汽服1103-李洋洋--飞思卡尔智能汽车方案设计

1、13 李洋洋 汽服1103 0121107760321 “飞思卡尔”智能汽车方案设计 摘 要 本文设计的智能车系统以MK60N512VMD100微控制器为核心控制单元，通过线阵摄像头检测赛道信息，使用模拟比较器对图像进行硬件二值化，提取赛道中心线，用于赛道识别；通过光电编码器检测模型车的实时速度，使用PID控制算法调节驱动电机的转速和转向舵机的角度，实现了对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。为了提高模型车的速度和稳定性，使用C#、键盘模块等调试工具，进行了大量硬件与软件测试。实验结果表明，该系统设计方案确实可行。关键字：MK60N512VMD100，CMOS，PID，C# AbstractI

2、n this paper the author will design a smart car system based on MK60N512VMD100as the micro-controller unit. We use a CCD image sensor to obtain lane image information. Then convert the original image into the binary image by the analog comparator circuit in order to extract black guide line for trac

3、k identification. An inferred sensor is used to measure the cars moving speed. We use PID control method to adjust the rotate speed of driving electromotor and direction of steering electromotor, to achieve the closed-loop control for the speed and direction. In order to increase the speed and the r

4、eliability of the car, a great number of the hardware and software tests are carried on and the advantages and disadvantages of the different schemes are compared by using the C# and the keyboard module. The results indicate that our design scheme of the smart car system is feasible.Keywords: MK60N5

5、12VMD100，CMOS，PID，C# 目录摘要1Abstract1目 录21、整车方案设计3 1.1系统概述3 1.2整车布局42、整车功能设计53、速度控制与转向控制的设计与实现 6 3.1速度控制6 3.1.1方案选择6 3.1.2编码器安装6 3.2转向控制7 3.2.1方案设计7 3.2.2舵机安装74、实车道路试验与结果分析.8参考文献13131、整车方案设计1.1系统概述智能车系统的总体工作模式为：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摄像头采集赛道明暗信息，返回到单片机作为转向控制的依据。

6、通过光电编码器来检测车速，并采用MK60N512VMD100的DMA输入捕捉功能进行脉冲计算获得速度和路程；转向舵机采用PD控制；驱动电机采用 PI控制，通过PWM控制驱动电路调整电机的功率；而车速的目标值由默认值、运行安全方案和基于图像处理的优化策略进行综合控制。根据智能车系统的基本要求，设计了系统结构图，如图1.1所示。在满足比赛要求的情况下，力求系统简单高效，因而在设计过程中尽量简化硬件结构，减少因硬件而出现的问题。 图1.1 系统结构图1.2整车布局 “飞思卡尔”智能汽车整车布局本着轻量化设计，如图1.2.具有以下特点： （1）架高舵机并直立安装，以提高舵机响应速度； （2）主板低位放

7、置，降低赛车重心； （3）采用强度高、质量轻的材料制作线阵摄像头CCD支架； （4）摄像头后置于模型车的中间部分，减少赛车前方盲区。 图1.2 整车布局图 图1.3 整车布局图2、整车功能设计 线阵摄像头CCD能够分辨白色的赛道及黑色的边线，对道路状况的检测起着至关重要的作用。TSL1401线性CCD传感器包含128个线性排列的光电二极管。每个光电二极管都有各自的积分电路，以下将此电路统称为像素。每个像素所采集的图像灰度值与它所感知的光强和积分时间成正比。一般来说线性CCD模块的焦距是固定的，因此要想得到清晰的图像就需要通过调节镜头的进出来解决。如果镜头拧的位置合适，则会得到清晰的图像，CCD

8、输出的数据在波形上会表现的比较尖锐。此时，根据CCD采集到图像，通过找到左右边线，计算出实际智能车行驶的中线，模拟出行驶轨迹，进而通过优化处理智能车的路径，以便能够更快的速度行驶完规定的赛道。如图2.1所示。 图2.1 上位机图像 综上所述：将CCD采集时间定为8s，此时图像的稳定性是最高的。3、速度控制与转向控制的设计与实现3.1 速度控制 3.1.1方案选择 在保证赛车稳定性的前提下，提高速度是获胜的关键，也是设计的重点。同时赛车的重量和重心的调整也是设计时要考虑的问题。对赛车速度的控制主要有两种方案。即：开环控制和闭环控制。方案一：开环控制 开环控制是指没有反馈的控制。即通过预先设定的方

