-第一届飞思卡尔杯全国大学生智能汽车邀请赛技 术 报 告C智能车模的巡线算法设计D关于智能车模起跑线识别方法的设计与实现学 校： 理工大学队伍名称： 太理工前进参赛队员： 世选 薄志强 裴永斌带队教师： 常晓明 . z-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一届飞思卡尔杯全国大学生智能汽车邀请赛关保存、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、技术报告以及参赛智能车模的视频、图像资料，并将相关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：. z-目 录第一章引言11.1相关背景11.2构成概要1第二章硬件电路设计22.1设计思路2硬件系统框图2框图说明22.2电源管理模块3电源分配3电源电路说明32.3红外光电传感器巡线模块3黑色引导线的识别原理3器件选择4测试平台制作4搭建实验电路5信号处理62.4舵机驱动模块7舵机驱动72.4.2 测试车轮转角与舵机驱动信号的关系72.5动力直流电机驱动模块82.5.1 MC33886简介8搭建驱动电路92.6速度检测模块11空载速度检测11法兰盘测速模块电路实现122.7生成电路印刷板13第三章软件控制算法设计143.1 MC9S12DG128单片机的资源分配143.2控制软件根本思想143.3红外光电传感器的布局153.3.1 确定布局方式及与单片机的接口153.3.2 红外收发管间距确实定153.4根本行进算法分析18车模对直线的处理19车模对曲线的处理23车模对十字线的处理23车模对起始线的处理253.5记忆行进算法分析263.6智能车的模糊控制283.7 控制软件的流程图29第四章车模机械安装与系统调试304.1机械安装30舵机的安装30模块电路板的安装30法兰盘制作及安装31安装完成后的车模314.2测试赛道的制作324.3 系统调试33第五章结论345.1智能车模345.2技术指标345.3存在的问题及解决方法35参考文献36附录A 硬件电路原理图37附录B 程序源代码40附录C：研究论文165附录D：研究论文271. z-第一章 引言1.1相关背景第一届飞思卡尔杯全国大学生智能汽车邀请赛即将降临，我队是理工大学唯一参赛的队伍，队伍名称为太理工前进队。智能车模的开发调试都是在我校晓明研究室的研究环境下完成的，到目前为止一切顺利。我队参赛队员由一个博士研究生和两个本科生组成，博士研究生主要负责整体方案构思和工作协调，两个本科生软硬分工明确，各自负责硬件电路设计、机械安装和软件算法实现。在整个开发过程中，主要经历了下面几个阶段：第一阶段：方案和方案的制定；第二阶段：硬件电路的实现；第三阶段：软件控制算法的实现；第四阶段：系统的调试及改良。1.2构成概要本技术报告共包含五章容。第一章为引言局部。主要概述智能车模制作情况，并说明了报告容的构成。第二章为智能车模硬件系统电路的设计。详细介绍智能车模各个功能模块的电路实现，展示了在制作过程中的实验场景等。第三章为智能车模软件行进算法的实现。详细介绍智能车模控制软件主要理论、算法说明及代码设计介绍等。第四章为智能车模的机械安装及系统调试。详细说明了智能车模机械局部安装及改造、电路板的固定及连接等，并对智能车模开发过程中的系统调试作了简单介绍。第五章为总结局部。概括说明了模型汽车制作情况和技术指标，指出了存在的问题及改良方向。. z-第二章 硬件电路设计2.1设计思路硬件系统框图图2.1 硬件系统框图框图说明在图2.1所示智能车模的硬件系统框图中，智能车模是以清华提供的MC9S12DG128单片机最小系统板为控制核心；使用电压为7.2V，容量为2AH的镍镉电池作为能量来源，分别产生智能车模各个模块需求的电平；通过前后共14路红外光电传感模块检测赛道路况信息，并进展信号处理，送往单片机进展算法运算处理；单片机经过路况分析后，合理、准确地输出PWM45信号控制舵机的转动方向，从而很好地控制智能车模转向；单片机输出PWM67信号经过功率放大，控制动力直流电机转速，从而控制智能车模的行进快慢；法兰盘测速、路况记忆模块是在智能车模制作的后期根据算法需求加上的，它的主要目的是在智能车模赛道第一圈行进中记录路径信息，在第二圈根据记忆算法使智能车模以最正确速度行进，顺利完成大赛规定的赛道。2.2电源管理模块电源分配在智能车模的硬件系统中，单片机最小系统、红外光电传感及信号处理模块需要5V供电，舵机工作需要6V供电，动力直流电机的驱动电路需要7.2V 直接供电。它们的产生采用了最常用的电源管理芯片7805和7806。具体电路如图2.2所示。图2.2 电源电路原理图电源电路说明 在图2.2所示的电源电路中，J3为7.2V电池输入端，SW-POWER为电源开关，7.2V通过78L05产生5V电压VCC，通过78L06产生6V电压6VSTR。使用大电容C1，C4的好处：1、补偿使用电机时对电池造成的电压骤降；2、提供电机初启动时所需要的突发电流；3、增加电池的使用寿命。其他的小电容不会对车模的程序或电路的设计产生影响，却会减少隐藏的噪声源的影响。