，同时也会减少车子在进入弯角时的转向反应。

但高速转向时，如果车体侧倾严重，重心明显向外测车轮移动时，也会增加转向。

Toe-out可以使车在进入弯角时获得更多的转向。

由于转弯时靠近内侧的车轮行驶圆弧的半径较短，所以使内侧车轮比外侧车轮转角稍大一些可以使车的转向更灵活。

并且少量的Toe-out可以使车更容易行驶直线。

但过大Toe-out会使车子在加速时、或者通过起伏路面时，变得不稳定，偏离直线。

越大角度Toe-in或Toe-out，越会减低车辆在直线行走的速度。

3.3摄像头安装及调试

在智能车的整个系统中，图像采集模块是一个非常重要的模块，而摄像头就是图像采集模块的核心。

摄像头的安装对图像采样效果和智能车重心有很大影响。

摄像头安装过低，会影响智能车的前瞻性;安装过高会降低图像的清晰度，也会使车重心变高。

越高的重心在转弯时越容易翻车，所以我们在保证足够的前瞻性的同时尽量降低摄像头的高度。

摄像头与支架的固定不仅使用螺丝，同时加热熔胶使其牢牢地固定在最佳位置，安装如图3.3

图3.3摄像头的安装

图3.4摄像头拍到的图像

3.4差速器的调整

当车辆在正常的过弯行进中（假设：

无转向不足亦无转向过度），此时4个轮子的转速（轮速）皆不相同，依序为：

外侧前轮＞外侧后轮＞内侧前轮＞内侧后轮。

此次所使用车模配备的是后轮差速机构。

差速器的特性是：

阻力越大的一侧，驱动齿轮的转速越低；而阻力越小的一侧，驱动齿轮的转速越高。

以此次使用的后轮差速器为例，在过弯时，因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小，轮速便较高；而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便较低。

差速器的作用就是保证小车在转弯时内外驱动轮能以不同的转速作纯滚动运动，避免发生车轮拖滑。

差速器的性能对于小车过弯时的表现有着非常重要的影响，因此，对于差速器的调整是小车机械调整的重要环节。

因此，为保证良好的差速效果，对差速器进行调整的关键是要调节好压盘和滚珠之间的压紧力。

具体的调整方法是：

调节后轴螺母，使压盘和滚珠之间松紧适中，捏住减速齿轮使其固定同时转动一侧车轮，检查车轮的转动是否迟滞艰涩；此外，还要观察该侧车轮向前转动的角度是否与另一侧车轮向后转动的角度基本相同；然后将小车满载放置于赛道上，同样捏住大齿轮然后拉动小车转弯，观察后轮相对地面滑动的情况，调节后轴螺母，使得后轮与地面基本不发生拖滑为宜。

