（控制理论与控制工程专业论文）基于智能汽车的控制算法的研究与应用.pdf

曲阜师范大学博士硕士学位论文原创性说明 ( 在口划“4 ”) 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士口论文基于智能汽车的控 制算法的研究与应用，是本人在导师指导下，在曲阜师范大学攻读博士口 硕士口学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除注明部分外不包 含他人已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人 和集体，均己在文中已明确的方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签名： 謦少昏 日期：沁、j 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“4 ) 基于智能汽车的控制算法的研究与应用系本人在曲阜师范大学攻读博士 口 硕士口学位期间，在导师指导下完成的博士口硕士口学位论文。本论 文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容不得以其他单位的名 义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于保存、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借 阅。本人授权曲阜师范大学，可以采用影印或其他复制手段保存论文，可以 公开发表论文的全部或部分内容。 作者签名： 纭移矽永 日期：沙船【27 剔磴轹 氐己i | 弋醐：加吨( ，) 7 曼置璺笔苎囊 第1 章绪论 曲车师范大学硕士学位论交 1 1 研究的目的背景及意义 汽车已经成为人们日常生活不可缺少的代步交通工具。在汽车发达国家，旅客运输的 6 0 以上，货物运输的5 0 以上由汽车来完成，汽车工业水平和家庭平均拥有汽车数量已 经成为衡量一个国家工业发达程度的标志。但是，随着汽车数量的增加，交通事故，交通 堵塞，环境污染等交通问题越来越严重，已经成为全球性的社会公害问题，同时也成为汽 车工程界工程技术人员急需解决的重要课题。近年来一些工业发达国家投入大量的人力和 物力进行智能交通系统f i t s ) 的研究，以期解决汽车带来的交通问题。随着轿车逐步进入普 通老百姓家庭，中国汽车生产量稳步增加，汽车在给我们带来方便和快乐的同时交通事故， 交通堵塞，环境污染等交通问题也随之增加。智能交通系统( i t s ) 作为解决这个社会公害问 题的有力手段受到我国汽车制造和使用部门的高度重视。智能交通系统( 简称i t s ： i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 是指将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技 术以及计算机技术、网络技术等高新技术有效地运用于整个运输管理系统，使人、车、路 密切地配合、和谐地统一，从而建立起一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、 高效的运输综合管理系统。i t s 被公认为是解决现代交通问题的最有效手段，而智能汽车 则是智能交通系统中的关键环节，直接影响智能交通系统的成败。 智能汽车也叫无人汽车，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一 体的综合系统。它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制 等技术，是典型的高新技术综合体。它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自 动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。它的主要特点是在复杂的道路情况下，能自动 地操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的道路( 轨迹) 行进p 。智能汽车在原车辆系统的 基础上主要由计算机处理系统、摄像机和一些传感器组成。摄像机主要用来获得道路图像 信息，车速传感器用来获得当前车速，障碍物传感器用来获得前方、侧方、后方障碍物信 息等，计算机处理系统主要完成对来自摄像机所获取的图像的预处理、增强、分析、识别 等工作。智能汽车致力于提高汽车的安全性、舒适性以及提供优良的人车交互界面，是目 前各国重点发展的智能交通系统中一个重要的组成部分，也是世界车辆工程领域研究的热 点和汽车工业增长的新动力“。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着科学技术的发展，特别是计算机技术、信息技术、人工智 能、电子技术的突飞猛进，智能汽车技术具有了实现的技术基础，并开始从2 0 世纪9 0 年 代进入深入、系统、大规模研究阶段。 从2 0 世纪8 0 年代中后期开始，世界上主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的研 发工作。