飞思卡尔智能车光电组技术报告

1、第十届全国大学生“飞思卡尔”杯华北赛智能汽车竞赛技术报告目录目 录 11第一章 方案设计 111.1系统总体方案的选定 111.2系统总体方案的设计 111.3 小结 22第二章 智能汽车机械结构调整与优化 332.1智能汽车车体机械建模 332.2 智能汽车传感器的安装 442.2.1速度传感器的安装 442.2.2 线形 CCD的安装 552.2.3车模倾角传感器 552.3重心高度调整 552.3.1 电路板的安装 662.3.2 电池安放 662.4 其他机械结构的调整 662.5 小结 66第三章 智能汽车硬件电路设计 773.1主控板设计 773.1.1电源管理模块 773.1.2

2、 电机驱动模块 883.1.3 接口模块 993.2智能汽车传感器 1.0.1.0. .3.2.1 线性 CCD 传感器1.0.1.0.3.2.2 陀螺仪 1.0.1.0. .3.2.3 加速度传感器 错. 误!未定义书签。错误 !未定义书签。3.2.3 编码器 1.1.1.1. .3.3 键盘，数码管 错.误 !未定义书签。错误 !未定义书签。3.4 液晶屏 1.2.1.2 3.5 小结 1.2.1.2 第四章 智能汽车控制软件设计 1.3.1.3.4.1线性 CCD传感器路径精确识别技术 1.3.1.34.1.1新型传感器路径识别状态分析 1.4.1.44.1.2 线性 CCD传感器路径识

3、别算法 1.5.1.54.2弯道的处理 1.5.1.5 4.2.1弯道策略分析 1.5.1.5. .4.3 对速度的闭环控制 1.6.1.6. .4.4障碍的处理 1.7.1.7 4.5小结1.7.1.7 第五章 开发工具、制作、安装、调试过程 1.8.1. 85.1 开发工具 1.8.1.8 5.2 调试过程 1.8.1.8 第六章 模型车主要参数 1.8.1.8. .6.1 智能汽车外形参数 1.8.1.8. .6.2 智能汽车技术参数 1.8.1.8. .结 论 2.0.2.0 参 考 文 献 错 误. ! 未定义书签。错误 ! 未定义书签。3 / 26第一章 方案设计本章主要介绍智能汽

4、车系统总体方案的选定和总体设计思路，在后面 的章节中将整个系统分为机械结构、控制模块、控制算法等三部分对智能 汽车控制系统进行深入的介绍和分析。1.1 系统总体方案的选定本届智能汽车大赛光电组比赛对传感器有着严格的规定，用到了线性 ccd,但是由于需要镜头成像，所以会带来成像失真，静电干扰严重等问题。 由于平衡车的特殊性，车身在循迹前进的过程中，必须保持车身的平衡。 根据最基本保持车身平衡的基本原理，我们需要知道车身当前的角度和角 速度。因此在保持车身平衡方面，我们确定以加速度计作为角度传感器， 陀螺仪作为角速度传感器。另外，车身转向控制方面，我们组没有使用陀 螺仪作为转向反馈。这样会让车转弯

5、不连续和平滑，最重要的是限制了车 模的速度，不用转向陀螺仪车模的极限速度大概率在一米三左右。有了转 向的陀螺仪可以 2 米以上。1.2 系统总体方案的设计遵照本届竞赛规则规定，智能汽车系统采用飞思卡尔的 32 位微控制器 MK60DN256ZVLL10 单片机作为核心控制单元用于智能汽车系统的控制。 线性 CCD 采集赛道明暗信息，返回到单片机作为转向控制的依据。加速度 计 &陀螺仪返回的模拟信号作为车身当前角度的信号。主控输出 PWM 波控制电机的转速以保持车身的平衡和锁定赛道。同四轮车不同，平衡组需要 使用左右轮的差速来转弯。为了控制的准确性和快速性，我们使用编码器 作为速度传感器。编码器

