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安徽新华学院校园大学生智能车竞赛光电组培训陈业慧,第1章智能汽车设计导论第2章智能汽车设计基础硬件第3章智能汽车设计基础软件第4章智能汽车设计基础计算机辅助设计第5章智能汽车设计基础微控制器第6章智能汽车设计实践光电管型设计第7章智能汽车设计实践系统调试第8章非理性因素分析与探讨第9章关于竞赛相关问题答疑,第1章智能汽车设计导论,1.1智能汽车,现在的“汽车”带有一些电子控制的机械装置将来的“汽车”带有一些辅助机械的机电一体化装置,消费类电子产品。

智能汽车配备了远程信息处理器、传感器和接收器,通过无线网络获取前方交通状况信息,引导汽车加速或减速。

更为平稳地行驶,避免不断刹车、启动的动作,以降低油耗。

智能汽车应包含以下结构:

智能汽车的信息采集、处理及传输智能汽车的自动控制系统智能汽车的通信系统智能汽车的导驶定位技术智能汽车的电源系统,第2章智能汽车设计基础硬件,第2章智能汽车设计基础硬件,从外观上看,智能车系统主要表现为由一系列的硬件组成,包括组成车体的底盘、轮胎、舵机装置、马达装置、道路检测装置、测速装置和控制电路板等。

第2章智能汽车设计基础硬件,2.1传感器系统,在工程上,系统中各种物理量都必须转换成一定规格的信号(电信号或气压信号)才能被检测、采集和显示。

所谓传感器,即是将被测量按照一定的物理或化学原理转换成某种规定的输出信号的装置或器件。

2.1传感器系统,图2.1传感器组成方框图,图2.1传感器组成方框图,2.1传感器系统,传感器由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件能够随着被测量的变化而引起某种易被测量的信号的变化转换元件则将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号由于转换元件的输出信号一般都很微弱,需要添加信号调理转换电路、辅助电路等,将转换元件输出的电信号进行放大或运算调制。

智能汽车设计中涉及到的传感器主要有三种:

光电式传感器、图像传感器和测速传感器。

2.1传感器系统,光电式传感器是利用光电器件把光信号(红外、可见及紫外光辐射)转换成电信号的装置被测量光量电量光电式传感器的核心(敏感元件)是光电器件,光电器件的基础是光电效应。

2.1.1光电式传感器,光电式传感器的结构简单,响应速度快,可靠性较高,能实现参数的非接触测量。

光电式传感器由光路及电路两大部分组成,光路部分实现被测量信号对光量的控制和调制,电路部分完成从光信号到电信号的转换。

2.1.1光电式传感器,2.1.1光电式传感器,图2.2光电式传感器的基本组成,1ST188,2.1.1光电式传感器,A-K为红外发射管。

C_E为红外接收管。

当没有物体反射红外线时,ce之间截止,无电流流过,输出电压为电源电压,高电平。

当有物体反射红外线时,be饱和导通ce也就导通了,输出端就相当于接地。

输出电压为低电平。

ST188,根据光电特性,选取发射管的静态电流为20mA。

典型的压降为1.25v,如果供电电压为5V,那么,此时在发射管上需要串联电阻,电阻大小为R=(5-1.25)/0.02;即:

R=187.5欧姆。

取标称电阻,R=200,那么此时的电流小于20mA,但是不影响结果。

C_E端的电阻用来输出高低电平,接一个2K的电阻。

滑动变阻器(电位器)为了测试方便,调整阈值电压,2.1.2图像传感器(略),图像传感器又称为成像器件或摄像器件,可实现可见光、紫外线、X射线、近红外光等的探测,是现代视觉信息获取的一种基础器件。

实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展,能给出直观、真实、多层次、多内容的可视图像信息。

1CCD图像传感器的分类CCD图像传感器从结构上可以分为两类:

一类是用于获取线图像的,称为线阵CCD;另一类是用于获取面图像的,称为面阵CCD。

(1)线阵CCD图像传感器对于线阵CCD,它可以直接接收一维光信息,而不能直接将二维图像转换为一维的电信号输出,为了得到整个二维图像的输出,就必须用行扫描的方法来实现。

2.1.2图像传感器,

(2)面阵CCD图像传感器面阵CCD图像传感器的感光单元呈二维矩阵排列,能检测二维平面图像。

2.1.2图像传感器,在智能汽车设计中,测速传感器的设计主要有两种方案:

