智能車培訓(xùn)資料

智能車培訓(xùn)資料第1頁/共126頁第1章智能汽車設(shè)計(jì)導(dǎo)論第2頁/共126頁1.1智能汽車現(xiàn)在的“汽車”——帶有一些電子控制的機(jī)械裝置將來的“汽車”——帶有一些輔助機(jī)械的機(jī)電一體化裝置，消費(fèi)類電子產(chǎn)品。智能汽車配備了遠(yuǎn)程信息處理器、傳感器和接收器，通過無線網(wǎng)絡(luò)獲取前方交通狀況信息，引導(dǎo)汽車加速或減速。更為平穩(wěn)地行駛，避免不斷剎車、啟動(dòng)的動(dòng)作，以降低油耗。第3頁/共126頁智能汽車應(yīng)包含以下結(jié)構(gòu)：智能汽車的信息采集、處理及傳輸

智能汽車的自動(dòng)控制系統(tǒng)智能汽車的通信系統(tǒng)

智能汽車的導(dǎo)駛定位技術(shù)

智能汽車的電源系統(tǒng)

第4頁/共126頁第2章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——硬件第5頁/共126頁第2章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—硬件

從外觀上看，智能車系統(tǒng)主要表現(xiàn)為由一系列的硬件組成，包括組成車體的底盤、輪胎、舵機(jī)裝置、馬達(dá)裝置、道路檢測(cè)裝置、測(cè)速裝置和控制電路板等。第6頁/共126頁2.1傳感器系統(tǒng)12.2電路設(shè)計(jì)2第2章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—硬件第7頁/共126頁2.1傳感器系統(tǒng)在工程上，系統(tǒng)中各種物理量都必須轉(zhuǎn)換成一定規(guī)格的信號(hào)（電信號(hào)或氣壓信號(hào)）才能被檢測(cè)、采集和顯示。所謂傳感器，即是將被測(cè)量按照一定的物理或化學(xué)原理轉(zhuǎn)換成某種規(guī)定的輸出信號(hào)的裝置或器件。第8頁/共126頁2.1傳感器系統(tǒng)圖2.1傳感器組成方框圖圖2.1傳感器組成方框圖第9頁/共126頁2.1傳感器系統(tǒng)傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件能夠隨著被測(cè)量的變化而引起某種易被測(cè)量的信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換元件則將敏感元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)由于轉(zhuǎn)換元件的輸出信號(hào)一般都很微弱，需要添加信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路、輔助電路等，將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大或運(yùn)算調(diào)制。第10頁/共126頁智能汽車設(shè)計(jì)中涉及到的傳感器主要有三種：光電式傳感器、圖像傳感器和測(cè)速傳感器。2.1傳感器系統(tǒng)12.1.1光電式傳感器22.1.2圖像傳感器32.1.3測(cè)速傳感器第11頁/共126頁

光電式傳感器是利用光電器件把光信號(hào)（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置被測(cè)量——光量——電量光電式傳感器的核心（敏感元件）是光電器件，光電器件的基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。2.1.1光電式傳感器第12頁/共126頁光電式傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，可靠性較高，能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的非接觸測(cè)量。光電式傳感器由光路及電路兩大部分組成，光路部分實(shí)現(xiàn)被測(cè)量信號(hào)對(duì)光量的控制和調(diào)制，電路部分完成從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。2.1.1光電式傳感器第13頁/共126頁2.1.1光電式傳感器圖2.2光電式傳感器的基本組成第14頁/共126頁1．ST188

2.1.1光電式傳感器A-K為紅外發(fā)射管。C_E為紅外接收管。當(dāng)沒有物體反射紅外線時(shí)，ce之間截止，無電流流過，輸出電壓為電源電壓，高電平。當(dāng)有物體反射紅外線時(shí)，be飽和導(dǎo)通ce也就導(dǎo)通了，輸出端就相當(dāng)于接地。輸出電壓為低電平。第15頁/共126頁ST188根據(jù)光電特性，選取發(fā)射管的靜態(tài)電流為20mA。典型的壓降為1.25v,如果供電電壓為5V，那么，此時(shí)在發(fā)射管上需要串聯(lián)電阻，電阻大小為R=（5-1.25）/0.02;即：R=187.5歐姆。取標(biāo)稱電阻，R=200,那么此時(shí)的電流小于20mA，但是不影響結(jié)果。C_E端的電阻用來輸出高低電平，接一個(gè)2K的電阻?；瑒?dòng)變阻器（電位器）為了測(cè)試方便，調(diào)整閾值電壓第16頁/共126頁2.1.2圖像傳感器（略）圖像傳感器又稱為成像器件或攝像器件，可實(shí)現(xiàn)可見光、紫外線、X射線、近紅外光等的探測(cè)，是現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎(chǔ)器件。實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴(kuò)展，能給出直觀、真實(shí)、多層次、多內(nèi)容的可視圖像信息。第17頁/共126頁1．CCD圖像傳感器的分類

