智能小車系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案

1、智能小車系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè) 計(jì)方案第一章 引言智能車研究背景發(fā)展歷史智能小車系統(tǒng)是迷你版的智能汽車，二者在信息提取，信息處理，控制策略 及系統(tǒng)搭建上有很多相似之處，可以說智能小車系統(tǒng)將為智能汽車提供很好的 試驗(yàn)和技術(shù)平臺(tái)，從而推動(dòng)智能汽車的發(fā)展。智能汽車是未來汽車的發(fā)展方向，將在減少交通事故、發(fā)展自動(dòng)化技術(shù)、提 高舒適性等許多方面發(fā)揮很重要的作用；同時(shí)智能汽車是一個(gè)集通信技術(shù)，計(jì) 算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制，信息融合技術(shù)，傳感器技術(shù)等于一身的行業(yè)，它的發(fā)展 勢(shì)必促進(jìn)其他行業(yè)的發(fā)展，在一定程度上代表一個(gè)國(guó)家在自動(dòng)化智能方面的水 平1。汽車在走過的100多年的歷史中，從沒停止過智能化的步伐，進(jìn)入 20世 紀(jì)90年

2、代以來，隨著汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈程度的日益加劇和智能運(yùn)輸系統(tǒng)（ ITS） 的興起，國(guó)際上對(duì)于智能汽車及其相關(guān)技術(shù)的研究成為熱門，一大批有實(shí)力有 遠(yuǎn)見的大公司、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)開展了這方面的研究。很多美國(guó)、日本和歐洲 等國(guó)家都十分重視并積極發(fā)展智能車系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，取得了很多成 就。我國(guó)的相關(guān)研究也已經(jīng)開展，清華大學(xué)成立了國(guó)最早的研究智能汽車和智 能交通的汽車研究所，在汽車導(dǎo)航、主動(dòng)避撞、車載微機(jī)等方面進(jìn)行了廣泛而 深入的研究，2000年智能交通系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性實(shí)施階段，國(guó)防科大研制出第四 代無人駕駛汽車，西北工業(yè)大學(xué)、交通大學(xué)、大學(xué)等也展開了相關(guān)研究。這一 新興學(xué)科正在吸引越來越多的研究機(jī)構(gòu)和

3、學(xué)者投入其中。智能車的應(yīng)用前景智能車系統(tǒng)有著極為廣泛的應(yīng)用前景。結(jié)合傳感器技術(shù)和自動(dòng)駕駛技術(shù)可 以實(shí)現(xiàn)汽車的自適應(yīng)巡航并把車開得又快又穩(wěn)、安全可靠；汽車夜間行駛時(shí)， 如果裝上紅外攝像頭，就能實(shí)現(xiàn)夜晚汽車的安全輔助駕駛；止匕外，智能車系統(tǒng) 還可以工作在倉(cāng)庫(kù)、碼頭、工廠或危險(xiǎn)、有毒、有害的工作環(huán)境里，并能擔(dān)當(dāng) 起無人值守的巡邏監(jiān)視、物料的運(yùn)輸、消防滅火等任務(wù)。在普通家庭轎車消費(fèi) 中，智能車的研發(fā)也是很有價(jià)值的，比如霧天能見度差，人工駕駛經(jīng)常發(fā)生碰 撞，如果用上這種設(shè)備，激光雷達(dá)會(huì)自動(dòng)探測(cè)前方的障礙物，電腦會(huì)控制車輛 自動(dòng)停下來，撞車就不會(huì)發(fā)生了。智能汽車大賽介紹公司開發(fā)嵌入式解決方案的歷史可追溯到

4、 50多年前，現(xiàn)在，已發(fā)展成為在 20多個(gè)國(guó)家設(shè)有業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)，擁有20,000多名員工的實(shí)力強(qiáng)大的獨(dú)立企業(yè)。公司專門為汽車、消費(fèi)電子、工業(yè)品、網(wǎng)絡(luò)和無線應(yīng)用提供“大腦”。他們 無比豐富的電源管理解決方案、微處理器、微控制器、傳感器、射頻半導(dǎo)體、 模塊與混合信號(hào)電路及軟件技術(shù)已嵌入在全球使用的各種產(chǎn)品中。并擁有雄厚 的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，其中包括6,200多項(xiàng)專利。為加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，促進(jìn)高等教育教學(xué)改革， 受教育部高等教育司委托（教高司函2005201號(hào)文，附件1）,由教育部高等自 動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)化分教指委）主辦全國(guó)大學(xué)生智能 汽車競(jìng)賽。該競(jìng)賽以智能汽車為研

5、究對(duì)象的創(chuàng)意性科技競(jìng)賽，是面向全國(guó)大學(xué) 生的一種具有探索性工程實(shí)踐活動(dòng)，是教育部倡導(dǎo)的大學(xué)生科技競(jìng)賽之一。該 競(jìng)賽以“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵(lì)探索，追求卓越”為指導(dǎo)思想，旨在促進(jìn) 高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生 的綜合知識(shí)運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng) 新意識(shí)，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)際、 求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。該競(jìng)賽由競(jìng)賽秘書處為各參賽隊(duì)提供/購(gòu)置規(guī)定圍的標(biāo)準(zhǔn)硬軟件技術(shù)平臺(tái)， 競(jìng)賽過程包括理論設(shè)計(jì)、實(shí)際制 作、整車調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)比賽等環(huán)節(jié)，要求學(xué)生組 成團(tuán)隊(duì)，協(xié)同工作，初步體會(huì)一個(gè)工程性的研究開發(fā)項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的全過 程

