山東交通學院-追影隊技術報告.doc
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第六屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能車競賽技術報告學 校: 山東交通學院 隊伍名稱: 追影隊 參賽隊員: 張燦旺 闕孝敬 劉海洋帶隊老師: 高樹文 關于技術報告和研究論文使用授權的說明本人完全了解第六屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能車邀請賽關于保留、使用技術報告和研究論文的規(guī)定,即:參賽作品著作權歸參賽者本人,比賽組委會和飛思卡爾半導體公司可以在相關主頁上收錄并公開參賽作品的設計方案、技術報告以及參賽模型車的視頻、圖像資料,并將相關內(nèi)容編纂收錄在組委會出版論文集中。參賽隊員簽名:張燦旺 闕孝敬 劉海洋帶隊教師簽名:高樹文 日 期: 2011-08-07目錄第一章 引言.51.1 智能車比賽背景.51.2智能車比賽意義.5第二章 智能車制作概述.62. 1 智能車制作情況概述.6 211 電路設計.6 212 機械設計.6 2. 1. 3 整個小車的控制策略:.6 2.2方案設計.6 22.1 系統(tǒng)總體方案選定.6 222 系統(tǒng)總體方案的設計.6 2. 3 智能車系統(tǒng)分析.7 2.4 智能車系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計.7 2.5 智能車系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設計.8第三章 機械結(jié)構(gòu)設計.83.1 智能車的整體結(jié)構(gòu) .8 3.2 前輪參數(shù)調(diào)整 .9 3.2.1 前輪定位.9 3.2.2定位參數(shù)調(diào)整方法.103.3 舵機安裝.10 3.3.1平躺式固定.103.3.2站立式固定.113.4 后輪差速機構(gòu)調(diào)整 .123.5 齒輪傳動機構(gòu)調(diào)整.123.6 車體重心調(diào)整.133.7 編碼盤安裝 .133.8 傳感器支架安裝與固.143.9 主控電路板結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié).15第四章 硬件系統(tǒng)設計.164.1 信號源模塊.164.1.1 震蕩電路.164.1.2 功率輸出電路.164.1.3 恒流控制.174.2電源模塊 .174.3 S12 單片機最小系統(tǒng).184.3.1 道路信息檢測的方.194.3.2 傳感器的選擇及電路設計.194.3.3 檢測方案的選擇.214.4 起跑線檢測模塊的設計.224.5 電機驅(qū)動模塊的設計.224.6測速模塊.23第五章軟件結(jié)構(gòu)設計.245.1 軟件處理流程.245.2 模塊初始化.245.3速度控制算法與彎道控制策略.255.4 舵機控制.27第六章 軟件調(diào)試.286.1 開發(fā)環(huán)境CodeWarrior5.0調(diào)試.28第七章 總結(jié).297.1車模整體特征.297.2 模型車的主要技術參數(shù).29參考文獻.30源程序代碼.31第一章引言 1.1 智能車比賽背景 受教育部高等教育司委托(教高司函2005201 號文),高等學校自動化專業(yè)教學指導分委員會主辦的“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車邀請賽是在飛思卡爾公司資助下以HCS12單片機為主控微控制器芯片的模型車體的基礎上進行設計,制作出具有自主道路識別能力的智能汽車,是教育部主辦的全國大學生五大競賽之一。 該賽事下設秘書處,掛靠在清華大學,競賽是以“立足培養(yǎng),重在參與,追求卓越”為指導思想,以智能汽車為競賽平臺的多學科專業(yè)交叉的創(chuàng)意性科技性競賽,是面向全國大學生的一種具有探索性的工程實踐活動,旨在促進高等學校素質(zhì)教育發(fā)展,培養(yǎng)大學生的綜合知識運用能力、基本工程實踐能力和創(chuàng)新意識,激發(fā)大學生從事科學研究與探索的興趣和潛能,倡導理論聯(lián)系實際、求真務實的學風和團隊協(xié)作的人文精神。 全國大學生智能汽車競賽與己舉辦的全國數(shù)學建模、電子設計、機械設計、結(jié)構(gòu)設計四大專業(yè)競賽不同,是以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景,涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多個學科交叉的科技創(chuàng)意性比賽。參賽選手須使用競賽秘書處統(tǒng)一指定并負責采購競賽車模,采用飛思卡爾半導體提供的8位、16位微控制器作為核心控制單元,自主構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)設計,包括傳感器信號采集處理、控制算法及執(zhí)行、電機驅(qū)動、轉(zhuǎn)向舵機控制等,完成智能汽車工程制作及調(diào)試,于指定日期與地點參加場地比賽。參賽隊伍之名次(成績)由賽車現(xiàn)場成功完成賽道比賽時間為主,技術方案及制作工程質(zhì)量評分為輔來決定。賽車在大賽組委會提供的統(tǒng)一賽道上行駛,跑完一圈后在終點線三米內(nèi)停下,中途不得沖出賽道,即算完成比賽,以計時器成績?yōu)樽罱K成績;如果賽車中途有兩個車輪或以上沖出賽道則取消本次成績。