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智能车竞赛专题培训 主讲 张树波 共青团北京联合大学委员会 赛车的意义汽车及车模简介电池使用方法赛道及比赛规则研究项目介绍关于电机驱动关于舵机驱动关于赛道检测方式最佳路线问题飞斯卡尔单片机介绍软硬件设计注意事项工程化方法与团队精神答疑时间 赛车的意义 该竞赛与教育部已举办的数学建模 电子设计 机械设计 结构设计4大专业竞赛不同 是以迅猛发展的汽车电子为背景 涵盖了控制 模式识别 传感技术 电子 电气 计算机 机械等多个学科交叉的科技创意性比赛 引导和激励学生实事求是 刻苦钻研 勇于创新 多出成果 提高素质 发现和培养一批在学术科技上有作为 有潜力的优秀人才 汽车及车模简介 二通道遥控赛车车模 车模调校的主要参数后倾角外倾角前束减震弹簧预紧力 电池使用方法 参数 电压 1 2 6 7 2v容量 2000mAh 放电曲线 在3A的大电流放电条件下得到的结果 电池使用方法 正确充电 推荐使用比赛选配的充电器 该充电器是为玩具电池设计的廉价的充电器 内部没有智能充电控制电路 只能采用恒功率充电模式 最大充电电流为700mA 平均充电电流300mA 涓流充电电流小于100mA 充电时间约为10小时 电池使用方法 正确放电 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 从放电曲线可以看出 随着电池电量的减少 其电压也会逐渐降低 当电压降低到某个阈值后继续放电 电池电压将很快的跌落 这个阈值就是电池的放电下限电压 厂家给出了放电下限电压为6V 因此 在使用时 建议在动力车的电源设计中加入电池保护电路 当电池电压低于6V时切断电路 用来保护电池 如果没有保护电路 要注意 电池接通时人不要离开 因为当电池电压降到接近6V时 电池已经给不出多少电流 已经没有能力驱动电机了 此时一定要及时断开电路 到了给电池充电的时候了 赛道及比赛规则 赛道材料 KT板 高密度 白色 0 5厘米厚 中心黑线 为黑色即时贴经过裁减而成 7Of63 赛道及比赛规则 详细参考资料第二届智能车竞赛专网联合大学团委网站书籍作者 卓晴等编ISBN 781124022X出版社 北京航空航天大学出版社定价 36 50元 用指定车模沿黑线跑两圈取单圈最快者为胜 研究项目介绍 汽车动态分析车速控制系统方向控制系统赛道检测系统电子控制系统策略规划系统行为决策系统路况记忆系统数据传输系统 模型车电机特性 电机特性和MC33886芯片 一 电机特性 RS 380SH 一 电机特性 RS 380SH 一 电机特性 RS 380SH 一 电机特性 RS 380SH 二 MC33886芯片 特性 工作电压 5 40V导通电阻 120毫欧姆输入信号 TTL CMOSPWM频率 10KHz短路保护 欠压保护 过温保护等 二 MC33886芯片 二 MC33886芯片 二 MC33886芯片 应用说明 多个MC33886并联使用 二 MC33886芯片 应用说明 使用半桥 由于赛车过程中不时用倒车 所以可以只使用其中的半桥 并且将两个半桥并联 扩大芯片的驱动能力 使用其中的一个半桥驱动电机 使用另外一个半桥作为12V升压电路为CCD提供工作电源 二 MC33886芯片 使用说明 规则中的电容限制全部电容容量和不得超过2000微法 电容最高充电电压不得超过25伏 电机加速与减速限制 避免对于工作电源的影响 二 MC33886芯片 使用说明 PWM频率限制 10KHz 二 MC33886芯片 使用说明 PWM频率限制 10KHz 二 