智能汽车邀请赛桂电3队技术报告.docx

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智能汽车邀请赛桂电3队技术报告

摘要

随着智能交通系统（ITS）的研究在各国越来越被重视，智能车的控制技术也成为一项新兴技术，教育部决定举办基于高速发展的智能车技术为背景的“飞思卡尔杯”全国大学生智能车大赛。

本设计以第二届飞思卡尔杯全国智能车大赛为背景，以Matiz仿真车模为平台，搭建了一个基于MC9S12DG128B单片机的智能车控制系统。

该系统综合了传感器技术，自动控制技术，信号处理技术，单片机技术，使车模能够以最合适的速度自主循线,在碰到传感器盲点时能主动找正，实时判断车体是否处正常状态并及时修正。

系统以一块飞思卡尔公司的MC9S12DG128B作为核心处理器，采用调制后的光电传感器以分时工作的方式对赛道进行识别，极大的提高了模型车的抗干扰性与前瞻性。

采用PID算法稳定电机转速，使车具有更强的稳定性与瞬时提速性能。

在智能车的调试过程中，使用上位机利用无线通信技术对智能车的状态进行实时监视，有效提高了调试的效率。

本系统显示了高度的智能化、人性化，并且具备良好的安全性、稳定性，可以为无人驾驶汽车的后续研究提供经验。

关键字：

智能车，S12，光电传感器，PID

Aintelligentcontrolsystemofsmartcarbasedons12

Abstract

WiththestudyoftheintelligentTransportationSystem（ITS）intheStatesarebeingtakenseriously,Intelligentvehiclecontroltechnologyhasbecomeanemergingtechnology.Withthefastdevelopmentoftheintelligentvehicletechnology,TheMinistryofEducationholdsthe“FreescaleCup”NationalUniversitySmartcarCompetition.

ThisdesignbuildsanintelligentvehiclecontrolsystembasedontheMC9S12DG128BmicrocontrollerbyusingtheMatizsimulatescarasplatform;Thesystemcombinessensortechnology,automaticcontroltechnology,signalprocessingtechnology,microprocessortechnology.Itcanmakecarautomaticdrivealongtherunway.Whenitmeetsblindspotittakesinitiativetolookfortheway.Italsocanmonitorcar’sperformanceandtimelymodifythedriveparameter.

ThemodelsystemadaptedMC9S12DG128BclipbyFreescaleasthecentralprocessor.Thesystemidentifiesthegameroadbyamodulatedphotosensorthroughtime-sharingfunctioningmode,whichgreatlyimprovesthesystem’sabilityofanti-jammingandpre-judging.Furthermore,thesystemtakesadvantageofthePIDarithmetic,aswellasRoad-Memeoryarithmetic,thatenablesthemodelsystemtoacquirebetterstabilityandcapacityofinstantaneousacceleration,withthehelpofthebrakecontrollingtechniquesofmimeticABSandEPSsystem.Duringthedebuggingperiod,theauthoradaptedwirelesscommunicationtechniquestomonitorthestatusofmodelsystem,whichimprovedtheefficiencyofthedebugging.

Themodelsystemsyncretizesintelligenceandhumanity,andshowsoutstandingsecurityandstability.Thesystemprovidesvaluableexperiencesforfurtherresearchesincomingfuture.

KeyWord:

