第十届“飞思卡尔”杯全国大学生

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甭薛
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1 第十届飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校 : 中国计量学院队伍名称 : 赛博 -6 队带队教师 : 陈东晓李红亮参赛队员 : 张玉成李越李健波

2 关于技术报告和研究论文使用授权的说明本人完全了解第十届飞思卡尔杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留使用技术报告和研究论文的规定, 即 : 参赛作品著作权归参赛者本人, 比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案技术报告以及参赛模型车的视频图像资料, 并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中参赛队员签名 : 带队教师签名 : 日期 : 2

3 摘要本文以第十届全国大学生智能车竞赛为背景, 介绍了智能赛车控制系统的软硬件结构和开发流程该比赛采用大赛组委会统一指定的 D 型车模, 以 Freescale 半导体公司生产的 32 位单片机 K60 核心控制器, 要求赛车在未知道路上沿着黑线以最快的速度完成比赛整个系统涉及车模机械结构调整传感器电路设计及信号处理控制算法和策略优化等多个方面对比了不同方案的优缺点, 并结合 Matlab 以及 Labview 仿真平台进行了大量底层和上层测试, 最终确定了现有的系统结构和各项控制参数车模使用飞思卡尔加速度传感器 MMA7260 以及村田公司 ENC-03 陀螺仪进行卡尔曼融合, 获取车模直立姿态使用德州仪器的 TSL1401 线性 ccd 检测道路信息 ; 通过二轮速度差进行小车的转向控制关键词 :Freescale, 智能车, 线性 ccd, 陀螺仪, 自平衡 3

4 ABSTRACT In the background of the 8 th National Intelligent Car Contest for College Students, this article introduces the software and hardware structures and the development flow of the vehicle control system. This contest requires the model to finish the race as fast as possible while following two black lines.we adopted C-type car model provided by the organizing committee, used the 32-bit K60 produced by Freescale Semiconductor Company as the core controller, and developed under the CodeWarrior IDE. The whole system includes the aspects of the mechanism structure adjustment, the sensor circuit design and signal process, control algorithm and strategy optimization etc. In order to increase the speed and the reliability of the car, the advantage and disadvantage of the different schemes are compared, and a great number of the bottom layer and the upper layer tests are carried on combined with the Matlab and Labview simulation platform. At last, the current system structure and each control parameters are determined. It captures the road information through sensors consist of capacities and inductors. Angle signal can be got through Kalman filter with ENC-03, a gyroscope and MMA7260, a 3-axis accelerator produced by Freescale. The model changes its direction by the differential of two wheels Key words: Freescale,intelligent vehicle, electromagnetism, two-wheel self balance, Kalman filter 4

5 目录第一章引言智能车研究背景发展历史智能车研究方向智能车研究前景飞思卡尔智能汽车比赛介绍飞思卡尔智能汽车竞赛简介比赛规则介绍控制系统简述... 4 第二章系统机械设计车模加固传感器安装电路板安装其他机械调整整车展示... 9 第三章系统硬件设计主控模块角度检测模块线性 CCD 速度传感器驱动电路设计电源管理模块人机交互模块第四章系统软件设计软件实现框架核心控制算法路径识别直立控制速度控制转向控制特殊情况处理第五章系统调试系统调试开发环境介绍 CodeWarrior IDE 功能介绍 CodeWarrior IDE 基本使用方法辅助调试工具

6 第六章车辆主要参数第七章总结致谢参考文献附录 : 程序源代码

7 报告第一章引言 1.1 智能车研究背景发展历史智能小车系统是迷你版的智能汽车, 二者在信息提取, 信息处理, 控制策略及系统搭建上有很多相似之处, 可以说智能小车系统将为智能汽车提供很好的试验和技术平台, 推动智能汽车的发展摄像头作为很多智能汽车的信息输入的传感器具有其他很多传感器所不具有的优势, 如对物体的特征提取, 视野宽广等, 因此基于摄像头的智能小车系统的研究将推动智能汽车的发展智能汽车是未来汽车的发展方向, 将在减少交通事故发展自动化技术提高舒适性等许多方面发挥很重要的作用 ; 同时智能汽车是一个集通信技术, 计算机技术, 自动控制, 信息融合技术, 传感器技术等于一身的行业, 它的发展势必促进其他行业的发展, 在一定程度上代表了一个国家在自动化智能方面的水平 [1] 汽车在走过的 100 多年的历史中, 从没停止过智能化的步伐, 进入 20 世纪 90 年代以来, 随着汽车市场竞争激烈程度的日益加剧和智能运输系统 (ITS) 地兴起, 国际上对于智能汽车及其相关技术的研究成为热门, 一大批有实力有远见的大公司大学和研究机构开展了这方面的研究很多美国日本和欧洲等国家都十分重视并积极发展智能车系统, 并进行了相关实验, 取得了很多成就我国的相关研究也已经开展, 清华大学成立了国内最早的研究智能汽车和智能交通的汽车研究所, 在汽车导航主动避撞车载微机等方面进行了广泛而深入的研究,2000 年上海智能交通系统进入实质性实施阶段, 国防科大研制出第四代无人驾驶汽车, 西北工业大学吉林交通大学重庆大学等也展开了相关研究 [2] 这一新兴学科正在吸引越来越多的研究机构和学者投入其中智能车研究方向驾驶员行为分析 (Driver Behavior Analysis) 任务 : 研究驾驶员的行为方式精神状态与车辆行驶之间的内在联系 ; 目的 : 建立各种辅助驾驶模型,

