华南赛区光电组桂林理工大学TPL 技术报告.docx
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华南赛区光电组桂林理工大学TPL技术报告
第九届“飞思卡尔”杯全国大学生
智能汽车竞赛
技术报告
学校:
桂林理工大学
队伍名称:
T.P.L2014
参赛队员:
谭垂旺
潘晓基
李刚
带队教师:
神显豪
关于技术报告和研究论文使用授权的说明
本人完全了解第九届“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。
参赛队员签名:
带队教师签名:
日期:
第一章引言
为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养,促进高等教育教学改革,受教育部高等教育司委托,由教育部高等自动化专业教学指导分委员会(以下简称自动化分教指委)主办全国大学生智能汽车竞赛。
该竞赛以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛,是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动,是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。
该竞赛以“立足培养,重在参与,鼓励探索,追求卓越”为指导思想,旨在促进高等学校素质教育,培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识,激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能,倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神,为优秀人才的脱颖而出创造条件。
该竞赛由竞赛秘书处为各参赛队提供/购置规定范围内的标准硬软件技术平台,竞赛过程包括理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节,要求学生组成团队,协同工作,初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的全过程。
该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体,是以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景,涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。
该竞赛规则透明,评价标准客观,坚持公开、公平、公正的原则,保证竞赛向健康、普及,持续的方向发展。
全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的高等学校(包括港、澳地区的高校)参赛。
竞赛首先在各个分赛区进行报名、预赛,各分赛区的优胜队将参加全国总决赛。
每届比赛根据参赛队伍和队员情况,分别设立光电组、摄像头组、创意组等多个赛题组别。
每个学校可以根据竞赛规则选报不同组别的参赛队伍。
全国大学生智能汽车竞赛组织运行模式贯彻“政府倡导、专家主办、学生主体、社会参与”的16字方针,充分调动各方面参与的积极性。
第二章智能车总体设计方案
2.1章节概述
本章主要介绍了本组光电组车的总体设计方案和设计思路,在以后的章节里,将对整个系统从机械结构、硬件电路、控制算法三个方面进行更为细致的分析介绍。
2.2系统总体方案设计
本智能车系统由CCD采集赛道信息,输入到MK60DN512ZVLQ10微控制器,控制器处理获得的赛道信息,根据赛车与赛道的位置关系,控制舵机和驱动电机进行相应的动作。
同时,通过光电编码器来检测车速。
本赛车舵机采用PD控制;驱动电机采用PID控制,通过PWM控制驱动电路调整电机的功率。
图2.1整体结构框图
2.3整车布局
本设计智能车采用B车车模。
在整个制作过程中,为了使赛车能更好的稳定
行驶,我们十分注重对整车结构的设计和安装:
降低赛车底盘,放低重心;
重量分布合理;
CCD安装稳定;
硬件电路布局紧凑、合理;
舵机架高直立安装。
图2.2整车布局图
第三章机械系统设计及安装
小车的速度不仅跟小车的硬件电路,控制算法有关,小车机械性能的好坏也直接影响着小车的发挥,好的机械结构可以使得小车更加稳定,有着更大的潜能。
在相同电路和算法下,重心更低的车明显更加稳定,速度更快。
为了让赛车达到更好的状态,我们对赛车机械系统做大量的工作。
3.1转向轮参数的调整
赛车的转向轮的安装与调整是十分重要的,如果安装不合理,赛车的转向就会不灵活,赛车侧滑,加速轮胎与差速器磨损,降低赛车行驶速度等问题。
转向轮定位参数包括车轮外倾、车轮前束、主销后倾、主销内倾、推力角等。
