【精品】智控大赛论文---队长张定思

1、能控制设计大赛自平衡载物小车所在单位:华南理工大学 自动化学院作者:张定思自动化07自动化07吴毅彬自动化07目录摘要4一、方案论证与比较51. 1控制器部分51. 2换向部分51. 3自平衡部分6二、系统的具体设计及实现62. 1系统总框图62. 2硕件设计62. 2. 1 电源模块82.2. 2 道路信息采集模块82. 2. 3 电机驱动模块和舵机驱动模块92.2. 4 串口模块102.2. 5 无线串口模块102.2. 6 ic 卡模块112. 3软件设计132.3.1道路信息采集策略132.3.2速度控制策略142.3.3方向控制策略152. 3. 4自平衡控制策略16三、测试、结果及

2、分析173. 1基本功能173. 2发挥功能部分17四、总结171820附录一、完整的系统原理图 附录二、完整的系统源代码自平衡载物小车设计任务制作一载物小车，车上放一平板，平板倾角可以调节（前后倾角），长 10cm,宽5cm。板上放一元硬币，平板上表面耍求视觉平整，并且贴标 准透明宽胶布（评审现场将由工作人员对小车上表面重新贴一遍），周 围不得加设围栏。小车载物从始点出黑线指引经特制道路到达终点。物 体每掉落一次，时间加5s。从掉落处重新出发（若从上坡处掉落从坡底 出发），与前段耗时累积。要求时间尽量短。（道路屮间有若干坡道。道 路长5m宽50cm,小车长度小于15cm,宽度小于10cm，坡

3、度小于40 度。道路不一定为直线，超点和终点各有一与道路成十字交叉的黑线， 线长 20cm,宽 2cm o）二、设计要求1.基本要求：1）车上安装平板可根据路面自动调节角度。2）小车可根据黑线指引识別道路。3）小车载物完成任务总耗时不超过25so4）计时规则：t（总耗时）n（基本耗时）+n*5o时间要求尽量快。t（基本耗时）为不考虑罚时和物品掉落后延误时间的小车从始点到终点的 运动时间。n为小车从始点到终点运动过程屮物品掉落次数。摘要本文介绍了我们在准备第五届华南理工大学智能控制大赛高级组自平衡载物小车的工作成 果。本小车硬件平台采用mc9s12dgi28处理器，软件平台为code warn

4、or ide开发 环境，车模采用大赛组委会统一的规格：150mm* 100mm,底板采用厚实的木板, 在把其他各部分逐步安装上去。文中介绍小车控制系统的软件硬件结构和开发流 程。本自平衡载物小车具有口动寻路、口平衡载物台、屏幕实时输出、ic卡开启等功能，具有 操作简单、运行平稳、人性化设计、功能强大的特点。木例使川freescale company的33886 作为电机驱动芯片，使川1个舵机做前轮换向，再川1个舵机做自平衡载物台。基于lm2596 芯片制作成宜流减压系统供电动机运行，还有txi25系列读写模块，供ic卡开丿1功能。关键字：智能车，自平衡，红外管，转速转向控制方案论证与比较1.

5、1 控制器部分方案一：应用mc9s12dg128作为控制器。mc9s12dg128微控制器是motorola公司 m68iic12系列16位单片机中的一种，其内部结构主要有单片机基本部分和can 功能块部 分组成，基本结构包括：中央处理器单元hcs12 (cpu)、2个异步串 行通信口 sci、2个同步串行通信口 spi, 8通道输入捕捉/输出比较定时器，1 个8通道脉宽调制模块以及49个独立数字i/o 口(其中20个具有外部中断及 唤醒功能)，在片内还拥有128kb的flash rom, 8kb的ram和2kb的eeprom, can功能块包括两个兼容can2. 0a/b协议的mscan控制

6、器组成，这些丰富的内部 资源和外部接口资源可以满足ecu对各种数据的处理、can网络数据的发送和 接收要求，芯片集成了两个mscan12模块，能够实现高低速can网络的网关节点 功能。方案二釆用atmega16作为控制器。atmegal6是基于增强的avr risc结构的低功 耗8位cmos微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， atmegalg的数据吞吐率高达1 mips/mhz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度 之间的矛盾。atmegal6 avr内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄 存器都直接与算逻单元(alu)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同

7、时 访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的cisc 微控制器最高至10倍的数据吞吐率。木系统是一个标准的嵌入式运动系统，对控制器要求高，而且数据采集量大，处理量 也大，控制器的好坏对小车的稳定运行有重要影响。综合考虑各方而条件后，决定使用 mc9s12dg128作为本系统的控制器。1. 2 换向部分方案一：使用舵机作为换向驱动。舵机安装方便，直接对前轮输出控制信号，直 接方便，较容易实现，而且节省材料。方案二：使用2个电机，分别控制左右边轮子。换向时一边轮子正转，另一边轮 子反转。使用这种方法，需要2个屯机，壇加控制难度，2个左右轮子不同向时, 对小车平稳性影响较大

