基于单片机的智能小车的系统设计Word格式.docx
- 文档编号:16984463
- 上传时间:2022-11-27
- 格式:DOCX
- 页数:30
- 大小:727.07KB
基于单片机的智能小车的系统设计Word格式.docx
《基于单片机的智能小车的系统设计Word格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于单片机的智能小车的系统设计Word格式.docx(30页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
Controlalgorithm
1引言
1.1课题背景
近年来随着汽车工业的迅速发展,关于汽车的研究也就越来越受到大家的关注。
但当前的电动小汽车基本上采用的是基于纯硬件电路的一种开环控制方法,或者是直线行驶,或者是在遥控下作出的前进、后退、转弯、停车等基本功能,无法满足某些特殊场合下的智能化操作要求。
随着计算机、微电子、信息技术的快速进步,智能化技术的开发速度越来越快,智能度越来越高,广泛应用于海洋开发、宇宙探测、工农业生产、军事、社会服务、娱乐等各个领域。
当今机器人技术发展如火如荼,应用在国防等众多领域得到广泛开展。
在国外,全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目,本设计就是在这样的背景下提出的一个智能电动小车,本课题是依托于飞思卡尔智能车大赛光电组而展开的。
1.2智能技术国内外发展现状
我国对智能小车的研究开始于“八五”期间,在“九五”期间各方面技术得到了进一步的提高。
随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,智能控制技术必将得到更进一步的发展,并且传感器在其中所发挥的作用也日益重要。
因此,遥控加智能的技术研究、应用都是非常有意义而且有很高的市场价值的。
国外对智能车辆的研究始于20世纪50年代初,美国BarrettElectronics公司开发出的世界上第一台自动引导车辆系统(AutomatedGuidedVehicleSystemAGVS)。
由于智能小车能在那些人类无法工作的环境中工作,在世界科学界和工业设计界中,众多的研究机构正在研发智能车辆,该技术可以应用于无人驾驶机动车,无人生产线,仓库,服务机器人等领域。
1.3课题研究的任务
根据题目的要求,设计中应注意的原则:
重心尽可能低、体积尽可能小、驱动尽可能大、结构尽可能简单。
本设计智能小车系统由HCS12微控制器、电源管理单元、路径识别电路、车速检测模块、舵机控制单元和直流驱动电机控制单元组成。
本系统以飞思卡尔公司的16位微处理器MC9S12XS128为控制核心,并采用CodeWarrior软件编程和BDM作为调试工具。
运用激光发射强大光线,使用采集光敏传感器AD值进行道路信息采集,并采用PWM技术来控制舵机的转向和电机转速。
舵机控制主要采用PWM信号开环控制,而速度控制方面,由数据表来设定速度,PID控制来调整速度。
通过将总线频率超频到40M来更快更准确地进行控制。
各个部分经过MCU的协调处理,能够以较快的速度在指定的轨迹上行驶,在进弯道之前能够提前减速并改变角度,达到平滑过弯和减小路程的效果。
2整体设计方案
智能汽车以快速平稳为目标,这就要求智能车能够快速准确地检测跑道路径,及时做出合理的控制并迅速执行。
这与总体方案的确立有很大的联系。
2.1路径识别传感器的选定
路径识别模块是智能车系统的关键模块之一,路径识别方案的好坏,直接关系到最终性能的优劣,因此,选定黑线识别传感器模块是总体方案确立的首要步骤。
主要有以下几种识别方法:
(1)使用光电发射接收管来检测黑线:
光电发射管发射出光,经过赛道的反射回来,由于白色平面和黑线反射光强度不同,不同位置上的光电接收管接收到强弱不同的光,因此可以判断出黑线相对小车的位置。
这种检测的方法明显的优点是检测速度快,检测的方法简单,成本相对低廉。