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9 为智能车辆安全辅助驾驶或自动驾驶提供必要的数据, 如对驾驶员面表情的归类分析能够判定驾驶员是否处于疲劳状态, 是否困倦瞌睡等 ; 环境感知 (Environmental Perception) 主要是运用传感器融合等技术, 来获得车辆行驶环境的有用信息, 如车流信息车道状况信息周边车辆的速度信息行车标志信息等 ; 极端情况下的自主驾驶 (Autonomous Driving on Extreme courses) 主要研究在某些极端情况下, 如驾驶员的反应极限车辆失控等情况下的车辆自主驾驶 ; 规范环境下的自主导航 (Autonomous Navigation on Normal environment) 主要研究在某些规范条件下, 如有人为设置的路标或道路环境条件较好, 智能车辆根据环境感知所获得的环境数据, 结合车辆的控制模型, 在无人干预下, 自主地完成车辆的驾驶行为车辆运动控制系统 (Vehicle Motion Control Systems) 研究车辆控制的运动学动力学建模车体控制等问题 ; 主动安全系统 (Active,Safety Systems) 主要是以防为主, 如研究各种情况下的避障防撞安全保障系统等 ; 交通监控车辆导航及协作 (Traffic Monitoring,Vehicle Navigation and coordination) 主要研究交通流诱导等问题 ; 车辆交互通信 (Inter-Vehicle Communication) 研究车辆之间有效的信息交流, 主要是各种车辆间的无线通信问题 ; 军事应用 (Military Applications) 研究智能车辆系统在军事上的应用 ; 系统结构 (System Architectures) 研究智能车辆系统的结构组织问题 ; 先进的安全车辆 (Advanced Safety Vehicles) 研究更安全具有更高智能化特征的车辆系统智能车研究前景智能车系统有着极为广泛的应用前景结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适应巡航并把车开得又快又稳安全可靠 ; 汽车夜间行驶时, 如果装上红外摄像头, 就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶 ; 他也可以工作在仓库码头工厂或危险有毒有害的工作环境里, 此外他还能担当起无人值守的巡逻监视物料的运输消防灭火等任务在普通家庭轿车消费中, 智能 2

10 车的研发也是很有价值的, 比如雾天能见度差, 人工驾驶经常发生碰撞, 如果用上这种设备, 激光雷达会自动探测前方的障碍物, 电脑会控制车辆自动停下来, 撞车就不会发生了 1.2 飞思卡尔智能汽车比赛介绍飞思卡尔智能汽车竞赛简介飞思卡尔公司开发嵌入式解决方案的历史可追溯到 50 多年前, 现在, 已发展成为在 20 多个国家设有业务机构, 拥有 20,000 多名员工的实力强大的独立企业飞思卡尔公司专门为汽车消费电子工业品网络和无线应用提供大脑他们无比丰富的电源管理解决方案微处理器微控制器传感器射频半导体模块与混合信号电路及软件技术已嵌入在全球使用的各种产品中并拥有雄厚的知识产权, 其中包括 6,200 多项专利为加强大学生实践创新能力和团队精神的培养, 促进高等教育教学改革, 受教育部高等教育司委托 ( 教高司函 [2005]201 号文, 附件 1), 由教育部高等自动化专业教学指导分委员会 ( 以下简称自动化分教指委 ) 主办全国大学生智能汽车竞赛该竞赛以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛, 是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动, 是教育部倡导的大学生科技竞赛之一该竞赛以立足培养, 重在参与, 鼓励探索, 追求卓越为指导思想, 旨在促进高等学校素质教育, 培养大学生的综合知识运用能力基本工程实践能力和创新意识, 激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能, 倡导理论联系实际求真务实的学风和团队协作的人文精神, 为优秀人才的脱颖而出创造条件该竞赛由竞赛秘书处为各参赛队提供 / 购置规定范围内的标准硬软件技术平台, 竞赛过程包括理论设计实际制作整车调试现场比赛等环节, 要求学生组成团队, 协同工作, 初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的全过程该竞赛融科学性趣味性和观赏性为一体, 是以迅猛发展前景广阔的汽车电子为背景, 涵盖自动控制模式识别传感技术电子电气计算机机械与汽车等多学科专业的创意性比赛该竞赛规则透明, 评价标准客观, 坚持公开公平公正的原则, 保证竞赛向健康普及, 持续的方向发展 3

