资源描述
设计自动控制器是制作智能车的核心环节。自动控制器是以单片机为核心，配合有传感器、电机、舵机、电池、以及相应的驱动电路，它能够自主识别路径，控制模型车高速稳定运行在跑道上。第一章 前言 1.1“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车比赛背景介绍 “飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请赛是在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以S12 单片机为核心的大学生课外科技竞赛。使用大赛组委会统一提供的竞赛车模、转向舵机、直流电机和可充电式电池，采用飞思卡尔 16 位微控制器MC9S12DB128B作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、电机驱动、转向舵机控制等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加场地比赛。比赛成绩主要由赛车在现场成功行驶完赛道的时间为主。全国大学生智能汽车竞赛所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型赛车，它由大赛组委会统一提供。参赛队伍通过设计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。在保证模型车运行稳定，即不冲出跑道的前提下，跑完两圈的时间越小成绩越好。 设计自动控制器是制作智能车的核心环节。自动控制器是以单片机为核心，配合有传感器、电机、舵机、电池、以及相应的驱动电路，它能够自主识别路径，控制模型车高速稳定运行在跑道上。比赛跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽 25cm。比赛规则限定可赛道宽度和拐弯最小半径等参数，赛道具体形状在比赛当天现场公布。控制器自主识别引导线并控制模型车沿着赛道运行。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，同时坚持充分发挥创新原则，以简洁但功能完美为出发点，并以稳定性为首要前提，实现智能车快速运行。比赛要求控制器必须采用MC9S12DB128B作为系统唯一控制处理器。系统开发工具及在线调试工具可以自选（可选择使用CodeWarrior 3.1 作为开发软件，选择清华大学制作的 BDM 调试工具进行在线调试）。车模可以改装，但改装部位，及改装后其长宽尺寸都有限制。这就要求我们在有限材料和有限时间的条件下学习掌握 S12 单片机的整套开发系统的使用方法，并能根据自身所学的有关力学、机械学、计算机技术、数模电和检测技术等知识自主设计开发一套完整的自助循线行驶系统。这是对我们的将所学各学科知识综合运用和动手实践能力的很好的培养。对我们这样在大学四年里很少有机会参加科技实践的学生来说是一次很好的机会。 在国外，相关赛事在韩国从2000年开始已经举办了近六届，每年韩国大约有 100 余支大学生队伍报名并参赛，该项赛事在韩国取得了很好的成功。深受高校及大学生的欢迎，并得到了企业界的极大关注。参考韩国相关比赛中成功的案例，在关于路径识别的问题上，大都选用光电传感器作为自己的方案，但传感器在检测及处理信号方面和对其排布方面都有所不同。他们在传感器的数量、排布方面，通常是将地面信息用数字量或是模拟量来完成数据采集，通过计算机进行数据处理，有些想法是比较新颖的，这些问题都值得我们借鉴和进一步研究。同时在韩国的方案里面，也有些是采用CCD，或者是将 CCD和光电传感器结合使用来完成车模循迹的，在这些方案里面也有很多成功的案例。其他方面如车模的改装、动力驱动、转向控制，以及控制算法方面等，韩国选手的方案也都有各自的创新，和值得我们学习和进一步研究的地方。因其专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机和机械等多个学科，培养了学生对知识融合和实践动手能力。去年，教育部成功将这项赛事引入中国。由飞思卡尔公司资助，清华大学承办了这项赛事。全国有五十多所学校共派出一百多支队伍参赛。最终，清华大学二队获得第一名，交大之星队以 0.4秒之差屈居第二。赛事的成功举办，引起了全国各高校和众多学生的兴趣。今年的比赛将更加引人注目。比赛将在七月中旬开始，八月将进行决赛。全国共分成五个赛区，先进行初赛，优胜者将进入全国总决赛。第二章 系统总体设计 系统总体设计框图如图2-1所示： 图2-1 系统总体框图 系统由三部分组成： 1.硬件部分：小车，用于驱动的直流电机，用于转向的舵机，速度检测装置，摄像头，调试用的天线 2.单片机资源：定时器模块，PWM模块、ECT模块、AD模块、串口模块 3.控制算法：控制小车的速度和转向，协调并实现各功能模块的功能。 硬件电路是整个设计的基础。系统结构如图2.-2示。9 图2-2 硬件系统电路框图硬件电路设计包括有以下六个部分： 1.单片机MC9S12DG128最小系统。其中S12单片机是系统的核心部分。它负责接收赛道图像数据、赛车速度等反馈信息，并对这些信息进行恰当的处理，形成合适的控制量来对舵机与驱动电机进行控制。可以采用组委会统一提供的单片机开发板，也可以自行设计。本方案采用组委会提供的单片机开发板。 2.道路检测模块。用于完成对于赛道中心引导线的检测，主要包括光电检测和图像检测两种方式。这里选择使用摄像头方式进行道路检测。主要由S12的AD模块、外围芯片LM1881和电路、摄像头组成。其功能是获取前方赛道的图像数据，以供S12作进一步分析处理。 3.舵机以及后轮电机驱动模块。对模型车上的舵机和后轮电机的进行驱动，控制赛车的方向与速度。 4.电源模块：为各个电路模块提供电源。 5.速度传感器模块：由附在驱动齿轮上的霍尔传感器及电路组成。