扬州大学赛格门队智能汽车邀请赛技术报告.docx

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扬州大学赛格门队智能汽车邀请赛技术报告

第一章引言1

第二章系统设计制作的思路以及实现的技术方案3

系统分析3

2.2系统设计结构图3

第三章机械系统设计与实现5

3.1车模转向舵机机械结构的设计5

第四章硬件电路系统设计与实现7

4.1硬件电路设计方案7

4.1.1以S12为核心的单片机最小系统7

4.1.2主板8

4.1.3电机驱动电路11

4.1.4摄像头13

4.1.5速度传感器14

第五章软件系统设计与实现17

5.1HCS12控制软件主要理论、算法说明17

5.1.1基于CCD图像传感器的路径识别算法17

5.1.2转向控制策略19

5.1.3速度控制策略20

5.2开发工具以及软件安装调试过程20

5.3代码设计简介22

第六章结论25

参考文献27

第一章引言

全国大学生智能汽车竞赛是教育部九项大学生设计竞赛之一，它以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科，目的是为了提高当代大学生实践能力、创新能力和培养精诚合作的团队精神。

竞赛要求以飞思卡尔（freescale）S12为控制芯片，统一模型车体并进行自主设计，制作出具有自主识别道路能力的智能汽车。

它将在专门设计的跑道上自动识别道路调试行驶。

中心目标是不违反大赛规则的情况下以最短时间在跑道上跑两圈，跑完两圈之后，赛车需要在通过起始线后三米范围内自动停止。

本文主要对车模整体设计思路，硬件与软件设计及车模的装配调试过程作简要的说明。

本智能车系统设计以MC68S912DG128微控制器为核心，通过一个CMOS摄像头检测模型车的运动位置和运动方向，PID控制算法调节驱动电机的转速和舵机的方向，完成对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。

实验结果表明，系统设计方案可行。

第二章系统设计制作的思路以及实现的技术方案

系统分析

智能车竞赛要求设计一辆以组委会提供车模为主体的可以自主寻线的模型车，最后成绩按单圈最快时间，并要求赛车在起始线后三米范围内自动停止。

我们分析了前两届比赛的各个队伍的优缺点，分析了各种传感器的特点和应用范围，并展望了智能车发展方向，比较了光电传感器和CMOS图像传感器的优缺点。

红外传感器相对简单，程序处理也不是很负责，但是前瞻距离很小；CMOS图像传感器前瞻距离大，采样信息量大，便于分析前方路径信息，但是其程序处理相对比较负责，时序控制要求很严格，对单片机速度要求较高。

由于程序处理以及操作的延时，要想车保持稳、快、准三要素，车就必须有一定的前瞻性，保持对前方路径的清晰分析。

基于以上的考虑我们决定采取以CMOS图像传感器为基础的寻径系统。

2.2系统设计结构图

按照预先的设计，我们设计了整个系统的结构图。

系统力求简单高效，在满足比赛要求的情况下，使硬件结构最简单，减少因硬件而出现问题。

图2.1智能车系统结构图

第三章机械系统设计与实现

为了充分利用好提供的车模，在准备初期以尽量的少改动车模为原则，但经过的长期的调试，以及与同类队伍的比较，总结出必须在组委会规定的比赛规则范围内适当的改装车模，我们对舵机的力臂进行了改进，经过改进，整车的性能和舵机的响应时间得到很大的改善，这也是系统设计必不可少的一部分。

3.1车模转向舵机机械结构的设计

转向系统在车辆运行过程中有着非常重要的作用，合适的前桥调整参数可以保证在车辆直线行驶过程中不会跑偏，即保证车辆行驶的方向稳定性；而在车辆转向后，合适的前桥可以使得车辆自行回到直线行驶状态，即具有好的回正性。

基于这个原因，前桥参数调整及转向系统优化设计必然会成为智能车设计中机械结构部分的重点，在实际操作中，我们通过理论预测进行方案的可行性分析，然后做出实际结构以验证理论数据。

另外，在模型车制作过程中，除了遇到“如何得到良好的方向稳定性”的问题外，还要考虑如何尽快实现转向。

而由于功率是速度与力矩乘积的函数，追求速度，必然会使力矩减小，因此设计时就要考虑到舵机的动力与来自地面的摩擦阻力间的关系，避免因舵机力量太小使得车辆无法转向的情况发生。