6、。該競(jìng)賽融科學(xué)性、趣味性和觀賞性為一體，是以迅猛發(fā)展、前景廣闊的汽 車電子為背景，涵蓋自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、 機(jī)械與汽車等多學(xué)科專業(yè)的創(chuàng)意性比賽。該競(jìng)賽規(guī)則透明，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)客觀，堅(jiān) 持公開、公平、公正的原則，保證競(jìng)賽向健康、普及，持續(xù)的方向發(fā)展。該競(jìng)賽以半導(dǎo)體公司為協(xié)辦方，得到了教育部相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、飛思卡爾公司領(lǐng)導(dǎo) 與各高校師生的高度評(píng)價(jià)，已發(fā)展成全國(guó) 30個(gè)省市自治區(qū)近300所高校廣泛參 與的全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽。2008年起被教育部批準(zhǔn)列入國(guó)家教學(xué)質(zhì)量與教 學(xué)改革工程資助項(xiàng)目中科技人文競(jìng)賽之一（教高函 200730號(hào)文）。全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽原則上由全國(guó)有自動(dòng)化專

7、業(yè)的高等學(xué)校（包括港、 澳地區(qū)的高校）參賽。競(jìng)賽首先在各個(gè)分賽區(qū)進(jìn)行報(bào)名、預(yù)賽，各分賽區(qū)的優(yōu) 勝隊(duì)將參加全國(guó)總決賽。每屆比賽根據(jù)參賽隊(duì)伍和隊(duì)員情況，分別設(shè)立光電組、 攝像頭組、電磁組等多個(gè)賽題組別。每個(gè)學(xué)校可以根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則選報(bào)不同組別 的參賽隊(duì)伍。全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽組織運(yùn)行模式貫徹“政府倡導(dǎo)、專家主 辦、學(xué)生主體、社會(huì)參與”的16字方針，充分調(diào)動(dòng)各方面參與的積極性。全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽一般在每年的 10月份公布競(jìng)賽的題目和組織方 式，并開始接受報(bào)名，次年的3月份進(jìn)行相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，7月份進(jìn)行分賽區(qū)競(jìng)賽， 8月份進(jìn)行全國(guó)總決賽。第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)概述本智能車系統(tǒng)主要有幾大部分組成，

8、包括電源模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，采集模塊， 信息處理模塊，測(cè)速模塊等組成。利用線性CCD對(duì)賽道信息進(jìn)行采集，通過飛思卡爾MX9s12XS12舶片機(jī)進(jìn)行處理使小車按照要求的路線行駛；編碼器采集 當(dāng)前速度，實(shí)現(xiàn)智能車的閉環(huán)控制；方向控制上我們采用PD控制算法，速度上采用PID和BANGBANG制相結(jié)合的思想。根據(jù)智能車系統(tǒng)的基本要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖 2.1所示。在 滿足比賽要求的情況下，力求系統(tǒng)簡(jiǎn)單高效，因而在設(shè)計(jì)過程中盡量簡(jiǎn)化硬件 結(jié)構(gòu)，減少硬件故障。測(cè)速編碼器圖21系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2整車布局Mc9s12xs12(1)車模底盤降低，主板低放，以降低重心(2)舵機(jī)放于車體前方，節(jié)省空間(3)用輕

9、便堅(jiān)固的碳纖桿作為線性 CCD干的材料線性CCD舵機(jī)轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng) 模塊(4)電池放于車體前方，使重心落在車體中心。如圖 2.2圖2 2智能車實(shí)物圖第三章智能車機(jī)械設(shè)計(jì)及安裝根據(jù)組委會(huì)的相關(guān)規(guī)定，今年光電組比賽車模更換為 B型車模。針對(duì)不同的車模，必然會(huì)有不同的調(diào)整方案。在比賽備戰(zhàn)之初，我們就對(duì)該車模進(jìn)行了 詳細(xì)的系統(tǒng)分析。B型車模精度不是很高，因此在規(guī)則允許圍盡量改造車模,提高車模整體精度是很必要的。本章將介紹我們?cè)谟山M委會(huì)提供的B車模的基礎(chǔ)上對(duì)車模進(jìn)行機(jī)械分析與改裝，以達(dá)到使智能車機(jī)械性能最佳的目的。3.1車體機(jī)械建模此次競(jìng)賽的賽車車模選用由科宇通博科技提供的B型車模。車模外形如圖所示。圖3

10、 1車模外形底盤高度的調(diào)整與固定在保證順利通過坡道的前提下，底盤盡量降低，從整體上降低模型車的重心， 使模型車轉(zhuǎn)彎時(shí)更加穩(wěn)定、高速。于是我們?cè)黾忧拜唹|片，協(xié)調(diào)后輪的墊片， 使車模重心達(dá)到了允許圍的最低，防止了允許過程中翻車的發(fā)生。使車模更加 穩(wěn)定，有利于速度的提升此外我們參照組委會(huì)的相關(guān)規(guī)定，用廢棄的PCB板對(duì)底盤與后輪電機(jī)連接部分進(jìn)行了固定，這樣使底盤與后輪電機(jī)連接部分連接成為一個(gè)鋼性結(jié)構(gòu)，從而大減小了車模行駛過程中CCD勺抖動(dòng)，提高了車模的整體穩(wěn)定性。前輪的調(diào)整根據(jù)汽車?yán)碚?，?duì)前輪的調(diào)整主要包括主銷后傾，主銷傾，前輪外傾，前 輪前束幾個(gè)方面。主銷后傾從側(cè)面看車輪，轉(zhuǎn)向主銷（車輪轉(zhuǎn)向時(shí)的旋轉(zhuǎn)

