賽區(qū)-攝像頭組工業(yè)電光一隊技術報告

本人完全了解第九屆“飛思卡爾”杯大學生智能汽車邀請賽關于保留、使用技術報告和研究的規(guī)定，即：參賽作品著作權歸參賽者本人，比賽和飛思卡爾半導體公司可以在相關主頁上收錄并公開參賽作品的設計方案、技術報告以及參賽模型車的、圖像資料，并將相關內容編纂收錄在 集中。日期 本組使用大賽 提供的競模，采用飛思卡爾16位微控制器在這份報告中，主要通過對整體方案、機械、硬件、算法等方的介紹，詳細闡述我隊在此次智能汽車競賽中的思想和創(chuàng)新。具體表現在電路的創(chuàng)新設計、算法以及輔助調試模塊等方面的創(chuàng)新。我隊成員涉及自動化、機械、計算機等專業(yè)，在準備比賽的過，隊員查閱了大量的專業(yè)資料，反復地調試汽車模型的各項參數。所有隊員都為此次智能汽車競賽付出了艱苦的勞動。這份報告凝聚著齊魯工業(yè)大學智能汽車隊光電組全體隊員的心血和智慧。該系統以飛思卡爾公司的MC9S12XS128單片機為控制，采用硬件二值化方法獲取OV5116模擬頭信息以及角度測量信息主要使用PID及模糊PID算法實：智能車、MC9S12XS128、OV5116、模糊、目引 摘要 目 第一章方案設計 小 第八章結 附錄A:程序源代 化圖像信號、場同步信號、行同步信號輸入MC9S12XS128微控制器，進行進一步處理獲得主要的賽道信息；通過光電編來檢測車速，一路采用MC9S12XS128的根據智能車系統的基本要求，設計了系統結構圖，如圖1.1所示。在滿足比賽要求的情況下，力求系統簡單高效，因而在設計過盡量簡化硬件高速頭本章重點分析了智能汽車系統總體方案的選擇，并介紹了系統的總體設計和總體結構，簡要地分析了系統各模塊的作用。在今后的章節(jié)中，將對整個系統的各個模塊進行詳細介紹。 根據比賽規(guī)則要求，維持車模直立也以設計出很多的方案，本參考方案假設維持車模直立、運行的動力都來自于車模的兩個后車輪。后輪轉動由兩個直流電機驅動。因此從控制角度來看，車模作為一個控制對象，它的控制輸入量是兩個電極的轉動速度。車模運動控制任務可以分解成以下三個基本控制任務，如圖2-1所示：(1)控制車模平衡：通過控制兩個電機正反向運動保持車模直立平衡狀態(tài)；(2)控制車模速度：通過調節(jié)車模的傾角來實現車模速度控制，實際上最后還是演變成通過控制電機的轉速來實現車輪速度的控制。(3)控制車模方向：通過控制兩個電機之間的轉動差速實現車模轉向控制。車模直立和方向控制任務都是直接通過控制車模兩個后輪驅動電機完成的。假設車模電機可以虛擬地拆解成兩個不同功能的驅動電機，它們同軸相連，分別控制車模的直立平衡、左右方向。在實際控制中，是將控制車模直立和方向的控制信號疊加在一起加載電機上，只要電機處于線性狀態(tài)就可以同時完成上面兩個任務。車模的速度是通過調節(jié)車模傾角來完成的。車模不同的傾角會引起車模的加，從而達到對于速度的控制。車模平衡控制車模平衡控制也是通過負反饋來實現的，與上面保持木棒直立比較則相對簡單。因為車模有兩個著地，車體只會在滾動的方向上發(fā)生傾斜。控制轉動，抵消在一個維度上傾斜的趨勢便可以保持車體平衡了。如圖2.2所示2.2車體平衡假設倒立車模簡化成高度為Lm的簡單倒立擺，它放置在可以左右移動的車輪上。假設外力干擾引起車模產生角加速度x(t)。沿著垂直于車模地盤方向進行受力分析，可以得到車模傾角與車輪運動加速度a(t)以及外力干擾加速度x(t)之間的運動方程。如圖2-3所示。2.3車模運動方程對應車模時，系統輸入輸出的傳遞函數為此時系統具有兩個極點一個極點位于s平面的右半平面，因此車模不穩(wěn)定。