該賽事分為三個組別,分別是攝像頭組、光電組和電磁組,其中電磁組是本屆比賽新增的組別,可以說智能車的發(fā)展在不斷的創(chuàng)新下前景一片光明。1.2 智能車比賽意義 該賽事下設秘書處,掛靠在清華大學,競賽是以“立足培養(yǎng),重在參與,追求卓越”為指導思想,以智能汽車為競賽平臺的多學科專業(yè)交叉的創(chuàng)意性科技性競賽,是面向全國大學生的一種具有探索性的工程實踐活動,旨在促進高等學校素質(zhì)教育發(fā)展,培養(yǎng)大學生的綜合知識運用能力、基本工程實踐能力和創(chuàng)新意識,激發(fā)大學生從事科學研究與探索的興趣和潛能,倡導理論聯(lián)系實際、求真務實的學風和團隊協(xié)作的人文精神。 智能車的制作是一個需要團隊分工協(xié)作并花大量時間學習摸索和分析設計的過程,在制作的過程中,從最初對飛思卡爾單片機的學習,再到智能車模型的雛形初現(xiàn),最后到各個模塊的優(yōu)化,我們每一個隊員都付出了很大的努力,但是收獲的財富卻遠是書本學習無可比擬的。 第二章 智能車制作概述2. 1 智能車制作情況概述211 電路設計飛思卡爾智能車電磁組電路板主要分為主系統(tǒng)板和傳感器板兩大類。本車在主控板上的主要采用的是H橋電機驅(qū)動從性能和擴展性上優(yōu)于集成驅(qū)動器方案。傳感器板設計著重考慮提高傳感器的前瞻量和信號的抗干擾能力。212 機械設計在機械方面上,我們主要是對舵機的安裝,傳感器布局和固定,前輪定位,后輪差速調(diào)節(jié)進行了深入的研究。21.3 整個小車的控制策略以MCU 為核心,通過電磁傳感器探知引導線所在的位置,并作一定的前瞻。小車在行駛時,通過光電編碼器得到計數(shù)脈沖,并由MCU 分析處理算出速度。MCU 根據(jù)輸入的信息,作出分析處理,控制舵機轉(zhuǎn)角及驅(qū)動電機的速度。 2. 2方案設計22.1 系統(tǒng)總體方案選定 通過學習競賽規(guī)則和往屆競賽相關技術資料了解到,路徑識別模塊是智能車系統(tǒng)的關鍵模塊之一,路徑識別方案的好壞,直接關系到最終性能的優(yōu)劣,因此確定路徑識別模塊的類型是決定智能車總體方案的關鍵。我們采用的是 8*10 10mh工字電感作為路徑識別傳感器。我們知道前瞻距離越大,越能提早檢測到彎道,提前轉(zhuǎn)彎,解決了舵機的延遲作用,但是太遠的前瞻亦會引起賽道的錯誤識別,導致走錯賽道等等問題。因此我們通過多次試驗制作出合適的傳感器距離。2. 2. 2系統(tǒng)總體方案的設計 在選定智能車系統(tǒng)采的上述傳感器方案后,賽車的位置信號由車體前方的電磁傳感器采集,經(jīng)S12 MCU的I/O口處理后,用于賽車的運動控制決策,同時內(nèi)部ECT模塊發(fā)出PWM波,驅(qū)動直流電機對智能車進行加速和減速控制,以及伺服電機對賽車進行轉(zhuǎn)向控制,使賽車在賽道上能夠自主行駛,并以最短的時間最快的速度跑完全程。為了對賽車的速度進行精確的控制,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,經(jīng)MCU捕獲后進行PID自動控制,完成智能車速度的閉環(huán)控制。 2.3 智能車系統(tǒng)分析在滿足大賽要求的前提下,設計的智能小車應具有良好的自主道路識別能力和穩(wěn)定性,并能以較快的速度行駛。因此,智能小車系統(tǒng)的設計主要包括以下兩部分:1、完成智能小車控制器的硬件電路設計,根據(jù)大賽要求,調(diào)整和改進智能車模的機械結(jié)構(gòu),最大限度的發(fā)揮小車的性能。2、結(jié)合軟件算法,使小車轉(zhuǎn)向準確、穩(wěn)定,能夠安全通過各種彎道和十字交叉路口。在保證智能車可靠運行的前提下,電路設計盡量簡潔緊湊,以減輕系統(tǒng)負載,提高智能車的靈活性,同時應充分發(fā)揮創(chuàng)新原則,以簡潔但功能完美為出發(fā)點,并以穩(wěn)定性為首要前提,實現(xiàn)智能車快速運行。作為能夠自動識別道路運行的智能汽車,信息處理與控制算法至關重要,主要由運行在單片機中的控制軟件完成。因此,控制軟件的設計是智能車的核心環(huán)節(jié)。2.4 智能車系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計經(jīng)過分析整個智能車系統(tǒng),可知系統(tǒng)完成的功能如圖2.1 所示。圖2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖其中MC9S12XS128 是系統(tǒng)的控制核心。它負責接收賽道信息、小車速度等反饋信息,并對這些信息進行處理,得到合適的控制量來對舵機與驅(qū)動電機進行控制。舵機模塊和電機驅(qū)動分別用于實現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向和驅(qū)動。電源管理模塊主要為單片機及路徑識別電路、轉(zhuǎn)向舵機、后輪驅(qū)動電路三大部分提供穩(wěn)定的直流電源。路徑識別模塊由傳感器、外圍電路和S12 的AD 模塊組成,其功能是獲取前方賽道的信息,以供S12 作進一步分析處理。速度檢測模塊由傳感器、外圍電路和S12 的脈沖計數(shù)模塊組成,通過檢測賽車的實時車速為賽車的車速控制提供控制量。2.5 智能車系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設計如果說系統(tǒng)硬件對于智能車來說是它的骨架和軀體,那么軟件算法就是它的靈魂。