11 该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方, 得到了教育部相关领导飞思卡尔公司领导与各高校师生的高度评价, 已发展成全国 30 个省市自治区近 300 所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛 2008 年起被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中科技人文竞赛之一 ( 教高函 [2007]30 号文 ) 全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的高等学校 ( 包括港澳地区的高校 ) 参赛竞赛首先在各个分赛区进行报名预赛, 各分赛区的优胜队将参加全国总决赛每届比赛根据参赛队伍和队员情况, 分别设立光电组摄像头组创意组等多个赛题组别每个学校可以根据竞赛规则选报不同组别的参赛队伍全国大学生智能汽车竞赛组织运行模式贯彻政府倡导专家主办学生主体社会参与的 16 字方针, 充分调动各方面参与的积极性全国大学生智能汽车竞赛一般在每年的 10 月份公布次年竞赛的题目和组织方式, 并开始接受报名, 次年的 3 月份进行相关技术培训,7 月份进行分赛区竞赛,8 月份进行全国总决赛比赛规则介绍选手须使用竞赛秘书处统一指定的竞赛车模套件, 采用飞思卡尔半导体公司的 8 位 16 位 32 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和调试, 于指定日期与地点参加各分赛区的场地比赛, 在获得决赛资格后, 参加全国总决赛的场地比赛参赛队伍的名次 ( 成绩 ) 由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主, 技术报告制作工程质量评分为辅来决定大赛根据车模检测路径方案不同分为电磁光电摄像头三个赛题组车模通过感应由赛道中心电线产生的交变磁场进行路径检测的属于电磁组 ; 车模通过采集赛道图像 ( 二维 ) 进行路径检测的属于摄像头组 ; 车模通过采集赛道图像 ( 一维 ) 进行路径检测的属于光电组 1.3 控制系统简述系统是以通过线性 CCD 采集一行视场信号, 通过单片机处理信号实现对车体控制, 实现车体能够准确沿着预设路径寻迹系统电路部分需要包括单片机控制单元电机驱动电路陀螺仪与加速度计电路, 电源管理模块等部分, 除此 4

12 之外系统还需要一些外部设备, 例如编码器测速直流电机驱动车体和控制车体方向本系统包含了以下几个模块 : 图 1-1 系统包含模块 2.1 车模加固第二章系统机械设计原有车模为了减轻后轮振动对于车体的影响, 后轮的支架与底盘之间采用了活动连接方式但是, 为了保证车模直立车体稳定性, 需要将原有车模底盘与后轮支架固定在一起, 使后轮与车体之间形成一个刚体, 便于进行直立控制于是我们按照比赛规则利用 PCB 板制作了连接件, 通过在板上打孔利用螺钉螺母将底盘与后轮直接连接成为一个刚体

13 图 2-1 车模加固图片 2.2 传感器安装 (1) 加速度传感器和陀螺仪组合固定在自己腐蚀的 PCB 板上, 陀螺仪水平, 加速度计垂直放置, 为了信号稳定放在车子地盘的中下部, 同时也降低了重心图 2-2 加速度计和陀螺仪的安装 6

14 (2)2 个编码器分别装在 2 个车轮的边上, 调节角度让齿轮磨合图 2-3 编码器的安装 (3) 线性 ccd 安装在小车的头部 2.3 电路板安装图 2-4 线性 ccd 的安装为了使小车具有较好的稳定性及转向性能, 在搭建小车时尽量选择降低重心, 因此也将电路板安装在了底盘的下部, 从而实现降低重心 7

15 图 2-5 电路板的安装 2.4 其他机械调整车轮固定图 2-6 车轮的固定车模的非独立式悬挂车轴有稍微的松动, 在车模高速运行时有很大的影响, 在拐弯的时候更是有不确定的情况发生固定车轮使车模拥有更好的传动效果 8

16 2.5 整车展示图 2-7 整车展示 9

17 第三章系统硬件设计第十届飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛技术 3.1 主控模块以 K60 为主控芯片, 作为本智能车的核心主要需要的 K60 芯片资源 : (1) AD 转换接口 (4 路 ) (a) 加速度计 : 用于倾角的计算 (b) 陀螺仪 : 用于计算车模的角速度 (c) CCD: 采集路面灰度信号 (d) 电源电压管理 (2) PWM 输出口 (2 路 ) 两路 PWM 输出口, 分别控制两个电机 (3) 普通 IO 口 (10 个 ) (a) oled:4 个 IO 口 (b) 按键 :4 个按键,4 个 IO 口 (c) CCD: 产生 CCD 时钟和曝光时间,2 个 (4) 脉冲计数口 (1 个 ) 采集编码器脉冲输入计数最小系统 : 图 3-K60 最小系统 10

18 3.2 角度检测模块作为整车的平衡器官, 该模块是车模直立所必须的重要部分, 因此, 设计好这个模块具有十分重要的意义首先, 分别分析一下这两种器件加速度传感器加速度传感器是一种可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度的器件, 在飞行器赛车和一些娱乐设施中有着非常广泛的应用本次竞赛规定如果车模使用加速度传感器必须使用飞思卡尔公司产生的加速度传感器该系列的传感器采用了半导体表面微机械加工和集成电路技术, 传感器体积小, 重量轻它的基本原理如图所示 : 图 3-2 加速度传感器原理通过微机械加工技术在硅片上加工形成了一个机械悬臂它与相邻的电极形成了两个电容由于加速度使得机械悬臂与两个电极之间的距离发生变化, 从而改变了两个电容的参数, 通过集成的开关电容放大电路量测电容参数的变化, 形成了与加速度成正比的电压输出, 再经过信号采集与处理, 就可以得到相应速度加速度值 MMA7260 是一款三轴低 g 半导体加速度计, 可以同时输出三个方向上的加速度模拟信号, 由于该款芯片已停产, 于是我们最终就选用了与之具有相同功能的同系列产品 MMA7361 通过设置可以使得 MMA7361 各轴信号最大输出灵敏度为 800mV/g, 其变化范围已较大, 因此无需再进行放大可直接送到单片机进行 AD 转换, 即可得到相应轴上的加速度值其电路设计也较为简单, 如下图所示 : 11