保持正确的车轮定位角度可确保车辆直线行驶,改善车辆的转向性能,确保转向系统自动回正,避免轴承因受力不当而受损失去精度,还可以保证轮胎与地面紧密接合,减少轮胎磨损等。
我们在制作赛车时,对赛车转向轮参数进行了多次测试,我们调整了车轮前束等参数,最终得到一个比较合适本赛车的安装。
图3.1转向轮调整图
3.2赛车底盘和重心调整
一般来说,车辆底盘高度越低,车辆重心越低,赛车的抓地力越好,车在行驶时越稳定。
因此在很多赛车比赛中,提高速度的有效方法就是降低底盘高度,所以我们把固定电池的支架降低,从而降低了重心,为了让重心尽量在车子的中心,我们把电池安装在靠近舵机的一边,把主板安装在靠近电机的一边,使整车重量分布均匀,有利于车行驶的稳定性。
另外,我们将主电路板做得尽可能小,刚好能放在电机和电池架中间的底板上。
在保证赛车能顺利通过赛道的前提下,我们降低了赛车底盘的高度,并从整体结构上降低赛车的重心,使赛车在行驶时更加稳定。
图3.2赛车底盘图
3.3车模转向舵机的安装
车模转向舵机的安装方式主要有直立式安装和倒置式安装。
比赛车模的转向是通过舵机带动左右横拉杆实现。
舵机的转动速度和功率一定,要想加快转向机构的响应速度,唯一的办法就是优化舵机的安装位置及其力矩延长杆的长度。
由于功率是速度与力矩乘积的函数,过分追求速度,必然要损失力矩,力矩太大也会造成转向迟钝,因此设计时就要综合考虑转向机构响应速度与舵机力矩之间的关系,通过优化得到一个最佳的转向效果。
经过实际验证,我们得出了一套可以稳定高效工作的参数及结构。
综合考虑了速度与力矩的关系,我们采用直立式舵机安装方式,保证舵机在底盘上的质量分布尽量平均,实现了较好的舵机转向控制。
图3.3舵机安装图
3.4编码器的安装
光电编码器是智能小车速度反馈元件,其安装位置应该充分考虑测速的准确性和防干扰。
光电编码器的尺寸较大,给安装造成了极大的不便,在尝试了各种可能性后,我们将编码器安装于车模尾部的边上,与车轮传动齿轮耦合,尽量使得传动齿轮轴保持平行,传动部分轻松、流畅,不存在过大噪音和丢数情况。
图3.4编码器安装图
3.5线性CCD与CCD转向舵机的安装
本次比赛我们使用3个CCD传感器,分别用于普通直道和弯道、人字弯道、坡道的检测。
检测普通直道和弯道的CCD安装:
这个CCD应用于车辆行使的全过程,所以需要有足够的前瞻来尽可能多的采集前方路况信息。
为了能够让CCD快速采集前方路况信息,使车子能够实时快速响应,我们使用一个舵机来控制CCD的转向,使CCD跟随车子的行进方向转动。
我们采用卧式安装CCD转向舵机,即舵机转轴直立朝上,与CCD支架固定在一笔直方向上。
为了保证CCD有足够的前瞻,能够完整采集赛道两边黑线,我们把舵机固定在主板的中间位置,CCD装在较低处,仰角较大;
检测人字弯道的CCD安装:
此CCD用于检测人字弯道的斑马线及两边黑线,采集检测的信息量较大,要有足够大的视角范围,所以我们把它装在比
要高的位置。
当车子进入人字弯时,告知智能车已经进入人字弯道,需要做出相应动作转出弯道;
检测坡道的CCD安装:
当车子快到坡顶时前瞻长的CCD的视线已经高出了坡顶的高度,以至于发生丢线。
这时需要安装一个前瞻短的CCD,但是前瞻短带来的问题是CCD装在低处视角范围就窄,无法采集到赛道两边黑线,所以我们只能把CCD安装在最高位置,扩大视角范围,才能采集到坡道信息,顺利通过坡道。
CCD支架杆有两种选择,一种是碳素杆,非常轻,但很容易破碎,一种采用轻质铝材,牢固耐用,但比起碳素杆还是重了许多。
对比两种材质的支撑杆,结合本届车模的具体情况,决定采用碳素杆材料,从而减轻车模重量。
3个CCD的作用不同安装的位置及角度亦不同。
CCD要经过实际多次调试选择最佳角度和高度,以及对CCD视野范围来进行标定。
图3.53个CCD安装图3.6CCD转向舵机安装
3.6陀螺仪的安装
陀螺仪应用于坡道的检测判断,通过感知车子的姿态告诉单片机车子正在坡道路段,需要调用前瞻近的CCD检测路况信息。
我们把陀螺仪安装在转向舵机前面即车子最前方,从而能及时的检测到车子的姿态。
图3.7陀螺仪安装
第四章硬件系统设计及实现
4.1硬件设计方案
从最初进行硬件电路设计时我们就既定了系统的设计目标:
可靠、高效、简洁,在整个系统设计过程中严格按照规范进行。
可靠性是系统设计的第一要求,我们对电路设计的所有环节都进行了电磁兼容性设计,做好各部分的接地、屏蔽、滤波等工作,将数字电路与模拟电路分开,使本系统工作的可靠性达到了设计要求。
高效是指本系统的性能要足够强劲。
我们使用了由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器,该驱动器的额定工作电流可以达到20A以上,保证了电动机的工作转矩和转速。
简洁是指在满足了可靠、高效的要求后,为了尽量减轻整车重量,降低模型车的重心位置,应使电路设计尽量简洁,尽量减少元器件使用数量,缩小电路板面积,使电路部分重量轻,易于安装。
我们在对电路进行了详细分析后,对电路进行了简化,合理设计元件排列、电路走线,使本系统硬件电路部分轻量化指标都达到了设计要求.
