北京科技大学光电平衡组一队技术报告Word格式.docx
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在本次比赛中,本组使用大赛组委会统一提供的竞赛车模,采用飞思卡尔32位微控制器MK60DN256ZVLL10作为核心控制单元,自主构思控制方案及系统设计,包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、舵机控制等,最终实现一套能够自主识别路线,并且可以实时输出车体状态的智能车控制系统。
在制作小车的过程中,我们对小车的整体构架进行了深入的研究,分别在机械结构、硬件和软件上都进行过改进,硬件上主要是考虑并实践各种传感器的布局,改进驱动电路,软件上先后进行了几次大改,小车的寻线方式采用适应性较强的优化的位置加权的方法。
控制算法上,从PID到Bang-Bang,再到模糊PID都进行了一些研究。
在这份报告中,我们主要通过对整体方案、机械、硬件、算法等方面的介绍,详细阐述我队在此次智能汽车竞赛中的思想和创新。
具体表现在电路的创新设计、算法以及辅助调试模块等方面的创新。
我队成员涉及自动化、机械、计算机等专业,在准备比赛的过程中,队员查阅了大量的专业资料,反复地调试汽车模型的各项参数。
所有队员都为此次智能汽车竞赛付出了艰苦的劳动。
这份报告凝聚着北京科技大学智能汽车队光电组全体队员的心血和智
第一章方案设计
本章主要介绍智能汽车系统总体方案的选定和总体设计思路,在后面的章节中将整个系统分为机械结构、控制模块、控制算法等三部分对智能汽车控制系统进行深入的介绍和分析。
1.1系统总体方案的选定
本届智能汽车大赛光电组比赛对传感器有着严格的规定,禁止使用激光传感器,改为统一线性CCD或LED光学传感器,这对我队是一个全新的挑战。
LED灯虽然有信号稳定的特点,但是由于前瞻太小,不适合平衡组的汽车来循迹。
相比之下,CCD与传统的光电传感器相比有着信息量大,质量轻,电路简单的特点,但是由于需要镜头成像,所以会带来成像失真,静电干扰严重等问题。
由于平衡车的特殊性,车身在循迹前进的过程中,必须保持车身的平衡。
根据最基本保持车身平衡的基本原理,我们需要知道车身当前的角度和角速度。
因此在保持车身平衡方面,我们确定以加速度计作为角度传感器,陀螺仪作为角速度传感器。
另外,车身转向控制方面,也使用陀螺仪作为转向反馈。
1.2系统总体方案的设计
遵照本届竞赛规则规定,智能汽车系统采用飞思卡尔的32位微控制器MK60DN256ZVLL10单片机作为核心控制单元用于智能汽车系统的控制。
线性CCD采集赛道明暗信息,返回到单片机作为转向控制的依据。
加速度计返回的模拟信号作为车身当前角度的信号,陀螺仪采集车身转动的角速度。
主控输出PWM波控制电机的转速以保持车身的平衡和锁定赛道。
同四轮车不同,平衡组需要使用左右轮的差速来转弯。
为了控制的准确性和快速性,我们使用编码器作为速度传感器。
编码器返回的信号可以形成闭环,使用PID控制电机的转速。
平衡组强烈的加减速会导致车身的倾角剧烈的
变化,这并不利于车身保持平衡。
因此整个调试过程就是要保证车身稳定的前提下不断提高车模前进的平均速度。
根据以上系统方案设计,赛车共包括六大模块:
MK60DN256ZVLL10主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块和辅助调试模块。
各模块的作用如下:
MK60DN256ZVLL10主控模块,作为整个智能汽车的“大脑”,将采集CCD传感器、陀螺仪,加速度计和光电编码器等传感器的信号,根据控制算法做出控制决策,驱动两个直流电机完成对智能汽车的控制;
传感器模块,是智能汽车的“眼睛”,可以通过一定的前瞻性,提前感知前方的赛道信息,为智能汽车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间,同时使用陀螺仪和加速度计计算车模行进过程中的实时角速度和加速度信息,用以保持车模稳定行进;