19 图 3-3 加速度测量电路在三个轴的输出中我们只用到了 Z 轴, 但为了方便以后方案扩展, 我们还是将三个轴的输出都预留了, 此外, 需要注意的是,MMA7361 供电电压为 3.3V, 因此, 在设计时需要另加一块 AMS1117 稳压芯片角速度传感器 - 陀螺仪陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度, 竞赛规定可用村田公司出品的 ENC-03 系列的角速度传感器, 它利用了旋转坐标系中的物体会受到科里奥利力的原理, 在器件中利用压电陶瓷做成振动单元当旋转器件时会改变振动频率, 将其变化量转化为电压变化量输出, 从而反映出物体旋转的角速度图 3-4 陀螺仪电路图在车模上安装陀螺仪, 可以测量车模倾斜角速度, 将角速度信号进行积分便 12

可以得到车模的倾角由于陀螺仪输出的是车模的角速度, 不会受到车体运动的影响, 因此该信号中噪声很小车模的角度又是通过对角速度积分而得, 这可进一步平滑信号, 从而使得角度信号更加稳定因此车模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号在我们实际设计中, 由于陀螺仪的动态输出信号很小 (0.67mV/deg./sec.

20 可以得到车模的倾角由于陀螺仪输出的是车模的角速度, 不会受到车体运动的影响, 因此该信号中噪声很小车模的角度又是通过对角速度积分而得, 这可进一步平滑信号, 从而使得角度信号更加稳定因此车模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号在我们实际设计中, 由于陀螺仪的动态输出信号很小 (0.67mV/deg./sec.), 当采用直接对陀螺仪输出信号进行 AD 采样的方法时, 发现达不到足够的分辨率, 因此需要加一级放大级, 虽然在 ENC-03 的使用手册上给出了信号放大的参考电路, 但我们按照该电路实际制作并测试时发现, 放大后角速度的输出会存在反冲现象, 对角度的测量产生了较大影响, 因此在后来我们对这一放大电路进行了各种改进与测试, 最终找到了一种比较好的方案 3.2 线性 CCD TSL1401 它的核心是一片具有 128 个像素的线性 CCD 图 3-5 线性 ccd 示意图 TSL1401-DK 模块信号定义如下 : SI: 串行输入口通过单片机 IO 口控制数据起始位 CLK: 时钟管脚通过单片机 IO 口控制电荷转换和像素输出 AO: 模拟输出通过单片机的 ADC 口进行数据采集 VDD:+5V 电源供电 GND: 接地图 3-6 线性 ccd 引脚图 13

4 驱动电路设计图 3-7 测速模块接口电路电机采用芯片 BTS7971, 其应用非常简单, 只需要向芯片第 2 引脚输入 PWM 波就能控制

21 3.3 速度传感器常见的测速方法有几种 : 编码盘配合光电对管输出脉冲波, 小电机测速输出模拟电压值, 编码器模块输出脉冲波出于稳定性准确性还有可靠性的考虑, 我们最终选择了使用编码器测速 3.4 驱动电路设计图 3-7 测速模块接口电路电机采用芯片 BTS7971, 其应用非常简单, 只需要向芯片第 2 引脚输入 PWM 波就能控制当系统中只需要单向控制时, 只需要让电机一端接地, 另一端接 BTS7971 第 4 引脚如果需要电机双向旋转控制, 则需要另一片 BTS7971 共同组成全桥由于小车使用双电机, 所以我们使用 4 片 BTS7971 构成两个全桥分别控制两个电机图 3-8 驱动电路 14

3.5 电源管理模块作为整个智能车系统的能量供给站, 电源部分犹如人的心脏, 心脏不够强大, 整个小车系统就很难稳定工作, 因为, 电源模块具有非常重要的意义通过对小车系统各模块对电能的需求分析, 我们把整车供电系统分为了 3 大部分 : 即核心处理器供电部分, 传感器模块, 和电机部分在单片机供电电路上, 我们通过查阅资料选择用了低压差, 低功耗芯片 TPS7350, 该芯片输出的

22 3.5 电源管理模块作为整个智能车系统的能量供给站, 电源部分犹如人的心脏, 心脏不够强大, 整个小车系统就很难稳定工作, 因为, 电源模块具有非常重要的意义通过对小车系统各模块对电能的需求分析, 我们把整车供电系统分为了 3 大部分 : 即核心处理器供电部分, 传感器模块, 和电机部分在单片机供电电路上, 我们通过查阅资料选择用了低压差, 低功耗芯片 TPS7350, 该芯片输出的 5V 电压给单片机供电, 以确保单片机供电的稳定性并减小干扰图 3-9 TPS7350 第二部分传感器模块上, 相同的采用了稳压芯片 TPS7350 来产生 5V 电源向陀螺仪加速度计等供电由于我们采用了 OLED 显示器, 所以需要一路 3.3.V 的供电电路, 经过比较, 我们选用了价格比较低廉的 AMS V 供电对于驱动电机, 为了使其有足够的动力, 我们采用了电池直接供电的方法, 以最大程度上提高车速 3.6 人机交互模块为了方便调试, 本车有无线串口模块, 有效进行运行参数之间的传送, 除此之外, 还设置了键盘液晶显示屏, 以方便控制参数的修改, 便捷的智能车的调试 15

23 3-10 安装 oled 的 PCB 原理图图 3-11 oled 第四章系统软件设计 4.1 软件实现框架软件的主要功能包括有 : (1) 车模运行状态检测 ; (2) 电机 PWM 输出 ; 16