图4.1主板PCB图
4.2单片机最小系统
我们采用的单片机为freescale公司的MK60DN512ZVLQ10。
MK60DN512ZVLQ10是K60系列MCU。
Kinetis系列微控制器是Cortex-M4系列的内核芯片。
K60内存空间可扩展,从32KB闪存/8KBRAM到1MB闪存/128KBRAM,可选的16KB缓存用于优化总线带宽和闪存执行性能。
最小系统使用K60100PIN封装,为减少电路板空间,板上仅将本系统所用到的引脚引出,包括PWM接口,ADC接口,外部中断接口,若干普通IO接口。
其他部分还包括电源滤波电路、时钟电路、复位电路、串行通讯接口、BDM接口和SPI接口。
用到的接口如下:
电机PWM输出:
PTC3、PTC4
车模转向舵机PWM输出:
PTA8
CCD转向舵机PWM输出:
PTB1
编码器信号输入:
PTA10、PTA11
CCD1接口:
PTE0、PTE4、PTE5
CCD2接口:
PTE3、PTE6、PTE7
CCD3接口:
PTE2、PTE8、PTE9
起跑线检测接口:
PTE28、PTD14
陀螺仪接口:
PTB2、PTB3
按键输入信号接口:
PTC6、PTC9、PTC10、PTC12、PTC14、PTC16
Nokia5110显示接口:
PTD3、PTD5、PTD7、PTD9、PTD11
蓝牙模块接口:
PTE24、PTE25
图4.2系统板接口图
4.3线性CCD传感器
TSL1401CL线性传感器阵列由一个128×1的光电二极管阵列,相关的电荷放大器电路和一个内部的像素数据保持功能组成,它提供了同时集成起始和停止时间的所有像素。
该阵列有128个像素,其中每一个具有光敏面积3,524.3平方微米。
像素之间的间隔是8微米。
操作简化内部控制逻辑,只需要一个串行输入端(SI)的信号和时钟CLK。
图4.3CCD内部基本单元
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。
4.4稳压电源模块设计
电源是一个系统正常工作的基础,电源模块为系统其他各个模块提供所需要的能源保证,因此电源模块的设计至关重要。
模型车系统中接受供电的部分包括:
传感器模块、CPU模块、电机驱动模块、伺服电机模块等。
设计中,除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数外,还要在电源转换效率、噪声、干扰和电路简单等方面进行优化。
可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。
智能车全部硬件电路的电源由7.2V、2000mAh的可充电镍镉电池提供。
由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压及电流容量各不相同,因此电源模块应该包含多个稳压电路,将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。
4.4.1单片机、陀螺仪和LCD5110供电
AMS1117芯片输出3.3V给单片机主控模块、陀螺仪和LCD5110供电,AMS1117是一个低压差电压调节器系列,电流限制和热保护功能,在电机启动瞬间能输出比较稳定的电压,保证主控模块正常工作。
图4.4AMS1117原理图
4.4.2线性CCD和编码器供电
我们选用TPS7350为CCD和编码器供电。
TPS7350具有输入电压范围大,过热、过流及电压反接保护,输出电流为150mA时压差小于0.1V等特点,可保证在电机启动时引起的电压波动范围内,输出稳定的5V电压给各个传感器供电,显著的提高了电源的利用效率。
图4.5TPS7350原理图
4.4.3舵机供电
我们选用LM2941为舵机提供5.2V的电压。
LM2941具有输出可调,低压差,输出电流超过1A,内部短路电流限制等特点,用于产生5.2V稳定电压给舵机供电,能给舵机提供合适的速度和扭力。
图4.6LM2941原理图
4.5电机驱动电路
在智能车中,电机驱动电路分为两种,一种是使用半桥芯片,半桥芯片内部集成有桥式电路,其优点是组成电机驱动的外围电路简单,缺点是半桥芯片内阻大,通过大电流,芯片发烫严重,发热功率大,不能给大电机提供足够的功率,仅适用于驱动小电机;另一种是使用分立的MOSFET管构成H桥式驱动电路,此电路相对于半桥芯片结构复杂,优点是MOSFET管内阻小,发热功率小,适用于驱动大电机。
本次比赛我们使用的是B车模,该车模电机功率较大,所以我们选用分立MOSFET管构成电机驱动电路,大大提高了电动机的工作效率。
该驱动电路主要由以下部分组成:
12V升压电路、PWM输入接口与光耦隔离电路、逻辑控制与桥式功率驱动电路。
图4.712V升压电路原理图
由MC34063构成的12V升压电路,用于给MOSFET管提供足够的导通电压。
图4.8PWM输入接口与光耦隔离电路
两路PWM输入接口与光耦隔离电路,可以把单片机与电机驱动电路隔离开,防止单片机受到电机的干扰。
