沈阳理工智能汽车竞赛技术报告.docx

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沈阳理工智能汽车竞赛技术报告

摘要

本智能车系统以飞思卡尔公司的16位单片机MC9S12DG128B为核心控制器，利用红外传感器（光电组）采集路况信息，配合驱动电路进行信息处理，以达到路径识别的目的，控制模型车高速稳定地在跑道上行驶。

硬件电路部分主要采用MC33886模块稳定、有力地驱动直流电动机和舵机。

所选用的电源管理芯片LM2940，可使在7.2伏电池供电的条件下为系统的各功能模块提供了稳定、可靠的工作电源，为智能车的稳定工作提供了有力的保证。

测速部分采用电压频率转换芯片LM2907完成对速度的及时测量和反馈。

软件系统部分主要包括以下与路径识别系统相关模块的算法：

（1）红外传感器采集数据的处理模块算法；

（2）速度反馈以及用PID算法实现对即时速度的调节模块；（3）舵机调节模块算法；（4）基于上述三个模块的路径识别算法；（5）相应的调试函数。

本系统利用开发工具CodeWarrior进行编程开发，用BDM进行程序下载，利用串口传输的数据进行在线调试。

这些工具的使用，使得软件的设计编程和调试工作得到了保证。

通过一系列的调试，本系统基本实现了路径识别的功能，在实际的测试中，小车也比较好的完成循线行驶的任务。

关键字：

智能车，路径识别，PID

摘要II

第一章引言1

第二章总体方案概要说明3

2.1设计思想3

2.2传感器方案的确定3

2.3速度检测方案4

2.4电机驱动调速模块的选择6

第三章机械部分设计9

3.1前瞻红外传感器的安装9

3.2起跑线检测红外传感器的安装10

3.3测速模块的安装11

3.4主板的安装12

3.5底盘参数设计改进12

3.6齿轮传动机构调整13

第四章系统硬件设计15

4.1系统硬件总体结构15

4.2电源管理模块设计15

4.3直流电机驱动电路17

4.4速度传感器19

第五章软件设计21

5.1HCS12控制软件重要理论21

5.2算法的说明21

5.2.1路面信息检测21

5.2.2智能车的转向角度控制22

5.2.3智能车速度的控制23

5.2.4软件抗干扰技术的应用24

第六章开发工具及制作调试过程25

6.1开发工具25

6.2制作调试过程25

第七章结论27

7.1模型车的主要技术参数说明27

7.2总结27

参考文献29

附录A：

部分程序代码31

第一章引言

随着现代科技的飞速发展，人们对智能化的要求已越来越高，而智能化在汽车相关产业上的应用最典型的例子就是汽车电子行业，汽车的电子化程度则被看作是衡量现代汽车水平的重要标志。

同时，汽车生产商推出越来越智能的汽车，来满足各种各样的市场需求。

第二届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛就是在这个背景下举行的。

按照比赛规则，大赛组委会指定智能车车模、MC9S12DG128开发板、可充电镉镍电池组、电机驱动芯片MC33886和舵机。

参赛队伍需要学习并应用嵌入式软件开发工具Codewarrior进行在线开发和调试。

这个大赛的综合性很强，涵盖了控制、模式识别、传感、电子、电气、计算机和机械等多个学科交叉的科技创意性比赛[1]。

参赛队员需要在了解上述多学科知识的基础上，利用Codewarrior软件编程控制智能车对路径信息进行采集和处理，识别当前路径状况，进而控制舵机转相应的角度，驱动电机以合适的速度在跑道上行进。

本队制作的智能车以16位单片机MC9S12DG128B为控制系统核心，利用红外传感器采集路径信息，经过系统处理，识别当前路径情况，做出判断决策，从而给出相应的PWM信号，通过MC33886驱动直流电机以合适的速度行驶，同时，控制舵机转出相应的角度。

本文先从总体上介绍了智能车的设计思想和方案论证，然后分别从机械、硬件、软件等方面的设计进行论述，重点介绍了芯片的选择和路径识别的方法，接着描述了智能车的制作及调试过程，其中包含本队在制作和调试过程中遇到的问题及其解决方法。