車模引入比例、微分反饋之后的系統如下圖所示：2.4加入比例微分反饋后的系統框圖系統傳遞函數為：，此時兩個系統極點位于，系統穩(wěn)定需要兩個極點都位于s平面的左半平面。要滿足這一點需要，由此可以得出結論，當時，直立車?？梢苑€(wěn)定。這與前面通過分析所得出的結論是一致的。車模角度和角速度測量加速度傳感器可以測量由地球引力作用或者物體運動所產生的加速度。競賽規(guī)則規(guī)定如果車模使用加速度傳感器必須使用飛思卡爾公司產生的加速度傳感器。該系列的傳感器采用了半導體表面微機械加工和集成電路技術，傳感器體積小，重量輕。陀螺儀可以用來測量物體的旋轉角速度。競賽允許選用村田公司ENC-03系列的加速度傳感器。它利用了旋轉坐標系中的物體會受到科利力的原理，在器件中利用壓電陶瓷做成振動單元。當旋轉器件時會改變振動頻率從而反映出物體旋轉的角速度。ENC-03角速度傳感器以及相關參考放大電路如圖2.4所示。2.4角速度傳感器及參考放大電路由于從陀螺儀角速度獲得角度信息，需要經過積分運算。如果角速度信號存在微小的偏差和漂移，經過積分運算之后，變化形成積累誤差。這個誤差會隨著時間延長逐步增加，最終導致電路飽和，無法形成正確的角度信號，通過以下方法來修正這個信號。通過對比積分所得到的角度與重力加速度所得到的角度，使用它們之間的偏差改變陀螺儀的輸出，從而積分的角度逐步到加速度傳感器所得到的角度。如圖2.5所示。2.5通過重力加速度來矯正陀螺儀根據前介紹車模角度控制和角度測量方法，可以得到如下車模角度控制方案框圖2.6角度控制框圖該方案中采用重力加速度計和陀螺儀通過角度互補融合方式獲取車模傾角和角速度，通過兩個比例常數后，控制電機驅動電壓，使得車模產生相應的加速度，維持車模的直立。在此方案中，需要保證重力加速度傳感器安裝Z軸與車模直立中軸線嚴格垂直。如果出現角度偏差，上述控制實際結果是車模與地面不是嚴格垂直，而是存在一個對應的傾角。在重力的作用下，車模會朝著一個方面加速前進。為了保持車模的或者勻速運動需要消除這個安裝誤差。在實際車模制作過需要進行機械調整和軟件參數設置。另外需要通過中的速度控制來實現速度的穩(wěn)定性。在車模角度控制中出現的車模傾角偏差，使得車模在傾斜的方向上產生加速。這個結果可以用來進行車模的速度控制。下一節(jié)將利用這個原理來調節(jié)車模的速度。車模速度控制對于直立車模速度的控制相對于普通車模的速度控制則比較復雜。由于在速度控制過需要始終保持車模的平衡，因此車模速度控制不能夠直接通過改變電機轉速來實現，而要通過改變車身傾角來實現。以加速過程為例，將角度控制的輸出量減少一定的量，則車模有了一個向前的傾斜角度，在直立控制的作用下，車輪需要向前加速，此時車模就會向前加速?？刂瓶驁D如圖2.7所示。2.7車模速度控制車模方向控制實現車模方向控制是保證車模沿著競賽道路比賽的關鍵。通過OV5116頭檢測道路兩邊的黑線可以計算出車身的位置偏差，并利用電機差動控制實現方向控制，從而進一步保證車模在賽道上。利用OV5116頭得到的偏差信號分別與兩個車輪的控制信號進行加和減，形成左右輪差動控制電壓，使得車模左右輪運行角速度不一致進而控制車模方向。如圖2.8所示。2.8車模方向控制小結良好的控制算法是車模穩(wěn)定運行至關重要的一點，選取了卓晴老師的直立車控制算法，經驗證確實穩(wěn)定可靠。第三章智能汽車機械結構調整與優(yōu)化此次競賽選用的是東莞市博思電子數碼科技生產的智能車競賽專用模型車(D型模型車)，配套的電機型號為-2875。智能車的控制采用的是雙后輪驅動方案。智能車的外形大致如下：圖3.1

