智能车控制系统毕业设计论文.doc
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1、摘 要智能车控制系统是通过单片机的自动控制器控制模型车在封闭的跑道上自主循线运行,在保证不冲出跑道的前提下,跑完一圈的时间越小成绩越好。我们通过对整体方案、电路、算法的分析,硬件电路部分主要采用MC33886模块稳定、有力地驱动直流电动机和舵机,采用激光传感器实现道路检测,获取赛道信息,反馈给单片机MSP430F149。电机驱动采用基于MC33886全桥电机驱动芯片。软件系统部分主要包括以下与路径识别系统相关模块的算法,同时车速检测模块采用光电编码器检测模型车速度,反馈给单片机形成闭环的PID速度控制;同时采用PWM技术控制舵机得转向和电机转速。在毕业设计的过程中,我们小组成员涉猎控制、模式识
2、别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科,这次磨练对我们的知识融合和实践动手能力的培养有极大的推动作用。 关键词:智能车;路径识别;激光传感器;PID;MSP430F149单片机 ABSTRACTIntelligent Vehicle control system design and debugging MCU is through the design of automatic controller model car in a closed runway independent line running through, ensuring the car is not out
3、 of the premise of the runway,finish the lap time for the less used the better results.Through the whole program,circuit,algorithm,debug,annalysis of vehicle parameters,we decided to use some of the major MC33886 hardware module that can stabilize a powerful DC motor and servo drive.And laser sensor
4、s to achieve the road test in result to get track information,and finally feedback to the microcontroller MSP430F149. Software systems, including some major recognition system associated with the path of the algorithm module in addition to vehicle speed detection module uses optical encoders to dete
5、ct model car speed,the purpose is that you can form a closed loop of the PID speed control;while car steering control with PWM technology was streering and motor speed. CodeWarrior software development tools enable the design of programming and debugging work is guaranteed.All in all, the temper of
6、our knowledge integration and practical ability to train great role.Keywords:Smart car; Path identtification; Laser sensors; PID; MSP430F149目录1 绪论11.1课题的发展概况11.2课题内容与意义21.3文本结构22智能车的整体设计42.1系统总体方案的选定42.2系统总体设计63硬件设计及说明143.1 核心控制模块3.2电源模块设计193.3激光传感器的设计143.4电机驱动模块设计与实现173.5舵机的安装与控制193.6速度检测模块3.7 显示模块
7、4软件设计说明244.1系统软件流程图244.2 所用PWM模块说明254.3模糊PID控制算法的实现274.4输入捕捉功能的实现参考文献33致谢34附录一35附录二581 绪论1.1课题的发展概况全国大学生智能车竞赛的计划是在2005年暑假举行的单片机嵌入式系统教书讨论会上,由飞思卡尔公司的金功九博士建议的。我们得知,韩国至今已举办过5届,不但得到飞思卡尔公司的赞助,还得到了韩国著名制造商的赞助。飞思卡尔公司的前身摩托罗拉公司半导体部,在过去10年中曾每两年一届,举办过五届“Motorola”杯全国单片机应用设计竞赛。比赛方式是参赛人提出单片机应用的创意,经过专家评审选出3050个应用方案,
8、然后再由公司提供8位、16位、32位以及DSP传感器等产品的样片和开发工具,用四个月的时间完成,并进行决赛,比赛对参赛人的背景没有限制此类竞赛对中国单片机的推广应用已经起到了一定的促进作用。当前在嵌入式领域8位、16位、32位的CPU种类繁多,各有定位和特色,且一个芯片中集成2个甚至3个CPU也不难见到。更复杂的应用可以使用多个CPU的分布式系统,因此CPU的运算能力不再是设计者首先考虑的。半导体技术的发展的不平衡往往表现在存储器上。因此有人提出,嵌入式系统的设计应该不再以CPU为核心,而是以存储器为核心。在本次设计中,采用16位微控制器MSP430F149作为核心控制单元,自主构思控制方案及
