2011電賽全國一等獎報告

1、2011年全國大學生電子設計競賽智能小車（C題）【本科組】2011年9月3日摘 要為了滿足可以實現(xiàn)自動駕駛、超車功能的智能小車，進行了各單元電路方案 的比較論證及確定，系統(tǒng)以飛思卡爾 XS128系列作為智能車的控制核心，通過 激光，紅外等傳感器采集路面信息從而對智能車智能控制，通過藍牙無線進行兩車之間的信息通信，具有穩(wěn)定，通信速率快的特點，對于小車的動力部分，采用 MOS管的H橋進行驅動，驅動電流大。經測試，系統(tǒng)基本完成了題目要求。關鍵字：智能小車 XS128超車控制 自動駕駛abstractIn order to meet can achieve automatic driving, ove

2、rtaking the intelligenee function on the car, each unit circuit of the scheme more arguments and sure, system to XS128 series as a smart car freescale con trol core of laser, i nfrared, through such as road sensors to collect information and the intelligent car intelligent control, through the bluet

3、ooth wireless two car of in formatio n com muni cati on betwee n, has the stable rate, com muni cati on features faster in car, the drive part, USES the MOS pipe of the H bridge drive, drive curre nt big. Accord ing to the test, the system has basically completed the topic request.Key word: in telli

4、ge nt car XS128 overtak ing con trol autopilot1系統(tǒng)方案 11.1傳感器方案的論證與選擇 11.2 無線方案的論證與選擇 11.3測速方案的論證與選擇 11.4控制系統(tǒng)的論證與選擇 22系統(tǒng)理論分析與計算 22.1 控制理論的分析22.1.1 PID 算法32.1.2 PID 計算32.2紅外測距的計算42.2.1紅外測距所得到的電壓 42.2.2紅外測距 AD值與距離的關系 42.3兩車之間通信方法 42.3.1兩車之間通信方式 42.3.2通信信息43電路與程序設計 63.1電路的設計63.1.1系統(tǒng)總體框圖63.1.2電源子系統(tǒng)框圖與電路原理

5、圖 73.1.3傳感器電路原理圖 73.1.4電機驅動83.2程序的設計83.2.1程序功能描述與設計思路 83.2.2程序流程圖94測試方案與測試結果 104.1測試方案104.2測試條件與儀器104.3測試結果及分析 114.3.1測試結果（數(shù)據(jù)） 114.3.2測試分析與結論 11附錄1:電路原理圖 12附錄2:源程序 13智能小車（C題）【本科組】1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由激光模塊、紅外模塊、無線模塊、電機驅動模塊、電源模塊組成。這次采用的車模是1:14的高仿車模，目的是能夠再現(xiàn)現(xiàn)實中的小車智能控制方案。智能小車系統(tǒng)采用飛思卡爾的16位微控制器MC9S12XS128單片機作為核心控制單元用

6、于智 能汽車系統(tǒng)的控制。在選定智能小車系統(tǒng)采用光電傳感器方案后，賽車的位置信號由車 體前方的光電傳感器采集，經XS128 MCU的I/O 口接收后，用于賽車的運動控制決策， 同時內部ECT模塊發(fā)出PWM波，驅動直流電機對智能小車進行加速和減速控制，以及伺服電機對賽車進行轉向控制，使賽車在賽道上能夠自主行駛，超車等功能。1.1傳感器方案的論證與選擇方案一：采用CCD攝像頭采集道路信息，并進行處理，方案的優(yōu)點是采集的信息更為 豐富，機械結構簡單，缺點是成本較高，軟件編程復雜，對單片機速度要就較高。方案二：采用紅外進行檢測，該方案的優(yōu)點是硬件簡單，可以實現(xiàn)實時控制，但是紅外 對管前瞻較小，不能對控制