IntelligentVehicle,S12,Sensor,PID,Road-memeoryarithm

第一章引言1

第二章智能车的总体设计2

2.1技术方案的实现2

2.2硬件的选择3

2.2.1光电传感器的选择3

2.2.2速度采集模块的选择4

2.2.3电源芯片的选择4

第三章模型车的机械设计的安装与改造5

3.1对原始车模的组装与调整5

3.1.1对后差速轮的调整5

3.1.2对舵机安装方式的调整5

3.2控制设备的安装6

3.2.1光电传感器的设计与安装6

3.3主控板的安装7

3.4光电编码器的安装8

第四章智能车的系统硬件设计9

4.1系统硬件总体结构9

4.2电源管理模块10

4.2.1对单片机和光电编码器的供电10

4.2.2对电机驱动芯片和光电管组的供电10

4.3信号采集道路检测模块12

4.3.1路径检测模块的总体设计12

4.3.2决定脉冲供电的控制因素14

4.3.3光电管的防干扰措施14

4.4电机驱动模块14

4.5测速模块的设计与应用16

4.6舵机控制模块16

第五章智能车软件设计与实现17

5.1主程序流程框图17

5.2程序初始化18

5.3速度测量18

5.4舵机和速度的PID控制算法18

5.4.1经典PID控制算法介绍18

5.4.2经典PID算法在本智能车上的应用19

第六章开发与调试21

6.1软件开发环境介绍21

6.2智能车整体调试23

6.2.1舵机调试23

6.2.2电机调试23

6.2.3整体调试23

第七章总结24

参考文献24

附录A25

第一章引言

这份技术报告中，我们小组通过对整体方案、电路、算法、调试、车辆参数的介绍，详尽地阐述了我们的思想和创意，具体表现在电路的创新设计，以及算法方面的独特想法，而对单片机具体参数的调试也让我们付出了艰辛的劳动。

这份报告凝聚着我们的心血和智慧，是我们共同努力后的成果。

在准备比赛的过程中，我们小组成员涉猎控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，这次磨练对我们的知识融合和实践动手能力的培养有极大的推动作用。

第二章智能车的总体设计

2.1技术方案的实现

本设计以第三届飞思卡尔杯全国智能车大赛为背景，搭建了一个基于MC9SDG128B单片机的智能车控制系统。

该系统综合了传感器技术，自动控制技术，信号处理技术，单片机技术，使车模能够以最合适的速度自主循线,在碰到传感器盲点时能主动找正，实时判断车体是否处正常状态并及时修正。

系统采用主办方提供的飞思卡尔16位微控制器MC9S12DB128作为核心控制单元，采用PWM和PID技术，控制舵机的转向和电机转速。

系统还扩展了LED和键盘模块作为人机操作界面，以便于智能小车的调试与相关参数调整。

此外，软件系统增加了复位快速自动重启技术，防止小车受到干扰后不能正常运行情况的出现。

信号由安装在车前部的光电传感器采集，经过选频，滤波电路传入MCU，MCU对信号进行处理后，由PWM发生模块发出三路PWM波，分别对转向主舵机，电机，伺服电机进行控制，完成智能车的转向，前进，制动的功能。

在智能车后轮上安有光电编码器，采集关于车轮转速的脉冲信号,经由MCU进行PID计算后自动调节对电机的PWM波的占空比，控制车速度。

本系统中，使用了较为便宜的红外发射接收对管作为黑线位置的检测，使用片上AD模数转换进行数据的采集。

从而可以进行识别路径。

光电传感器的路径检测作为一个关键部分，对其处理的好坏直接决定了小车运行状态和动态性能。

本文分析了采用位置模糊控制的理论来判断黑线的位置，采用13对光电管能有效的提高检测精度，应用内部A/D和动态阀值的方法能显著的提高抗干扰的能力。

本系统显示了高度的智能化、人性化，并且具备良好的安全性、稳定性与反应的灵敏性，后面的各个章节将分别与之介绍。

图2.1系统的总体控制框图

2.2硬件的选择

2.2.1光电传感器的选择

光电传感器的优点是结构、调试简单，不易受外界干扰，单片机处理速度快。

采用光电传感器分两种方案。

方案一：

使用红外反射式光电传感器，它包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管。

工作原理是赛道有黑白两种颜色组成，白色为底色，黑色为路径，光电二极管接受到的反射光强度在黑色与白色的赛道上大不相同，由此判断黑线的位置，从而确定行车的方向。

该方案的优点是电路简单，信号处理速度快，但如果一直用直流电压对管子进行供电，限于管子平均功率的要求，工作电流很小，容易受到外界环境的干扰，最主要的是，小车的前瞻不够大，达不到对小车速度的要求。

方案二：

脉冲调制的反射式红外发射接收器，这种方案继承了方案二的优点，同时考虑到环境光干扰主要是直流分量，如果采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰。

另外红外发光的最大工作电流取决于平均电流，如果使用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下瞬时电流可以很大，这样也大大提高了信噪比，能较好的提高小车的前瞻，从而使小车跑的流畅。

2.2.2速度采集模块的选择

方案一：

直射式光电码盘:

在车体后轮的最大齿轮上打孔，在孔的两次加一对红外发射接收管，在齿轮转到莫个特定位置时，接收管收到发射管的信号，产生脉冲。

这样就能以计脉冲的方式来测速。

优点：

原理简单

缺点：

精度不够，容易丢脉冲，固定发射接收关比较困难。

方案二：

用鼠标上的光电编码盘，精度相对于方案一有了明显的提高，采集到的信号频率也是个较为理想的值，开始我们也用鼠标做了一个但因为齿轮相对较短固定就难，小车在行驶中又存在着较大的震动，从而容易丢失脉冲，出现小车控制速度不稳的情况。

