8th光电组南京邮电大学SEA光电一队解析

1、第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学 校：南京邮电大学 队伍名称：SEA 光电一队 参赛队员：顾佳俊赵孔明蓝晨曦带队教师：江兵高翔I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八届“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：顾佳俊赵孔明蓝晨曦带队教师签名：江兵高翔日期：2013.8.122013.8.122摘要本文介绍了南京邮电大学光电一队

2、队员们在准备第八届飞思卡尔智能 车大赛中的工作成果，智能车使用MK60DX256ZVLQ处理器，使用IAR开发环 境，车模采用大赛组委会统一提供的D车模。文中介绍了智能小车控制系统的软硬件结构及设计开发过程，整个系统涉及车模机械结构调整、传感器电路设计及信号处理、控制算法和策略优化等多 个方面。本文主要从硬件电路、机械设计、软件设计等方面阐述了小车的整体架 构与设计思路。车模以MK60DX256ZVLQ单片机为控制核心，以线性CCD乍为循 迹传感器，以光电编码器检测速度信息。车模的控制主要可分解为直立控制、 速 度控制、方向控制，而这三个方面又相互影响。车模系统的简单工作原理是车体 在保持平衡

3、与适当速度的前提下，再由MK60DX256ZVLQ单片机收集线性CCD返回来的赛道信息对方向进行控制。关键词：MK60DX256ZVLQ单片机，线性CCD陀螺仪，加速度计，PID3目录第一章 系统总体方案设计 . -2 -1.1 系统总体框图.-2 -第二章 系统硬件设计 .-4 -2.1 主控模块.-4 -22电源管理模块.-5 -2.3 电机驱动模块 .-6 -2.4 倾角传感器电路.-8 -2.5 速度检测传感器电路 .-10 -2.6 赛道信息检测（线性 CCD）.- 10 -第三章机械设计.-12 -3.1 车模简化改装 .-12 -3.2 加固电机引线 .-12 -3.3 拨码开关

4、的安装.-13 -3.4 电池的安装 .-14 -3.5 光电编码器的安装 .-14 -3.6 CCD 的安装.-15 -3.7 陀螺仪与加速度计传感器 .-16 -第四章系统软件设计 . -17 -4.1 PID 算法的应用 . -18 -4.1.1 平衡的 PD 控制.-18 -4.1.2 速度的 PD 控制.-19 -4.1.3 速度的 PD 控制方向的 PD 控制 .-19 -4.2 固定曝光时间，动态软件放大 .-20 -第五章开发工具、安装、调试过程说明 .-21 -5.1 IAR集成开发环境 .-21 -5.2 上位机.-24 -5.3 示波器上位机.-25 -第六章 模型车的主

5、要技术参数说明 .-26 -6.1 智能车外形参数 .-26 -6.2 电路部分参数 .-26 -6.3 传感器个数以及种类 .-26 -6.4 除了车模原有的驱动电机、舵机之外伺服电机数量 .-26 -6.5 赛道信息检测精度、频率 .-26 -第七章 总结.-27 -4附录.-29 -附录 A 核心算法子程序 .-29 -1 -引言在半导体技术日渐发展的今天，电子技术在汽车中的应用越来广泛， 汽车电 子化已成为行业发展的必然趋势。汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一 次革命，汽车电子化的程度被看作是衡量现代汽车水平的重要标志，是用来开发新车型，改进汽车性能最重要的技术措施。汽车制造商认

6、为增加汽车电子设备的 数量、促进汽车电子化是夺取未来汽车市场的重要的有效手段。“飞思卡尔杯”全国大学生智能汽车竞赛是由教育部批准并委托自动化分 教指委主办，飞思卡尔公司协办，面向全国大学生的重要赛事。 它是以迅猛发展 的汽车电子为背景，涵盖了自动控制、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。 根据比赛章程，全国大学生智能汽车竞 赛是在统一汽车模型平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块， 通过增加道路传感器、 设计电机驱动电路、 编写相应软件以 及装配模型车，制作一个能够自主识别道路的模型汽车。 改装后的模型汽车按照 规定路线行进，