霍尔传感器和光电式脉冲编码器。

1霍尔传感器霍尔传感器是基于霍尔效应原理,将电流、磁场、位移、压力、压差转速等被测量转换成电动势输出的一种传感器。

2.1.3测速传感器,图2.7三种不同结构的霍尔式转速传感器,2.1.3测速传感器,图2.7三种不同结构的霍尔式转速传感器,2.1.3测速传感器,2光电式脉冲编码器光电式脉冲编码器可将机械位移、转角或速度变化转换成电脉冲输出,是精密数控采用的检测传感器。

光电编码器的最大特点是非接触式,此外还具有精度高、响应快、可靠性高等特点。

光电编码器采用光电方法,将转角和位移转换为各种代码形式的数字脉冲,如图2.8所示光电式脉冲编码器,在发光元件和光电接收元件中间,有一个直接装在旋转轴上的具有相当数量的透光扇形区的编码盘,在光源经光学系统形成一束平行光投在透光和不透光区的码盘上时,转动码盘,在码盘的另一侧就形成光脉冲,脉冲光照射在光电元件上就产生与之对应的电脉冲信号。

2.1.3测速传感器,图2.8光电式脉冲编码器结构,2.1.3测速传感器,光电编码器的精度和分辨率取决于光电码盘的精度和分辨率,取决于刻线数。

目前,已能生产径向线宽为6.710-8rad的码盘,其精度达110-8,比接触式的码盘编码器的精度要高很多个数量级。

如进一步采用光学分解技术,可获得更多位的光电编码器。

光电编码器按其结构的转动方式可分为直线型的线性编码器和转角型的轴角编码器两种类型,按脉冲信号的性质可分为有增量式和绝对式两种类型。

2.1.3测速传感器,选用可以5V工作电压的250线欧姆龙编码器进行速度的测量,保证测量的精度。

速度传感器用螺钉通过支架固定在后轮支架上,这样固定好之后,就有了较高的稳定性。

然后调节编码器齿轮,使其与差速齿轮紧密咬合,增大测速的精确性,但是咬合过紧也增大了摩擦,减小了对电机做功的利用率,影响小车的快速行驶,因此减小摩擦同时增强齿轮间的咬合是我们主要考虑的因素。

用齿轮润滑油涂抹齿轮有不错效果。

2.2电路设计,在智能车设计中,电源关系到整个电路设计的稳定性和可靠性,是电路设计中非常关键的一个环节。

1直流稳压电源的基本原理图2.9直流稳压电源电路,2.2.1电源系统,电源变压器将220V的交流电压变成低压的交流电压。

整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压,通常由整流二极管构成的整流桥堆来执行。

常见的整流二极管有1N4007和1N5148等,桥堆有RS210等。

滤波电路将脉动直流中的纹波滤除获得纹波小的直流稳压电路将滤波电路输出电压进行稳压,输出较稳定的电压,譬如三端稳压器、串联式稳压电路等。

2.2.1电源系统,2.2.1电源系统,2三端固定式正压稳压器7805,正输入电压加到MC7805的1,MC7805的3接地,其2端便能输出芯片标称正电压。

芯片输入端和输出端与地之间除分别接大容量电容滤波小容量(0.110F)电容减小高频噪声。

LM2940,2.2.2电机驱动电路,电机提供驱动力,高速电机,减速直流电机,智能车的速度较快2m/s以上,对电机驱动电流的要求较高,电机驱动电路必不可少。

2.2.2电机驱动电路,2.2.2电机驱动电路,功率管的选择由电机的功率决定,其标称电流是电机正常工作时电流的35倍(电机启动的时候存在较大的浪涌电流)PWM信号的占空比决定电机的转速,故电机的调速可通过改变PWM信号的占空比实现。

常用驱动芯片,注:

L298N效率不高,最大承受电流2A(飞思卡尔电机可达4-5A),价格低。

低速时可满足要求推荐:

MC33886:

驱动能力强,有过流保护功能,状态监测功能,通过PWM调节可实现正反转。

1)单独使用一片33886:

可能存在发热严重的问题,不好加散热片。

2)采用两片或者四片MC33886并联:

333886+场效应管驱动采用MC33886或其他驱动芯片与场效应管设计驱动。

优点:

驱动电流理论上可达74A,解决了33886的散热问题,不用加散热片缺点:

电路复杂。

7960,内部为半桥,电路简单方便,缺点:

价格略高,所谓接口电路,就是要把传感器与后续的有关电路联系起来的电路。

一般传感器的输出信号有三种形式:

数字开关量、数字脉冲和模拟信号。

(1)数字开关量信号与计算机连接时要采用消除抖动电路。

(2)数字脉冲电路用计数器计数,计算机要对计数器拥有清零的功能,以便计数器重新计数。

2.2.3传感器接口电路,(3)模拟信号A/D转换器变为合适的输入电压,必要时还要在A/D前面对信号进行放大、分压等,一般称为信号的预处理。

预处理后的信号经过A/D转换器后和控制器直接连接,完成接口电路的设计。

传感器与预处理放大电路的接线要尽量短;传感器信号接线要采用屏蔽线,外皮接地;放大电路的输入和输出之间尽量远;放大电路的增益不要太大,以免产生振荡;放大电路要远离传感器,以免产生电场和磁场的干扰等。

2.2.3传感器接口电路,第3章智能汽车设计基础软件,第3章智能汽车设计基础软件,硬件是基础,软件是灵魂,软件的核心是控制算法。

编程语言汇编语言和C语言。

在硬件方面各参赛队之间大同小异,真正体现各参赛队智能车的优势和最后决定比赛成绩好坏的往往是软件部分,尤其是核心控制算法的设计,第3章智能汽车设计基础软件,3.1编程语言,汇编语言依赖于硬件平台的语言,CPU不同,汇编指令不同。

C语言:

程序员尽量少地对硬件进行操作,具有很强的功能性、结构性和可移植性。

实现汇编语言的大部分功能,可以直接对硬件进行操作,因此C语言既具有高级语言的功能,又具有汇编语言的功能,对于编写与硬件相关的应用程序而言具有明显的优势。

3.1编程语言简介,多数场合,采用C语言编程即可完成预期的目的,但是对实时时钟系统、要求执行效率高的系统就不适合采用C语言编程,对这些特殊情况进行编程时要结合汇编语言。

例如对时钟要求很严格时,只能使用汇编语言。

混合编程目前单片机开发最流行的编程方法。

3.2控制算法,什么是开环控制?

什么是闭环控制?

有无反馈,放大电路输出量的一部分或全部通过一定的方式引回到输入回路,影响输入,称为反馈。

无反馈,有反馈,3.2.1PID控制算法,图3.1常规PID控制系统原理框图,3.2.1PID控制算法,PID(ProportionalIntegralDifferential)控制是比例、积分、微分控制的简称。

在自动控制领域中,PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。

PID控制器的原理是根据系统的被调量实测值与设定值之间的偏差,利用偏差的比例、积分、微分三个环节的不同组合计算出对广义被控对象的控制量。

图3.1是常规PID控制系统的原理框图。

其中虚线框内的部分是PID控制器,其输入为设定值与被调量实测值构成的控制偏差信号:

(3.1)其输出为该偏差信号的比例、积分、微分的线性组合,也即PID控制律:

(3.2)式中,为比例系数;为积分时间常数;为微分时间常数。

3.2.1PID控制算法,3.2.1PID控制算法,1PID控制规律的特点

(1)比例控制器比例控制器对于偏差是及时反应的,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化,控制作用的强弱取决于比例系数Kp。

3.2.1PID控制算法,比例控制器虽然简单快速,加大比例系数Kp虽然可以减小静态误差,但当Kp过大时,动态性能会变差,会引起被控量振荡,甚至导致闭环系统不稳定。

3.2.1PID控制算法,

(2)比例积分控制器为了消除在比例控制中存在的静差,可在比例控制的基础上加上积分控制作用,构成比例积分PI控制器加入积分环节将有助于消除系统的静差,改善系统的稳态性能,3.2.1PID控制算法,显然,如果积分时间太大,则积分作用减弱,反之则积分作用较强。

增大,将使消除静差的过程变得缓慢,但可以减小系统的超调量,提高稳定性。

如对于管道压力、流量等滞后不大的对象,可以选得小些,对温度、成分等滞后比较大的对象,可以选得大些。

(智能车,可不选积分),3.2.1PID控制算法,积分调节降低系统的响应速度为了加快控制过程,按偏差变化的趋势进行控制,使偏差在萌芽状态被抑制为了达到这一控制目的,可以在PI控制器的基础上加入微分控制作用,即构造比例积分微分控制器(PID控制器)。

推荐PD控制!