軟件算法的優(yōu)劣直接體現(xiàn)了智能車輛 “智商”的高低。所以軟件系統(tǒng)對于智能車來說至關重要。首先,賽車系統(tǒng)通過路徑識別模塊獲取引導導線的位置信息,同通過速度檢測模塊實時獲取賽車的速度。利用賽車與黑線位置的偏差和檢測到的實時車速,結(jié)合模糊控制PID 策略對賽車的舵機角度和行進速度進行恰當?shù)目刂普{(diào)整,使賽車在符合比賽規(guī)則情況下沿賽道快速前進。前輪定位包括主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角和前輪前束四個內(nèi)容。車輪定位的作用是使汽車保持穩(wěn)定的直線行駛和轉(zhuǎn)向輕便,并減少汽車在行駛中輪胎和轉(zhuǎn)向機件的磨損。(1)主銷內(nèi)傾角 從車前后方向看輪胎時,主銷軸向車身內(nèi)側(cè)傾斜,該角度稱為主銷內(nèi)傾角。當車輪以主銷為中心回轉(zhuǎn)時,車輪的最低點將陷入路面以下,但實際上車輪下邊緣不可能陷入路面以下,而是將轉(zhuǎn)向車輪連同整個汽車前部向上抬起一個相應的高度,這樣汽車本身的重力有使轉(zhuǎn)向車輪回復到原來中間位置的效應,因而舵機復位容易。 此外,主銷內(nèi)傾角還使得主銷軸線與路的靈魂。軟件算法的優(yōu)劣直接體現(xiàn)了智能車輛 “智商”的高低。所以軟件系統(tǒng)對于智能車來說至關重要。首先,賽車系統(tǒng)通過路徑識別模塊獲取引導導線的位置信息,同通過速度檢測模塊實時獲取賽車的速度。利用賽車與黑線位置的偏差和檢測到的實時車速,結(jié)合模糊控制PID 策略對賽車的舵機角度和行進速度進行恰當?shù)目刂普{(diào)整,使賽車在符合比賽規(guī)則情況下沿賽道快速前進。第三章 機械結(jié)構(gòu)設計 車模的機械部分是影響其行駛性能最直接的部分,其重要性不言而喻。一個不良的機械系統(tǒng)會增加控制的難度,會為車模的速度提升帶來障礙。因此,車模的機械性能應該是優(yōu)先考慮的問題。 本模型車機械設計的部分主要包括, 前輪參數(shù)調(diào)整、后輪差速機構(gòu)調(diào)整、齒輪傳動機構(gòu)調(diào)整、舵機安裝調(diào)整、傳感器模塊位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、主控電路板安裝結(jié)構(gòu)、測速模塊安裝。3.1 智能車的整體結(jié)構(gòu)此次比賽選用的賽車車模采用1/10 的仿真車模。賽車機械結(jié)構(gòu)只使用競賽提供車模的底盤部分及轉(zhuǎn)向和驅(qū)動部分??刂撇捎们拜嗈D(zhuǎn)向,后輪驅(qū)動方案。具體車模數(shù)據(jù)如下:軸距200mm前輪距135mm后輪距145mm車長285mm車寬16.3cm車輪直徑65mm傳動比26:78圖 3.13.2 前輪參數(shù)調(diào)整 3.2.1 前輪定位調(diào)試中發(fā)現(xiàn),在賽車過彎時,轉(zhuǎn)向舵機的負載會因為車輪轉(zhuǎn)向角度增大而增大。為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機負載,對前輪的安裝角度,即前輪定位進行了調(diào)整。 前輪定位包括主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角和前輪前束四個內(nèi)容。車輪定位的作用是使汽車保持穩(wěn)定的直線行駛和轉(zhuǎn)向輕便,并減少汽車在行駛中輪胎和轉(zhuǎn)向機件的磨損。(1)主銷內(nèi)傾角 從車前后方向看輪胎時,主銷軸向車身內(nèi)側(cè)傾斜,該角度稱為主銷內(nèi)傾角。當車輪以主銷為中心回轉(zhuǎn)時,車輪的最低點將陷入路面以下,但實際上車輪下邊緣不可能陷入路面以下,而是將轉(zhuǎn)向車輪連同整個汽車前部向上抬起一個相應的高度,這樣汽車本身的重力有使轉(zhuǎn)向車輪回復到原來中間位置的效應,因而舵機復位容易。 此外,主銷內(nèi)傾角還使得主銷軸線與路圖3.2 前輪前束示意圖雖然車模的主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角和前束等均可以調(diào)整,但是由于車模加工和制造精度的問題,以及調(diào)試過程出現(xiàn)的系統(tǒng)和人為誤差,我們最終只調(diào)節(jié)了前輪外傾和前束,而最終達到很好的效果,如圖3.3。 圖3.3前輪前束3.2.2 定位參數(shù)調(diào)節(jié)方法行駛跑偏:兩側(cè)主銷的傾角不一致時,那側(cè)主銷后傾角小就向哪側(cè)跑偏。兩側(cè)車輪外傾角不一致時,那側(cè)前輪外傾角大就向那側(cè)跑偏。舵機的兩根橫拉桿沒有等量調(diào)整,那根長就往那側(cè)跑偏。前輪前束值誤差過大會造成行駛跑偏。包容角:前輪外傾角和主銷內(nèi)傾角的和。車輪定位造成的轉(zhuǎn)向重:先檢查和調(diào)整前輪前束或?qū)⒅麂N后傾角加大轉(zhuǎn)彎半徑的大小主要取決于轉(zhuǎn)向角和軸距。如同時需要調(diào)轉(zhuǎn)彎半徑和前輪前束,必須先調(diào)前輪前束,因為條前輪前束會改變轉(zhuǎn)彎半徑,調(diào)轉(zhuǎn)彎半徑不會改變前輪前束。 3.3 舵機安裝調(diào)整 舵機是賽車轉(zhuǎn)向的驅(qū)動裝置,其性能的好壞直接關系到賽車的轉(zhuǎn)向性能和 彎道的極限速度。而舵機的固定方式也在一定程度上決定了比賽的成敗。