7、以完成时间最短者为优胜。竞赛集科学性、趣味性和观赏性于一 体，吸引了大批同学参与其中，受到了广泛的欢迎。-2 -第一章系统总体方案设计本章主要简要的介绍智能车的总体设计思路与各个模块的分配，在后面的 章节中将分为机械结构部份，硬件电路设部份，软件算法分析部份对智能车做再 更一步的简介，各模块将会在各章节中详细论述。1.1 系统总体框图图 1.1 系统总图电源管理模块：主要提供系统各模块正常工作所需要的电源。稳定、高效的 电源模块是系统正常工作的基础。单片机控制模块：本系统采用由Freescale公司生产的MK60DX256ZVLQ10单片机作为系统的控制核心，它负责控制各个模块间的协调工作，

8、主要接收来自 赛道信息采集模块的赛道信息和速度检测模块反馈的速度信息，通过对这些信息进行恰当的处理，形成合适的控制量对驱动电机进行控制。车模的系统框图及各模块关系如图1.1所示第一章系统总体方案设计-3 -赛道信息采集模块：该模块相当于智能车的“眼睛“,主要负责采集小车所处位置当前或前面的赛道信息，输出相应的信号供主控芯片处理。 本次大赛光电 组采用线性CCD来采集赛道信息。速度检测模块：该模块主要检测小车的当前速度，作为速度反馈传至控制器， 以实现速度的闭环控制。精准的速度检测，是实现准确控制小车速度的前提。电机驱动模块：驱动电路是整个系统的重要组成部分， 也是高效的算法得以 实现的硬件基础

9、。它主要作为控制电机转速的执行机构， 要求能有很好加速和制 动性能。辅助调试模块：辅助调试模块用于构建一个良好的人车交互界面， 如智能车 调试时的一些重要信息的显示以及一些重要参数的设定等。-4 -第二章系统硬件设计设计车模控制系统的电路，首先需要分析系统的输入、输出信号，然后选择 合适的核心控制嵌入式计算机（单片机），逐步设计各个电路子模块，最后形成 完整的控制电路。系统的输入输出包括：1.AD专换接口（至少4路）CCD:一路，用来传送摄像头采集的信息。陀螺仪：两路。一路用于检测车模倾斜角速度，一路用于检测车模转动角 速度。加速度计：一路，测量加速度Z轴输出电压。辅助调试：（备用）1到3路，

10、用于车模调试、设置作用。2.PW接 口（2路）控制左右两个电极双方向运行。由于采用单极性PWM驱动，需要四路PWM接口。如果采用双极性PWM驱动，可以使用两路。3.定时器接口（1路）测量两个电机转速，需要一个定时器脉冲输入端口，另一路用外扩芯片采集。4.通讯接口（备用）SCI（UART： 路，用于程序下载和调试接口；5.10接口（备用）4到8路输入输出，应用车模运行状态显示，功能设置等。上述接口中，测量重力加速度传感器和车模转动速度的陀螺仪可以简化省略 掉。竞赛允许使用飞思卡尔公司处理器系列，绝大部分都能够满足上面的控制要 求。本参考方案中选择飞思卡尔的DSC 16位处理器MC56F8013作

11、为核心的控制 处理器。2.1 主控模块第二章系统硬件设计-5 -图 2.1k60 最小系统单片机最小系统板：我们采用的飞思卡尔公司的kin etis系列的单片机MK60DX256ZVLQ1它是系统的控制核心，具有丰富的资源，足以满足小车的控制。 由于是新出的单片机，基于Cortex-M4内核，对于我们来说，掌握起来难度不小。2.2 电源管理模块屯池电压卜图 2.2 电源模块第二章系统硬件设计-6 -上图为整个小车的电源模块。组委会提供可充电7.2V电池作为唯一电源，根据我们小车的需要，我们将电源模块分为以下几个部分：电机驱动模块7.2V，光电编码器5V。其电路图为：第二章系统硬件设计-7 -2

12、.3 电机驱动模块BTN7970是由Infineon（英飞凌）公司推出的智能功率驱动芯片，内含电流 检测电路、控制驱动电路，以及1个P型和1个N型MOSFET管，可以灵活应 用于2相或3相、直流有刷或无刷电机的控制驱动电路中， 不仅可以简化电路设 计，而且使得控制更加简单。在过温、过压、欠压、过流和短路的情况下，芯片 自动关断输入；当电流超过标定的最大电流时，通过MCU端的I/0使能引脚关断驱动芯片。为了防止系统在工作过程中因为芯片保护而停止工作，在系统设计时要考虑散热、稳压、过流保护等情况并采取措施。它所供电压为845 V，最大电流为50 A,驱动信号PWM频率为125 kHz。图 2.3

