第五届飞思卡尔杯智能汽车竞赛决赛广东技术师范学院飞虎队技术报告.docx
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第五届飞思卡尔杯智能汽车竞赛决赛广东技术师范学院飞虎队技术报告
第五届“飞思卡尔”杯全国大学生
智能汽车竞赛
技术报告
学校:
广东技术师范学院
队伍名称:
飞虎队
参赛队员:
黎翔庚陈永基连焕雄
带队教师:
杨永李玉忠
关于技术报告和研究论文使用授权的说明
本人完全了解第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛关于保留、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:
摘要
本文主要介绍了飞虎队队员在准备第五届Freescale智能汽车大赛过程中的工作成果。
本智能车系统设计以MC9S12XS128处理器为核心,通过CMOS摄像头采集赛道数据,用以检测智能车的运动位置和运动方向,采用光电编码器检测速度,PID控制算法调节电机的速度和舵机的方向,完成对智能车的基本控制。
智能车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。
在调试软件的辅助下,进行大量的数据采集和实验,最终确定各项控制参数。
关键字:
智能车,MC9S12XS128,CMOS摄像头,PID
第一章引言
1.1智能车发展历程
智能车的发展是从自动导引车(AutomaticGuidedVehicle,AGV)起步的。
AGV是指装有电磁或光学等自动导引装置,能够沿规定的导引路径行驶,具有安全保护及各种移栽功能的运输车辆。
1913年,美国福特汽车公司首次将有轨导引的AGV代替输送机用到底盘装配上。
1954年,英国采用在地板下埋线,组成了电磁感应导向的简易AGVS。
AGVS(AutomaticGuidedVehicleSystem)是指自动导引车(AGV)和地面导引系统组成的、进行物料搬运等作业的光机电一体化的系统。
1955年,英国研制出了在生产线上实用的AGVS。
1959年,在美国首先出现了应用AGV的自动化仓库。
1982年,德国出现了第一辆无人叉车。
1985年,计算机通讯。
识别技术应用于AGVS。
在国内,北京起重机械研究所于1976年研制出了我国第一台AGV。
1991年起,中科院沈阳自动化研究所研制了客车装配AGV系统。
随着科学技术的发展,许多新技术都应用到AGV或AGVS上。
例如,激光技术的应用使AGV实现虚拟路径的导航和安全保护;无线局域网的应用使AGV的调度实时性更强,是AGV调度技术的一场革命;现场总线的应用使AGV的可靠性和可维护性得到提高,RFID的应用使AGV与地面系统的信息交互量更大。
自适应性更强。
同时,随着智能交通系统研究的深入,无人驾驶智能车辆的研究也越来越受到人们的关注
1.2智能车大赛介绍
全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平台上,使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块,通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件,制作一个能够自主识别道路的模型汽车,按照规定路线行进,以完成时间最短者为优胜。
智能汽车的行驶控制一直以来是自动化、汽车等学科研究的目标,首届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车大赛以邀请赛的方式使更多的学校和同学有了探索的机会。
现在历经四届,每一届都较前一届无论是速度还是稳定性都有新的突破。
大学生智能模型车竞赛是在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以HCS12单片机为核心的大学生课外科技竞赛。
