【正文】 武漢科技大學(xué)首安三隊(duì)第四屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生 智能汽車邀請(qǐng)賽技 術(shù) 報(bào) 告 學(xué) 校： 武漢科技大學(xué) 隊(duì)伍名稱： 武科大首安三隊(duì) 參賽隊(duì)員： 陳虎 錢來(lái) 宋利偉帶隊(duì)教師： 章政，廖宇峰 關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解第四屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽關(guān)保留、使用技術(shù)報(bào)告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會(huì)和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁(yè)上收錄并公開(kāi)參賽作品的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會(huì)出版論文集中。 參賽隊(duì)員簽名： 帶隊(duì)教師簽名： 日 期： 目錄 第一章 引言 1第二章 智能車機(jī)械安裝 2 傳感器的選擇與布局 2 舵機(jī)的安裝 3 測(cè)速傳感器的安裝 4 后輪驅(qū)動(dòng)和差速機(jī)構(gòu)調(diào)整 5 底盤高度調(diào)整 5第三章 智能車硬件電路設(shè)計(jì) 6 控制芯片MC9S12DG128B電路設(shè)計(jì) 6 晶振及鎖相環(huán) 6 復(fù)位電路 7 I/O口分配 7 電源管理單元 8 路徑識(shí)別單元 9 車速檢測(cè)模塊 10 加速度傳感器模塊……………………………………………………………………... 舵機(jī)控制單元 11 直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制單元 21第四章 智能車軟件設(shè)計(jì) 13 路徑的檢測(cè) 15 轉(zhuǎn)角的控制 15 車速的控制 16 模糊控制設(shè)定速度 16 PID控制調(diào)整速度 18第五章 智能車技術(shù)參數(shù)說(shuō)明 19第六章 總結(jié) 20參考文獻(xiàn) 20附錄A 程序代碼 I第一章 引言智能小車系統(tǒng)由HCS12微控制器、電源管理單元、路徑識(shí)別電路、車速檢測(cè)模塊、加速度傳感器模塊、舵機(jī)控制單元和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制單元組成。本系統(tǒng)以飛思卡爾公司的16位微處理器MC9S12DG128為控制核心，并采用CodeWarrior軟件、串口調(diào)試助手及BDM作為調(diào)試工具。運(yùn)用反射式紅外傳感器進(jìn)行道路信息采集，并采用PWM技術(shù)來(lái)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向和電機(jī)轉(zhuǎn)速。舵機(jī)控制主要采用PWM信號(hào)開(kāi)環(huán)控制,而速度控制方面，由模糊控制來(lái)設(shè)定速度，PID控制來(lái)調(diào)整速度。通過(guò)將總線頻率超頻到32M來(lái)更快更準(zhǔn)確地進(jìn)行控制。各個(gè)部分經(jīng)過(guò)MCU的協(xié)調(diào)處理，能夠以較快的速度在指定的軌跡上行駛，在進(jìn)彎道之前能夠提前減速并改變角度，達(dá)到平滑過(guò)彎和減小路程的效果。本報(bào)告分為六個(gè)章節(jié)：第一章為引言介紹；第二章主要介紹了智能車機(jī)械設(shè)計(jì)與安裝；第三章主要介紹了智能車硬件電路設(shè)計(jì)；第四章為智能車軟件設(shè)計(jì)；第五章為智能車技術(shù)參數(shù)說(shuō)明；第六章為總結(jié)。第二章 智能車機(jī)械安裝 傳感器的選擇與布局尋跡傳感器用來(lái)檢測(cè)道路的信息，相當(dāng)于人的眼鏡，其前瞻和檢測(cè)精度決定了小車的過(guò)彎性能和速度。尋跡傳感器的布局常見(jiàn)的有以下幾種方案 方案一：一字形布局 反射式光電傳感器在小車前方一字形簡(jiǎn)單排布。在一字形中傳感器的間隔有均勻布局和非均勻布局兩種方式，均勻布局不利于彎道信息的準(zhǔn)確采集，通常采取的是非均勻布局。非均勻布局這種方案信息檢測(cè)相對(duì)連貫，準(zhǔn)確，使控制程序算法簡(jiǎn)單，小車運(yùn)行連貫，穩(wěn)定。 方案二：八字形布局 八字形布局從橫向來(lái)看與一字形類似，但它增加了縱向的特性，從而具有了一定的前瞻性。將中間兩傳感器進(jìn)行前置的主要目的在于能夠早一步了到車前方是否為直道，從而可以進(jìn)行加速。