但是比赛规定传感器不能超过16个,这样就限制了水平分辨率。
不能精确的分辨黑线的位置,同时也许垂直分辨率可能只有一线,不能很好的预测路径的走线。
总的来说使用这种方法优点很明显,缺点也很明显。
(2)使用图像传感器CCD来检测黑线:
图像传感器分为线阵和面阵两种。
线阵的图像传感器分辨率高,能克服光电传感器水平分辨率低的缺陷,但是检测速度较慢,且垂直分辨率只有一线。
面阵的图像传感器成象是一个平面,无论是水平分辨率还是垂直分辨率都很高,识别上具有很大的优势,可以做到提前预测路径,是最理想的路径检测传感器;
但是数据量比前两种方案都大很多,而且数据处理较为困难,大大加重了单片机的负担。
(3)使用磁传感器来检测黑线:
黑线下面部有电线,通电后会产生磁场,根据磁场场强大小和电线距离的关系,可以用磁传感器测出车体与黑线的相对位置。
这样检测稳定,但是磁场场强大小与电线距离有着较复杂的非线性关系,而且使用磁传感器无法做到很好的前瞻,这是对车速很大的限制。
比较了三种传感器优劣之后,决定选用应用广泛的光电传感器,相信通过选用大前瞻的激光传感器,加之优秀的程序控制和较快的信息处理速度,相信激光传感器可以极好的控制效果。
2.2系统总体框图
智能车系统采用飞思卡尔的16位微控制器MC9S12XS128单片机作为核心控制单元用于智能车系统的控制。
在选定系统采用光电传感器后,由安装在车前部的光电传感器负责采集信号,并将采集到的信号传入核心控制单元,核心控制单元对信号进行判别处理后,由内部ECT模块发出PWM波,分别对转向舵机、直流电机和制动电机进行控制,完成智能车的转向、前进和制动。
智能车驱动电机上安装有光电编码器,用来对车轮转速反馈信号的采取,经由核心控制单元进行专家PID控制算法自动调节输入到电机驱动模块的PWM波占空比,从而控制小车的速度。
另外,系统带有拨码开关选择程序的运行参数,还有液晶显示模块实时显示智能车的状态。
系统总体结构方框图如图2.1所示。
图1系统总体结构方框图
根据上面的方案设计,可知系统主要由以下几个部分组成:
(1)MC9S12X128主控制器。
系统采用80脚的MC9S12XS12L,该单片机具有ECT模块,2个SPI模块,8路16位计数器,4路外部事件触发中断输入端口,8路PWM,16路10位AD,转换时间约为3us;
(2)传感器模块。
使用一字线激光器发射强大光线,用13个光敏传感器采集路面信息,将信号反馈给控制单元,由控制单元判别黑线位置以控制车的速度、转向和制动;
(3)电机驱动模块和速度控制模块。
根据码盘反馈信号,用MOS管搭建的桥式驱动电路驱动电机的运转状态,形成闭环控制,对电机的速度机型准确快速的调节;
(4)转向控制模块。
根据路面信息,准确地控制转向舵机的转角;
(5)刹车模块。
使用伺服舵机构成刹车装置,使智能车在转弯时两轮差速,更及时地转向;
(6)人机交互模块。
我们使用拨码开关调整智能车的运行参数。
3硬件电路设计
硬件是系统的基础,为了给整个智能车系统提供一个稳定、可靠的硬件平台,遵循在满足要求的前提下,电路设计尽量简单的原则。
以期达到减少故障率、减少经费投入的目的。
按照系统整体方案系统框图,硬件电路设计采用模块化思想。
3.1MCU模块
飞思卡尔半导体公司的16位微控制器S12XS系列为S12XE系列精简版,与S12XE系列兼容。
包含了S12XV2CPU内核,S12XCPU@40MHz的总线速度,128K的FLASH且带有错误校正码(ECC),带有ECC的8KBRAM,一个含8个输入捕捉或输出比较通道的增强型捕捉定时器,2个8路10位转换时间可达3μs的模数转换器(ADC),1个8路的脉宽调制模块(PWM),支持控制区域网(CAN)、本地互联网(LIN)和串行外设接口(SPI)协议。
支持串口调试下载,支持μCOSⅡ,可提供各种基本的开发和调试功能。
该微控制器拥有9个输入输出端口。
其中两路模拟数字转换通道ATD0和ATD1(PAD0~PAD15)。
A口(PA0~PA7),以及B口(PB0~PB7),在一般模式下作为普通的输入/输出管脚。