MC33886芯片 使用说明 PWM频率限制 10KHz 关于舵机驱动 舵机内部结构舵盘 齿轮组 位置反馈电位计 直流电机 控制电路板等 工作原理脉宽信号给定参考位置 舵机内部电路通过反馈控制调节舵盘角位 舵盘角位由PWM控制信号的脉宽决定 关于舵机驱动 舵机基本参数型号 S3010电压 4 0 6 0 V 角度控制 1 400us工作速度 0 16 0 02堵转力矩 6 5 1 3 Kg cm 关于舵机驱动 舵机控制方法 三线连接方式红线 电源线 6V蓝线 地线黑线 PWM控制信号 使用S12PWM输出控制舵机 舵机简介S12PWM控制舵机 一 舵机简介 舵机功能舵机结构舵机的基本参数舵机控制方法 舵机的功能 舵机最早出现在航模运动中 发动机进气量 副翼舵面 水平尾翼舵面 垂直尾翼舵面 赛车中控制前轮转向 舵机的结构 舵盘 减速齿轮组 位置反馈电位计5k 直流电机 控制电路板等 工作原理 控制信号 控制电路板 电极转动 齿轮组减速 舵盘转动 位置反馈电位计 控制电路板反馈 控制量 舵盘角度 舵机的基本参数 HS 925 尺寸 39 4 37 8 27 8重量 56g工作速度 0 11sec 60 4 8V 0 8sec 60 6 0V 堵转力矩 6 1kg cm 4 8V 7 7kg cm 6 0V 工作角度 45度 400us 舵机的连接方法 三线连接方法 黑线 底线 红线 电源线 两种标准 4 8V 6V 蓝线 黄线 控制信号线 颜色区分电源线和底线 标准驱动模型 实测波形 0度 实测波形 15度 舵机的控制方法 实测波形 30度 实测波形 15度 舵机的控制方法 实测波形 30度 转角与脉宽 舵机的控制方法 脉宽与转角 信号产生方式 软件计数方式 定时器中断方式 PWM硬件产生方式 等 S12PWM控制舵机 S12PWM控制器 具有8路PWM输出端口 具有独立的8路8bitPWM输出 或者4路16bitPWM输出 具有A B SA SB时钟源 S12PWM发生器 S12PWM控制舵机 举例使用PWM4 5合成16bitPWM输出 PWM4 控制信号 PWMCTL CON45 0 x1 PWMPER4 5 60000 50HzPWMDTY4 5 1500 3 1500usBUSosc 24MHz S12PWM控制舵机 规则限制 伺服电机个数不超过3个 不可以通过提高工作电压提升舵机的性能 不可以更换舵机 S12PWM控制舵机 控制说明脉宽范围 对应舵机旋转角度 一方面舵机的极限位置 另一方面考虑到车模转向的极限 可以通过测试得到大约40度左右 PWM周期 可选择50 200Hz S12PWM控制舵机 控制说明 舵机的响应时间对于控制非常重要 一方面可以通过修改PWM周期获得 另一方面也可以通过机械方式 利用舵机的输出转距余量 将角度进行放大 加快舵机响应速度 关于赛道检测方式 赛道路径几何特点由直线和圆弧组成 赛道路径检测内容确定路径中心位置 确定路径方向 确定路径曲率 需要在赛道垂直方向上3 5点便可确定道路参数 赛道路径检测方法 韩国赛道图 赛道路径检测方法 光电管阵列 CCD 线阵CCD 面阵CCD 黑白 激光扫描器 电磁感应 超声检测等 基于光电管赛道参数检测方法 光电管阵列优缺点 优点 简单 响应快速等 缺点 空间分辨率低 水平分辨率 16pixel 线 可以采用细分的方法进行优化 受到大赛规则传感器个数限制 垂直分辨率 只能检测一点位置 占用 端口资源多 安装固定 接线较困难 容易受到外界环境影响 基于面阵 赛道参数检测方法 使用面阵 检测路径参数的优点 分辨率高 识别路径参数多 中心位置 方向 曲率 占用 端口资源少 