CCD圖像傳感器從結(jié)構(gòu)上可以分為兩類：一類是用于獲取線圖像的，稱為線陣CCD；另一類是用于獲取面圖像的，稱為面陣CCD。第18頁/共126頁（1）線陣CCD圖像傳感器對(duì)于線陣CCD，它可以直接接收一維光信息，而不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)換為一維的電信號(hào)輸出，為了得到整個(gè)二維圖像的輸出，就必須用行掃描的方法來實(shí)現(xiàn)。2.1.2圖像傳感器第19頁/共126頁（2）面陣CCD圖像傳感器面陣CCD圖像傳感器的感光單元呈二維矩陣排列，能檢測(cè)二維平面圖像。2.1.2圖像傳感器第20頁/共126頁

在智能汽車設(shè)計(jì)中，測(cè)速傳感器的設(shè)計(jì)主要有兩種方案：霍爾傳感器和光電式脈沖編碼器。

1．霍爾傳感器

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理，將電流、磁場(chǎng)、位移、壓力、壓差轉(zhuǎn)速等被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。

2.1.3測(cè)速傳感器

第21頁/共126頁圖2.7三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器2.1.3測(cè)速傳感器圖2.7三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器第22頁/共126頁2.1.3測(cè)速傳感器2．光電式脈沖編碼器光電式脈沖編碼器可將機(jī)械位移、轉(zhuǎn)角或速度變化轉(zhuǎn)換成電脈沖輸出，是精密數(shù)控采用的檢測(cè)傳感器。光電編碼器的最大特點(diǎn)是非接觸式，此外還具有精度高、響應(yīng)快、可靠性高等特點(diǎn)。光電編碼器采用光電方法，將轉(zhuǎn)角和位移轉(zhuǎn)換為各種代碼形式的數(shù)字脈沖，如圖2.8所示光電式脈沖編碼器，在發(fā)光元件和光電接收元件中間，有一個(gè)直接裝在旋轉(zhuǎn)軸上的具有相當(dāng)數(shù)量的透光扇形區(qū)的編碼盤，在光源經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光投在透光和不透光區(qū)的碼盤上時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤，在碼盤的另一側(cè)就形成光脈沖，脈沖光照射在光電元件上就產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào)。第23頁/共126頁2.1.3測(cè)速傳感器圖2.8光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)第24頁/共126頁2.1.3測(cè)速傳感器光電編碼器的精度和分辨率取決于光電碼盤的精度和分辨率，取決于刻線數(shù)。目前，已能生產(chǎn)徑向線寬為6.7×10-8rad的碼盤，其精度達(dá)1×10-8，比接觸式的碼盤編碼器的精度要高很多個(gè)數(shù)量級(jí)。如進(jìn)一步采用光學(xué)分解技術(shù)，可獲得更多位的光電編碼器。光電編碼器按其結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)方式可分為直線型的線性編碼器和轉(zhuǎn)角型的軸角編碼器兩種類型，按脈沖信號(hào)的性質(zhì)可分為有增量式和絕對(duì)式兩種類型。第25頁/共126頁2.1.3測(cè)速傳感器選用可以5V工作電壓的250線歐姆龍編碼器進(jìn)行速度的測(cè)量，保證測(cè)量的精度。速度傳感器用螺釘通過支架固定在后輪支架上，這樣固定好之后，就有了較高的穩(wěn)定性。然后調(diào)節(jié)編碼器齒輪，使其與差速齒輪緊密咬合，增大測(cè)速的精確性，但是咬合過緊也增大了摩擦，減小了對(duì)電機(jī)做功的利用率，影響小車的快速行駛，因此減小摩擦同時(shí)增強(qiáng)齒輪間的咬合是我們主要考慮的因素。用齒輪潤(rùn)滑油涂抹齒輪有不錯(cuò)效果。第26頁/共126頁

2.2電路設(shè)計(jì)