第二章总体方案概要说明

2.1设计思想

智能车主要由三个方面组成：

检测系统，控制决策系统，动力系统。

其中检测系统我们选择了红外反射式红外传感器。

控制决策系统采用大赛组委会提供的16位单片机MC9S12DG128作为主控芯片，动力系统主要控制舵机的转角和直流电机的转速。

整体的工作流程为，检测系统采集路径信息，经过控制决策系统分析和判断，由动力系统控制直流电机给出合适的转速，同时控制舵机给出合适的转角，从而控制智能车稳定、快速地行驶。

2.2传感器方案的确定

路径采集的传感器主要有两种：

红外反射式红外传感器和CCD视频传感器。

由于我们选择了LED组，所以我们就论证了以下几个方案。

方案一：

基于数字式光电传感器阵列的智能控制

基于反射式红外传感器的数字光电传感器阵列的路径检测方法具有较高的可靠性与稳定性，且单片机易于处理。

由于本次比赛限制的传感器为16个，精度问题将是该方案一个难以跨越的障碍。

而且光电传感器本身存在着检测距离近的问题，不能对远方的路径进行识别，降低了对环境的适应能力，影响了智能车的速度和稳定性。

图2.1数字式红外传感器

方案二：

基于模拟式光电传感器阵列的智能控制

基于反射式红外传感器的模拟光电传感器阵列的路径检测方法同样具有较高的可靠性与稳定性。

它利用传感器对白色和黑色的反射率大小，能测出其灰度，从而通过软件的处理使其值是连续的，这样就能使舵机的控制量也是连续的在过小S弯等等有很大的优势。

而且用A/D这种方式有一好处就是能得到很大的前瞻，大家都知道前瞻越远对车越好，舵机就能提前转弯。

图2.2模拟式光电传感器

方案选择论证：

在本次比赛中，为了让赛车的行驶得更快、更稳定，赛车应当提前知道赛道的信息，因此必须让智能车看得更远。

为了能让智能车看得更远，我们决定前排光电管选择方案二，主要用于前瞻，转向的控制。

而后排光电我们决定用方案一，主要用于识别起跑线。

2.3速度检测方案

智能车的实际行驶速度是智能车速度控制的控制输入量，准确实时的测量智能车的速度才能实现智能车的速度控制，即纵向控制。

常用的测速方案有以下几种：

方案一：

光电测速传感器

原理是传感器开孔圆盘的转轴与转轴相连接，光源的光通过开孔盘的孔和缝隙反射到光敏元件上，开孔盘随旋转体转一周，光敏元件上照到光的次数等于盘上的开孔数，从而测出旋转体旋转速度。

灵敏度较高，但容易受外界光源影响。

图2.3光电测速传感器

方案二：

测速发电机

原理是将旋转机械能转化成电信号，适合于测量速度较高的旋转物体的速度。

采用电磁感应的原理。

但市场上测速发电机应用于低压市场的比较少，而且都比较重，不适用于模型车，并且要将侧速发电机安装到电动车上需要对电动车模型进行较大改动，由于其质量较重，可能会严重影响电动车的机动性能，除非自制。

优点是测速准确、稳定、快速，可以直接由AD转换器读入单片机测得当前速度值。

图2.4测速发电机

方案三：

霍尔传感器

其工作原理是：

利用霍尔开关元件测转速，内部具有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路，其输出电平和TTL电平兼容。

在待测旋转体的转轴上装上一个圆盘，在圆盘上装上若干对小磁钢，小磁钢愈多分辨率越高。

霍尔开关固定在小磁钢附近，当旋转体以角速度M旋转时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的速度。

