科技光电平衡组一队技术报告

关于技术报告和研 使用的说本人完全了解第八届“飞思”杯大学生智能汽车邀请赛关于保留、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，比赛和飞思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。日目目 线形CCD的安 线性CCD传感 3.2.3编 2 参考文 大学生“飞思”杯智能汽车竞赛是以“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”为，鼓励创新的一项科技竞赛活动。竞赛要求在规定的汽车模型平台上，使用飞思半导体公司的微控制器作为控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动模块以及编写相应控制程序，制作完成一个能够自主识别道路的模型汽车。智能汽车竞赛的赛道路面为宽度不小于45cm的白色面板，赛道两侧边沿有宽为25mm的连续黑线作为引导线。参赛队员的目标是模型汽车需要按照规则以最短时间完成单圈赛在本次比赛中本组使用大赛统一提供的竞模，采用飞思32位微控制器MK60DN256ZVLL10作为控制单元，自主构思控制方案及系统设化的位置的方法。控制算法上，从PID到Bang-Bang,再到模糊PID都进行了一在这份报告中，我们主要通过对整体方案、机械、硬件、算法等方面的介绍，详细阐述我队在此次智能汽车竞赛中的思想和创新。具体表现在电路的创新设计、算法以及辅助调试模块等方面的创新。我队成员涉及自动化、机械、计算机等专业，在准备比赛的过程中，队员查阅了大量的专业资料，反复地调试汽车模型的各项参数。所有队员都为此次智能汽车竞赛付出了艰苦的劳动。这份报告凝聚着科技大学智能汽车队光电组全本章主要介绍智能汽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。本届智能汽车大赛光电组比赛对传感器有着严格的规定，使用激光传感器，改为统一线性DED光学传感器，这对我队是一个全新的。ED灯虽然有信号稳定的特点，但是由于前瞻太小，不适合平衡组的汽车来循迹。相比之下，D与传统的光电传感器相比有着信息量大，质量轻，电路简单的特点，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，也使用陀螺仪作为转向反馈。遵照本届竞赛规则规定，智能汽车系统采用飞思的32位微控制器MK60DN256ZVLL10单片机作为控制单元用于智能汽车系统的控制。线性CCD赛道明暗信息，返回到单片机作为转向控制的依据。加速度计返回的模拟信号作为车身当前角度的信号，陀螺仪车身转动的角速度。主控输出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，我们使用编作为速度传感器。编返回的信号可以形成闭环，使用PID控制电机的转速。平衡组加会导致车身的倾角剧烈的变化，这并不利于车身保持平衡。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，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；电机驱动模块，驱动直流电机和伺服电机完成智能汽车的加控制速度检测模块，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、状态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，将对整个系统的各个模块进行详细介绍。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。此次竞赛选用的是东莞市博思电子数码科技生产的智能车竞赛模型车(D型模型车)，配套的电机型号为-2875。智能车的2.1速度传感器的安图2.2主销后倾图线形CCD图2.4CCD的安装车模倾角传感重心的高度是影响智能车稳定性的因一。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。电路板的安电池安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。电源管理模首先了解一下不源的特点，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7.2V2000mAhid供电，而单片机系统、路径识别的CD传感器、陀螺仪和加速度传感器均使用的是3.3V的电源。编需要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7.2V2000mAhNi-cd蓄电池直接供电，智能汽车电压调节电路示例见图3.1。3.15V电源模块用于为74HC08，74HC14,编供电。