13、电源模块 pcb.；vTDKIDE1.3-GKBIXKD| |*2W第二章系统硬件设计-8 -图 2.4 电机驱动采用2片BTN7970组成一个完整的H桥驱动电路驱动I路有刷直流电机， 如图所示。其中，0UT端分别接电机的两端；IS端接下拉电阻，用于配置IS端 输出电压的范围；MOTOR_PWM_A与MOTOR_PWM_B，分别输出非零占空比 的PWM和零占空比的PWM，保证左右半桥上下背各有一个导通，组成一个回 路电机驱动模块由桥构成，H桥具有工作电压范围大，导通电阻小，导通电流大 的优点。同时我们将PWM波控制信号通过与门接入控制端， 这样通过这个信号 我们可以将H桥的下半桥连接在一起，电

14、机的两端接通，电机处于能耗制动状 态。能耗制动方式在减速性能方面和反转减速相差不大，但是对电机的损害较小，有利于电机的保护。INHVS OUTOIJT(BSD条 L叮亠10VCC.1A11TIIYS341IIT11A41Y4:*2VJ7E*皿r吕:I|i：-t3ND-I . I.V*ounflNTiDJLHc-lai第二章系统硬件设计-9 -2.4 倾角传感器电路图 2.5 陀螺仪与加速度计电路图图2.5中，将陀螺仪的输出信号放大了10倍左右，并将零点偏置电压调整 到工作电源的一半（1.65V）左右。而对于加速度计则不在放大。以上电路只是 将传感器的信号进行了放大处理，角度和角加速度的计算都是

15、依靠单片机的软件 来完成。对于角度信号的处理也可以通过硬件电路来完成。其中两陀螺仪和加速度计共占用3个ADD。占A A- HnLLTIB1KI/S12U2Sc-03TLV21114也-4；SEL1,2AM电半1HV*WTu14/SLEtPTQTTI1CSEL2iTSS12/511t4t*R4/R2*RS/RI*101 3VTiw汕加熄虔计2轴电圧恼第二章系统硬件设计-10 -我们采用双轴的陀螺仪如图2.6:第二章系统硬件设计-11 -的检测我们用了加速度计与陀螺仪相结合的方式。陀螺仪输出的电压曲线平滑， 但由于从陀螺仪角速度获得角度信息， 需要经过积分运算。如果角速度信号存在 微小的偏差和漂移

16、，经过积分运算之后，变化形成积累误差，所以静态特性差。而用加速度计进行角度测量时。由于车模倾角在两个角度位置过渡，除了角度变 化信号之外，还存在由于运动引起的电压波动，这个电压波动随着车模运动速度 增加会变得很大，这也导致了其动态特性差。 而若将俩信号以一定的比例进行补 偿则能较好的解决这个问题。图 2.7 角度滤波曲线如图2.7所示红线为用陀螺仪测量的角度，黄线为用加速度计测量的角度, 蓝线为角加速度。其中对于车体倾角双轴陀螺仪分别检测车体的倾角与转弯时摆过的角度。第二章系统硬件设计-12 -2.5 速度检测传感器电路测速采用光电编码器方案，并且通过一块金属支架安装在后轮齿轮处（如图3-9）

17、,与齿轮耦合。通过测量齿轮速率，间接测量车体的运动速率。光电编码器采用欧姆龙的E6A2-CS3C小型光电编码器，其旋转一周可以输出500个脉冲 信号。将此信号输入单片机的脉冲捕捉模块可以获得编码器输出脉冲数。单位时间查看脉冲捕捉数值，并且清零即可获得车体运动速度。例如：车轮直径为53mm,可以计算得到车轮周长约为166.5m m,通过测试得到车轮选择一周光电 编码器输出脉冲数为2138个，可以计算得到车行走1mm输出12.84个脉冲。 如果1ms查看一次脉冲捕捉寄存器数值为128.4，则可以计算得到在1ms时间 里车体行走了10m m，则车速为10m/s。图2.8光电编码器2.6 赛道信息检测