组委会将提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池,参赛队伍要制作一个能够自主识别路线的智能车,在专门设计的跑道上自动识别道路行驶,谁最快跑完全程而没有冲出跑道,谁就是获胜者。
为了追求小车的高速和稳定的目的,人们对人工智能与机器人技术,汽车技术,自动控制技术各方面都进行了更广泛、更深入的层面展开研究,这样无疑对学术研究和生产应用都有很强的实际意义。
比赛涉及到的专业知识有自动控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科,对学生的知识融合和实践动手能力的培养有重大的意义,对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高,具有良好的长期推动作用
该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方,成功举办了四届,得到了教育部吴启迪副部长、张尧学司长及理工处领导、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170余所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。
2008年第三届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9个科技人文竞赛之一(教高函[2007]30号文,附件2),2009年第四届被邀申请列入国家教学质量与教学改革工程资助项目
1.3比赛规则
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套件,采用飞思卡尔半导体公司的8位、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,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,参加全国决赛区的场地比赛。
参赛队伍之名次(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。
大赛分为光电、摄像头与电磁三个赛题组,在车模中使用透镜成像进行道路检测方法属于摄像头赛题组。
竞赛秘书处制定如下比赛规则适用于各分赛区预赛以及全国总决赛。
在实际可操作性基础上力求公正与公平参与。
秘书处将邀请独立公证人监督现场赛事及评判过程。
第二章整车设计思路
2.1系统硬件设计思路
通过总结以往各届比赛经验和各个参赛队伍的技术方案,我们首先确定了我们硬件设计方向与思路。
正确的硬件设计方向与思路,是系统稳定可靠的基础,功能强大的硬件系统,更为软件系统的发挥提供了强大的平台。
整车低重心设计。
通过以往几届比赛的经验我们看到,往往重心低,体积小巧,布局紧凑的赛车更能取得好的成绩。
通过汽车理论与现实中的竞速类比赛我们也可以看到,凡是竞速类的赛车均是低重心设计。
于是,我们通过合理布局电路板和各种传感器,尽可能地降低整车重心。
在不影响传感器前瞻,或者不过度牺牲传感器性能的情况下,尽量降低摄像头高度,以提高赛车的侧翻极限。
整车电路集成化,模块化设计。
使系统有良好的扩展性,可升级性,维护性好。
大前瞻,高分辨率方案。
在摄像头的安装不影响赛车行驶的前提下,尽可能的提高传感器前瞻,更大的前瞻,能为赛车提供更多的信息,更能让赛车稳定的取得好成绩。
2.2系统软件设计思路、
系统的软件方面,我们首先要考虑的因素就是要保证赛车的稳定性。
系统硬件是整个智能车系统的基础,软件设计是在系统硬件的基础上构造和制定的,我们的软件包括了以下几个子模块:
(1)系统初始化与硬件接口
(2)图像处理与黑线提取
(3)路径识别
(4)采集智能车的速度
(5)PID控制算法对舵机和电机进行反馈控制
图2-1系统硬件结构图
第三章机械结构设计与实现