12.2.1電源系統(tǒng)22.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路32.2.3傳感器接口電路第27頁/共126頁

在智能車設(shè)計(jì)中，電源關(guān)系到整個(gè)電路設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可靠性，是電路設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。

1．直流穩(wěn)壓電源的基本原理

圖2.9直流穩(wěn)壓電源電路2.2.1電源系統(tǒng)

第28頁/共126頁電源變壓器——將220V的交流電壓變成低壓的交流電壓。整流電路——將交流電壓變換成脈動(dòng)的直流電壓，通常由整流二極管構(gòu)成的整流橋堆來執(zhí)行。常見的整流二極管有1N4007和1N5148等，橋堆有RS210等。濾波電路——將脈動(dòng)直流中的紋波濾除獲得紋波小的直流穩(wěn)壓電路——將濾波電路輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，輸出較穩(wěn)定的電壓，譬如三端穩(wěn)壓器、串聯(lián)式穩(wěn)壓電路等。2.2.1電源系統(tǒng)第29頁/共126頁2.2.1電源系統(tǒng)2．三端固定式正壓穩(wěn)壓器7805正輸入電壓加到MC7805的1，MC7805的3接地，其2端便能輸出芯片標(biāo)稱正電壓。芯片輸入端和輸出端與地之間除分別接大容量電容——濾波小容量（0.1～10μF）電容——減小高頻噪聲。第30頁/共126頁LM2940第31頁/共126頁2.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)——提供驅(qū)動(dòng)力高速電機(jī)減速直流電機(jī)第32頁/共126頁第33頁/共126頁第34頁/共126頁智能車的速度較快——2m/s以上，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的要求較高，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路必不可少。第35頁/共126頁2.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路第36頁/共126頁2.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路功率管的選擇由電機(jī)的功率決定，其標(biāo)稱電流是電機(jī)正常工作時(shí)電流的3～5倍（電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候存在較大的浪涌電流）PWM信號(hào)的占空比決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，故電機(jī)的調(diào)速可通過改變PWM信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)。第37頁/共126頁常用驅(qū)動(dòng)芯片第38頁/共126頁注：L298N效率不高，最大承受電流2A（飛思卡爾電機(jī)可達(dá)4-5A），價(jià)格低。低速時(shí)可滿足要求推薦：MC33886：驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，有過流保護(hù)功能，狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，通過PWM調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。1)單獨(dú)使用一片33886：可能存在發(fā)熱嚴(yán)重的問題，不好加散熱片。2)采用兩片或者四片MC33886并聯(lián)：333886+場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)采用MC33886或其他驅(qū)動(dòng)芯片與場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電流理論上可達(dá)74A，解決了33886的散熱問題，不用加散熱片缺點(diǎn)：電路復(fù)雜。7960，內(nèi)部為半橋，電路簡(jiǎn)單方便，缺點(diǎn)：價(jià)格略高第39頁/共126頁所謂接口電路，就是要把傳感器與后續(xù)的有關(guān)電路聯(lián)系起來的電路。一般傳感器的輸出信號(hào)有三種形式：數(shù)字開關(guān)量、數(shù)字脈沖和模擬信號(hào)。（1）數(shù)字開關(guān)量信號(hào)與計(jì)算機(jī)連接時(shí)要采用消除抖動(dòng)電路。（2）數(shù)字脈沖電路用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)算機(jī)要對(duì)計(jì)數(shù)器擁有清零的功能，以便計(jì)數(shù)器重新計(jì)數(shù)。2.2.3傳感器接口電路第40頁/共126頁（3）模擬信號(hào)——A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)楹线m的輸入電壓，必要時(shí)還要在A/D前面對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、分壓等，一般稱為信號(hào)的預(yù)處理。預(yù)處理后的信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后和控制器直接連接，完成接口電路的設(shè)計(jì)。傳感器與預(yù)處理放大電路的接線要盡量短；傳感器信號(hào)接線要采用屏蔽線，外皮接地；放大電路的輸入和輸出之間盡量遠(yuǎn)；放大電路的增益不要太大，以免產(chǎn)生振蕩；放大電路要遠(yuǎn)離傳感器，以免產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)的干擾等。2.2.3傳感器接口電路第41頁/共126頁第3章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——軟件第42頁/共126頁第3章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—軟件硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂，軟件的核心是控制算法。編程語言——匯編語言和C語言。在硬件方面各參賽隊(duì)之間大同小異，真正體現(xiàn)各參賽隊(duì)智能車的優(yōu)勢(shì)和最后決定比賽成績(jī)好壞的往往是軟件部分，尤其是核心控制算法的設(shè)計(jì)第43頁/共126頁3.1編程語言簡(jiǎn)介13.2控制算法2第3章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—軟件第44頁/共126頁3.1編程語言匯編語言依賴于硬件平臺(tái)的語言，CPU不同，匯編指令不同。C語言：程序員盡量少地對(duì)硬件進(jìn)行操作，具有很強(qiáng)的功能性、結(jié)構(gòu)性和可移植性。實(shí)現(xiàn)匯編語言的大部分功能，可以直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，因此C語言既具有高級(jí)語言的功能，又具有匯編語言的功能，對(duì)于編寫與硬件相關(guān)的應(yīng)用程序而言具有明顯的優(yōu)勢(shì)。第45頁/共126頁3.1編程語言簡(jiǎn)介多數(shù)場(chǎng)合，采用C語言編程即可完成預(yù)期的目的，但是對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)、要求執(zhí)行效率高的系統(tǒng)就不適合采用C語言編程，對(duì)這些特殊情況進(jìn)行編程時(shí)要結(jié)合匯編語言。例如對(duì)時(shí)鐘要求很嚴(yán)格時(shí)，只能使用匯編語言?；旌暇幊獭壳皢纹瑱C(jī)開發(fā)最流行的編程方法。第46頁/共126頁3.2控制算法13.2.1PID控制算法23.2.2模糊控制算法33.2.3其它智能控制算法第47頁/共126頁什么是開環(huán)控制？什么是閉環(huán)控制？——有無反饋放大電路輸出量的一部分或全部通過一定的方式引回到輸入回路，影響輸入，稱為反饋。第48頁/共126頁無反饋有反饋第49頁/共126頁3.2.1PID控制算法圖3.1常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖第50頁/共126頁3.2.1PID控制算法PID（ProportionalIntegralDifferential）控制是比例、積分、微分控制的簡(jiǎn)稱。在自動(dòng)控制領(lǐng)域中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。PID控制器的原理是根據(jù)系統(tǒng)的被調(diào)量實(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間的偏差，利用偏差的比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)的不同組合計(jì)算出對(duì)廣義被控對(duì)象的控制量。圖3.1是常規(guī)PID控制系統(tǒng)的原理框圖。第51頁/共126頁其中虛線框內(nèi)的部分是PID控制器，其輸入為設(shè)定值與被調(diào)量實(shí)測(cè)值構(gòu)成的控制偏差信號(hào)：(3.1)

