電賽全國一等獎報告

1、2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽智能小車（c題）【本科組】2011年9月3日ii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(jìn)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(lán)牙無線進(jìn)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(jìn)行驅(qū)動，驅(qū)動電流大。經(jīng)測試，系統(tǒng)基本完成了題目要求。關(guān)鍵字：智能小車 xs128 超車控制 自動駕駛 abstract in order to meet can achieve automatic driving, o

2、vertaking the intelligence function on the car, each unit circuit of the scheme more arguments and sure, system to xs128 series as a smart car freescale control core of laser, infrared, through such as road sensors to collect information and the intelligent car intelligent control, through the bluet

3、ooth wireless two car of information communication between, has the stable rate, communication features faster in car, the drive part, uses the mos pipe of the h bridge drive, drive current big. according to the test, the system has basically completed the topic request.key word: intelligent car xs1

4、28 overtaking control autopilot目 錄1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12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22.1.2 pid計算22.2 紅外測距的計算32.2.1 紅外測距所得到的電壓32.2.2 紅外測距ad值與距離的關(guān)系32.3兩車之間通信方法32.3.1兩車之間通信方式32.3.2通信信息33電路與程序設(shè)計43.1電路的設(shè)計43.1.1系統(tǒng)總體框圖43.1.2電源子系統(tǒng)框圖與電路原理圖53.1.3 傳感器電路原理圖53.1.4

5、電機(jī)驅(qū)動63.2程序的設(shè)計63.2.1程序功能描述與設(shè)計思路63.2.2程序流程圖74測試方案與測試結(jié)果74.1測試方案74.2 測試條件與儀器74.3 測試結(jié)果及分析74.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))74.3.2測試分析與結(jié)論8附錄1：電路原理圖9附錄2：源程序10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(jī)驅(qū)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(jī)作為核心控制單元用于智能汽車系統(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

6、置信號由車體前方的光電傳感器采集，經(jīng)xs128 mcu的i/o口接收后，用于賽車的運動控制決策，同時內(nèi)部ect模塊發(fā)出pwm波，驅(qū)動直流電機(jī)對智能小車進(jìn)行加速和減速控制，以及伺服電機(jī)對賽車進(jìn)行轉(zhuǎn)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(jìn)行處理，方案的優(yōu)點是采集的信息更為豐富，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，缺點是成本較高，軟件編程復(fù)雜，對單片機(jī)速度要就較高。方案二：采用紅外進(jìn)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，不能對控制進(jìn)行優(yōu)先判斷。方案三：采用激光傳感器，既可以檢測到較遠(yuǎn)距離的路況，處理方式也比較簡

7、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(lán)牙方案，藍(lán)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(shù)甚至可以應(yīng)用于極微小的設(shè)備中。智能車的行駛過程中，需要實時發(fā)出準(zhǔn)確的速度信息，所以綜合以上兩種方案，發(fā)現(xiàn)藍(lán)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(nèi)部有三片霍爾金屬板組成，當(dāng)磁鐵正對著金屬板時，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?，因此?/p>

8、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(jìn)行車速測量。 方案二：受鼠標(biāo)工作原理的啟發(fā)，采用斷續(xù)式光電開關(guān)。由于該開關(guān)是溝槽結(jié)構(gòu)，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(chǎn)生一個脈沖。通過脈沖的計數(shù)，對速度進(jìn)行測量。 以上兩種方案都是比較可行的轉(zhuǎn)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(jī)械結(jié)構(gòu)，能夠有效減少齒間的摩擦，降低機(jī)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(nèi)徑行駛的

9、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(nèi)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(fù)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(shè)置的路面信息很多，但是識別起來比較復(fù)雜，我們采取在傳感器上安裝舵機(jī)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(lán)牙通信，將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

10、，采用了激光的方式對道路兩邊的黑線信息進(jìn)行檢測，整合打角與激光管接收數(shù)據(jù)的關(guān)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(zhǔn)確的測出，可以使兩車距離較遠(yuǎn)的時候?qū)崿F(xiàn)追逐，當(dāng)兩車距離比較近時后面的車能夠及時減速。藍(lán)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(yuǎn)，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(jié)束后，兩車以正常的速度行駛。2.1.12pid算法當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型,控制理論的其他技術(shù)難以采用時,系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和

11、參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定,這時應(yīng)用pid 控制技術(shù)最為方便. 即使當(dāng)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(shù). 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(jīng)過測算和推導(dǎo)，我們得出了pid的計算公式在該智能車系統(tǒng)中，pid各個參數(shù)經(jīng)過調(diào)試得出：k=160p=300 i=350d=1252.2 紅外測距的計算 2.2.1 紅外測距所得到的電壓經(jīng)過實驗，我們得出了紅外測距的電壓與被測物距離的關(guān)系如圖2所示圖二2.2.2 紅外測距ad值與距離的關(guān)系經(jīng)過數(shù)學(xué)建模，

12、我們得出在5cm以后紅外測距值大體與距離成反比關(guān)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(lán)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度，狀態(tài)等信息，并根據(jù)這樣的信息協(xié)調(diào)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?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)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(dāng)小車被放到賽道上開