11、中心）向后傾倒，稱為主銷后傾 角。設(shè)置主銷后傾角后，主銷中心線的接地點(diǎn)與車輪中心的地面投影點(diǎn)之間產(chǎn) 生距離（稱作主銷縱傾移距，與自行車的前輪叉梁向后傾斜的原理相同），使車輪的接地點(diǎn)位于轉(zhuǎn)向主銷延長(zhǎng)線的后端，車輪就靠行駛中的滾動(dòng)阻力被向后拉， 使車輪的方向自然朝向行駛方向。設(shè)定很大的主銷后傾角可提高直線行駛性能， 同時(shí)主銷縱傾移距也增大。主銷縱傾移距過大，會(huì)使舵機(jī)沉重，而且由于路面 干擾而加劇車輪的前后顛簸。圖3 2主銷后傾示意圖主銷傾從車前后方向看輪胎時(shí)，主銷軸向車身側(cè)傾斜，該角度稱為主銷傾角。當(dāng) 車輪以主銷為中心回轉(zhuǎn)時(shí)，車輪的最低點(diǎn)將陷入路面以下，但實(shí)際上車輪下邊 緣不可能陷入路面以下，而是

12、將轉(zhuǎn)向車輪連同整個(gè)汽車前部向上抬起一個(gè)相應(yīng) 的高度，這樣汽車本身的重力有使轉(zhuǎn)向車輪回復(fù)到原來中間位置的效應(yīng)，因而 舵機(jī)復(fù)位容易。止匕外，主銷傾角還使得主銷軸線與路面交點(diǎn)到車輪中心平面與地面交線的 距離減小，從而減小轉(zhuǎn)向時(shí)舵機(jī)的拉力，使轉(zhuǎn)向操縱輕便，同時(shí)也可減少?gòu)霓D(zhuǎn) 向輪傳到舵機(jī)上的沖擊力。但主銷傾角也不宜過大，否則加速了輪胎的磨損。前輪外傾前輪外傾角是指通過車輪中心的汽車橫向平面與車輪平面的交線與地面垂 線之間的夾角，對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向性能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安 全性和轉(zhuǎn)向操縱的輕便性。在汽車的橫向平面，輪胎呈“八”字型時(shí)稱為“負(fù) 外傾”，而呈現(xiàn) V字形開時(shí)稱為正外傾。如果車輪垂直地

13、面一旦滿載就易產(chǎn)生變形，可能引起車輪上部向傾側(cè)，導(dǎo)致車輪聯(lián)接件損壞。所以事先將車輪校 偏一個(gè)正外傾角度，一般這個(gè)角度約在1 左右，以減少承載軸承負(fù)荷，增加零件使用壽命，提高汽車的安全性能。模型車提供了專門的外傾角調(diào)整配件， 近似調(diào)節(jié)其外傾角。由于競(jìng)賽中模型主要用于競(jìng)速，所以要求盡量減輕重量， 其底盤和前橋上承受的載荷不大，所以外傾角調(diào)整為0。即可，并且要與前輪前束匹配。前輪前束所謂前束是指兩輪之間的后距離數(shù)值與前距離數(shù)值之差，也指前輪中心線 與縱向中心線的夾角。前輪前束的作用是保證汽車的行駛性能，減少輪胎的磨 損。前輪在滾動(dòng)時(shí)，其慣性力自然將輪胎向偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動(dòng)時(shí)的偏斜方向就會(huì)抵

14、消，輪胎外側(cè)磨損的現(xiàn)象會(huì)減少。像八字那樣前端小后端大的稱為“前束”，反之則稱為“后束”或“負(fù)前束”。在實(shí)際的汽車中，一般前 束為 012mm o前束的調(diào)整總是依據(jù)主銷傾的調(diào)整。只有主銷傾確定后才能確定合適 的前 輪前束與之配合。前輪前束的調(diào)整是方便的。主銷傾的調(diào)整由于要擰開 螺絲釘， 固定件又為塑料，所以頻繁的調(diào)整容易引發(fā)滑絲現(xiàn)象。而前束不會(huì)，所以調(diào)整前束是最安全、方便的。前束在摩擦大的時(shí)候有明顯的效果。但是一定不要太大，適當(dāng)?shù)姆砰_一兩 圈就夠了。在模型車中，前輪前束是通過調(diào)整伺服電機(jī)帶動(dòng)的左右橫拉桿實(shí)現(xiàn)的。主 銷在垂直方向的位置確定后，改變左右橫拉桿的長(zhǎng)度即可以改變前輪前束的大 小。在實(shí)際的

15、調(diào)整過程中，我們發(fā)現(xiàn)較小的前束，約束02mm可以減小轉(zhuǎn)向阻力，使模型車轉(zhuǎn)向更為輕便，但實(shí)際效果不是十分明顯。調(diào)節(jié)合適的前輪前 束 在轉(zhuǎn)向時(shí)有利過彎，還能提高減速性。將前輪前束調(diào)節(jié)成明顯的八字，運(yùn) 動(dòng)阻 力加大，提高減速性能。由于阻力比不調(diào)節(jié)前束時(shí)增大。智能汽車采用穩(wěn)定速 度策略或者采用在直道高速?gòu)澋缆俚牟呗詴r(shí)，應(yīng)該調(diào)節(jié)不同的前束。后一種策略可以適當(dāng)加大前束。編碼器的安裝編碼器在智能車當(dāng)中起到了測(cè)速的作用， 通過編碼器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)定我們 可以知道車模在某個(gè)時(shí)刻的速度，從而通過軟件調(diào)整差值，是車模的速度達(dá)到 我們想要的效果，讓車模電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)處于我們所要求的理想狀態(tài)，從而形成一個(gè) 速度閉環(huán)控制系統(tǒng)

