【正文】 .................... I 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ II 附錄 .............................................................................................................................. III 1 第一章 引言 智能汽車制作情況概 述 智能汽車 以 比賽組委會(huì)提供的 飛思卡爾 16位微控制 MC9S12XS128B為控制器，采用 CMOS傳感器進(jìn)行信息采集 、檢測車模的運(yùn)動(dòng)位置和運(yùn)動(dòng)方向 。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選用 MC33886,同時(shí)使 用 MC9S12XS128B單片機(jī)的 PWM模塊 、運(yùn)用 PID控制算法 ，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向和電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ， 完成對(duì)智能汽 車運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的閉環(huán)控制 。 系統(tǒng)還擴(kuò)展了 LED和鍵盤模塊作為人機(jī)操作界面，以便于智能小車的相關(guān)參數(shù)調(diào)整。 文獻(xiàn)綜述 針對(duì)本次飛思卡爾智 能汽車比賽，主要存在的技術(shù)問題就是如何涉及智能小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)是小車輕便、 運(yùn)動(dòng)是受到的阻力小 、轉(zhuǎn)彎時(shí)中心平穩(wěn) 、 尋線，及采取何種控制策略保證智能小車在不違背比賽規(guī)則的前提下盡可能跑得快。對(duì)于 S12 芯片的寄存器設(shè)置和操作，參考了 飛思卡爾 的 S12用戶使用手冊(cè)。 由于采用 CMOS傳感器，為方便設(shè)計(jì)采用視頻同步信號(hào)分離芯片 LM1881[10]；對(duì)于采集到的視頻信號(hào)， 劉立萍，吳立德 [4]闡述了動(dòng)態(tài)閾值與靜態(tài)閾值的優(yōu)缺點(diǎn)，鑒于賽道的特點(diǎn)兼顧單片機(jī)的運(yùn)行速度及內(nèi)部資源我們采取靜態(tài)閾值發(fā)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行分割后二值化；基于應(yīng)駿 ，葉秀清 [5]提出的提取算法我們采用對(duì)賽道進(jìn)行邊緣提取。 邵貝貝 [1]文中詳細(xì)介紹了如何在 S12 系列單片機(jī)上進(jìn)行程序代碼編譯和 CodeworriorIDE 編譯器使用方法， 對(duì)程序調(diào)試和軟 件開發(fā)提供了很好的參考 。 本文結(jié)構(gòu) 技術(shù)報(bào)告以智能汽車的設(shè)計(jì)為主線，包括小車的構(gòu)架設(shè)計(jì)、硬 件設(shè)計(jì) 、軟件設(shè)計(jì) ，以及控制算法研究等，分為六章。其中，第一章為引言部分，第二章主要介紹了小車的總體設(shè)計(jì) 方案以及車模的相關(guān)參數(shù) ，第三章對(duì)小車的硬件設(shè)計(jì)進(jìn) 行了詳細(xì)的介紹，其中包括機(jī)械改造，電路設(shè)計(jì)兩大部分，第四章對(duì) 小車的軟件設(shè)計(jì) 思想 和相關(guān)算 法 進(jìn)行介紹，第五章 詳細(xì)介紹了賽車系統(tǒng)開發(fā)的調(diào)試工具、軟件和各種調(diào)試手段和方法， 對(duì)小車的開發(fā)調(diào)試等進(jìn)行 說明，第六章敘述了我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中遇到的問題和解決方法。 2 第二章 智能汽車系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求 在本次的飛思卡爾第四屆智能汽車的比賽中，要求參賽隊(duì)伍設(shè)計(jì)的智能汽車具有自動(dòng)循跡的功能，能夠在 黑白兩色 的跑道上 沿黑色指引線 快速穩(wěn)定的行駛。因此，能沿著黑色指引線自動(dòng)行駛是前提，未取得較好的成績還得盡量提高智能小車的運(yùn)行速度。 