方案三：

增量式旋转编码器：

经过查阅，我们选择了如图所示的OMRON公司的一款型号为E6A2-CWZ3C的测速码盘。

每转一圈能产生360个脉冲

优点：

测速准确，抗干扰能力强，安装简单能较好的固定、使用简单方面，能完全满足速度控制的要求。

速度检测是PID控制的基础，只有测量的准确才能较好的对速度进行控制，经过多次的测量我们决定采用方案三。

2.2.3电源芯片的选择

各稳压芯片的特点

方案一：

LM2596

该芯片为开关稳压型芯片转换效率高、线性度好、发热量小、波形稳定等优点。

输入电流大可达到2A，带载能力强。

它的输入电压范围为小于40V，当输入大于7V时，输出电压稳定在5V当输入电压小于7V时，输出电压比输入电压低2V。

本系统的电池电压为7.2V，当冲满电电池电压可达到8V以上，而控制系统要求输入电压范围为5V±0.5V，所以即使电池下降到7V以下系统仍可以正常工作。

但缺点是纹波电压大，噪声比较严重

方案二：

LM1117_5.0型

该芯片纹波小，噪声低，干扰小，而对电流没什么要求。

第三章模型车的机械设计的安装与改造

3.1对原始车模的组装与调整

3.1.1对后差速轮的调整

车模采用的是滚珠式差速器，它在实现差速的过程中会影响后轮的动力传递。

适当的调整两片的轴承压力，能有效的满足后轮驱动和差速的要求。

调整效果好能提高转弯的灵敏度和稳定性。

3.1.2对舵机安装方式的调整

我们将舵机固定在两前轮中间。

让其竖立能使舵机的力臂稍微加成，以提高舵机的转弯灵敏度，而且这样可以使舵机的两力臂等长，从而使舵机向两个方向转弯的最大角度相等，使舵机左右转向时受力也比较均匀，使舵机能灵活的转向。

调整力臂的长度，保证给定1.5ms脉冲时，舵机使前轮转角为0.两前轮的旋转平面平行于车体的中轴线，确保在直道上能够直线行驶。

通过以上这些改造舵机的响应速度提高许多，为快速灵巧的转向提供了硬件的保证。

图图3.1舵机改装图

图3.2实际机械结构

3.2控制设备的安装

3.2.1光电传感器的设计与安装

传感器排布我们选择主体为“一”字形排布的方法，共用15个传感器，分为两排前排13对主要是用做寻线，为了增大前瞻前排架的较高，靠近车身有两队主要做在判断起跑线，紧随车身能增强稳定性有效的减少误判率。

两两光电管的距离如下图所示。

171517

图3.3传感器间距示意图

在最外面只添加两个发射管在不违规的情况下能有效提高检测精度。

相邻光电管之间的距离如图靠近最外面的两对为17mm其他的均为15mm。

赛道宽度为25mm这样的排列只可能出现一下两种情况：

（1）相邻的两队同时检测到黑线

（2）只有一个光电管在黑线内

这样我们可以根据A/D采集的信号将偏转角度划分为25个级别：

图3.4红外接收管编码

将编码E作为模糊控制器的一个输入，另外将其变化率作为另一个输入。

变化率△E=Ei-Ei-1.

