农业曲辰之星技术报告

关于技术报告和研究使用的说本人完全了解第五届“飞思卡尔”杯大学生智能汽车邀请赛关保留、使用技术报告和研究的规定，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、图像资料，并将相关内容编纂收录在集中。 期本文介绍年来中国曲辰车队队员们在准备eeae智能车大赛过程中的工作努力成果。智能车的硬件平台采用带C912512器的12CoeaorE5.0统一提供的1：10的仿真车模。文中介绍了智能小车控制系统的软硬件结构和策略优化等多个方面。为了提高智能的行驶速度和可靠性，试验了多套方案，并进行升级，结合Labview仿真平台进行了大量底层和上层测试，最终确第一章引 研究背景介 系统方案介 章节安 第二章技术方案概要说 智能车系统分 智能车系统硬件结构设 智能车系统软件结构设 第三章机械系统设计说 智能车的整体结 智能车前轮定位参数的选 智能车转向机构调整优 智能车后轮齿轮机构调 其它机械结构的调 第四章硬件电路设计说 S12单片机最小系 路线识别电路设 电源管理电路设 电机驱动电路设 速度检测模 第五章软件设计说 总体控制流程 工作原 PID控制以及PID参数的整 小车控制策 光电智能车模糊PID控制方 软件开发环 第六章模型车各项参 第七章 参考文 附录A模型车控制主程序代 第一章思卡尔”杯大学生智能车大赛以邀请赛的方式使的学校和同学有了探索的机会。现在历经四届，每一届都较前一届无论是速度还是稳定性都有新的突破。大学生智能模型车竞赛是在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以C12单片机为的大学生课外科技竞赛。将提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够自主识别路线的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，谁最快跑完全程而没有冲出跑道，谁就为了追求小车的高速和稳定的目的，人们对人工智能与机器人技术，汽车技术，自动控制技术各方面都进行了更广泛、更深入的层面展开研究,这样无疑对学术研究和生产应用都有很强的实际意义。比赛涉及到的专业知识有自动控制、模式识别、传感技术、、电气、计算机、机械等多个学科，对学生的知识融合和实践动手能力的培养有重大的意义，对高等学校控制及汽车电智能小车系统由HCS12微控制器、电源管理单元、路径识别电路、车速检测模块、舵机控制单元和直流驱动电机控制单元组成。本系统以飞思卡尔公司的16位微处理器MC9S12XS128为控制，并采用CodeWarior软件编程和BDM调试工具。运用反射式红外传感器进行道路信息，并采用技术来控制舵机的转向和电机转速。舵机控制主要采用信号开环控制,而速度控制方面，由数据表来设定速度，PID控制来调整速度。通过将总线频率超频到40M来更快更准确地进行控制。各个部分经过MCU的协调处理，能够以较快的速度在指定的轨迹上行驶，在进弯道之前能够提前并改变角度，达到平滑过弯和减小路程的效果。分为六个章节：第一章为引言介绍；第二章主要介绍了智能车机械设计与安装；第三章主要介绍了智能车机械设计与调试；第四章主要介绍了智第二章智能车机械安车辆对路况的判断距离越远，越能提前得到路况信息，对车辆行驶速度越有帮助。我们算法就是基于远距离探测配合近距离探测控制的算法。所以，我们使层红外探测设备，组成两层探测体系，两层探测体系再结合控舵舵电气近红外探测电机及测远红外探测2.1整车设计简参辆是由统一下发的，车辆运动部分是改动的，这样，我们首先用的一种较便宜，容易改装的模型车初步设计方案，结合控制算在经过调试确定最佳方案后，对实际比辆提出最终方案。并利用简易PCB板，利用轻质塑料板材进行机械加工。尽可能在机械加工中为了确度和安装要求，我们使用了机床和钻孔机进行加根据车辆的行驶特性，我们调整了车辆的重心和车轮的内束角，取得了很好的效果。若重心前移，重心到后轴水平距离增大，易发生后轴侧滑，对高速汽车性大；若重心后移，重心到后轴水平距离减小，前轮易丧失转向能力。实践证明前轮压力大一点对车辆的转向很有好处，因为车的自身功率较小，不易加到很高的速度，所有，刹车性能的好坏对车辆影响有限，但转向性能的提高，过弯速度的提高对比赛成绩有决定性的影响。