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智能汽车系统设计方案
智能汽车系统设计方案
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
本届智能汽车大赛摄像头组是直立平衡组,这对我队是一个全新的挑战。
一开始小车系统中我们使用KL25MCU但之后发现,KL25的存较小,不能
存储足够的赛道信息,于是改用了KL26ARM?
Cortex?
-M0+
MCU智能车的系统中,车模直立行走比赛是要求仿照两轮自平衡电动车的行进模式,让车模以两个后轮驱动进行直立行走。
其运动控制主要可以分为三个主要任务:
车模平衡控制、车模速度控制、车模方向控制。
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。
对于速度控制,我们使用欧姆龙编码器进行测速,根据编码器返回的速度进行自适应调整。
使用野火鹰眼OV7725进行赛道信
息的采集并实现方向控制。
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KL26单片机作为核心控制单元用于智能汽车系统的控制。
摄像头采集二值化赛道信息,返回到单片机作为转向控制的依据。
使用卡尔曼滤波将加速度计测得的角度和陀螺仪测得的角速度进行角度合成。
最后车模平衡控制、车模速度控制、车模方向控制叠加成对车模电机的控制,通过主控输出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,平衡组仅能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。
根据以上系统方案设计,智能车分为以下几个模块:
KL26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:
KL26主控模块是整个智能车系统的“大脑”,用来处理和存储摄像头采集的道路信息,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方向控制;同时使用陀螺仪和加速度计获取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,将主控芯片输出的PWM空制信号放大以实现对直流电
机的控制;
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。
第二章机械系统设计及实现
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,我们车的机械部分设计如下:
2.1车模车体架构
今年我们摄像头平衡组,我们选用E车模,配套的电机型号为电机RS-380,
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图2.1:
图2.1智能车外形图
2.2电路板和电池的安装
根据倒立摆原理分析可知,车模重心越低,越有利于保持平衡。
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,在搜集一些相关的资料和研究前面几届的技术报告后,历经三次重大结构调整,我们最终完成了
车模的定型。
如图2.2所示
图2.2车模整体结构
2.3摄像头的安装
摄像头作为赛道采集信息的传感器,安装的稳定性影响到整个车采集信息的准确性,合理的高度和角度能够获得更大的前瞻,摄像头的高度还会影响到整车的重心,经取舍之后,我们最终使用碳素杆做了一个三角支架,将摄像头固定在上面。
安装方式如图2.3所示
图2.3摄像头的安装
2.4加速度计和陀螺仪的安装
加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。
为了减少车模运动引起的干扰,理论上加速度传感器安装的高度越低越好;陀螺仪可以测
量物体的旋转角速度,为了获得正确的小车前后角速度,应该保证陀螺仪的安装是水平的,否则容易导致小车过弯加减速。
经综合考虑,我们决定将加速度计陀螺
仪模块安装在小车的质心附近,于是将其固定在摄像头支架的底部。
如图2.4所
示
图2.4加速度计陀螺仪的安装位置
2.5编码器的安装
实现对轮速的精确控制是保证小车平衡的关键因素之一,因此我们安装了编码器实现对速度的闭环控制。
编码器作为车模速度测量的传感器,其安装的合理程度将影响最终的速度反馈。
在保持对称的基础上,调节编码器的位置,保证编码器齿轮与电机齿轮的合理啮合程度,防止打齿或增大阻力等弊端。
其安装位置如下图2.5:
图2.5编码器安装
2.6车模重心位置的调整
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
在转弯过程中易产生跳轮现象,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。
在以上机械结构的基础上我们做了稍微的改变,从而保证小车可靠稳定。
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。
良好的机械结构基础让我们在之后智能车软件的开发变得更加轻松。
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,我们尽量压低了小车的重心,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
我们在电路设计时采用模块化的设计思想。
这样如果某一模块出现损坏,仅需替换掉损坏模块,同时在设计电路板的同时考虑板子的大小和形状,有计划地排列板子的位置,从而优化车子的重心。
我们智能车控制系统电路由三部分组成:
主板、电源模块、电机控制模块。
其中,主板集成了KL26ARMCortex?