3.3主控板的安装

我们直接应用开发板，为了降低小车的中心使小车能较为稳定的运行我们把主控板直接安装在了底盘上。

小车运行的稳定性有较大的提高特别是在有坡道的赛道上更为明显。

但是这样主板与赛道十分接近，赛车在与赛道摩擦时，会产生大量静电，特别在弯道时，赛车各轮的摩擦由滚动摩擦变为滑动摩擦，静电的积累量会变的大大增加。

在实际的调试过程发现赛道的静电干扰甚至影响到了单片机，使单片机不停的重起的现象，在弯道上尤为突出。

对此，基于静电屏蔽的理论，参考以前的论文我们提出了下以防静电措施：

在电路板之下，铺一层由铝箔组成的静电屏弊层。

但是由于铝箔是导电的，为了防止电路板短路，在铝箔与电路板之间再添加一层绝缘胶带。

这样，即可以防短路，又可以利用绝缘胶带作为铝箔的衬子，防止铝箔破损。

如图所示：

图3.5防静电的铝箔

经过防静电措施之后，电路板的稳定性得到了大大的加强。

3.4光电编码器的安装

光电编码器的大小相当于一个小型电机，我们通过一块轻质硬板固定在车尾部，让重心更加靠近后轮，增加轮胎与地面的摩擦力。

提高了抓地力，能使小车得启动速度更快。

通过电机上的齿轮与连接在光电编码器上的齿轮相连，从而传动光电编码器，得到脉冲。

通过计算脉冲的个数来调整电机的PWM波来控制测速。

第四章智能车的系统硬件设计

4.1系统硬件总体结构

首先，对硬件系统结构进行全面的了解，下图列出硬件系统的总体结构图。

图4.1系统硬件总体框图

由上图可知，系统由一片MC9S12DG128作为主控制器，由一块电池提供电量，电池经过电源管理部分后给各个系统模块提供稳定的电压。

输出+5V电压供给MCU（MC9S12DG128），同时输出+6V电压供给舵机，电码盘进行速度测量，并反馈到MCU，最后，MCU综合处理光电传感器和速度反馈的数据，输出信号经过MC33886的处理，再分别传送到舵机和电机，这样，模型车可以通过转合适的角度选择路径，并且以合适的速度在赛道上行使。

上面只是从整体上介绍系统硬件总体结构，为了更详尽的了解系统各部分的功能和工作原理，下面将分别对各个模块进行分析。

4.2电源管理模块

电源模块为系统其它各个模块提供所需要的电源，设计中，除了要考虑到电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。