定时检测霍尔传感器脉冲累积数来间接求得赛车的速度值。 6.辅助调试模块：主要用于赛车系统的程序烧写，功能调试和测试，赛车状态监控，赛车系统参数和运行策略设置等方面。 此外，还包括有车架速度、电池电压和舵机位置检测等电路，增加模型车运行参数检测提高模型车控制性能，增加调试电路方便现场调试。 在硬件电路的基础上，利用道路检测信息和车模运行参数信息，通过编写信息处理和控制软件，实现对于模型车转向舵机以及驱动电机的控制，使其能够沿着赛道高速稳定的运行。 如果说硬件电路是身体，那软件部分就是大脑，用来控制身体的各部分的协调动作。控制算法模块组成如图2-3所示： 图2-3 系统设计程序框图 第三章 智能车硬件设计 3.1 电源模块 电源模块为系统其他各个模块提供所需的电源。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方案进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。 全部硬件电路的电源由7.2V、2A/h的可充电镍镉蓄电池提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此，电源模块包括多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。如图3-1所示，主要包括如下不同的电压： 5V电压。主要为单片机、信号调理电路以及部分接口电路提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量大于500mA。 6V电压。主要是为舵机提供工作电压。实际工作时，舵机所需要的工作电流一般在几十毫安左右，电压无需十分稳定。 7.2V电压。这部分直接取自电池两端电压，主要为后轮电机驱动模块提供电源。 8V电压。如果采用CCD/CMOS图象传感器来进行道路检测，则需要8V工作电源。 图3-1 电源模块的电路结构 除此之外，如果使用了其他的芯片和传感器。它们的工作电压可能不在上述之内，还需要通过专门的稳压电路提供相应的工作电压。例如采用飞思卡尔公司的MC7260加速度传感器进行车轮打滑检测，该传感器就需要3.3V的工作电压。 电源模块由若干相互独立的稳压电路组成。一般采用如图所示的星型结构，可以减少多个模块之间的相互干扰，为了进一步减少单片机的5V电源噪声，可以单独使用一个5V的稳压芯片，与其他接口电路分开。 除了电机驱动模块的电源可以直接取自电池之外，其余各模块的工作电压则需要从电池电压通过变换稳压获取，一般采用各种集成稳压芯片实现。选择稳压芯片时除了考虑电池两端的电压在模型车运行过程中会逐渐降低。特别是在模型车启动过程中，电池提供较大的启动电流时，电池两端电压会降低很多，所以需要选择一些工作压差小的稳压芯片。 降压稳压电路采用串联稳压和开关稳压两种芯片。开关稳压芯片的工作效率高，但有较高的电源噪声，耗电量比较大的电路适于采用开关稳压电路。如采用大电流红外检测电路，由于红外发射管数量较多，此时每个红外发光管工作时只需用串联很小的限流电阻甚至不用串联电阻。采用这种方法，可大大提高电源利用效率。 稳压电路的设计需要简单可靠，在满足电压波动范围要求下尽量简化电源设计。例如舵机电源在4.56V的范围内，电流100mA左右，从7.2V的电池电压通过串联两支二极管而获得。此外，通过实验可发现，组委会所提供个舵机可以直接工作在7.2V电压下，此时舵机的响应速度也会提高，所以直接使用电池电压作为舵机的电源。 采用CCD或CMOS摄像头作为道路传感器，它们工作电压在912V范围内。此工作电压高于电池的电压，需要借助于斩波升压电路获取。采用专门升压芯片进行设计，也可以利用单片机PWM输出端口控制大功率晶体管进行斩波升压。有些CMOS摄像头工作电压在69V之间，所以也可以直接使用电池电压提供电源，所以选择CMOS摄像头可以简化电源电路的设计。 消除电源中的噪声并减少电压波动，需要在各级电源模块中安装滤波电容，包括容量小的高频滤波电容以及大容量的电解电容。由于存在电机驱动，为了避免电机在启动和制动过程产生的冲击电流对于电源的影响，尽量加大电池两端的电容电量，但不能超过比赛规则允许的电容容量限制。 3.2 道路检测模块 检测赛道相对车模的偏移量、方向、曲率等信息是使行车模自主沿着赛道运行的核心基础，获取更多、更远、更精确的赛道信息是提高车模运行速度的关键。道路检测方式有很多种，总体上可以分为两大类： 1.红外发射/接受管检测方式，以后简称红外检测方式。通过红外发光管发射红外线照射跑道，跑道表面与中心线具有不同的反射强度，利用红外接受管可以检测到这些信息。通过合理安排红外发射/接受管的空间位置可以检测到模型车前方道路相对车模的位置。红外发射接受管一般安放在车模前端，可以安装一排，也可以前后安装两排，传感器的总数受到比赛规则的限制。 2.CCD/CMOS摄像头检测方式，以后简称摄像头方式，比赛规则规定CCD/CMOS摄像头算作一个传感器。单片机采集道路前面图像，通过软件处理获取赛道的各种参数。由于赛道本身只包括黑白两种颜色，采用黑白图像传感器即可满足要求。CCD/CMOS摄像头有面阵和线阵两种类型，它们在接口电路、输出信号以及检测信息等方面有着较大的区别，面阵摄像头可以获取前方赛道图像信息，而线阵CCD只能获取赛道一条直线上的图像信息。所以线阵CCD可以看作分辨率很高的红外检测方式。道路检测也可以采用红外与摄像头混合检测方式。 图3-2 摄像头检测方式和红外检测方式道路检测电路一般安放在模型车前端，对于模型车前方一定范围内的道路位置进行检测。为了克服模型车执行结构的惯性和时间延迟的影响，前方道路检测范围越大，对于提高模型车速度越有利。 调整传感器的安装位置与方向，能够增加检测前瞻距离、检测范围并减少检测盲区，可以提高模型车的运行速度和稳定性。但是检测范围与检测精度是一对矛盾，检测的前瞻距离与检测盲区也是一对矛盾。