探路者一队智能汽车竞赛技术报告.docx
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探路者一队智能汽车竞赛技术报告
目录
前言………………………………………………………………………………IV
目录………………………………………………………………………………III
第一章智能车整体设计思路方案…………………………………………………1
1.1方案设计思路………………………………………………………………11.2方案的实现…………………………………………………………1
第二章硬件电路的设计……………………………………………………………32.1系统板的设计…………………………………………………………………3
2.2电路总体的结构…………………………………………………………………3
2.3电源管理模块设计………………………………………………………………4
2.4电机驱动模块……………………………………………………………5
2.5激光管检测电路…………………………………………………………………6
2.6编码器信号采集电路……………………………………………………………7
2.7舵机安装与固定…………………………………………………………………7
2.8电路板的固定与连接…………………………………………………………8
第三章软件算法及测试………………………………………………………9
3.1控制方案及思路分析……………………………………………………………9
3.2控制算法编程…………………………………………………………………9
3.3算法实现与传感器与转向性能测试…………………………………………9
3.4键盘的使用…………………………………………………………11
第四章总结………………………………………………………………………-13
第五章技术参数…………………………………………………………………-14
前言
第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛是由教育部主办,飞思卡尔半导体公司协办,全国总决赛由北京科技大学承办。
比赛中所使用的车模是由大赛组委会统一提供的,涉及到包括控制,模式识别,传感技术,汽车电子电气,计算机,机械等多个学科。
我觉得对于我们这些非电子或非者控制专业的学生更是一种锻炼,在整个过程中我得到了各个方面的提升,并包括与队友的团结协作能力。
我们使用竞赛秘书处统一指定并负责采购竞赛车模套件,采用飞思卡尔半导体公司的16位微控制器作为核心控制单元,自主构思控制方案进行系统设计,包括传感器信号采集处理、动力电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等,完成智能车工程制作及调试,在保证模型车不冲出赛道的前提下,所用时间越短越好。
自动控制器是以微控制器为核心,传感器、电池、舵机和相应的驱动电路与之配合。
其最主要的技术问题是:
路径的自动识别和控制算法(策略)的设计。
在此次比赛中我们队伍是光电组的,即使用红外激光传感器来采集路面信息,通过单片机的控制信号使传感器适时点亮,接收管得到的数据送到单片机进行A/D转换,单片机根据转换后的数据,识别出黑线的位置,通过PWM波控制舵机的转动,通过MC33886和场效应管控制直流电机的转动,以达到控制车速的目的。
本文章节安排
第一章整体设计思路和方案,介绍模型车设计制作的主要思路以及对实现的技术方案进行概要说明;
第二章智能车硬件电路与机械结构的设计,介绍了模型车的技术参数,硬件电路以及对车模进行的机械方面的改造;
第三章软件算法部分及测试,介绍了赛车开发工具制作安装及参数测试,赛车传感器及转向性能的测试,以及赛车软硬件调试的过程方法;
第四章结论
第五章技术参数
第一章智能车整体设计思路和方案
1.1方案设计思路