(3) 车模运行控制 : 直立控制速度控制方向控制 ; (4) 车模运行流程控制 : 程序初始化车模启动与结束 ; (5) 系统界面 : 状态显示上位机监控参数设定等上述功能可以分成两大类 : 第一类包括 1-3 功能, 它们属于需要精确时间周期执行, 因此可以在一个周期定时中断里完成第二类包括 4-5 功能它的执行不需要精确的时间周期可以放在程序的主程序中完成

24 (3) 车模运行控制 : 直立控制速度控制方向控制 ; (4) 车模运行流程控制 : 程序初始化车模启动与结束 ; (5) 系统界面 : 状态显示上位机监控参数设定等上述功能可以分成两大类 : 第一类包括 1-3 功能, 它们属于需要精确时间周期执行, 因此可以在一个周期定时中断里完成第二类包括 4-5 功能它的执行不需要精确的时间周期可以放在程序的主程序中完成这两类任务之间可以通过全局变量实现相互的通讯主程序框架如图 4-1 所示图 4-1 主程序框架图 4-1 中, 程序上电运行后, 便进行单片机的初始化初始化的工作包括有两部分, 一部分是对于单片机各个应用到的模块进行初始化第二部分是应用程序初始化, 是对于车模控制程序中应用到的变量值进行初始化初始化完成后, 首先进入车模直立检测子程序该程序通过读取加速度计的数值判断车模是否处于直立状态如果一旦处于直立状态则启动车模直立控制方向控制以及速度控制程序在主循环中不停发送监控数据, 在通过串口发送到上位机进行监控同时检查车模是否跌倒跌倒判断可以通过车模倾角是否超过一定范围进行确定, 或者通过安装在车模前后防撞支架上的微动开关来判断一定车模跌倒, 则停止车模运行包括车模直立控制速度控制以及方向控制然后重新进入车模直立判断过程车模的直立控制速度控制以及方向控制都是在中断程序中完成通过全局标志变量确定是否进行这些闭环控制 17

25 4.2 核心控制算法路径识别本届光电组使用线性 CCD, 与之前使用激光管也有相似的地方, 都是建立在只能看到一行的视野上进行循迹实现框架如下 : 图 4-2 路径识别框架图 (1)CCD 采集 : 相比于摄像头拥有整个视场, 线性 CCD 的只有一行的信息量就格外重要, 出现噪点对车模的运行是无法想象的采集到得电压绘制曲线如下 : 图 4-3 ccd 采集仿真其中曝光时间是一个很大的因素, 对采集到的电压有直接影响针对曝光时间, 有自适应曝光时间算法, 它对阈值二值化的方案有较好的适应性, 对赛道光线适应能力强, 但是, 曝光时间的不确定性对转向的响应也有不同程度的影响 18

26 还有固定曝光时间算法, 这样车模在运行当中程序是周期性执行, 有良好的鲁棒性配合边沿检测, 就可以忽略赛场光线的影响实现代码 : void RD_TSL(void) byte i=0,tslp=0; TSL1401_2_CLK=1; TSL1401_2_SI=0; Dly_us(); TSL1401_2_SI=1; TSL1401_2_CLK=0; Dly_us(); TSL1401_2_CLK=1; TSL1401_2_SI=0; AvgVol[2]=AvgVol[1]; AvgVol[1]=AvgVol[0]; AvgVol[0]=0; for(i=0;i<128;i++) TSL1401_2_CLK=0; while(!atd0stat0_scf); Pixel[i]=ATD0DR0; ++tslp; TSL1401_2_CLK=1; for(i=61;i<67;i++) AvgVol[0]+=Pixel[i]; AvgVol[0]/=6; for(i=63;i>3;i--) 19

27 if((pixel[i-3]<(pixel[i]*15/20))&&(pixel[i-4]<(pixel[i-1]*16/20))) leftedge=i-1; else Binary[i]=0; leftedge=0; for(i=64;i<124;i++) if((pixel[i+3]<(pixel[i]*15/20))&&(pixel[i+4]<(pixel[i+1]*16/20)) ) rightedge=i+1; else Binary[i]=0; rightedge=127; (2) 计算偏移量 : 在测出左右黑线的位置之后, 就方便计算黑线与中心点的偏移量实现代码 : pianchatemp=(63-leftedge)-(rightedge-64); 直立控制首先我们忽略速度控制, 仅仅只考虑角度闭环系统那么在这个前提下, 只有两个速度量 : 角度和角速度 ; 被控变量只有角度那么就可以使用 PID 控制器这里需要进行解释, 为何有两个输入变量任然可以使用 SISO 系统才能使用 PID 虽然角度和角速度是不同的量, 但是角速度就是对角度求微分而使用陀螺仪获得的角速度比对卡尔曼滤波后求微分获得的角速度更准确, 而 D 控制器输入变量正好是角速度, 所以此处使用 PID 完全没有问题 20