8、。本系统小车有口平衡载物台，对小车不仅要求走得快，而且走得稳定。综合 考虑各方面条件，选用舵机方案作为换向驱动。1. 3自平衡部分方案一：采用水银开关作为检测器。安装方便，调节方便。方案二：采用加速度传感器作为检测器。检测不稳定，输出误差较大。本系统对自平衡要求不高，用加速度成本高而且效果不好，使用水银开关具 有取材方便，实时调节等优势，故选用水银开关做检测器。二、系统的具体设计及实现2. 1 系统总框图根据以上系统方案设计，自平衡载物小车共9个模块：mc9s12dg128主控模块、道路 信息采集模块、加速度检测模块、电源模块、电机驱动模块、口平衡载物模块、换向舵机模 块、液晶实时显示模块，i

9、c卡启动模块。各模块的作用如下：mc9s12dg128主控模块，作为整个自平衡载物小车的“人脑”，将采集光电传感器、光电编码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策,驱动直流电机完成对小车的控制。道路信息采集模块，是智能车的“眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛道信息，为小车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。速度检测模块，为自平衡载物台改变输出角度输入采集数据。电源模块，为整个系统捉供合适而又稳定的电源。电机驱动模块，驱动直流电机完成小车的加减速控制和转向控制。自平衡载物模块，根据速度信息，改变载物台角度使台上物体平稳安放。 换向舵机模块，作为小车前轮换向角度驱动。

10、液晶实吋显示模块，实吋显示小车运行情况。ic卡启动模块，小车经过刷卡才可以启动。2.2硬件设计2.2.1电源模块电源模块为系统其它齐个模块提供所需要的电源，设计中，除了要考虑到电 压范围和电流容量等基本参数之外，还要在屯源转换效率、降低噪声、防止干扰 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。整个系统需要为以下模块供电：为单片机供电(5v)；为传感器供电(5v)；为电机驱动供电(7.2v)；为舵机供电(转向舵机和制动舵机)(6v)；2.2.2道路信息采集模块一红外传感器利用红外传感器对赛道黑线光线反射特点，确定车的位置定位，研究最优算 法使小车不偏离轨道并且以

11、最大速度完成比赛。采用红外传感器，红外传感器分为发射和接收两部分，其屮发射管发射红外 光或者激光等特定光线，当照射在白板上，由丁光的反射使接收管能够接收到反 射光信号，此时接收管的信号端会有相应的电平变化，当照射在黑线上，由于光 被黑线儿乎吸收，接收管基本上接收不到光信号，此时接收管的信号端会发生相 反的电平跳变，这样就能够将黑白线区分开了。市场上的红外对管有比较好的性能，它可以有很高的灵嫩度。为了对于赛车 的有较人前瞻性，可以适当把红外传感器尽可能隔较宽宽度和离车头较远距离放 置，实现前瞻性循线控制。而且红外对管出于光斑可见，对于安装调试能够捉供 很人方便，所以选择的就是可见光的红外对管8个

12、，在车前10cm的地方排成一 字形。2. 3电机驱动模块和舵机驱动模块一主电机及舵机驱动2. 31电机驱动在本次比赛中，后轮电机驱动电路的mc33886驱动芯片允许的频率范围是 5khz-20khz,当频率低于5khz的时候，mc33886芯片会发出刺耳的尖叫声, 而当频率大于30khz时，电机不转。因此采用了 20khz的pwm输出频率供给 mc33886,选择pwm01和pwm23通道作为后轮屯机的驱动源。2. 32舵机驱动在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机口j以在微机电系统和 航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。是一

13、种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保 持的控制系统。h前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控 机器人屮已经使用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电 路，产生周期为20ms,宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比 较，获得电压差输出。最后，电床差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的止反转。当电机 转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0,电机停|：转动。当然我 们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就

14、够了。就象我们使用晶体管一样, 知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是对以完全不用去 考虑的。舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一 般为0.5ms2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。以180度角度伺服为例，那么 对应的控制关系是这样的：0.5ms0度；1.0ms45度；1.5ms90度；2.0ms135度；2.5ms180度；2.4串口模块在智能车的制作和调试过程中，需要将赛车检测到的路面信息以及速度等参 数实时地发送给单片机，以便对算法进行有针对性的分析。由于小车在行驶时通 过有线的方式获得其运行参数，就需串口方式。2.5.无线串口传

15、送数据异步串行通讯(sci)是单片机和外界进行通讯的故常用方式z。sci故常用的标准是 eiars-232c,它焰甫美国电子工业协会止式公布的一种sci标准，通常称为rs-232标准。 在rs-232标准中电平采用负逻辑，即低电平315v代表逻辑“1”,高电平+3+15v代 表逻辑“0”。而单片机采川的cmos标准则是正逻辑，即高电平35v代表逻辑“1”,低 电平00.8v代表逻辑“0”。所以需要一个转换芯片把为ttl电平兼容的cmos电平转换 为rs-232电平。rs-232的接口信号有10个，除了发送(txd)、接收(rxd)和地(gnd) 信号外，还有用于控制的通信应答信号。但在一般的数