图4.9逻辑控制与桥式功率驱动电路
逻辑控制芯片使用HIP4082,能够驱动由N沟道MOSFET管构成的H桥电路;MOSFET管使用IRLU7843,此元件为TO-251封装,小型封装能有效的减小驱动板的面积,导通内阻仅为3.3mΩ,能给电机提供足够大的功率。
实际应用证明,这种MOSFET管很适合用于智能车电机驱动,在急刹车状态或者全速运行状态下,都不会出现管子发烫现象,所以也不用加上散热片,有效的减轻了驱动板的重量。
表4.1HIP4082真值表
ALI
BLI
AHI、BHI
ALO
BLO
AHO
BHO
0
0
1
0
0
1
1
0
1
1
0
1
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
图4.10电机驱动PCB图
为了能够尽量减小智能车的重量,我们选用封装小又耐用的元器件制作小型电机驱动板。
选择驱动板的安装位置是在电机之上,这样能够合理利用智能车的空间,又能给驱动板提供良好的散热环境。
图4.11电机驱动实物图
4.6Nokia5110显示和按键接口
为了方便、快速调节智能车的各项参数我们设计6个轻触按键进行参数更改输入,使用Nokia5110进行参数显示。
图4.12按键与Nokia5110显示电路
4.7起跑线检测电路
起跑线检测电路由反射型光电探测器RPR220和比较器LM311构成,当智能车经过起跑线时,两个比较器同时输出低电平。
起跑线检测电路分别装在主板左右两端。
图4.13起跑线检测电路图
第五章软件系统设计及实现
高效的软件程序是智能车高速平稳自动寻线的基础。
本智能车采用线性CCD传感器,赛道信息的采集与处理成了整个软件的核心内容之一。
在小车转向和速度控制方面,智能车采用传统经典的PID控制算法,不断把理论和实际结果比较,再进行大量不同参数的调试,找出合适的参数,使智能车在赛道上达到平稳快速的效果。
具体过程为:
CCD采集赛道信息,单片机处理控制舵机转向,使用编码器监测智能车的实际速度,再根据赛道信息给定智能车运行速度,运用增量式PID算法调节驱动电机转速,实现了电机的快速响应,配合使用理论计算和实际参数补偿的办法,使智能车能够稳定快速寻线。
5.1系统软件流程图
图5.1主函数控制流程图
5.2弯道的处理
其中,切弯路径主要决定了车辆是选择内道过弯还是外道过弯。
切内道,路经最短,但是如果地面附着系数过小会导致车辆出现侧滑的不稳定行驶状态,原因是切内道时,曲率半径过小,同时速度又很快,所以模型车需要的向心力会很大,而赛道本身是平面结构,向心力将全部由地面的摩擦力提供,因此赛道表面的附着系数将对赛车的运行状态有很大影响。
切外道,路径会略长,但是有更多的调整机会,同时曲率半径的增加会使得模型车可以拥有更高的过弯速度。
5.3赛道中线推算
通过采集处理获得的赛道边沿数据推算中心:
当左右边沿点总数较少时返回;若只有单边有边沿点数据,则通过校正对单边数据按法线平移赛道宽度一半的距离;当能找到与一边匹配上的另一边沿点时则直接求其中心作为中心点。
推算完中心点后,对中心点进行均匀化,方便之后的控制。
5.4舵机转向控制
通过赛道中线推算数据,与上次采样值比较,获得车辆偏离距离,判断偏离距离趋势,再控制舵机作相应的转角操作。
图5.2舵机转向控制流程
5.5PID控制
在过程控制中,按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的P控制器(亦称PID调节器)是应用最为广泛的一种自动控制器。
它具有原理简单,易于实现,适用面广,控制参数相互独立,参数的选定比较简单等优点;而且在理论上可以证明,对于过程控制的典型对象──“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象,PID控制器是一种最优控制。
PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法,它的参数整定方式简便,结构改变灵活(PI、PD、…)。
参数的选择:
①比例系数P对系统性能的影响:
比例系数加大,使系统的动作灵敏,速度加快,稳态误差减小;P偏大,振荡次数加多,调节时间加长;P太大时,系统会趋于不稳定;P太小,又会使系统的动作缓慢。
P可以选负数,这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特性决定的。
如果P的符号选择不当,对象测量值就会离控制目标的设定值越来越远,如果出现这样的情况P的符号就一定要取反。
同时要注意的是,力控的策略控制器的PID控制块的P参数是PID控制中的增益。
②积分控制I对系统性能的影响:
积分作用使系统的稳定性下降,I小(积分作用强)会使系统不稳定,但能消除稳态误差,提高系统的控制精度。
③微分控制D对系统性能的影响:
微分作用可以改善动态特性,D偏大时,超调量较大,调节时间较短;D偏小时,超调量也较大,调节时间也较长;只有D合适,才能使超调量较小,减短调节时间。