在欧洲，普罗米修斯项目于1 9 8 6 年开始这个领域的探索。1 9 9 5 年，美国政府成 一基于智能汽车的控钢算法研究与应甩 第1 页 曼置盟蕉杰煮 曲阜师范大学硕士学位论丈 立了国家自动高速公路系统联盟( ：n h h s c ) ，该机构的目标之一就是研究反战智能车辆技术 进入实用化。1 9 9 6 年，日本成立了高速公路先进巡航辅助驾驶研究协会，主要目的是研 究自动车辆导航的方法，促进日本智能车辆技术的整体进步。 我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，2 0 世纪8 0 年代沈阳自动化研究所曾经 进行过采用地下埋线式导航的自动引导车辆( a g v s ) 的研究。 清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室在国防科工委和国家8 6 3 计划的资 助下，从1 9 8 8 年开始研制t h m r ( t s i n g h u am o b i l er o b o t ) 系列智能车辆系统，这是一种采 用图像识别来实现自动导航的智能车辆如图1 1 所示， 图1 1n 伽 智能车 北京理工大学几年来也在进行用g p s 与数字地图导航的智能车辆方面的研究。 吉林大学智能车辆课题组开展的智能车辆自主导航研究，在智能车辆体系结构、传感 器信息的获取与处理，路径识别与规划，智能车辆前方障碍物探测及车距保持等方面进行 了比较深入的研究，研制出了第一辆视觉导航车，并且由此研制了好几代导航智能车厶1 。 下图是其第二代导航车实物图， 1 2 吉大第二代导航智能车 总之，我国在智能车辆技术方面总体上落后世界上发达国家，近几年虽然做了一些初 步的研究工作，但与发达国家相比仍存在一定的技术差距4 。1 5 1 。 智能车辆技术按功能层次可以分为三层，即智能感知及预警系统、车辆驾驶系统、和 基于智能汽车的控翻算法磅究与应用第2 页 瘟o u f u 鱼n o r 鲰m a l 露u n i v 未e r 。噻t t y 曲阜师范大学硕士学位论交 全自动操作系统。上一层技术是下一层技术的基础。这三层次具体如下： ( 1 ) 智能感知及预警系统 利用各种传感器信息来获得对车辆自身、车辆行使的周边环境及驾驶员本身的状态的 感知，必要时发出预警信息。主要包括碰撞预警系统和驾驶员状态监测系统。碰撞预警系 统( c w - - c o l l i s i o nw a r n i n gs y s t e m ) ：前方碰撞警告、盲点警告、车道偏离警告、换道并道 警告、步行人检测与警告、后方碰撞警告。驾驶员监测系统主要有：驾驶员打吨警告系统、 驾驶员位置占有状态检测系统等。 ( 2 ) 辅助驾驶系统 利用智能感知系统的信息，进行决策规划，给驾驶员提出驾驶建议或部分地代替驾驶 员进行车辆控制操作。主要包括：巡航控制、车辆跟踪系统、准确泊车系统及精确机动系 统。 ( 3 ) 车辆自动驾驶系统 这是智能车辆技术的最高层次，它由车载计算机全部自动地实现车辆创造功能。目前 主要发展了用于拥挤交通时低速自动驾驶系统、自主驾驶系统、近距离车辆排队驾驶系统 矗占【1 6 - 1 7 1 寸0 当前对智能汽车的研究主要体现在以下几个方向： ( 1 ) 基于模糊控制理论的智能车辆研究 操纵和控制车辆实质上可被看作是一复杂、时变、非线性大系统的控制过程，驾驶员 对汽车的认识是建立在模糊认识基础之上的，如对汽车速度的认识就是车速很快、快、较 快、较慢、慢，对汽车的转向操纵就是左转大、左转小、零、右转小、右转大等。模糊控 制理论是建立在人类思维模糊性的基础之上的，其特点是可以用模糊性的自然语言表示知 识和用知识实现模糊推理，模糊控制的核心是在于它具有模糊性的语言条件语句，作为控 制规则去执行控制，控制规则往往是由对被控制过程十分熟悉的专门人员给出的，所以模 糊控制本质上一种专家控制，充分反映了人类的智能活动。 基于模糊控制理论的车辆的引导控制系统的目标是使各车辆都装有该系统的车队保 持前后车辆的合适车距，由引导车辆( l e a d m g v e h i c l e ) 弓i 导随后的车辆自动的行驶。模糊汽 车模型和模糊驾驶员控制模型是在汽车驾驶员环境闭环系统的研究中，模仿人类 驾驶员操纵和驾驶车辆的行为，取得了满意的效果。 ( 2 ) 基于人工神经网络技术的智能车辆研究 人工神经网络在更高层次上体现了人脑的智能行为，神经网络为解决非线性系统、模 型未知系统的控制问题提供了新的思路。人工神经网络在智能车辆的研究中主要是用于智 能驾驶员控制模型的建立，这种模型实质上是一种智能控制系统，用于车辆的智能化操纵， 部分或者全部的代替人类驾驶员。美国密执根大学交通研究所提出的基于神经网络的汽车 转向智能控制系统是人工神经网络在智能汽车研究中的一例。 基f 智能汽车的控蜘算法研究与应用 第3 页 毽癌( ，l j f u 叠n o r 软m a l 餮u n ! v 击e r $ 秀1 t ，。 曲阜师范大学硕士学位论文 利用人工神经网络来模仿人类驾驶员操纵车辆的行为，模仿驾驶员驾驶车辆通过连续 的障碍和选择最佳的行驶路线。驾驶员操纵车辆的两个主要动作，汽车方向的控制和行驶 路径的选择是分别由两个神经网络进行学习模仿的。控制行驶方向的神经网络把方向误差 和到下一门口的距离作为输入，而行驶路径选择的神经网络则学习到了人类驾驶员的操纵 车辆时对路径选择的偏好。 ( 3 ) 基于神经模糊技术的智能车辆研究 模糊逻辑和神经网络是两个截然不同的研究领域，但它们的目的是一致的，即研究人 工智能。用神经网络解决问题时，在知识的推理上还存在着相当大的困难；而在知识的获 取方面，模糊技术也显得十分的薄弱。把神经网络和模糊技术结合起来，就能互相弥补它 们的不足，使得知识的获取和加工成为种较为容易实习的事情，在越来越复杂的动态系 统和高度不确定的情况下能获得优质的控制效果，神经网络和模糊理论结合起来产生了新 的学科即模糊神经网络科学，正是由于神经模糊技术的诱人之处，国内外汽车工程界的专 家和学者及时的把该技术用到了智能汽车的研究中。 当前智能汽车的研究主要是基于模糊控制理论、人工神经网络技术和神经模糊技术等 人工智能的理论和技术而展开研究的，同时，现代控制理论、自主导航技术等先进技术在 智能汽车的研究中也有所应用。上海交通大学用现代控制理论的方法设计出了一种自动驾 驶汽车的模型，是在汽车系统的动力学建模的基础上，设计的自动驾驶汽车的转向系统， 它能根据道路的弯曲程度变化实时地计算出车辆的转向盘角度输入，控制车辆按预设道路 行驶u q 。 中国在汽车行业的地位变得越来越重要，去年，中国的轿车销售量增长2 6 ，达到3 1 0 万辆，中国大陆一举成为仅次于美国和日本的全球第三大汽车市场，并且今年的市场预测 销售量将再增长1 2 。汽车生产商需要面向市场需求推出越来越智能的汽车，而飞思卡尔 公司作为摩托罗拉公司前半导体事业部，以自己的领先技术正在将汽车的许多幻想变为现 实。 本文以飞思卡尔公司生产的m c 9 s 1 2 d g l 2 8 为核心控制芯片，它是基于1 6 位h c s l 2 c p u 的存储器产品中的中档芯片，可以提供3 2 5 1 2 k b 的快闪嵌入式存储器，单个总线 速度可达到5 0 m h z ，外围时钟可达到2 5 m h z ，片内含有丰富的i o 接口以及定时通道、 a d 转换等接口，还具备编码效益，片上纠错和向上兼容等功能，其较高的性能价格比使 其非常适合用于一些中高档汽车电子控制系统。同时其较简单的背景开发模式( b d m ) ，也 会使开发成本进一步降低，同时也使得现场开发与系统升级变得更加方便。为此，本文以 智能车模型为研究对象，研究了控制算法在智能汽车上的实现，制作了能够循迹的，快速 运动的，高性能的智能汽车。关于智能汽车硬件的改造和软件的实现将在后面的章节中进 行详细介绍。 一基f 智能汽车的控翻算法研究与应嗣 第4 页 塞熏璺髦苎篓 曲卓师范大学硕士学位论丈 1 2 本文的结构安排 第一章绪论介绍智能汽车的国内外的发展历史和现状及研究本课题的意义，提出了研 究智能汽车的目的和所要达到的目标。第二章着重介绍智能汽车硬件电路的设计包括核心 控制电路的设计，驱动电机的设计，转向舵机的控制和道路信号采集模块的设计等。第三 章介绍开发环境c o d e w a r r i o r 、开发工具b d m 的使用，并重点介绍控制算法的研究及其实 现。第四章整体介绍智能汽车的组装及实验过程中遇到的问题。第五章说明了智能汽车的 研究意义及发展前景。 一基于智能汽车的控翻算法研究与应用 第5 页 函o u 。：u 乌n o r 熟m a l 嚣u nk v 虫e r ：s 睡i t y 曲阜师范大学硕士学位论文 第2 章智能汽车的硬件设计及实现 2 1 智能汽车总体描述 智能汽车采用了第二届“飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛时使用的智能汽车模 型。该智能汽车模型配备有标准驱动电机、转向舵机和可充电蓄电池。智能汽车的硬件部 分以车模为载体，以驱动电机、转向舵机、可充电蓄电池、道路信号采集模块、信号显示 模块、m c 9 s 1 2 d g l 2 8 单片机、电源管理模块、电机驱动模块、测速模块为开发控制单元， 外加相应的端口、接线等几部分争捌。智能汽车系统构成框图以及各组成部分间的关系如 下图所示， 图2 1 系统结构框架 如图2 1 智能汽车的工作原理是道路信号采集模块将采集到的道路信号传输到 m c 9 s 1 2 d g l 2 8 单片机，m c 9 s 1 2 d g l 2 8 单片机经控制策略由输入信号得到输出信号，分 别控制驱动电机，转向舵机并且把信号显示出来：电源管理模块负责给单片机，电机、舵 机、测速模块、信号显示等各个模块供电。 实际制作完成的智能车车体长度为4 0 0 r a m ，宽为2 5 0 m m ，高度为1 0 0 m m ，重量为 l1 0 0 9 。直流驱动电机输出最高功率为4 0 w ，智能车平均工作电流3 0 0 0 m a ，赛道信息检测 频率为1 0 8 h z 。 下图是设计完成后的智能车实体图。该智能车的前端是信号采集模块，用个两维的支 一基于智能汽车的控翻算法研究与应羽 第6 页 曲q u f u 辅n c , r i , i a 。笔缫 曲阜师范大学硕士学位论吏 架支撑，支架固定在智能车的最前端，可以前后伸缩调节信号采集模块相对车的距离，控制 智能车的前瞻性，也可上下调节控制信号采集模块相对道路的高度。智能车上白色网状盖 子部分是信号显示模块，其后是智能车的中枢部分，由m c 9 s 1 2 d g l 2 8 开发的最小开发系 统，负责信号的处理，转向的判断以及速度的控制等。