电源模块,为整个系统提供合适而又稳定的电源;
电机驱动模块,驱动直流电机和伺服电机完成智能汽车的加减速控制和转向控制;
速度检测模块,检测反馈智能汽车轮的转速,用于速度的闭环控制;
辅助调试模块,主要用于智能汽车系统的功能调试、赛车状态监控。
1.3小结
本章重点分析了智能汽车系统总体方案的选择,并介绍了系统的总体设计和总体结构,简要地分析了系统各模块的作用。
在今后的章节中,将对整个系统的各个模块进行详细介绍。
第二章智能汽车机械结构调整与优化
智能汽车各系统的控制都是在机械结构的基础上实现的,因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个模型车的机械结构有一个全面清晰的认识,然后建立相应的数学模型,从而再针对具体的设计方案来调整赛车的机械结构,并在实际的调试过程中不断的改进优化和提高结构的稳定性。
本章将主要介绍智能汽模型车型车的机械结构和调整方案。
2.1智能汽车车体机械建模
此次竞赛选用的是东莞市博思电子数码科技有限公司生产的智能车竞赛专用模型车(D型模型车),配套的电机型号为RN260-CN-2875。
智能车的控制采用的是双后轮驱动方案。
智能车的外形大致如下:
图2.1智能汽车外形图
2.2智能汽车传感器的安装
车模中的传感器包括有:
速度传感器,车模姿态传感器(陀螺仪、加速度计)以及线形CCD。
下面分别介绍这些传感器的安装。
2.2.1速度传感器的安装
速度编码器我们采用了编码器,安装方法如下:
用十字扳手套筒将车的后轮拆卸后,安装编码器,固定编码器的固定件是根据车得尺寸及与编码器的相对位置手工制作的连接固定件。
固定件的尺寸如图2.2所示。
图2.2主销后倾图
在安装完后轮后,在利用十字扳手套筒将后轮装上。
安装时应注意调整好齿轮间隙。
齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。
齿轮传动部分安装位置的不恰当,会大大增加电机驱动后轮的负载,会严重影响最终成绩。
调整的原则是:
两传动齿轮轴保持平行,齿轮间的配合间隙要合适,过松容易打坏齿轮,过紧又会增加传动阻力,浪费动力;
传动部分要轻松、顺畅,不能有迟滞或周期性振动的现象。
判断齿轮传动是否良好的依据是,听一下电机带动后轮空转时的声音。
声音刺耳响亮,说明齿轮间的配合间隙过大,传动中有撞齿现象;
声音闷而且有迟滞,则说明齿轮间的配合间隙过小,或者两齿轮轴不平行,电机负载变大。
调整好的齿轮传动噪音很小,并且不会有碰撞类的杂音,后轮减速齿轮机构就基本上调整好了,动力传递十分流畅。
如图2.3所示。
图2.3编码器安装完毕
2.2.2线形CCD的安装
为了降低整车重心,需要严格控制CCD镜头的安装位置和重量,我们自行设计了轻巧的铝合金夹持组件并采用了碳纤维管作为安装CCD的主桅,这样可以获得最大的刚度质量比,整套装置具有很高的定位精度和刚度,使CCD镜头便于拆卸和维修,具有赛场快速保障能力。
CCD镜头的安装如图2.4所示。
图2.4CCD的安装
2.2.3车模倾角传感器
车模倾角传感器包括陀螺仪和加速度计。
它们都是表贴元器件,单独固定在一块小电路板上,然后与车身相固定,从而保证检测数据的可靠性。
2.3重心高度调整
重心的高度是影响智能车稳定性的因素之一。
当重心高度偏高时,智能车在转弯过程中会发生抬轮现象,严重时甚至翻车。
因此,从小车稳定性出发,我们尽量降低重心高度,从而保证小车可靠稳定。
2.3.1电路板的安装
为了使小车具有较好的稳定性及转向性能,我们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电机上方,从而实现降低重心,提高小车的稳定性。
2.3.2电池安放
同样为实现降低重心,提高小车稳定性的目的,我们制作了两片铝条,然后固定在电机上方,进而用于固定电池,最大程度的降低了小车的重心。
2.4其他机械结构的调整