PID控制器是一种线性控制器,它根据给定值与实际输出值构成控制偏差。
将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制,故称PID控制器,原理框图如图5.3所示。
图5.3PID控制器原理框图
在计算机控制系统中,使用的是数字PID控制器,控制规律为:
(公式5.1)
(公式5.2)
式中
k——采样序号,k=0,1,2…;r(k)——第k次给定值;
c(k)——第k次实际输出值;u(k)——第k次输出控制量;
e(k)——第k次偏差;e(k-1)——第k-1次偏差;
KP——比例系数;TI——积分时间常数;
TD——微分时间常数;T——采样周期。
简单说来,PID控制器各校正环节的作用如下:
比例环节:
及时成比例地反映控制系统的偏差信号,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差。
积分环节:
主要用于消除静差,提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数,越大,积分作用越弱,反之则越强。
微分环节:
能反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在该偏差信号变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减小调节时间。
数字PID控制算法通常分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。
5.5.1位置式PID
位置式PID中,由于计算机输出的u(k)直接去控制执行机构(如阀门),u(k)的值和执行机构的位置(如阀门开度)是一一对应的,所以通常称公式(5.2)为位置式PID控制算法。
位置式PID控制算法的缺点是:
由于全量输出,所以每次输出均与过去的状态有关,计算时要对过去e(k)进行累加,计算机工作量大;而且因为计算机输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置,如计算机出现故障,u(k)的大幅度变化,会引起执行机构位置的大幅度变化,这种情况往往是生产实践中不允许的,在某些场合,还可能造成严重的生产事故。
因而产生了增量式PID控制的控制算法,所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量△u(k)。
5.5.2增量式PID
当执行机构需要的是控制量的增量(例如:
驱动步进电机)时,可由式(5.2)推导出提供增量的PID控制算式。
由式(5.2)可以推出式(5.3),式(5.2)减去式(5.3)可得式(5.4)。
(公式5.3)
(公式5.4)
式中
;
;
公式(4.4)称为增量式PID控制算法,可以看出,由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T,一旦确定了KP、TI、TD,只要使用前后三次测量值的偏差,即可由式(4.4)求出控制增量。
增量式PID具有以下优点:
(1)由于计算机输出增量,所以误动作时影响小,必要时可用逻辑判断的方法关掉。
(2)手动/自动切换时冲击小,便于实现无扰动切换。
此外,当计算机发生故障时,由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用,故能保持原值。
(3)算式中不需要累加。
控制增量△u(k)的确定仅与最近k次的采样值有关,所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。
但增量式PID也有其不足之处:
积分截断效应大,有静态误差;溢出的影响大。
使用时,常选择带死区、积分分离等改进PID控制算法。
5.6舵机控制
对于舵机的闭环控制,我们采用了位置式PID控制算法,根据资料与实际测试,将每场的黑线中心加权平均值与舵机PID参考角度值构成一次线性关系。
经过反复测试,我们选择的PID调节策略是:
(1)将积分项系数置零,我们发现相比稳定性和精确性,舵机在这种随动系统中对动态响应性能的要求更高。
更重要的是,在KI置零的情况下,我们通过合理调节Kp,发现车能够在直线高速行驶时仍能保持车身非常稳定,没有震荡,基本没有必要使用KI参数;
(2)微分项系数KD使用定值,原因是舵机在一般赛道中都需要较好的动态响应能力;
(3)对Kp,我们使用了二次函数曲线,Kp随中心位置与中心值的偏差呈二次函数关系增大,在程序中具体代码如下:
loca_Kp=(loca_error*loca_error)/2+1000
其中,local_error是中心位置与中心值的偏差。
5.7电机控制
对于速度控制,我们采用了增量式PID控制算法,
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