其輸出為該偏差信號(hào)的比例、積分、微分的線性組合，也即PID控制律：

(3.2)

式中，為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)。3.2.1PID控制算法第52頁/共126頁3.2.1PID控制算法1．PID控制規(guī)律的特點(diǎn)（1）比例控制器比例控制器對(duì)于偏差是及時(shí)反應(yīng)的，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用使被控量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp。第53頁/共126頁3.2.1PID控制算法比例控制器雖然簡(jiǎn)單快速，加大比例系數(shù)Kp雖然可以減小靜態(tài)誤差，但當(dāng)Kp過大時(shí)，動(dòng)態(tài)性能會(huì)變差，會(huì)引起被控量振蕩，甚至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。第54頁/共126頁3.2.1PID控制算法（2）比例積分控制器為了消除在比例控制中存在的靜差，可在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制作用，構(gòu)成比例積分PI控制器加入積分環(huán)節(jié)將有助于消除系統(tǒng)的靜差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能第55頁/共126頁3.2.1PID控制算法顯然，如果積分時(shí)間太大，則積分作用減弱，反之則積分作用較強(qiáng)。增大，將使消除靜差的過程變得緩慢，但可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，提高穩(wěn)定性。如對(duì)于管道壓力、流量等滯后不大的對(duì)象，可以選得小些，對(duì)溫度、成分等滯后比較大的對(duì)象，可以選得大些。（智能車，可不選積分）第56頁/共126頁3.2.1PID控制算法積分調(diào)節(jié)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度為了加快控制過程，按偏差變化的趨勢(shì)進(jìn)行控制，使偏差在萌芽狀態(tài)被抑制為了達(dá)到這一控制目的，可以在PI控制器的基礎(chǔ)上加入微分控制作用，即構(gòu)造比例積分微分控制器（PID控制器）。推薦PD控制！?。。?）比例積分微分控制器第57頁/共126頁