常用的电源有串联型线性稳压电源（LM2940TPS7805等和开关型稳压电源（LM2596、LM2575、AS1015等）两大类。前者具有纹波小、电路结构简单的优点，但是效率较低，功耗大；后者功耗小，效率高，电流大，但电路却比较复杂，电路的纹波大。本次电路5V的电源分成2个稳压来提供，一个为H桥芯片IR2184S提供5V电源，另一个为编和逻辑转换提供电源。由于本次使用的是K60单片机和CCD传感器。这些模块均要求使用3.3V电源。3.3电源也分为2个电源，一个为传感器供电，另一个为单片机，键盘，液晶供电。总体上来说，我们电源的分离是为了减小传感器电源的稳定。CCD，陀螺仪，加速度计都是模拟传感器，电源的纹波将影响传感器的性能。减小电源的纹波的大小可以保证传感器的可靠性。电机驱动模本次光电平衡组需要驱动2个电机，驱动的设计尤为重要。常用的电栅极驱动设计。市面上常见的集成H桥式电机驱动中，飞思卡尔公司的33886型性能较为出色，该具有完善的过流、欠压、过温保护等功能，内部MOSFET导通电阻为120毫欧，具有最大5A的连续工作电流。使用集成的电路设计简单，可靠性高，但是性能受限。由于比赛电机内阻仅为几毫欧，而集成内部的每个OSFET导通电阻在120毫欧以上，大大增加了电枢回路总电阻，此时直流电动机转速降落较大，驱动电路效率较低，电机性能不能充分发挥。由于分立的N沟道MOSFET具有极低的导通电阻，大大减小了电枢回路总电阻。另外，专门设计的栅极驱动电路可以提高MOSFET的开关速度，使控制方式的调制频率可以得到提高，从而减少电枢电流脉动。并且栅极驱动通常具有防同臂导通、硬件死区、欠电压保护等功能，可以提高电路工作的可靠性。IR公司号称功率半导体，所以我们主要在IR公司的产品中进行选择。其中IR2184型半桥驱动可以驱动高端和两个N沟道MOSFET，能提供较大的栅极驱动电流，并具有硬件死区、硬件防同臂导通等功能。使用两片IR2184型半桥驱动可以组成完整的直流电机H桥式驱动电路。由于其功能完善，价格低廉容易采购，所以我们选择它进行设计，如图3.2所示。3.2IR2184应用图选择MOSFET时主要考虑的因素有：耐压、导通内阻和封装。智能汽车电源是额定电压为7.2V的电池组，由于电机工作时可能处于再生发电状态，所以驱动部分的元件耐压值最好取两倍电源电压值以上，即耐压在16V以上。而导通内阻则越小越好。封装越大功率越大，即同样导通电阻下通过电流更大，但封装越大栅极电荷越大，会影响导通速度。常用的MOSFET封装有TO-220、TO-252、SO-8等，TO-252封装功率较大、而栅极电荷较小。于是我们最终选择了IR公司TO-252封装的LR7843型N沟道MOSFET，VDSS=55伏、RDS(on)=8.0毫欧、ID=110安。IR2104的控制信号有两个管脚IN和SD。IR2104输入输出信号关系图如图3.3所示：而当两片IR2104驱动如图3.4所示可逆桥式电路时，其真值表为表3.4HHLHHLLHLHHHLHHLHHHHHLHLLHLHLHLHXLXLLLLL3.5图3.6中IC是一个高压驱动,动2个半桥SFET。b,s为高压端供电oMoss电位为下桥臂功率管2的饱和导通压降,基本上接近地电位,此时cc通过自举二极管D对自举电容2充电使其接近Vc电压.当2关断时s端的电压就会升高,由于电容两端的电压不能突变,因此b端的电平接近于Vs和Vc端电压之和,而和s之间的电压还是接近Vc电压.当2,2作为一个浮动的电压源驱动22s2.6D2I2184在脉宽调制（）应用时应严格挑选和设计的元器件,根据一定的规则进行计算分析;并在电路实验时进行调整,使电路工作处于最佳状态,其中D是一个重要的自举器件应能阻断直流干线上的高压其承受的电流是栅极电荷与开关频率之积,为了减少电荷损失,应选择反向漏电流小的快恢复二极管,内高压部分的供电都来自图中自举电容2上的电荷;为保证高压部分电路有足够的能量供给#应适当选取2的大小.OSFET具有相似的门极特性,开通时需要在极短的时间内向门极提供足够的栅电荷,在自举电容的充电路径上,分布电感影响了充电的速率,下桥臂功率管的最窄导通时间应保证自举电容有足够的电荷#以满足栅极所需要的电荷量再加上功率器件稳态导通时漏电流所失去的电荷量.因此,从最窄导通时间为最小值考虑,自举电容应足够小;综上所述,在选择自举电容大小时应考虑,既不能太大影响窄脉冲的驱动性能;也不能太小影响宽脉冲的驱动要求,应从功率器件的工作频率、开关速度、门极特性等方面进行选择、估算后调试而定。接口模CCD的器件很少，输出信号经过滤波等处理后就可以直接连接K60AD端口上。接口极其简单，电路如下所示。3.7CCD3.8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。线性CCD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。加速度计使用MMA7361。ENC-03陀螺仪有比较小的体积和高的灵敏度。其工作电压范围为2.75~5.25V。