[信息与通信]连大天驭队技术报告.doc
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1、第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技 术 报 告 学 校: 大连大学 队伍名称: 连大天驭 参赛队员: 唐飞云 王才华 杨峰 带队教师: 陈波 汪祖民关于技术报告和研究论文使用授权的说明本人完全了解第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定,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视频、图像资料,并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。 参赛队员签名: 带队教师签名: 日 期: 目录第一章 引言11.1 智能车制作情况概述11.2内容安排1第二章 总体设计
2、思路3第三章 智能车机械安装及调整53.1 传感器的选择与布局53.2 舵机的安装63.3 测速传感器的安装。63.4 机械调整及其重心调整83.5 模型车主要技术参数9第四章 智能车硬件电路设计114.1电源模块:124.2 路径识别单元124.3 车速检测模块134.4电机系统驱动模块14第五章 软件设计175.1 路径的检测195.2 转角的控制195.3 车速的控制20第六章 总结23参考文献25附录A 程序代码27III第一章 引言1.1 智能车制作情况概述全国大学生智能汽车竞赛是一个涉及控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科的科技创意性比赛。该比赛让各参赛队伍
3、在同一平台公平竞技,体现了学校及学生的各方面综合能力,培养了在校大学生的动手能力及团队协作精神。经过几个月的努力,我们不断学习、总结前几届的比赛经验,同时参考各个学校优秀队伍的技术报告及各类专业书籍,在以前的基础上不断改进车模的硬件结构及不断创新和完善软件控制方案,最后,我们使用竞赛秘书处统一指定的竞赛车模套件,采用飞思卡尔半导体公司的16位微控制器MC9S12DG128B单片机作为核心控制单元,自主构思控制方案进行系统设计,完成了智能车的制作和调试。1.2内容安排本报告共分为五个部分:第一部分为总体设计思路(第二章);第二部分主要介绍了智能车机械设计与安装(第三章);第三部分主要介绍了智能车
4、硬件电路设计(第四章);第四部分为智能车软件设计部分(第五章);第五部分总结车模存在的问题和进一步解决的方向(第六章)。第二章 总体设计思路智能小车系统由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MC9S12DG128B为控制核心,并采用CodeWarrior软件、超级串口调试软件及BDM作为调试工具。车模、电池部分由大赛组委会统一提供。小车主要包括硬件电路和软件控制两大部分,硬件电路我们力求在稳定检测的基础上提高前瞻距离,同时提高舵机响应速度,而软件控制我们主要研究信号采集,舵机算法,路径识别和电
5、机系统控制。路径检测模块:这个模块相当于“车的眼睛”,可以说路径检测的好坏直接影响你的控制策略和小车是否能稳定快速的按照规定完成赛道。现在常用的方案有CCD摄像头寻迹和光电传感器寻迹两种方案。我们采用红外检测方式,这种检测方式更容易处理检测数据,而且处理速度也快。测速模块:测速方法主要有霍尔集成传感器、断续式光电开关和编码器三种方法,考虑到测速精度及车模成本,我们主要采用断续式光电开关来采集速度信息。电机系统控制:电机是模型车的核心部件,分为舵机和驱动电机,可想而知对电机的控制非常重要,要做到足够精确。在舵机控制策略上我们采用模糊查表法来对舵机进行控制;而速度我们采用PID算法来控制,它能让模
6、型车在行驶过程中更稳和更快。 模型车的整个制作和安装过程遵循尽可能地减轻车子重量和合理安装各个模块这两个宗旨。我们小车系统主要由路径识别模块、MCU模块、直流伺服电机驱动模块和车速检测模块、电源模块这五部分组成,在电路板的设计上,我们利用Protel DXP进行PCB设计,在确定方案绝对可行的情况后去电路板制作工厂制作了电路板,大大减少了模型车的制作和调试周期,而且,电路板的稳定性也有了大大的提高,并且使使车体结构紧凑又牢固而且外形美观。第三章 智能车机械安装及调整第三章 智能车机械安装及调整3.1 传感器的选择与布局寻迹传感器用来检测道路的信息,相当于人的眼睛,其前瞻和检测精度决定了小车的过