7、進行優(yōu)先判斷。方案三：采用激光傳感器，既可以檢測到較遠距離的路況，處理方式也比較簡單，成本 較低。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.2無線方案的論證與選擇方案一：采用24L01無線方案，24L01方案穩(wěn)定，成本低廉，但是配置起來較為繁瑣。 在通信過程中有一定的數(shù)據(jù)流失現(xiàn)象。方案二：采用藍牙方案，藍牙方案低功耗，小體積以及低成本的芯片解決方案使得 Bluetooth技術甚至可以應用于極微小的設備中。智能車的行駛過程中，需要實時發(fā)出準確的速度信息，所以綜合以上兩種方案，發(fā) 現(xiàn)藍牙的方案較為成熟，穩(wěn)定，并且能夠滿足低功耗的要求，選擇方案二。1.3測速方案的論證與選擇方案一：采用霍爾集成片。該器件內部

8、有三片霍爾金屬板組成，當磁鐵正對著金屬板時， 由于霍爾效應，金屬板發(fā)生橫向導通，因此可以在車輪上安裝磁片，而將霍爾集成片安 裝在固定車架上，通過對脈沖的計數(shù)進行車速測量。方案二：受鼠標工作原理的啟發(fā)，采用斷續(xù)式光電開關。由于該開關是溝槽結構，可以 將其置于固定軸上，再在車輪上均勻地固定多個遮光條，讓其恰好通過溝槽，產生一個 脈沖。通過脈沖的計數(shù)，對速度進行測量。以上兩種方案都是比較可行的轉速測量方案。尤其是霍爾元件，在工業(yè)上得到廣 泛采用。在本題中，小車的車輪較小，方案一采用電子的方式代替機械結構，能夠有效 減少齒間的摩擦，降低機械損耗，是作品更加的耐用，并且霍爾元件更為輕巧，便捷， 別且能夠

9、有足夠的脈沖，可以實現(xiàn)對小車的智能控制 .1.4控制系統(tǒng)的論證與選擇方案一：采用沿內徑行駛的方案，該方案比較穩(wěn)定，但是對道路信息處理比較少，實現(xiàn) 超車較為困難。方案二：采用彎道，起始道路識別，配合內徑行駛方案，該方案能夠合理利用道路中提 供的信息，完成更為復雜的行駛策略，并且可以更加合理的實現(xiàn)超車等功能。綜合考慮采用方案二。2系統(tǒng)理論分析與計算2.1控制理論的分析2.1.1控制方式本次比賽設置的路面信息很多，但是識別起來比較復雜，我們采取在傳感器上安裝 舵機的方式，這樣激光可以靈活多角度的檢測路面信息。智能小車通過激光，紅外，霍 爾等多種傳感器獲取到路況以及車況的信息，同時實時采用藍牙通信，將

10、對方的車輛情 況告訴本車，綜合這些信息，小車采取不同的控制策略。智能車為了滿足能夠自動駕駛的功能， 采用了激光的方式對道路兩邊的黑線信息進 行檢測，整合打角與激光管接收數(shù)據(jù)的關系，從而檢測出道路的信息，在道路中實現(xiàn)自 動駕駛的功能。車前安裝了紅外對管，可以將兩車的距離較為準確的測出，可以使兩車距離較遠的 時候實現(xiàn)追逐，當兩車距離比較近時后面的車能夠及時減速。藍牙的無線通信將兩車行駛的信息，包括車速，位置，狀態(tài)等實時的發(fā)送到對方的 車輛，如果兩車較近，則前車加速后車減速，如果兩車相距較遠，則后車加速，在超車的過程中，后車加速，前車減速，直到超車結束后，兩車以正常的速度行駛。2.1.12PID 算

11、法當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學模型，控制理論的其他 技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便.即使當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或是不能通過有 效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，也適合采用PID控制技術.PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng) 的誤差，利用比例、積分、微分計算。2.1.3 PID 計算PID計算方式如圖1所示：圖一經過測算和推導，我們得出了 PID的計算公式M(f) = Kpe(t) + -:嗆）力+帀在該智能車系統(tǒng)中，PID各個參數(shù)經過調試得出:K=160P=300I=350D=1252.2紅外測距的計算2

12、.2.1紅外測距所得到的電壓經過實驗，我們得出了紅外測距的電壓與被測物距離的關系如圖2所示1 f*jMptr i Refl erta bcp iiGraiy 陽iper (Ktra-iio.1L1n、1101020 JO 40506070 SOce io i*tlecive olject L（ cm i0.50圖二2.2.2紅外測距AD值與距離的關系 經過數(shù)學建模，我們得出在5cm以后紅外測距值大體與距離成反比關系，從而建立公式：D=13/V其中D為計算得出的距離值，V為紅外管得到的電壓2.3兩車之間通信方法2.3.1兩車之間通信方式兩車通過藍牙實現(xiàn)雙工通信，通信的過程中實時的傳輸兩車之間的速