智能汽車系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)框圖如圖 所示： 信 息 采 集 模 塊 信 息 處 理 模 塊 控 制 決 策 模 塊圖 像 信 息 采 集速 度 信 息 采 集圖 像 數(shù) 據(jù) 處 理確 定 舵 機(jī) 轉(zhuǎn) 角確 定 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速執(zhí) 行 模 塊舵 機(jī) 操 作電 機(jī) 操 作人 機(jī) 界 面按 鍵 輸 入 L E D 顯 示 圖 系統(tǒng)框圖 根 據(jù) 攝 像 頭 方 案 設(shè) 計(jì) ， 賽 車 共 包 括 六 大 模 塊 ： 控 制 處 理 芯 片 MC9S12XS128，信息模塊，信息處理模塊，控制決策模塊，執(zhí)行模 塊。其中 S12 單片機(jī)是系統(tǒng)的核心部分。它負(fù)責(zé)接收賽道圖像數(shù)據(jù)、賽車速度 等反饋信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?，形成合適的控制量來對(duì)舵機(jī)與驅(qū) 動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。各個(gè)模塊的作用如下所示：第二章 智能汽車系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 3 ：在該模塊中對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，一次信息來判斷當(dāng)前智能小車 所出賽道的變化趨勢、小車的當(dāng)前速度機(jī)轉(zhuǎn)角的信息。將處理得到的信息傳給單片機(jī)以采取相應(yīng)的控制決策。 ：信息處理模塊包括信息處理和控制模塊，其核心是 MCU， MCU接收到采集來的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后作出判斷，并發(fā)出控制命令。 ：在該模塊中基于信息處理之后的數(shù)據(jù)對(duì)小車采取相應(yīng)的控制側(cè)率來調(diào)節(jié)小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是小車平穩(wěn)快速的行駛。 4. 執(zhí)行模塊：在該模塊中包括了驅(qū)動(dòng)電機(jī)和舵機(jī)，當(dāng)接收到 單片機(jī) 的命令后便執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時(shí)信息采集模塊又采集到電機(jī)和舵機(jī)的狀態(tài)信息，反饋給單片機(jī) 。從而 整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)能夠形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，保證了小車的平穩(wěn)運(yùn)行。 5. 人機(jī)交互模塊：該模塊包含了按鍵輸入與 LED顯示等功能模塊，其中按鍵用于調(diào)節(jié)小車的工作模式， LED顯示小車的一些當(dāng)前參數(shù)，便于實(shí)時(shí)觀測小車的運(yùn)行狀態(tài)。 智能汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu)在很大程度上影響著小車的速度與轉(zhuǎn)向特性 ，包括小車的重心，前輪傾角，差速的松緊等。我們?cè)趨⒖纪鶎觅愱?duì)的基礎(chǔ)上，通過不斷實(shí)踐 將小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整到最佳的狀態(tài)。 智能汽車結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 小車前輪傾角的調(diào)整：我們?cè)谡{(diào)試的時(shí)候發(fā)現(xiàn) ，增大輪胎與地面的摩擦力可以 大大減少小車在高速過彎時(shí)小車沖出賽道的幾率。鑒于此，我們調(diào)整了小車的前輪主銷傾角，使之成為“八”字形，這樣就大大的增大了小車的前輪與地面的摩擦力。 舵機(jī)的改造：在初期的時(shí)候，我們將舵機(jī)平放， 但是隨之而來的問題是小車轉(zhuǎn)向遲鈍，并且左右的轉(zhuǎn)向不相等。為此我們?cè)趨⒖纪鶎觅愱?duì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)小車的實(shí)際特點(diǎn)，將小車的力臂進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募娱L，并且將舵機(jī)由平放改為了豎直放置。 差速的調(diào)整：差速的松緊程度在很大程度上影響著小車的過彎與加速特性，差速太松，小車在加速時(shí)容易打滑，差速太緊，小車再過彎時(shí)較為吃力。經(jīng)過第一節(jié) 全國大學(xué)生智能 汽 車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 4 反復(fù)試驗(yàn)，我們將 差速調(diào)整到一個(gè)比較合適的程度。 5 第三章 智能汽車硬件設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向模塊 轉(zhuǎn)向 舵機(jī)我們使用的是組委會(huì)提供的舵機(jī)，并加長了舵機(jī)的力臂。