3.2.3其它智能控制算法簡(jiǎn)單的算法只要參數(shù)調(diào)整得好，效果會(huì)相當(dāng)不錯(cuò)；相反，復(fù)雜的算法，其設(shè)計(jì)和參數(shù)整定則相對(duì)復(fù)雜，效果不一定比簡(jiǎn)單算法好。在智能車控制系統(tǒng)中，控制算法最普遍的就是上面講到的PID和模糊控制算法。銘記：第58頁/共126頁第3章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)第59頁/共126頁4.1計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)14.2計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)2第60頁/共126頁4.1計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)(略)14.1.1機(jī)械設(shè)計(jì)原理2

4.1.2

AUTOCAD簡(jiǎn)介第61頁/共126頁4.1.1機(jī)械設(shè)計(jì)原理歷屆全國(guó)智能汽車競(jìng)賽中表明：要取得較好的成績(jī)，智能車底盤的優(yōu)化和硬件設(shè)備的可靠性所占的比重要大于軟件程序及其控制策略所占的比重。AutoCAD是機(jī)械設(shè)計(jì)中常用的軟件之一，它是一種可自定義、可擴(kuò)展的CAD軟件，具有二維繪圖、設(shè)計(jì)文檔和簡(jiǎn)單的三維設(shè)計(jì)等功能。第62頁/共126頁4.2計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)14.2.1EDA技術(shù)24.2.2Protel第63頁/共126頁4.2.1EDA技術(shù)（略）1．EDA技術(shù)的內(nèi)涵EDA（ElectronicsDesignAutomation）即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化?，F(xiàn)在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)依靠手工設(shè)計(jì)已經(jīng)無法滿足大規(guī)模電路設(shè)計(jì)的要求，因此在電路設(shè)計(jì)工作中需要采用EDA技術(shù)。利用EDA設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)者可完成對(duì)電路的性能分析、時(shí)序測(cè)試，減少設(shè)計(jì)的盲目性，極大地提高設(shè)計(jì)的效率。第64頁/共126頁4.2.2Protel(推薦)Protel99SE是澳大利亞ProtelTechnology公司推出的一個(gè)全32位的電路板設(shè)計(jì)軟件第65頁/共126頁AltiumDesigner(推薦)原Protel軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)第66頁/共126頁第5章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—微控制器第67頁/共126頁5.1單片機(jī)簡(jiǎn)介15.2單片機(jī)系統(tǒng)25.3FreescaleHCS12單片機(jī)