系统硬件设计可以说是整个智能车设计的基础和重中之重。
3.1舵机的安装
为了提高舵机的响应速度,可以考虑延长舵机的摆臂。
在正常情况下,车轮从最左侧转到最右侧,舵机需要转动50°。
而将摆臂伸长之后,车轮从最左侧转到最右侧,舵机只需要转动30°。
从理论上讲,这样可以在舵机性能一定的情况下,为了在不影响舵机正常驱动能力的前提下提高车轮转向的响应速度。
但是摆臂伸长过多,会因摆臂过长而转向力不足。
并经过经验总结,我们的摆臂长定为1.5cm。
舵机的安装方式有很多种,通过大量的试验表明舵机竖着安装,在受力还是在转向方面都是比较有优势。
还有车在直线行驶状态下的车轮定位参数尤其是前束值会发生变化,这时需要稍微调整两根转向拉杆的长度,我们的拉杆的长度调为将近等长的,有利于转角对称性,并将前束值调整至合理的范围内。
摆臂加长后,舵机空行程会明显减小,但是差别不大,通过程序微调舵机最大转角能够修正,所以可以忽略。
如图3-1所示:
图3-1舵机的安装
3.2编码器的安装
编码器的安装位置我们有两种方案:
第一种如3-2图所示
图3-2编码器的安装A
方案一优点是安装方便快捷,但由于齿轮箱的差速作用,不能很好地反映小车的行走速度,不能明显的体现速度PID算法的优势。
第二种如图3-3所示
图3-3编码器的安装B
方案二优点是这种安装方法反映的是小车的真实行走速度,受其他因素干扰小,能明显的体现速度PID算法的优势,但它的制作相对比较复杂。
3.3对B车机构的调校
B车冗杂的打角机构,不仅消耗了舵机的力矩,使舵机的力不能很好的作用到前轮的打角上,而且这也是使舵机产生回流,导致容易烧坏舵机甚至烧坏芯片的原因。
且由于打角的不对称性,使小车左转与右转的不协调,在程序上也是很难修正的。
因此我们大量精简了打角机构。
B车底盘材质也是提速的关键因素所在,在改造之前,底盘不协调出现变形,严重影响打角的协调性,困扰提速的关键因素所在。
因此我们尤其对底盘特殊待遇,用两根铝条进行搭架加固。
3.4传感器的安装
摄像头支架的固定在智能车机械机构调整中有极为重要的作用。
摄像头支架的安装高度及角度决定了视场范围,该视场范围应保证有足够大的前瞻距离和尽可能小的失真。
同时,还应考虑到采集到的图像的分辨率,即应保证视场最前端黑线宽度在采集到的图像中占至少2~3个像素,否则,很容易出现干扰导致黑线提取错误。
摄像头安装的位置与车模的前瞻量以及视野宽度也有直接关系,所以摄像头安装的位置应同时考虑到机械性能的需要和图像的要求。
我们采用了好几种镜头2.4mm,3mm,3.6mm,6mm这四种规格的进行比较,发现3.6mm的镜头较适合我们的小车。
因为我们要保证有效数据离车最近一行要足够的宽,且离车的前端要尽可能的近!
下表是各种镜头的在同一位置上测得的各种参数。
镜头直径(mm)
离车最近一行宽度(cm)
离车前端的距离(cm)
视频信号的突变性
2.4
45.0
3.0
较大
3.0
40.0
10.0
大
3.6
38.0
15.0
小
6.0
30.0
20.0
较小
从上表得出的数据再结合车的走法,我们最终选了3.6mm的镜头。
将摄像头架在车身中间偏后的位置,我们使用了较轻的碳纤维管作为支架,高度为30cm。
这个高度是根据摄像头视频的突变性来定的。
下图是我们小车的支架。
图3-4摄像头的安装示意图
3.5车体重心的调整
重心高度调整可合理设计摄像头支架,同时通过增加垫片来降低底盘高度;前后重心调整可调整摄像头支架安装位置、舵机位置、电路板位置及编码器安装位置,甚至可以适当配重来使车体重心调整到中间偏后的位置。
为保证智能车高速入弯时不发生翻车事故,重心越低越好。
所以,选择摄像头时选择比较轻的,摄像头支架材料及规格也要加以考虑,电路板的摆放也尽可能低。
关于重心前后位置的调整,根据汽车理论,车体重心前移,会增加转向,但降低转向的灵敏度,同时降低后轮的抓地力;重心后移,会减少转向,但增大转向灵敏度,后轮抓地力也会增加。
通过大量实验,我们发现:
将车体重心调整到中间偏后的位置,智能车的各项性能均较好。