转换 一路中断输入 一路 口输入 通过算法减少外部环境影响 基于CCD路径检测方法难点及解决方法 12of18 采集速率 图像的分辨率 水平高 垂直低 存储空间 DG1288KRAM处理速度 图像采集 处理 控制等等 电源电压 12V工作电源 用S12采集图像 采集速率 S12AD转换速率10bit 7us视频信号一行时间 64us 有效图像时间300线 帧 矛盾 采集速率路径检测需要图像特点 水平分辨率 高 垂直分辨率 低 3 5点矛盾 如何解决 解决 采集速率 解决方法摄像头水平旋转90度 水平分辨率 垂直分辨率 附加手段 采集速率 解决方法采用CPU内部总线超频 48 规则没有限制CPU超频 初步计算 采集速率 解决方法 摄像头旋转90度 CPU超频 可以得到300 48分辨率图像 可以满足道路检测需要 实际需要可以使用降低的图像分辨率 72 24即可 资源需求 存储空间必须存储正幅图像 这是由于将垂直分辨率转换为水平分辨率的原因 存储空间 每个像素存储1字节 72 24图像需要1728字节 DG128RAM空间为8K字节 可以满足存储需要 同时还可以开辟双图像存储区 采集 处理同时进行 占用资源分析 处理速度 采集时间 图像采集采用终端采集的方式 节省CPU处理事件 72 24分辨率下 只对于其中的1 4行进行图像采集 CPU花费在图像采集上的时间少于总时间1 4 其余的时间用于图像处理 控制等运算 图像处理 处理速度优化图像路径参数检测算法 算法时间小于20ms 图像 黑白色 检测中心算法简单 可以适当增加些动态亮度补偿算法 满足路径参数检测速度要求 工作电源 CCD工作电源12V 使用PWM斩波升压电路得到12V电源 这不违反比赛规则 禁止使用DC DC升压电路为驱动电机以及舵机提供动力 实现方案和试验结果 系统框图 连接CPU CPU最小系统 连接CPU 实现方案和试验结果 CPU最小系统PAD02 视频信号IRQ 视频行同步信号PM1 奇偶场信号PWM2 12V斩波升压开关信号 PWM0 1 电极控制PWM信号 PWM4 舵机控制信号 PAD0 1 电池电压 12V电压监测 视频匹配电路 视频信号同部分离电路 实现方案和试验结果 注意 视频信号不经过直流隔离进入AD转换器 升压供电电路 12V斩波升压电路 实现方案和试验结果 电源电路 实现方案和试验结果 试验版 试验车 例图1 12of18 例图2 例图3 例图4 例图5 用摄像头的缺点 CCD相对昂贵 占用RAM比较多 道路检测速率受到限制 50Hz检测有一定的延时 1 50 秒 附注电路较多 12V LM1881等 后续问题 开发有效路径参数算法 摄像头安装与固定 为之比较的高 摄像头镜头设计 混合检测方法 光电管 CCD 多个CCD 赛道检测小结 方法核心内容摄像头旋转90度 水平分辨率 垂直分辨率 适当CPU超频 有效路径检测算法 该方法也可以在一些粗分辨率视频监视中进行应用 最佳路线问题 最佳路线问题 基于虚拟仪器技术的智能车仿真系统 特点 赛道与赛车环境模拟控制算法的仿真验证路径识别的方案分析离线 在线仿真相结合 基本构架 赛道设计界面 最佳路线问题 基于虚拟仪器技术的智能车仿真系统 赛车参数设定界面 最佳路线问题 基于虚拟仪器技术的智能车仿真系统 动态仿真界面 飞斯卡尔单片机介绍 飞斯卡尔单片机介绍 飞斯卡尔单片机介绍 飞斯卡尔单片机介绍 硬件设计的一般流程 1 确立设计需求2 选择合理的方案3 绘制原理图和PCB图4 焊接 组装5 电路调试6 实际环境验证 软件设计的一般流程 1 确立软件需求2 构思软件结构3 算法设计4 选择硬件平台5 编制程序6