16、，我們使用了測(cè)速編碼器去測(cè)量脈沖數(shù)，就可以得到當(dāng)前電 機(jī)的轉(zhuǎn)速。如圖3.4所示，編碼器安裝示意圖舵機(jī)安裝結(jié)構(gòu)的調(diào)整原裝車模的舵機(jī)安裝占用位置較多，考慮到主板的安裝方便以及車模轉(zhuǎn)向性能，我們對(duì)舵機(jī)安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較大的調(diào)整。比賽車模的轉(zhuǎn)向是通過舵機(jī)帶 動(dòng)左右橫拉桿實(shí)現(xiàn)。舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和功率是一定，要想加快轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的響應(yīng) 速度，唯一的辦法就是優(yōu)化舵機(jī)的安裝位置及其力矩延長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度。最終，我們選擇了一套舵機(jī)連片（轉(zhuǎn)向拉桿），綜合考慮了速度與力矩的關(guān)系，并根據(jù)模型車底盤的具體結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了安裝方式，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo) 關(guān)于舵機(jī)的安裝方式，我們的舵機(jī)安裝如圖 3.5所示。圖3 5舵機(jī)安裝小意圖后輪差速的調(diào)整后輪

17、差速的調(diào)整對(duì)車模的性能也有著很重要的作用，差速過緊，有利于車模 在直道上的加速，但是不利于車模順利通過彎道；差速太松，有利于車模順利 通過彎道，但是在直道上，這會(huì)導(dǎo)致車模速度加不起來，從而增加了車模的比 賽時(shí)間，這也是不利的。因此，經(jīng)過軟件和機(jī)械的不斷結(jié)合在一起調(diào)試，均衡直道和彎道的不同需 求，我們選擇了較為合適的差速。使小車加速良好且過彎順暢。線性CCD勺安裝由于線性CCD鏡頭視角的限制，只有將 CC冰的比較高才能得到想要的賽道寬度，于是額外增加了 4根支架，保證CCD勺穩(wěn)定。使用輕質(zhì)的纖維桿，盡 量降低重心。見下圖圖3 6 CCD安裝示意圖小結(jié)本章通過對(duì)B型車模進(jìn)行系統(tǒng)的建模分析，在比賽規(guī)

18、則的允許圍，制定了 整車機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安裝和改進(jìn)方案，使其能夠符合智能車的競(jìng)技要求，主要 包括模型車機(jī)械部分安裝及改造、傳感器的設(shè)計(jì)安裝、系統(tǒng)電路板的固定及連 接等。車速較高時(shí)，小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)顯得尤為重要，只有好的機(jī)械結(jié)構(gòu)才能提 高小車的最高速度。第四章硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)方案該硬件系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，故硬件設(shè)計(jì)時(shí)我們都是圍繞著單片機(jī)的相關(guān) 功能及結(jié)構(gòu)進(jìn)行的。為了保證硬件系統(tǒng)的安全、可靠和高效，我們采取以下措施：1、盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、 模塊化打下良好的基礎(chǔ)。2、系統(tǒng)擴(kuò)展與外圍設(shè)備的配置水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留 有適當(dāng)余地，以便進(jìn)

19、行二次開發(fā)。3、硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)產(chǎn)生相 互影響，考慮原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。 但必須注意，由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，一般響應(yīng)時(shí)間比硬件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)，且占用 CPU 時(shí)間。4、系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。5、可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)必不可少的一部分，它包括芯片、器件 選擇、去耦濾波、印刷電路板布線、通道隔離等。傳感器的選擇線性 CCD線性CCDfe光電平衡組獲取賽道信息的主要傳感器，根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則，線性CCD 需選用TSL1401系列線性CCD專感器。TSL1401在時(shí)序控制下，可以串行輸出部 128個(gè)點(diǎn)的模擬數(shù)據(jù)，由于

20、輸出模擬信號(hào)幅值較小，需加一級(jí)運(yùn)算放大器。根據(jù)競(jìng)賽規(guī)定，我們選用了如下線性 CCD真塊，其大體結(jié)構(gòu)如下：圖 4 1 線TCCD其中，SI為曝光時(shí)間控制信號(hào)，CLK為串行時(shí)鐘信號(hào)，AO為放大后的像素 模擬量輸出。具單片機(jī)的接口如下圖所示：圖4 2 CCD接口圖編碼器增量式光電編碼器的特點(diǎn)是每產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖信號(hào)就對(duì)應(yīng)于一個(gè)增量位移，但是不能通過輸出脈沖區(qū)別出在哪個(gè)位置上的增量。它能夠產(chǎn)生與位移增量等值的脈沖信號(hào)，其作用是提供一種對(duì)連續(xù)位移量離散化或增量化以及位移變化（速度）的傳感方法，它是相對(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)位置增量，不能夠直接檢測(cè)出軸的絕對(duì)位置信息。一般來說，增量式光電編碼器輸出A、B兩相互

