光电组山东轻工业学院技术报告Word文件下载.docx
- 文档编号:17860150
- 上传时间:2022-12-11
- 格式:DOCX
- 页数:59
- 大小:2.21MB
光电组山东轻工业学院技术报告Word文件下载.docx
《光电组山东轻工业学院技术报告Word文件下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《光电组山东轻工业学院技术报告Word文件下载.docx(59页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
第一章引言.................................................................................................................1
第二章方案设计
2.1整车设计思路.................................................................................................2
2.2传感器设计..........................................................................................................2
2.2.1红外传感器................................................................................................2
2.1.2激光器.......................................................................................................3
2.3系统总体方案的设计...........................................................................................3
2.4小结......................................................................................................................4
第三章智能车机械改造设计
3.1车体机械建模....................................................................................................5
3.2车模重心的调整...................................................................................................7
3.3舵机支架的设计....................................................................................7
3.4光电编码器................................................................................................7
3.5模型车技术参数统计...................................................................….....8
3.6改装后车模…………………………………………………………..……………9
第四章智能车的电路设计及现
4.1各模块的作用.........................................................................................................10
4.2稳压芯片的选择...................................................................................................10
4.3稳压芯片电路设计....................................................................….………10
4.4舵机供电设计...............................................................................11
4.5电机驱动模块..............................................................................11
4.6AltiumDesigner6简介.............................................................................12
4.7本章小结..............................................................................12
第五章软件设计及其应用
5.1总体程序设计..........................................................................13
5.2开发、调试工具.........................................................…….........…….13
5.3.1CodeWarrior…….......................................................................................13
5.3.2BDM开发工具..........................................................................................14
5.4本章小结............................................................................................................15第六章智能车的路径识别跟速度控制
6.1路径信号的获取识别..................................................................................16
6.1.1几种方案的选取.......................................................................................16
6.1.2具体方案的实现........................................................................................18
6.1.3激光抗干扰处理........................................................................................19
6.1.4不同路径的识别.......................................................................................25
6.2速度控制...............................................................................................................26
6.2.1控制算法....................................................................................................26
6.2.2参数的整定...........................................................................................................28
6.3本章小结...........................................................................................................................30
报告总结......................................................................................................................31
致谢..........................................................................................................................32
参考文献……..........................................................................................................33
第一章引言
本文介绍山东轻工业学院队员半年来努力准备飞思卡尔智能车所得的心得及其成果。
本队选用飞思卡尔组委会统一规定的MC9S12X128为主控芯片,软件平台为CodeWarriorIDE5.1开发环境,采用统一的B型车模,按照实际要求在规定范围为稍加改装。
文中介绍了智能小车控制系统的硬件结构的构建和控制算法及其部分开发流程。
整个智能车的设计包括传感器的安装、光电信号的提取及其处理、运行控制算法、闭环系统的控制等各个方面。
为了使智能车更加适不同的赛道类型,更快速度的处理突发情况我们队员做了大量的数据统计及其不同算法的尝试。
经过队员的不懈努力终于确定了最终确定了现有的系统结构和各项控制参数。
关键字:
智能车光电信号闭环系统控制
第二章方案设计
2.1整车设计思路
参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定并负责采购竞赛车模,采用飞思卡尔16位微控制器MC9S12XS128作为核心控制单元,自主构思控制方案及系统设计,包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等,完成智能车工程制作及调试.