值得一提的是，由于縱向的排列不一致，就比一字形增加了多傳感器同時(shí)感應(yīng)的可能性(一字形只可能是所有傳感器同時(shí)感應(yīng)，而八字形則可能出現(xiàn)幾個(gè)傳感器同時(shí)感應(yīng)的現(xiàn)象)。方案三：活動(dòng)式傳感器布局 前面兩種方案都是固定的布局方式，使傳感器對(duì)賽道有一定的依賴。在這個(gè)方案中，傳感器的位置是可以在一定范圍內(nèi)靈活排布的。這種方案的布局思路是傳感器在安裝板上的位置是可調(diào)的，先將傳感器排布成為矩形點(diǎn)陣，根據(jù)不同的賽道情況而靈活地作出調(diào)整，就可以設(shè)計(jì)出不同的布局方式而適應(yīng)不同的賽道。這樣對(duì)不同賽道有更強(qiáng)的適應(yīng)性。但這種方案可調(diào)性大，臨時(shí)調(diào)節(jié)較難，其次機(jī)械設(shè)計(jì)中體積較大，增加了小車的重量，不利于加減速。 在比較了以上幾個(gè)方案后，我們選擇了一字形排布方式。本系統(tǒng)采用雙排非均勻排布紅外傳感器探測(cè)路面信號(hào)。下面一排用來(lái)檢測(cè)起跑線，離地面較近，選擇的靈敏度高的接收管。上面一排用于檢測(cè)賽道信息，離地面較遠(yuǎn)，所以選擇的抗干擾能力強(qiáng)的接收管。上排9組光電管呈一字型排列，考慮到弧度信息采集的連貫性，非均勻布局的理論依據(jù)是等角度分布原則，即先確定一合適的定點(diǎn)，從頂點(diǎn)依次等角度畫(huà)射線，射線與傳感器水平線相交的位置即為傳感器的位置。這種方案信息檢測(cè)相對(duì)連貫，準(zhǔn)確，使控制程序算法簡(jiǎn)單，小車運(yùn)行連貫，穩(wěn)定。 為了獲得盡量大的前瞻，將光電管架在約18cm的高度，以45176。的角度射向地面，這樣前瞻可達(dá)29cm，可以讓系統(tǒng)對(duì)賽道信息提前獲取并更快更好地做出決策，從而更容易彎道提前減速，直道提前加速并走出更節(jié)省路程的路徑。 傳感器單元安裝圖 舵機(jī)的安裝 舵機(jī)轉(zhuǎn)向是系統(tǒng)中一個(gè)較大時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。 ，對(duì)于對(duì)快速性要求極高的智能小車來(lái)說(shuō)，是影響其速度的一個(gè)重要因素，特別是對(duì)于前瞻不夠遠(yuǎn)的智能小車。我們可以通過(guò)加長(zhǎng)舵機(jī)力臂的方法來(lái)彌補(bǔ)這一缺陷。加大力臂后減小了舵機(jī)的轉(zhuǎn)向范圍，所以要使前輪轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度，舵機(jī)力臂加長(zhǎng)后所需時(shí)間更短，響應(yīng)更快。但如果舵機(jī)的力臂太長(zhǎng)又會(huì)造成舵機(jī)的轉(zhuǎn)向力矩太小，PWM信號(hào)與角度不能很好的一一對(duì)應(yīng)，對(duì)于舵機(jī)的開(kāi)環(huán)控制會(huì)帶來(lái)很大的穩(wěn)態(tài)誤差。綜合以上考慮, ，而且力臂的材料剛度較大，避免轉(zhuǎn)向時(shí)發(fā)生形變，這樣克服了原舵機(jī)力臂剛度不夠?qū)е碌捻憫?yīng)延時(shí)問(wèn)題。：3 舵機(jī)的安裝圖 測(cè)速傳感器的安裝 為了減輕智能車的重量，測(cè)速時(shí)盡量選用重量輕精度高的傳感器，因此，本系統(tǒng)車速檢測(cè)單元采用日本OMRON公司的E6A2CW3C型旋轉(zhuǎn)編碼器作為車速檢測(cè)元件，質(zhì)量為35克?？紤]到碼盤重量會(huì)影響車體重心位置，我們將其通過(guò)一塊輕質(zhì)硬板固定在車尾部，讓重心更加靠近后輪，增加輪胎與地面的摩擦力。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，齒輪之間夾角小于120度。這樣安裝齒輪咬合很好，即避免由于齒輪咬合太緊以致加重負(fù)載，同時(shí)也避免了因過(guò)松而出現(xiàn)的在轉(zhuǎn)動(dòng)中齒輪撞擊的現(xiàn)象，減少電機(jī)的摩擦損耗和噪音。： 測(cè)速傳感器的安裝 后輪驅(qū)動(dòng)和差速機(jī)構(gòu)調(diào)整 由于后輪采用滾珠式差速器，它在實(shí)現(xiàn)差速的過(guò)程中會(huì)影響后輪的動(dòng)力傳遞，因此應(yīng)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整兩片軸承的壓力以滿足后輪驅(qū)動(dòng)和差速的要求。 模型車后輪采用H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)軸與后輪軸之間的傳動(dòng)比為 18：76（電機(jī)軸齒輪齒數(shù)為18，后軸傳動(dòng)齒數(shù)為76）。