3第5章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—微控制器第68頁/共126頁5.1單片機(jī)簡(jiǎn)介隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)/數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)第69頁/共126頁5.2單片機(jī)系統(tǒng)15.2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)25.5.2單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展第70頁/共126頁5.2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)所謂單片機(jī)最小系統(tǒng)，是指在單片機(jī)外部增加盡可能少的元件電路，組成一個(gè)讓單片機(jī)可獨(dú)立工作的系統(tǒng)第71頁/共126頁5.3FreescaleHCS12單片機(jī)（略）16位CPU的控制器工作電壓為5V，時(shí)鐘頻率最高為25MHz2個(gè)8通道A/D轉(zhuǎn)換器，8位/10位精度可選擇8個(gè)PWM通道推薦：MC9S12XS128！?。。。〉?2頁/共126頁5.3.1MC9S12XS128最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)（推薦）該最小系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：時(shí)鐘電路、串口電路、BDM接口、供電電路、復(fù)位電路和調(diào)試用LED燈。各個(gè)部分的功能分別如下：（1）時(shí)鐘電路為單片機(jī)提供一個(gè)外接的16Hz的石英晶振。（2）串口的RS-232驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232之間的轉(zhuǎn)換。（3）BDM接口允許用戶通過該接口向單片機(jī)下載和調(diào)試程序。（4）供電電路主要是給單片機(jī)提供+5V的電源。（5）復(fù)位電路是通過一個(gè)復(fù)位芯片給單片機(jī)一個(gè)復(fù)位信號(hào)。（6）調(diào)試用LED燈和單片機(jī)的PORTB口相連，供程序調(diào)試使用。第73頁/共126頁第74頁/共126頁5.3.2MC9S12DG128最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)1．時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路——系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵之一。時(shí)鐘不穩(wěn)定——導(dǎo)致隱患，很難被發(fā)現(xiàn)。建議首先使用有源振蕩器作為外部時(shí)鐘，并且振蕩器的頻率不必太高。第75頁/共126頁5.3.2MC9S12DG128最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)2．串行口的RS-232驅(qū)動(dòng)電路通過串口驅(qū)動(dòng)電路中的RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片，單片機(jī)可以利用異步通信協(xié)議與PC機(jī)通信。RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片可以實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換，然后再通過9芯串行口與PC進(jìn)行串口通信。3．電源電路HCS12單片機(jī)的芯片內(nèi)部使用3V電壓，而I/O端口和外部供電電壓為5V。通常需要采用濾波電路改善系統(tǒng)的電磁兼容性，降低系統(tǒng)對(duì)電源的高頻干擾。第76頁/共126頁4．復(fù)位電路復(fù)位電路的作用是產(chǎn)生一個(gè)低電壓信號(hào)給MC9S12DG128的RESET端，使系統(tǒng)上電啟動(dòng)。在最小系統(tǒng)中，通常使用低電壓復(fù)位芯片MC34064，也可以只用一只0.1F的電容替代，通常添加一個(gè)手動(dòng)復(fù)位按鈕，以方便調(diào)試時(shí)使用。第77頁/共126頁5.3.2MC9S12DG128最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)5．BDM接口BDM接口是連接BDM調(diào)試工具的，其中BDMIN接口是接BDM調(diào)試工具，向MC9S12單片機(jī)下載程序用的。若下載相應(yīng)的BDM調(diào)試工具軟件到目標(biāo)板后，這塊目標(biāo)板就具有了BDM調(diào)試器功能。BDMOUT接口是當(dāng)開發(fā)上的應(yīng)用程序?yàn)锽DM調(diào)試器程序時(shí)，此接口可以用做BDM調(diào)試器的輸出口。如果不打算將這塊目標(biāo)板用做BDM調(diào)試器，可以不引出BDMOUT接口，從而有更多的I/O口可供用戶的應(yīng)用程序使用。第78頁/共126頁5.3.2MC9S12DG128最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)注：對(duì)于定義為輸出口的單片機(jī)引腳，可輸出邏輯1或邏輯0，在5V供電的情況下，邏輯1不低于4.2V，邏輯0不高于0.8V。第79頁/共126頁第6章智能汽車設(shè)計(jì)實(shí)踐——

光電組設(shè)計(jì)第80頁/共126頁

6.1機(jī)械設(shè)計(jì)

1

6.2硬件設(shè)計(jì)

2

6.3軟件設(shè)計(jì)