舵機轉(zhuǎn)向是整個控制系統(tǒng)中延遲較大的一個環(huán)節(jié),為了減小此時間常數(shù),通過改變舵機的安裝位置,而并非改變舵機本身結(jié)構(gòu)的方法可以提高舵機的響應速度。下面介紹兩種方案,分別分析其性能。 3.3.1平躺式固定 這種固定方式是車模上舵機的原安裝方式. 優(yōu)點: 1)重心底,接近地盤,有利于車模的穩(wěn)定。 2) 兩臂前輪不等長,有利于車模的轉(zhuǎn)彎。(這里糾正一點誤區(qū),很多人認為前輪的兩臂等長最好,其實不然。如果你是汽車專業(yè)的話 你就會明白他的原理,汽車上的轉(zhuǎn)向都是一邊長一邊短的,轉(zhuǎn)向時內(nèi)側(cè)是要比外側(cè)的轉(zhuǎn)角要大,才有助于轉(zhuǎn)向的。) 缺點: 1)在舵機和角度調(diào)節(jié)頭之間有介子作為受力緩沖作用的。但這在比賽中會延緩前輪的反應時間。最好用AB膠將其固定死。 2)舵機的力臂太短。相比后兩種固定方式,舵機在相同的轉(zhuǎn)角下,前輪轉(zhuǎn)角會小得多,這在比賽中是很不利的。因為舵機轉(zhuǎn)角是需要時間的,這樣就延緩了前輪的轉(zhuǎn)動效率。 3.3.2站立式固定 這種固定方式是舵機豎立在車身中間位置。用兩等長的前輪拉桿住鏈接前輪。 優(yōu)點: 1)力臂長,前輪的反應速度是平躺式的三倍左右(由于力臂的長度會有所不同,力臂越長,反應越快)。這里請注意一點,力臂過長可能導致力矩不足,反而導致前輪轉(zhuǎn)不到位。因此設計時就要綜合考慮轉(zhuǎn)向機構(gòu)響應速度與舵機力矩之間的關系,通過優(yōu)化得到一個最佳的轉(zhuǎn)向效果。建議力臂在3.5-4cm之間。 2)兩拉桿軸是等長的,所以車的左右轉(zhuǎn)是相同的。這里說明一點,兩拉桿軸是等長并不和上述“轉(zhuǎn)向都是一邊長一邊短”相矛盾。因為我們的最終目地是使車模在轉(zhuǎn)向時,內(nèi)側(cè)前輪要比外側(cè)的轉(zhuǎn)角要大。當舵機轉(zhuǎn)動力臂時,由于力臂的尾端是按曲線運動的,導致兩前輪的轉(zhuǎn)角不同,內(nèi)側(cè)前輪要比外側(cè)的轉(zhuǎn)角要大。缺點: 使車模車頭整體重心過高,影響車模的穩(wěn)定性!經(jīng)測試,由于舵機固定的比較穩(wěn)定,此方案對小車的穩(wěn)定性影響幾乎為零。 分析舵機控制轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向的原理可以發(fā)現(xiàn),在相同的舵機轉(zhuǎn)向條件下,轉(zhuǎn)向連桿在舵機一端的連接點離舵機軸心距離越遠,轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向變化越快。這相當于增大力臂長度,提高線速度。針對上述特性,我們改變了舵機的安裝方式,選擇了站立式安裝,將舵機立起來安裝在車的中軸線上,使得左右兩輪的力臂一樣大,有利于轉(zhuǎn)向。為了提高前輪的反應速度以及根據(jù)實際情況和多種因素考慮我們采用了站立式,如圖3.4。圖3.4舵機安裝示意圖3.4 后輪差速機構(gòu)調(diào)整 差速機構(gòu)的作用是在車模轉(zhuǎn)彎的時候,降低后輪與地面之間的滑動;并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會損害到電機。當車輛在正常的過彎行進中 (假設:無轉(zhuǎn)向不足亦無轉(zhuǎn)向過度),此時4 個輪子的轉(zhuǎn)速(輪速)皆不相同,依序為:外側(cè)前輪外側(cè)后輪內(nèi)側(cè)前輪內(nèi)側(cè)后輪。此次所使用車模配備的是后輪差速機構(gòu)。差速器的特性是:阻力越大的一側(cè),驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速越低;而阻力越小的一側(cè),驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速越高以此次使用的后輪差速器為例,在過彎時,因外側(cè)前輪輪胎所遇的阻力較小,輪速便較高;而內(nèi)側(cè)前輪輪胎所遇的阻力較大,輪速便較低。差速器的調(diào)整中要注意滾珠輪盤間的間隙,過松過緊都會使差速器性能降低,轉(zhuǎn)彎時阻力小的車輪會打滑,從而影響車模的過彎性能。好的差速機構(gòu),在電機不轉(zhuǎn)的情況下,右輪向前轉(zhuǎn)過的角度與左輪向后轉(zhuǎn)過的角度之間誤差很小,不會有遲滯或者過轉(zhuǎn)動情況發(fā)生。3.5 齒輪傳動機構(gòu)調(diào)整 車模后輪采用直流電機驅(qū)動,由競賽主辦方提供。電機軸與后輪軸之間的傳動比為 26 :78(電機軸齒輪齒數(shù)為26,后輪軸傳動輪齒數(shù)為78)。齒輪傳動機構(gòu)對車模的驅(qū)動能力有很大的影響。齒輪傳動部分安裝位置的不恰當,會大大增加齒輪噪音和減少齒輪壽命以及電機驅(qū)動后輪的負載,從而影響到最終成績。調(diào)整的原則是:兩傳動齒輪軸保持平行, 齒輪間的配合間隙要合適,過松容易打壞齒輪,過緊又會增加傳動阻力,浪費動力,增加噪音;傳動部分要輕松、順暢,不能有遲滯或周期性振動的現(xiàn)象。判斷齒輪傳動是否良好的依據(jù)是,聽一下電機帶動后輪空轉(zhuǎn)時的聲音。聲音刺耳響亮,說明齒輪間的配合間隙過大,傳動中有撞齒現(xiàn)象;聲音悶而且有遲滯,則說明齒輪間的配合間隙過小,或者兩齒輪軸不平行,電機負載變大。調(diào)整好的齒輪傳動噪音很小,并且不會有碰撞類的雜音,后輪減速齒輪機構(gòu)就基本上調(diào)整好了,動力傳遞十分流暢。