13、啟時，小車將會不斷通過藍(lán)牙向?qū)Ψ叫≤嚢l(fā)出申請，同時采用中斷的方式準(zhǔn)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(dāng)被超車識別到超車線時，將減速行駛，當(dāng)速度達(dá)到一定閾值時，將發(fā)送指令向被超車，表示可以超車。當(dāng)超車的車識別到超車線時，等待被超車的信息，當(dāng)收到信息進(jìn)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(jī)，電機(jī)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(chǔ)上極可能的提高電源的利用效

14、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(dá)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(qū)動，并使用調(diào)制管和分時點亮的策略進(jìn)行激光的點亮，不僅可以實現(xiàn)激光應(yīng)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(shè)計3.1電路的設(shè)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)框圖圖四 電源子系統(tǒng)框圖2、電源子系統(tǒng)電路圖五 電源子系

15、統(tǒng)電路3.1.3 傳感器電路原理圖1、傳感器子系設(shè)計傳感器采用帶有調(diào)制的激光方案，采用8550和8050進(jìn)行信號的放大來驅(qū)動激光管，并將調(diào)制信號耦合進(jìn)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(jī)驅(qū)動采用mos管的h橋驅(qū)動，如圖所示。圖七 電機(jī)驅(qū)動電路3.2程序的設(shè)計3.2.1程序功能描述與設(shè)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(dǎo)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(lǐng)跑等復(fù)雜的動作。2、程序設(shè)計思路分析跑道特點，跑道主要由直道，一般彎道，超車標(biāo)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

16、標(biāo)志線或超車標(biāo)志線，在超車區(qū)有虛線引導(dǎo)。因而在程序設(shè)計的時候可以充分利用這些標(biāo)志輔助我們檢測循跡。在軟件編程的時候，會遇到各種不同的道路情況，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(jī)的設(shè)計方法，不同狀態(tài)來回更替，這樣可以使程序設(shè)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(nèi)側(cè)的黑膠帶，因而要使激光傳感器斜著射到跑道內(nèi)側(cè)，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(shè)計中會遇到的問題是在彎道處容易導(dǎo)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(biāo)志線后我們

17、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. 超車標(biāo)志區(qū)。超車標(biāo)志區(qū)識別很容易和彎道標(biāo)志誤識別，通過測試，我們采用在一定時間內(nèi)計數(shù)采到標(biāo)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(biāo)志線后使傳感器達(dá)到另一側(cè)，通過跑道外側(cè)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(biāo)志線后延時后大打角進(jìn)入超車道，檢測到超車道內(nèi)側(cè)邊沿后反方向打角出超車區(qū)，通過調(diào)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

18、車協(xié)調(diào)。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。我們也使用了藍(lán)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(jìn)入下一輪的交替超車。 3.2.2程序流程圖初始化藍(lán)牙握手，發(fā)出啟動信號傳感器引導(dǎo)行駛傳感器檢測轉(zhuǎn)彎標(biāo)志以及超車標(biāo)志減速，等待被超車加速，超車完成超車無線通信1、主程序流程圖2、超車子程序流程圖檢測超車標(biāo)志超車車輛被超車輛減速，搖頭舵機(jī)打外角，檢測外延加速，檢測內(nèi)徑的路線根據(jù)內(nèi)徑的道路情況和紅外測距得到的值控制等待接收狀態(tài)信息退出狀態(tài)，正常行駛無線發(fā)射狀態(tài)信息標(biāo)志位識別，退出超車狀態(tài)4測試方案與測試結(jié)果4.1測

19、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(jī)驅(qū)動是否可以正確完成各種功能。2、硬件軟件聯(lián)調(diào)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(jìn)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(dāng)確定這一點后，我們將根據(jù)題目，進(jìn)行下一步的策略算法設(shè)計。初步任務(wù)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 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(jié)果及分析4.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))1、兩個車分別跑完一圈123

20、45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(lǐng)跑4圈次數(shù)12345平均時間40s39s41s42s39s40s4.3.2測試分析與結(jié)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(jié)論：1、小車可以實現(xiàn)完全的自動行駛功能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，超車等高級功能。綜上所述，本設(shè)計達(dá)到設(shè)計要求，并在實現(xiàn)的過程中體現(xiàn)了很多創(chuàng)新點。14附錄1：電路原理圖附錄

21、2：源程序void main(void) (void)encodertimer_disable(); initall(); if(!switch_getbit(0) mode=over_take; else mode=single_lap; initall(); cpu_delay100us(500); (void)encodertimer_enable(); if(mode=over_take) while(true) while(sci_sendchar(hello)!=err_ok); (void)sci_recvchar(&message_recieved); if(message_r

22、ecieved=hello) break; didi_clrval(); cpu_delay100us(1000); didi_setval(); for(;) while(distance_measure(false) != err_ok); while(distance_getvalue16(&distance) != err_ok); laserlighten(); analyz_laser_status(); if(ismaster=true) if(laserstatus = strightline) if(distance5000) speedset = 16; else if(distance6000) speedset = 14;