【正文】 .... 51 攝像頭位置的矯正 ......................................................................................... 53 測(cè)速傳感器的安裝 .......................................................54 底盤高度調(diào)整 ..........................................................55 第八章 智能車軟件調(diào)試 .........................................................................................56 調(diào)試軟件界面程序編寫 ..................................................56 第九章 總結(jié) .............................................................................................................61 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................1 附件 A 部分源程序 ...................................................................................................... I 附件 B 基于路徑“弦切法”的賽車控制算法研究 ................................................ X V 摘要 “飛思卡爾 ”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車比賽在 新時(shí)期汽車電子技術(shù)迅猛發(fā)展孕育而生，重在培養(yǎng)與提高當(dāng)代 大學(xué)生的動(dòng)手 能 力、創(chuàng)新能力、 團(tuán)隊(duì)合作能力、自學(xué)能力、理論應(yīng)用于實(shí)際的能力等。 基于比賽車模并以 MC9S12XS128 為控制核心主要完成工作如下： 1. 設(shè)計(jì) 制作 PCB 板并設(shè)計(jì) 電源模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及視頻信號(hào)分離模塊 2. 對(duì)車模的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝，降低整個(gè)車模的重心 ，提高小車運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性 。 4. 對(duì)攝像頭范圍內(nèi)的路徑狀況進(jìn)行分析，可以較好的區(qū)分出跑道上的小“S”、大 “S”、深 “S”，采用 “弦切法 ”完成智能車跑內(nèi)道的處理 。 6. 采用了模糊控制法，對(duì)智能車的電機(jī)部分進(jìn)行控制，通過(guò)不斷調(diào)試完成模糊規(guī)則庫(kù)的建立。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并 經(jīng) 實(shí)際大賽 測(cè)試 ，本設(shè)計(jì)中的 所采用的方法效果較好。 該項(xiàng)賽事與其它四項(xiàng)賽事一樣，旨在培養(yǎng)與提高當(dāng)代大學(xué)生的動(dòng)手力、創(chuàng)新能力、自 學(xué)能力、理論應(yīng)用于實(shí)際的能力 等 ，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。 設(shè)計(jì) 背景 智能車 （ Intelligent Car）是電子計(jì)算機(jī)等最新科技成果與現(xiàn)代汽車工業(yè)相結(jié)合的產(chǎn)物， 因而 “善解人意 ”。 另外，智能車內(nèi)的各種輔助設(shè)施也一應(yīng)電腦化，常常給人以新奇感 [2] 。然而 美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局評(píng)估 ， 在 2020 年的過(guò) 六 百萬(wàn)交通事故報(bào)告中，有 20%至 30%是因?yàn)樗緳C(jī)的錯(cuò)誤或疏忽而導(dǎo)致的。但是這些人為的錯(cuò)誤或疏忽是不可避免的，為了在司機(jī)犯下錯(cuò)誤 之前得以糾正或者干脆將人從 駕駛這項(xiàng)重復(fù)而乏味的勞動(dòng)中解脫出來(lái)，取之以 人工 智能設(shè)備 是人們 正在努力并已經(jīng)取得了很大成果 的嘗試。第四屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 2 智能車輛發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)及應(yīng)用 智能車輛，是一個(gè)集 外界 環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代傳感、信息融合、通訊、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體 .它具有道路障礙自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)報(bào)警、自 動(dòng)制動(dòng)、自動(dòng)保持安全距離、車速和巡航控制 等功能。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能、電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，智能車輛技術(shù)有了實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)。 