基于仿人智能控制算法的智能车转向舵机控制.docx

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基于仿人智能控制算法的智能车转向舵机控制

目录

第一章引言----------------------------------------------1

第二章系统方案论证与选择--------------------------------2

2.1路面黑线检测模块---------------------------------------------------2

2.2电机驱动模块-------------------------------------------------------2

2.3测速及距离检测模块-------------------------------------------------3

2.4电源模块-----------------------------------------------------------4

第三章系统的硬件设计-------------------------------------------------5

3.1红外检测电路设计---------------------------------------------------5

3.2电机驱动电路设计---------------------------------------------------5

3.3转速检测电路设计--------------------------------------------------6

3.4电源电路设计------------------------------------------------------7

3.5加速度检测电路设计-------------------------------------------------7

3.6辅助电路设计-------------------------------------------------------7

第四章控制规则分析--------------------------------------8

4.1一般寻迹的控制规则-------------------------------------------------8

4.2特殊寻迹的控制规则-------------------------------------------------9

第五章系统的软件设计------------------------------------------------11

5.1主程序流程图------------------------------------------------------11

5.2中断程序流程图----------------------------------------------------11

5.3电机调速程序流程图------------------------------------------------12

5.4保护电路程序流程图------------------------------------------------12

5.5出线处理程序流程图------------------------------------------------12

5.6交叉处理程序流程图------------------------------------------------13

第六章系统设计说明-------------------------------------------------14

6.1开发工具----------------------------------------------------------14

6.2制作、安装--------------------------------------------------------14

6.3调试过程说明------------------------------------------------------14

6.3.1测速电机调试--------------------------------------------------15

6.3.2舵机调试------------------------------------------------------15

6.3.3按键调试------------------------------------------------------15

第七章车模主要技术参数说明------------------------------16

7.1车模基本参数------------------------------------------------------16

7.2传感器及电机个数--------------------------------------------------16

7.3电路参数----------------------------------------------------------16

7.4赛道信息----------------------------------------------------------16

第八章结论----------------------------------------------17

参考文献

附录A：

系统硬件原理图

附录B：

主程序源代码

附录C：

中断服务程序源代码

附录D：

研究论文

第一章引言

本设计采用飞思卡尔16位微控制器MC9S12DG128作为核心控制单元。

赛道黑线检测使用反射式红外传感器，车速采用闭环PI控制，速度传感器使用测速电机，利用PWM实现动态电机调速。

测距应用简单而精确的光电码盘。

电机驱动采用H桥半桥控制。

基于这些可靠的硬件设计，开发了一套完备的软件设计，包括电机PI控制算法，舵机仿人智能控制算法，低电压报警设计等。

本设计主要特色：

●模块化设计

●连续的电机调速，精确可靠；

●优化的软件算法，智能化的自动控制，定位精确；

●主板设计兼顾多种用途方案，复用性强；

●车模重心适当，整车设计美观、合理；

●电源指示灯、低压指示、报警，电源工作状态一目了然；

第二章系统方案论证与选择

整个系统可以划分为以下几个基本模块，如图2.1所示：

图2.1系统整体框图

2.1路面黑线检测模块

通常用以检测黑线的传感器有CCD和红外两种。

方案一：

使用CCD传感器探测赛道。

原理是通过CCD传感器将赛道图像以数字信号传送给MCU。

优点是CCD摄像头可以更远的探测赛道的变化，受外界光源干扰小，但其输入的数字信号处理复杂，需要对图像信号进行分割和识别，对于MCU来说处理速度很慢。

不适合用在高速行驶的赛车上。

方案二：

使用加载波信号的红外传感器探测赛道。

原理是发射管加入高频载波信号，接收管接收到的信号通过滤波、检波和比较器，输出高低电平给单片机的IO口，其优点是不需要单片机进行信号的处理，直接通过IO口就可以读出传感器的状态，且传感器不受自然光影响，缺点是对反射物体表面反射系数要求较高，容易受到其他同频率的光源影响，且电路复杂，不容易调试。