另外,在模型车的机械结构方面还有很多可以改进的地方,比如说车轮、传感器的保护等方面。
由于直立小车的直立行驶及转向都是通过后轮实现的,因此当小车在转向时,模型车的轮胎与轮毂之间很容易发生相对位移,可能导致在加速时会损失部分驱动力,而且使小车的状态不稳。
因此,我们在实际调试过程中对车轮进行了粘胎处理,可以有效地防止由于轮胎与轮毂错位而引起的驱动力损失的情况。
为了保护模型车传感器支架,在车模机械设计的时候,我们增添了防撞保护装置,使一旦车模倾倒或者失控,防撞保护装置可保护车模机械的安全性,保证小车状态的稳定性。
2.5小结
模型车的性能与机械结构有着非常密切的联系。
良好的机械结构是模型车提高速度的关键基础。
在同等的控制环境下,机械机构的好坏对其速度的影响十分显著。
我们非常重视对智能汽车的机械结构的改进,经过大量的理论研究和实践,我们小车的大部分质量都集中在两轮前后,达到降低重心的目的,从而提高了小车整体的稳定性和可靠性。
第三章智能汽车硬件电路设计
3.1主控板设计
3.1.1电源管理模块
首先了解一下不同电源的特点,电源分为开关电源和线性电源,线性电源的电压反馈电路是工作在线性状态,开关电源是指用于电压调整的管子工作在饱和和截至区即开关状态的。
线性电源一般是将输出电压取样然后与参考电压送入比较电压放大器,此电压放大器的输出作为电压调整管的输入,用以控制调整管使其结电压随输入的变化而变化,从而调整其输出电压,但开关电源是通过改变调整管的开和关的时间即占空比来改变输出电压的。
从其主要特点上看:
线性电源技术很成熟,制作成本较低,可以达到很高的稳定度,波纹也很小,而且没有开关电源具有的干扰与噪音,开关电源效率高、损耗小、可以降压也可以升压,但是交流纹波稍大些。
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模块。
竞赛规则规定,比赛使用智能汽车竞赛统一配发的标准车模用7.2V2000mAhNi-cd供电,而单片机系统、路径识别的CCD传感器、陀螺仪和加速度传感器均使用的是3.3V的电源。
编码器需要5V电源,伺服电机工作电压范围为4V到6V(为提高伺服电机响应速度,采用7.2V供电),直流电机可以使用7.2V2000mAhNi-cd蓄电池直接供电,智能汽车电压调节电路示例见图3.1。
图3.1电源管理模块原理图
5V电源模块用于为74HC08,74HC14,编码器供电。
常用的电源有串联型线性稳压电源(LM2940、TPS系列、7805等)和开关型稳压电源(LM2596、LM2575、AS1015等)两大类。
前者具有纹波小、电路结构简单的优点,但是效率较低,功耗大;
后者功耗小,效率高,电流大,但电路却比较复杂,电路的纹波大。
本次电路5V的电源分成2个稳压芯片来提供,一个为H桥芯片IR2184S提供5V电源,另一个为编码器和逻辑转换芯片提供电源。
由于本次使用的是K60单片机和CCD传感器。
这些模块均要求使用3.3V电源。
3.3V电源也分为2个电源,一个为传感器供电,另一个为单片机,键盘,液晶供电。
总体上来说,我们电源的分离是为了减小传感器电源的稳定。
CCD,陀螺仪,加速度计都是模拟传感器,电源的纹波将影响传感器的性能。
减小电源的纹波的大小可以保证传感器的可靠性。
3.1.2电机驱动模块
本次光电平衡组需要驱动2个电机,驱动的设计尤为重要。
常用的电机驱动有两种方式:
一、采用集成电机驱动芯片;
二、采用N沟道MOSFET和专用栅极驱动芯片设计。
市面上常见的集成H桥式电机驱动芯片中,飞思卡尔公司的33886型芯片性能较为出色,该芯片具有完善的过流、欠压、过温保护等功能,内部MOSFET导通电阻为120毫欧,具有最大5A的连续工作电流。
使用集成芯片的电路设计简单,可靠性高,但是性能受限。
由于比赛电机内阻仅为几毫欧,而集成芯片内部的每个MOSFET导通电阻在120毫欧以上,大大增加了电枢回路总电阻,此时直流电动机转速降落较大,驱动电路效率较低,电机性能不能充分发挥。