7、弯性能和速度。在前期,我们开始试验用激光管来代替传统的光电管,由于激光管对其驱动电路要求比较精确,且管的排布、高度和角度的确定都比较麻烦,加上时间比较紧迫,所以我们最后就采用红外光电传感器寻迹方案,即路径识别电路由一系列发光二极管、接收三极管组成,由于赛道中存在轨迹指示黑线,落在黑线区域内的光电二极管接收到的反射光线强度与白色的赛道不同,由此判断行车的方向。该方案中,要考虑到光电传感器的排列方法、个数、彼此之间的间隔和控制算法。在排布方式上我们选择了一字形排布方式。本系统单排非均匀分布,中间密两边疏,提高检测的连续性,利于算法控制,其位置如图3.1所示。图3.1 传感器位置分布这种排布方式可以
8、比较准确的确定黑线的位置,并有效的解决了相邻管的干扰问题,可以提高其支架的高度,进而提高其前瞻。由于对车身长度的限制及发射接收管的限制,我们光电架高度14.5cm,前瞻能达到21cm左右,这样可以让系统对赛道信息提前获取并较快较好地做出决策,从而使舵机能提前响应,更容易弯道提前转弯,走出最优的路径。3.2 舵机的安装组委会规定采用的舵机的工作速度为0.16s/60度,对于对快速性要求极高的智能小车来说,是影响其速度的一个重要因素,舵机采用的是PWM脉冲控制,它的固定、转角范围的大小和控制策略使我们研究的重点。在其位置的固定方面:我们充分考虑到了小车整体的排布,采取内置的方式,这样可以有利于我们
9、调节小车的重心,通过其高度和力臂的长度的确定,我们可以弥补前瞻不足这一缺陷。但加大力臂后减小了舵机的转向范围,所以要使前轮转动相同的角度,舵机力臂加长后所需时间更短,响应更快。但如果舵机的力臂太长又会造成舵机的转向力矩太小,PWM信号与角度不能很好的一一对应,对于舵机的开环控制会带来很大的稳态误差。综合以上考虑,我们将转臂加长至3.0cm ,在力臂的材料选择上本着刚度较大的原则,这样避免转向时发生形变,其位置安装图片如图3.2。图3.2 舵机安装位置 在高度方面,我们将其架高了大约4cm,经试验证明,这样舵机高度和力臂长度的组合效果较好,可以使使舵机工作速度提高到0.04s/60度。在摆角范围
10、方面:经其位置、高度等参数确定,我们小车的舵机的摆角左极限-45度,右极限45度,可使小车最小能转出曲率半径为35cm的圆,而赛道最小曲率半径为50cm,这样足够可以使小车顺利过弯。3.3 测速传感器的安装。测速模块比较重要,特别对于采用PID控制电机转速方式的车。测速准确就有利于PID参数的确定。我们前一届的车模采用的是霍尔元件作为测速传感器,但这种方法的缺点很明显:由于磁场强度的不均匀,霍尔器件产生的电脉冲的形状也不规则,想对这些脉冲准确计数具有一定难度,而测速电机成本较高,考虑到这两个因素,我们采用了码盘测速。其原理为:光电反射式光电管利用红外线遇到障碍物放射的原理来测速,当红外光遇到障
11、碍物,例如齿轮的边沿,或者是有空的转盘的非孔部分时,红外光线放射回来,当遇到齿轮边沿间的空隙或转盘的空洞部分时,红外光没有反射光,利用红外光的间歇式反射,就可以得到一系列的方波信号,然后再对方波信号进行计数即可求的齿轮转过的齿数或转盘上转过的空数,进而求出车速。具体公式为: (公式1)为实际测得的脉冲数为大齿轮齿数 为小齿轮齿数(码盘齿数为24,采样周期为40ms,车轮周长为16.7cm)这种方式比较准确,其驱动电路也比较简单,价格也比较便宜。其安装如图3.3所示 图3.3 测速模块安装位置3.4 机械调整及其重心调整比赛组委会提供的车模,后轮采用滚珠式差速器,它在实现差速的过程中会影响后轮的
12、动力传递,因此应适当的调整两片轴承的压力以满足后轮驱动和差速的要求。我们在调车的过程,小车在其跑的过程中发出吱吱的响声且其实际的转速与给的值不同,经过反复的实验,调整两片轴承的压力和在滚珠上擦拭机油,最终使我们小车的后轮调整到满意的状态。按照常规,车辆底盘高度越低,车辆重心越低,后轮抓地力越好,前轮转向越敏感。当然在放低底盘的同时,我们也尽量降低小车的重心并使其尽量接近小车的中心,这样使小车更稳定。车的近照如图2.4所示图3.4模型车整体形貌3.5 模型车主要技术参数表3.1模型车主要技术参数项目参数路径检测方法(赛题组)光电组车模几何尺寸(长、宽、高)(毫米)390 mm,230 mm,18
