飞思卡尔 智能车 光电组de技术报告汇编.docx
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飞思卡尔智能车光电组de技术报告汇编
第*届“飞思卡尔”杯全国大学生
智能汽车竞赛
技术报告
基于飞思卡尔单片机激光导航智能车设计
学校:
青岛理工大学
队伍名称:
参赛队员:
带队教师:
关于技术报告和研究论文使用授权的说明
本人完全了解第届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛关保留、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。
队员签名:
带队教师签名:
日期:
引言
全国大学生“飞思卡尔”杯智能车竞赛是以“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”为宗旨,鼓励大学生创新的一项科技竞赛活动,所以深受当代大学生的喜爱。
竞赛要求在规定的汽车模型平台上,使用飞思卡尔半导体公司的微控制器作为核心控制模块,通过增加道路传感器、电机驱动模块以及编写相应控制程序,制作完成一个能够自主识别道路的模型智能车。
智能汽车竞赛的赛道路面为宽度不大于50cm的白色面板,赛道两边有宽2.5cm连续黑线作为判断线。
各支参赛队员的目标是模型智能车需要按照规则以最短时间完成单圈赛道。
我们在这份技术报告中,主要通过对整体方案、机械结构及安装、硬件、算法、传感器等方面的介绍,详细阐述我们“天使之翼”在此次智能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。
我队成员全部来自自动化工程学院,在准备比赛的过程中,队员配合默契,不断查阅大量的专业资料,反复地调试智能车的各项参数。
从赛区预赛、决赛到进国赛所有队员都为此次智能车竞赛付出了艰苦的劳动。
这份报告凝聚着青岛理工大学全体队员的心血和智慧。
第一章绪论.......................................................1
1.1概述..........................................................1
1.2本文主要内容及章节安排.........................................1第二章系统总体设计方案...........................................3
2.1系统总体框架..................................................3
2.2机械结构部分..................................................3
2.3硬件部分......................................................3
2.4软件部分......................................................4
2.5系统调试与分析部分............................................4
第三章机械结构设计...............................................5
3.1转向舵机及摇头舵机的设计......................................5
3.2车前轮的调校..................................................7
3.3车底盘的调整..................................................8
3.4传感器的安装...................................................8
3.5测速模块的安装................................................9
3.6电机的安装与差速的调节.......................................10
第四章硬件电路设计..............................................11
4.1飞思卡尔单片机系统设计...............。
。
.....................11
4.1.1电源电路....................................................11