越远的道路表面再图像传感器中所呈现的图像相对越小，降低了道路信息的空间分辨率。在保证可以消除外界光线干扰并满足道路检测空间分辨率的前提下，尽量提高检测范围，同时满足如下要求：道路检测前瞻距离小于道路最小拐弯半径、道路检测最大范围小于道路的最大宽度、采用红外检测方式。道路检测的最大范围受到红外传感器安装宽度的限制，这一尺寸又受到大赛关于车模宽度的限制。 这两类道路检测方式各有优劣点，对比如表3-1所列。 表3-1 两种检测方法的优劣比较 单片机通过红外传感器或CCD/CMOS图像传感器获取道路信息，经过信息处理得到道路的参数，为自动控制策略提供反馈信息。 3.3 摄像头检测方式 3.3.1 摄像头选择与安装 摄像头通过透镜将前面的道路图像呈现在传感器上，因此它在道路检测前瞻距离以及范围上要优于红外检测方式。透镜焦距和传感器分辨率等参数都决定了输出视频图像信号的空间分辨率，普通监控使用的工业摄像头输出视频信号分辨率都会在300线左右，可以满足道路检测的要求了。可以选择的面阵CCD大致有OmniVisionOV6130和OV6620等，可以选择的线阵CCD大致有TCD1200和ILX554B等。 调整摄像头安装的高度以及方向，确定它检测道路的范围。可以通过辅助监视器或者读取单片机内部采集到的图像信号来辅助调整摄像头。增加摄像头安装高度可以减小图像的梯形失真，但注意不要影响模型车运行的稳定性。 3.3.2 摄像头安装 摄像头安装方式如图3-3所示。 图3-3 摄像头安装示意图 摄像头的安装位置得选取合适。安装得低了，会视域不够广阔，影响寻线的有效范围；安装得高了，指引线在图像坐标上会变得过窄而无法被检测到，而且赛车系统会因重心抬高而稳定性变差。安装位置合适的一个标准就是：在此位置的拍摄范围大小能满足控制的需要。控制的策略简单，则所需的拍摄范围就可较小；反之策略复杂，需获得的赛道信息较多，则拍摄范围应大一些。以我们的赛车系统为例。我们的控制策略涉及到赛车将入弯时能区分将入S 弯还是普通的单向弯。对于S弯和单向弯，两者前半部分均为一段相同的30度的弧（Arc），只不过，单向弯的后半部分仍沿原方向偏转，而S弯则沿相反方向偏转。为区别S弯和单向弯，拍摄范围至少要能包含Arc，因此拍摄范围的前后距离至少为50cm，左右距离至少为213.4cm（因为弯有可能向左，也有可能向右）=26.8cm。我们选用的摄像头是CMOS摄像头。 3.3.3 接口电路 一般来说，面阵CCD已经将芯片的驱动电路集成自在一起了，它的输出信号为标准的模拟复合视频信号。该信号中主要包括了同步信号和图像信号，它的幅值为1V左右。对于该信号可以不经过放大直接由单片机的A/D端口采集到视频图像数据。此外，还可以直接通过外部的电压比较器，将模拟视频信号变成高低电平信号，通过单片机的I/O口输入到计算机，这样可避免由于单片机/D 转换速度而带来的采集图像分辨率低的问题。无论采用哪种方法，都需要专门的视频同步分立电路提供行、场同步信号，这些同步信号一般送到单片机的外部中断端口。 由于面阵CCD的输出为标准的视频信号，道路信息检测的速度等于CCD输出图像频率，一般为50Hz。相对于红外检测方式，该速度比较慢。需要在控制算法中考虑到这个因素。 线阵CCD传感器的驱动信号需要外部提供，一般可以由单片机产生。不同的线阵CCD所需要的驱动信号的个数以及参数有很大区别。单色线阵CCD输出路模拟电压信号，可以由单片机通过A/D转换电路进行采集。相对于面阵道路检测，线阵CCD的输出信号的频率由外部驱动信号决定，其道路检测的速度大于面阵检测速度。 3.3.4摄像头电源设计 摄像头器需要8V左右的工作电压，它需要通过专门的斩波升压电路产生。CMOS图像传感器需要的工作电压相对较低，有些型号的CMOS图像传感器可以直接使用7.2V的电池电压。 3.3.5 视频采样 要能有效地采样摄像头视频信号，首先要处理好的技术问题就是能提取出摄像头信号中的行同步脉冲，消隐脉冲和场同步脉冲。否则，单片机将无法识别所接收到的视频信号倒底是在哪一场，无法识别是在该场中的场消隐区还是视频信号区，也无法识别是在视频信号区的第几行。 要处理好行同步脉冲和场同步脉冲提取的问题，有两种可供参考的方法。第一，直接用AD进行提取。当摄像头信号为行同步脉冲、消隐脉冲或场同步脉冲时，摄像头信号的电平就会低于这些脉冲以外时候摄像头信号的电平。据此，可设一信号电平阈值来判断AD采样到摄像头信号是否为行同步脉冲、消隐脉冲或场同步脉冲。第二，就是给单片机配以合适的外围芯片，此芯片要能够自己提取出摄像头信号的行同步脉冲、消隐脉冲和场同步脉冲来供单片机作控制之用。 用第一种方法，不用配以外部芯片，硬件上较省事。然而，此方法对本文智能车定位系统的设计来说有较大的局限性。其一，S12的AD转换时间还不足够短。在不超频的情况下，该单片机的AD的转换时间最短为7us，而前面对所用摄像头参数实测的结果表示，行同步脉冲只有4.7us的持续时间，大多数消隐脉冲更只有3.5us的持续时间，持续时间都小于7us，所以AD很有可能漏检行同步脉冲或消隐脉冲，一旦漏检一两个脉冲，就会使摄像头视频采样的效果大打折扣。其二，在该智能车定位系统中，S12除负责摄像头视频采样方面的处理外，还要负责目标指引线提取，车体运动控制等方面的处理，毕竟 的处理能力还是有限，若用第一种方法，会使得在视频采样上花费较多的S12 处理能力资源，这样，摄像头视频采样本身的效率不高，目标指引线提取、车体运动控制等方面的设计也会拘束于所剩的单片机处理能力资源。 第二种方法要配合以专门的外围芯片。目前，LM1881视频同步信号分离芯片就是一款合适的芯片，它提取摄像头信号的行同步脉冲、消隐脉冲和场同步脉冲，并将它们转换成数字式电平直接输给单片机的I/O口作控制信号之用。本文中的摄像头视频采样就采用了LM1881视频同步信号分离芯片。 