21、差900電 度角的脈沖信號(hào)（即所謂的兩組正交輸出信號(hào)），從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。 考慮到編碼器的分辨率、精度、輸出信號(hào)的穩(wěn)定性、響應(yīng)頻率、信號(hào)輸出方式等 指標(biāo)，最終我們選取512線的MINI編碼器。電路設(shè)計(jì)方案智能車控制系統(tǒng)電路有三部分組成：MC9s12XS128核心的最小系統(tǒng)板、主 控板、驅(qū)動(dòng)模塊。最小系統(tǒng)板可以插在主板上，組成了信號(hào)采集、信號(hào)處理、電 機(jī)控制、舵機(jī)控制單元。為了減小電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路帶來的電磁干擾，我們把控制單元部分和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分分開來制作板子，防止驅(qū)動(dòng)過熱對(duì)主板造成影響。主板上集成了本系統(tǒng)的主要電路，它包括如下部件：電源穩(wěn)壓電路、最小系 統(tǒng)板插座、CCD8口、舵機(jī)接口、編碼

22、器模塊、撥碼開關(guān)、無線串口、指示燈等。單片機(jī)最小系統(tǒng)板MC9S12XS128 Freescale16 位 HCS12s列單片機(jī)，也稱 MC9S1原列，簡(jiǎn)稱 S12系列。MC9s12源列是HCS1源列的增強(qiáng)型產(chǎn)品，基于 S12 CPU核，可達(dá)到 25MHz勺HCS12勺25倍的性能。單片機(jī)最小系統(tǒng)板使用MC9S12XS128片機(jī)，112引腳封裝，為減少電路板 空間，板上僅將本系統(tǒng)所用到的引腳引出，包括 PWMI口、計(jì)數(shù)器接口、外部中 斷接口、若干普通IO接口等。此外，還包括電源濾波電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電 路、串行通訊接口等。:r mePAD二三二一 三一2 黨2AK肛 $r，t5-l4lorJH

23、4L?、-.LJ$t4lI5D 如捱毋皿毋潸毋is3皿品如麗r房 F-N.1 m版1 s u12-S 二上 父 營(yíng)圖43單片機(jī)接口電路PWX15T7T6T5T4T3T2T1TCUK1七*POP1&:P5F4P5P6P7K7一電源穩(wěn)壓電路本系統(tǒng)中電源穩(wěn)壓電路分別需要有 5V, 6V, 3.3V,12VO 5V為單片機(jī)、編碼 器、撥碼開關(guān)、無線串口、線性CCD?供電。6V單獨(dú)給舵機(jī)提供穩(wěn)定電源。3.3V 對(duì)液晶OLEDft電。12V為電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電。5V電源模塊：5V幾乎成了本車的靈魂，此模塊采用 LM2940電壓轉(zhuǎn)換芯片將 電池電壓7.2V轉(zhuǎn)換為5V,為單片機(jī)以及其他需5V電源的模塊供電，由于LM

24、2940 的穩(wěn)壓的線性度非常好且轉(zhuǎn)換壓差較大，所以選用LM2940a行供電。U2LXU940101042D2GKD圖44 5V電源模塊6V電源模塊：轉(zhuǎn)向舵機(jī)對(duì)于其他模塊干擾較大，于是單獨(dú)設(shè)計(jì)電路給舵機(jī)供電，此模塊采用LM2941電壓轉(zhuǎn)換芯片將7.2V轉(zhuǎn)換為6V,電壓比較穩(wěn)定，能3.3V電源模塊：采用ASM117-3.3產(chǎn)生3.3V電壓，僅供給液晶使用。電路原 理圖如下：U4 AMI 17GND 5 IND4GNU1 r L 2?GNDKD4圖4 6 3.3V電源模塊12V電源模塊：采用MC3406科壓。供給驅(qū)動(dòng)，效果良好。圖4 7 12V電源模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由于BTN797邸動(dòng)電路簡(jiǎn)單使用方便

25、，初期，我們采用 4片BTN797W聯(lián)使 用，在速度小于2.5M/S時(shí)，并無嚴(yán)重發(fā)熱現(xiàn)象，后來發(fā)現(xiàn)當(dāng)速度大于2.5M/S時(shí)，驅(qū)動(dòng)會(huì)有明顯的發(fā)熱現(xiàn)象，甚至驅(qū)動(dòng)芯片會(huì)進(jìn)入過熱保護(hù)。如果再進(jìn)行提速， 需要強(qiáng)烈的加減速，這樣BTN無法勝任。于是我們選擇 MOST來設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路， 發(fā)現(xiàn)使用MOSE動(dòng)后，車的性能得到很大提升，且加減速芯片幾乎不發(fā)熱。電路 如下：圖4 8電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖舵機(jī)接口電路舵機(jī)接口電路包括，供電接口和 PWMS號(hào)輸入接口。電路接口如下圖所示:P1 DUCJI圖4 9舵機(jī)接口撥碼開關(guān)和無線串口電路主板上還包括撥碼開關(guān)電路和無線串口電路S2GNDBMSWLANYAGND圖4 10 撥碼開

26、關(guān)、無線串口電路本章小結(jié)前一章介紹了小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如果說機(jī)械結(jié)構(gòu)是小車的四肢的話， 那么硬 件電路的各個(gè)模塊就是小車的器官和各大系統(tǒng)。本章主要介紹硬件系統(tǒng)的各個(gè)模 塊。而各個(gè)模塊都是我們自己精心設(shè)計(jì)的， 自己認(rèn)真的設(shè)計(jì)電路板的形狀，對(duì)電 路板進(jìn)行合理的布局、布線，最終制作出PCB8。然后我們又自己手工焊電路板, 最終經(jīng)過調(diào)試后成功投入使用。達(dá)到了預(yù)期的效果。第五章軟件算法設(shè)計(jì)概述軟件算法是智能車設(shè)計(jì)的最核心部分，硬件是為軟件提供了平臺(tái)，而算法則 是車模的靈魂，是他的駕駛員。本章將從各模塊的初始化，信息采集、舵機(jī)控制、電機(jī)控制來著重介紹算法?？刂瓶驁D轉(zhuǎn)向控制圖5 1控制框圖xs128芯片各模塊