缺点是磁钢的间距不好控制。

方案四：

红外反射式光电传感器

该方案与赛道识别模块的方案一类似，即在转盘上贴一圈黑白相间的纸带。

根据黑白纸带对红外线的反射率不同产生一连串的高低电平，再通过计算出单位时间的脉冲数来得出智能车的即时速度。

方案选择论证：

考虑经济各方面原因，我们决定用光电测速传感器。

2.4电机驱动调速模块的选择

通过电机驱动模块的调节，可以很直观的对速度及智能车的运行状况进行调节。

在速度控制方面，一般是通过改变加在电机两端的电压来实现的，可以是连续改变（加直流电压），也可以断续改变（加脉冲电压）。

根据不同的驱动电路可以采用不同的方式。

最好是采用硬件配合软件的方法，因为毕竟采用软件来调节是比较精确和方便的。

方案一：

采用继电器对电动机的开或关进行控制

采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对赛车的速度进行调整。

这个方案的优点就是电路较为简单，缺点就是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高、而且安装在小巧的智能车上不太适宜。

方案二：

采用达林顿管组成的H型PWM电路。

用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机的转速。

开关的速度快，稳定性也高。

但是比起集成电路的芯片控制还是逊色了不少，电路也较复杂。

方案三：

采用竞赛组委会提供的桥式驱动器MC33886电机驱动芯片。

通过芯片同单片机的控制完成电机的调速、正反转控制，其控制原理简单，并且稳定性极强。

但是发热量很大，特别是需要采用反转控制时。

方案选择论证：

通过对比我们发现，MC33886芯片功能强大，电路简单，其主要缺点是发热量大。

因此我们选用第三套方案，并将两块MC33886并联起来使用，这样既能提高带载能力，又降低了芯片的发热量。

第三章机械部分设计

3.1前瞻红外传感器的安装

合理安装前瞻红外传感器是本智能车系统快速稳定运行的重要保障。

它由以下三个部分组成：

传感器的安装高度、传感器的俯仰角，以及传感器的架设。

红外传感器的视野范围与该传感器的安装高度有关,在相同的俯仰角情况下,传感器的视野范围随安装高度的增加而增大,这也就意味着小车的预瞄距离也会随之增大。

从扩大系统前瞻性考虑，安装时可以适当增加传感器的安装高度。

但是，随着传感器的升高，系统滞后越严重，系统容易产生误判。

所以，传感器也不能安架设得太高。

传感器的俯仰角是发射管中心轴与道路水平面的夹角，俯仰角越小，则采集到的路面信息距小车越远，系统的前瞻性就越好。

但是当传感器的俯仰角过小时，采集到的值很容易采集到场地外的干扰信息。

图3.1为前瞻红外传感器的安装实物图。

图3.1前瞻红外传感器的安装

支架使用的是全铝合金的金属支架，使用螺丝固定在模型车的底板上。

这样，前瞻红外传感器和车模始终保持同步的运动方式，从而，智能车可以获得同步稳定的路径信息。

图3.2前瞻红外传感器支架的安装

3.2起跑线检测红外传感器的安装

起跑线检测红外传感器是专为检测起跑线设计的，共有五对光电管，他们的距离是结合起跑线的规格设定的，事实证明，这种检测方法稳定、可靠。

图3.3为起跑线检测红外传感器支架的安装实物图。

图3.3起跑线检测红外传感器支架的安装

3.3测速模块的安装

测速传感器使用的是透射式红外传感器对模型车进行测速，在模型车的后转轴上固定了一个均匀分布了32齿槽的金属圆盘，通过透射式红外传感器的导通和截止来实现速度检测。

透射式红外传感器通过一个电路板固定在金属圆盘的正上方。

图3.3为测速模块的实物图。

图3.3测速模块安装

3.4主板的安装

主板安装简单且稳定，采用三脚支架结构，前脚利用一根铜柱固定在小车底盘的钻孔位置，两个后脚为小车后部两个的支柱，如图3.4所示。

图3.4主板的安装

3.5底盘参数设计改进

（1）主销后倾角

前轮主销后倾角的作用是在车轮偏转后形成一回正力矩阻碍车轮偏转。

本车模可通过调整黄色垫片的数量来改变主销后倾角。

我们的车模的主销后倾角设定为3°，这样即使车模在高速行驶时仍具有足够的回正力矩，同时又可避免产生过大的后正力矩使转向沉重。

（2）主销内倾角

车模通过罗干的长度来改变主销内倾角，调整范围为0°~10°。

其对模型车的性能影响不大，我们将其设置为0°。

（3）前轮外倾角

与模型车的侧滑关系较大，如为补偿侧滑