3.3.6 LM1881视频同步信号分离芯片 LM1881视频同步信号分离芯片可从摄像头信号中提取信号的时序信息，如行同步脉冲，场同步脉冲，奇、偶场信息等。LM1881的连线图如图3-4所示。6 图3-4 LM1881芯片引脚连线图 引脚2为视频信号输入端，摄像头信号即由此输入LM1881。引脚1为行同步信号输出端。引脚3为场同步信号输出端，当摄像头信号的场同步脉冲到来时，该端将变为低电平，一般维持230us，然后重新变回高电平（如图中的c）。引脚7为奇-偶场同步信号输出端，当摄像头信号处于奇场时，该端为高电平，当处于偶场时，为低电平。奇-偶场的交替处与场同步信号的下降沿同步，也就是和场同步脉冲后的上升沿同步（如图3-5中的d）。事实上，我们不仅可以用场同步信号作为换场的标志，也可以用奇-偶场间替作为换场的标志。 图3-5 像采集信号对比 3.3.7 采样策略 摄像头是采用隔行扫描的方式，奇场时只扫描画面的奇数线，偶场时只扫描画面的偶数线。由表，所用摄像头每场信号的第23行至第310行为视频信号，即摄像头每场会扫描产生288行的视频信号，也就是说，摄像头在纵向上有288像素的分辨能力，这对于本智能车定位系统设计所需要有的图像传感精度来说远远够用。为方便设计，我们忽略奇场和偶场在扫描位置上的细微差别，认为奇、偶场的扫描位置相同。我们没必要对这288行中的每行视频信号都进行采样。否则，会增大S12存储和数据处理的负担，甚至会超出S12的处理能力。再者，这样做是没必要的。事实上，我们的智能车定位系统的图像传感系统在单一方向上只要有50像素的分辨能力就足够用了。因此，我们只需对这288 行视频信号中的某些行进行采样就足够了。假设每场采样20行图像数据，结合图6.5中的电路图，ATD1TIME0口作为视频信号采集端口，ATD1TIME1作为行同步输入口，ATD1TIME2作为行同步输入口。程序中三个输入口都设置中断。当场同步信号上升沿触发中断时，首先将行标志变量清零，然后对上一场数据进行处理。行同步信号上升沿触发中断时，首先判断是否已经跳过了设定的采集间隔行数，如果没有，跳出中断，如果已经跳过了设定的采集间隔行数，采集当前行信息，依次类推（详细见4.4程序框图）。 图3-6 道路信息采集程序框图 3.3.8 图像数据存储 我们将每场视频采样的图像数据存储到一个二维数组中。总共要采样多少行视频信号，就设置此二维数组为多少行。所设置列数等于S12对单行视频能采样的点数。对于需采样的某行视频信号，将该行中采样到的像素值依次从左至右（列值递增）存于二维数组相应的某行中。 3.4电机驱动模块 模型车后轮驱动电机型号为RS-380电机，工作在7.2V电压下，空载电流为0.5A，转速为16200r/min。在工作电流为3.3A，转速达到14060 r/min时，工作效率最大。 通过电机驱动模块，控制驱动电机两端电压可以使模型车加速行进，也对模型车进行制动。由于比赛中不需要模型车倒车，所以电机只工作在正传方向上做功与发电两个状态。可以使用大功率晶体管、全桥或者半桥电路，输出PWM波形实现对于电机的控制。为了简化驱动电路设计，多数参赛队伍采用了集成电机驱动芯片完成对于电机的控制。图3-7给出了基于MC33886电机驱动芯片的电路原理图。图3-8、3-9，表3-2则分别给出了MC33886的内部芯片内部封装图，芯片外部引脚图 ，以及MC33886芯片引脚功能列表。10 图3-7 电机驱动电路原理图 为了进一步提高对于电机驱动的能力，还可以从如下方面进行改进： 采用大功率MOS管组成电机驱动电路，例如MOS管IRF540，由于大功率MOS管导通内阻小，允许大电流通过，可以提供更大的瞬时加速电流。但是相应的电路设计较为复杂。 驱动集成电路并联使用提供更大的驱动电流。例如可以将两片33886电机驱动芯片pin to pin并联使用，借助驱动芯片内部输出特性实现两片输出电流均衡。 可以为功率或者驱动集成电路添加散热片，改善它们工作条件，提高它们过载能力。电机驱动电路的电源可以直接使用电池两端的电压。模型车在启动过程中往往会产生很大的冲击电流，一方面会对其他电路造成电磁干扰；另一方面由于电池内阻造成电池两端的电压下降，甚至会低于稳压电路所需要的最低电压值，产生单片机复位现象。为了克服启动冲击电流的影响，可以在电源中增加容值较大的电解滤波电容，也可以采用缓启动的方式控制电机。在启动时，驱动电路输出电压有一个渐变过程没，使得电机启动速度略为降低从而减少启动冲击电流的影响。 为了增加模型车制动效果，防止模型车冲出跑道的可能性，有些参赛队伍还增加了机械刹车系统，在后轮旁边增加了由伺服电机控制的刹车片完成对于模型车的制动。 图3-8 MC33886 芯片内部封装图 图3-9 MC33886 芯片外部引脚 表3-2 MC33886芯片引脚功能列表 3.4.1 电机程序代码 PWMCAE=0x00; PWMPRCLK=0x33; PWMPOL=0xff; PWMCTL=0xD0; PWME=0xF3; PWMPER45=4000; PWMDTY45=Vel_PWMDTY1; 3.5 车速检测模块 为了使得模型车能够平稳地沿着赛道运行，除了控制前轮转向舵机以外，还需要控制车速，使模型车在急转弯时速度不要过快而冲出跑道。可以通过控制驱动电机上的平均电压控制车速，但是如果开环控制电机转速，会有很多因素影响电机转速，例如电池电压、电机传动摩擦力、道路摩擦力和前轮转向角度等。这些因素会造成模型车运行不稳定。通过速度检测，对车模速度进行闭环反馈控制，即可以消除上面各种因素的影响，使得车模运行得更精确。此外在一些控制策略中，采用了基于道路信息记忆的方式优化控制策略。为了获取道路信息，需要得到模型车运动距离，这也可以通过车速检测来实现。 在车轮没有打滑情况下，车速正比于驱动电机的转速。车速检测一般是通过检测驱动电机转速实现的。电机转速检测方式很多，大致有以下方法： 测速发电机。采用同轴直连或者齿轮传动等方式，将测速发电机与驱动电机相连，它的输出电压正比于转速。 