在最小开发板的左边有四个芯片， 这是智能车的稳压的部分，信号采集模块的电源供给，舵机、驱动电机的电源供给和 m c 9 s 1 2 d g l 2 8 单片机的电源的供给，相当于一个供电站，负责电压的转换。黄色和红色 按钮分别是电源开关、直流电机的开关。在黄色按钮下面，黄色长条状的物体即为智能车 的电源，6 节并联的镍镉电池，电压总量为7 2 v 。设计完成的实物智能汽车车体如下图所 示， 图2 2 智能汽车模型 2 2 中央处理单元m c 9 s 12 d g l2 8 该单元为核心控制单元，在整个智能汽车中起着大脑的作用，负责处理从信号采集模 块得到的信息，由此控制舵机的转向舵角，控制直流驱动电机的转动速度并且把信息在信 号显示模块上显示出来。 2 2 1 单片机m c 9 s 1 2 d g l 2 8 简介 单片机采用塑料方形扁平式封装。该芯片有8 0 p i nq f p ( p l a s t i cq u a df l a tp a c k a g e ) 和 11 2 p i nl q f p ( l o w p r o f i l eq u a df l a tp a c k a g e ) 两种封装，相比较而言11 2 p i nl q f p 功能更完 善，资源更丰富，所以在这里我们使用了1 1 2 p i nl q f p 的m c 9 s 1 2 d g l 2 8 单片机。该单片 机采用5 v 供电，总线速度2 5 m h z ，内有9 1 个i o 端口，8 k b 的r a m ，1 2 8 k b 的f l a s h ， 2 k b 的e e p r o m ，2 路s p i ，2 路c a n 总线，1 6 路1 0 位d 转换，1 个i i c ，8 路8 位 基于智能汽车的控翻算法研究与应用第7 页 墓童堕筑苎熏 p w m 和8 路1 6 位定时裂2 。其外形如下图所示。 曲阜师范大学硕士学位论丈 善主 垂星 震l l l l 蘸茔 ，竺r - 兰璺璺垒曼曼堇曼壁董曼2 薯长譬堙葛霉g ；28 霉岳譬墟辨b 洲 墨 留1 1 2 0 5 8 4 耀89 0 5 丽1 5 8 蛤4 9 ! 洲$ c 1 0 8 1 瓣6 18 4 6 $ c 1 i s 0 1 黑盛拦鬻怒!s 笛1 叽1 8 1 d g ! p 哪田舢 伯1 7 1 0 1 谪叫s c l 鏊裂函3 s c l 0 2 猫。詈昆：篙器 1 t l 黜罂器鬻熘 t 2 f p! ! 卜om m m “ 舶南金晶g 曩高壕焉高器曩雩；孽零尊譬霉聿零霉8 互盘露芷瑶醴钉p 黼嘲 图2 3m c 9 s1 2 d g l 2 8 管脚分布图 如上图所示其中e x t a l , x t a l 是晶振管脚；r e s e t 是外接复位管脚；p a d 1 5 是通道 1 模拟量输入端1 3 1 和外部触发输入端口；p a d 1 4 ：8 是通道1 模拟量输入端口；p a d 7 是通 道o 模拟量输入端口和外部触发输入端1 2 ；p a d 6 ：0 是通道0 模拟量输入端口；p a 7 ：0 是 i o 口，地址数据复用端口；p b 7 ：0 是i o1 3 1 ，地址数据复用端口；p p 7 ：0 也是i o1 2 ，同 时也是中断控制1 2 ，还是8 路p w m1 2 ，p p 3 ：0 】还肩负着s p i 端口的功能：此外 p e 7 ：0 ，p h 7 ：0 ，p j 7 ：0 ，p k 7 ：0 ，p m 7 ：0 ，p s 7 ：0 ，p t 7 ：0 都是i o 端1 3 1 ，但同时又都有第二功 能，这里就不一一详细叙述，基于本课题，在设计和制作智能车的时候，选择了其中的一 部分作为输入输出端口。这里采用了p a 口、p b 口和p k 口作为i o 端口，用作光电传感 器信号的输入；p p 端口其中的四路作为输出端口，其中p w m 4 和p w m 5 用来控制直流电 一基于智能汽车的控裁算法研究与应用 第8 页 蘑罩0e芝fo)cl正q垂鬯eb2s琶_l，l鬯帚占zsr帚蕞_摇搿j 、v b 口，1l口舌点睡芒莹墓i量釜七-i耋_d曲l毒乏l兰莹d壹访窭圣芒；壬舌亡彳 麓鬻勰蠕揣勰镒熏一 蕊曲牟评# 劣辔鼋辔董触母矸耗方辔 b j 每筘7 o u 。un 9 r “ tu n i v e r s t t y 曲阜, j c f g 天尹硕壬学径云蚊 机，p w m 2 和p w m 3 用来控制舵机瞄“。 2 2 2m c 9 s 12 d g l2 8 的最小系统 本课题采用第二届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛提供的控制芯片为核心控制 单元，下图为其提供的基于m c 9 s 1 2 d g l 2 8 芯片所开发的最小开发系统。利用该最小开发 系统几乎可以完成m c 9 s 1 2 d g l 2 8 单片机的所有功能，并且开发简单，省去t n 作电路板 这一费时费力的步骤。在设计过程中，直接使用了该最小开发系统作为核心控制单元。该 最小开发系统如下图所示， 图2 4m c 9 s1 2 d g l 2 8 开发板 图2 4 是m c 9 s 1 2 d g l 2 8 单片机的最小开发板。