9、案，没有外部反馈地进行操作。优点在于操作和控制比较简单，只需要提供理论运行的过程然后编程调整即可实现。缺点在于理论和实际始终有一定的误差，实践证明开环控制的精度不高，无法切实有效的提高速度。方案二：闭环控制 闭环控制是指具有反馈的控制。在系统运行过程中，需要不断检测赛车速度的状态,与预期的状态进行比较,当相差到一定程度时,修正误差,精度很高。但是缺点在于电路的搭建和程序的编制都比开环控制要复杂。实现电机的闭环控制传感器主要是采用旋转编码器，在电机转动一定角度的时候形成脉冲，由外部器件捕获这些脉冲，得出与实际运行的差异。开环速度控制实现起来比较简单，但速度会随着电池电压的变化而变化，不能实现对速

10、度的精确控制。为了使小车能以不同的速度通过不同的弯道，精确的速度控制是关键。而且由于赛道上有斜坡，赛车安全通过斜坡的关键是控制上坡和下坡的速度，所以对于采用速度闭环控制的赛车来说通过斜坡就像是通过普通的直道一样的简单，不需要对斜坡进行专门的检测。 综上所述，采用速度闭环PI控制方案。 3.1.2 编码器安装 选用5V工作电压的光电编码器进行速度的测量。速度传感器用螺钉通过支架固定在后轮支架上，这样固定好之后，就有了较高的稳定性。然后调节编码器齿轮，使其与差速齿轮紧密咬合，增大测速的精确性，但是咬合过紧也增大了摩擦，减小了对电机做功的利用率，影响小车的快速行驶，因此减小摩擦同时增强齿轮间的咬合是

11、主要考虑的因素。编码器安装示意图如图3.1.2所示： 图3.1.2 编码器安装示意图3.2转向控制 3.2.1 方案设计 转向模块主要由舵机实现，舵机的响应速度和舵机臂长决定了转向控制的实时性。舵机的响应速度与驱动电压和控制舵机的PWM波周期有联系，通过查阅相关资料得知，在电压允许条件下，驱动电压越高舵机的响应速度越快。调试过程中发现直接使用电池电压供电舵机也可以正常工作，把控制舵机的PWM波周期调整为4ms，然后结合CCD采集时间，将CCD一个周期内计算出的PWM值分成两次分给舵机。把舵机臂长加长，舵机的响应速度有了很大提高，实现了对赛车的快速转向控制。 3.2.2 舵机安装舵机安装直接关系

12、到是否能快速灵敏地转向的问题。如果舵机调整不到位，将很大程度上限制转向角度和转向响应速度。舵机安装有两种方式，一种是卧式安装，另外一种为立式安装。 卧式安装为车模默认安装方式，但这样安装会使左右两边轮子连杆不等长，根据杠杆原理可知舵机对长连杆轮子用的力要大些，因此造成了舵机对左右两边转向响应时间不一样。另外由于卧式安装会使连杆与水平面呈现一定角度，从力学知识可以知道在轮子转向获得的力只是舵机施加在连杆上力的一个水平方向上的分力。 立式安装把舵机架高，增长了力臂，使得小车反应更加灵活，但增大了阻力，力的作用减小。因此，根据舵机性能和实际情况确定高度，将舵机立式正放，不仅提高了其响应速度，还增加了