但当微控制器运行于扩展模式下时,这两个端口则可用作外部地址和数据的复用总线。
E口(PE0~PE7)除了可以作为普通的输入/输出管脚外,有些管脚有第二功能:
PE0可以作为不可屏蔽中断请求输入;
PE1可以作为可屏蔽中断请求输入;
PE2在微控制器运行于扩展模式下时,可以作为外部总线的读写信号;
PE5、PE6可以作为微控制器运行模式的选择管脚;
PE7可以作为微控制器时钟产生方式的选择引脚。
J口(PJ6、PJ7)和M口(PM0~PM5)除了可以作为普通的输入/输出管脚外,也有其它的功能。
PJ6、PM4、PM2、PM0可用于CAN总线的接收管脚,而PJ7、PM5、PM3、PM1则是CAN总线的发送管脚,此外J口还可用于中断的输入。
P口(PP0~PP5、PP7)除了可以作为普通的输入/输出管脚外,还可用于脉宽调制(PWM)信号的输出,或者用于中断输入端。
S口(PS0~PS3)除了可以作为普通的输入/输出管脚外,还可作为串行异步通信的发送与接收管脚。
T口(PT0~PT7)除了可以作为普通的输入/输出管脚外,还可作为增强型捕捉定时器的捕捉输入或比较输出。
通过对智能车系统的整体分析可知,可利用MC9S12XS128提供的PWM模块产生PWM调制信号来控制转向舵机和电机驱动模块,通过定时器中断获取速度传感器的信息,使用通用I/O口获取循迹传感器的信息。
根据所设计的智能车系统自行设计了MC9S12XS128最小系统,力求简洁,由于只引出需要的端口,极大地减小了系统板的体积,更易于安装,连接示意图如图2
图2MCU最小系统方框图
该最小系统主要由以下几个部分组成:
(1)供电电路:
为微控制器提供稳定、纯净的5V直流电源。
(2)时钟电路:
为微控制器提供外界的16MHz石英晶振。
(3)复位电路:
设置专门的复位开关电路。
(4)BDM下载电路:
允许向微控制器下载程序,并可用来在线调试。
(5)状态指示灯:
设置了PROTB外接的调试程序用LED指示灯和电源指示灯。
3.2电源管理模块
智能车竞赛配发的标准车模用7.2V2000mAhNi-cd供电,而单片机、激光传感器、光电编码器等均需要5V电源,伺服舵机(包括前轮转向舵机和后轮刹车舵机)的额定工作电压为6V,直流电机可直接用7.2V电池直接供电。
5V稳压电源用于单片机、激光传感器模块、光电编码器模块供电,实验证明,用LM2940搭建成的5V稳压电路,给这些模块供电,能稳定地实现功能,且各个模块不会互相干扰,整个电路简单实用。
舵机稳压电源由LM2940组成的稳压电路提供,其输出电压可调(通过调节图中的10k电位器)。
由于转向舵机易烧坏,一般将稳压的电路输出调在4.5V~6V范围内较合适,电源模块的结构框图如图3所示
图3电源模块的结构框图
电源电路连接图如图4所示
图4电源电路连接图
3.3路径识别模块
作为智能车系统的“眼睛”,其重要性不言而喻。
智能车相对于道路的偏移量、方向以及道路的曲率等信息,是实现智能车沿赛道运动的数据基础。
获得更多、更远、更精确的赛道信息,是提高智能车运行速度的关键。
道路的检测方式有很多,通过性能与市场调查,本论文采用激光传感器作为道路的检测方式。
3.3.1光电传感器原理
光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。
光电式传感器工作时,先将被测量转换为光量的变化,然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化,从而实现非电量的测量。
光电式传感器的结构简单,响应速度快,可靠性高,能实现路径参数的非接触式测量。
光电传感器检测路面信息的原理是:
黑色物体与白色物体对光的吸收程度不同,导致两者的反射系数有很大差别。
由发射管发射一定波长的光,经地面反射到接收管,如图5所示。
由于光线在白色和黑色上反射系数不同,在黑色上大部分的光线被吸收,只反射回少量的光线,而白色上可以返射回大部分光线,所以接收管接收到的反射光强是不一样的,进而导致接收管的特性曲线发生变化的程度不同,而从外部观测可以近似认为接收管两端输出电阻不同,进而分压后的电压就不一样,就可以将黑白路面区分开来。