根據(jù)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的原理，舵機(jī)的控制周期是 20ms,，在一定范圍內(nèi)，占空比決定著舵機(jī)的舵角。 XS128 單片機(jī) 80PIN 共有 8 路可配置的 PWM 接口， PP0— PP7 其中兩個(gè)相鄰的接口可以合成一路 16 位的 PWM。我們將 PP4 和 PP5 合成了一路 16 位的PWM 發(fā)生器，并由 PP5 輸出。舵機(jī)的標(biāo)稱電壓是 6V，但我們通過實(shí)驗(yàn)發(fā) 現(xiàn) ：適當(dāng)?shù)?提高舵機(jī)的供電電壓可以明顯提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)向速度與轉(zhuǎn)向力度 。為此我們直接使用電池電壓給舵機(jī)供電。舵機(jī)的電路連接圖 如下： 圖 舵機(jī)接口電路 驅(qū)動(dòng)模塊 驅(qū)動(dòng)芯片的選擇直接影響小車的加速效果，智能車大賽的主要標(biāo)準(zhǔn)就是速度，因此驅(qū)動(dòng)芯片至關(guān)重要。在準(zhǔn)備過程中我們反復(fù)試驗(yàn)了若干的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，都沒有達(dá)到滿意的效果。后來我們用 MOS 管自己搭建了驅(qū)動(dòng)電路，效果也不是太理想 。我們?cè)趨⒖纪鶎觅愱?duì)的基礎(chǔ)上，采用了 MC33886 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)芯片，但單片驅(qū)動(dòng)芯片容易發(fā)熱 ，最后我們采用了 4 片 33886 并聯(lián)的方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)。我們用單片機(jī)的 PP2 和 PP3 分別接到驅(qū)動(dòng)芯片的 IN1 和 IN2 來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 PP0和 PP1 合成 16 位的 PWM 發(fā)生器并由 PP1 輸出控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)的連接電第一節(jié) 全國大學(xué)生智能 汽 車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 6 路如 圖 所示： 圖 驅(qū)動(dòng)模塊電路圖 測速模塊 好的控速效果是建立在精確的反饋的基礎(chǔ)上的，同時(shí)也是各種速度控制算法的基礎(chǔ)。在初期的調(diào)試階段，我們用自制的光電碼盤配合光電管和比較器獲取小車的當(dāng)前速度，但我們發(fā)現(xiàn)這種方法產(chǎn)生的信號(hào)并不整齊，影響速度的采集。最后我們放棄了這種方案而改用信號(hào)比較整齊精確的光電編碼器來測速。我們采購到了增量式的分辨率為 100 線的光電編碼器。因?yàn)樾≤嚥⒉粰z測車的前進(jìn)方向，所以我們只用了 XYZ 的中的一相。 XS128 有 16 位的脈沖累加器，我們將從光電編碼器輸出的信號(hào)接至 PT7 口，在單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)中 ，每隔 20ms 將脈沖累加器中的值讀回并將寄存器清零。這樣就能獲取光電編碼器 20ms 的發(fā)出的脈沖， 進(jìn)而根據(jù)齒輪的比例就能計(jì)算出小車的實(shí)際速度。光電編碼器的電路如 0圖 所示： 第三章 智能汽車硬件設(shè)計(jì) 7 圖 測 速模塊電路圖 賽道圖像采集模塊 攝像頭工作原理 攝像頭分黑白和彩色兩種，為減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)考慮賽道的特點(diǎn)：只需提取畫面的灰度信息，所以本設(shè)計(jì)中采用的是黑白攝像頭。攝像頭主要由鏡頭、圖像傳感芯片和外圍電路構(gòu)成。圖像傳感芯片是其最重要的部分，但該芯片要配以合適的外圍電路才能工作。單板通常有三個(gè)端子：電源端、地端和視頻信號(hào)端（有的還多出一個(gè)端子，那是音頻信號(hào)端）。電源接的電壓要視具體的單板而定，目前一般有兩種規(guī)格， 69V 或 912V。視頻信號(hào)的電壓一般位于 之間。 攝像 頭的工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采集圖像上的點(diǎn)，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度一一對(duì)應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號(hào)端輸出。攝像頭