转角编码盘。分为绝对位置输出或者增量式位置输出两种。一般可使用增量式编码盘。它输出脉冲的个数正比于电机转动的角度，从而使它的输出脉冲的频率正比于转速。可以通过测量单位周期内脉冲个数或者脉冲周期得到脉冲的频率。可以选择的编码盘包括NEMICON公司的E40S-600-3-3，600/T，以及OMRON公司的E6A2增量式光码盘。 反射式光电检测。在后轮齿轮传动盘上粘贴一个黑白相间的光码盘，通过固定在附近的反射式红外传感器读取光码盘转动的脉冲。 透射式光电检测。相比前面反射式光电检测，它是具有齿槽结构的圆盘固定在后轮驱动电机输出轴上，采用直射式红外光传感器读取齿槽圆盘转动脉冲，比如ST130光电传感器。有的参赛队伍巧妙地利用了光电鼠标中的齿槽结构以及光电传感器。 霍尔传感器检测。在后轮输出齿轮轴上粘贴1个或者2个小型的永磁体，附近固定一个霍尔传感器，如CS3020和CS1018型霍尔元件。霍尔元件有3个引脚，其中2个是电源和地，第三个是输出信号，只要通过1个上拉电阻接至5V电压，就可以形成开关脉冲信号，后轮电机每转1周，则可以形成1个或者2个脉冲信号。 上面测量转速方法中，测速发电机输出电压信号可以由单片机的A/D端口进行读取，其余的输出信号都可以利用单片机I/O端口输入到单片机内部的定时器/计数器模块中进行测量。通过周期读取计数器计数数值，可以反映出脉冲的频率，从而得到车速信息。 3.5.1 测速机构的安装9 图3-10 霍尔元件的安装示意图 测速机构使用了霍尔传感器，其安装主要包括霍尔传感元件的安装和磁铁的安装，我们将磁铁均匀的安装在小车电机转轴的小钢圈上，如图3-10所示，安装中要注意的问题包括：1.霍尔元件与磁铁的距离和极性：为了使得霍尔元件能够感应到磁铁，二者之间的距离不能太远，经过实验测量，距离要小于约0.7cm，并且磁铁的极性要安装正确；2.磁铁的分布：为了能够较为实时的测量出测速，理论上磁铁之间距离越小越好，但距离太小时各个分布的磁铁之间的距离误差系数增大，会导致测量的速度误差较大。综合考虑，我们小车在电机转轴的小钢圈上对称的安装了2个磁铁。 3.5.2 舵机驱动 舵机最早出现在航模运动中，控制航模上的发动机、翼舵转向。在模型车上，舵机的输出转角通过连杆传动控制前轮转向。此外，也可以利用舵机进行机械刹闸制动、位置传感器主动扫描等操作。比赛规则要求模型车中的舵机个数不超过3个。 舵机本身是一个位置随动系统。它由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电路组成。通过内部的位置反馈，使它的舵盘输出转角正比于给定的控制信号，因此对于他的控制可以使用开环控制方式。在负载力矩小于其最大输出力矩的情况下，它的输出转角正比于给定的脉冲宽度。 舵机接口一般采用三线连接方法，黑线为电源地线，红线为电源线，一般采用两种标准，4.8V和6V，分别对应于3节和4节电池的电压，另外一根连线为控制信号线。控制信号是周期在20ms左右的脉冲信号，脉冲信号的宽度决定舵机输出舵盘的角度。 舵机输出转角与控制信号脉宽之间的关系如图3-11所示。 图3-11 舵机输出转角与控制信号脉冲之间关系 控制舵机的脉冲可以使用MCS9S12DG128的1路PWM产生。单片机中有8路独立的PWM输出端口，可以将其中相邻的2路独立的PWM输出级联成一个16位PWM输出。在单片机总线频率为24MHz的时候，设置级联PWM周期常数为60000，对应PWM周期为20ms,PWM 占空比常数为4500对应输出为1.5ms。改变占空比常数可以改变输出脉冲的宽度。 车模采用大赛组委会统一提供的SRM-102型舵机，工作电源为6V。影响舵机控制特性的一个主要参数是舵机的响应速度即舵机输出轴转动角速度，这个参数一般以舵机输出转盘旋转60度所需要的时间表示。SRM-102型舵机响应速度为。舵机转动一定角度有时间延迟，时间延迟正比于旋转过的角度，反比于舵机的响应速度。通过后面控制策略分析可知，舵机的响应速度直接影响模型车通过弯道时的最高速度，提高舵机的响应速度是提高模型车平均速度的一个关键。舵机的响应速度与工作电压有关系，电压越大速度越快，所以应在舵机允许的工作电压范围内，尽量选择最大的工作电压，可以提高舵机的响应速度。大赛规则不允许采用升压电路为舵机提供工作电源。实际使用过程中，蓄电池7.2V电压虽然略高于舵机允许电压范围，但可以直接为舵机供电。提高舵机控制前轮转向速度的另一个办法是采用杠杆原理，在舵机的输出舵盘上安装一个较长的输出臂，将转向传动杆连接在输出臂，将转向传动杆连接在输出臂末端。这样就可以在舵机输出较小的转角下，取得较大的前轮转角，从而提高了整个车模转向控制的速度。 此外，将驱动舵机脉冲波形的周期从原来的20ms减小到10ms，增加舵机控制信号的更新频率，减小舵机控制环节中的延时。 3.5.3 舵机的安装 舵机通过一对连杆分别连接两前轮内侧固定点，通过两连杆在舵机转动力带动下的横向运动来控制两车轮的转向，安装要注意的问题是是调整好两连杆的长度，使得两前轮保持平行并且使得舵机在零转角时车轮方向亦为零转角。安装示意图如3-12所示：9 图3-12 舵机安装示意图 3.5.4 舵机程序： PWMCAE=0x00; PWMPRCLK=0x33; PWMPOL=0xff; PWMCTL=0xD0; PWME=0xF3; PWMPER01=40000; PWMDTY01=DIR_PWMDTY; 3.6 智能车测试赛道基本参数： 1.赛道路面用专用白色基板制作，在分赛区以及决赛区进行初赛阶段时，跑道所占面积不大于5000mm* 7000mm，跑道宽度不小于600mm；决赛阶段时跑道面积可以增大。赛道路面制作材料型号会在网站给出。 2.跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm； 3.跑道最小曲率半径6500mm； 4.跑道可以交叉，交叉角为90； 5.