3.6 車體重心調(diào)整 車體重心位置對賽車加減速性能、轉(zhuǎn)向性能和穩(wěn)定性都有較大影響。重心調(diào)整主要包括重心高度和前后位置的調(diào)整。理論上,賽車重心越低穩(wěn)定性越好。因此賽車各部件的安裝高度都盡量貼近底盤,如圖3.5。圖3.5主控板安裝示意圖除此之外,車輛重心前后方向的調(diào)整,對賽車行駛性能也有很大的影響。根據(jù)車輛運動學理論,車身重心前移,會增加轉(zhuǎn)向,但降低轉(zhuǎn)向的靈敏度(因為大部分重量壓在前輪,轉(zhuǎn)向負載增大),同時降低后輪的抓地力,影響加減速性能;重心后移,會減少轉(zhuǎn)向,但增大轉(zhuǎn)向靈敏度,后輪抓地力也會增加,提高加減速性能,通過多次調(diào)試證明車輛重心盡量靠前,因此,我們?yōu)榱藢⒅匦谋M量前移改變了舵機的安裝位置,如圖3.6圖3.6舵機位置安裝示意圖3.7 編碼盤安裝本次設計中速度傳感器采用的是上海遠征公司生產(chǎn)的YZ30D-4S-2NA-100編碼器。它由5-24V的直流供電。速度傳感器用螺釘固定在鋁片上,鋁片固定在后輪支架上,這樣固定好之后,就有了較高的穩(wěn)定性。安裝效果如圖3.73.7 安裝效果如圖3.8 傳感器支架安裝與固定 傳感器固定采用一字型的固定方式,支架可升降,因而可根據(jù)需要隨時對傳感器的高度進行調(diào)整,從而達到最佳效果,給平時的調(diào)試工作帶來了很大的方便。其結(jié)構(gòu)如圖3.8所示。圖3.8 傳感器固定方式3.9 主控電路板結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié) 為了降低車子重心,電路板安裝在小車的靠近前輪的底板上,同時使小車整體比較簡潔、美觀。實物圖如圖3.9所示圖3.9 主控電路板第四章 硬件系統(tǒng)設計根據(jù)本次大賽的特點,智能車的電路設計方案主要包括:電源模塊,道路信息檢測模塊,測速模塊,電機驅(qū)動模塊,舵機驅(qū)動模塊,遙控器紅外接收等。此次電磁組是第一次出現(xiàn)在比賽中,而以往的只有光電組與攝像頭組,因此在傳感器的選型與設計是重點應解決的。在比賽之初,通過分析研究往屆優(yōu)秀隊伍的技術報告,并結(jié)合自身的實際情況,設計提出了自己的硬件電路設計方案。4.1 信號源模塊根據(jù)組委會要求,競賽車模需要能夠通過自動識別賽道中心線位置處由通有100mA 交變電流的導線所產(chǎn)生的電磁場進行路徑檢測。信號源電路包括振蕩電路、功率輸出電路、恒流控制電路以及電源等組成。根據(jù)技術要求,設計方案如圖4.1 4.1.1 震蕩電路產(chǎn)生中心頻率為 20KHz 的對稱方波信號。為了滿足功率輸出電路的需要,一般輸出極性相反的信號??梢允褂闷胀ǖ?55 時基電路產(chǎn)生振蕩信號,也可以使用簡易的單片機產(chǎn)生振蕩信號。為了方便調(diào)試,信號頻率能夠在一定范圍內(nèi)進行調(diào)整。4.1.2 功率輸出電路由于輸出驅(qū)動信號電壓、電流、頻率較大,需要一定輸出功率驅(qū)動跑道線圈,因此最后需要功率輸出電路??梢圆捎梅至⒋蠊β示w管搭建輸出電路,也可以使用的電機驅(qū)動橋電路集成模塊。選擇時需要注意電路的頻率響應應該大于20KHz,輸出功率大于2W,在制作時需要注意電路的散熱。4.1.3 恒流控制恒流電路控制輸出電流在 100mA 左右穩(wěn)定,不隨著電源的變化而發(fā)生波動。根據(jù)比賽規(guī)則的要求,恒流輸出控制不需要特別的精確。一般要求不高的情況下可以使用限流電阻控制電流的穩(wěn)定,也可以利用晶體管的在放大區(qū)集電極的恒流特性進行控制。4.2 電源模塊電源模塊為系統(tǒng)其它各個模塊提供所需要的電源,可靠的電源方案是整個硬件電路能夠穩(wěn)定可靠運行的基礎。設計中,除了要考慮到額定電壓和額定電流等基本參數(shù)之外,還要在電源轉(zhuǎn)換效率、低噪聲、抗干擾等方面進行優(yōu)化處理。電源模塊容易造成相互干擾,尤其是電機在啟動時需要較大的電流,很容易對其它模塊,特別是傳感器檢測方面造成一定干擾。因此,在設計中需要注意將各個模塊供電電源分開。為了減小各模塊見的相互干擾,我們采用了三片LM2940 供電,其中一片LM2940 為單片機單獨提供一個5V 的電源,以絕對保證單片機的穩(wěn)定,一片LM2940為舵機單獨提供一個5V的電源,另一片為傳感器單獨提供一個5v的電源。常用的電源有串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源(LM2940、7805 等)和開關型穩(wěn)壓電源(LM2596、LM2575 等)兩大類。串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源具有紋波小、電路結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點,但是效率較低,功耗大; 開關型穩(wěn)壓電源功耗小,效率高,但電路卻比較復雜,電路的紋波大。傳感器根據(jù)型號選擇適當?shù)姆€(wěn)壓芯片,這里同樣選擇了用LM2940 穩(wěn)壓,提供5V 電源。電源模塊電路如圖4.1所示:圖4.1電源模塊電路4.3 S12 單片機最小系統(tǒng)因為在電路設計過程中發(fā)現(xiàn)xs128單片機(80引腳)的所有的引腳不是都會被用到,所以使用了汽車及芯片MAA(64引腳),而且這塊板子的大小可以減小很多,所以質(zhì)量更為輕便。