6、返回的信号可以形成闭环，使用 PID 控制电机的 转速。平衡组强烈的加减速会导致车身的倾角剧烈的变化，这并不利于车1 / 26身保持平衡。因此整个调试过程就是要保证车身稳定的前提下不断提高车 模前进的平均速度。根据以上系统方案设计，赛车共包括六大模块： MK60DN256ZVLL10 主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块和辅助 调试模块。各模块的作用如下：MK60DN256ZVLL10 主控模块，作为整个智能汽车的“大脑”，将采集 CCD 传感器、陀螺仪，加速度计和光电编码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动两个直流电机完成对智能汽车的控制；传感器模块，是智能

7、汽车的“眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛道信息，为智能汽车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间，同时使用陀螺仪和加速度计计算车模行进过程中的实时 角速度和加速度信息，用以保持车模稳定行进；电源模块，为整个系统提供合适而又稳定的电源；电机驱动模块，驱动直流电机和伺服电机完成智能汽车的加减速控制 和转向控制；速度检测模块，检测反馈智能汽车轮的转速，用于速度的闭环控制；辅助调试模块，主要用于智能汽车系统的功能调试、赛车状态监控。1.3 小结本章重点分析了智能汽车系统总体方案的选择，并介绍了系统的总体 设计和总体结构，简要地分析了系统各模块的作用。在今后的章节中，将 对整个系

8、统的各个模块进行详细介绍。第二章 智能汽车机械结构调整与优化智能汽车各系统的控制都是在机械结构的基础上实现的，因此在设计 整个软件架构和算法之前一定要对整个模型车的机械结构有一个全面清晰 的认识，然后建立相应的数学模型，从而再针对具体的设计方案来调整赛 车的机械结构，并在实际的调试过程中不断的改进优化和提高结构的稳定 性。本章将主要介绍智能汽模型车型车的机械结构和调整方案。2.1 智能汽车车体机械建模此次竞赛选用的智能车竞赛专用模型车（D 型模型车 ），配套的电机型号为 RN260-CN-2875 。智能车的控制采用的是双后轮驱动方案。智能车的外形 大致如下：图 2.1 智能汽车外形图2.2

9、智能汽车传感器的安装车模中的传感器包括有：速度传感器，车模姿态传感器（陀螺仪、加速度计） 以及线形CCD。下面分别介绍这些传感器的安装。2.2.1 速度传感器的安装速度编码器我们采用了编码器，安装方法如下： 用十字扳手套筒将车的后轮拆卸后，安装编码器，固定编码器的固定件是根据 车得尺寸及与编码器的相对位置手工制作的连接固定件。 在安装完后轮后，在利用十字扳手套筒将后轮装上。 安装时应注意调整好齿轮间隙。齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，会严重影响最 终成绩。调整的原则是：两传动齿轮轴保持平行 , 齿轮间的配合间隙要合适，过松

10、容易打坏齿轮，过紧又会增加传动阻力，浪费动力；传动部分要轻松、顺畅，不能 有迟滞或周期性振动的现象。判断齿轮传动是否良好的依据是，听一下电机带动后 轮空转时的声音。声音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象； 声音闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负 载变大。调整好的齿轮传动噪音很小，并且不会有碰撞类的杂音，后轮减速齿轮机 构就基本上调整好了，动力传递十分流畅。如图所示。编码器安装完毕2.2.2 线形 CCD 的安装为了降低整车重心，需要严格控制 CCD镜头的安装位置和重量，我们自行设计 了轻巧的铝合金夹持组件并采用了碳纤维管作为安装 CCD的主桅

11、，这样可以获得最 大的刚度质量比，整套装置具有很高的定位精度和刚度，使 CCD镜头便于拆卸和维 修，具有赛场快速保障能力。 CCD镜头的安装如图 2.4所示。图 2.4 CCD 的安装2.2.3 车模倾角传感器车模倾角传感器包括陀螺仪和加速度计。它们都是表贴元器件，单独固定在一块小电路板上，然后与车身相固定，从而保证检测数据的可靠性。2.3 重心高度调整重心的高度是影响智能车稳定性的因素之一。当重心高度偏高时，智 能车在转弯过程中会发生抬轮现象，严重时甚至翻车。因此，从小车稳定 性出发，我们尽量降低重心高度，从而保证小车可靠稳定。5 / 262.3.1 电路板的安装为了使小车具有较好的稳定性及