赛道直线部分可以有坡度在15度之内的坡面道路，包括上坡与下坡道路。 6.赛道有一个长为1000mm的出发区，计时起始点两边分别有一个长度100mm黑色计时起始线，赛车前端通过起始线作为比赛计时开始或者与结束时刻。 图3-13 赛道示意图 3.7 智能车机械结构设计 任何的控制算法和软件程序都是需要一定的机械结构来执行和实现的，因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个车模的机械结构有一个感性的认识，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。本章的将主要介绍赛车车模的机械特点和调整方案。 3.7.1 车模 此次比赛选用的赛车车模采用1/10 的Matiz 仿真车模。赛车机械结构只使用竞赛提供车模的底盘部分及转向和驱动部分。控制采用前轮转向，后轮驱动方案。具体车模数据如下： 车长： 316mm 车宽： 172mm 如图3-15所示：其中虚线部分为轮胎，A 点为右轮的转动轴点，同理，对应左侧相应位置。 图3-14 车模简图 3.7.2 前轮倾角的调整 调试中发现，在车模过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而增大。为了尽可能降低转向舵机负载，对前轮的安装角度，即前轮定位进行了调整。前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等4 个项目决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。主销内倾是指主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用是使前轮自动回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。 主销后倾是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的角度。它使车辆转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上。由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也愈好。主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时后倾的回正作用大，低速时内倾的回正作用大。前轮外倾角对汽车的转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。前轮外倾角俗称“外八字”，如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。所以事先将车轮校偏一个外八字角度，这个角度约在1左右。 所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。前轮在滚动时，其惯性力会自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。 3.7.3 齿轮传动机构调整 车模后轮采用RS-380SH-4045 电机驱动，由竞赛主办方提供。电机轴与后轮轴之间的传动比为 9：38（电机轴齿轮齿数为18，后轮轴传动轮齿数为76）。齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，从而影响到最终成绩。调整的原则是： 两传动齿轮轴保持平行, 齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧又会增加传动阻力，白白浪费动力;传动部分要轻松、顺畅，容易转动，不能有卡住或迟滞现象. 判断齿轮传动是否调整好的一个依据是,听一下电机带动后轮空转时的声音。声音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象；声音闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载加大。调整好的齿轮传动噪音小，并且不会有碰撞类的杂音。 3.7.4 后轮差速机构调整 差速机构的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动；并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。当车辆在正常的过弯行进中(假设：无转向不足亦无转向过度)，此时4 个轮子的转速(轮速)皆不相同，依序为：外侧前轮外侧后轮内侧前轮内侧后轮。此次所使用车模配备的是后轮差速机构。差速器的特性是：阻力越大的一侧，驱动齿轮的转速越低；而阻力越小的一侧，驱动齿轮的转速越高.以此次使用的后轮差速器为例，在过弯时，因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小，轮速便较高；而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便较低。差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙，过松过紧都会使差速器性能降低，转弯时阻力小的车轮会打滑，从而影响车模的过弯性能。好的差速机构，在电机不转的情况下，右轮向前转过的角度与左轮向后转过的角度之间误差很小，不会有迟滞或者过转动情况发生。 3.7.5 其他机械模块调整 在调试过程中，除去对以上部分的调整以外，其他机械部分也要酌情调整。悬挂臂、转向联杆的动作要灵活自如，准确无误；主悬架要松紧适度；驱动电机的螺丝一定要上紧，并要经常检查，一旦在行驶中松动就会造成零件的损坏。调试中还发现主悬架的第二个螺丝容易松动，测试时要检查是否上紧。