一种运用比较广泛的电路，如图3.10所示。同一PCB板上使用2个陀螺仪的时候，需要使用一个ENC-03MA和一个加速度传感计。我们使用的是MMA7361，MMA7361具有工作电压第（2.2~3.6V），灵敏度高滤波。电路如图3.11所示。3.2.3编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K603.113.12所示。我们选用ZLG7290控制，它可以驱动八位数码管，最多可驱动64个独立图 图 ZLG7290应用原理图 ZLG7290管脚说我们设计了八位数码管，3*4共十二键的键盘，在具体的设计中可依据实际的应用选择限流电阻的大小，这样可以灵活的控制数码管的亮度。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。主程序流程图由于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。新型传感器路径识别状由于今年的赛道信息增加了小S虚线规则以及黑色路障规则，并且对光源传感器做出了要求，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。对于我们的模型车，CCD在赛道上可能的状态有：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况也显得错综复杂，点层出不穷。记为left16~63和right64~111。在直道时，两侧都会检测到赛道边沿，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D进行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。线性CCD传感器路径识别算路径识别算法是我们使用的是由CCD中心向两侧搜索提取跳变沿的算法，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。具通过CCD返回的像素值，利用17阈值来找到跳变沿，计算当传感器检测到黑线时相应的传感器返回中线值。式中，Pixel[i]为对应传感器的状态值。{if(ABS(Pixel[i-1]-Pixel[i]){leftbreak=i;}}for(i=111;i>64;i--{if(ABS(Pixel[i+1]-Pixel[i]){rightbreak=i;}}其中leftbrk_num与rightbrk_num是判断左右是否全黑与全白的判断条件。由此可以得到模型车的状态，为下一步控制决策提供必要的信息。通过得到的leftrk_numrightbrk_num是否等于48来判断左右侧是否是全白的情况。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。弯道策略分其中，切弯路径主要决定了车辆是选择内道过弯还是外道过弯。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的运行状态有很大影响。切外道，路径会略长，但是有的调整机会，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。熟性和可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。组成PI调节器或PID调节器。成PD或PID控制器。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。程序的开发是在提供的IAR下进行的，包括源程序的编写、编译和，并最终生成可执行文件。IARSystems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。通过提供的IAR编译软件的调试功能，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。我们开发了用于监测智能汽车实时状态的实时监测系统，大大提高了调试效率。科技大学光电平衡组上位机系统用C#开发完成。本系统可以记录车运行信息的SD卡，并根据所以记录信息，画出相应的曲线，可以很方便的看出车身前进过程中传感器，电机转速等相关信息。5.1在该版本系统中，我们不仅可以智能汽车行驶过程中的状态，并且可以保存一些重要信息，比如各种特殊道传感器的状态，速度及路径图等。通过该系统，我们可以综合智能汽车实际行驶中的信息，分析得出最优控制策略，进而得到最优控制策略。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：智能汽车相关技术参数如表6.16.11 “飞思”杯大学生智能汽车竞赛已经成功举办了七届，该竞赛涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科，培养了学生的知识融合和实践动手