12、转向性能，我们在搭建小车时尽量选择降低重 心，因此也将电路板安装在了电机上方，从而实现降低重心，提高小车的稳定性。2.3.2 电池安放同样为实现降低重心，提高小车稳定性的目的，学长 3D打印了符合参赛规则的 电池支架，然后固定在电机下方，进而用于固定电池，最大程度的降低了小车的重 心。2.4 其他机械结构的调整另外，在模型车的机械结构方面还有很多可以改进的地方，比如说车轮、传感 器的保护等方面。由于直立小车的直立行驶及转向都是通过后轮实现的，因此当小 车在转向时，模型车的轮胎与轮毂之间很容易发生相对位移，可能导致在加速时会 损失部分驱动力，而且使小车的状态不稳。因此，我们在实际调试过程中对车轮

13、进 行了粘胎处理，可以有效地防止由于轮胎与轮毂错位而引起的驱动力损失的情况。为了保护模型车传感器支架，在车模机械设计的时候，我们增添了防撞保护装 置，使一旦车模倾倒或者失控，防撞保护装置可保护车模机械的安全性，保证小车 状态的稳定性。2.5 小结模型车的性能与机械结构有着非常密切的联系。良好的机械结构是模 型车提高速度的关键基础。在同等的控制环境下，机械机构的好坏对其速 度的影响十分显著。我们非常重视对智能汽车的机械结构的改进，经过大 量的理论研究和实践，我们小车的大部分质量都集中在两轮前后，达到降 低重心的目的，从而提高了小车整体的稳定性和可靠性。第三章 智能汽车硬件电路设计3.1 主控板设

14、计3.1.1 电源管理模块首先了解一下不同电源的特点，电源分为开关电源和线性电源，线性 电源的电压反馈电路是工作在线性状态，开关电源是指用于电压调整的管 子工作在饱和和截至区即开关状态的。线性电源一般是将输出电压取样然 后与参考电压送入比较电压放大器，此电压放大器的输出作为电压调整管 的输入，用以控制调整管使其结电压随输入的变化而变化，从而调整其输 出电压，但开关电源是通过改变调整管的开和关的时间即占空比来改变输 出电压的。从其主要特点上看：线性电源技术很成熟，制作成本较低，可以达到 很高的稳定度，波纹也很小，而且没有开关电源具有的干扰与噪音，开关电 源效率高、损耗小、可以降压也可以升压，但是

15、交流纹波稍大些。电源模块对于一个控制系统来说极其重要，关系到整个系统是否能够 正常工作， 因此在设计控制系统时应选好合适的电源模块。 竞赛规则规定， 比赛使用智能汽车竞赛统一配发的标准车模用 7.2V 2000mAh Ni-cd 供电， 而单片机系统、路径识别的 CCD 传感器、陀螺仪和加速度传感器均使用的 是 3.3V 的电源。编码器需要 5V 电源，伺服电机工作电压范围为 4V 到 6V （为提高伺服电机响应速度，采用 7.2V 供电），直流电机可以使用 7.2V 2000mAh Ni-cd 蓄电池直接供电，智能汽车电压调节电路示例见图3.1。图 3.1 电源管理模块原理图电源的纹波将影响

16、传感器的性能。减小电源的纹波的大小可以保证传 感器的可靠性。3.1.2 电机驱动模块我们自己用软件划了驱动的图，并根据此焊接了 4路 PWM 驱动， 利用 BTS7960可以大大提高电的驱动能力。3.1.3 接口模块1CCD 接口。CCD 的外围器件很少，输出信号经过滤波等处理后就可以直接连接到K60 的 AD 端口上。接口极其简单，电路如下所示。图 3.7 CCD 接口2陀螺仪接口陀螺仪在保持车身的平衡方面极其重要，为了方便更换，我们并未将陀螺仪直 接画在主板上。由于使用的是单片机本身的 AD ，所以陀螺仪的接口很简单。电路 如下所示。9 / 26图 3.8 陀螺仪接口3.2 智能汽车传感器