27、初始化智能車軟件系統(tǒng)包括幾大模塊，包括普通IO 口模塊、鎖相環(huán)、ADW塊、定 時(shí)器模塊、中斷模塊和PW脈寬調(diào)制模塊等。弄清這些模塊的初始化，將很快的 入門智能車，下面詳細(xì)介紹各模塊的初始化。普通IO 口初始化包括設(shè)置液晶，藍(lán)牙，CC曲使用的IO 口為輸入或輸出模式，并選擇是否使 用部上拉電阻等。void IO_Init(void)DDRA=0XFF; /CCD 液晶全a 口為輸出口PORTA_PA0 = 0; /PORTA_PA1 = 0; /PORTA_PA2 = 0; /PORTA_PA3 = 0; /DDRB=0 x00; /配置IO的數(shù)據(jù)為0配置IO的數(shù)據(jù)為0配置IO的數(shù)據(jù)為0配置IO

28、的數(shù)據(jù)為0 線性CCD全B口為輸入口 撥碼開關(guān) 低導(dǎo)通DDRK=0 x00; / 全K口為輸入口 包括按鍵 編碼器方向PUCR_PUPKE=1;PUCR_PUPBE=1;)系統(tǒng)時(shí)鐘初始化初始化后時(shí)鐘頻率為64 MHZ使指令運(yùn)算加快，能很好的滿足系統(tǒng)要求。void SetBus_64M(void)(CLKSEL_PLLSEL=0; 禁止使能鎖相環(huán)時(shí)鐘PLLCTL_PLLON=1; /鎖相環(huán)電路允許SYNR=0 xc0|0 x07;/VCO_clock=2*osc_clock*(SYNR+1)/(REFDV+1)=128MHz/VCOFRQ1:0=1:1,代表 VCO_clock在 80120MH

29、zREFDV=0 x80|0 x01;/VCO_clock=2*osc_clock*(SYNR+1)/(REFDV+1)=128MHzREF_clock=osc_clock/(REFDV+1)/REFFEQ1:0=1:0,代表參考時(shí)鐘在 612MH/間POSTDIV=0 x00; PLL_clock=VCO_clock_asm(nop);_asm(nop); /短暫延時(shí)，等待時(shí)鐘頻率穩(wěn)定while(!(CRGFLG_LOCK=1)(;)CLKSEL_PLLSEL=1;PWM脈寬調(diào)制初始化PWM1塊為智能車最基礎(chǔ)最重要模塊，它控制了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)里的舵機(jī)，和電機(jī) 的轉(zhuǎn)速。(PWMCTL_CON01=1

30、;PWMCAE_CAE1=0;PWMCNT01 = 0;PWMPOL_PPOL1=1;void PWM_Init(void)/0 和1聯(lián)合成16位PWM/選擇輸出模式為左對(duì)齊輸出模式/計(jì)數(shù)器清零/先輸出高電平，計(jì)數(shù)到DTYW,反轉(zhuǎn)電平PWMPRCLK = 0; /clock A不分頻，即 clock A=bustlePWMSCLA = 16;/ 對(duì) clock SA進(jìn)行分頻，PWMlock=clock/ (2*16)=2MHzPWMPER01 =6667;PWMCLK_PCLK1 = 1;PWME_PWME1=1; /PWM1通道使能PWMDTY01=3020;定時(shí)器初始化固定的中斷周期，定時(shí)

31、采集賽道信息，采集小車運(yùn)行速度等 void init_PIT(void)(PITMTLD0=249;/為0通道8位計(jì)數(shù)器賦值PITLD0=2559;/為0通道16位計(jì)數(shù)器賦值PITMUX_PMUX0=0; 第0通道使用微計(jì)數(shù)器 0PITCE_PCE0=1;/第0通道計(jì)數(shù)器工作PITCFLMT=0X80;/使能周期中斷定時(shí)器PITINTE_PINTE0=1; /0通道定時(shí)器定時(shí)中斷被使能 AD模塊初始化AD模塊實(shí)現(xiàn)了賽道信息模擬與數(shù)字之間的轉(zhuǎn)換。void ADC_Init(void)(ATD0CTL4 = 0 x0F;ATD0CTL3 = 0 x88;ATD0CTL1 = 0 x0F;ATD0C

32、TL2 = 0 x40;ATD0DIEN = 0 x00;)路徑識(shí)別算法路徑識(shí)別算法是智能車的眼睛，對(duì)智能車系統(tǒng)的穩(wěn)定起著很重要的作用，經(jīng)過藍(lán)牙將賽道信息反映到上位機(jī)上可以幫助很清晰的分析賽道。圖5 3彎道LbiPID算法概述PID控制算法是應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。它具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、魯棒性強(qiáng)和適用面廣等優(yōu)點(diǎn)。無論是過去還是現(xiàn)在，其應(yīng)用都十分廣泛，近 20 年來相繼出現(xiàn)一批復(fù)雜的，只有計(jì)算機(jī)才能實(shí)現(xiàn)的控制算法。 然而，目前即使在 過程計(jì)算機(jī)控制中，PID控制仍然是應(yīng)用最廣泛的控制算法。PID控制器根據(jù)給定的理想值r(t)與實(shí)測(cè)值c(t)之間差值e(t)=r(t)-c(t);然后將誤差