由于分立的N沟道MOSFET具有极低的导通电阻,大大减小了电枢回路总电阻。
另外,专门设计的栅极驱动电路可以提高MOSFET的开关速度,使PWM控制方式的调制频率可以得到提高,从而减少电枢电流脉动。
并且专用栅极驱动芯片通常具有防同臂导通、硬件死区、欠电压保护等功能,可以提高电路工作的可靠性。
1.专用栅极驱动芯片的选择:
IR公司号称功率半导体领袖,所以我们主要在IR公司的产品中进行选择。
其中IR2184型半桥驱动芯片可以驱动高端和低端两个N沟道MOSFET,能提供较大的栅极驱动电流,并具有硬件死区、硬件防同臂导通等功能。
使用两片IR2184型半桥驱动芯片可以组成完整的直流电机H桥式驱动电路。
由于其功能完善,价格低廉容易采购,所以我们选择它进行设计,如图3.2所示。
图3.2IR2184应用图
2.MOSFET的选择:
选择MOSFET时主要考虑的因素有:
耐压、导通内阻和封装。
智能汽车电源是额定电压为7.2V的电池组,由于电机工作时可能处于再生发电状态,所以驱动部分的元件耐压值最好取两倍电源电压值以上,即耐压在16V以上。
而导通内阻则越小越好。
封装越大功率越大,即同样导通电阻下通过电流更大,但封装越大栅极电荷越大,会影响导通速度。
常用的MOSFET封装有TO-220、TO-252、SO-8等,TO-252封装功率较大、而栅极电荷较小。
于是我们最终选择了IR公司TO-252封装的LR7843型N沟道MOSFET,VDSS=55伏、RDS(on)=8.0毫欧、ID=110安。
3.控制逻辑电路设计:
IR2104的控制信号有两个管脚:
IN和SD。
IR2104输入输出信号关系图如图3.3所示:
图3.3IR2104输入输出关系图
而当两片IR2104驱动如图3.4所示可逆桥式电路时,其真值表为表3.1:
图3.4可逆桥式电路
表3.1可逆桥式电路中IR2104输入输出信号真值表
状态
输入
输出
IN1
SD1
IN2
SD2
HO1
LO1
HO2
LO2
正转
H
L
反转
上桥臂制动
下桥臂制动
关闭
X
图3.5单极性桥式电路
我们用两片IR2184及四个MOSFET组成全桥的电机驱动电路,并且采用单极性的控制模式,PWM的占空比在0%之时电机速度为零,0~100%控制转速,H_D信号控制转向。
4、驱动电路的原理分析及元件参数确定
图3.6电机驱动分析图
这个驱动设计单从信号逻辑上分析比较容易理解,但要深入的理解和更好的应用,就需要对电路做较深入的分析,对一些外围元件的参数确定做理论分析计算。
图3.6中IC是一个高压驱动芯片,驱动2个半桥MOSFET。
Vb,Vs为高压端供电;
Ho为高压端驱动输出;
COM为低压端驱动供电,Lo为低压端驱动输出;
Vss为数字电路供电.此半桥电路的上下桥臂是交替导通的,每当下桥臂开通,上桥臂关断时Vs脚的电位为下桥臂功率管Q2的饱和导通压降,基本上接近地电位,此时Vcc通过自举二极管D对自举电容C2充电使其接近Vcc电压.当Q2关断时Vs端的电压就会升高,由于电容两端的电压不能突变,因此Vb端的电平接近于Vs和Vcc端电压之和,而Vb和Vs之间的电压还是接近Vcc电压.当Q2开通时,C2作为一个浮动的电压源驱动Q2;
而C2在Q2开通其间损失的电荷在下一个周期又会得到补充,这种自举供电方式就是利用Vs端的电平在高低电平之间不停地摆动来实现的.由于自举电路无需浮动电源,因此是最便宜的,如图所示自举电路给一只电容器充电,电容器上的电压基于高端输出晶体管源极电压上下浮动。
图2.6中的D和C2是IR2184在脉宽调制(PWM)应用时应严格挑选和设计的元器件,根据一定的规则进行计算分析;
并在电路实验时进行调整,使电路工作处于最佳状态,其中D是一个重要的自举器件,应能阻断直流干线上的高压,其承受的电流是栅极电荷与开关频率之积,为了减少电荷损失,应选择反向漏电流小的快恢复二极管,芯片内高压部分的供电都来自图中自举电容C2上的电荷;
为保证高压部分电路有足够的能量供给#应适当选取C2的大小.