此开发板将d g l 2 8 的1 1 2 个引脚全部 引出，并且由p b 端口引出8 个l e d 灯，能够完成基本的单片机控制l e d 灯的测试实验。 此开发板上还集成了电源接口、复位电路、串口通信、晶振电路和b d m 调试接口，方便 程序的在线调试和快速下载。电源部分由1 个外部电源插座及其供电电路和电源指示电路 组成；复位电路部分由一个键盘，两个电阻，一个电容构成；串口通信部分由m a x 2 0 2 电 平转换电路、1 个串行端口组成；晶振电路由1 6 m h z 的晶振和外围阻容件组成；b d m 调 试接口由一个2 * 3 的排针组成。在设计过程中，我们制作了一块母版，该最小系统由插针 与母版相接，从而连入电路。 2 3 直流电机及电机驱动 2 3 1r s - 3 8 0 s h 型直流电机 对于智能汽车的发动机部分，我们选用了r s 3 8 0 s h 型直流电机作为智能汽车的动力 驱动，该直流电机的工作电压在给定电源电压范围内，空载电流比较小，输出功率可调， 是理想的智能汽车的驱动电机。其工作电压是7 2 v ，空载电流是o 5 a ，输出功率的范围为 o 9 叫0 w 。在智能汽车的设计过程中我们把直流电机安置在智能汽车的后面，使用 m c 3 3 8 8 6 作为其驱动芯片，该芯片我们将在下面一节进行介绍。 基于智能汽车的控翻算法研究与应用 第9 页 固商o u f u 盔n o r 鲰m a l 誉u n t v 未e r ：s 喀| t y r s 3 8 0 s h 型直流电机的机械特性如下图所示， 曲阜姆范大学x 臻r ：王- - 学位论文 图2 5r s 3 8 0 s h 型直流电机的机械特性 图2 5 左边是直流电机的前端剖面图，中间是直流电机的侧面剖面图，右边是直流电 机的背面剖面图。 在实际设计电路的过程中，我们重点考虑直流电机的电气特性，表2 1 详细介绍了 r s 3 8 0 s h 型直流电机的电气特性。 表2 1 电压空载最大效率时的负载特性堵载力矩 使用标称转速电流转速电流转矩输出转矩电流 范围值 r m i nar r a i nan a n 1 1 1 g c m w i n n m g c m a 3 9 v7 2 v1 6 2 0 00 51 4 0 6 03 2 9l o 91 l i1 6 08 2 38 3 92 1 6 如表2 1 所示，r s 。3 8 0 s h 直流电机的电压标称值是7 2 v ，在智能车中我们使用的电 源是由六节相同型号的能提供1 2 v 供电电压的电池串联起来的电池组，该电池组供电电压 是7 2 v ，所以在设计制作过程中可以直接用电池组给直流电机供电。堵载力矩电流是 2 1 6 a ，电流很大，在使用过程中一定不能使电机堵转否则发热过大可能会烧毁直流电机。 2 3 2 直流电机驱动电路的设计 当前典型的直流电机的调速方法为脉冲宽度调制即p w m 脉冲调制，通过调制p w m 波形的占空比来控制直流电机的转速。本课题中我们使用电机集成驱动芯片m c 3 3 8 8 6 来 驱动直流电机“倒。其外形如下图所示， 幽 1 2 0 21 9 3伯 4 7 6 8 81 5 71 4 e1 3 91 2 1 0 1 f 尸司 图2 6m c 3 3 8 8 6 管脚分布 一基于智能汽车的控裁算法研究与应用 第l o 页 劫q u f u 算n o r 奸m a l 笤u n i v 乒e r s 亏i t y 曲阜婚范大学硕士学位论文 由图2 6 可以看到m c 3 3 8 8 6 芯片的左右两排引脚大体一样，其实m c 3 3 8 8 6 芯片h 桥 单片电机驱动芯片，由于在智能车设计上不要求倒车，可以只使用其中的半桥，并且将两 个半桥并联使用增大驱动能力。在本课题中，我们不仅将两个半桥并联使用，还将两个 m c 3 3 8 8 6 并联使用来增大电机的驱动能力。 驱动芯片m c 3 3 8 8 6 的特性参数： ( 1 ) 工作电压：5 _ - 4 0 v ( 2 ) 导通电阻：1 2 0 r o d , ( 3 ) 输入信号：t t l c m o s 电平 ( 4 ) p w m 频率：输入p w m 频率要求小于1 0 k h z ( 5 ) m c 3 3 8 8 6 芯片有短路保护保护功能 ( 6 ) 有欠压保护功能 ( 7 ) 有过温保护功能 下图中，使用了两片m c 3 3 8 8 6 ，i n l ，i n 2 接p w m 口，同时把两路8 位p w m 并作一 路1 6 位的p w m ，来增大驱动能力。两片m c 3 3 8 8 6 的输出分别并联，增大了m c 3 3 8 8 6 的 输出电流，相应的输出功率也增大，使驱动能力提高陶。驱动电路图如下所示， 嘲 啪 娜 烈 p 1 5 4 3 2 l e l 4 7 庐 u l 巨 l 积舶 a i m m ja g l x dv 黔 p i s k dv p 3 p g l x dv p 3 i 功锄d 2 ip 姗d l 1 一 m c 3 3 8 酾 6 r 1 4 1 5 _ _ 4 r 1 6 1 3 磁 匿1 k 2 品1 ：罐 o 【m o 盱1 o m a f r 2 图2 7 电机驱动电路图 一基f 智能汽车的控帑3 算法研究与应用 础 第l l 页 号嘏 懈懈m 观m 固商o u f u 鱼n o r 纸m a l 襞u nj v 未e r 。秀t y 。 