33、的比例P (比例)、I (積分)D (微分)比例相加計(jì)算得到控制量u(t)作用于被控制對(duì)象，控制框如圖 5-1所示。其時(shí)域表達(dá)式為：其傳遞函數(shù)表達(dá)式為:= A1 + +EgTjS DA:圖5 4 PID框圖速度控制策略速度 PID在電機(jī)控制中，我們采用了 PI控制，偏差為速度期望值motor_hope與實(shí)測(cè) 值 get_pluse 之差作為偏差量 motor_error=motor_hope-get_pluse ,經(jīng)過運(yùn)算 得到控制量motor_out。為避免控制量過大或過小對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，我們?cè)O(shè)置了上限控制量和下 限控制量，止匕外，我們采用的是子函數(shù)調(diào)用的方法。void dianjipi

34、d(int K)(pwm23=duty23;wucha=K-now_maichong;d_wucha=wucha-per_wucha;dd_wucha=d_wucha-dper_wucha;per_wucha=wucha;pwm23+=(kp*d_wucha+ki*wucha+kd*dd_wucha);if(pre_pwm232500)pre_pwm23=2500; / 速度提升需要增加duty23=pre_pwm23;if(pre_pwm230)(PWMDTY67=0;PWMDTY23=pre pwm23;if(pre_pwm23=0)(if(pre_pwm23ariWAfl-i&圖61編程

35、與調(diào)試界面CodeWarrior IDE 是由Metrowerks公司提供的專門面向 Freescale 所有 MCUTDSP嵌入式應(yīng)用開發(fā)的軟件工具。其中包括集成開發(fā)環(huán)境IDE、處理器專家、 全芯片仿真、可視化參數(shù)顯示工具、項(xiàng)目工程管理、 C交叉編譯器、匯編器、器 以及調(diào)試器。CodeWarrior IDE能夠自動(dòng)地檢查代碼中的明顯錯(cuò)誤，它通過一個(gè)集成的調(diào)試器和編輯器來掃描你的代碼，以找到并減少明顯的錯(cuò)誤，然后編譯并程序以便 計(jì)算機(jī)能夠理解并執(zhí)行你的程序。每個(gè)應(yīng)用程序都經(jīng)過了使用像CodeWarriorIDE這樣的開發(fā)工具進(jìn)行編碼、編譯、編輯、和調(diào)試的過程。CodeWarrior IDE中的

36、mc9s12dg128.h文件對(duì)所有寄存器對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)映射地址都進(jìn)行了宏定義，開發(fā)者在軟件開發(fā)時(shí)直接調(diào)用這些宏就可以了。CodeWarrior的功能非常強(qiáng)大，可用于絕大部分單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。用戶可在新建工程時(shí)將芯片的類庫(kù)添 加到集成環(huán)境開發(fā)環(huán)境中，工程文件一旦生成就是一個(gè)最小系統(tǒng)，用戶無需再進(jìn)行繁瑣的初始化操作，就能直接在工程中添加所需的程序代碼無線通信模塊在調(diào)試過程中，為了能夠?qū)崟r(shí)獲取智能車在運(yùn)動(dòng)過程中的一些參數(shù)，以及避免智能車在嘗試各種算法時(shí)沖出賽道而發(fā)生意外， 我們使用了藍(lán)牙無線通信模 塊傳輸數(shù)據(jù)。利用藍(lán)牙可以在遠(yuǎn)程上顯示智能車的實(shí)時(shí)賽道信息， 更加直觀方便 地觀察智能車的狀態(tài)，方

37、便調(diào)試和程序分析。lira 過 it翻Hi M融KtS： J然平埼慍H4-H1E： 口 .主：HUlE保人（5*曼小宜二閩化o申H11作卻部I回寧伐審。E一白重士忌柞Hi帝S忖茸款看It詈詢維等像索值二J茨圖6 2無線模塊ziskE圖6 3上位機(jī)界面第七章車模技術(shù)參數(shù)與總原理圖項(xiàng)目參數(shù)路經(jīng)檢測(cè)方法線Tccd采集車模幾何尺寸（長(zhǎng)*寬*高）（厘米）30*18*45車模平均電流（毫安）1000電容總?cè)萘浚ㄎ⒎ǎ?500傳感器種類及個(gè)數(shù)線fCCD 2 個(gè)編碼器1個(gè)新增加伺服電機(jī)個(gè)數(shù)（個(gè)）0賽道信息檢測(cè)空間精度（毫米）20賽道信息檢測(cè)頻率（次 /秒）100車模重量（帶電池）（kg）1.5車模最大前瞻（厘

38、米）701J.TJ主板總原理圖nmos驅(qū)動(dòng)實(shí)物圖第八章總結(jié)優(yōu)勢(shì)：采用帶運(yùn)放的CCD降低了曝光時(shí)間，采集精度得到明顯的提高。跟蹤法對(duì) ccd采集的賽道信息進(jìn)行處理，抗干擾性增強(qiáng)。在接近比賽的一個(gè)月里我們意識(shí) 到穩(wěn)定性比快速性更重要，只有穩(wěn)定性好了，才能在速度上有更高的突破，于是 我們不再盲目追求速度而是不斷對(duì)各方面進(jìn)行改進(jìn)，提高小車的穩(wěn)定性，也正因如此，我們得以在比賽中穩(wěn)定發(fā)揮。不足：所采用白線性CCD勺視角較小，不得不使得線性 CCDt架的很高，這樣高的 CCD支架又使得桿子穩(wěn)定性減小，使機(jī)械結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜。小車在速度控制上略顯 不足。相信在速度控制算法上能再有改進(jìn)，一定會(huì)有更多突破。心得與致：