在模拟地和数字地之间接一个0欧姆的电阻起到噪声滤除作用。2.3红外光电传感器巡线模块黑色引导线的识别原理如图2.3所示，红外发光管发射一定光强的红外光线的前提下，红外光线遇到白色底板会被大量发射，而红外光线遇到黑色引导线会被吸收掉，这样就导致红外接收管接收到的红外光线会有很大差异，反向输出电压会有很大不同4。利用输出电压的这一特性，再经过滤波、整形等信号处理电路便可以识别黑色引导线。图2.3 红外光电反射原理器件选择基于算法识别赛道起始线的要求1，红外收发管从图2.4所示的器件中选择了3mm的红外收发二极管。图2.4 各种红外发射接收管测试平台制作为了能够很准确地测试红外光电传感器的各种参数，使用有机玻璃、螺丝、螺母等材料，使用钻台、锉子、切割机、台式砂轮机等工具制作了一个测试平台。它的制作过程如图2.5所示。图2.5 测试平台制作过程搭建实验电路使用制作好的测试平台，按照图2.6搭建红外发射接收电路，主要为了确定几个重要参数。当时的实验现场如图2.7所示。1红外接收管接收红外线时距发射面的有效距离与红外发光管的发射功率之间的关系；2当红外收发管在黑白相间的外表上方移动时，红外接收管输出的电压信号；图2.6 红外发射接收电路 图2.7 实验现场结论：1在满足要求的情况下，尽可能地让红外发光管的发射功率小，减小电路功耗。选择红外发射管的限流电阻为360，留过它的电流缺乏10mA。2红外接收管把接收到红外光的强度转化为图2.6中B点电压信号，实验结果如图2.8所示，红外线照在黑色底板和白色底板后B点电压信号有明显的不同。经过处理这个电压信号就可以很方便的识别出白色赛道和黑色引导线。图2.8 测试B点电压结果信号处理为了将红外接收管反向端接收到的模拟电压信号转化为数字信号，我们使用L358制作了满足需求的滞回比拟器，其电路原理如图2.9所示。图2.9 滞回比拟器电路图图2.9中，由U4A、VR1等组成滞回比拟器参考电压产生电路，由U1A、R15、R16等组成滞回比拟器电路。2.4舵机驱动模块舵机驱动舵机3的控制信号共有三根，中间红色的是电源线，一边黑色的是地线，这两根线给舵机提供最根本的能源保证，主要是由部电机的转动消耗掉了。需提供的电源一般有两种规格，一种是4.8V，一种是6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线，它的颜色是不确定的，随着生产厂家的不同而不同，我们用到的SANWASRM-102舵机的控制信号线为蓝色。SANWASRM-102标准舵机的信号线如图2.10所示。图2.10 SANWA SRM-102 标准舵机信号线舵机的控制信号1一般为频率为50Hz，周期为20ms的脉宽调制PWM信号，其中在一定围之的脉冲宽度与舵盘的0180度位置相对应，且呈线性变化。 测试车轮转角与舵机驱动信号的关系舵机安装在智能车模后，受到转向机构的限制，转动的角度围发生了变化。为了能够准确控制智能车模的转向，需要对智能车模的车轮转角与舵机驱动信号之间的关系测试准确。为了到达这个目的，我们采用了物理方法对其进展测试，实验场景如图2.11所示。让智能车模面向一面墙，卸下其中一只车轮，在车轮的轴上安装一个激光管，让其发出的激光照射在墙上。当车轮每转动一个角度时，墙上的激光点就会从一点平移动到另外一点。最后测量光点之间的距离，以及智能车模与墙之间的距离等，经过几何运算计算出车轮的角度。图2.11 车轮转角检测实验场景 通过以上实验，发现一个现象：给舵机输入一样脉宽的PWM信号的情况下，车轮从左到右和从右到左转动时存在一个误差，这就需要在软件上对这个误差进展补偿。影响到这个误差大小的原因有两个：一是车模转向机构的影响，二是车模重量的影响。2.5动力直流电机驱动模块2.5.1 MC33886简介MC33886是为控制和驱动直流电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，共有20个引脚，20 HSOP封装。在与逻辑电平兼容的控制信号输入时，MC33886可以在-40V之间工作。当RDS只有0.12欧姆时，它可以持续地输送电流至5A。MC33886提供应电机电流及故障反应信息，并具有过流保护、过温保护、过压保护和断点保护。当防止过载和短路的情况下，它可以提供所有的电机运动模式顺时针、逆时针、制动和惰行。如果需要的话，它可以在不同的电池组下工作，而不像逻辑电路那样仅仅局限在5V电平。MC33886也有它自己的缺点，它的PWM工作频率不能超过10KHz。图2.12是它的外形和引脚图。图2.12 MC33886的外形和引脚图MC33886引脚说明，如表2.1所示：表2.1 MC33886的引脚说明引脚1：模拟地；引脚9、10、11、12：电源地；引脚2：H桥故障状态输出；引脚13、18：使能引脚；引脚3：PWM驱动信号输入1；引脚14、15：输出2；引脚4、5、16：电源正极；引脚17：电荷泵电容外接引脚；引脚6、7：输出1；引脚19：PWM信号输入2；引脚8、20：空脚；搭建驱动电路MC33886数据手册上的典型电路，如图2.13所示。在实际设计中由于车模不需要倒退，只使用了MC33886的半桥。为了方便测试该芯片的特性，将其焊接在一块电路板上