曲阜师范大学- 硕士学位论文 如上图，u 1 ( 上片m c 3 3 8 8 6 ) 的i n l 和u 2 ( 下片m c 3 3 8 8 6 ) 的i n 2 接i p l 的5 端， u 1 的i n 2 和u 2 的i n l 接i p l 的4 端，u 1 的两个o u t l 并联后与u 2 的两个o u t 2 并联 后再并联起来，接电机的一端，同理，u 1 的两个o u t 2 并联与u 2 的两个o u t i 并联后再 并联起来接直流电机的另一端。u 1 和u 2 的d i 端接低电平，i p i 的地e n d ，使m c 3 3 8 8 6 为h 桥输出方式，u 1 和u 2 的d 2 端接高电平，作用与d 1 端接地相同。 2 4 信号的采集方案 道路信号采集模块是智能车系统的关键模块之一，信号采集方案的好坏，直接关系到 最终智能车性能的优劣，道路信号采集是整个智能车设计过程中的关键部分，只有采集到的 信号稳定，快速，才可以保证后续工作能够完全顺利的开展。在课题设计过程中，我们实 验了两种信号采集方案，方案一使用光电传感器，利用光电传感器对颜色的反射率的不同， 判别智能车与黑线的相对位置，从而使智能车很好的跟踪黑线运动，优点是方法简单，信 号处理速度快。方案二使用c c d 摄像头，限于所选控制芯片的限制，必须降低图像的分 辨率，由于赛道只有黑白两种颜色，所以采用像素比较低的图像，经过图像处理以后，是 可以判断出黑线的位置的，进而使智能车进行跟踪1 。经过比较方案一和方案二，方案一 实现比较简单，算法设计上可以使用p i d 算法和模糊控制算法等，方案二使用c c d 摄像 头，必须经过图像处理得到准确的赛道信息，在本课题最终设计完成的智能车上采用了方 案一的光电传感器来实现道路信号的采集钉。 2 4 1 光电传感器r p r 2 2 0 1u 哪口嘲喇k _ _ 腑 p 0 2 2 埘m e 惦帅h 蹦蛐怕 i 口膏啊翻啊咐 图2 8r p r 2 2 0 封装图 在光电传感器的选择上，本课题使用了发光二极管和接收三极管一体的r p r 2 2 0 作为 光电传感器。r p r 2 2 0 是一种一体化反射型光电探测器。其发射器是一个砷化镓红外发光 二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。采用d i p 4 封装，发射器和接收 一基亍智能汽车的控裁算法研究与应最 第1 2 页 曼曼缝缫 由阜师范大学硕士学位论文 器都有两根引出脚，其中长脚为正极，短脚为负极。r p r 2 2 0 集成了发光二极管和接收三 极管，省去了制作的麻烦，提高了检测信息时的准确性，使设计过程灵活简便，并且r p r 2 2 0 的功耗比较低，适合在设计中多量的使用，所以在设计智能汽车时选择使用r p r 2 2 0 光电 传感器作为检测元件。其封装形式如上图所示。 r p i 匕2 0 的主要特点及特性参数： ( 1 ) 塑料透镜以提高灵敏度 ( 2 ) 内置的可见光过滤器以减小离散光的影响 ( 3 ) 体积小结构紧凑 ( 4 ) 集电极功耗：8 0 r o w ( 5 ) 工作环境温度：2 5 - 8 5 ( 6 ) 贮藏温度：3 0 一8 5 r p r 2 2 0 最大绝对额定值参数表，如表2 2 所示， 表2 2 参数符号 极限值单位 正向电流 lf 5 0 m a 输入( 发光 二极管) 反向电压 5v 功耗 p d 8 0m 形 集电极发射极电压 肋 3 0v 输出( 光电发射极集电极电压y c d 4 5v 三极管) 集电极电流 i c 3 0 m a 集电极功耗 尸c 8 0 m 形 工作温度 t o p r 一2 5 一斗8 5 贮藏温度乃留 一3 0 斗8 5 表2 3 参数符号最小值典型值 最大值单位成立条件 输入特性正向电压 矿， 1 3 41 6vlf 2 5 0 m a ( 发光二 极管) 反向电流 lr l o g ay _ _ 5 v 输出特性暗电流 i c e o o 5 ：a e 2 1 0 v ( 光电三 极管) 峰值灵敏波长 以 8 0 0姗 集电极电流 ic 0 0 8o 30 8m a 2 2 v ，2 1 0 m a 集电极发射极饱lf2 2 0 m a ，i c 卸1 传输特性 和电压 ( 删) o 1o 3v m a 矿c c2 1 0 v ，f2 2 0 响应时间 钉堪 1 0筇 m a ，r 。1 0 0 q 基于智能汽4 z 的控钢算法研究与应用 第1 3 页 曲q 。i f u 算n o r 评m a l 笤u n i v 乒e r s 亏i t y 曲阜师范大学硕士学位论文 表2 3 是r p l 2 2 0 的电气特性参数和光学特性参数表。表2 2 是r p r 2 2 0 最大绝对额定 值参数表，列出了发光二极管和接收三极管的极限值。在表2 3 中列出了输入二极管的正 向电压，反向电流和输出三极管的暗电流以及峰值灵敏波长，最后一项列出了r p r 2 2 0 的传 输特性，并且列出了在一定条件下的最大，最小和典型值。单个r p r 2 2 0 的测试电路图， 如下图所示。 