圖3.5 HC9S12XS128MAA實物圖圖3.7 HC9S12XS128MAA 原理圖4.3.1 道路信息檢測的方式大賽根據(jù)車模檢測路徑方案不同分為電磁、光電與攝像頭三個賽題組。車模通過感應由賽道中心電線產(chǎn)生的交變磁場進行路徑檢測的屬于電磁組;車模通過采集賽道圖像(一維、二維)進行路徑檢測的屬于攝像頭組;車模通集賽道上少數(shù)孤立點反射亮度進行路徑檢測的屬于光電組。CCD(攝像頭)的優(yōu)點是檢測前瞻距離大、檢測范圍寬、檢測道路參數(shù)多,缺點是電路設計復雜,要視頻信號同步分離,且工作電壓高于電池電壓,需要升壓電路,增加了車身的重量。光電組通過紅外發(fā)光管發(fā)射紅外線照射跑道,跑道表面與黑線具有不同的反射強度,落在黑線區(qū)域內(nèi)的光電二極管接收到的反射光線強度比白色的賽道的要弱,由此判斷黑線的位置。這種檢測方法具有較高的可靠性和穩(wěn)定性,且電路計比較簡單,檢測信息快,信號處理速度快。但這種方法對道路參數(shù)檢測精度低,易受到外界光線的干擾,且檢測距離有限。此次我們參加的是電磁組,根據(jù)比賽技術要求,電磁組競賽,需要選手設計的智能車能夠檢測到道路中心線下電線中20KHz 交表電流產(chǎn)生的磁場來導引小車沿著道路行駛。在平時調(diào)試和比賽過程中需要能夠滿足比賽技術要求的20KHz 的交流電源驅(qū)動賽道中心線下的線圈。而我們的首要任務就是做出交流電源,根據(jù)秘書處提供的參考方案我們使用555 產(chǎn)生20KHz 振蕩信號,電機驅(qū)動橋電路集成模塊L298 組成功率輸出電路,成功的制作出了100mA20KHz 的交流電源。4.3.2 傳感器的選擇及電路設計根據(jù)麥克斯韋電磁場理論,交變電流會在周圍產(chǎn)生交變的電磁場。導線周圍的電場和磁場,按照一定規(guī)律分布。通過檢測相應的電磁場的強度和方向可以反過來獲得距離導線的空間位置,從而達到控制小車的目的?,F(xiàn)在我們有很多測量磁場的方法,磁場傳感器利用了物質(zhì)與磁場之間的各種物理效應:磁電效應(電磁感應、霍爾效應、磁致電阻效應)、磁機械效應、磁光效應、核磁共振、超導體與電子自旋量子力學效應。下面列出了一些測量原理以及相應的傳感器:(1) 電磁感應磁場測量方法:電磁線磁場傳感器,磁通門磁場傳感器,磁阻抗磁場傳感器。(2) 霍爾效應磁場測量方法:半導體霍爾傳感器、磁敏二極管,磁敏三極管。(3) 各向異性電阻效應(AMR)磁場測量方法。(4) 載流子自旋相互作用磁場測量方法:自旋閥巨磁效應磁敏電阻、自旋閥三極管磁場傳感器、隧道磁致電阻效應磁敏電阻。(5) 超導量子干涉(SQUID)磁場測量方法:SQUID 薄膜磁敏元件。(6) 光泵磁場測量方法:光泵磁場傳感器。(7) 質(zhì)子磁進動磁場測量方法。(8) 光導纖維磁場測量方法。以上各種磁場測量方法所依據(jù)的原理各不相同,測量的磁場精度和范圍相差也很大。為了選擇合適檢測方法,除了檢測磁場的精度之外,還需要對于檢測磁場的傳感器的頻率響應、尺寸、價格、功耗以及實現(xiàn)的難易程度進行考慮。考慮到成本、精度等因素后我們決定選擇組委會推薦的最為傳統(tǒng)的電磁感應線圈的方案。它具有原理簡單、價格便宜、體積?。ㄏ鄬π。㈩l率響應快、電路實現(xiàn)簡單等特點,適合于初學者快速實現(xiàn)路經(jīng)檢測的方案。按照組委會推薦方案,我們同樣選擇了10mH 工字型電感,比賽選擇 20kHz的交變磁場作為路徑導航信號,在頻譜上可以有效地避開周圍其它磁場的干擾,因此信號放大需要進行選頻放大,使得20kHz 的信號能夠有效的放大,并且去除其它干擾信號的影響。 可以使用 LC 并聯(lián)電路來實現(xiàn)選頻電路,電路諧振頻率為20KHz,由此可計算出諧振電容為:下圖4.5為組委會推薦方案電路圖:圖4.5放大檢波電路由于實驗環(huán)境不同,為了適應我們放置傳感器的的高度,經(jīng)過不斷實驗調(diào)整, 重新選定了部分參數(shù),但是三極管放大電路的放大倍數(shù)任然是個難以解決的問題,一級放大的倍數(shù)較小,輸出電壓可能達不到單片機檢測的要求,兩級放大又會存在信號失真的現(xiàn)象,經(jīng)過一段時間的測試我們還是選定了一級放大,最終電路圖如下圖4.6 所示。圖4.6 傳感器電路4.3.3 檢測方案的選擇通過實驗發(fā)現(xiàn)磁芯電感比色環(huán)電感的靈敏度高,內(nèi)阻小的電感比內(nèi)阻大的電感靈敏度高。但并不是內(nèi)阻越小的電感越好,因為小內(nèi)阻電感通常使用更粗的漆包線,勢必會增加電感的重量,從而影響小車的性能。最終我們選用了第二種電感,該電感重量較輕且性能令人滿意。諧振電容的選擇:市售的6.8nf 的電容種類較少,經(jīng)過比較后我們使用了校正電容。通過實驗發(fā)現(xiàn)該種電容在20Khz諧振時具有不錯的性能,下圖為實測的LC 諧振產(chǎn)生的波形(H=10cm):圖4.8 LC 諧振波形放大電路方案的選擇:我們使用NPN 三極管C1815 搭建了單管共射極放大電路,該方案電路簡潔且能夠取得令人滿意的效果。該方案原理圖如下所示: 圖4.9 三極管放大電路整流電路:三極管集電極輸出的是交流信號,需要將它轉(zhuǎn)為直流信號送入單片機AD 轉(zhuǎn)換接口。我們利用濾波電容的儲能特性采用峰值檢波電路,如圖下所示:圖4.10 倍壓檢波電路4.4起跑線檢測模塊的設計我們采用干簧管檢測起跑線,當干簧管靠近磁鐵時便會吸合,我們使用4個干簧管呈H 型排列,以提高檢測的可靠性。經(jīng)驗證此種檢測方法簡單可靠。4.5電機驅(qū)動模塊的設計電機驅(qū)動模塊采用4 片BTS7960 并聯(lián)的驅(qū)動方案。