3第81頁/共126頁6.1機(jī)械設(shè)計(jì)6.1.1光電管傳感器的布局6.1.2舵機(jī)的安裝6.1.3測(cè)速傳感器的安裝第82頁/共126頁6.1.1光電管傳感器的布局1．傳感器的布局間隔2．傳感器的徑向探出距離第83頁/共126頁傳感器的布局間隔傳感器的布局間隔是否合適，對(duì)過彎的精確性以及防止飛車有很大的影響。設(shè)定傳感器間隔的原則是：既要滿足一定的密度以保證走彎道時(shí)軌跡相對(duì)精確，又要盡可能擁有大的橫向控制范圍來防止飛車。若傳感器間隔設(shè)置合適，當(dāng)賽道有一點(diǎn)微小的變化時(shí)，小車的控制單元就能進(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)（改變前輪轉(zhuǎn)角），從而使得過彎道的軌跡與彎道大體重合，精確性好。第84頁/共126頁（1）“一”字形布局:“一”字形布局是傳感器最常用的布局形式，即各個(gè)傳感器在一條直線上，從而保證縱向的一致性，使其控制策略主要集中在橫向上，其排布如圖6.1所示。傳感器的徑向探出距離圖6.1“一”字形布局第85頁/共126頁（2）“八”字形布局:“八”字形布局從橫向來看與“一”字形布局類似，但它增加了縱向的特性，從而具有了一定的前瞻性，其排布如圖6.2所示。傳感器的徑向探出距離圖6.2“八”字形布局第86頁/共126頁（3）“W”字形布局:為了能夠提早地預(yù)測(cè)到彎道的出現(xiàn)，我們還可以將左右兩端的傳感器進(jìn)行適當(dāng)前置，從而形成“W”形布局，此外，還可利用“W”形布局來檢測(cè)賽道的彎曲程度。傳感器的徑向探出距離圖6.3“W”字形布局第87頁/共126頁6.1.2舵機(jī)的安裝在智能車上，舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角通過連桿傳動(dòng)控制前輪轉(zhuǎn)向。舵機(jī)是系統(tǒng)中一個(gè)具有較大時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。其時(shí)間延遲正比于轉(zhuǎn)過的角度，反比于舵機(jī)的響應(yīng)速度。對(duì)于快速性要求極高的智能小車來說，舵機(jī)的響應(yīng)速度是影響其過彎最高速度的一個(gè)重要因素，特別是對(duì)于前瞻不夠遠(yuǎn)的智能小車更是如此。第88頁/共126頁提高舵機(jī)控制前輪轉(zhuǎn)向速度的一種方法是采用杠桿原理，在舵機(jī)的輸出舵盤上安裝一個(gè)較長(zhǎng)的輸出臂6.1.2舵機(jī)的安裝第89頁/共126頁為了減輕智能車的質(zhì)量，測(cè)速時(shí)應(yīng)盡量選用質(zhì)量輕精度高的傳感器，為了不影響加速性能，編碼器的傳動(dòng)齒輪較小，基本上和電機(jī)的齒輪相同。6.1.3測(cè)速傳感器的安裝第90頁/共126頁6.2硬件設(shè)計(jì)6.2.1HCS12控制核心6.2.2電源管理單元6.2.3路徑識(shí)別單元6.2.4車速檢測(cè)模塊6.2.5舵機(jī)控制單元6.2.6直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制單元第91頁/共126頁6.2硬件設(shè)計(jì)第92頁/共126頁6.2.1HCS12控制核心PH口與PA口用于小車光電發(fā)光管發(fā)光控制；PT0用于車速檢測(cè)的輸入口；PB口用于顯示小車的各種性能參數(shù)；PWM0（PP0引腳）與PWM1（PP1引腳）合并用于伺服舵機(jī)的PWM控制信號(hào)輸出；PWM2（PP2引腳）與PWM3（PP3引腳）合并用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM控制信號(hào)輸出（電機(jī)正轉(zhuǎn)）；PWM4（PP4引腳）與PWM5（PP5引腳）合并用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM控制信號(hào)輸出（電機(jī)反轉(zhuǎn)）。在連續(xù)路徑識(shí)別算法中，PAD口用于傳感區(qū)光電接收管電壓信號(hào)的輸入口。第93頁/共126頁6.2.2電源管理單元電源管理單元是智能車硬件設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分，它的作用是對(duì)組委會(huì)提供的7.2V1800mANi-cd蓄電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。按照系統(tǒng)各部分正常工作的需要，各模塊電壓值分為5V,6.5V和7.2V三個(gè)擋。第94頁/共126頁6.2.2電源管理單元電源管理單元主要用于以下三個(gè)方面：（1）采用穩(wěn)壓管芯片L7805CV將電源電壓穩(wěn)壓到5V后，給單片機(jī)系統(tǒng)電路、路徑識(shí)別的光電傳感器電路、車速檢測(cè)的轉(zhuǎn)角編碼器電路和驅(qū)動(dòng)芯片MC33886電路供電；（2）經(jīng)過一個(gè)二極管降至6.5V左右后供給轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)；（3）直接供給直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。