v 5 图2 9r p r 2 2 0 电路连接示意图 发光二极管经一个1 2 0 f 2 的限流电阻接+ 5 v 电源，若接收三极管处于黑色位置时，黑 色的吸光性强，发光二极管发射的光被接收三极管接收到的比较少，则接收三极管不导通， 送给l m 3 2 4 运算放大器( 在后面一节将详细介绍) 6 端的电压比5 端的比较电压大，经 l m 3 2 4 运算放大器7 端输出低电平，不能使接3 3 k 的限流电阻的l e d 发光管发光，同理 若接收三极管处于白色位置，白色反光性强，接收三极管导通，l m 3 2 4 运算放大器7 端输 出高电平，使l e d 发光管发光。在这里接l m 3 2 4 放大器5 脚的可变电阻r 1 3 可以调节 r p r 2 2 0 对赛道的敏感度，增加r p r 2 2 0 的抗干扰能力。 在完成的智能车上，由于在同一时间一个r p r 2 2 0 只可以检测到一个点，对于运动中 的智能车只检测赛道上的一个点，检测到的参数太少。我们使用了1 0 个r p r 2 2 0 以一字型 的方式排布在智能车的前面，同一时间可以检测到智能车前面1 0 个点的赛道的信息，根 据这些信息足够判断赛车前进的方向和行进的速度。 基于智能汽车的控翱算法研究与应用 第1 4 页 曼童缝缫 曲阜烬范大学硕士学位论文 采用1 0 个r p r 2 2 0 构成的赛道信息检测模块示意图如下所示， 图2 1 0 赛道检测模块中光电传感器的分布示意图 如上图所示光电传感器r p r 2 2 0 的分布图。光电传感器的排列方法、个数、彼此之间的 间隔都与控制方法密切相关。一般的认识是，在不受到外部因素影响的前提下，能够感知 前方的距离越远，行驶效率越高。在本课题中我们使用了简单的一字型布局，因为赛道导 引黑线的宽度为2 5 r a m ，因此在设计安装传感器时将中间8 个传感器的间距大部分定为 2 4 5 m m ，稍稍窄于线宽，其中中间两个传感器的间距为1 5 r a m ，适当减小间距以提高稳定 性，两边的传感器距内侧相对较远，间距为3 6 m m ，主要为了增大探测范围。另外适当调 整检测模块与水平的夹角，可以增加智能车的前瞻性”。 2 4 2 集成运算放大器l m 3 2 4 l m 3 2 4 是四运放集成电路，它采用1 4 脚双列直插塑料封装，在本设计中光电传感器 r p r 2 2 0 上传的信号电平太弱，不能驱动后续电路，所以设计时使用了集成运放。该集成运 放应用范围广，功耗低，价格低廉，所以采用l m 3 2 4 作为集成运放。其外形如下图所示 1 0 u t 1 l n 一 1 i n + v c c 2 i n + 2 l n 一 2 0 u t 4 0 u t 4 i 争一 4 i n + g n d 3 i n + 3 i n 一 3 0 lj t 图2 1 1l m 3 2 4 引脚排列 该芯片内部包含四个完全相同的运算放大器，共用电源，四个运放相互独立。每一个 运算放大器可用下图所示的符号来表示， 图2 1 2 放大器符号 一基于智能汽车的控翻算法研究与应琨 第1 5 页 曼童驻笔缫 曲阜师范夭学- 硕士学位论文 该运算放大器有5 个引出脚，其中+ ，为两个信号输入端，v + ，v 为正负电源， v o 为输出端。两个信号输入端中，+ 为同相输入端，表示运放输出端v o 的信号与该输入 端的相位相同；为反相输入端，表示运放输出端v o 的信号与该输入端的相位相反。 l m 3 2 4 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优 点，被广泛应用在各种电路中，例如，反相交流放大器，同相交流放大器，有源带通滤波 器，比较放大器，单稳态触发器等。 2 4 3 速度信号的采集 在设计过程中考虑到车模机械结构的特性，必须采用体积小，重量轻的速度传感器。 就目前常用的测量速度的几种方案，经过综合比较，考虑系统的稳定性等因素，决定采用 自制的测速传感器。 该测速传感器由一个自制的码盘和一对光电二极管组成，码盘平均分成1 6 份，黑白各 8 份，光电二极管垂直正对码盘照射，当码盘随轮转动光电二极管的采集管输出高低变化 的电平，通过运算放大器对采集到的信号滤波，并输入到单片机，并让单片机对脉冲计数。 由于速度不同，单位时间内的脉冲个数不同，这个脉冲数值便可代表小车的速度。只需测 定出每个设定速度对应的标准脉冲数作为给定信号，而实时状态下得到的脉冲个数便能直 接在p i d 调节中作为速度反馈信号。 2 5 舵机 2 5 1 舵机的工作原理 在智能汽车设计过程中，舵机用来控制智能汽车的方向，智能汽车采用了的舵机的的 型号是$ 3 0 1 0 ，它是通用伺服器，成本低，有较高的扭矩。$ 3 0 1 0 有4 8 v 和6 0 v 两种工作电 源可供选择。采用6 0 v 供电时，舵机的响应速度快，动作速度为0 1 6 + o 0 2s e c 6 0 度，堵转 力矩较大，输出扭矩为6 5 1 3k g c m 。在本设计中，希望舵机具有较高的灵敏度，因此我 们选择了6 o v 的工作电压。该电压由稳压器件7 8 0 6 提供。 该舵机伺服系统采用变结构控制器和p m w 脉冲调宽功放电路驱动舵机的方式。整个舵 机结构包括减速齿轮组，位置反馈电位计，直流电机等。下图为舵机控制结构图： 图2 1 3 舵机控制结构图 舵机工作原理：减速齿轮组由电机驱动，其输出轴带动一个线性的比例电位器作位置 一基于智能汽车的控钢算法研究与应用 第1 6 页 曲o u f u 算n o r 懈m a 。