第四章 控制算法研究 4.1 MC9S12DB128B单片机介绍 4.1.1 HCS12 微控制器简介9 HCS12（以下简称DG128）是Motorola 新推出的高性能16 位微控制器，具有强大的功能和广阔的市场前景。HCS12 单片机系列提供由32K-512K 第三代快闪嵌入式存储器。每一个HCS12 单片机总线速度可达50 MHz, 外围时钟可以到25MHZ。还具备编码效益、片上纠错能力，并与摩托罗拉68HC11 和68HC12 结构编码兼容。图4-1为实物图 图4-1 HCS12单片机 开发板实际上是单片机构成的最小系统。板上有构成最小系统需要的复位电路、晶体振荡器及时钟电路，串行接口的RS-232驱动电路，5V电源插座。MC9S12DG128单片机中已经写入了开发的监控程序。8个调试用的小灯并非构成最小系统所必须，但对调试应用系统非常有用。印刷板上还有2个CAN总线的驱动电路和引出端，必要时用户可以自行焊上驱动芯片。这2个CAN总线的接口电路是MC9S12DG128单片机5个CAN总线中与、兼容的那2个。单片机的所有I/O端口都通过2个64芯的欧式插头引出。附录1给出了开发板上P1与P2插座的引脚定义。 表4-1 单片机端口分配表软件主要功能包括检测信息处理以及控制策略算法。图所示为系统信息的控制流程与8 位单片机相比，Freescale的16位单片机虽然较为复杂，但却拥有丰富的外围接口，大量片上外围设备使得它可以直接用于许多场合，而不必像8051那样需配以不同的外围电路去适应各种不同的应用。MC9S12DG128微控制单元作为MC9S12系列的16 位单片机，由标准片上外围设备组成，包括16位中央处理器、128KB的Flash存储器、8KB的RAM、2KB 的EEPROM、两个异步串行通信接口、两个串行外围接口、一组8 通道的输入捕捉或输出捕捉的增强型捕捉定时器、两组8通道10路模数转换器、一组8 通道脉宽调制模块、一个字节数据链路控制器、29路独立的数字I/O 接口、20 路带中断和唤醒功能的数字I/O 接口、5个增强型CAN总线接口。同时，单片机内的锁相环电路可使能耗和性能适应具体操作的需要。 图4-2 S12 构架 4.2 单片机功能模块 在整个系统设计中，用到了7个单片机基本功能模块：时钟模块、PWM输出模块、外部中断模块、ECT模块、AD模块、串口通信模块以及普通IO模块。根据系统实际需求，对各个模块进行了初始化配置，通过对相应数据寄存器或状态寄存器的读写，实现相应的功能。 4.2.1 时钟模块 S12单片机中有四个不同的时钟，即外部晶振时钟、锁相环时钟、总线时钟和内核时钟。 当前电路板采用的是16MHz的外部晶振，因此外部晶振时钟为16MHz；默认设置下，锁相环时钟为32MHz，总线时钟为8MHz，内核时钟为16MHz。锁相环时钟与外部晶振时钟的倍、分频关系由SYNR、REFDV 两寄存器决定。总线时钟用作片上外围设备的同步，而内核时钟则用作CPU的同步，它决定了指令执行的速度。由于采用摄像头作为主要的寻线传感器，为了提高AD采集性能，增加在一行视频信号的时间内的采样点数，我们对单片机进行了超频。最终，超频后的总线时钟为32MHz。设置过程为： SYNR=0x03; REFDV=0x01; while(CRGFLG_LOCK!=1); CLKSEL_PLLSEL=1; 4.2.2 PWM模块 脉宽调制模块有8路独立的可设置周期和占空比的8位PWM通道，每个通道配有专门的计数器。该模块有4个时钟源，能分别控制8 路信号。通过配置寄存器可设置PWM的使能与否、每个通道的工作脉冲极性、每个通道输出的对齐方式、时钟源以及使用方式（八个8位通道还是四个16位通道）。为了提高控制精度，我们将PWM0、PWM1两路8位通道合并为一个16位通道来控制舵机，这样可使舵机的控制精度从1/255提高到1/65536。PWM模块的初始化设置过程为： 4.2.3 中断模块 视频信号的行同步有两种方式输入S12单片机，一种是通过IRQ外部中断引脚入，另一种是通过ECT模块接入。实际调试中，通过跳线对这两种方式进行选择。这里先介绍外部中断模块的使用。首先，在初始化程序中应设置外部中断的捕捉边沿，并开启外部中断。 然后，当检测到下一场视频信号的到来时，开启中断，在中断服务程序内完成对所需的行进行扫描，结果记录在一个二维数组中。扫描结束后，关闭中断，对数据进行分析处理。 下面是中断服务程序的代码： 4.2.4 ECT模块 增强型捕捉定时器模块，顾名思义，通过一系列可供设置的控制寄存器和可供读写的数据寄存器对端口功能进行了扩展。总的来说，ECT模块能实现输入捕捉和输出波形产生两大功能。最终方案中，有4路信号输入ECT端口。首先，是由视频信号提取芯片（LM1881）得到的行同步、场同步和奇偶场信号。利用ECT模块的脉冲捕捉工作方式，并通过查询TFLG1寄存器中的对应标志位来判断是否已获取相应信号，可以准确同步每场视频信号，完成数据点的采集。 其次，是速度传感器输出的脉冲信号。我们采用脉冲下降沿触发中断方式，计算两次脉冲时间差，从而得到小车的当前速度。具体设置过程如下： 4.2.5 AD模块 模数转换器模块有8 路通道，精度可设置为8位或10位。另外单次转换时间、转换结果类型、转换完成是否产生中断、转换序列长度等都是可以自行设置的。本次设计中，AD模块主要是用来采集摄像头视频信号。具体设置过程为： 4.3 PID控制算法 PID控制是工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律。问世至今70年多年来，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4-3所示。 图4-3 单位反馈的PID 控制原理框图 e代表理想输入与实际输出的误差，这个误差信号被送到控制器，控制器计算出误差信号的积分值和微分值，并将它们与原误差信号进行线性组合，得到输出量u。 