28 常用的 PID 控制器及其变形有 P 控制器 PI 控制器 PD 控制以及 PID 控制器分析系统要求, 仅有 P 控制器, 系统极易发散造成不稳定, 而积分环节对于这个需要快速调整的系统, 要求不大因此最后我们选择了 PD 控制器控制系统框图如下 : 图 4-4 PID 控制示意图在实际调试过程中, 倒立摆可以进行短时间的直立, 但是会朝向一个方向加速运行, 最后车模会倒下这是由于未加速速度闭环的结果, 未对车轮转速进行必要的控制, 则最终由于电机转速的饱和, 而发生了无法对倒立摆进行调整的后果在陀螺仪和加速度计电路中对加速度计进行了滤波,AD 采集可以直接得到角度值, 再采用官方方案进行滤波, 最终再与其平均得到最终角度车模直立控制是关键子程序其中涉及到两个关键控制系数 : 这两个系数是通过实验调试逐步确定的具体确定的方式如下 : 首先将 A_D_Value 置为 0 逐步加大 A_P_Value 数值, 直到车模开始前后震荡此时再逐步增大 A_D_Value, 消除震荡然后逐步增加这两个数值, 直到车模开始抖动, 然后略减少这两个数值即可这个过程需要反复调整, 直到车模可以比较稳定的达到直立平衡注意 : 由于现在还没有加入速度闭环, 所以由于加速度传感器零偏的误差, 会导致车模在直立的时候会往一个方向加速行驶如下是车模直立控制子程序代码 : void angle_control(void) int error_value; int gyro_value=0; int fdeltavalue=0; static int lastgyro=0; static Angle=0; QingJiao=QingJiao-angle ; gyro_value = (Gyro_Data*7/10+lastGyro*3/10)/10; 21

29 lastgyro=gyro_value; error_value = QingJiao/3; fdeltavalue = (error_value-angle)*2; Angle = Angle+(fDeltaValue+gyro_value)*15/100; Angle=(Angle+ error_value) /2; A_power_value = (int)angle*a_p_value - A_D_Value*gyro_value; // A_power_value = (int)error_value*a_p_value - A_D_Value*gyro_value; 速度控制在模拟控制系统中, 控制器最常用的控制规律是 PID 控制为了说明控制器的工作原理, 先看一个例子如图 4-5 所示是一个直流电机的调速原理图给定速度 0 n t 与实际转速 n t 进行比较, 其差值 e t n 0 t n t 整后输出电压控制信号 u t, u t 经过功率放大后, 驱动直流电动机改变其转速, 经过 PID 控制器调图 4-5 直流电机调速系统常规的模拟 PID 控制系统原理框图如图 4-5 所示该系统由模拟 PID 控制器和被控对象组成图中 r t 是给定值, y t 是系统的实际输出值, 给定值与实际输出值构成控制偏差 e t (4.1) e t 作为 PID 控制的输入, u t 作为 PID 控制器的输出和被控对象的输入所以模拟 PID 控制器的控制规律如式 (4.2), 原理图如图 4-6 所示 (4.2) e t r t y t 1 t u t K p e t de t e d T d 0 T i t 22

30 k 第十届飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛技术式中 : p 控制器的比例系数 T i 控制器的积分时间, 也称积分系数 T d 控制器的微分时间, 也称微分系数图 4-6 模拟 PID 控制原理图具体实现代码如下 : void Speed_Renew(int speedset) static int P_temp=0,D_temp=0,I_temp=0; int speed_p,speed_i,speed_d; speed_pre_left[4] = speed_pre_left[3]; speed_pre_left[3] = speed_pre_left[2]; speed_pre_left[2] = speed_pre_left[1]; speed_pre_left[1] = speed_pre_left[0]; speed_pre_left[0] = LeftCounter-10 * speedset ; speed_pre_right[4] = speed_pre_right[3]; speed_pre_right[3] = speed_pre_right[2]; speed_pre_right[2] = speed_pre_right[1]; speed_pre_right[1] = speed_pre_right[0]; speed_pre_right[0] = RightCounter-10 * speedset; LeftCounter=0; RightCounter=0; P_temp=speed_P_ratio; D_temp=speed_D_ratio; I_temp=speed_I_ratio; 23

31 speed_p = (speed_pre_left[0] + speed_pre_right[0])*p_temp / 12; speed_i = (speed_pre_left[0] + speed_pre_right[0] +speed_pre_left[1] + speed_pre_right[1] +speed_pre_left[2] + speed_pre_right[2] +speed_pre_left[3] + speed_pre_right[3] )* I_temp / 10; speed_d = (-speed_pre_left[0] - speed_pre_right[0] +speed_pre_left[2] + speed_pre_right[2]) * D_temp/20; speed_order_pre = speed_order_crt; speed_order_crt = (int)(speed_p + speed_i - speed_d); 计算得到 speed_order_crt, 由于速度控制子程序是每 60 毫秒才调用一次所以程序没有直接更新 speed_order_crt, 而是通过调用函数 speed_calorder () 更新上面的数值程序是将速度控制的变化量平均到 12 次进行更新这样可以降低速度控制对于车模直立控制的影响实现代码如下 : void speed_calorder(int speedset,char reset) static int speedtick=1; if(reset==1) speedtick=12; PACNT=0; LeftCounter=pulsesum; RightCounter =pulsesum; if((speedtick%3 ==0)&& reset!= 1) Getspeed(); S_power_value = speed_order_pre + (speed_order_crt-speed_order_pre) * (speedtick % 13) / 12; speedtick++; 24

32 if(speedtick>=13) speedtick=1; Speed_Renew(speedset); 转向控制车模方向控制是通过计算出的偏量进行的这个调节函数调用周期为 10 毫秒实现代码如下 : void Path_Analysis(void) int i,j; int leftedge,rightedge; int leftrasedge,rightrasedge; int pianchatemp=0; int turn_p=0; int turn_i=0; int turn_dm=0; static int kp=0,kd=0,ki=0; static int obstacleclock=0; static int xiapoclock=0; static int stopclock=0; static int drctcounter=0; if(((63-leftedge)>60)&&((rightedge-64)>60)) leftedge=1; rightedge=126; pianchatemp=(63-leftedge)-(rightedge-64); Piancha[8] = Piancha[7]; Piancha[7] = Piancha[6]; 25