小模型車的性能與機械結構有著非常密切的聯系。良好的機械結構是模型車提高速度的關鍵基礎。在同等的控制環(huán)境下，機械機構的好壞對其速度的影響十分顯著。非常重視對智能汽車的機械結構的改進，經過大量的理論研究和實踐，小車的大部分質量都集中在兩輪的輪軸附近，達到降低重心的目的，從而提高了小車整體的穩(wěn)定性和可靠性。另外，重心的降低也大大的提高了小車的可控制性，控制起來十分簡單、方便，速度提升更加明顯。系統所有硬件電路的電源7.2V2A/h蓄電池提供電路不同頭編然后使用其他進行黑白跳邊沿檢測，最終輸出二值化圖像。如圖4.2

圖4.2 液晶

，， 計數電

由于使用的是飛思卡爾公司16位單片機MC9S12XS128只能同時對一路脈沖進行計數因此需要使用CD4520外部計數器進行計數然后使用CPU的B口進4.5所示圖 硬件電路是模型汽車系統的必備部分。只有穩(wěn)定的硬件電路才能保證程序的正確控制。為此，在設計電路之時，考慮了很多問題，采用了模擬部分與數字部分等措施。的硬件電路的設計思想是在保證正確檢測信號的前提下，盡可能精簡電路。OV5116頭控制流否否是是小,不能進行整幅圖像搜索,因此硬件二值化與跳邊檢測相結合,進行提取。如圖5.1是彎道 圖5.1彎道圖{{{}}}void{{{if(image[ii][jj]==1&&image[ii][jj+1]==1)ts1=16; if(image[ii][jj]==1&&image[ii][jj+1]==1)ts2=1;}}}在實際調試過切彎路徑主要決定了車輛是選擇內道過彎還是外道過彎。切內道，路經最短，但是如果地面附著系數過小會導致車輛出現側滑的不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，原因是切內道時，曲率半徑過小，同時速度又很快，所以模型車需要的向心力會很大，而賽道本身是平面結構，向心力將全部由地面的摩擦力提供，因此賽道表面的附著系數將對的運行狀態(tài)有很大影響。切外道，路徑會略長，但是有的調整機會，同時曲率半徑的增加會使得模型車可以擁有更高的過彎速度。對轉向的控制使用的是PID算法。下面簡要介紹一下PID控制車跑動中，因為不需要考慮小車之前走過的路線，所以，舍棄了I控制，PID控制參數。試湊不是盲目的，而是在控制理論指導下進行的。在控制理論中PIPIDPDPID法繼續(xù)進行本圈的比賽，因此，不得不對其進行檢測，當頭檢測到黑白相5.2人字道規(guī)則圖6.1CW界hiwave

，，圖 圖 長寬高21120“飛思卡爾”杯大學生智能汽車競賽已經成功舉辦了八屆，該競賽涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多個學科，培養(yǎng)了學生的知識融合和實踐動手能力。在此份技術報告中主要介紹了準備比賽時的基本思路包括機械，電路，以及最重要的控制算法的創(chuàng)新思想。在傳感器的制作上，實際測驗了多種排布方法的優(yōu)劣，考慮到程序的穩(wěn)定性、簡便性，最后敲定了OV5116頭，并通過反復實踐決定了傳感器的位置。在電路方面，以模塊形式分類，在電源管理，電機驅動，控制，信號，傳感器這六個模塊分別設計，在查找資料的基礎上各準備了幾套方案，由隊員分組實驗，最后確定了最終的電路圖。在算法方面，使用C語言編程，利用比賽的開發(fā)工具調試程序，經過小組成員不斷、改進，終于設計出一套比較穩(wěn)定的程序。在這套算法中，結合路況調整車速，做到直線加速，彎道，保證在最短時間跑完全程。準備初始階段，由于自身知識積累不夠，遇到很多，也犯了不少錯誤。通過不斷學習和實踐，最/r