所以，车的重心通过112MC9S12XS128我们的控制方案简单的说就是利用远距离传感器对远方路况信号进行处理和判断，然后控制车辆的转角和速度，即控制车辆巡线行驶。同时，根据前方路况切换不同的控制算法，近距离传感器则是对车辆行驶起间接控制作用，判断车是否正常行驶和是否通过终点线。不同的控制算法都是通过远距离传感器信换时传车驶行测。让智能车巡线前进有很多解决途径,并有多种光电器件可供选择,如光敏器件、红外器件、光纤器件、颜色传感器等.纤器件、颜色传感器成本相对较高使用较复杂,故选用了反射式红外器件,它具有效率高、受可见光影响较小、造价低廉、易于使用等优点。所以我们在对路况的判断上，选用的传感器都是红外传感器。前转向电前转向电光电第三章智能车机械部分安装和调为了使转弯更加灵活，对舵机相关部分作了部分改动。首先，我们舵机力臂加长。这样使同样的转弯角度值，只需更小的舵机转角，减小了舵机转弯时惯性带来的弊端。并且，通过降低舵机高度，降低整车重心，使小车转图3.1舵机改装为立为了增加前轮转弯时的稳定性，对前轮相关部分进行了部分改动。首先，其次，改变前悬架上横臂的长度，使车轮倾角与车速适应，车轮转弯时，能够提供足够侧向力不发生侧滑导致侧向力不足，促使转弯更加稳定。再次，我们通过更改舵机连杆的长度，使前束与车轮倾角相适宜，同样增加了前轮的为了提高运行时的稳定性，对地盘相关部分作了部分改动。首先，前轮相关位置加垫片，降低了前轮重心。由于转向大，对底盘的部分地方做了相应处理，使其不和轮辋发生运动。其次，更改后轮车轴处的调节块，使后3.2底盘调第四章智能车的电路设计与实统、车速传感器电路需要5V电压，路径识别的光电传感器和电路电压工5V4.8V6V(或直接由电池提供)，直流电机可7.2V2000mAhNi-cd和LM2940作为稳压。经试验电压纹波小，完全可以满足要求。稳压电电电池单片对舵测速4.14.2电源模块示意图比赛最终比的是速度，需要模型车能够以尽量快的速度跑完全程，有了好的算法之后，需要有驱动电路对电机进行控制。本系统使用的电机驱动板为一个由分立元件制作的直流电可逆双极型桥式驱动器其功率元件由四支NMOSFETS12输出的波的占空比S1250%时，电机不转，当占空比50%时，电机正转，小于50%则反转。原理图如下：4.4电机驱动为了提高检测精度，最后确定为使用精度较高的光电编，光电编码器使用5-24V585%C杂，需要增加电路，但相对于其带来的，测量精度的提高和测量稳定性的4.5光电编现场由于赛道情况各有不同，弯道、直道数量个不相等，所以必须能在不改变程序的前提下进行参数的调试，调试的方式界面可以有数字按键，拨盘开关等，经过多种情况考虑，我们最后选择了拨盘开关，由开关分别进行参数选择4.6拨码开4.7传感器正18个激光发射管和六个接收管，每个接收管接收第五章智能车软件设计与实高效稳定的软件程序是智能车平稳快速寻线的基础。本智能车采用激光管和红外对管作为寻线传感器，数据的处理就成了整个软件的内容。在智能车的转向和速度控制方面，我们使用了增量式PID控制算法，配合使用理5ms产生5ms产生中断定时器初始开程序初开程序初始开开起始线识参数起始线识参数停速度转向数据ADC智能车的算是车的部分，影响车的态性能重要因。们选用了激光管一字形排列的排列方式，输入信号简单明确。但是由于硬件条件的限制，此类安装方式会导致每次所获路道信息比较少，因此需要用一种有效的算法来弥补该缺陷。18个激光发射管，12cm4525cm，由于在该距离下接收在一字型排列中需要保证相邻两个传感器的间距足够大，但是不能大于黑了1.cm有传感器能检测到黑线，并且获得准确的路径信息。图5.2传感器的排列5.3正常行5.4偏离跑5.5严重偏离跑图5.6交叉线全5.7起跑线识别因此我们建立了一个相应的坐标轴来说明当前所处位置即与黑线的位置关系，以的中心位置为坐标原点，左右对称的数学模型，对应传感器的（6对的控制反映到坐标轴上就是要平滑的移动并确保对黑线的水平偏差为0，轴，说明向右偏，需要控制舵机左转，水平偏移量越大，转向程度越剧烈由硬件设计部分可知，速度采用脉冲计数器，光电编的输出接在定时器接口上。在软件里，通过每隔5ms的中断处理程一次脉冲次数，读后立即清零，等待下一次的中断。并将数据经过处理，除去偶然误差，做PID70来，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。单位反馈的PID控制原理框图如图5.2：5.2单位反馈的PID控制原理u。ukpeki