这样小车在入弯时既能灵活转向，又能避免车轮侧滑，差速器的安装如图3.5

图3.5差速器的安装

3.5舵机的调整

3.5.1舵机的安装

舵机是赛车控制中的一个滞后环节，响应速度偏慢，有很大的时间延迟。

舵机的响应速度直接影响到赛车过弯时的转向性能；响应速度越快，赛车转弯时就越灵敏，车子在不发生侧滑的情况下所能达到过弯车速就越高。

因此，想办法提高舵机的响应速度是提升赛车整个赛段平均车速的一个关键。

实验可知，舵机的响应速度与舵机的工作电压和输出转向传动比密切相关。

单从机械方面考虑，增加转向传动比可以提高舵机的响应速度。

根据大赛规则，舵机不允许改动，但是舵机的连接件和安装位置可以改变。

这就为设法提高舵机输出转向传动比提供了依据。

本文对舵机的外围结构和安装位置进行了研究并作出相应的调整。

具体的做法如图所示，我们改变了舵机的放置方式，把舵机纵向放置并增加舵机个数，使一边的舵机控制一边的转向轮，然后将转向拉杆连接在输出臂的末端。

这样就可以增加输出臂的长度。

增加输出臂的目的在于增大转向拉杆与舵机连接点到舵机轴心之间的距离，相当于增大力臂，及灵敏度。

舵机自身硬件特性决定了在给定电压一定时，空载和负载时舵机转动的角速度ω分别保持定值，而线速度V＝ω·R，正比与舵机输出臂的长度R。

这样一来，在相同的舵机转速条件下（即ω不变），增加舵机的输出臂的长度R可以使转向拉杆移动的线速度得到提高，前轮转向就越快，反应就越敏捷。

显然这样利用舵机的转矩余量可以提高其响应速度，从而提高了整个赛车转向控制的速度。

图3.6舵机安装

3.5.2舵机的控制

舵机的转向是由PWM（PulseWidthModulation脉冲宽度调制）技术来进行实时控制的。

其工作原理是：

单片机首先对图像传感器采集回来的信号进行处理，然后根据得到的不同检测信号发出不同占空比的PWM控制信号给舵机，舵机在控制信号的作用下转动一定角度。

脉冲宽度和舵机转角成线性关系，其计算公式为：

α=（L-1.5）*90°

其中α为舵机转角，单位是度；L是脉冲宽度，单位是ms。

舵机转角和脉冲宽度的关系如图3.7所示：

图3.7舵机转角和脉冲宽度示意图

舵机的控制使用MC9S12DG128的PWM0与PWM1口级联成一个16位PWM输出。

在单片机总线频率为24MHz的时候，设置级联的PWM周期常数为60000，对应PWM周期为20ms，PWM占空比常数为4500对应输出为1.5ms。

改变占空比常数可以改变输出脉冲的宽度。

3.6其他机械模块调整

在调试过程中，除去对以上部分的调整以外，其他机械部分也要酌情调整。

悬挂臂、转向联杆的动作要灵活自如，准确无误；主悬架要松紧适度；驱动电机的螺丝一定要上紧，并要经常检查，一旦在行驶中松动就会造成零件的损坏。

调试中还发现主悬架的第二个螺丝容易松动，测试时要检查是否上紧。

小车的机械性能是个不容忽视的问题，尤其是小车重心问题和前轮的倾脚问题。

电路板的安装和摄像头的安装在满足功能前提下一定要定要考虑小车的机械稳定性和可靠性。

另外，经过半年的制作发现，电机的安装（齿轮啮合松紧）和轮胎的摩擦系数对小车的性能也有非常大的影响，经过较长时间的调试终于达到了比较满意的程度。

第四章控制策略设计

在小车的运行中，主要有方向和速度的控制，即舵机和电机的控制，这两个控制是系统软件的核心操作，对小车的性能有着决定性的作用。

对舵机的控制，要达到的目的就是：

在任何情况下，总能给舵机一个合适的偏移量，保证小车能始终连贯地沿黑线以最少距离行驶。

在舵机的控制方案中，有以下两种方案可供选择：

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方式的限制，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，造成小车行驶过程中的振荡，而且其收敛速度也有限。

方案二：

PID控制

PID控制在比例控制的基础上加入了积分和微分控制，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，I，D三个参数的设定较难，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PID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驶过程中，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驶，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，在硬件设计，增加了速度传感器实时采集速度信息。

4.1控制策略概述

本项目中，被控对象有两个：

舵机的偏转角和电机的转速。

小车的速度控制需要依靠经验进行调整，以满足在不同路况下的稳定运行；小车的位置需要根据黑线与车体的关系进行调整。

因此在本项目中，对速度采取条件控制，对于舵机偏转采用基于偏差量的PID反馈控制。

为了使小车的控制更加精确，能对具体的路况。

例如，大弯道，小弯道，连续S形弯道）作出更有针对性的调整，本项目通过专门的信号处理和识别模块来识别小车所处的状态，并根据经验条件对不同情况下的算法组合进行调配与组合，使得小车根据不同情况智能选择行驶策略的功能。

位置控制：

根据状态选择PI，PD，PID信息处理传感器模块状态识别与判速度控制:

根据条件选择加速，减速，刹车赛道记忆被控对象

4.2PID控制算法

PID算法原理：

比例，积分，微分（PID）是建立在经典控制理论基础上的一种控制策略。

PID控制器作为最早实用化的控制器，已经有五十多年的历史，现在仍然是最广泛的工业控制器。

PID控制器最大的特点是简单易懂，使用中不需要精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最广泛的控制器。

系统偏差信号为e（t）=r（t）-y（t）。

在PID调节作用下，控制器对误差信号e（t）分别进行比例（P），积分（I），微分运算（D），其结果的加权和构成系统的控制信号u（t），送给被控对象加以控制。

PID控制器的数学描述为式4-1

式4-1

式中，Kp为比例系数，Ki为积分时间常数，Kd为微分时间常数。

比例环节的主要作用是：

Kp的值增大时，系统的响应速度加快，闭环系统响应的幅值增加。

当达到某个Kp值，系统将趋于不稳定。

当增加积分时间常数Ki的值时，系统超调量减小，而系统的响应速度将变慢。

因此，积分环节的主要作用是消除系统的稳态误差，其作用的强弱取决于积分时间常数Ki的大小。

4.3模糊推理方式