33 Piancha[6] = Piancha[5]; Piancha[5] = Piancha[4]; Piancha[4] = Piancha[3]; Piancha[3] = Piancha[2]; Piancha[2] = Piancha[1]; Piancha[1] = Piancha[0]; PianchaMid=(Piancha[0] +Piancha[1] +Piancha[2] +Piancha[3] +Piancha[4])/5; PianchaFilter[0]=PianchaMid; if(pianchamid>=0) if(pianchamid<5) kd=0; ki=0; else if(pianchamid<40) kd =25; ki=5; else ki=5; kd=10; if(pianchamid>15 && PianchaMid<=30) kp=5; else kp=0; else 26

34 if( PianchaMid>-5) kd=0; ki=0; else ki=5; kd=10; if( PianchaMid<-15 && PianchaMid >=-30) kp=5; else kp=0; // if(pianchamid > 20 PianchaMid <-20) drctcounter++; else drctcounter=0; if(drctcounter>20) ki=10; DrctOutMax=DrctPWM_Max ; else ki=0; DrctOutMax=DrctPWM_Max; 27

35 turn_p=(drct_p+kp)*pianchamid/10; turn_dm=(drct_dm+kd)*((pianchafilter[0]-pianchafilter[3])*2+pianchaf ilter[2]-pianchafilter[5])/5; turn_i=(drct_i+ki)*(pianchafilter[0]+pianchafilter[5]+pianchafilter[ 10])/10; DrctionSpdNew= turn_p + turn_dm + turn_i; D_power_value =DrctionSpdNew; if(d_power_value>drctoutmax) D_power_value=DrctOutMax; if(d_power_value<-drctoutmax) D_power_value=-DrctOutMax; 特殊情况处理十字道在十字道上会出现路面全白的情况, 我们的车只有一个 CCD, 全白的情况计算出的偏量为零, 所以车模直冲过去但是如果赛车在出十字的时候方向不正, 车模有较大的位偏, 通过十字就是一个概率性事件了, 在路面信息有限的情况下, 只有尽量提高车模过弯的流畅性, 准确性, 才能不断提高速度直角直角前一米处有黑带, 先检测黑带然后开始计时, 在一定的时间范围内遇到单边丢线, 即把它当成直角处理直角前黑带如果在直道上还是较容易处理的, 但在弯道上时还是一个难题必须当成另外一种特殊情况处理单线单线是一条不超过两米的 25mm+-5mm 的黑线, 在直道和小弯道上还是较易处理, 但在大弯中间段出现时较难处理应为必须要考虑, 单线丢线的情况我们采取的方法是保持丢线前的偏差直到重新找到单线或双线障碍障碍和单线比较相像, 但障碍的宽度比较宽所以检测方法是相同的处障碍时先在原来的打角基础上加上一定的量, 然后持续一定的周期即可 28 坡道

36 对直立车来说坡道应该是最难处理的元素了因为直立车过坡道时必须稳, 最好在上坡道前先识别到, 然后以较低的速度通过所以到最后一直没有克服只能以较低速度通过第五章系统调试 5.1 开发工具程序的开发是在组委会提供的 IAR 下进行的, 包括源程序的编写编译和链接, 并最终生成可执行文件 IAR Systems 是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商公司成立于 1983 年, 提供的产品和服务涉及到嵌入式系统的设计开发和测试的每一个阶段, 包括 : 带有 C/C++ 编译器和调试器的集成开发环境 (IDE) 实时操作系统和中间件开发套件硬件仿真器以及状态机建模工具 5.2 调试工具 J link 通过组委会提供的 IAR 编译软件的在线调试功能, 可以得到大量的信息, 为智能汽车的调试提供了很大的帮助蓝牙无线串口模块与虚拟示波器我队使用无线蓝牙串口实时采集车辆信息进行调试, 无线蓝牙串口使用方便, 与串口类似, 同时具有小车运行时可进行通信的特性, 十分方便同时, 我队使用网上下载的虚拟示波器进行数据的图像化分析, 可直观的看出速度控制与舵机控制的效果与变化曲线, 强化了调试的能力 5.3 辅助调试工具我们采用了市场购买的蓝牙模块, 直接与我们使用的 MC9s12Xs128maa 的 SCI 模块配合 ( 见附件软件部分 ), 调试的时候我们使用了很多学生熟悉的串口猎人作为上位机, 在调试参数时带来了很大方便

37 第六章车辆主要参数

38 报告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 )( 毫米车模轴距 / 轮距 ( 毫米 163 车模平均电流 ( 匀速行驶 )( 毫安 1000ma 电路电容总量 ( 微法约 1000uf 传感器种类及个 4 种陀螺仪加速度计各数 1 个, 光电编码器 2 个, 线性新增加伺服电机个 CCD 一个 0 个赛道信息检测空间精度 ( 毫米 10mm 赛道信息检测频率 ( 次 / 秒 200 主要集成电路种类 / 数 TPS 片量 TPS 片 BTS 片车模重量 ( 带有电池 )( 千克 )