4.1.2复位电路和BDM.............................................12
4.1.3拨码开关电路...............................................13
4.2电源模块设计.................................................13
4.3传感器电路设计...............................................14
4.4驱动电路设计.................................................16
4.5测速电路设计.................................................17
第五章软件设计..................................................19
5.1主程序流程...................................................19
5.2各模块初始化.................................................20
5.2.1时钟模块初始化.............................................20
5.2.2ECT模块初始化.............................................20
5.2.3PWM模块控制初始化.........................................20
5.3控制策略.....................................................21
5.3.1路径识别策略...............................................21
5.3.2激光发射管调制分时发光.....................................21
5.3.3信号的接收与处理...........................................22
5.3.4舵机控制策略...............................................24
5.3.5速度控制策.................................................24
第六章模型车主要技术参数说明.....................................26
第七章系统开发工具、制作、调试与分析.............................27
总结与展望.......................................................29
致谢.............................................................30
参考文献.........................................................31
附录.............................................................32
第一章绪论
1.1概述
“飞思卡尔”杯智能车系统涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、计算机、机械等多个学科的知识。
智能车的自动运行需要自动控制器的控制,自动控制器是以飞思卡尔单片机为核心,配合有传感器、电机、舵机、电池以及相应的驱动电路,它能够自主识别路径,控制智能车高速稳定地运行在赛道上。
赛道表面为白色,跑道两侧为2.5cm黑线。
赛道形状不确定,这就要求智能车能够适应所有类型的赛道,显示出了智能车的智能性。
设计自动控制器是制作智能车的核心环节,在保证智能车可靠稳定运行的前提下,电路设计尽量简紧凑,以减轻系统负载,提高智能车的灵活性,同时应坚持充分发挥创新原则,简洁但功能完美为出发点,并以稳定性为要前提,实现智能车快速运行。
作为能够自动识别道路运行的智能汽车,车模与控制器可以看作一个自动控制系统。
一个自动控制系统可以分为传感器,信息处理,控制算法,执行机构,速度反馈五个部分组成。
其中,以单片机为核心,配有传感器、测速电路,执行机构以及它们的驱动电路构成了控制系统的硬件;信息处理与控制算法由运行在单片机中的控制软件完成。