第四章智能车系统硬件设计与实现
4.1摄像头的选型及相关参数说明
4.1.1CCD图像传感器与CMOS图像传感器比较
图像传感器根据感光原理可以分为CCD图像传感器和CMOS图像传感器。
根据信号输出形式又可以分为模拟信号输出与数字信号输出。
下面分别就图像传感器的这几种类型进行简单的讨论。
CCD摄像头的优点是图像质量高,动态性能好。
缺点是素元颗粒大,体积大,能耗高(往往需要12VDC升压电路),需要外围电路控制,且无法和外围信号处理电路集成。
但是因其成像质量较CMOS好的原因,高端照相机,摄像机等对图像质量要求较高的设备往往使用CCD图像传感器。
CMOS的缺点是图像质量较CCD差,动态性能不是很好。
但CMOS的优点是像素元颗粒小,体积也小,像素阵列可以和信号处理器集成在一起,由于集成了内部信号处理器,所以可以设置参数,故CMOS芯片一般可以直接同步输出数字信号和时序信号。
CMOS图像传感器的图像质量虽然较CCD的差,但是并没有影响到智能车的控制或者说没有严重到不可克服的程度。
而通过上文介绍,我们知道CMOS传感器相较于CCD有着以下的优点:
1CMOS图像传感器功耗小,一般只需5V电压即可工作,甚至有3.3V型号,相较与CCD动辄12V的输入需求相比,CMOS传感器的电源与系统大多数芯片和控制电路相兼容,无需额外升压电路,无形中简化了电路,提高了可靠性。
CMOS图像传感器由于体积,所以可以将感光阵列与信号处理电路集成在一起。
比如AD,时序信号分离电路等。
这样最大的优点就算是CMOS摄像头
一般可以直接输出并行数字信号与时序信号,无需额外AD转换和专门的时序分离电路。
由于集成了信号处理电路,CMOS摄像头还可以通过I2C/SCCB总线进行参数设置,如调整亮度,对比度,图像开窗等等。
通过综合考虑,我们最终选择了一款CMOS彩色图像传感器OV5116作为我们的主传感器。
4.1.2OV5116基本结构与相关参数
图4-1OV5116图像传感器
其性能特点有:
(1)单芯片1/4尺寸。
(2)5V操作电压。
当晶振Y1为13.5MHz,R9-ON时摄像头为PAL制式50Hz,最高像素为352×288;
当晶振Y1为12.288MHz,R9-OFF时摄像头为NTSC制式60Hz,最高像素为
320×240;
R8R5
OFFOFF普通模式
ONOFF手动调节背光模式
OFFON自动调节背光模式1
ONON自动调节背光模式2
R15AGC×4
R14AGC/AEC快速模式使能
R12边缘增强使能
R13关闭灰度系数校准功能
R10镜像模式使能
R7AGC×8(只在R15为ON时起作用)
R2N50模式
R4关闭自动亮度调节
R9PAL制式/NTSC制式选择
R1/R3调节亮度水平
R633欧电阻
R111M电阻
R2、R4、R5、R7、R8、R9、R10、R12、R13、R14、R15均为10K电阻,用户
可以根据自己的需要配置摄像头。
输出接口定义:
镜头面有7引脚从左到右分别为BURST色同步信号,VS场同
步信号,HS行同步信号,ODEV奇偶场识别信号,AV信号输出,GND,+5V。
4.2电路总体结构
考虑到车模重量分配的合理,我们的电路板需要做得更加紧凑。
我们将电路做在三大PCB板上,用来合理的搭配车身重量的分配。
考虑到S12核心板要占据一定的空间,我们决定将S12核心板等弱电部分放置在一块PCB板上,将电源供电的电路做在一块PCB板上。
以上两块板叠加一起放置在车的右边远离了电机,使芯片工作不受电机发热的影响,又合理分配重量。
驱动电路做在一块PCB板上放置在车身左侧,强弱电分做在不同的PCB上,一方面便于拆装,同时也便于电路的升级换代。
4.3整车电路设计
全车的电源、电源芯片、以及对应的用电器材图4-2为电源总体框架和电源实物图:
图4-2电源总体框架
4.4电源管理模块
电源模块对于一个控制系统来说极其重要,关系到整个系统是否能够正常工作,因此在设计控制系统时应选好合适的电源。