4-1 其中，,，分别称为比例系数、积分系数、微分系数。u接着被送到了执行机构，这样就获得了新的输出信号Y。这个新的输出信号被再次送到感应器以发现新的误差信号，这个过程就这样周而复始地进行。运用PID控制的关键是调整三个比例系数，即参数整定。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：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。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、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 一般来说，增大比例系数能够减小上升时间,并减小稳态误差，但不能消除。增大积分系数能够消除稳态误差，但会使瞬时响应变差。增大微分系数能够增强系统的稳定特性，减小超调，并且改善瞬时响应。 以上简要介绍了PID算法的原理和特性，实际过程中，由于摄像头是按一定间隔周期获取位置信息的，因此必须将连续PID控制离散化，这样得到的就是数字PID算法。 在设计最初的数字PID算法时，我们对模型的结构进行了许多简化。使用摄像头采集赛道位置并通过它与理想状态的偏差，得到当前误差的相对值。其次，被控对象仅限于小车的舵机，控制量为期望的舵机转角。 具体编写程序时，我们首先通过估算建立了一个量化表，将采集到的数字量转换成相应的误差值。然后，对该误差值进行PID算法处理，再将算出的控制值转换成合适PWM 波参数，对舵机进行控制。此外还可以将驱动电机也作为控制对象，并增加速度传感器来实现速度的闭环控制。实际测试表明，当积分系数为0、微分系数相对比例系数较小时，小车性能较好。同时发现，小车在直道上时比例系数应适当小些，这样不会产生“蛇形”现象；弯道上比例系数应适当大些，这样能避免小车在高速入弯后冲出赛道。为了最大限度发挥数字PID的功能，我们在完成了模式识别（具体算法见下小节）的前提下，实现了比例系数的动态调整，获得了较为满意的效果。下图为应用PID控制器的方向和速度控制框图。 图4-4 位置和速度负反馈的PID控制框图 为了提取弯道和直道的不同特征，我们首先在实际赛道的不同位置上采集了足够反映各种情况的数据，并matlab软件重新作图进行了分析。 图4-5 速度和方向耦合的PID控制框图 一开始，在使用分离的方向与速度PID进行对方向和速的分别控制时，速度和方向的控制效果都不好。速度加不上去，而舵机在速度快时又无法及时转向，造成赛车经常冲出赛道。后来我们使用如图4-5所示的方向与速度耦合的PID，把速度和方向放在一起考虑。即把摄像头采集的道路误差也用于速度PID的控制。当把位置误差传给PID控制器时PID根据设定的值计算出控制量控制舵机转向，纠正小车的位置。而速度根据道路误差确定后，经过与速度传感器采集的速度作比较后把误差值输入PID进行计算，PID输出控制信号通过使电机加减速达到想要的速度。而且使用模式识别方式，把弯道和直线区别开来，并对直线和弯道采取不同的控制策略。在进入弯道时，使用BANGBANG算法，而在直线时使用PID控制。结果如表4-2所示，赛车在弯道的转弯效果明显好转，能够及时刹车，而且整体速度也能有较大的提高。 表4-2 测试数据 在每一个控制周期中，检测一次赛车的当前速度值。若速度值小于预定的速度值，则将驱动电机PWM输入的占空比置为100%；若速度大于预定的速度值，则将驱动电机PWM输入的占空比置为0。 4.4 模式识别 模式识别就是把赛道的直线、弯道、S形道路用算法区别开来。然后，我们对这些不同特征的赛道进行实验，找出相应的最优的速度和方向控制方案。当赛车在赛道上行驶时，控制算法根据赛段的特征，应用相应的最优控制方案行驶，从而达到控制策略的最优化。这里还有个问题，就是提前预判和模式之间衔接的问题，经过大量的实验我们在提前预判的时间控制上和模式的良好衔接上有了较大的改善，赛车的速度和稳定性也得到了很大的提高。每圈时间减少了约1秒多。图4-8就是我们用来进行模式识别而采集的误差分析图。峰谷处即为赛车转弯时采集的道路误差值。我们根据转弯时误差值明显区别于直线时把直线和弯道相区别开来，为模式识别了奠定基础。 图4-8 赛车中心线与赛道误差分析图 4.5 程序框图 一，主程序 二，初始化子程序 三，中断程序 四，子函数 1单行信号采集函数CCD_Sample( ) 2.单行黑线偏差计算函数Error_calculate( ) 点击查看大图3.误差中值滤波函数E_Procs( ) 对计算出的各行误差进行中值滤波。 4.舵机方向控制函数Dir_Control( ) 5. 速度测试函数Velocity_measure(void) 6.速度控制函数Vel_Control(void) 第五章 系统调试5.1 开发调试工具 系统的开发调试用到了Metroworks 公司的Code Warrior 3.1开发软件，另外为了调试方便，我们开发了无线调试模块、电源电压检测模块、手动设置装置和外部状态指示单元。 5.1.1 软件开发平台 此次智能车大赛的软件开发平台为Metroworks公司的Code Warrior 3.1开发软件。其使用界面如图5-1所示： 图5-1 Codewarrior 使用界面 CodeWarrior的功能非常强大，可用于绝大部分单片机、嵌入式系统的开发。用户可在新建工程时将芯片的类库添加到集成环境开发环境中，工程文件一旦生成就是一个最小系统，用户无需再进行繁琐的初始化操作，就能直接在工程中添加所需的程序代码。如图5-2所示，利用BDM和CodeWarrior 4.1自带的hiwave.exe用户可以进行一系列的调试工作，如监视寄存器状态、修改PC指针、设置断点等，这样能快速地帮助我们找到软件或硬件的问题。 图5-2 hiwav
展开阅读全文