系统的设计过程中,主要包括硬件部分,机械部分,软件部分等三个方面的设计与调试,三者相辅相成,不能偏废其一。
在硬件上想方设法提高智能车的前瞻,简化电路,提高电路可靠性。
在机械部分要减轻车模重量,降低整车重心。
在软件部分要在实用的前提下精简程序,尽量使得程序美观,可读性强。
2.2传感器设计
2.21红外传感器
采用反射式红外光电管,也是路径检测常用的方法。
这种方法利用了路面
不同的材料和颜色对光线的吸收和反射量不同,这样我们检测反射回来的光线就可以得到当前位置的材料或者颜色。
这种方法的优缺点如下:
优点:
电路简单,信号处理速度快。
光电传感器的排列方法、个数、彼此之间的间隔都与控制方法密切相关。
缺点:
感知前方赛道距离有限,受外界红外频段光线干扰,精度比较低。
2.22激光传感器
激光的原理及特性
激光的英文名为LASER,是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的各单词的首字母组成的缩写词。
意思是“受激辐射的光放大”。
即激光的产生源自于受激辐射。
激光主要有四大特性:
高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。
我们的智能车采用的便是激光传感器。
光电传感器检测路面信息的原理是由发射管发射一定波长的光线,经地面反射到接收管。
如图2-1,由于在黑色和白色上反射系数不同,在黑色上大部分光线被吸收,而白色上可以反射回大部分光线,所以接收到的反射光强是不一样,进而导致接收管的特性曲线发生变化程度不同,而从外部观测可以近似认为接收管两端输出电阻不同,进而经分压后的电压就不一样,就可以将黑白路面区分开来。
图2-1光电传感器原理
2.3系统总体方案的设计
在选定智能汽车系统采用上排光电传感器、下排红外传感器方案后,赛车的位置信号由车体前方的摇头光电传感器采集,红外用于检测起跑线或者作为激光的辅助检测,两者接收到信号后,经MCU的I/O口接收后,用于赛车的运动控制决策,同时内部发出PWM波,驱动直流电机对智能汽车进行加速和减速控制,以及伺服电机对赛车进行转向控制,使赛车在赛道上能够自主巡线行驶,并以最短的时间最快的速度跑完全程。
为了对赛车的速度进行精确的控制,在智能汽车电机输出轴上安装光电编码器,采集编码器转动时的脉冲信号,经MCU捕获后定时进行PID自动控制,完成智能汽车速的闭环控制。
2.4小结
本章重点介绍了智能车信号获取的获取及其基本路径的识别,是本智能车最基本的成分之一。
也是作为初学者的我们花费时间最多的地方之一,该部分的稳定性直接决定整个系统设计的稳定性。
第三章智能车机械改造设计
智能小车的机械性能对于其行驶表现具有非常重要的影响,任何控制算法和软件程序都需要通过智能小车的机械结构来执行和实现。
为使模型车在比赛中发挥出最佳性能,使其直线行驶高速稳定,入弯转向灵活,结合现代汽车控制理论对智能车的运动特性进行分析,并据此对智能小车的机械结构进行相应的调整和参数优化。
3.1车体机械建模
智能汽车竞赛光电组专用车模
图3.1
根据以往比赛的一些经验,我们在规则允许范围内主要对模型车进行一下一些调整。
为保证智能车行驶稳定,转向轻便灵活,需要对其机械结构进行调整和改造,以使其更适合高速运行使用。
以下是需要改造的部分:
(1)车身高度
车身高度指的是当车子满载的时候,底盘离地面的高度。
为了降低重心,需要适当降低底盘高度。
(2)前轮Toe角度
Toe角度(束角)是描述从车的正上方看,车轮的前端和车辆纵线的夹角。
车轮前端向内倾(内八字),称为Toe-in,车轮前端向外倾(外八字),称为Toe-out。
不同的Toe角度会改变车辆的转向反应和直道行驶的稳定性。
可以通过改变前万向节拉杆的长度来改变Toe角度。
•少量的前轮Toe-in(内八字)可以使车在加速
时保持稳定。
但这样做也会减少车子在进入
弯角时的转向反应,同时增加加速出弯时的
转向反应。
•如果需要在进入弯角时获得更多的转向,可