因此,自动控制器的设计可以分为硬件电路设计和控制软件两部分。
硬件电路设计完成后,又需要将硬件电路安装在智能车上,这就需要设计机械结构,不仅安装硬件电路需要机械结构,而且为了保证智能车系统能够稳定可靠的运行,车体的机构改装也非常重要,车轮的调校对于B型车模来说至关重要,尤其是车前轮的调校。
另外,舵机的传动机构的改装也非常重要,原则是:
传动机构简单,传动力矩大,反应速度快。
尽管机械结构的改装没有固定的套路,但经过多次调试分析,也总结出了一些机械结构的设计方法。
将智能车系统组装完成后,需要进行系统的调试,软件需要适应机械结构和硬件电路,机械结构也要适应软件,这就需要调试系统,需要花费较多的时间去调试智能车,以使其
适应不同形式的赛道,并尽可能地使其稳定可靠。
1.2本文主要内容及章节安排
此技术报告主要介绍智能车的设计过程,主要包括机械安装、硬件电路、软件设计、调试与分析等。
第二章:
系统总体设计方案,主要介绍系统总体框
图,并简要介绍机械结构、硬件电路、软件等各部分的设计。
第三章:
机械结构设计,主要介绍转向舵机的安装、车前轮的调校、车底盘的调整、传感器的安装以及测速模块的安装等。
第四章:
硬件电路设计,主要介绍飞思卡尔单片机系统、电源模块、激光传感器电路、驱动电路、测速电路的设计等。
第五章:
软件设计,主要介绍主程序流程、各模块初始化、舵机与电机的控制策略等。
第六章:
介绍模型车主要技术参数。
第六章:
系统调试与分析。
主要介绍在调试过程中发现的问题,以及在以后的设计中需要注意的问题。
总结与展望:
主要介绍了本智能车设计的特色以及创新点,并对以后智能车的改进提一些想法。
第二章系统总体设计方案
汽车模型以激光作为采集道路信息的传感器,用激光在赛道上打出一排整齐的光点,以一定的周期采集处理路况信息,通过单片机控制,使汽车模型时刻严格按照黑线的方向行驶,完成比赛。
控制系统选择经典的PID算法。
通过对激光传感器采集到的道路信息控制转向舵机;通过编码器返回值和其它反馈信息对汽车模型进行速度控制。
2.1系统总体框架
2.2机械结构部分
机械结构在整个系统中是非常重要的部分。
机械部分的良好设计,对硬件的设计和软件的编写有很大的有效的支撑作用。
有时候,为了改善车模的性能,在软件设计上需要大量代码才能实现,而同样的问题,可能在机械上稍加修改就能解决在智能车的组装过程中,机械结构设计坚持的原则是:
减轻重量,降低重心,加固安装。
2.3硬件部分
适当的提高前瞻,简化冗余部分,提高电路可靠性,调整好双排激光的角度。
系统设计稳定可靠,使用光电编码器完成测速,减小了系统的复杂程度。
硬件部分包括:
主控模块、电机驱动模块、激光传感器模块。
2.4软件部分
精细算法,优化算法,提高软件的精确性。
2.5系统调试与分析部分
调试过程中及时发现硬件、机械方面的问题,及时调整,为软件调试提供便捷。
第三章机械结构设计
要使赛车跑出好成绩,赛车的机械结构是至关重要的。
机械结构的调整是一个需要通盘考虑的问题,赛车的机械性能对小车行驶性能有很大的影响。
安装时要考虑的要点是:
(1)符合组委会规定的赛车的尺寸要求
(2)安装的可靠性
(3)安装的轻便性
(4)方便双排激光传感器准确快速的检测
(5)车体各部分重量的分配。
质心问题,保证赛车转弯、加速性能。
3.1转向舵机及摇头舵机的设计
转向系统在车辆运行过程中有着非常重要的作用,合适的前桥调整参数可以保证在车辆直线行驶过程中不会跑偏,即保证车辆行驶的方向稳定性;而在车辆转向后,合适的前桥可以使得车辆自行回到直线行驶状态,即具有好的回正性。
基于这个原因,前桥参数调整及转向系统优化设计必然会成为智能汽车设计中机械结构部分的重点,在实际操作中,我们通过理论预测进行方案的可行性分析,然后做出实际结构以验证理论数据。
另外,在模型车作过程中,除了遇到“如何得到良好的方向稳定性”的问题外,还要考虑如何尽快实现转向。
而由于功率是速度与力矩乘积的函数,追求速度,必然会使力矩减小,因此设计时就要考虑到舵机的动力与来自地面的摩擦阻力间的关系,避免因舵机力量太小使得车辆无法转向的情况发生。
经过最后的参数比较,为了解决以上问题,我们希望通过设计一些可调整的机构,加上实际测算,最后得出一套可以稳定、高效工作的参数及机构。
在最终设计的这套机构中,我们综合考虑了速度与扭矩间的关系,并根据模型车底盘的具体结构,简化了安装方式,实现了预期目标,不过该机构仍存在自身重量太大的问题,我们将在以后的调试过程中逐渐改进。
转向舵机实际图
摇头系统在智能车运行期间,担当非常的任务,它要时时的观察到路况,充分的起到跟线的作用,让智能车能平稳的在跑道中跑起来,一个好的摇头舵机加上激光在调试好的情况能很好的给智能车提速,所以我们考虑到赛道的情况,采用了摇头舵机来识别跑道,这样可以更灵活。