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)車模的驅(qū)動(dòng)能力有很大的影響。齒輪傳動(dòng)部分安裝位置的不恰當(dāng)，會(huì)大大增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪的負(fù)載，會(huì)嚴(yán)重影響最終成績(jī)。調(diào)整的原則是：兩傳動(dòng)齒輪軸保持平行, 齒輪間的配合間隙要合適，過(guò)松容易打壞齒輪，過(guò)緊又會(huì)增加傳動(dòng)阻力，浪費(fèi)動(dòng)力；傳動(dòng)部分要輕松、順暢，不能有遲滯或周期性振動(dòng)的現(xiàn)象。判斷齒輪傳動(dòng)是否良好的依據(jù)是，聽(tīng)一下電機(jī)帶動(dòng)后輪空轉(zhuǎn)時(shí)的聲音。聲音刺耳響亮，說(shuō)明齒輪間的配合間隙過(guò)大，傳動(dòng)中有撞齒現(xiàn)象；聲音悶而且有遲滯，則說(shuō)明齒輪間的配合間隙過(guò)小，或者兩齒輪軸不平行，電機(jī)負(fù)載變大。調(diào)整好的齒輪傳動(dòng)噪音很小，并且不會(huì)有碰撞類的雜音，后輪減速齒輪機(jī)構(gòu)就基本上調(diào)整好了，動(dòng)力傳遞十分流暢 底盤高度調(diào)整 按照常規(guī)，車輛底盤高度越低，車輛重心越低，后輪抓地力越好，前輪轉(zhuǎn)向越敏感。因此在很多賽車比賽中，提高速度有效方法就是降低底盤高度。我們?cè)谇拜嗈D(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)處，增加兩塊墊片，降低了賽車前部的底盤高度，使底盤呈現(xiàn)一種前低后高的傾斜狀態(tài)，經(jīng)調(diào)試在轉(zhuǎn)彎處得到很明顯的效果。第3章 智能車硬件電路設(shè)計(jì) 智能車的硬件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，分為控制芯片MC9S12DG128B電路，電源的管理單元，路徑識(shí)別單元，車速檢測(cè)模塊、舵機(jī)控制單元和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制單元，各單元設(shè)計(jì)如下： （1）電源管理單元主要為穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)及合理利用。 （2）路徑識(shí)別單元作為系統(tǒng)的重要組成部分，采用紅外光電傳感器作為路徑識(shí)別元件。 （3）車速檢測(cè)模塊主要作為小車速度閉環(huán)控制的反饋環(huán)節(jié)，該模塊主要采用旋轉(zhuǎn)編碼器作為車速檢測(cè)元件。其輸出方式為電平輸出方式 ，通過(guò)定時(shí)采樣旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的高電平個(gè)數(shù)，得出當(dāng)前小車的速度并反饋給控制回路。 （4）舵機(jī)控制單元通過(guò)加長(zhǎng)舵機(jī)的力臂來(lái)提高舵機(jī)的響應(yīng)速度。 （5）直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制單元采用H橋作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)元件。 。紅外光電傳感器HCS12控制核心伺服電機(jī)無(wú)線數(shù)傳模塊電源管理模塊遙控調(diào)試模塊H橋驅(qū)動(dòng)電路智能車前輪智能車后輪光電編碼器加速度傳感器 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 控制芯片MC9S12DG128B電路設(shè)計(jì) 晶振及鎖相環(huán) 芯片外部使用16MHZ無(wú)源晶振，通過(guò)鎖相環(huán)將總線時(shí)鐘倍頻到32MHZ。 晶振電路圖 復(fù)位電路本系統(tǒng)采用了MC34064復(fù)位芯片對(duì)CPU進(jìn)行復(fù)位。 復(fù)位電路7 第三章 智能車硬件電路設(shè)計(jì) I/O口分配 本系統(tǒng)I/O[1]口具體分配如下：PORTA0——PORTA7，PTH0——PTH5共14位用于小車前面路徑識(shí)別的輸入口；PT0——用于車速檢測(cè)的輸入口；PT7——用于智能車遙控調(diào)試PORTB0——PORTB7用于顯示小車的各種性能參數(shù)；PWM45——用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)的PWM控制信號(hào)輸出；PWM23——用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)正傳的PWM控制信號(hào)輸出；PWM01——用于伺服舵機(jī)的PWM控制信號(hào)輸出。 