以使用Toe-out(外八字)。
但这样做会使车
子在加速时、或者通过起伏路面时,变得不
稳定,偏离直线。
•越大角度Toe-in或Toe-out,越会减低车辆
在直线行走的速度。
(3)舵机连杆
车模的原装连杆不够长,我们将其换成加长连杆,前轮转向更加流畅,平衡性更好。
(4)舵机臂
长度不同的舵机臂效果不同,为此我们分别制作了2cm、2.2cm、2.4cm、2.6cm、2.8cm、3.0cm、3.2cm的舵机臂,经过多次试验,我们发现2.6cm的舵机臂效果最好,我们选用2.6cm舵机臂,舵机更加灵活。
3.2车模重心的调整
智能车的重心位置,主要影响赛车在转弯时的稳定性能。
智能车在转弯半径一定时,速率越高,离心作用越明显。
为了增强赛车弯道的稳定性,应尽量的使车体的重心降低,同时由于转弯时为前轮转弯,后轮跟从,所以应使车的重心相对的偏向后轮方向。
为保证直线赛道上能平稳行驶,赛车重心应在车体的重心应在左右的对称面上。
在离心力没有达到足以使智能车侧翻的情况下,它也会使汽车左右两侧的轮胎受力不相等,一侧轮胎受力增大,另一侧轮胎受力减小,会严重影响汽车的操纵稳定性,甚至造成失控。
因此,基于重心和重量的优化,我们在调试车的过程中,反复实验测试重心的最佳位置。
3.3舵机支架的设计
首先舵机响应时间在很大程度上决定了小车的灵活性和转弯的快速性,从而决定了小车在规定赛道条件下的速度。
为了加快前轮转向的响应速度和减小连接间隙对舵机精确度的影响,我们通过长时间的思考和努力,最终设计并确定了舵机的安装方式。
3.4光电编码器
我们采用增量式光电编码器实现对驱动电机转速的检测,通过齿轮传动的方式将测速电机上小齿轮与差速齿轮啮合,可以实时地获得准确的运行速度。
最开始我们考虑采用100线的小型编码器,该编码器的外径只有18mm,安装方便,重量也很小。
最终决定选用100线AB两相光电编码器,当采样时间在2.5MS的时候,可以返回100多个脉冲,这样使PID控制精度足够。
3.5模型车技术参数统计
项目
参数
路径检测方法(赛题组)
光电组
车模几何尺寸(长、宽、高)(毫米)
280*160*170
车模轴距/轮距(毫米)
200*160
车模平均电流(匀速行驶)(毫安)
1500
电路电容总量(微法)
1450
传感器种类及个数
7
新增加伺服电机个数
2
赛道信息检测空间精度(毫米)
15
赛道信息检测频率(次/秒)
100
主要集成电路种类/数量
电源驱动发射接收管编码盘
车模重量(带有电池)(千克)
1.8
3.6改装后车模
图3.3
第四章智能车的电路设计及实现
赛车共包括六大模块:
MC9S12XS128主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块和辅助调试模块。
4.1各模块的作用
MC9S12XS128主控模块:
智能车系统以MC9S12XS128MAA为控制核心,将采集光电传感器、光电编码器等传感器的信号,根据控制算法做出控制决策,驱动直流电机和伺服电机完成对智能汽车的控制并实现了单片机硬件的最优化设计和单片机资源的合理化使用。
传感器模块:
可以通过一定的前瞻性,提前感知前方的赛道信息,为智能汽车做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。
电源管理模块:
为整个系统提供合适而又稳定的电源。
电机驱动模块:
驱动直流电机和伺服电机完成智能汽车的加减速控制和转向控制。
速度检测模块:
检测反馈智能汽车轮的转速,用于速度的闭环控制。
辅助调试模块:
主要用于智能汽车系统的功能调试、赛车状态监控。
4.2稳压芯片的选择
5v电源模块用于为单片机系统、传感器模块等供电。
常用的电源有串联型线性稳压电源(LM2940、7805等)和开关型稳压电源(LM2596、LM2575等)两大类。
前者具有纹波小、电路结构简单的优点,但是效率较低,功耗大;
后者功耗小,效率高,但电路却比较复杂,电路的纹波大。