車輛智能化是汽車工業(yè)今后的發(fā)展趨勢(shì)，也是人們 對(duì)安全性要求越來(lái)越高未來(lái)汽車的發(fā)展方向。智能車輛系統(tǒng)的實(shí)用化是是智能車輛發(fā)展的前進(jìn)方向，適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好的智能車輛將是研究的重點(diǎn)。 第一章 前言 3 圖 參考賽道 該技術(shù)報(bào)告詳細(xì)介紹了小車的軟硬件的設(shè)計(jì)、控制策略的研究、調(diào)試過(guò)程及其結(jié)論。 4 第二章 智能車系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案 智能車競(jìng)賽規(guī)則規(guī)定，智能車系統(tǒng)采用飛思卡爾的 16 位微控制器MC9S12xs128 單片機(jī)作為核心控制單元用于智能車系統(tǒng)的控制。為了對(duì)賽車的速度進(jìn)行精確的控制，在智能車后軸上安裝光電編碼器，采 集車輪轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)，經(jīng) MCU 捕獲后進(jìn)行 PID 自動(dòng)控制，完成智能車速度的閉環(huán)控制。 總體設(shè)計(jì)要求與原則 智能車功能設(shè)計(jì) 要求 1． 路徑識(shí)別 在智能車 的 制作過(guò)程中， 關(guān)鍵的問(wèn)題就是探尋黑線，識(shí)別正確的路徑。 2． 方向控制 根據(jù)攝像頭對(duì)黑白灰度值不同的分辨率采集賽道的黑色引導(dǎo)線信息，根據(jù)得到的每幀圖像信息，判斷小車偏離黑線的程度，并確定前方賽道是直道、彎道、抑或是 S道，反饋給控 制器通過(guò) 舵 機(jī)動(dòng)作控制方向。分析攝像頭獲得的圖像信息后，利用 PID 算法實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)反饋控制。 智能車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 1． 重心盡可能低 實(shí)踐證明，重心控制的好的 賽車在高速過(guò)彎時(shí)，不容易由于重心過(guò)高而側(cè)翻。 3． 驅(qū)動(dòng)盡可能大 強(qiáng)勁的動(dòng)力是高速的保證， 這里的 動(dòng) 力包括了瞬間的加減速性能與持續(xù)的輸出能力，能夠保證長(zhǎng)時(shí)間大電流輸出的情況下 系統(tǒng)穩(wěn)定工作。 智能車系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 智能車的硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，只有在系統(tǒng)硬 件可行、穩(wěn)定、可靠的前提下，其它控制方案、軟件設(shè)計(jì)才得以繼續(xù)，所以這部分對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)十分重要。其整體結(jié)構(gòu)圖如圖 ： 第四屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 6 圖 2. 1 智能車整體框圖 MC9S12xs128 單片機(jī)資源 使用 本次設(shè)計(jì)單片機(jī)的端口分配如表 。 電源模塊設(shè)計(jì) 此次設(shè)計(jì)具體需要設(shè)計(jì)的電源電路及實(shí)現(xiàn)方案如圖 所示。主要為單片機(jī)、 SD 卡、測(cè)速模塊、 PCB 板上芯片、無(wú)線通訊模塊等供電，電路圖 如圖 所示。 10uFC81uFC7220uFC622uFC51kR5adj1out2in3L M 1117l m 1117hua 1L E D 3VOUT V I N 圖 6V 穩(wěn)壓電路原理圖 CCD 升壓供電電路 CCD攝像頭需要 12V的工作電壓。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器，降壓式變換器和電源反向器。 第 三 章 硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 9 圖 MC34063 內(nèi)部原理圖 經(jīng)過(guò)計(jì)算 (見附錄 5)符合攝像頭正常工作時(shí)候的升壓電路如 圖 。這個(gè) “ 驅(qū)動(dòng)力 ” 不光包 括 通常所說(shuō)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)還包括一個(gè)強(qiáng)勁的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。優(yōu)秀的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，不但要能為賽車提供強(qiáng)大的動(dòng)力 —— 這里的 動(dòng)力包括了瞬間的加減速性能與持續(xù)的輸出能力，同時(shí)自身的功耗要小，能夠保證長(zhǎng)時(shí)間大電流輸出的情況下 減少 升溫 且要穩(wěn)定持續(xù)工作 。 第四屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 10 ：高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會(huì)減少驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱。 ：功率電路對(duì)其輸入端應(yīng)有良好的信號(hào)隔離，防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔離。 ：電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該盡可能做到，無(wú)論加上何種控制信號(hào)，何種無(wú)源負(fù)載，電路都是安全的。 第 三 章 硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 11 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 1 J un 20 09 S he e t o f F i l e : F : \智能車 V d b D r a w n B y :A G N D1FS2I N 13V+4V+5O U T 16O U T 17D N C8P G N D9P G N D10P G N D11P G N D12D213O U T 214O U T 215V+16C C P17D118I N 219D N C20M C 33 88 6A G N D1FS2I N 13V+4V+5O U T 16O U T 17D N C8P G N D9P G N D10P G N D11P G N D12D213O U T 214O U T 215V+16C C P17D118I N 219D N C20U2M C 33 88 6P W M 5P W M 7P W M 7P W M 5C C P 2C C P 1V S SG N DG N DO U T 1O U T 2O U T 1O U T 2D1D2D1D212V S S12V S SG N DO U T 1O U T 2C133n47 u F47uC C P 1 G N DG N DV S SR11kV C CC3 uV S S G N DG N DV C CP W M 5P W M 7D1D2123456R2 1kV C CC233nG N DC C P 2V S S 圖 3. 6 兩片 MC3386 級(jí)聯(lián) 第一次 采用的驅(qū)動(dòng)方案是通過(guò) 兩片 并聯(lián) MC33886芯片來(lái)增強(qiáng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能。 方案二：采用 MOSFET搭建 H橋電路 鑒于 MC33886輸出電流有限，不能提供較為強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)力，我們專門獨(dú)立設(shè)計(jì)了采用 MOSFET搭建的采用 H橋驅(qū)動(dòng)電路。雖然 16A的電流較其他一些 50A甚至 100A的大型貼片 /直插 MOS在功率上遜色了一些，但是仍大大超過(guò)的 MC33886的 5A的最大工作電流，并且也能滿足賽車需要，關(guān)鍵是在保證驅(qū)動(dòng)能力的情況下，重量體積大大減小。 MOS 管驅(qū)動(dòng)器采 TD340。該器件內(nèi)集成有可 驅(qū)動(dòng) N 溝道高邊功率 MOS 管的電荷泵和內(nèi)部 PWM發(fā)生器，可進(jìn)行速度和方向控制而且功耗很低，同時(shí)具有過(guò)壓（ 20V） 欠壓（ ） 保護(hù)功能，以及反向電源有源保護(hù)功能。除此之外， TD340 芯片還具有 H 橋直流電機(jī)部分和微控制器之間的必要接口，直流電機(jī)的速度和方向第四屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 12 可由外界輸入的信號(hào)給定 [11]。 圖 3. 7 直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)框圖 圖 由 TD340 和 MOS 管組成的 H 橋驅(qū)動(dòng)電路 圖 的 MOS 管采用 STP30NE03L,它的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度快，通路電阻低和電壓門信號(hào)低，適合于大電流和低電壓運(yùn)行， TD340 用于構(gòu)成 PWM 發(fā)生器，功率放大電路是由 4個(gè) MOSFET 管組成的 H橋電路。 R1R4 的值通常為10100 歐，電容 C6 用于存儲(chǔ)能量并對(duì)通過(guò)電橋的電壓進(jìn)行濾波，在電壓上升和下降期間，為了保證系統(tǒng)的可靠性，可在兩個(gè)低端 MOS 管的門級(jí)各接一個(gè)下拉電阻以確保電橋保持關(guān)斷。 信號(hào)輸入 H 橋功率放大電路 直流電機(jī) 負(fù)載 TD340 第 三 章 硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 13 表 用 MC33886 和 MOS 管驅(qū)動(dòng)電路比較 方案 加速 減速 混合 穩(wěn)定 效率 33886*2 一般 一般 一般 很好 低 Mos 較好 好 好 較差 高 MOS 管數(shù)據(jù)測(cè)試全在高速下，但在速度較低情況下，加速性能并不 是很明顯，這次 MOS 管驅(qū)動(dòng)電路只是個(gè)嘗試，和正式競(jìng)速成績(jī)好的隊(duì)伍比較，還是有一定缺陷，而且驅(qū)動(dòng)電路采用分立元件，穩(wěn)定性較差，且重量較重。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，對(duì)兩種驅(qū) 動(dòng)方案無(wú)法進(jìn)行定量比較，只能通過(guò)實(shí)際智能車行駛效果作出定性比較 。 測(cè)速模塊設(shè)計(jì) 為了使得賽車能夠平穩(wěn)地沿著賽道運(yùn)行，需要控制車速，使賽車在急轉(zhuǎn)彎時(shí)速度不至過(guò)快而沖出賽道。這些因素會(huì)造成賽車運(yùn)行不穩(wěn)定。 車速檢測(cè)初次主要由紅外對(duì)管