9、系统设计,包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等。1.1.1 国外概况美国国防远景研究规划局 DARPA 从 2004 年开始举办无人车大奖赛,以百万美元的奖金吸引各大高校和企业参与无人驾驶车辆的研究工作。2004 年的比赛在沙漠中进行。但在全长近 250 公里的路线上,最远的一队也仅仅跑了 11.78 公里而已。2005年的比赛有 5 辆车完成比赛,斯坦福大学 Sebastian Thrun 教授带领的 Stanford RacingTeam 的 Stanley 赛车获得冠军,他们使用了一辆改装过的大众途锐 R5 柴油车。2006年的比赛难度再次加大,从沙漠移到
10、了城市里,在加州的 Victorville,队伍完全被置身于真实的道路状况之中,包括避让,拥堵,加入车流和遵守交通规则等。卡内基梅隆大学最终获得冠军和 200 万美元的奖励,斯坦福获得第二名和 100 万美元,而第三名被维吉尼亚理工学院夺得。2007 年底在加利福尼亚维克托维尔举办了第三届智能汽车大赛。一款经过改装的智能化雪佛兰太和运动型多功能车在无人操控的情况下行驶了 6 个小时,行程 60 英里(约 96 公里),夺得大赛冠军。美国国防部希望智能汽车最能够用于军事,以使士兵更加安全;汽车制造商认为,人工智能系统将能帮人们驾驶,最终完全承担驾驶任务;研究者希望他们的技术将有助于减少交通事故。
11、韩国大学生智能模型车竞赛是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔导体公司资助下举办的以 HCS12 单片机为核心的大学生课外科技竞赛。组委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,跑完整个赛程用时最短且技术报告评分较高的参赛队为获胜者。制作智能模型车,要参赛队伍学习和应用嵌入式软件开发工具软件 Codewarrior 和在线开发手段自行设计和制作可以自动识别路径的方案、电机的驱动电路、模型车的车速传感电路、模型车转向伺服电机的驱动以及微控制器MC9S12DP256 控制软件编程,等等。其专业知识涉及控制、模式识
12、别、传感技术、汽车电子、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,对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高,具有良好的长期的推动作用。随着赛事的逐年开展,将不仅有助于大学生自主创新能力的提高,对于相关学科领域学术水平的提升也有一定帮助,最终将有助于汽车企业的自创新,得到企业的认可。这项赛事在韩国的成功可以证明这一点。2000 年智能汽车竞赛首先由韩国汉阳大学承办开展起来,每年全韩国大约有 100 余支大生队伍报名并准予参赛,至今已成功举办了 8 届,得到了众多高校和大学生欢迎,也逐渐得到了企业界的极大关注。上海交通大学、法国国家信息与自动化研究所(INRIA)和葡萄
13、牙 Coimbra 大学联合组成的 CyberC3 项目组,重点研究面向城市环境的无人自动驾驶车辆,旨在为未来的城市提供一种灵活、高效、安全、环保的新型公共交通工具。经过研究,人们发现如果能把人放置在车路系统之外,便可以比较容易降低事故率。因此,车辆自动驾驶是智能交通系统的重要组成部分。1.1.2 国内概况“飞思卡尔杯”全国大学生智能汽车竞赛是由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办,飞思卡尔半导体公司协办的全国性的比赛;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
14、配模型车,制作一个能够自主识别道路的模型汽车,按规定路线行进,以完成时间最短者为优胜。与以往的专业竞赛不同,智能汽车竞赛是以快速发展的汽车电子为背景,涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创新比赛,已经成为各高校示科研成果和学生实践能力的重要途径,同时也为社会选拔优秀的创新人才供了重要平台。我国于 2006 年 8 月举办第一届“飞思卡尔杯”全国大学生智能汽车邀请此次比赛吸引了来自全国 59 所著名学校的 112 支代表队的参与,大赛分预赛决赛两个阶段。我国于 2008 年 8 月举办了第三届“飞思卡尔杯”全国大学生智能汽车邀赛,此次比赛吸引了来自全国的
15、100 多所著名学校的几百支代表队参与,由于参赛队较多,大赛分为分赛区比赛和全国总决赛;全国共分东北赛区、华赛区、华东赛区、华南赛区及西南赛区五个分赛区;分赛区的前 15 名优胜者参加全国的总决赛。本届比赛在第一届比赛的基础上增加了赛道的难度,增加弯道和蛇形道在整个赛道中的比重,在决赛中还增加了不同角度的坡道,这对参赛选手及智能模型车系统提出了更高的要求。全国大学生智能汽车竞赛已经成功举办了三届,比赛规模不断扩大、比成绩不断提高。通过比赛促进了高等学校素质教育,培养大学生的综合知识用能力、基本工程实践能力和创新意识,激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能,倡导理论联系实际、求真务实的学风和团