17、由于今年比赛规则对光电平衡组的传感器有明确的规定，所以我们在 传感器的选择上没有花费时间。对于的传感器的优化，我们也主要是传感 器对环境的适应性方面。3.2.1 线性 CCD 传感器线性CCD内部包含 128个光电二极管，相关的放大电路。其基本单元如图图 3.9 CCD 内部感光单元光照射到光电二极管上，产生光电流，光电流被积分电路积分。在采样期 间，积分电容的一端被连接到输出端，积分后的输出电压与该点的光强和积分 时间成正比。因此为了适应场地， CCD的积分时间应该是可变的。3.2.2 陀螺仪大赛规定了陀螺仪和加速度计的选用范围。经过挑选 ,陀螺仪使用 ENC-03M， 加速度计使用 MMA

18、7361。我们小组直接选用了大家常用的陀螺仪 & 加速度计成品， 效果一般。经过和获得一等奖的大神交流，其实选用相应的标贴原件并自己焊接效果会更好。其实是这样的，希望之后的学弟学妹可以自己探索不断超越。3.2.3 编码器为了使用闭环控制，我们在汽车模型上附加了编码器。和其他元件相比，选用 编码器可以使电路更加完善，信号更加精确。编码器功耗低，重量轻，抗冲击抗震 动，精度高，寿命长，非常实用。编码器内部无上拉电阻，因此编码器接口出需要 设计上拉电阻。同时为了保证波形的稳定， 主控板上使用了 74HC14非门隔离。K60 自身具有正交解码功能，因此这里无需使用任何外围计数辅助器件，只需要将接口 连

19、接到单片机上相应的接口即可。接口如图 3.11和图 3.12所示。11 / 26图 3.11 编码器的接口部分、3.4 液晶屏液晶屏相对于数码来说具有显示内容直观，可显示图像和汉字的优点。在车身 添加液晶屏模块可以使调试更加方便，因此本次车身上我们添加了液晶屏模块。由 于模块是直接购买的成品。所以电路在这里不做介绍了。3.5 小结硬件电路是模型汽车系统的必备部分。只有稳定的硬件电路才能保证程序的正确控制。为此，我们在设计电路之时，考虑了很多问题，采用了 模拟部分与数字部分隔离等措施。我们的硬件电路的设计思想是在保证正 确检测信号的前提下，尽可能精简电路。第四章 智能汽车控制软件设计主程序流程图

20、：图 4.1 程序流程图4.1线性 CCD传感器路径精确识别技术在本届大赛中，光电组的规则发生了翻天覆地的变化，不仅由传统的四轮小车 变成了两轮直立车 ，而且对于光电传感器也做出了新的要求， 不允许使用传统的激 光头传感器，而要求选择使用线性 CCD 以及 LED 作为新一代的光电车的传感器， 但由于 LED 的前瞻距离十分有限，所以线性 CCD 自然成为了较好的方案选择。13 / 264.1.1 路径识别状态分析在使用 CCD 进行赛道识别，传统的传感器搜索跳变沿算法可取之处不 是很大，不过不缺乏借鉴之处图 4.2 CCD 传感器返回值波形图对于我们的模型车， CCD 在赛道上可能的状态有：

21、在普通的赛道处、在 起点处、在十字交叉线处、小 S 虚线处、路障处。由于传感器的改变以及规 则的变更，使得今年对于赛道识别的工作量变得更加复杂，难度大大增加，情 况也显得错综复杂，矛盾点层出不穷。我们的小车仅采用一路 CCD对赛道信息进行识别，一个CCD包含128个像素点， 但这 128个点并不是所有的点都能够被准确获取灰度值，我们选择采用左右各 48个 像素点来对赛道信息进行采集。这些像素点中每个点的灰度值理论上都有 0到255这 28种状态（实际上我们只能取到不到 50的返回值），我们分别把左右各 48个像素点 记为left 1663和right 64111。在直道时，两侧都会检测到赛道边