方案三：

使用直流发射的红外传感器探测赛道。

原理是发射管工作在直流发射，接收管接收到的信号幅值大小表示反射面反射系数的大小，从而区别黑色和白色。

优点是电路简单可靠，受高频信号干扰小，缺点是自然光影响较大。

但是对于固定不变的光源，其在黑线和白线上检测的信号还是有很大的区别，完全不影响检测赛道。

基于上述方案分析，本次设计采用了方案三。

2.2电机驱动模块

绝大多数直流电机采用开关驱动方式。

开关驱动方式是使半导体功率器工作

在开关状态，通过控制脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。

PWM调速分为：

定宽调频法、调宽调频法和定频调宽法。

前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此，选用定频调宽法。

直流电机PWM控制系统有可逆和不可逆系统之分。

可逆系统是电机可以正反两个方向旋转；不可逆是指电动机只能单向旋转。

双极性可逆系统具有低速运行平稳性的优点，但也存在着电流波动大，功率损耗较大的缺点，尤其是必须增加死区来避免开关管直通的危险。

单极性可逆系统在制动时，其制动效果会受到一定的限制。

不可逆系统又分为无制动与有制动之分。

由于不可逆控制系统控制简单可靠，结合本设计的需要，我们选用了有制动的不可逆PWM系统。

对于其实现有两种方案。

方案一：

采用MC33886集成芯片进行驱动。

其优点就是电路简单。

芯片内部集成了自举电路、MOS管，死区保护电路等，具有短路保护、过温保护、错误标志反馈等功能。

由于其集成度高，价格也就相应的比较贵。

方案二：

采用分立元件驱动。

其最大缺点就是需要外接电路。

但其应用很灵活，可以根据不同的驱动电流选择不同的MOS管，一旦发生烧元件的事故，可以很容易的换取。

并且采用分立元件构成的电路也比较便宜。

综上所述，两种方案各有千秋，难以取舍，最终我们采取折中的办法，主板上兼顾两种方案。

2.3测速及距离检测模块

2.3.1速度检测方案

方案一：

采用霍尔集成片。

该器件内部由三片霍尔金属板组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在车轮上安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数来进行车速测量。

方案二：

受鼠标的工作原理启发，采用断续式光电开关。

由于该开关是沟槽结构，可以将其置于固定轴上，再在车轮上均匀地固定多个遮光条，让其恰好通过沟槽，产生一个脉冲。

通过脉冲的计数，对速度进行测量。

方案三：

采用测速发电机。

从废弃的手机中取出一个震动小电机，将该电机固定在车轴上，后轮带动震动电机旋转并输出电压信号，将该电压放大后送入单片机进行处理。

当驱动电机全速运行时，震动电机输出最大电压；而在实际运行中，单片机对电压进行处理后，即可判断当前车速的快慢。

以上三种都是比较可行的转速测量方案。

尤其是霍尔元件，在工业上得到广泛应用。

但是在本次设计中，由于小车的车轮较小，方案一的磁片密集安装比较困难，容易产生相互干扰。

方案二较方案一的检测精度要高一些，但是当车速很快时，单片机读取的脉冲不准确，存在误差，对车速的控制有影响。

而方案三采用的是模拟量来测速，无论车速快慢，单片机均能准确地检测到电压，经过大量实验，用测速发电机测速精度可以达到97.7~99%。

综上论证，最终我们选择方案三。

2.3.2距离检测方案

在小车的设计中，距离检测只是作为一种辅助手段，用于处理特殊情况，比如十字交叉角。

我们拟采用光电码盘。

在车后轮的轴上安装一铝片，在铝片上打18个孔，经过测算，车轮周长接近18cm，故每两个脉冲间隔相当于1cm。

2.3.3加速度检测方案

为了更好地控制小车，我们考虑把加速度检测作为一种辅助手段，拟选用美新公司的RD6400。

该传感器是双轴的：

X轴和Y轴，输出电压值。

理论上讲，小车在直道行驶时，X轴输出很小，Y轴输出最大，此时可以加速；过弯时，X轴和Y轴均有电压输出，此时可以稍稍减速。

2.4电源模块

为了能使智能车系统能正常工作，就需要对电池电压调节。

其中，单片机系统、车速传感器电路需要5V电压，路径识别的光电传感器和接收器电路电压工作为5V或直接由电池提供、伺服电机工作电压范围4.8V到6V，直流电机可以使用7.2V2000mAhNi-cd蓄电池直接供电。

考虑到由于驱动电机引起的电压瞬间下降的现象，因此采用低压降的三端稳压器成为必然。

常见的电源滤波电路分为三种：

电容滤