13、度，狀態(tài)等信 息，并根據(jù)這樣的信息協(xié)調兩車的速度，保證兩車不會相撞，通信采用與串口通信方式 相同的方式，按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是 串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡單并且能夠實現(xiàn)遠距離通信。以波特率9600數(shù)據(jù)位8位，帶有奇偶校驗位和停止位，傳送字符信息。2.3.2通信信息當小車被放到賽道上開啟時，小車將會不斷通過藍牙向對方小車發(fā)出申請，同時采 用中斷的方式準備接收對方小車的申請信號， 但接收到時，兩車成功通信，并同時啟動 當被超車識別到超車線時，將減速行駛，當速度達到一定閾值時，將發(fā)送指令向被超車， 表示可以超車。當超

14、車的車識別到超車線時，等待被超車的信息，當收到信息進行超車動作，完成超車 動作后發(fā)送信息給被超車，表示完成超車，可以加速行駛。2.4節(jié)能論證盡管小車需要舵機，電機的多方平衡控制，但我們也盡力保證小車的節(jié)能要求，在 滿足題目要求的同時盡量降低小車的功耗，做到低碳環(huán)保。2.4.1電源芯片的選擇選用凌特LT1085電源芯片，在保證能夠提供較大電流的基礎上極可能的提高電源 的利用效率，由于LT1085屬于線性穩(wěn)壓芯片，我們采用7.2V低壓差供電，使在電源芯 片上的壓差降低，能夠有效降低在電源上的功率，降低其功耗，達到節(jié)能的效果。2.4.2激光的控制與選擇我們采用8050與8550為激光驅動，并使用調制

15、管和分時點亮的策略進行激光的點 亮，不僅可以實現(xiàn)激光應有的功能，而且可以大大降低激光管所消耗的電能， 除此之外, 我們也在激光上合理的測試了限流電阻，在保證激光亮度的同時降低其功耗3電路與程序設計3.1電路的設計3.1.1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖3所示:圖三系統(tǒng)總體框圖3.1.2電源子系統(tǒng)框圖與電路原理圖1、電源子系統(tǒng)框圖電源圖四電源子系統(tǒng)框圖電機電淙卄關 指示保護矢圧報腎艦機主挖制板啟字傳憾器板2、電源子系統(tǒng)電路+5V-3.3 Vw vsPoerTrr6圖五電源子系統(tǒng)電路3.1.3傳感器電路原理圖1、傳感器子系設計傳感器采用帶有調制的激光方案，采用8550和8050進行信號的放大來驅動激

16、光管,并將調制信號耦合進去2、傳感器子系統(tǒng)電路圖六傳感器子系統(tǒng)電路3.1.4電機驅動采用MOS管的H橋驅動，如圖所示。圖七電機驅動電路3.2程序的設計3.2.1程序功能描述與設計思路1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實現(xiàn)對于小車的智能控制操作，是本題的核心，小車要在程序的引導下不僅完成道路的識別并且自動駕駛，而且還要實現(xiàn)超車，相互領跑等復 雜的動作。2、程序設計思路分析跑道特點，跑道主要由直道，一般彎道，超車標志區(qū)彎道和超車區(qū)組成，且在 跑道的每個彎道處都有彎道標志線或超車標志線，在超車區(qū)有虛線引導。因而在程序設計的時候可以充分利用這些標志輔助我們檢測循跡。在軟件編程的時候，會遇到各種不

17、同的道路情況，需要我們采取各種不同策略，我 們把它劃分為很多種狀態(tài)，采用狀態(tài)機的設計方法，不同狀態(tài)來回更替，這樣可以使程 序設計清晰明了且能大大簡化編程。下面是幾種主要狀態(tài)策略的分析：1. 直道。直道是比較簡單的部分，由于激光循跡部分為跑道內側的黑膠帶， 因而要 使激光傳感器斜著射到跑道內側，并且需要通過軟件濾波，去除打到賽道外部的 激光的不定狀態(tài)。在這種設計中會遇到的問題是在彎道處容易導致打角不合適而 出現(xiàn)掉輪。2. 一般彎道。由于容易在過彎時掉輪，因而在檢測到彎道標志線后我們采取先保持 角度延時一定時間后給一個大角度打角過彎的方法，通過不斷測試延時時間和打 角值，得到了很好的效果。3. 超