图5光电传感器原理
3.3.2传感器的选择
在了解光电传感器的原理后,下来就要选取合适的半导体激光发射器和光电式传感器。
要提高智能车的速度并保证在入弯时不至于冲出赛道,就必须增加传感器检测的范围,扩大其前瞻性,为控制系统后续处理争取时间,能及时减速并减小打舵延迟的问题。
路径检测可以使用独立的收、发器件,如RB635-30G3、HFX6015-200和HFD3403-302等。
也可以选用一体化的激光发射/接收器件。
在大量的实验后,确定使用独立的激光收发管。
所有的检测传感器成“一”字型排布。
发射部分由一个调制管发出180KHz频率的调制波后,经三极管放大,驱动激光管发光;
接收部分由一个相匹配180KHz的接收管接收返回的光线,经过电容滤波后直接接入S12XS微控制器中,检测返回电压的高低。
激光传感器使用调制处理,接收管只能接收相同频率的反射光,因而可以有效防止可见光对反射激光的干扰,其原理图如图6所示
图6激光传感器原理图
3.3.3激光传感器电路设计
激光接收管通过接收反射的调制光后会产生高低电平变化,从而可以反映出赛道上引导线的位置。
由于产生的直接就是S12XS可识别的TTL电平,所以可以大大简化检测电路。
在本论文中,选用了10个激光传感器(上排7个下排3个),上排二个发射一个接收,下排三个发射一个接收。
所有的传感器呈“一”字排布。
激光传感器由两部份构成,一部份为发射部份,一部分为接收部份。
发射部份由一个振荡管发出180KHz频率的振荡波后,经三极管放大,激光管发光;
接收部份由一个相匹配180KHz的接收管接收返回的光强,经过电容滤波后直接接入S12单片机的PT和PA检测返回电压的高低。
由于激光传感器使用了调制处理,接收管只能接受相同频率的反射光,因而可以有效防止可见光对反射激光的影响。
由于选用的是80脚的xs128,I/O口相对来说不充足,对激光传感器使用扫描方式,这样是避免相邻激光相互干扰,会造成一个激光发的光被其它几个接收管接收到,造成干扰。
使用3个I/O口控制74LS138,分别控制7组激光,每组两个相对较远激光发光,如一组:
0—7,二组:
1---8,三组2----9,四组3-----10,五组4----11,六组5---12,七组6---13。
也就是用三个I/O口控制14个激光扫描式发光。
扫描完就完成一个扫描周期,执行控制,对舵机和电机进行控制。
在调试中我们最终选用500HZ的扫描周期。
总的激光传感器电路连接图图如图7所示
图7激光传感器总电路图
3.4电机驱动的选型和电路设计
直流驱动电机控制电路主要用来控制直流电动机的转动方向和转动速度。
改变直流电动机两端的电压可以控制电动机的转动方向;
而控制直流电动机的转速,则有不同的方案,较常规的方法是采用PWM控制。
采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式,形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统,简称直流PWM调速系统,它的原理是:
直流电机的转动状态取决于加在电枢上的电压,电压的极性影响电机的转向,电压的大小影响电机的转速,通过微控制器输出不同占空比的方波来近似不同幅度的电压,以达到控制速度的目的。
通过比照,最终选择主办方提供的33886作为驱动芯片。
其特性有:
工作电压:
5-40V;
导通电阻:
120毫欧姆;
输入信号:
TTL/CMOS;
PWM频率:
<
10KHz;
具有短路保护、欠压保护、过温保护等。
MCU通过IN1引脚输入PWM波,以调节33886的DNC口的输出电压,调节电机转速的快慢,并且在IN2口输入电压以调节电机的反转和制动功能。
MC33886内部集成有两个半桥驱动电路,本设计中,因为只需控制小车前进的速度不需要控制运行电机反转,因此不需要采用全桥驱动运行电机。