22、沿，且大体处于中间位置，左右较对 称；在小弯道时，两侧都会检测到赛道边沿，但会有小幅地左右摆动；在 其它弯道时，会出现左右侧跳变沿出赛道的状况，这时主要依靠一侧 CCD 进行巡线；在十字的时候，回旋全白的时候，在传感器稳定的前提下，能 出现全白的也只会在十字的时候出现，当然小 S 虚线位置也不排除会有全 白的情况发生， 虽说黑白线时左右对称的， 但是黑白条的长度固定十公分， 内侧长度远不及外侧长度，无可避免的会多次出现单侧全白的情况；终点线依靠 CCD 返回值具有驼峰形状的赛道信息返回值来测得。4.1.2 线性 CCD 传感器路径识别算法路径识别算法是我们使用的是由 CCD 中心向两侧搜索提取

23、跳变沿的算 法，通过提取到的两侧跳变沿相加除二来得到小车转向需要的转向值。具 体算法介绍如下：(1) 通过 CCD 返回的 像素值 ，利用 17 阈值来 找到 跳变 沿， 计算 black_center ；(2) 当传感器检测到黑线时相应的传感器返回中线值。(3) 对于直立车来说， 在控制过程中， 不仅要考虑双电机差速转向问题， 还要考虑直立与速控问题，这三个重要的量都是在两个车轮上完成，复杂 度极高，我们采用线性相加的方式将其拟合在一起，并对其上下限做出限 制，当超出这个限制时，强制到限制的最大值处。4.2 弯道的处理4.2.1 弯道策略分析其中，切弯路径主要决定了车辆是选择内道过弯还是外道

24、过弯。切内 道，路经最短，但是如果地面附着系数过小会导致车辆出现侧滑的不稳定 行驶状态，原因是切内道时，曲率半径过小，同时速度又很快，所以模型 车需要的向心力会很大，而赛道本身是平面结构，向心力将全部由地面的 摩擦力提供，因此赛道表面的附着系数将对赛车的运行状态有很大影响。 切外道，路径会略长，但是有更多的调整机会，同时曲率半径的增加会使 得模型车可以拥有更高的过弯速度。15 / 264.3 对速度的闭环控制图 4.9 PID 控制工作原理PID 控制策略其结构简单，稳定性好，可靠性高，并且易于实现。其缺点在于 控制器的参数整定相当繁琐，需要很强的工程经验。相对于其他的控制方式，在成 熟性和可

25、操作性上都有着很大的优势。所以最后我们选择了 PID 的控制方式。在小车跑动中，因为不需要考虑小车之前走过的路线，所以，我们舍弃了 I 控 制，将小车舵机的 PID 控制简化成 PD 控制。本方案中通过双电机的差速控制采用 位置式的 PD控制，速度闭环控制采用了增量式 PID 控制。在本方案中，使用试凑 法来确定控制器的比例、积分和微分参数。试凑法是通过闭环试验，观察系统响应曲线，根据各控制参数对系统响应的大 致影响，反复试凑参数，以达到满意的响应，最后确定 PID 控制参数。试凑不是盲 目的，而是在控制理论指导下进行的。在控制理论中已获得如下定性知识： 比例调节（ P）作用：是按比例反应系统

26、的偏差，系统一旦出现了偏差，比例 调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但 是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节（I）作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分 调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取 决与积分时间常数 Ti，Ti 越小，积分作用就越强。反之 Ti 大则积分作用弱，加入 积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合， 组成 PI 调节器或 PID 调节器。微分调节（ D）作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能 预见偏差变化的趋势

27、，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被 微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下， 可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微 分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时， 微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组 成 PD 或 PID 控制器。4.4 障碍的处理在第八届智能车竞赛中，规则中增加了黑色路障这一规则，路障的出现给直立 小车带来了 非常大的影响，如若盲目的冲撞上去，必然会导致翻车儿无法继续进行 本圈的比赛，因此，我们不得不对其进行检测，当 CCD