16、队协作的人文精神,为优秀人才的脱颖而出创造条件。1.2 课题内容和意义智能小车以飞思卡尔16位微控制 MC9S12DG128B作为唯一的核心控制单元,电机驱动芯片选用了MC33886,采用激光传感器采集图像循线,实现了通过记忆算法解决跑道的S型的难题。同时,采用PWM和PID技术,控制舵机的转向和电机转速。路径参数的准确计算是智能小车控制的前提,采用随动控制来识别路径,更能准确的来控制小车速度。技术报告以智能小车的设计为主线,包括小车的软硬件设计,以及控制算法研究等。整个智能汽车制作过程中,我们主要做了以下工作:(l)查阅相关文献,根据设计要求,设计制定智能模型车系统方案;(2)选择及设计关键
17、器件,并进行相应的标定实验及功能模块设计;(3)智能模型车系统的整体硬件设计及研究;(4)智能模型车系统的整体软件设计及研究;(1)路径精确识别采用激光传感器来识别路径,解决其精度差的缺点研究的主要问题,试验中发现激光传感器器输出电压值与其接受红外光量有很好的对应关系,于是在每次行驶之前都对每个传感器动态建立数据表,将其在白板上及黑线上的电压值储存在单片机内存中,在主程序运行时对每个红外传感器输出电压值都进行 AD 转换,找到其与模型车相对于引导线的偏移量的规律从而计算出偏移量,此方法经实际试验,确定可行。(2)硬件电路设计为了让各个电子器件能够正常能够工作,设计外围电路以提供其工作环境。为了
18、在出现问题时查找方便,应将系统所有电路板均设计制作成 PCB 板以有效提升系统的可靠性。(3)控制系统设计整车控制系统是研究内容的重点,其主要功能是完成对转向舵机及直流电机的控制,PID 控制是一种非常成熟的控制方法,其在智能车辆控制领域有着很大的应用,但 PID 控制器的采样时间及各项系数对控制器调节能力影响很大,通过何种手段确定将是控制器研究的主要内容,经过大量试验最终确定了各个参数并通过了各类型路径的验证。(5)基于目标控制器的算法软件开发针对目标控制器,采用的 C 语言编译器按控制策略解决方案和控制软件流程,开发编写了包括主程序和相关子模块在内的实用化控制算法代码1.3 本文结构本文采
19、用先总后分的结构,对系统设计和调试的各部分进行了介绍,突出强调了系统机械结构、硬件电路和软件程序的统一。全文共由四个章节组成,第一章为绪论,二至四章为主体部分。首先,智能车系统相关的参考文献,在第二章里引出了智能车的整体设计策略,确定了系统总体框架。然后第三章和第四章分别介绍了智能车的硬件和软件方面的设计。2 智能车的整体设计本章主要简要地介绍智能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调整、控制模块、控制算法等三部分对智能车控制系统进行深入的介绍分析。21 系统总体方案的选定本次设计需要制作出一个能够自主识别道路并行驶的智能车。在模型车的制作过程中,最关键的问题就
20、是如何探寻黑线,如何施以合适的控制策略来确保小车在不违背规则的前提下沿赛道尽可能快速稳定的前进。2.1.1 道路识别模块选定通过学习前四届飞思卡尔智能车竞赛规则和往届竞赛相关技术资料了解到,路径识别模块是智能车系统的关键模块之一,路径识别方案的好坏,直接关系到最终性能的优劣,因此确定路径识别模块的类型是决定智能车总体方案的关键。而目前能够用于智能车辆路径识别的传感器主要有光电传感器和激光传感器、摄像头传感器。一、光电传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快,但是其前瞻距离有限。二、激光传感器相对前者而言电路复杂一些,但前瞻距离较前者远,能及时预测道路信息;激光传感器是新型测量仪表,它的优
21、点是能实现无接触远距离测量,速度快,精度高,量程大,抗光、电干扰能力强等。三、CCD摄像头寻迹方案的优点则是可以更远更早地感知赛道的变化,但是信号处理却比较复杂,如何对摄像头记录的图像进行处理和识别,加快处理速度是摄像头方案的难点之一。在比较了三种传感器优劣之后,考虑到CCD传感器图像处理的困难以及前瞻距离后,决定选用应用广泛的激光传感器,相信通过选用大前瞻的激光传感器,加之精简的程序控制和较快的信息处理速度,激光传感器还是可以极好的控制效果的。2.1.2 测速模块选定另外需要一个速度传感器安装在主驱动齿轮上,通过齿轮传过来的转动信息,获取后轮转角和电机转速。有以下方案:方案一 光电传感器 可
22、以对齿轮打孔,采用直射型光电传感器,通过间断接收到的红外光,产生电脉冲信号,获取转动角度和电机转速。虽然其体积小,不增加后轮负载,加工制作简单,结构稳定。但是精度不准,易受外界的干扰。方案二 光电编码器 光电编码器可以通过购买安装在主驱动齿轮上,来获得电机转速,光电编码器虽然体积大,会加重车的负担,但是其获取信息准确,精度高,安装容易,所以决定用光电编码器来实现电机的测速。2.1.3 电源模块选定 使用的电源为7.2V的镍铬电池。所以需要搭建一些升降压电路,下面考虑方案:方案一、采用降压、升压斩波电路采用斩波电路可以很容易得到所需要的电压,但是需要的转换电路很多,需要的元器件也很多。方案二、采
23、用升降压芯片集成的小芯片体积小,重量轻,易于安装,更能节省空间,所以最后决定采用一系列的升降压芯片来实现各个模块的电源需求。2.2系统总体设计通过设计基于德州仪器推出的MSP430F149单片机的自动控制器控制模型车在封闭的跑道上自主循线运行。自动控制器是以单片机MSP430F149为核心,配合有传感器,电机,舵机,电池及相应的驱动电路,它能够自主识别路径,控制模型车高速稳定运行在跑道上。自动控制器是制作智能车的核心环节。在严格遵守规则中对于电路限制条件,保证智能车可靠运行前提下,电路设计尽量简洁紧凑,以减轻系统负载,提高智能车的灵活性。作为能够自动识别道路运行的智能汽车,车模与控制器可以看成
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