39 第七章总结第十届飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告在我们队三人的团结合作下, 从硬件设计制版, 到软件的发开调试, 再到机械结构的数次校调, 才有了这次来之不易的全国赛的资格到现在, 我们的智能车已经可以以一个比较稳定的状态, 高速的在赛道上运行了首先从硬件设计来讲, 模块化的设计思路, 保证了系统的稳定性, 便于排查问题, 更换模块同时每一份模块我们都做了相应的备份, 比赛的时候证明了这是一个非常明智的做法再来是软件开发过程, 采用通用化的软件接口, 如位置信息等, 降低了各个程序之间的耦合度方便了团队之间互相查阅修改程序, 提高了效率最后是机械结构的调试, 根据汽车工程的知识, 我们校调了前束角度, 差速机构使整个智能车在机械结构上达到了一个比较好的状态作为一个锻炼大学生实践动手能力的比赛和项目, 创新是必不可少的我们在这次比赛主要的创新点有 : 1 在机械上精心设计, 实现了模块化的电路设计, 各个模块地装配也尽可能的降低了小车的重心 3 我们使用了无线串口作为调试工具, 可以在上位机上直观的看到传感器状态通过这样的锻炼, 我们得以在团队合作的氛围中, 充分体会到一个具体的工程实践项目从设计到实现, 再到运行调试的全部过程巩固和学习了理论知识, 也积累了不少的实践经验相信这些知识和经验在以后的学习和工作中会对我们有很大的帮助 35

40 报告致谢在这次智能车竞赛的准备过程中, 我们遇到了很多的困难与挑战从最初对车模结构的了解与摸索, 到对赛车跑动的算法设计, 以及对电路原理图的设计绘制与 PCB 的制作, 很多事物对我们是新的, 很多问题对我们来说是非常有挑战的, 我们自身的努力固然重要, 但是我们队各个难关的克服, 都离不开其他人的帮助我们要感谢始终支持我们工作的领导老师学长和同学, 是他们的帮助促成了我们这支队伍的成长, 并让我们进入了全国总决赛首先, 我们要感谢学校和信息工程学院领导的支持, 他们为我们提供了一个良好的实验室, 一个良好的工作环境, 还有进行试验所需的经费和各种物质条件没有他们提供的物质支持, 我们的工作将很难顺利进行我们还要感谢实验室陈东晓老师学院办公室战国科老师和教务处徐鎏老师, 感谢他们对我们工作的悉心指导, 他们为我们的工作提供了各种全新的思路, 为我们出谋划策, 并帮助我们制定了各种方案性的决策没有他们的指导, 我们的工作将会进展缓慢, 他们帮助我们形成了自己的核心竞争力其次, 我们还要感谢在实验室帮助我们克服各种困难的学长和实验室其他组别的同学特别是陆正辰学长向我们介绍了上一届成功的经验, 给我们很大的启发在车模结构和算法调试方面, 其他组别的同学帮我们解决了很多困难, 我们非常感谢他们本报告参考了大量文献资料, 最后, 向学术界的前辈们致敬! 36

41 告第十届飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛技术报参考文献 [1] 童诗白, 华成英. 模拟电子技术基础 [M]. 北京. 高等教育出版社.2000 [2] 数字电子技术基础 ( 第五版 ) 阎石主编, 高等教育出版社 2006 [3] 王晓明. 电动机的单片机控制 [M]. 北京. 北京航空航天大学出版社.2002 [4] 宗光华. 机器人的创意设计与实践 [M]. 北京. 北京航空航天大学出版社.2004 [5] 孙同景.Freescale 9S12 十六位单片机原理及嵌入式开发技术 [M]. 北京 : 机械工业出版社,2007. [6] 卓晴. 电磁组智能车调试方案 V2.0 [7] 第七届飞思卡尔智能车电磁组上海交通大学技术报告 [8] 第七届飞思卡尔智能车电磁组北京科技大学电磁一队技术报告 37

42 报告附录 : 程序源代码 /**************************** 初始化设备 **************************************/ void DeviceInit() SetBusCLK_96M(); ADC_Init(); Dly_ms(700); UART_Init(); PWM_Init(); PAInit(); speed_init(); PIT_init(); ATD0DIEN=0X06; servo_init(); //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// void main(void) DeviceInit(); EnableInterrupts; LCD_Fill(0xff);// 黑屏 Dly_ms(100); LCD_Fill(0x00);// 亮屏 Dly_ms(100); for(;;)

43 if(start_flag==0) keyset(); //// 串口发送 UART_EN 值为 0 加! 为发送 // #if (UART_EN) //OutPut_Data(); //#endif /***************************Timer 中断 ******************************/ void interrupt 66 PIT0(void) getspeed(); judge(); judge2(); speed_renew(); if(y_j_flag==1) Rampway(); RenZi_Distinguish(); servo_control(); motor_pwmout(); if(cc==0) RD_TSL(); cc=1;

44 else cc=0; PITTF_PTF0=1;// 清中断标志位

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第卷第期年月半导体学报! # $%&'%' $!&' #% #$1 /#1 $'! / ?/ ?/ / 3 0,?/ ) * +!!! '!,!! -. & ' $! '! 4% %&1)/1(7%&)03 (% ) 第卷第期年月!"# $%&'%' $!&'#%#$1/#1 $'! /18103 2?/03101?/18103 /3 0,?/0301.13 )*+!!! '!,!! -.&' $!'! 4%%&1)/1(7%&)03(%)%&,%*(1&0)%$-0*,%30)17*1*)0(+1(1+&1*+*),)1; &113(%44(10&.0701&0-&00*/)%;()1%-1+%&0)0*1*)%