電源管理單元電源管理單元是本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成單元。根據(jù)系統(tǒng)各部分正常工作的需要，本系統(tǒng)電壓值分為5伏、。根據(jù)智能車各部分正常工作的需要， 2000mAh Nicd蓄電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。其主要用于以下三個(gè)方面： （1）采用穩(wěn)壓管芯片LM2576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)的旋轉(zhuǎn)編碼器電路和H橋驅(qū)動(dòng)電路供電。 。 穩(wěn)壓電源電路圖 （2）。 （3）直接供給直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。同時(shí)考慮到穩(wěn)壓芯片LM2576的額定輸出電流較小，故采用兩片LM2576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。 路徑識(shí)別單元光電傳感器檢測(cè)路面信息的原理是由發(fā)射管發(fā)射一定波長(zhǎng)的紅外線，經(jīng)地面反射到接收管。由于在黑色和白色上反射系數(shù)不同，在黑色上大部分光線被吸收，而白色上可以反射回大部分光線，所以接收到的反射光強(qiáng)是不一樣，進(jìn)而導(dǎo)致接收管的特性曲線發(fā)生變化程度不同，而從外部觀測(cè)可以近似認(rèn)為接收管兩端輸出電阻不同，進(jìn)而經(jīng)分壓后的電壓就不一樣，就可以將黑白路面區(qū)分開(kāi)來(lái)。 路面信息檢測(cè)原理圖 檢測(cè)電路主要由紅外發(fā)射管和光敏三極管組成。此電路尺寸小、質(zhì)量輕、靈敏度高，外圍電路簡(jiǎn)單。由于采用了紅外發(fā)射管雙管發(fā)射，電路不易受到普通光源的干擾，能夠準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)檢測(cè)。為了讓小車能高速行駛，小車必須具備一定的前瞻性。理論上，小車能感知的距離越遠(yuǎn)，那么就有更多的時(shí)間來(lái)處理前方的情況，也會(huì)跑的更好。但是受到硬件電路功率的制約和大賽對(duì)車身長(zhǎng)度的限制，我們就通過(guò)傳感器對(duì)地面角度來(lái)增加感知距離。檢測(cè)電路的工作原理：由于黑線和白紙對(duì)紅外光的反射系數(shù)不同，使光敏三極管上產(chǎn)生不同的電壓降，通過(guò)AD對(duì)這個(gè)電壓的采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)AD值的情況來(lái)判斷黑線的位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小車角度和速度的控制。9第三屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 車速檢測(cè)模塊本系統(tǒng)車速檢測(cè)單元采用日本OMRON公司的E6A2CW3C型旋轉(zhuǎn)編碼器作為車速檢測(cè)元件。其精度達(dá)到車輪每旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生200個(gè)脈沖，不僅硬件電路簡(jiǎn)單，而且信號(hào)采集速度快、精度高，滿足模糊控制精度要求。旋轉(zhuǎn)編碼器的工作電壓為5—24伏，輸出為一系列脈沖。 車速檢測(cè)硬件電路圖因?yàn)镋6A2CW3C型旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出方式為電平輸出。PT0采用16位輸入脈沖累加模式對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖進(jìn)行累加計(jì)數(shù)。，在旋轉(zhuǎn)編碼器的中軸上安裝一個(gè)直徑為4cm，齒數(shù)76，傳動(dòng)比1：1的齒輪，并將該齒輪與同軸于后輪的傳動(dòng)齒輪咬合。如此則后輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)將通過(guò)傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器一同旋轉(zhuǎn)。此時(shí)只需要測(cè)量一定時(shí)間(10ms)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖數(shù)就能準(zhǔn)確計(jì)算出車速。車速的計(jì)算公式如公式1所示： （公式1）式中。10第四