BTS7960 芯片開頭頻率可以達到25kHz,可以很好地解決MC33886 和VNH3SP30 驅(qū)動芯片使電機噪聲大和發(fā)熱的問題,同時驅(qū)動能力有了明顯的提高,響應速度快。同時該芯片價格相對低廉,有不錯的性價比。其在較小的電路板空間占用的情況下為大電流保護的PWM 電機驅(qū)動提供了一種成本優(yōu)化的解決方案。完全符合本速度控制系統(tǒng)的要求。按照官方資料推薦的電路參數(shù)設計了如下BTS7960 驅(qū)動電路,該電路由兩片BTS7960 并聯(lián)組成,兩個電路在并聯(lián),外圍電路十分簡單只需要一些電阻和電容,這大大簡化設計過程。設計的電路原理圖如圖4.11 所示。圖4.11 BTS7960 電路圖其直接由7.2V 電池電源供電,由單片機輸入的兩路PWM 控制信號和兩路芯片使能信號,在該電池電壓下大約能輸出高達20A 的電流供給電機,驅(qū)動能力十分強勁。據(jù)此電路制作出了PCB 電路板,經(jīng)過實車測試,驗證了改驅(qū)動方案的是完全優(yōu)秀可靠的。4.6測速模塊速度檢測使用100 線的光電編碼器,每旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)100 個脈沖,實測脈沖波形如圖所示。圖4.13 編碼器脈沖波形該光電編碼器傳動齒輪與電機的具有相同的齒數(shù),也就是電機每轉(zhuǎn)動一圈,該編碼器也旋轉(zhuǎn)一圈,根據(jù)它和后輪的傳動比,后輪每轉(zhuǎn)動一圈編碼器就輸出一定的脈沖數(shù),通過單片機檢測此脈沖數(shù)即可以獲知某個時刻的小車的速度值。第五章 軟件結(jié)構(gòu)設計5.1 軟件處理流程系統(tǒng)初始化讀取道路信息處理道路信息并得到相關參數(shù)根據(jù)參數(shù)選擇算法執(zhí)行舵機與電機圖5.1.1 軟件設計總流程圖模型車在直道上的速度相差不是很大,在彎道上的比拼才是整個比賽的重點,因此如何優(yōu)化彎道的算法才是整個控制算法的關鍵。5.2 模塊初始化我們處理器初始化如下模塊:鎖相環(huán)模塊、基本輸入輸出模塊、ECT中斷捕獲、PWM模塊、PTI實時時鐘模塊、脈沖計數(shù)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、中斷優(yōu)先級管理模塊和定時器部分。鎖相環(huán)設置,我們采用的是MC9S12XS128核心,這個核心的標準總線工作頻率是40Mhz,但是在測試發(fā)現(xiàn)這個芯片能比較安全超頻工作在88Mhz的頻率上??紤]到我們所有的處理基本都是采用軟件實現(xiàn),處理器同一時間要完成采集、處理、控制三個任務,并且這三個任務使用中斷并行工作,故將芯片的總線頻率設定在了64Mhz?;据斎胼敵瞿K,串行通信模塊,ECT中斷捕獲初的設置,我們使用PA、PH兩個接口作為了策略設置接口接撥碼開關,設置包括速度設定,傳感器測試,閥值設定以及一些賽場控制策略。PB接口用于狀態(tài)指示燈。PWM模塊用于產(chǎn)生電機驅(qū)動,和舵機驅(qū)動信號,電動機PWM工作頻率為10Khz,舵機的更新頻率為300Hz。ECT具有8個輸入(IC)/輸出(OC)比較通道,可以通過設置TIOS寄存器選擇輸入或輸出比較功能。ECT既可以作為一個時基定時產(chǎn)生中斷,也可以用來產(chǎn)生控制信號。 通過ECT模塊,我們實現(xiàn)了對脈沖進行計數(shù),檢測智能車的速度,對速度進行閉環(huán)控制。 5.3速度控制算法與彎道控制策略 模型車平穩(wěn)地行駛是本次比賽的基本要求,但這并不意味著這是最簡單的要求,因為速度控制的好壞直接影響整車的許多方面,比如直道的速度提升,轉(zhuǎn)彎速度(甚至影響了模型車的打滑程度),導致彎道速度總是無法提升,特別容易打滑,根本原因就是速度控制算法處理不當造成的。首先使用的是速度算法是位置式的PID算法,PID控制是工程實際中應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律。問世至今70多年來,它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。PID調(diào)節(jié)是Proportional(比例),Integral(積分),Differential(微分)三者的縮寫,是一種過程控制算法,就是對誤差信號(采樣信號與給定信號的差)通過比例,積分,微分的運算后的結(jié)果作為輸出控制信號,來控制所要控制的對象。比例調(diào)節(jié)作用:是按比例反應系統(tǒng)的偏差,系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差,比例調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大,可以加快調(diào)節(jié),減少誤差,但是過大的比例使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用:是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高誤差度。當有誤差時,積分調(diào)節(jié)就進行,直至無誤差,積分調(diào)節(jié)停止,積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間Ti,Ti 越小,積分作用就越強。反之Ti 大則積分作用弱,加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,動態(tài)響應變慢。