智能车使用用7.2V2000mAhNi-cd供电,而单片机系统、路径识别的图像传感器、光电码编码器等均需要5V电源,伺服电机工作电压范围4V到6V(为提高伺服电机稳定性,采用6V供电),直流电机驱动可以使用电池直接供电,智能车电压调节电路示例见图4-3。
图4-3电源模块原理图
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。
由于LM2940的稳压的线性度非常好,所以选用两块LM2940-5分别对其进行供电。
我们采用7806稳压6V对伺服舵机供电,经过一段时间的试用,效果还是不错的,且电路简单又足够稳定,因此选用7806稳压6v
4.5驱动电路
目前大电流直流电机多采用达林顿管或MOS管搭制H桥PWM脉宽调制,因此体积较大;另一方面,由于分立器件的特性不同,使得驱动器的特性具有一定的离散性,此外,由于功率管的开关电阻比较大,因此功耗也很大,需要功率的散热片,这无疑进一步加大了驱动体的体积。
且用四块MOS管搭制的H桥成本也比较高,效果且没有集成芯片搭制的H桥好。
集成驱动芯片有飞思卡尔半导体公司推出的全桥驱动芯片MC33886或33887、意法半导体公司推出的去桥驱动芯片VNH3SP30、英飞凌公司推出的高电流PN半桥驱动芯片BTS7960。
组成H桥驱动电路有三种方案
4.5.1方案1:
采用两片33886驱动
由于MC33886的导通电阻比较大,产生了较大的压降,使芯片容易发热,为了增强其驱动能力利用多块33886并联使用,如图4-4所示:
图4-4两片33886的驱动电路
该接法降低了MOS管的导通内阻,增大了驱动电流,可以起到增强驱动能力、减小芯片发热的作用,但是起始频率受限,电机噪声大且发热严重。
4.5.2方案2:
用两块VNH3SP30
该芯片是大电流功率集成芯片,有一个双单片上桥臂驱动器和两个下桥臂驱动开关,允许在一个芯片内集成一个功率场效应MOS管和智能信号/保护电路。
它的驱动电路原理图如图4-5所示:
该方法的一个显著优点是芯片不会发热,且保护功能强大,但是存在开关频率限10kHZ,电机噪声大且电机容易发热,且芯片昂贵成本高。
图4-5两片VNH3SP30的驱动电路
4.5.3方案3:
采用两块BTS7960
如图所示,采用2个半桥智能功率驱动芯片BTS7960组合成一个全桥驱动器,驱动直流电机转动。
BTS7960是电机驱动的大电流半桥集成芯片,他带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。
P沟道高边开关省去了电荷泵的需求,因而减少了电磁干扰。
集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和超温、过压、欠压、过流及短路保护功能。
BTS7960的通态电阻典型值为16m欧姆,驱动电流可达43A,调节SR引脚外接电阻的大小可以调节MOS管导通和关断时间,具有防电磁干扰功能。
IN引脚用于确定哪个MOSFET导通。
当IN=1且INH=1时,高边MOSFET导通,输出高电平;当IN=0且INH=1时,低边MOSFET导通,输出低电平。
通过对下桥臂开关管进行频率为25kHZ的脉宽调制(PWM)信号控制BTS7960的开关动作,实现对电机的正反向PWM驱动、反接制动、能耗制动等控制状态。
这块芯片开关频率可以达到25kHZ,可以很好地解决电机噪声大和发热的问题、同时驱动能力有了明显的提高,相应速度快。
但是,电机变速时会使电源电压下降10%左右,控制器等其他电路容易产生掉电危险,从而使整个电路系统瘫痪。
图4-6BTS7960的内部连接图
图4-7为该芯片的封装图:
图4-7BTS7960封装图
表4-1为BTS7960各管脚连接:
表4-1为BTS7960各管脚连接
我们在开始阶段试过方案1用MC33886两片并联,但发现MC3386内阻大,发热快,驱动效果差。
我们也试了方案2用2块VNH3SP30的驱动电路,在使用过程中发现VNH3SP30且很容易烧掉。