经过最后的参数比较，为了解决以上问题，我们希望通过设计一些可调整的机构，加上实际测算，最后得出一套可以稳定、高效工作的参数及机构。

赛车机械结构只使用竞赛提供车模的底盘部分及转向和驱动部分。

控制采用前轮转向，后轮驱动方案。

我们在实际调整时的改进办法：

改进舵机力臂，使左右等臂，抬高舵机增大力臂，从而增大车行进中的车轮转向速度。

在车转弯时，能及时转弯。

但对力臂的改装增加了舵机的负荷，对舵机有一定的损耗。

因此必须调整好舵机的高度，必须保证舵机的高效，又要保证其稳定。

图3.1改进后的舵机转向机构及安装图

在最终设计的这套机构中，综合考虑了速度与扭矩间的关系，尽量减小舵机的负荷，并根据模型车底盘的具体结构，简化了安装方式，实现了预期目标，不过该机构仍存在自身重量太大的问题，将在以后的调试过程中逐渐改进。

第四章硬件电路系统设计与实现

4.1硬件电路设计方案

从最初进行硬件电路设计时我们就既定了系统的设计目标：

稳、快、准，在整个系统设计过程中严格按照规范进行。

整个智能车控制系统是由三部分组成的：

S12为核心的最小系统板、主板、电机驱动电路板。

最小系统板可以插在主板上组成信号采集、处理和电机控制单元。

4.1.1以S12为核心的单片机最小系统

单片机最小系统板使用MC9S12DG128单片机，112引脚封装，为减少电路板空间，板上仅将本系统所用到的引脚引出。

单片机引脚规划如下：

PB0-PB7：

调试用LED.

PT3：

奇偶场信号输入。

PT2：

行同步脉冲输入信号。

PWM5：

舵机角度控制信号输出。

PWM1：

电机速度控制信号输出。

PWM3:

反向电机速度控制信号。

PAD0:

图像信号输入端。

4.1.2主板

主板上装有组成本系统的主要电路，它包括如下部件：

电源稳压电路、视频同步分离电路、摄像头接口、舵机接口、电机驱动器接口、电源接口、单片机最小系统板插座、指示灯、开关等。

1）电源稳压/升压电路

本系统中电源稳压电路为+2.5，+5V、+6V和+12V稳压电路，为整个智能模型车自动控制系统中除后轮驱动电机外的所有设备供电。

嵌入式控制系统的MCU一般都需要一个稳定的工作电压才能可靠工作。

而设计者多习惯采用线性稳压器件（如78xx系列三端稳压器件）作为电压调节和稳压器件来将较高的直流电压转变为MCU所需的工作电压。

这种线性稳压电源的线性调整工作方式在工作中会造成较大的“热损失”（其值为V压降×I负荷），其工作效率仅为30%～50%[1]。

加之工作在高粉尘等恶劣环境下往往将嵌入式工业控制系统置于密闭的容器中以保证局部的清洁。

这样用线性电源不仅工作效率低，而且“热损失”产生的热量在密闭容器内的聚集也加剧了MCU的恶劣工况,从而使嵌入式控制系统的稳定性能变得更差。

而开关电源调节器件则以完全导通或关断的方式工作。

因此，工作时要么是大电流流过低导通电压的开关管、要么是完全截止无电流流过。

因此,开关稳压电源的功耗极低，其平均工作效率可达70%～90%[1]。

在相同电压降的条件下,开关电源调节器件与线性稳压器件相比具有少得多的“热损失”。

因此，开关稳压电源可大大减小散热片体积和PCB板的面积，甚至在大多数情况下不需要加装散热片，从而减少了对MCU工作环境的有害影响。

采用开关稳压电源来替代线性稳压电源作为MCU电源的另一个优势是:

开关管的高频通断特性以及串联滤波电感的使用对来自于电源的高频干扰具有较强的抑制作用。

此外，由于开关稳压电源“热损失”的减少,设计时还可提高稳压电源的输入电压,这有助于提高交流电压抗跌落干扰的能力。

LM2576系列开关稳压集成电路是线性三端稳压器件（如78xx系列三端稳压集成电路）的替代品,它具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为MCU的稳定、可靠工作提供了强有力的保证。