微分調(diào)節(jié)作用:微分作用反應系統(tǒng)偏差信號的變化率,具有預見性,能預見偏差變化的趨勢,因此能產(chǎn)生超前的控制作用,在偏差還沒有形成之前,已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此,可以改善系統(tǒng)得動態(tài)性能。在微分時間選擇合適的情況下,可以減少超調(diào),減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用,因此過強的加微分調(diào)節(jié),對系統(tǒng)抗干擾不利。單位反饋的PID控制原理框圖如圖5.2.1:contorllerplantReuY圖5.2.1 PID算法框圖單位反饋e代表理想輸入與實際輸出的誤差,這個誤差信號被送到控制器,控制器算出誤差信號的積分值和微分值,并將它們與原誤差信號進行線性組合,得到輸出量u。 (公式1)公式1中,Kp、Ki、Kd分別稱為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。u接著被送到了執(zhí)行機構(gòu),這樣就獲得了新的輸出信號,這個新的輸出信號被再次送到感應器以發(fā)現(xiàn)新的誤差信號,這個過程就這樣周而復始地進行。PID各個參數(shù)作用基本介紹:增大微分項系數(shù)可以加快動態(tài)系統(tǒng)響應,但容易引起震蕩。一般增大比例系數(shù)能夠減小上升時間,但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。增大積分系數(shù)能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差,但會使瞬時響應變差。增大微分系數(shù)能夠增強系統(tǒng)的穩(wěn)定特性,減小超調(diào),并且改善瞬時響應。增量型算法與位置型算法相比,具有以下優(yōu)點: (a) 增量型算法不需要做累加,控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關,計算誤差或計算精度問題,對控制量計算影響較小。而位置型算法要用到過去的誤差的累加值,容易產(chǎn)生大的累加誤差。 (b) 增量型算法得出的是控制量的增量,誤動作影響小,必要時通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出,不會嚴重影響系統(tǒng)的工作,而位置型算法的輸出是控制量全量輸出,誤動作影響大。 (c) 采用增量型算法,易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。圖5.2.2 PID算法流程圖對于經(jīng)典的PID算法,經(jīng)過將近一個星期的摸索,仍然不能很好地控制好速度,后來又改為增量式的PID算法,可效果還是平平,增量式的PID算法公式2如下: (公式2)在一般PID中,當有較大的擾動或者大幅度的改變給定值時,由于此時有較大的偏差,以及系統(tǒng)有慣性和滯后,故在積分項作用下,往往會產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間的波動??刹捎梅e分分離的措施:同時,因長時間出現(xiàn)偏差或偏差較大,計算出的控制量有可能溢出,或小于零。因此必須指定控制量的上下限。 最后決定在經(jīng)典的PID算法中,加入最簡單的bang-bang算法。算法思想如下:在直道時采用PID算法,同時設定速度的上下限,使速度不至于加減速太過。設定上限速度就是直道極限速度,下限速度就是直道最安全速度,這樣設定保證直道既高速又安全地運行。彎道控制最重要的前提是不能側(cè)滑,增大防側(cè)滑力是最根本的方法。由于使用的是速度閉環(huán),在入彎道時速度肯定會減低,此時因為速度閉環(huán)的原因,會產(chǎn)生一個很大的力(即前文所說的F2),來提高前進速度,根據(jù)前面的分析,F(xiàn)2的增加必然導致防側(cè)滑力F3的減小,造成模型車過彎側(cè)滑,但如果在過彎時暫時不使用速度閉環(huán),那么就不會增大F2,防側(cè)滑力F3也就增加了。因此,在彎道中暫時屏蔽了速度閉環(huán),采用簡單的bang-bang算法,當雙排傳感器都從黑線的一邊偏離時,零占空比輸出,否則的話滿占空比輸出。公式3如下:(公式3)解決了側(cè)滑問題,的過彎速度大大提高。當從直道入彎道時,為保證平穩(wěn)入彎,還必須設定一個入彎安全速度,經(jīng)過反復的實驗,設計比賽規(guī)則中最大彎道安全速度為入彎安全速度。實際流程圖如圖5.2.3:圖5.2.3 直道彎道控制流程圖5.4 舵機控制舵機控制采用PD控制,其中P為變化的量:servo=Pa+Pd(公式4)公式4中servo為舵機輸出量,a為偏離量,P為比例系數(shù),Pd為微分系數(shù),d為微分項,其中比例系數(shù)是變化的。當發(fā)現(xiàn)偏離量在增大時,即上次的動作沒有很好的補償偏差,此時應增大比例系數(shù)P。反之,若現(xiàn)在偏離量在減小,且偏離量小于一定值,此時應減小比例系數(shù)P,此時為向直道走或者在直道上,同時,若發(fā)現(xiàn)偏離量在0的兩邊抖動時,應減小比例系數(shù),減小震蕩。而加入微分變化量可以很好的解決由直道進彎道和由彎道切彎道舵機反應不過來的問題,加入微分啟動了一定- 配套講稿:
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