13、0mm车模轴距/轮距(毫米)198mm,137mm车模平均电流(匀速行驶)(毫安)1200mA电路电容总量(微法)800uF传感器种类及个数红外传感器15对新增加伺服电机个数1个赛道信息检测空间精度(毫米)2.5mm赛道信息检测频率(次/秒)2kHz主要集成电路种类/数量MC33886/2个,IRF9530/1个,LM2940/2个车模重量(带有电池)(千克)115kg9 第四章 智能车硬件电路设计第四章 智能车硬件电路设计我们智能车的硬件设计采用模块化的设计方法,分为控制芯片MC9S12DG128B,电源模块、路径识别模块、车速检测模块、舵机和直流驱动电机驱动模块,其中除车速检测模块外,其他
14、模块放在一个主电路板上。由于时间关系我们直接采用的别的学校做的开发板,所以在这里我们就不做叙述了。系统框架图如图所示图4.1 系统框架图4.1电源模块:小车需要7.2v供电电源 ,5v电源,6.2v电源,其中5v为路径检测模块和单片机供电,6.2v为舵机供电。由于比赛组委会规定我们采用7.2v分压的方式来得到5v、6.2v。在稳压电路的选择上我们本着稳定和准确的原则。经过查阅资料和实际试验比较,5v电路我们选择lm2940芯片,其稳压效果好,但容易发热,考虑到实际供电的需要,我们在主电路中设计了两个5v电路分别对检测和单片机供电,这样一方面缓解了芯片发热,另一方面也解决了电流不足的现象。其电路
15、如图4.2所示图4.2 5v稳压电路6.2v电路我们采用lm9530芯片,实验证明其输出电压准确,稳定。其电路图如图4.3所示图4.3 6.2v稳压电路4.2 路径识别单元这一部分我们采用红外检测方式,探测路面黑线的基本原理:光线照射到路面并反射,由于黑线和白纸对光的反射系数不同,当接收管接收到的反射光弱,那么其导通程度就小,压降就大;反之其压降就小。其单对管驱动电路图如图4.4所示。图4.4 路面信息检测原理图 此电路质量轻、灵敏度高,外围电路简单,但干扰较大,不能满足对前瞻的提高。我们采用14对光电管,将检测到的数据传到单片机的A/D口进行处理,以便确定黑线的位置,发出控制指令对速度和转角
16、进行控制。4.3 车速检测模块我们采用码盘测速,其外围的电路如图4.5所示图4.5 测速模块局部照片经我们试验比较,采用这种方式,测速较准确基本能够满足我们对PID调速的要求,只是对于码盘的固定比较麻烦,抗震性不好容易脱落。4.4电机系统驱动模块电机是模型车的核心部件,分为舵机和驱动电机。系统直流驱动电机:我们采用MC33886芯片作为电机的驱动元件。通过MC9S12DG128输出的PWM信号来控制直流驱动电机。而舵机我们采用6.2v电源为其提供供电,提供单片机出的PWM信号来控制舵机。由于舵机外围电路简单我们这里就详细介绍一下电机的外围电路。首先我们采用的MC33886芯片接口简单易用,内部
17、具有过流保护电路,能够提供比较大的驱动电流,在实际应用时芯片在工作一段时间后就会出现发热现象,所以我们就采用两片MC33886同时为电机提供驱动电流,这样不仅缓解芯片发热的情况,而且增强了电机驱动能力,同时由于实际中会出现非均流问题使驱动电路不稳定而且也增加了主电路的功耗,这是我们以后要解决的问题其外围电路图如4.6图4.6 电机外围电路车的硬件板包括两个部分,主板和测速板,考虑到减轻车子的重量和重心的调整,主板我们采用pcb制板,首先按照我们主电路画出电路图,其如图所示图4.7 主电路的电路图再根据我们对车的布局的规划,最终确定板的尺寸和各个模块在板的位置。完成PCB板制作,将其发到制板厂,
18、完成主板的制作。15第五章 软件设计本系统控制软件采用大赛提供的CodeWarrior软件及BDM作为调试工具,程序代码使用C语言编写。本程序设计由以下几个模块组成:单片机初始化模块,实时路径检测模块,舵机模糊控制模块,驱动电机控制模块,中断速度采集模块。(1)单片机的初始化模块包括:I/O模块、PWM模块、AD模块、计时器模块、定时中断模块初始化、超频模块。(2)实时路径检测模块:前排光电传感器检测黑线,将返回信号输入单片机的输入端口,程序不间断地读入输入端口的信号,通过判断语句,得出合适的PWM信号控制舵机转向。(3)舵机控制模块,驱动电机控制模块:通过直接输出PWM信号控制。舵机的控制采
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