28、 检测到连续 4 场全黑的情 况下，我们便默认为小车前方出现了路障，并对速控以及转向进行处理，进而达到 平稳过路障得效果4.5 小结本章详细介绍了智能汽车的控制软件的设计和思路。传感器部分重点 介绍了 CCD 传感器的原理和算法。 在控制策略上主要介绍了 PID 控制理论 和对弯道信息的处理和控制上。17 / 26第五章 开发工具、制作、安装、调试过程5.1 开发工具程序的开发是在组委会提供的 IAR 下进行的，包括源程序的编写、编 译和链接，并最终生成可执行文件。 IAR Systems 是全球领先的嵌入式系统 开发工具和服务的供应商。公司成立于 1983 年，提供的产品和服务涉及到 嵌入式

29、系统的设计、开发和测试的每一个阶段，包括：带有 C/C+ 编译器 和调试器的集成开发环境 (IDE) 、实时操作系统和中间件、开发套件、硬件 仿真器以及状态机建模工具。5.2 调试过程通过组委会提供的 IAR 编译软件的在线调试功能，可以得到大量的信 息，为智能汽车的调试提供了很大的帮助。在智能汽车的调试过程中，有针对性的开发一个便于人机交互的上位 机系统，通过简单明了的可视化界面直观的显示智能汽车的状态对调试有 很大帮助。第六章 模型车主要参数6.1 智能汽车外形参数经过改装后，智能汽车的外形参数为：车长： 300mm ；车宽： 200mm ；车高： 180mm ；车重： 1.4kg6.2

30、智能汽车技术参数智能汽车相关技术参数如表 6.1 所示：表 6.1 智能汽车技术参数项目参数车模轴距/轮距（毫米）200/140车模平均电流（匀速行驶） （毫安）3000电路电容总量（微法）1800传感器种类及个数激光/5路新增加伺服电机个数1赛道信息检测空间精度（毫米）12赛道信息检测频率（次 /秒）250主要集成电路种类 /数量7/1219 / 26结论这次智能车华北赛，我们小组准备的还不足。时间观念也不是很强，主 动性差。但是，有老师和学长的教导也算是完成了目标。第一，做平衡车，首先机械结构很重要。重心要尽可能的低，而且要 对称。对于直立车的结构，可以参考第八届太原理工技术报告， 3 中

31、结构各 有所长。第二，有了好的机械那么就是确定方案，进行焊接或者制板。个人认 为，电源和主板接口在一块板，驱动要尽可能的小。第三，编码器的使用一定要会。我们小组把大部分时间都耽误在了速 度控制上，没有把转向和提速搞的特别好。从其原理，和电路图一定要清 楚，怎么用也要知道。只有速度受控了，才可以更好的直立和转向。要不 车子就会告诉转一个弯，就冲出跑到了（开环）。第四，角度的获得是核心。首先加速度计&陀螺仪模块一定要和车身安的平行，且稳定。（如果是官方给的方案的话，自己的方案按照自己的来 安装）。其次，一定要克服温漂，尽量把它放在车身后面，前面靠近马达， 结果会乱。最后，对于融合角度其实互补滤波就够用了，但是如果想让效 果更好，卡尔曼滤波是最好的。网上都有现成的程序，只需要把相应的Q、R进行估算就好了。最后，做直立平衡车，一定要有耐心。可一个月前 29 天你会发现什么 进展都没有，甚至感觉和之前比更差了，但往往第 30 天你会发现突然克服 了最大的技术障碍。所以小组组员要相互鼓励配合好。不气馁，多问老师 和学长，一定可以成功的。调试经验一、角度环角度环的 P 参数（相当于倒立摆回复力），让车模开始有能力直立， 在一定范围内 P 越大直立效果越好；但过大车模会来回摆动。角度环的 D 参数（相当于倒立摆阻尼