为了增大电流驱动能力,将两个半桥并联使用并采用二片33886并联的方法。
这样使小车在启动的时候能获得瞬间较大的驱动电流从而使小车能获得较大的加速度。
这在比赛中的优势还是相当明显的。
这也解决了单片驱动芯片过烫的问题。
具体电路如图8所示
图8电机驱动电路
3.5速度测量模块
为了使得智能车能够平稳地沿着赛道运行,除了控制前轮转向舵机以外,还需要控制车速,使智能车在直道上能尽快加速并尽量避免在遇到弯道时因车速过快而产生过冲现象。
可以通过控制驱动电机上的平均电压控制车速,但是如果开环控制电机转速,会有很多因素(例如电机电压,电机传动摩擦力,道路摩擦力和前轮转身角等)影响电机转速,那么就不能灵活的根据智能车的实时速度进行精确调整,这样就降低了智能车的应变能力。
通过对智能车速度的检测,可以对车模速度进行闭环反馈控制,即可以消除上面各种因素的影响,使得车模运行得更精确。
在车轮没有打滑的情况下车速正比于驱动电机的转速。
车速检测就可以通过检测驱动电机的转速来实现。
电机转速的测量有很多方案,如光电传感器式、测速发电机、霍尔传感器和光电编码器等。
在考虑到测量精度、安装难度、传感器体积,还有智能车的稳定、可靠灵活等因素后,我们最终采用增量型测速编码器,体积小、重量轻,安装在电机齿轮上其转速与电机转速同步,通过MCU中的PT7口采集电机转速的脉冲信号,转动一圈采集115个脉冲,其电路图如图9所示,其中LM358起放大信号和比较信号的作用,其输出经上拉接至单片机的脉冲计数管脚PT7。
图9编码电路图
3.6转向舵机控制模块
对智能车进行方向控制,就是利用激光传感阵列提取出黑线位置信息,然后通过一定的控制策略,使智能车能够实时跟踪黑线走向,自动控制舵机带动前轮转向,完成自动寻迹行驶。
智能车在行驶的过程中是一个参数不定的系统。
一辆具有智能化的模型车必须能够根据赛道的特征将参数调整到最佳,以实现最优控制。
伺服马达内部包括了一个小型直流马达;
一组变速齿轮组,一个反馈可调电位器,及一块电子控制板。
其中,高速转动的直流马达提供了原始动力,带动变速(减速)齿轮组,使之产生高扭力的输出,齿轮组的变速比愈大,伺服马达的输出扭力也愈大,也就是说越能承受更大的重量,但转动的速度也愈低。
3.6.1舵机的控制
标准的微型伺服马达有三条控制线,分别为:
电源、地及控制。
电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的电能,电压通常介于4.8V—6V之间,该电源应尽可能与处理系统的电源隔离(因为伺服马达会产生噪音)。
甚至小伺服马达在瞬间堵转时也会拉低放大器的电压,所以整个系统的电源供应的比例必须合理。
输入一个周期性的正向脉冲信号,这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms—2ms之间,而低电平时间应在5ms到20ms之间,并不很严格,图10表示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂位置的关系。
图10舵机转角和控制信号的关系
如图10所示,舵机的转向是由PWM(PulseWidthModulation脉冲宽度调制)技术来进行实时控制的。
其工作过程是:
微控制器首先对光电接收管采集回来的信号进行处理,然后根据得到的不同的检测信号发出不同占空比的PWM控制信号给舵机,舵机在控制信号的作用下转动一定角度。
舵机的控制使用MC9S12XS128的PWM0与PWM1口级联成一个16位PWM输出,这样可以提高舵机精度,加大PWM信号控制范围。
在微控制器总线频率为24MHz的时候,设置级联的PWM周期常数为60000,对应PWM周期为20ms,PWM占空比常数为4500对应输出为1.5ms。
改变占空比常数可以改变输出脉冲的宽度。
3.7MC9S12XS12
- 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:
- 基于 单片机 智能 小车 系统 设计