在调试的过程中常出现跟线不太准,容易导致丢线,从而造成车冲出跑道,前期的调试跟线的问题需要花费一定的时间。
在经过一段的时间后,我们克服了摇头舵机跟线的问题,这样我们可以比较放心的提速了。
摇头舵机实际图
3.2车前轮的调校
车模的前轮定位参数主要包括:
主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束。
这四个参数反映了前轮、主销和前轴三者之间在车架上的位置关系
主销后倾角是指主销轴线与地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角主销后倾的作用是在车轮偏转后会产生一回正力矩,矫正车轮的偏转。
后倾角越大,车速越高,车轮偏转后自动回正能力越强。
但回正力过大,将会引起前轮回正过猛,加速前轮摆振,并导致转向沉重。
通常后倾角值应设定在10--30。
主销内倾角是指主销在汽车的横向平面内向倾斜一个角度,即主销轴线与地面垂直线在汽车横向断面内的夹角。
主销内倾角也有使车轮自动回正的作用。
当转向轮在外力作用下发生偏转时,由于主销内倾的原因,车轮连同整个汽车的前部将被抬起一定高度;当外力消失后,车轮就会在重力作用下恢复到原来的中间位置。
另外,主销内倾还会使主销轴线延长线与路面的交点到车轮中心平面的距离减小,同时转向时路面作用在转向轮上的阻力力矩也会减小,从而可使转向操纵轻便,同时也减小了由于路面不平而从转向轮输出的力反馈。
但其值不宜过小,即主销内倾角不宜过大,否则在转向时车轮主销偏转的过程中,轮胎与路面将产生较大的滑动,从而增加轮胎与路面间的摩擦阻力,不仅会使转向变得沉重,还将加速轮胎的磨损。
通常汽车主销内倾角不大于80。
通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角称为“前轮外倾角”。
轮胎呈现“八”字形张开时称为“负外倾”,而呈现“V”字形张开时称为“正外倾”。
前轮外倾角一方面可以在汽车重载时减小或消除主销与衬套,轮毂与轴承等处的装配间隙,使车轮接近垂直路面滚动而滑动,同时减小转向阻力,使汽车转向轻便;另一方面还可以防止由于路面对车轮垂直反作用力的轴向分力压向轮毂外端的轴承,减小轴承及其锁紧螺母的载荷,从而增加这些零件的使用寿命,提高汽车的安全性。
一般前轮外倾角为10左右。
当车轮有了外倾角后,在滚动时就类似于圆锥滚动,从而导致两侧车轮向外滚开。
由于转向横拉杆和车桥的约束使车轮不可能向外滚开,车轮将在地面上出现边滚边向内滑移的现象,从而增加了轮胎的磨损。
在安装车轮时,为消除车轮外倾带来的这种不良后果,可以使汽车两前轮的中心面不平行,并使两轮前边缘距离小于后边缘距离像内八字样前端小后端大的称为“前束”,而像外八字一样后端小前端大的称为“后束”或“负前束”。
图
车前轮实际图
3.3车底盘的调整
合理的底盘刚度和底盘高度调节会提高智能汽车的加速性能。
智能汽车的重心应该越低越好,降低地盘时实现重心下降的较为直接的方式。
应注意到底盘高度的调节是将智能汽车的其他性能提高以后间接的帮助加速性能提高。
根据总结的智能车机械结构的设计原则,智能车底盘必须足够低,为了使智能车能顺利通过赛道上的障碍,将智能车底盘的高度调节成一层KT板的厚度,这样不仅提高了车的稳定性,而且可以使智能车顺利通过赛道上由一层KT板构成的障碍。
B型车模的特点是减震性好,但是在平坦的赛道上稳定性不高,这就要求我们将B型车模改装的足够稳定,尤其是底盘,使智能车在赛道上行驶过程中,不能上下起伏或摇摆,提高前排激光传感器检测的准确度,也提高智能车运行的稳定性。
3.4传感器的安装
激光管的抖动对检测稳定性的影响很大,前瞻增大后激光管的抖动很大地影响了检测的稳定性,所以必须加固传感器的安装。
并且应尽量将激光探测板压低,以降低重心保证车的稳定性。
由于现有的电路能提供较大的前瞻,所以为了保证机械上有更低的重心和更小的惯量将激光探测板装在车的中后方,并尽量压低。
前瞻超过50cm后激光管的抖动很大地影响了检测的稳定性,所以将激光发射管和接收管集成到同一块电路板上,以保证检测的稳定性。
安装激光探测板时,还必须保证激光探测板摆正,即激光探测板安装在智能车上以后,车体要左右对称,这样才能保证智能车左右转向同样灵活,也可以保证智能车在直道上运行稳定性。
发送端
接收端
3.5测速模块的安装
为了使车在跑的过程中能快速加速,及时减速除了要有好的算法来控制,还依赖于速度闭环返回的速度脉冲值的可靠度和精确度,因此为了提高检测精度,最后选用了精度较高的光电编码器。