本智能车控制系统采用由主办方提供的飞思卡尔16位微控制器MC9S12DG128作为唯一的核心控制单元,信号由安装在车前部的光电传感器采集,将采集到的表示路况信息的模拟信号传入核心控制单元,核心控制单元对信号进行AD转换处理后,然后由脉宽调制(PWM)发生模块发出3路PWM波,分别对转向舵机,直流电机进行控制,完成智能车的转向,前进,减速的功能。
在智能车后轮上安装有光电编码器,采集关于车轮转速的脉冲信号,经由核心控制单元进行闭环控制计算后自动调节输入到电机驱动模块的PWM波的占空比,从而控制小车速度。
小车采用1206LCD显示,3个键盘调节,从而可与核心控制单元进行通信,改变小车的速度与转向参数。
1.2方案的实现
我们首先是用实验板对整个小车电路设计进行实验,这个过程中充分考验了我们对硬件的设计与焊接的能力,在实验中得到传感器合适的尺寸与角度,花费了很多时间与精力,主要是考虑到前瞻的问题,前瞻太小不利于小车的速度的控制,尤其是直线到转弯的过渡。
前瞻太大会带来识别精度不够,控制精度不高。
直到设计能够采集到合适的传感器数据精度与控制速度,我们才进行了定型车模、系统电路板的设计,安装以及控制算法的改进,完成了对智能车由开环控制到闭环控制,由低速到高速的提速过程。
在实验的过程中我们不断发现问题,解决问题,使智能车能够最大限度地沿着轨道快速、准确地行驶。
我们在组委会S12核心电路之外,设计和制作完成的硬件电路可以简单分成四部分:
1电机的驱动电路采用集成芯片MC33886和场效应管作为驱动,调制脉冲由单片机提供;2稳压电路部分,为单片机等电路提供合适的电压;
3路径识别电路(传感器安装电路);
4速度检测电路(编码器电压的提供与输出信号)。
具体内容在相应章节介绍。
控制算法以及调试以Freescale的16位单片机MC9S12DG128作为核心控制器,以PWM(脉宽调制)信号控制直流电机和转向舵机。
提前预测直线与转
弯,进行可调速控制算法,实现了智能小车的寻迹行驶,识别进出三角并控制车速,识别起始线及时停车。
硬件电路方案如下:
图1:
系统框图
第二章硬件电路的设计
2.1系统板的设计
我们的智能车系统板的电路总体上分为逻辑控制电路和电机驱动电路两大部分。
逻辑控制电路主要由核心控制器S12单片机,传感器,编码器组成。
S12单片机对电压的稳定性有很高的要求;电机驱动电路要求的电流相对较大,因此,二者在电路设计方面有很大的差别。
硬件设计应在可靠的基础上尽量简单化,使其满足稳定工作的基本要求,电源管理模块要保证使整个系统供电充足并稳定;传感器部分保证信息采集准确有效;电机驱动部分则需在保证正常工作的情况下尽量减少对控制部分的干扰,因为电机的电流很大。
考虑到车模重心越低越好,我们将电路板紧贴底盘放置。
由于舵机占据了不少的空间,我们的电路板需要做得更加紧凑。
考虑到电路的需要和结构的稳定性,以及规则中对车辆尺寸等各方面的要求,我们选择把电机驱动电路板和系统板分开,电池放在舵机后面,一方面为了放置系统板,另外为增加前轮的载重和减小后轮的载重,增加前轮附着力,减小小车后部的质量,实现急转弯小车甩尾,减小转弯的时间,但实际上我们发现效果不明显,尤其是比赛场地很光滑摩擦力小的情况下,反而会一定程度上影响前轮的转向灵敏度,但结构定下来了就没法改变了,但我们认为这也是我们的收获。
2.2电路总体结构
我们没有用主办方提供的核心S12XS128的电路板,而是自行设计了系统电路板。
因为核心S12电路板体积比较大,不方便在智能车上安装;其次在核心S12电路板上不容易找到正确的引脚插线。
我们设计的系统电路板就解决了这方面的问题,可以把它很方便地固定在智能车的底盘上,并制作了专用的插槽。
我们制作了以MC9S12DG128芯片为核心,并附以复位电路、晶体振荡器及时钟电路、+5V的电源、驱动电机的供电插座、单片机引脚插槽、键盘插座、编码器插座、LCD键盘接口,电源开关以及其他一些常规电子元件组成的系统控制电路,另外还有传感器中的三极管。