MOSFET具有相似的门极特性,开通时需要在极短的时间内向门极提供足够的栅电荷,在自举电容的充电路径上,分布电感影响了充电的速率,下桥臂功率管的最窄导通时间应保证自举电容有足够的电荷#以满足栅极所需要的电荷量再加上功率器件稳态导通时漏电流所失去的电荷量.因此,从最窄导通时间为最小值考虑,自举电容应足够小;
综上所述,在选择自举电容大小时应考虑,既不能太大影响窄脉冲的驱动性能;
也不能太小影响宽脉冲的驱动要求,应从功率器件的工作频率、开关速度、门极特性等方面进行选择、估算后调试而定。
3.1.3接口模块
1.CCD接口。
CCD的外围器件很少,输出信号经过滤波等处理后就可以直接连接到K60的AD端口上。
接口极其简单,电路如下所示。
图3.7CCD接口
2.陀螺仪接口
陀螺仪在保持车身的平衡方面极其重要,为了方便更换,我们并未将陀螺仪直接画在主板上。
由于使用的是单片机本身的AD,所以陀螺仪的接口很简单。
电路如下所示。
图3.8陀螺仪接口
3.2智能汽车传感器
由于今年比赛规则对光电平衡组的传感器有明确的规定,所以我们在传感器的选择上没有花费时间。
对于的传感器的优化,我们也主要是传感器对环境的适应性方面。
3.2.1线性CCD传感器
线性CCD内部包含128个光电二极管,相关的放大电路。
其基本单元如图
图3.9CCD内部感光单元
光照射到光电二极管上,产生光电流,光电流被积分电路积分。
在采样期间,积分电容的一端被连接到输出端,积分后的输出电压与该点的光强和积分时间成正比。
因此为了适应场地,CCD的积分时间应该是可变的。
3.2.2陀螺仪
大赛规定了陀螺仪和加速度计的选用范围。
经过挑选,陀螺仪使用ENC-03M,加速度计使用MMA7361。
ENC-03陀螺仪有比较小的体积和高的灵敏度。
其工作电压范围为2.75~5.25V。
陀螺仪的输出与自身绕轴的角速度成比例,属于典型的模拟器件。
由于陀螺本身的输出电压变化较小,为了提高精度,需要在输出后接线性放大电路。
技术文档中的电路很好的抑制了温漂,但是在实际测试中有反冲现象发生。
鉴于此,我们采用另一种运用比较广泛的电路,如图3.10所示。
图3.10陀螺仪电路图
经过对比,本电路灵明度很高,适合平衡车的控制。
适当选择偏置电压,可以将静态输出值拉到ADC的中值处,这有利于对称性。
另外,放大倍数需要根据自己车身的运行情况来调整,车身俯仰明显的车可以适当降低放大倍数,以防止其放大饱和。
在转向控制方面,加入陀螺仪的反馈可以使转向更流畅。
在同一PCB板上使用2个陀螺仪时,在共振频率附近会产生输出膨胀,导致返回的AD值跳动很大。
为了解决这个问题,松田公司将其陀螺设计成2种,ENC-03MA和ENC-03MB,在同一PCB板上使用2个陀螺仪的时候,需要使用一个ENC-03MA和一个ENC-03MB。
3.2.3加速度传感器
由于陀螺仪有严重的温度漂移,对陀螺仪的积分并不能得到当前车身的准确的角度。
也就无法控制车身的平衡,因此为了得到当前的车身角度,必须使用加速度计。
我们使用的是MMA7361,MMA7361具有工作电压第(2.2~3.6V),灵敏度高(800mv/g)的特点。