39、智能車的制作對(duì)每一個(gè)人來說都是一個(gè)成長(zhǎng)的過程，經(jīng)過將近一年的努力， 從對(duì)智能車的一無所知，到現(xiàn)在沖進(jìn)國(guó)賽，里面包含了太多的沮喪和開心。在這 沮喪和開心中我們不斷學(xué)習(xí)與進(jìn)步，成為大學(xué)里最精彩的回憶。記得車第一次跑完全程的時(shí)候，我們組每人的心情都是無比激動(dòng)的，大家臉 上都掛滿了笑容。當(dāng)車會(huì)無緣無故的跑不好，或者單片機(jī)又燒了，亦或是舵機(jī)又 壞了，等等問題又讓我們不斷地懊惱。那時(shí)車的速度雖然很慢，很容易穿道，但 是經(jīng)過我們一幀一幀的分析圖像，在摸索中不斷地改進(jìn)和完善算法，使智能車最 終能夠在賽道上穩(wěn)定行駛，跑出速度，賽出我們的成績(jī)。從中學(xué)習(xí)到的知識(shí)和經(jīng)歷也都是十分珍貴的，相信這些經(jīng)歷將成為我們一生 銘

40、記的歷史。是智能車讓我們的大學(xué)更加精彩，更加有意義。實(shí)驗(yàn)室里我們無悔 地付出，我們不再在意最后的成績(jī)，因?yàn)槲覀円呀?jīng)得到了最大的收獲。同時(shí)感學(xué)校和物理系的老師們?cè)诖诉^程中對(duì)我們的毫無保留地指導(dǎo)，感他們的支持和鼓勵(lì)；還有我們可愛的同學(xué)們，感你們，是你們的陪伴和幫助，讓我取 得更大的進(jìn)步。最后感組委會(huì)提供了一個(gè)這樣的平臺(tái)， 讓我們?cè)谔剿髦?，不斷學(xué) 習(xí)，不斷進(jìn)步。參考文獻(xiàn)(1)卓晴，黃開勝.邵貝貝，學(xué)做智能車M.:航天月空，20072001.(2)童詩(shī)白.華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M .:高等教育, 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M.:高等教育，2000.(4)譚浩強(qiáng)著.C程序設(shè)計(jì).：清華大學(xué)，2003.(5)

41、蔡述庭智能汽車競(jìng)賽設(shè)計(jì)與實(shí)踐航空航天大學(xué)附錄A:程序源代碼void main(void)(Disableinterrupts;SetBus_64M();IO_Init();PWM_Init();PWMdianji_Init();LCD_Init();init_PIT();TimInit();ADC_Init();UART0_Init();EnableInterrupts;for(;)(_FEED_COP(); /* feeds the dog */ keyscan();yejing();lanya();int abs(int k) (if(k0) return k;else return -k

42、;)unsigned short CRC_CHECK(unsigned char *Buf, unsigned char CRC_CNT)(unsigned short CRC_Temp;unsigned char i,j;CRC_Temp = 0 xffff;for (i=0;iCRC_CNT; i+)CRC_Temp A= Bufi;for (j=0;j1 ) a 0 xa001;elseCRC_Temp = CRC_Temp 1;)return(CRC_Temp);)void OutPut_Data(void)int temp4 = 0;unsigned int temp14 = 0;u

43、nsigned char databuf10 = 0;unsigned char i;unsigned short CRC16 = 0;for(i=0;i4;i+)tempi = (int)OutDatai;temp1i = (unsigned int)tempi;for(i=0;i4;i+)databufi*2 = (unsigned char)(temp1i%256);databufi*2+1 = (unsigned char)(temp1i/256);CRC16 = CRC_CHECK(databuf,8);databuf8 = CRC16%256;databuf9 = CRC16/25

44、6;for(i=0;i10;i+)uart_putchar(databufi);void uart_putchar ( unsigned char c)while(!(SCI0SR1&0 x80);/keep waiting when not emptySCI0DRL=c;void LCD_Init(void)Delay_us(1) ;LCD_RST = 0; /產(chǎn)生一個(gè)讓Delay_us(1);LCD_RST = 1;LCD_write_byte(0 x21, 0);LCD_write_byte(0 xd0, 0);LCD_write_byte(0 x06, 0);LCD_write_byt

45、e(0 xc8, 0);LCD_write_byte(0 x20, 0);LCD_clear();BL_5110=0;/LCD_write_byte(0 x0c, 0);void LCD_clear(void)uint i;LCD_write_byte(0 x0c, 0);LCD_write_byte(0 x80, 0);for (i=0; i504; i+)LCD復(fù)位的低電平脈沖/使用擴(kuò)展命令設(shè)置LCD奠式/設(shè)置偏置電壓/溫度校正/ 1:48/使用基本命令清屏/設(shè)定顯示模式，正常顯示LCD_write_byte(0, 1);void LCD_write_byte(uchar data, uc

46、har command)(uchar i;LCD_CE = 0;if (command = 0)LCD_DC = 0;elseLCD_DC = 1;for(i=0;i8;i+)(if(data&0 x80)SDIN = 1;elseSDIN = 0;SCLK = 0;data= data 1;SCLK = 1;)LCD_CE = 1;)void LCD_set_XY(uchar X, uchar Y)(LCD_write_byte(0 x40 | Y, 0);/ columnLCD_write_byte(0 x80 | X, 0);/ rowvoid LCD_write_char(uchar c)uchar line;c -= 32;for (line=0; line=0)&(asc=9)/ asc = asc+16;/ elseasc = asc+16;for (line=0; line=0)&(asc=9)/ asc = asc+16;/ elseasca = asca-