对于单片机,需要提供稳定的5V电源,由于LM2940的稳压的线性度非常好,所以选用LM2940-5单独对其进行供电;
而其它模块则需要通过较大的电流,而LM2596-5,转换效率高,带载能力大,缺点是其纹波电压大,不适合做单片机电源,不过对其它模块供电还是能保证充电的电源。
利用LM2940-5和LM2596-5对控制系统和执行部分开供电,可以有效地防止各器件之间发生干扰,以及电流不足的问题,使得系统能够稳定地工作
4.3稳压芯片电路设计
在电机启动、停止、加速、减速以及舵机的启动、停止时,都会对电源电压产生影响,使电源产生一定的波动。
为了解决这一问题,我们专门在LM2940电源输入引脚前串一功率电感,可有效降低电源波动对5V稳压芯片的干扰。
原理图如图4.1:
图4.1
4.4舵机供电设计
本次比赛提供的舵机是FUTABA3010,其供电电压为6V。
为此我们将电池与一个二极管串联后给舵机供电,舵机供电电路图如图4.2:
图4.2
4.5电机驱动模块
我们选用了驱动芯片N-MOS3205P-MOS4905,可以承受高强度电流。
我们利用四片MOS构成一个完整的全桥驱动,可以很好实现电机的正转、反转、制动。
电路原理图如图:
图4.3
4.6AltiumDesigner6.9简介
AltiumDesigner是业界首例将设计流程、集成化PCB设计、可编程器件(如FPGA)设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品。
AltiumDesigner6.9极大地增强了对高密板设计的支持,可用于高速数字信号设计,提供大量新功能和改进,改善了对复杂多层板卡的管理和导航,可将器件放置在PCB板的正反两面,处理高密度封装技术,如高密度引脚数量的球型网格阵列(BGAs)。
AltiumDesigner6.9极大减少了带有大量管脚的器件封装在高密度板卡上设计的时间,简化了复杂板卡的设计导航功能。
4.7本章小结
硬件电路对整个系统的稳定性有着至关重要的作用。
而电源电路则是重中之重。
因此在电源电路设计过程中,选用多种稳压芯片来保证电源的稳定性。
单片机最小系统是智能车的核心,设计时充分考虑了抗干扰、防静电和运行的稳定性。
5.1总体程序设计
智能车系统的软件编写是基于MC9S12XS128单片机,主要用到S12芯片中的PWM模块,TIM模块、I/O模块以及SCI模块等模块化设计。
PWM模块主要用来控制舵机和电机的运转;
TIM模块主要是用在了测速模块和数据采集,捕捉中断并计算瞬时速度;
I/O模块主要是用来分配给开关和激光管扫描、信息采集;
SCI模块主要用在无线串口调试模块。
5.2开发、调试工具
5.2.1CodeWarrior
比赛的软件开发平台为Metroworks公司CodeWarrior开发软件。
其使用界面如图5.1所示:
图5.1CodeWarrior程序编写界面图
CodeWarrior的功能强大,可用于大部分单片机、嵌入式系统的开发。
用户可在新建工程时将芯片的类库添加到集成环境开发环境中,工程文件一旦生成就是一个最小系统,用户无需再进行繁琐的初始化操作,就能直接在工程中添加所需的程序代码。
如图6-2所示,利用CodeWarrior和配套的BDM。
用户可以进行一系列的调试工作,如监视寄存器状态、修改PC指针、设置断点等,这样能快速地帮助我们找到软件或硬件的问题。
图5.2Hiwave下载调试界面
在源程序编译、连接通过后,就可以进行程序下载了。
下载前,先将单片机上已经存在的程序擦除,然后点击Load,将bin文件夹下生成的后缀为.abs的文件打开,就可以完成下载。
PLASTID2:
一辆具有
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 光电 山东 轻工业学院 技术 报告
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)