图2.为整个电路的DXP原理图。
图2:
S-12系统板原理图
2.3电源管理模块设计
为了能使智能车系统能正常工作,需要对电池电压调节。
其中,单片机系统、车速传感器电路、路径识别的光电传感器和接收器电路以及键盘显示电路工作电
压均为为5V、伺服电机、直流电机工作电压直接由7.2V蓄电池直接提供。
电池(7.2v)2000mAhNi-cd
7.2V
5V
编码器
图3系统电压调节图
图4:
5V电源模块原理图
电源由7.2V电池提供,分别经过以下途经对其它模块进行供电:
a、经过稳压芯片LM2940T5.0稳压后,输出5V电压以驱动单片机工作;
b、经过稳压芯片LM2940T5.0稳压后,输出5V电压以对传感器供电;
c、经过稳压芯片LM2940T5.0稳压后,输出5V电压对光电编码器供电;
d、经过稳压芯片LM2940T5.0稳压后,输出5V电压对键盘显示接口电路供电;
e、电源7.2V接入驱动模块,以对电机、舵机进行驱动;
2.4电机驱动模块
直流电机驱动采用MC33886和大功率的场效应管组成驱动电路,增大驱动能力,减少发热量。
系统通过如图5中PWM引脚输入可调制脉冲波形,以调节电机1和2口的输出电压之差,从而调节电机转速。
电机PWM周期设定为2000个单片机总线周期,其中单片机的工作频率为16MHz,这个周期其实大于MC33886芯片的工作周期,MC33886芯片的工作电压为5-40V,导通电阻为140毫欧姆,电机驱动电路安装在电机上方,而且在每个场效应管上安装了散热片,实际运行效果表明芯片散热量微小,可以忽略。
为了防止电动机突然停止时产生的电磁干扰,我们在电动机的两端焊接了470μF滤波电容(如图所示)。
图5:
由MC33886和场效应管组成的直流电机驱动模块原理图
2.5激光管检测电路
图6:
光电传感器实物图
我们采用的是工业用980nm红外激光发射管,它的功率大,发光强度大,聚光能力强,从而使前瞻增大,控制精度高,接收管是与发光管波段的,把14对光电传感器(发射与接收)排成一列(如图所示)安装在小车的前面探测黑线。
且用双面PCB板来制作传感器,电路板也用双面PCB来制作,这样性能比较稳定而且重量比较轻,是智能车快速稳定跑完全程的关键.
刚开始我们用单片机直接控制激光管的发亮及时间,但后来发现我们使用的这种工业激光管的功率大,只有在保证150mA以上的电流才能达到理想的发光强度,所以我们使用三极管,通过三极管的开关功能控制,从而实现对发光管的控制,这样不仅减小了单片机的通过电流,提高了单片机的稳定性能,同时又增加了发光管的发光强度,为实现激光管的大功率优越性,提供了保证条件!
图7:
脉冲信号控制三极管进而控制发光管原理图
2.6编码器信号采集电路
编码器信号采集电路:
由5V电压对光电编码器供电,编码器与差速器通过齿轮啮合,编码器每转一圈能发出600个标准脉冲,编码器的A,B两路输出分别表示正转与反转,由于我们的小车急减速的控制方法是使电机反转的方法,所以电机的反转的识别十分重要。
2.7舵机安装与固定
为了使转弯更加灵活,我们对舵机相关部分作了部分改动。
首先,我们将舵机力臂加长35mm。
这样,对于同样的转弯角度值,只需要更小的舵机转角,减小了舵机转弯时惯性带来的弊端。
其次,我们将舵机反装,使舵机连杆竖直,这样既利于舵机的安装,又可使舵机的转向力集中,用于转向。
2.8电路板的固定与连接
整个电路板固定在小车的中央(原电池放置的位置),电路板加有孔,通过螺钉与小车底盘固定,排线紧贴底盘,这样就会使整车布局紧凑,质心下降,有利于小车高速时转向的稳定,不至于侧翻。
第三章软件算法及测试
3.1控制方案及思路分析
用于寻迹的传感器为14个,用于检测起始线的有2个,共16个,符合大赛组委会章程的
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