18、（线性 CCD第二章系统硬件设计-13 -图 2.9 CCD 引脚蓝宙电子TSL1401线性传感器是由蓝宙电子科技有限公司面向智能车竞赛 推出的智能车专用传感器。该产品采用TAOS公司的TSL1401芯片，自主设计电 路,并选择适合于智能车竞赛赛道信息采集的镜头制作而成。该产品具有体积小、重量轻、使用简单、易于固定、接口简单等优点。本产品经过严格的赛道环境测 试，经测试该传感器能够采集到稳定的赛道信号，前瞻较远，能在较远距离采集到赛道黑线，且黑线与背景压差较大，用简单算法即可提取黑线位置信号。 其部 分特性如下：体积超小，尺寸（长22mm宽22mm高16mm,重量轻采用聚光透镜，成像清晰安装方

19、便，易于组合安装三线接口，采用1mr间距排线可更换不同参数镜头可选偏振片，用于消除赛道反光提供上位机调试软件及下位机测试代码由于其电压信号无需放大，可直接连接主控芯片。关于其在不同光线下曝光时间 的调节在软件部分会详细解释。3V*5VVCCCLK-1- - IFPAOPA1GNDGNDVCCTSL1401线性AOADO-J厂“七亠,弋生沪*|宀,-14 -第三章机械设计机械部分调校的好，对软件的编写有很大的促进。有时软件上为达到某个 目的，不得不编写大量的代码，而同样的问题，可能在硬件后机械上的稍加修改 就能完美的解决问题。同时，良好的车模机械设计与制作，对于车模稳定运行、 安全调试都非常重要

20、。如下仅就车模简化改装与传感器安装两个方面进行讨论。3.1 车模简化改装由于今年光电组车模采用了原来竞赛D型车模，它是双后轮驱动，前轮舵 机转向的运动模式，而竞赛规定D型车模直立行走，因此车模前轮以及部分相 关部件都可以进行简化。具体可以参照以下改装步骤：去掉前轮及其支撑部件，去掉后轮悬挂缓冲支架 拆卸后的情况如图3.1所示。图 3.1 简化后的 D 型车模底盘安装CCD用到包括碳纤杆、碳纤杆底座、CCD固定车模底盘与后轮支架:3.2 加固电机引线D车模的后轮电机引线管脚非常单薄，多次晃动之后极易从根部折断，造成电机 无法使用。可以增加一个电机转接板，将电机的引线先焊接的转接板上， 然后将第三

21、章机械设计-15 -转接板固定在电机支架或者车模地板上，这样拆卸相关的电路板时则不会造成电 机引线的折断。图 3.2 电机引线我们直接使用热熔胶或者复合胶水对于电机引线管脚进行封装固定，也可以起到保护电机引线的作用。3.3 拨码开关的安装通过拨码开关我们可以现场进行一些参数的更改。此外，由于我们共用到两个上位机（CC上位机和示波器上位机），所以需要用拨码开关来选择使用哪种 上位机。第三章机械设计-16 -图 3.3 拨码开关3.4 电池的安装我们将电池设计在了车体的后方比车轮略高处。这样有利于车体重心的降 低，使小车在转弯与过障碍时更加稳定，使得算法可以更加的简便。图 3.4 电池3.5 光电

22、编码器的安装光电编码器采用欧姆龙的E6A2-CS3C小型光电编码器，其旋转一周可以输 出500第三章机械设计-17 -个脉冲信号。用热熔胶初步固定住编码器，使编码器和电机的齿轮咬合 得恰到好处。再用硬板以三角架构将其固定。第三章机械设计-18 -图 3.5 编码器3.6 CCD 的安装主要有三个部分组成：底板安装支架，线性CCD通孔支架。线性CCD通孔支架穿 过碳素杆用螺栓进行固定，与之相连接线性CCD 安装支架可以方便的调节角度。图 3.6 CCD底板安装支架可以直接利用原车自带的一字形长孔进行固定，不用自行打孔，简单方便。同时底板安装支架中间有直径为5mr1的圆孔，固定在碳素杆支架 上。第