-M0+最小系统板,调试模块以及各类传感器接口,是整个小车的中枢神经。
3.1电源模块
图2.6是电源模块的电路板
图2.6电源模块电路板
「[
r1
5Vcul
31
7
NO
±C6
tu
15K
DI
pLED】
\CC7
470uf
本系统中电源稳压电路分别需要有+7.2V,+5V+3.3V供电。
+3.3V主要给OLED加速度计陀螺仪模块、鹰眼摄像头供电;+5V为编码器、KL26最小系统板供电;+7.2V为电机模块供电,由于整个系统中+5V电路功耗较大,为了降低电源纹波,我们考虑使用线性稳压电路。
另外,LM2940勺稳压的线性度非常好,而且具有纹波小、电路结构简单的特点,所以我们选择使用它作为5V稳压芯片。
如下图2.7所示
图2.7LM2940原理图
+3.3V稳压芯片最初选用LM1117把5V转为3.3V,但是在之后发现5V电路负
载过大,易导致系统的不稳定,后来选用AIC1086-PM3芯片,直接从7.2V转为3.3V,
原理图如图2.8所示
XrCC72?
_J:
CS
1
VowtOUT
1
*
4
—1
□
J
~'10uF
U2
VCG_J.JV
Vm
tF
GND
GXD
图2.8AIC1086-PM33原理图
3.2电机驱动模块
图2.9是电机驱动模块的电路板
图2.9电机驱动电路板
电机驱动芯片我们选择使用BTN797B。
BTN7971是一个完全集成的大电流电机驱动应用半桥。
它是NovalithIC含有一个集成的驱动IC封装在一个一个P沟道MOSFET和一个nhighside通道低边MOSFE系列的一部分。
由于P沟道highside开关的电荷泵需要被淘汰从而减少EMI。
接口与微控制器是轻松的集成驱动IC功能的逻辑电平输入,用电流检测,转换率的调整,死区时间生成和防止过热,过压,欠压,过流和短路保护的诊断。
BTN7971B提供了一个受保护的高电流PW马达具有非常低的电路板空间的消费驱动器的成本优化的解决方案。
控制电路如图3.0所示
我们使用74LS74芯片作为隔离芯片。
芯片原理图如图3.1所示:
GND-||
GND'||
GXDl|-
vrc
1A1
2G
2Y4
1Y1
1A2
2A4
1Y2
1AS
2A3
2Y2
LY3
JA4
2A2
2YI
1Y4
GND
2A1
U5
IN3=
LX』9
10
2
ENl3
GND
VCC
I'GND
|WD
17PWMi
K」
15PWM2
14
13PWMi
12
11PWM4
IS
11GND
图3.174LS244原理图
我们使用MIC5219低压差稳压芯片单独为电机模块隔离芯片提供电源,原理图如3.2所示
图3.2MIC5219原理图
3.3主板模块
图3.3是主板的电路板:
图3.3是王板电路板
3.3.1加速度计陀螺仪接口
大赛规定了陀螺仪和加速度计的选用围。
经过挑选,陀螺仪使用ENC-03M加速度计使用MMA8451其接口原理图如图3.4所示:
SPA
SCI?
I~GVR01
accer
图3.4加速度计和陀螺仪接口原理图
3.3.2摄像头传感器接口
我们的智能模型车自动控制系统中使用野火鹰眼OV77255像头采集赛道信息。
13579
357911111
33V
□rIk
HREF
氏17—r
【i_1
VSVNC1:
?
0£1^
24680^-4680
OV7725信噪比高、速度快、稳定性好和微光灵敏度高,其硬件二值化效果非常好。
由于KL26抗干扰能力比较弱,因此需在PCLK和VSYN信号线接下拉150欧电阻增强电路的抗干扰能力。
其接口原理图如图3.5所示:
门
图3.5摄像头接口原理图
333编码器接口
由于KL26上没有正交编码,我们需要使用D触发器,根据AB相的相位差,来获取编码器的正反转状态。
我们使用HC74LS7双D触发器来判断电机的正反转。
编码器接口原理图,HC74LS7双D触发器原理图分别如图3.6,图3.7所示:
\TC5V
\'CC5V边
T_
几一]堡ht
Ei讪r
R1\CC
DIR2
ClD2
SIC2
QIS2-QIQ2
GND02
VCC5V
T
7ILS74
GND
Qkft
AleftBleft
图3.6编码器原理图
图3.7HC74LS74原理图
334辅助调试模块
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,调试时用OLED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,这时应用按键、拨码开关以及OLE來实现参数调整将大大节省调试时间。
拨码开关、按键以及OLED原理图分别如图3.8、图3.9、图4.0所示:
\CC33V
R2
R3
R4
艮5
10K
10K
10K
10K
三5
bomiiswitch
图3.8拨码开关原理图
1OK
R1S
GND
si
■Ci
Rl?
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