13、小车底盘空间，易于安放电路板，降低小车重心。根据舵机形状制作了一个小巧坚固的舵机支架，支架边缘尽量少，以减少整车的重量，避免影响赛车提速。然后将支架以合适的高度固定在底盘上。 如图3.2.2所示。 图3.2.2 舵机安装示意图 4、实车道路试验与结果分析 4.1 通过对比不同时间的CCD采集时间，得出了几组不同的数据，并且根据上位机显示的图像对比，得出8ms的采集周期是最稳定的。 图4.1.1 2s时上位机的图像 图4.1.2 4s时上位机的图像 图4.1.3 6s时上位机的图像 图4.1.4 8s时上位机的图像 4.2 通过实验比较电机闭环控制和开环控制，在实际过程中，观察到： 在使用开环控

14、制时，速度不稳，偶尔会由于速度不均匀会冲出跑道，另外，由于是开环控制，会导致电机驱动发热，最后会整个控制系统崩溃。 在使用闭环控制时，虽然偶尔也会出现不稳定，但是是在误差允许的范围。而且电流比较稳定，不影响电机驱动。而且调节PI两个参数，可以很快的进行调节。 4.3 理想的转向模型，是指在轮胎不打滑时，忽略左右两侧轮胎由于受力不均产生的变形，忽略轮胎受重力影响下的变形时车辆的的转向建模。在这种理想的模型下，车体的转向半径可以计算得到。 转向机构在车辆运行过程中有着非常重要的作用。合适的前桥和转向机构可以保证在车辆直线行驶过程中不会跑偏，能保证车辆行驶的方向稳定性；而在车辆转向时，合适的转向机构

15、可以使车辆自行回到直线行驶状态，具有好的回正性。前轮转向舵机有立式和卧式两种安装方案（这里以舵机转轴为参考对象，立式：转轴处于水平方向；卧式：转轴处于竖直方向）， 舵机立式安装方式的优点：（1）转向响应速度快，转向角较为符合阿克曼转向原理，它由舵机臂竖直平面的运动转化为拉杆水平方向的运动，减少了在同一平面上运动的死区；（2）方便安装舵机臂，有利于调节赛车转向的中心值。 舵机立式安装方式的缺点：（1）不好安装固定；（2）安装后较高，占用竖直方向的空间；（3）重心较高。舵机卧式安装方式的优点：（1）转向响应速度较快；（2）高度较低；（3）重心低。舵机卧式安装方式的缺点：转向角部分符合阿克曼转向原理

16、（转角小时），舵机臂和拉杆都在水平平面内运动，当舵机臂长度与转角臂长度相等时会导致内、外侧轮不符合阿克曼转角。经过仿真分析后得出舵机立式安装方式较好，立式安装方式的转角较符合阿克曼转角。为此，可利用Inventor和Excel对车模进行仿真，并根据阿克曼原理算出理论转角，然后进行比较分析。 首先，将车模简化为简单的几何模型进行分析，如图4.14。然后根据此模型分析出车模参数的几何关系：V / tan = V / tan + H 。再用控制变量法，改变（外侧车轮的角度），算出（内侧车轮的角度）。最后，将算出的值和利用Inventor实测的数据导入到Excel中进行分析 图4.3.1 车模简化模型

17、 图4.3.2 仿真数据曲线图根据分析的结果，可以得出：（1）立式和卧式安装方式在转角较小时，跟阿克曼转角比较吻合；（2）在转角较大时，立式比卧式更接近阿克曼转角。故立式安装方式是较为理想的安装方式。再考虑舵机臂长度对其他方面的影响：舵机臂越长，响应速度越快，但是舵机响应时的打角力度会减小，所以应该选取适中的舵机臂长度参数，才对车模的转向不会造成负面的影响。 通过研究以及参照以往经验，为了达到较好的效果，设计出的舵机臂如下： 图4.3.3 舵机臂仿真图 为了让前轮有更大的转角，这就需要转向舵机有更大的转角，原车模中的转向连杆是由一个具有环状末端的连杆和一个球头关节。经过实践发现，此种结构将会有比较大的空程差，会给车模转向时带来不稳定的现象。而且原装车模转向角度不够，转向结构阻力较大，且不对称。 图4.3.4 原车模转向连杆 为了尽量减小不稳定的现象，决定采用A型车模中的球头，球关节，连杆及与A型车类似的安装方式（即两球头的固定孔位对称的位于舵机臂对