18、車標志區(qū)。超車標志區(qū)識別很容易和彎道標志誤識別， 通過測試，我們采用在 一定時間內計數(shù)采到標志線上的數(shù)量的方法來判斷。4. 超車區(qū)。這個區(qū)是最難處理的部分。由于要求車交替超車，所以車在這個部分要做兩種動作。被超車在識別出超車標志線后使傳感器達到另一側，通過跑道外側邊沿的黑膠帶來循線，而在超車區(qū)的中部位置停車，等待后面的車超車。而后面 的車則是識別出超車標志線后延時后大打角進入超車道，檢測到超車道內側邊沿 后反方向打角出超車區(qū)，通過調試不同階段的延時時間和打角角度， 可以得到很 好的效果。5. 兩車協(xié)調。兩車要求同時啟動并且不碰撞，我們在車的前面安裝了紅外測距， 通 過它來防止撞車。我們也使用了

19、藍牙無線模塊，在起始區(qū)協(xié)同同時啟動，在超車 超車動作完成之后告訴等待在超車區(qū)的被超車可以啟動進入下一輪的交替超車。3.2.2程序流程圖1、完成超車無線通信2、超車子程序流程圖4測試方案與測試結果4.1測試方案1、硬件測試將各個電路繪制，焊接完畢后，測試激光傳感器能否收到，紅外是否可以測距, 碼盤以及電機驅動是否可以正確完成各種功能。2、硬件軟件聯(lián)調編寫軟件可以實現(xiàn)普通的自動駕駛功能，能夠滿足基本的沿路，并進行一定的速度 控制，這樣可以驗證，軟硬件的基本部分是沒有問題的，當確定這一點后，我們將根據(jù) 題目，進行下一步的策略算法設計。初步任務完成后，我們會優(yōu)化軟硬件，使其更為流暢，穩(wěn)定的行駛。4.2

20、測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：秒表4.3測試結果及分析4.3.1測試結果（數(shù)據(jù)）1、兩個車分別跑完一圈12345平均甲車10s9.5s11s11s10.8s10s乙車9.8s10.2s11.2s12s12s11s2、完成乙車超過甲車一圈次數(shù)12345平均時間10s9.8s10.2s11.2s10.8s10.5s3、完成相互領跑4圈次數(shù)12345平均時間40s39s41s42s39s40s4.3.2測試分析與結論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，甲乙可以實現(xiàn)題目中，由此可以得出以下結論：1、小車可以實現(xiàn)完全的自動行駛功能

21、2、小車可以完成相互超車功能3、小車可以比較穩(wěn)定的實現(xiàn)各種路況的自主行駛的功能，并能實現(xiàn)追逐，超車等 咼級功能。綜上所述，本設計達到設計要求，并在實現(xiàn)的過程中體現(xiàn)了很多創(chuàng)新點。附錄1:電路原理圖PwerT丄 宀7甲r1cz；k審逢，xmm”+= 1 r c -： - 2附錄2:源程序void mai n(void)(void)E nCoderTimer_Disable();In itAll();if(!Switch_GetBit(O)mode=OVER_TAKE;elsemode=SINGLE_LAP;In itAll();Cpu_Delay100US(500);(void)E nCoderT

22、imer_E nable();if(mode=OVER_TAKE)while(TRUE)while(SCI_Se ndChar(HELLO)!=ERR_OK); (void)SCI_RecvChar(&message_recieved); if(message_recieved=HELLO)break;DiDi_ClrVal();Cpu_Delay100US(1000);DiDi_SetVal();for(;)while(Dista nce_Measure(FALSE) != ERR_OK); while(Dista nce_GetValue16(&Dista nee) != ERR_OK);LaserLighte n();An alyz_Laser_Status(); if(lsMaster=TRUE) if(LaserStatus = STRIGHTLINE) if(Dista nce5000)else if(Dista