MMA7361是三轴加速度计。
其三个输出信号与对应的轴的加速度成比例。
陀螺仪的输出不需要接放大电路,唯一的外围器件就是低通滤波电路,由于输出后没有负载,仅作为ADC的信号,这里采用官方的(1K,0.1uF)的无源低通滤波。
电路如图3.11所示。
图3.11加速度计原理图
3.2.3编码器
为了使用闭环控制,我们在汽车模型上附加了编码器。
和其他元件相比,选用编码器可以使电路更加完善,信号更加精确。
编码器功耗低,重量轻,抗冲击抗震动,精度高,寿命长,非常实用。
编码器内部无上拉电阻,因此编码器接口出需要设计上拉电阻。
同时为了保证波形的稳定,主控板上使用了74HC14非门隔离。
K60自身具有正交解码功能,因此这里无需使用任何外围计数辅助器件,只需要将接口连接到单片机上相应的接口即可。
接口如图3.11和图3.12所示。
图3.11编码器的接口部分
图3.12上拉电阻和非门
3.3键盘,数码管
在调试过程之中,我们需要实时的了解与掌握一些车的运行状态,比如说传感器的状态,舵机的转角等,调试时用数码管将这些参数显示出来,让我们实时的监测车的状态,从而做出判断,这样很大程度的方便了对车的调试。
有时候需要对参数作修改处理,如果每修改一个数据就下载一次程序的话,就会浪费时间,这时应用键盘,它就起到一个人机交互的作用。
我们选用ZLG7290控制芯片,它可以驱动八位数码管,最多可驱动64个独立按键。
图3.14ZLG7290内部功能框图
图3.15ZLG7290应用原理图
图3.16ZLG7290管脚说明
我们设计了八位数码管,3*4共十二键的键盘,在具体的设计中可依据实际的应用选择限流电阻的大小,这样可以灵活的控制数码管的亮度。
3.4液晶屏
液晶屏相对于数码来说具有显示内容直观,可显示图像和汉字的优点。
在车身添加液晶屏模块可以使调试更加方便,因此本次车身上我们添加了液晶屏模块。
由于模块是直接购买的成品。
所以电路在这里不做介绍了。
3.5小结
硬件电路是模型汽车系统的必备部分。
只有稳定的硬件电路才能保证程序的正确控制。
为此,我们在设计电路之时,考虑了很多问题,采用了模拟部分与数字部分隔离等措施。
我们的硬件电路的设计思想是在保证正确检测信号的前提下,尽可能精简电路。
第四章智能汽车控制软件设计
主程序流程图:
图4.1程序流程图
4.1线性CCD传感器路径精确识别技术
在本届大赛中,光电组的规则发生了翻天覆地的变化,不仅由传统的四轮小车变成了两轮直立车,而且对于光电传感器也做出了新的要求,不允许使用传统的激光头传感器,而要求选择使用线性CCD以及LED作为新一代的光电车的传感器,但由于LED的前瞻距离十分有限,所以线性CCD自然成为了较好的方案选择。
4.1.1新型传感器路径识别状态分析
由于今年的赛道信息增加了小S虚线规则以及黑色路障规则,并且对光源传感器做出了要求,在使用CCD进行赛道识别,传统的传感器搜索跳变沿算法可取之处不是很大,不过不缺乏借鉴之处。
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