u n ! v e r s 孝i t y 曲阜师范大孝硕士学位论文 检测，该电位器把转角线性地转换为电压并反馈给控制线路板，然后控制线路板将其与输 入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向转动，使齿轮组的输出位 置与期望值相符，从而达到使伺服马达精确定位的目的川。 2 5 2 直流电机的数学模型 舵机和驱动电机采用的均为直流电机，其数学模型可描述为： 1 ) 平稳运行时，满足 虬= e + ，o r o e = e 锄 乙= q 咖a 乞t 一、一一r o ci = s o c 万 其中：乩为电动机电枢的输入电压； 公式( 1 ) 公式( 2 ) 公式( 3 ) 公式( 4 ) e 为电动机电枢产生的反电动势； l 为电枢绕组中的电流； 兄为整个电枢绕组电路的等效电阻； e 为电动机的电动势常数； 痧为电动机的每极磁通( 单位为韦伯) ； e 为电动机的转矩常数； 乙为电动机的电磁转矩； 刀为电动机轴的转速 2 ) 电动机在启动、停止及加、减速运行时，电枢电流会有变化，此时的电动机的动态平衡 方程为： b a = l a _ d y j f t j + i 誊t ) r a + c 尹n 砀= 警+ 马 公式( 5 ) 公式( 6 ) 其中厶为电枢的等效电感，厶( k , m s 2 ) 电动机负载折合到电动机轴上的转动惯量，国为 电机轴的角速度( 单位为r a d s ) ，z 为负载的摩擦转矩和电动机的空载转矩之和。 整理公式( 1 ) 至公式( 5 ) 并经拉普拉斯变换，得( 7 ) 式： 刀倒一 e 西 u 心i 掺妒+ 掺州咖2q 西2 一基t 智能汽车的控翻算法研究与应用 公式( 7 ) 第1 7 页 璧童篡鬣杰篓 曲阜师范大学硕士学位论文 由于在实际的系统中，乙相对于兄来说要小1 到2 个数量级，因此可以简化为( 8 ) 式： l 拧例一 e 西 u 。每s + l c 二西。 公式( 8 ) 因此，直流电机可以看作为一个i 型系统。其它部分可近似看成一阶惯性环节。 2 5 3 舵机的控制 输入正脉冲的宽度对应着舵机输出的角度，在这里输入正脉冲的周期是2 0 m s ，单个正 脉冲是0 s m s 。输入一个正脉冲时反向最大角度，9 0 度，两个正脉冲时对应- 4 5 度，依次 类推，直到五个正脉冲时转到正向最大角度，+ 9 0 度。如下图所示， 输入正脉冲( 周期2 0 m s ) 转动角度 图2 1 4 舵机转角控制图 2 6 电源管理模块 2 6 1 电源的管理及分配 智能车硬件电路的供电系统由电源管理模块提供，为了保证各部件正常的工作，我们 需要对7 2 v ，2 0 0 0 m a h 的电源进行电压调节，电源管理模块示意图如2 1 5 所示 图2 1 5 中的电源采用的是国产镍镉可充电电池，单个镍镉电池只能提供1 2 v 的供电 电压，在智能车上我们使用的是六节相同型号的电池串连起来从而得到7 2 v 的电池组， 一基于智能汽车的控韵算法研究与应用 第1 8 页 劬o u f u 霹f l o 。铭m a lu n ! v 乒e r $ 孝1 t y 曲阜师范大学硕士学位论文 其标称容量为2 0 0 0 m a h 。因为电源作为智能车的心脏，其性能的好坏将直接影响整个车的 运行，所以要正确的管理和使用镍镉电池，在管理和使用的过程中必须做到以下几点： ( 1 ) 正确充电。如果电池充电不满，将直接影响到智能车的运行时间，而过充电又会降 低电池性能甚至发生危险，在设计过程中，我们使用比赛提供的充电器，严格控制充电时 间。 ( 2 ) 合理放电。由于镍镉电池具有记忆效应，对电池的不完全放电将会人为的降低电池 的电容量，同时，深度放电又会导致电池内部结构的变化，造成对电池的永久伤害。在设 计过程中，我们对电池的使用做到了电池工作不离人，电压降低及时充电，有效的延长了 电池的寿命。 ( 3 ) 绝对避免电池外部短路；绝对禁止加热电池；不在电池上焊接；不拆解，不混用电 池。 图2 1 5 电源管理示意图 2 6 2 稳压芯片7 8 0 5 在智能车设计过程中，使用的电源是7 2 v ，而处理器m c 9 s 1 2 d g l 2 8 ，道路信号采集 模块，信号显示，测速模块需要+ 5 v 电压，舵机需要+ 4 8 v 或+ 6 v 的电压，直流电机需要 + 7 2 v 的电压，可以用电源直接驱动，但是在加速或急停的时候，对电源的稳定性影响比 较大，需要使用大电容来缓解。对于+ 5 v ，“8 v ，+ 6 v 电压，采用稳压芯片来获得。使用 7 8 0 5 从电源得到+ 5 v 电压，使用7 8 0 6 从电压得到+ 6 v 电压。7 8 0 5 和7 8 0 6 同属于7 8 系列 的集成稳压电路元件，这里我们只介绍7 8 0 5 的特性和应用实例。 7 8 0 5 系列为3 端正稳压电路，t o 2 2 0 封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围 广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达1 a 。使用外接元件，可 获得不同的电压和电流。其外形图和引脚排列如图2 1 6 所示。 7 8 0 5 的主要特性和参数： 基于智能汽车的控割算法研究与应用。 第1 9 页 诋密餐锋露古李