16、据通讯屮可以只使用 txd、rxd和gnd。计算机的串行口是按照数据终端设备(dte)定义的，如 果单片机的串行口按照数据通讯设备(dce)定义，计算机的串行口可以和单片 机的串行口直接对应相连；如果单片机的串行口也是按照dte定义，则要把两 个串行口的rxd和txd交叉连接。界步串行通讯中“界步”的含义是没有共同的时钟用以同步，所以必须约定 通讯数率，通常用波特率表示。波特率的含义是1秒屮发送的数据位数。rs-232 标准屮波特率的范帀是5011520bpsomc9s12dg128内集成两个sci模块，分别称之为scio和sci1。其特点是:半双工/全双工模式 13位波特率寄存器 8位/9位

17、可编程数据位独立的发送和接收可编程的发送极性 8中中断类型标志接受结构检测硬件极性检查 1/16位时间噪声检测2.6 ic卡模块2.6.1简介tx125系列非接蝕ic卡射频读卡模块采用125k射频基站。当有卡靠近模块时，模 块会以韦根或uart方式输出id卡卡号，用户仅需简单的读取即可.在小口方式下，可 匸作在生动与技动的模式。该读卡模块完全支持em、temic、ik及h-兼容卡片的操作 非常适舍于门禁、考勤等系统的应用。18mmtx125系列读卡模块的特点如下：鍛 体积小巧、简单、易用、性价比高；眇 支持em、temic、tk及其兼容卡；可选低功耗模式.功耗低至15ua（是普遇模块的1/20

18、00）,而仍然保持自动寻卡 功能，特别适合于电池供电场舍； 读写卡距离远（根据应用060450mm）;够 根据需要，可选择uar或wiegand接口与任何mcu进行连接；> 便用uart接口时，可以选择波特率9600或19200；够 模块内部具有看门狗，永不死机；够自动寻卡，检测封卡片就可主动发送；鞍 在小口橈式下，模块可设藍成为主动或被动i：作方式.主动方式下，当卡片进入 到天统区后，ixd 口亘接输出卡片序列号，被动模式下，当只有clk出现下降 沿时，ixd 口才会输出卡号。2.6.2硕件描述读卡模块便用了标准的dip24封方（当然有些焚空岀了）模块可以宜接安芸在线弗 檢i 也可以安

19、装在dp24的ic应匕注厅利试.2. mmvcc im 0db3vdd.oirrgndncm0db2hodblvcc.ih 一 i gbid 7txd/1c0 一 3 m0de4/wg1 一 tx1 *tx2 9n0de5/clk 一 10statusout 11vdd out 1215. 2 j *管 脚功能3口模式p根模式1vcc.indc5v电薄穩入.内部已徨与20鬧违通got电潭地3txdwgo二二 wg0 于发艺bi【04mode1wg1悬空：主空模式：0：被功模式wg1月于发送bill8tx1天线按口 1连接到找圈的一综9tx2入红檢11 h连桧岳线n的另一匚10modesclk比

20、杲天统区勺f，见clk出现下降沿后模拔发送卡号f被功復式七枳极性底择： 悬空：正言输岀； 接地：反言输出11status.out仃无f状衣播示（h无权0：自卡）'12vdd.outdc3.3v « 岀13mode1悬空：9600 接地：19200启根位数迭择：#5： w34；按地：p根m14nc促留.谓眾空15nc但留，淸悬空16电渾地17vdd-outdc3.3v绘出19mode3现倍协议选择：悬空-小n（vart）愉1ih 0书根（対络and）输出20vcc indc5v审激轸入2.3软件设计3.1道路信息采集策略采用的光电传感器信息采集方式流程图如图所示:straigh

21、tflag=njudgement !=olcftflag= 1&zjudgement ! = 1jrightflag= 1 &j udgement! =2y(2程序结束j判断黑线是在车的左侧，右侧和屮间。设屮间2个传感器检测到黑线，则 认为黑线在车的中间。检测车的位置是2.8ms个周期，但只根据一个状态无法 判断车是处在直道，弯道还是s道。我们可以把之前的状态和现在的状态进行存 贮，计算处理，从而最终判断智能车是处在那一种路面情况，然后根据处理程序 进行舵机和电机的调节。3. 2速度控制策略当小车在直道行走的时候，可以给最高速度；当小车在弯道岀直道时，速度 相对高速；当小车直道

22、入弯的时候，速度突然减下来；当智能车在弯道时，相对 低速。速度的程序流程图如图所示3. 3方向控制策略根据红外传感器采集冋来的道路信息，进行存储、分析和计算。当不同位置 的传感器检测到黑线，舵机的pwm模块就给不同的值，使舵机摆动不同的角度。由前面得到的道路状态信息，而增加相应权值不一样的摆动角度。当小车在 直线上高速行走的时候，中间2个传感器检测到黑线的舵机摆角，比原来基数的 舵机摆角更加小。当小车的舵机摆角不正，跑直道有振荡的时候，这样可以使小 车在直道高速运行的时候，左右来回振荡变小。当刹车标志位置1的时候，表明 小车正在过弯道，可以把传感器两端的6个传感器相应的摆动角度变大，更有利 于转过弯。舵机函数的流程图如图所示。y”现在状态是、 直线？/乏前50个快奁是直线？艺前50个状态