3.6电机的安装与差速的调节
在安装电机时,一定的注意电机齿轮与传动齿轮之间的啮合程度,因为啮合角没有调好而导致电机的声音特别大,同时,啮合角不仅影响了电机的声音强度,而且更重要的是它直接影响了电机对整车的驱动性,因此,啮合度不应太松,当然也不宜太紧,在调试的过程中应准确把握。
差速是影响小车转弯的重要因素,所以在调试时一定的注意好后轮差速的问题。
第四章硬件电路设计
4.1.飞思卡尔单片机系统设计
4.1.1电源电路
模型车通过自身系统,采集赛道信息,获取自身速度信息,加以处理,由芯片给出指令控制其前进转向等动作,各部分都需要由电路支持,该设计中,主控用的是5V电源,速度传感器用的是5V电源,舵机的运行需要6V电源,驱动电机模块上用的全桥驱动芯片用的是12V电源。
考虑到竞赛规定的电源为镍镉蓄电池组,额定电压为7.2V,实际充满电后电压则为8.2-8.5V,出于功耗和稳定性的考虑,本系统采用了开关型电源,电源模块的PCB图如下所示
4.1.2复位电路和BDM
当复位电路上电时,当电源电压未达到预期值时,RESET端保持低电平;当电源电压达到预期电源电压后,RESET端输出高电平,单片机复位运行。
手动复位时,按下手动复位按钮,RESET端保持低电平;释放手动复位按钮后,RESET端输出高电平,复位成功。
复位电路
复位电路
BDM接口是飞思卡尔单片机用来连接BDM调试器的。
使程序畅通的下载到单片机中。
BDM电路
4.1.3拨码开关电路
为了设置更多的档位,适应不同的跑道,我们用了8输入端的拨码开关,运用拨码开关可以方便的调速,让赛车能适应充分的根据赛道而选择不同的档位,用于控制程序内部变量,不需要重新下载程序便可以修改变量,给调试程序带来了诸多方便。
4.2电源模块设计
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。
比赛使用智能车竞赛统一配发的标准车模用7.2VNi-cd供电,而单片机系统、路径识别的光电传感器、光电码编码器等均需要5V电源,控制转向的伺服电机和转头电机工作电压范围5V到6V,直流电机可以使用电池直接供电。
控制图如下
电源电路
4.3传感器电路设计
在对单排固定和双排固定方案进行对比测试后,我们选择了转向随动控制方案,这样就要求硬件电路简单,避免在运行情况下对智能车的车体重心产生影响。
因此激光管的硬件控制电路设计就成了重中之重。
最终我们选用3路激光传感器,作为主要的路径识别。
激光传感器调制原理:
由于普通接收三极管很容易受到太阳光等其他光源的干扰,因此使用只能接收特定频率光源的接收三极管,这样就可以避免太阳光等其他光源的干扰,但是必须将激光调制到能接收的范围内,这样才能被接收三极管准确接收。
经反复试验,最终采用200KHz的频率对激光进行调制,这样接收三极管更容易接收,也在一定程度上增大了前瞻。
激光传感器分时发光原理:
如果多个激光传感器同时发出特定频率的光,多个接收三极管同时接收,这样必然相互之间有干扰,为了避免相互之间的干扰,采用激光传感器分时发光的原理:
74LS154译码器可以实现这一功能。
激光接收原理:
由于激光接收三极管接收到的光全是通过赛道平面漫反射回的光,所以尽管白色面反射回的光线较强,但是当前瞻变大时,也不能被接收三接管直接接收。
为了进一步增大前瞻,采用了凸透镜聚光,这样可以将本来就比较微弱的光聚到接收三极管上,使其接收更容易,从而增大了前瞻。
为了使接收三极管的数量少一些,采用一个接收三极管接收3个激光发射管,即“三对一”的对光策略,这样既减少了接收管的数量,又减轻了整个激光探测板的重量。
激光传感器原理图
激光传感器PCB
4.4驱动电路设计
竞速比赛比的是速度,需要模型车能够以尽量快的速度跑完全程,有了好的算法之后,需要有驱动电路对电机进行控制。
本系统使用的电机驱动板为BTS7960全桥驱动电路,由此电路,通过设置单片机输出的PWM波的占空比可以达到控制电机正反转的效果。
当单片机输出的占空比为50%时,电机不转,当占空比50%大时,电机正转,小于50%则反转。
原理图如下:
电机驱动PCB
4.5测速电路设计
恒定PWM控速会受电池电压以及赛道状况的影响,因此我们使用闭环控速的方法。
可以使用光耦、码盘等自制速度编码器,但在高速下自制编码器很难达到足够的稳定性,同时也使系统复杂度提高,为此我们采用了光电编码器。
编码器
第五章软件设计
5.1主程序流程
程序主要用到单片机中的PWM模块,ECT模块,I/O模块等模
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