23、三章机械设计-19 -3.7 陀螺仪与加速度计传感器车模倾角传感器包括陀螺仪和加速度计。我们将这块带有陀螺仪和加速度 计的电路板固定在车模的底部， 这样可以最大程度减少车模运行时前后振动对于 测量倾角的干扰。安装角度传感器电路板时应保证陀螺仪传感器水平安装。图 3.7 加速度计和陀螺仪模块-20 -第四章系统软件设计开发软件主要任务包括：1.建立软件工程，配置DSC资源，初步编写程序的主框架；2.编写上位机监控软件，建立软件编译、下载、调试的环境；3.编写实现各个子模块，并测试各个子模块的功能正确性；4.通过程序初步调试，验证控制电路板的正确性。开发飞思卡尔公司56800/E系列DSC单片机应

24、用程序环(CodeWarrior for56800/E Digital Signal Controllers，目前版本v5.9)。与其它版本的CodeWrrior一样，DSC版CodeWarrior也提供了Processeor Expert功能模块, 可以通过工程配置非常方便地生成单片机的各个外设的初始化代码和接口程序， 帮助开发者将精力集中在应用程序的开发上。上电运行*各模块初始化IJf1ms中断设直拨码开关CCD度、方向直立控制T根据拨码开关值选择数据发送上位机图 4.1 软件开发流程图通过拨码开关我们可以现场进行一些参数的更改。此外，由于我们共用到两个上位机(CCE上位机和示波器上位机)

25、，所以需要用拨码开关来选择使用哪 一个上位机。在上电之前我们预先设计好拨码开关。在各模块初始化之后有2s的直立时间，之后进入主循环。程序在主循环中不停发送监控数据， 通过上位机 监测。同时我们设计了一个1ms的定时中断。在中断中通过循环计数来造成不同第四章 系统软件设计-21 -的控制周期。 如CCD勺控制周期为20ms而角度控制周期为5ms由于1ms中断 中CCDS要读取128个像素点用时较长， 在40MHZ勺频率下运行时间会超出1ms时序也会因此紊乱。为此我们将频率调整至80M以保证严格的1ms中断。此外， 在PW啲控制中我们加入了车模跌倒的判断，一但车模跌倒，则停止车模运行。车模的直立控

26、制、速度控制以及方向控制、AD的采样都是在中断程序中完成。4.1 PID 算法的应用4.1.1平衡的PD控制利用加速度计所获得的角度信息gB与陀螺仪积分后的角度B进行比较，将 比较的误差信号经过比例1/gT放大之后与陀螺仪输出的角速度信号叠加之后再 进行积分。对于加速度计给定的角度g0，经过比例、积分环节之后产生的角度B必然最终等于g9。只要比例1/gT合适则得到的曲线即光滑，有良好的动态4,方向控制;lOMPWPPeqELJJ比_Wdcoihe to IAR Syttemi Pioducl Sei upeiARsvsrrMsWelcome (o I he IAR Systems etup p

27、ogrom Tbs prografri wilirutdl IAR Embedded Woikbench lor MCS-51 on youco( (T屛 ded Wort 亦妙 torMC$L51 on youi corrtx/erThe rdee notet aft 曲血 t4e from the Start tnezPlo*ndiiYTZI wart E kuich IAH Embedded Wort benchck Fnth tQ cmvkle $eM) )OlARSYSTEMSFrvthE ”1;l_pluse=0;r_pluse=0 ；/保护车以免冲出赛道撞坏器件if(V_RUN_

28、SET )&(v_aveMAX_V_AVE)car_co ntrol二CAR_STOP_STOP;void an gle_c on trol_out(void)accelerometer_a ngle=(zO-Acc_z)*kz; /gyroscope_rate =(H_Gyro-h_gO)*kg; /hubu();/error_a ngle二a ngle_offset-Q in gJiao;/if(directio n_ope n)if(acc_a ngle=D_ACC)error_a ngle+二D_ACC_ANGLE;计算加速度计输出角度值计算角速度互补滤波得到角度值 qingj

29、iao计算与平衡角的偏差值路障车体后倾/角度 PWMS 幅if(a ngle_pwmMAX_ANGLE_PWM)a ngle_pwm二MAX_ANGLE_PWM; elseif(a ngle_pwmv-MAX_ANGLE_PWM)a ngle_pwm二-MAX_ANGLE_PWM;/*/*/-37 -v_error=v_ave-V_RUN_SET; /计算当前速度与目标速度的偏差if(v_errorMAX_V_ERROR) /速度低通滤波v_error二MAX_V_ERROR;else if(v_errorMAX_ERROR_PWM) / 速度 PWM 输出低通滤波 speed_ new_pwm二speed_old_pwm+M