工作不是很稳定,抗干扰能力不是很强。
最终我们选择了方案3,使用两片英飞凌公司的BTS7960芯片即可构成全桥。
该芯片具有自我保护能力,抗电子干扰能力强,且对环境的适应哪里较强。
图4-8为驱动电路:
图4-8驱动电路
利用两片BTS7960,可以使驱动模块做得很小。
减轻了电路板的重量。
用了BTS7960之后驱动芯片不再发热,而是电机发热。
为此我们在电机上面加了个散热片。
4.6串行通讯接口电路
串行通讯接口电路的作用是使得ECU可以与PC机的RS-232串行接口连接并进行通讯。
RS-232是异步串行通信中应用最早,也是目前应用最为广泛的标准串行总线接口之一,它有多个版本,其中应用最广的是修订版C,即RS-232C。
RS-232原是基于公用电话网的一种串行通信标准,推荐的最大电缆长度为15m(50英尺),即传输距离一般不超过15m。
图4-9串口通讯电路
4.7电池维护/放电器模块
镍镉电池虽然具有可持续大电流放电的优点,但是不合理的电池使用习惯往往会导致镍镉电池过快损坏。
比如放电不完善会使电池产生记忆效应,过度充电或过度放电同样也会导致电池损坏。
小则影响比赛成绩甚至导致赛车运行过程中频繁复位,大则会导致电池爆裂,出现危险。
由于比赛组委会提供的电池充电器为简易式充电器,无充满检测也无放电功能,导致电池在充电前往往得不到充分的放电。
为了更好地维护电池避免记忆效效应,我们自行设计了大功率大电流放电器。
图4-10放电器
通过配以大功率放电电阻和功率器件,最终实现了本放电器能以1A电流持续放电。
当电池电压低于6V时,该放电器会报警并自动停止放电。
第五章智能车系统软件设计
5.1S12单片机简介
根据大赛规则要求,核心控制模块可以采用组委会提供的HCS12模块,也可以选用飞思卡尔公司8位、16位系列微控制器(单核,例如不允许使用MC9S12X系列)芯片自制控制电路板。
每台模型车的电路板中只允许使用一种型号微控制器。
8位微控制器最多可以使用2片,16位微控制器限制使用1片;不得同时使用8位和16位微控制器。
我们最终采用的是飞思卡尔公司的MC9S12XS128芯片作为智能车的主控芯片。
MC9S12XS128是以CPU12内核为核心的16位单片机,片内存储器有128KB的Flash、14KB的RAM和4KB的EEPROM。
片内包含2路SCI、3路SPI、5路CAN1路I2C等通讯模块,有16路10位AD模块,8路8位PWM模块和8路16位定时器模块。
5.2系统模块介绍及系统初始化
我们使用了MC9S12XS128单片机的PWM模块来驱动电机与舵机,ECT模块来测速和捕捉终端,AD模块来采集加速度传感器信号和进行电压监测。
SPI模块与无线监控调试模块通信,SCI模块做有线通信,I2C模块与图像传感器通信,再加上并行图像数据的数据线,键盘扫描控制线,最终几乎占用了单片机的大多数引脚和常用功能。
图5-1系统功能模块
5.3摄像头的工作原理
摄像头的工作原理是:
按一定的分辨率,以隔行扫描的方式采集图像上的点,当扫描到某点时,就通过图像传感芯片将该点处图像灰度转换成与灰度一一对应的电压值,然后将此电压值通过视频信号端输出。
具体而言(参见图5-1),摄像头连续地扫描图像上的一行,则输出就是一段连续的电压信号,该电压信号的高低起伏反映了该行图像灰度变化。
当扫描完一行,视频信号端就输出一个低于最低视频信号电压的电平(如0.3V),并保持一段时间。
这样相当于,紧接着每行图像信号之后会有一个电压“凹槽”,此“凹槽”叫做行同步脉冲,它是扫描换行的标志。
然后,跳过一行后(摄像头是隔行扫描的),开始扫描新的一行,如此下去,直到扫描完该场的视频信号,接着会出现一段场消隐区。
该区中有若干个复合消隐脉冲,其中有个远宽于(即持续时间远长于)其它的消隐脉冲,称为场同步脉冲,它是
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