第95頁/共126頁同時(shí)考慮到穩(wěn)壓芯片L7805CV的額定輸出電流較小，故采用兩片L7805CV分別對(duì)單片機(jī)電路、車速檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)芯片電路和光電傳感器電路供電，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。其穩(wěn)壓電路如圖6.8所示。6.2.2電源管理單元第96頁/共126頁6.2.3路徑識(shí)別單元紅外發(fā)射接收管一般安放在模型車前端，可以安裝成一排，也可以前后安裝兩排，傳感器的總數(shù)量受到比賽規(guī)則的限制。第97頁/共126頁紅外接收管接收道路反射的紅外光后產(chǎn)生電壓的變化，它可以反映出賽道中心線的位置。這個(gè)電壓信號(hào)可以通過外部的電壓比較器變成高、低電平由單片機(jī)的I/O端口讀取，也可以通過單片機(jī)A/D端口直接讀取。6.2.3路徑識(shí)別單元I/O端口讀取電路A/D端口讀取電路第98頁/共126頁6.2.3路徑識(shí)別單元兩個(gè)光電管方案中常見的問題1．相鄰光電管之間的干擾2．光電管發(fā)射功率的影響第99頁/共126頁相鄰光電管之間的干擾由于紅外發(fā)射管是基于漫反射原理的，其發(fā)射的紅外光可能影響到安裝在附近的紅外接收管。消除這種干擾可以采取以下幾種措施：（1）選擇發(fā)射與接收方向性好的紅外傳感器。（2）選擇發(fā)射與接收一體化的紅外傳感器，它的外殼可以抑制相鄰干擾。（3）在紅外接收管上安裝黑色套管，使其只接收前方一定角度內(nèi)的紅外光線，這種減小互擾動(dòng)的措施效果較好。（4）使相鄰的紅外發(fā)射/接收管交替工作（即“點(diǎn)火”）。這種方法不僅減小了相鄰紅外傳感器之間的干擾，同時(shí)也降低了整體傳感器的功耗。第100頁/共126頁光電管發(fā)射功率的影響為了增加前瞻距離，需要加大光電管紅外發(fā)射功率，使得返回的紅外線的強(qiáng)度提高，這樣不僅使得電池電能的消耗量增加，同時(shí)也會(huì)縮短紅外發(fā)射管的壽命。第101頁/共126頁6.2.4車速檢測(cè)模塊為了使得模型車能夠平穩(wěn)地沿著賽道運(yùn)行，除了控制前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)以外，還需要控制車速。通過對(duì)速度的檢測(cè)，可以對(duì)車模速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制。第102頁/共126頁轉(zhuǎn)角編碼盤增量式轉(zhuǎn)角編碼盤第103頁/共126頁舵機(jī)控制單元采用組委會(huì)提供的Futaba公司S3010型舵機(jī)作為智能車方向控制部件。6.2.5舵機(jī)控制單元圖6.14轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)實(shí)物圖第104頁/共126頁采用MC33886的全橋驅(qū)動(dòng)時(shí)，為了提供更大的驅(qū)動(dòng)電流，可以將多片MC33886并聯(lián)使用，其采用3片MC33886并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)硬件電路。MC33886全橋驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件電路圖第105頁/共126頁6.3軟件設(shè)計(jì)6.3.1初始化算法6.3.2路徑離散識(shí)別算法6.3.3路徑連續(xù)識(shí)別算法6.3.4控制策略及控制算法第106頁/共126頁6.3軟件設(shè)計(jì)在智能車控制系統(tǒng)光電管方案的軟件設(shè)計(jì)中，程序的主流程是：先完成單片機(jī)初始化（包括I/O模塊、PWM模塊、計(jì)時(shí)器模塊、定時(shí)中斷模塊初始化）之后，通過無限循環(huán)語句不斷地重復(fù)執(zhí)行路徑檢測(cè)程序、數(shù)據(jù)處理程序、控制算法程序、舵機(jī)輸出及驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出程序。其中，定時(shí)中斷用于檢測(cè)小車當(dāng)前速度，作為小車速度閉環(huán)控制的反饋信號(hào)。第107頁/共126頁6.3軟件設(shè)計(jì)第108頁/共126頁6.3.1初始化算法1．鎖相環(huán)初始化2．A/D初始化3．PWM初始化4．定時(shí)器初始化第109頁/共126頁6.3.4控制策略及控制算法1．轉(zhuǎn)角的控制2．車速的控制3．路徑記憶算法第110頁/共126頁6.3.4控制策略及控制算法直道——最快的速度。在進(jìn)入彎道的過程中盡快減速，且轉(zhuǎn)向要適合彎道的曲率，確保小車平滑地轉(zhuǎn)彎，并在彎道中保持恒速。從彎道進(jìn)入直道時(shí)，小車的舵機(jī)要轉(zhuǎn)至中間，速度應(yīng)該立即得到提升，直至以最大的速度行進(jìn)。為實(shí)現(xiàn)上述控制思想，可以采用不同的控制方法來控制小車的轉(zhuǎn)角和速度。第111頁/共126頁轉(zhuǎn)角的控制調(diào)整舵機(jī)的原則是：小車處于直道時(shí)，擺正舵機(jī)。小車處于彎道的曲率越大，則舵機(jī)轉(zhuǎn)角越大。除此之外，小車還會(huì)遇到黑色交叉線的特殊情況，對(duì)此，本系統(tǒng)將保持小車原有的方向與速度，使小車不受交叉線的干擾。如果小車轉(zhuǎn)過的彎過大，則