另外，后轮驱动电机工作时，电池电压压降较大，为提高系统工作稳定性，必须使用低压降电源稳压芯片，因此，经本小组商量研究决定采用LM2576稳压芯片。

LM2576ADJ芯片具有输出电压可调的功能。

我们选用的贴片封装在焊接时需注意将贴片接地，这样可以减少纹波，稳压电路如图4.1所示。

12v升压电路采用MC34063芯片，该芯片性能一般，在电感选用上需注意，应采用绕线电感，选择电容须注意，工作时可能产生噪声，电路如图4.2所示。

图4.1电源稳压电路

图4.2升压电路

2）视频同步分离电路

由于比赛赛道黑白分明，因此智能模型车自动控制系统中使用黑白全电视信号格式CMOS摄像头采集赛道信息。

摄像头视频信号中除了包含图像信号之外，还包括了行同步信号、行消隐信号、场同步信号、场消隐信号以及槽脉冲信号、前均衡脉冲、后均衡脉冲等。

因此，若要对视频信号进行采集，就必须通过视频同步分离电路准确地把握各种信号间的逻辑关系。

我们使用了LM1881芯片对黑白全电视信号进行视频同步分离，得到行同步、场同步信号。

视频同步分离电路原理图4.3示。

图4.3视频同步分离电路

4.1.3电机驱动电路

为了利用单片机实现对主电机的控制，使用MOTOROLA公司的H桥芯片MC33886。

该芯片的供电电压在5V至40V之间均可，MOSFET管的导通电阻为120mΩ，控制信号的输入兼容TTL/CMOS电平，PWM的最高频率可达10kHz，同时具有短路保护功能和故障信号的输出。

MC33886的应用示意图如图4.4示。

图4.4MC33886的应用示意图

图中，V+是为直流电机供电的电源。

IN1和IN2两个逻辑电平输入端分别控制输出端OUT1和OUT2。

当IN1输入高电平时，OUT1输出也为高电平——即通过H桥与V+导通；当IN1输入低电平时，OUT1输出也为低电平——即通过H桥与GND导通。

IN2和OUT2的关系与此相同。

FS为故障信号开漏极输出，低电平有效。

当D1是高电平或者D2是低电平时，同时禁用OUT1和OUT2的输出，使OUT1和OUT2同时变为高阻态。

通过控制IN1和IN2的电平，即可控制电机正转、反转、停转。

对IN1和IN2的电平信号进行脉宽调制，即可控制电机的转速。

本组采用2片MC33886并联的方式，增加驱动电路对小车的驱动能力。

经测试，此驱动电路驱动能力相比与原单片MC33886驱动能力强很多，比普通MOS管组成的H桥驱动能力稍强。

MC33886电路图如图4.5所示。

在此特别提醒的一点是许多队伍提出芯片易发烫，我们队先后三次制作印制板，芯片散热一次比一次好。

我们并没有采用散热片，而是采用底板散热的方法，既减小了体积又起到了散热的效果。

如图4.6所示。

图4.5电机驱动板电路

图4.6MC33886印制板电路

4.1.4摄像头

本智能车寻线采用CMOS图像传感器方式，普通单板摄像头。

普通CMOS图像传感器通过行扫描方式，将图像信息转换为一维的视频模拟信号输出。

CMOS输出的信号变化很快，比如PAL制式的视频信号，每秒钟输出50帧图像信息（分为奇、偶场），每帧图像有312.5行，每行图像信号时间为64微秒，其中有效的图像信号约为56微妙左右。

摄像头如图4.7所示

图4.7摄像头

4.1.5速度传感器

为了使得赛车能够平稳地沿着赛道运行，需要控制车速，使赛车在急转弯时速度不至过快而冲出赛道。

通过速度检测，对车模速度进行闭环反馈控制，即可消除上述各种因素的影响，使得车模运行得更稳定。

车速检测的方式有很多种，例如用测速发电机、转角编码盘、反射式光电检测、透射式光电检测和霍尔传感器检测。

在综合前两届比赛的经验，以及本队成员和老师的讨论，我们采用光电编码器测速。

它由5-1