edtkd

其中kpkikd分别称为比例系数、积分系数、微分系数。uu,这个新的输出信号被再次送到PID增大微分项系数可以加快动态系统响应，但容易引起震荡。一般增大比例系数能够减小上升时间，但不能消除稳态误差。增大积分系数能够消除稳态误并且改善瞬时响应。对连续系统中的积分项和微分项在计算机上的实现，是将上式转换成差分方程，由此实现数字PID调节器。PID用矩形数值积分代替上式中的积分项，对导数项用后向差分近，得到数字PID控制器的基本算式（位置算式：uk(e1

enen1T pn ekTTdik1T

公式Tkp、Ti、Td为三个待调参数，我们在实际代码实现算PreU=Kp*error+Ki*Integral+Kd* 公式uu ke 1eTd(e TT n TTi

nPreU+=（Kp*d_error+Ki*error+ ID如用梯形法做数值积分以提高精度，将差分改成一阶数字滤波等等，在实际调车的过程中，我们确实遇到过由于码盘采样得到的脉冲上升下降沿不够陡使得速度采样出现不稳定和失真，但由于这些附加处理比较耗费代码的运行时间，出于代码效率和实际效果的比较，我们没有采用这些改进的方案，另外可运用IDID两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。由于智能车整个系统是机电高耦合的分布参数系统，并且要考虑赛体环境，要建立精确的智能车运动控制数学模型有一定难度，而且二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单，我们采用了这种方法，同时，我们先后实验了几种动态改变ID参，，而位置型算法要用到过去偏差的累加值，容易产生大的累加误差；增量型算法得出的是控制量的增量，而位置型算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大；采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。在实际应用中，采样的反馈值，即为脉冲累加器中的10中的脉冲数，预设门限值在参数整定时根据实际情况调节，输出值并不能直接用来控制电机，需要将其转换为控制占空比然后增大减小占比方法来现对机的10msK、I、DTY的5ms5ms对电PIDPID调节策略具体在程序中k，ki，kd—PID参数值将传感器的反馈值经过算法处理后得到的黑线位置和对应的舵机PID参照角度开始在较低速（2m/s以下）试验时，在偏离黑线很少的某个范围，将KpKp值减小为原来的一半，在偏离较Kp原来的大小。取得的实际效果在弯道较多、直道较短的赛道上，车子转弯流畅，直道也能基本保持直线加速，车身左右抖动较小。但在提高车速至高速（2.5m/s以上）时，发现车身在跑直道特别是是长直道时，车身左右震荡比较严重，究其原因，软件上自身编写的PID舵机控制还不够精细，动态适应能力不够，在从弯道进直道的过程中，由于小车循黑线本质上是一个随动系统，积分项在弯道累积的偏差错误地加在直道的上，造成在进入直道时转向不够准确，跑直道时虽然能黑线，但是转向调整往往超调，导致车身在直道上左右震荡，这种震荡严重影响了车的整体表现，导致小车开始转向，由于中间一直检测到弯道，小车会沿S弯道左右震荡，同时相应会减速PIDPIDS弯和长直道时都选择跑最佳路径，并且不影响车拐普通弯。这就要求我们要智能地识别出当前赛道是哪种类型，我们没有选择赛道等方法来判断当前赛道是哪种类型，仅仅根据黑线位置动态改变PID参数，得到了较好的控制效果，经过我们反复测试，选择的PID调节策略具体在程序中的代码如下：小车转向角的控制通过输入信号进行开环控制。根据不同的car-positn值，按不同的区间比例给出不同的控制信号，小车转过相应的角度。由于实际舵机转角与信号的占空比基本成线性关系，所以我们采用了查表法，表的方式得出信号占空比，控制舵机转过一定的转角。定了一组最优的转角值，转角值与车当前位置car-positn的函数关系如图5-85-8舵机响应car-positn值来第六章智能车技术参数说项参路径检测方法（赛题组光电车模几何尺寸（长、宽、高（毫米车模轴距/轮距（毫米车模平均电流（匀速行驶）(毫安电路电容总量（微法传感器种类及个新增加伺服电机个0赛道信息检测空间精度（毫米赛道信息检测频率（次/秒主要集成电路种类/数MC338863LM29404车模重量（带有电池（千克第七章3在算法方面，我们使用C语言编程，利用比赛推荐的开发工具调试程序，经参考文[1]邵贝贝·单片机嵌入式应用的开发方法· ，[2]，白焰·摩托罗拉68HC12系列微控制器原理、应用与开发技术·：中国电力，2003童诗白·模拟电子技术基础·：高等教育，阎石·数字电子技术基础·：高等教育，张宇河，董宁·计算机控制系统·：理工大学，陶永华，尹怡欣，葛芦生·新型PID控制及其应用 ：机械工 谭浩强·C程序设计· 侯国屏，王坤，叶齐鑫·LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计· HCS12SerialCommunicationInterface(SCI)BlockGuideV02.05S12SCIV2/Metrowerks·IDEHelpforCodeWarriorPlug-inforMotorola·MetrowerksSemiconductor,Inc.，.一种微机与单片机无线串行通信的设计方法.[D]2002年8月.周斌，李立国，黄开胜.智能车光电传感器布局对路径识别的影响研究.电子产品世界，2006.5卓晴,黄开胜，邵贝贝，学做智能车[M].:航天航空张幽彤，陈宝江．技术原理及应用[M]．：理工大学张伟等．ProDXP高级应用[M]．.人民邮电面对各种和，顺利的完成了对模型车的制作和调试。还有机械加工中心的师傅们，在我们调试智能车时，经常来关心我们，询问我们的，帮附录 模型车控制主程序代#includeextern value //舵机转externintspeed //电机速 valuetemp= //上一次转角 sor_error= //本次转角和上一次//externint//externunsignedcharint//int//int//intvoid{ //总线时钟=16MHz*(SYNR+1)/(REFDV+1＝32MHz}void{}

BRCLRCRG,#$08,*BSETCLKSEL,#$80} void{} {DTY45=3100;//根据具体置中值可