可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。

本系统中要用到3种电源电压，一种是7.2V左右，用于驱动电机；一种是6.0V用来驱动舵机；此外的数字控制系统采用的是5.0V的电压。

具体如下表：

表4.1系统所用到的电压

电压/V

是否经过

电压转换

用途

备注

5

是

单片机、电机驱动芯片、转速测量芯片

该电压要求稳定、噪声小、电流容量大于500mA

6

是

舵机

电流在几十毫安左右

7.2

否

电机

该电压为电池两端电压

4.2.1对单片机和光电编码器的供电

对单片机系统对纹波较为敏感所对其供电的稳压芯片要求要纹波小，噪声低，干扰小，而对电流没什么要求。

由前面的稳压芯片的特性分析我们最后选用的为LM1117_5.0V型的稳压芯片如下：

图4.2LM1117_5.0V型的稳压芯片

图4.3官方推荐电路

4.2.2对电机驱动芯片和光电管组的供电

而对电机驱动芯片和前探侧板由于需要的瞬间电流较大，并且其对纹波不是很敏感，最后我们选择转换效率高驱动电流大的稳压芯片LM2596。

这样与单片机分开供电能有效的减少其对单片机的电池干扰，增加整个系统的稳定性。

图4.4LM2596结构图

图4.5官方推荐电路

对舵机供电我们采用直接在电池两端串联连两个二极管。

我们使用的是组委提供的舵机。

其基本资料如下：

型号：

S3010

尺寸：

40.0*20*38.1（mm）（L*W*H）

重量：

41（g）

动作速度：

6.0V时0.16＋0.02〔Sec/60度〕

输出扭矩：

6.0V时6.5＋1.3〔Kg.cm〕

动作角度：

60＋10度

使用电压：

4.0V～6.0V

由以上可知舵机的使用电压为4.0V～6.0V，在其有效的输入电压范围内，我们尽量提高其的输入电压，以提高舵机的转弯灵敏度。

图4.6电池稳压滤波

图4.7稳压电路

4.3信号采集道路检测模块

4.3.1路径检测模块的总体设计

正确识别赛道信息是进行车体控制的前提，因此选择何种传感器检测道路信息将直接决定整个控制算法。

由前面的分析可知，我们采用的是脉冲式驱动电路。

其优缺点已在前面论述。

具体电路如下：

图4.8脉冲驱动发射电路

图4.9光点接收管电路

图4.10PCB电路图

图4.11实际装配图

4.3.2决定脉冲供电的控制因素

（1）发射脉冲的占空比

在限流电阻较小时我们限制占空比的大小，以免把发射管烧坏。

经过我们的多次试验，发现占空比在15-20%探测高度相对较高。

产生这种结果的原因是：

在占空比较大时由于限流电阻发热量大导致实际工作阻值增加，因此发射管的强度降低；占空比太小，发射管发光强度过小，导致接收管接收不到。

（2）发射脉冲的频率

由于小车高速运行，必须满足一定的扫描速度，所以频率不能太低，但频率太高时由于中断太频繁，则程序容易报错。

经过多次试验我们发现频率在100-200HZ时效果较好。

（3）不同的发射限流电阻

因为采用的脉冲方式，可以选用较小的限流电阻，经过我们的试验，一般选择的限流电阻在10-20欧姆。

4.3.3光电管的防干扰措施

干扰主要包括三个方面：

（1）光线的干扰

光线对接收管会造成干扰，原因是接收管相应的是一定范围的电磁波，并非只是一种波长，其相应曲线与可见光谱（390-780）有一定的重合。

避免这一干扰的方法是在接收管上加以较长的热缩管。

光线的干扰可以轻松的避免。

（2）接收管阵列间的干扰问题

在实际的使用中我们使用的是多对光电管，所以一组发射管可能对另一组接收管产生影响。

我们采取的措施是稍微增加两组相邻的观点光之间的距离配合黑线的宽度选择15-17MM较为理想。

设定阀值使干扰电平低于设定的阀值一般选择2-3V较好。

（3）黑线边界的影响

通过试验发现设定较好的阀值就能有效避免黑白交界处的影响，一般选择的阀值为2-3V.

通过以上分析，最佳的发射管供电方式为占空比设为10%-20%。

最佳频率为100-200HZ。

最佳限流电阻为10-20欧姆，最佳阀值为2-3V。

4.4电机驱动模块

电机驱动模块原理图电机驱动采用主办方提供的33886作为驱动芯片，MCU通过IN1引脚输入PWM波，以调节33886的DNC口的输出电压,调节电机转速的快慢，并且在IN2口输入电压以调节电机的反转和制动功能。

为了解决33886发热量大和驱动能力不够尤其是在加速度不够的问题。

我们采用了四片33886并联的方法。

这样使小车在启动的时候能获得瞬间较大的驱动电流从而使小车能获得较大的加速度。

这在比赛中的优势还是相当明显的。

这也解决了单片驱动芯片过烫的问题。

具体电路如下：

图4.12电机驱动电路

图4.13电机驱动板PCB图

4.5测速模块的设计与应用

本系统速度检测模块采用了日本欧姆龙公司的E6A2-CWZ3C型旋转编码器作为车速检测元件。

其精度达到车轮每旋转一周，产生360个脉冲，不仅硬件电路简单，而且信号采集速度快、精度高，满足模糊控制精度要求。

旋转编码器的工作电压为5—24伏，输出为一系列脉冲。

图4.14编码器工作示意图

上图为E6A2-CWZ3C型旋转编码器的输出方式为电平输出，所以本系统将旋转编码器的输出直接与MC9S12DG128的I/O口PT0相连。

PT0采用8位输入脉冲累加模式对旋转编码器的输出脉冲进行累加计数。

车速检测单元安装如图2.6所示，在旋转编码器的中轴上安装一个直径为4cm，齿数76，传动比1：

1的齿轮，并将该齿轮与同轴于后轮的传动齿轮咬合。

如此则后轮旋转的同时将通过传动齿轮带动旋转编码器一同旋转。

此时只需要测量一定时间（4ms）旋转编码器输出的脉冲数就能准确计算出车速。

车速的计算公式如2.1所示：

v=dn/360T

式中（d为小车后轮直径,n为采样时间内旋转编码器产生脉冲数,T为采样周期）。

4.6舵机控制模块

本系统中舵机控制思想主要从以下两个方面考虑：

（1）考虑到在智能车的行驶过程中，舵机响应速度较慢为0.11s/60，难以满足系统高速转弯的要求。

为了使小车在偏离赛道后，前排光电传感器检测不到黑线时，小车还能重新调节角度回到赛道，特意在小车前轮的左右两边各安装一个光电传感器，并设定其路径识别优先级最高以保证在小车前轮冲出赛道时能感知到黑线，即时做出相应反应。

（2）为减小舵机响应时间长对小车速度的影响，我们采用机械改造方式来加长舵机的力臂来弥补这一缺陷。

加长力臂后减小了舵机转向范围，使前轮转动相同的角度，所需时间更短，响应更快。

但若舵机力臂太长又会造成舵机转向力矩太小，PWM信号与角度不能很好的一一对应，对于舵机的开环控制会带来很大的稳态误差。

综合以上考虑，我们将舵机的力臂由原来的1.7cm加长2.5cm。

第五章智能车软件设计与实现

高效稳定的软件程序是智