(3)比例积分微分控制器,3.2.3其它智能控制算法,简单的算法只要参数调整得好,效果会相当不错;相反,复杂的算法,其设计和参数整定则相对复杂,效果不一定比简单算法好。

在智能车控制系统中,控制算法最普遍的就是上面讲到的PID和模糊控制算法。

铭记:

第3章智能汽车设计基础计算机辅助设计,4.1计算机辅助机械设计(略),4.1.1机械设计原理,历届全国智能汽车竞赛中表明:

要取得较好的成绩,智能车底盘的优化和硬件设备的可靠性所占的比重要大于软件程序及其控制策略所占的比重。

AutoCAD是机械设计中常用的软件之一,它是一种可自定义、可扩展的CAD软件,具有二维绘图、设计文档和简单的三维设计等功能。

4.2计算机辅助电路设计,4.2.1EDA技术(略),1EDA技术的内涵EDA(ElectronicsDesignAutomation)即电子设计自动化。

现在电子系统设计依靠手工设计已经无法满足大规模电路设计的要求,因此在电路设计工作中需要采用EDA技术。

利用EDA设计工具,设计者可完成对电路的性能分析、时序测试,减少设计的盲目性,极大地提高设计的效率。

4.2.2Protel(推荐),Protel99SE是澳大利亚ProtelTechnology公司推出的一个全32位的电路板设计软件,AltiumDesigner(推荐),原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统,第5章智能汽车设计基础微控制器,第5章智能汽车设计基础微控制器,5.1单片机简介,随着大规模集成电路的出现及发展,将计算机的CPU、RAM、ROM、定时/数器和多种I/O接口集成在一片芯片上,形成芯片级的计算机,5.2单片机系统,5.2.1单片机最小系统,所谓单片机最小系统,是指在单片机外部增加尽可能少的元件电路,组成一个让单片机可独立工作的系统,5.3FreescaleHCS12单片机(略),16位CPU的控制器工作电压为5V,时钟频率最高为25MHz2个8通道A/D转换器,8位/10位精度可选择8个PWM通道推荐:

MC9S12XS128!

5.3.1MC9S12XS128最小系统设计(推荐),该最小系统主要包括以下几个部分:

时钟电路、串口电路、BDM接口、供电电路、复位电路和调试用LED灯。

各个部分的功能分别如下:

(1)时钟电路为单片机提供一个外接的16Hz的石英晶振。

(2)串口的RS-232驱动电路可实现TTL电平与RS-232之间的转换。

(3)BDM接口允许用户通过该接口向单片机下载和调试程序。

(4)供电电路主要是给单片机提供+5V的电源。

(5)复位电路是通过一个复位芯片给单片机一个复位信号。

(6)调试用LED灯和单片机的PORTB口相连,供程序调试使用。

5.3.2MC9S12DG128最小系统设计,1时钟电路时钟电路系统可靠运行的关键之一。

时钟不稳定导致隐患,很难被发现。

建议首先使用有源振荡器作为外部时钟,并且振荡器的频率不必太高。

5.3.2MC9S12DG128最小系统设计,2串行口的RS-232驱动电路通过串口驱动电路中的RS-232电平转换芯片,单片机可以利用异步通信协议与PC机通信。

RS-232电平转换芯片可以实现TTL电平与RS-232电平之间的转换,然后再通过9芯串行口与PC进行串口通信。

3电源电路HCS12单片机的芯片内部使用3V电压,而I/O端口和外部供电电压为5V。

通常需要采用滤波电路改善系统的电磁兼容性,降低系统对电源的高频干扰。

4复位电路复位电路的作用是产生一个低电压信号给MC9S12DG128的RESET端,使系统上电启动。

在最小系统中,通常使用低电压复位芯片MC34064,也可以只用一只0.1F的电容替代,通常添加一个手动复位按钮,以方便调试时使用。

5.3.2MC9S12DG128最小系统设计,5BDM接口BDM接口是连接BDM调试工具的,其中BDMIN接口是接BDM调试工具,向MC9S12单片机下载程序用的。

若下载相应的BDM调试工具软件到目标板后,这块目标板就具有了BDM调试器功能。

BDMOUT接口是当开发上的应用程序为BDM调试器程序时,此接口可以用做BDM调试器的输出口。

如果不打算将这块目标板用做BDM调试器,可以不引出BDMOUT接口,从而有更多的I/O口可供用户的应用程序使用。

5.3.2MC9S12DG128最小系统设计,注:

对于定义为输出口的单片机引脚,可输出逻辑1或逻辑0,在5V供电的情况下,逻辑1不低于4.2V,逻辑0不高于0.8V。

第6章智能汽车设计实践光电组设计,6.1机械设计,6.1.1光电管传感器的布局6.1.2舵机的安装6.1.3测速传感器的安装,6.1.1光电管传感器的布局,1传感器的布局间隔2传感器的径向探出距离,传感器的布局间隔,传感器的布局间隔是否合适,对过弯的精确性以及防止飞车有很大的影响。

设定传感器间隔的原则是:

既要满足一定的密度以保证走弯道时轨迹相对精确,又要尽可能拥有大的横向控制范围来防止飞车。

若传感器间隔设置合适,当赛道有一点微小的变化时,小车的控制单元就能进行相应的反应(改变前轮转角),从而使得过弯道的轨迹与弯道大体重合,精确性好。

(1)“一”字形布局:

“一”字形布局是传感器最常用的布局形式,即各个传感器在一条直线上,从而保证纵向的一致性,使其控制策略主要集中在横向上,其排布如图6.1所示。

传感器的径向探出距离,图6.1“一”字形布局,

(2)“八”字形布局:

“八”字形布局从横向来看与“一”字形布局类似,但它增加了纵向的特性,从而具有了一定的前瞻性,其排布如图6.2所示。

传感器的径向探出距离,图6.2“八”字形布局,(3)“W”字形布局:

为了能够提早地预测到弯道的出现,我们还可以将左右两端的传感器进行适当前置,从而形成“W”形布局,此外,还可利用“W”形布局来检测赛道的弯曲程度。

传感器的径向探出距离,图6.3“W”字形布局,6.1.2舵机的安装,在智能车上,舵机的输出转角通过连杆传动控制前轮转向。

舵机是系统中一个具有较大时间常数的惯性环节。

其时间延迟正比于转过的角度,反比于舵机的响应速度。

对于快速性要求极高的智能小车来说,舵机的响应速度是影响其过弯最高速度的一个重要因素,特别是对于前瞻不够远的智能小车更是如此。

提高舵机控制前轮转向速度的一种方法是采用杠杆原理,在舵机的输出舵盘上安装一个较长的输出臂,6.1.2舵机的安装,为了减轻智能车的质量,测速时应尽量选用质量轻精度高的传感器,为了不影响加速性能,编码器的传动齿轮较小,基本上和电机的齿轮相同。

6.1.3测速传感器的安装,6.2硬件设计,6.2.1HCS12控制核心6.2.2电源管理单元6.2.3路径识别单元6.2.4车速检测模块6.2.5舵机控制单元6.2.6直流驱动电机控制单元,6.2硬件设计,6.2.1HCS12控制核心,PH口与PA口用于小车光电发光管发光控制;PT0用于车速检测的输入口;PB口用于显示小车的各种性能参数;PWM0(PP0引脚)与PWM1(PP1引脚)合并用于伺服舵机的PWM控制信号输出;PWM2(PP2引脚)与PWM3(PP3引脚)合并用于驱动电机的PWM控制信号输出(电机正转);PWM4(PP4引脚)与PWM5(PP5引脚)合并用于驱动电机的PWM控制信号输出(电机反转)。

在连续路径识别算法中,PAD口用于传感区光电接收管电压信号的输入口。

6.2.2电源管理单元,电源管理单元是智能车硬件设计中的一个重要组成部分,它的作用是对组委会提供的7.2V1800mANi-cd蓄电池进行电压调节。

按照系统各部分正常工作的需要,各模块电压值分为5V,6.5V和7.2V三个挡。

6.2.2电源管理单元,电源管理单元主要用于以下三个方面:

(1)采用稳压管芯片L7805CV将电源电压稳压到5V后,给单片机系统电路、路径识别的光电传感器电路、车速检测的转角编码器电路和驱动芯片MC33886电路供电;

(2)经过一个二极管降至6.5V左右后供给转向伺服电机;(3)直接供给直流驱动电机。

同时考虑到稳压芯片L7805CV的额定输出电流较小,故采用两片L7805CV分别对单片机电路、车速检测电路、驱动芯片电路和光电传感器电路供电,以保证系统正常运行。

其稳压电路如图6.8所示。

6.2.2电源管理单元,6.2.3路径识别单元,红外发射接收管一般安放在模型车前端,可以安装成一排,也可以前后安装两排,传感器的总数量受到比赛规则的限制。

红外接收管接收道路反射的红外光后产生电压的变化,它可以反映出赛道中心线的位置。

这个电压信号可以通过外部的电压比较器变成高、低电平由单片机的I/O端口读取,也可以通过单片机A/D端口直接读取。

6.2.3路径识别单元,I/O端口读取电路,A/D端口读取电路,6.2.3路径识别单元,两个光电管方案中常见的问题1相邻光电管之间的干扰2光电管发射功率的影响,相邻光电管之间的干扰,由于红外发射管是基于漫反射原理的,其发射的红外光可能影响到安装在附近的红外接收管。

消除这种干扰可以采取以下几种措施:

(1)选择发射与接收方向性好的红外传感器。

(2)选择发射与接收一体化的红外传感器,它的外壳可以抑制相邻干扰。

(3)在红外接收管上安装黑色套管,使其只接收前方一定角度内的红外光线,这种减小互扰动的措施效果较好。

(4)使相邻的红外发射/接收管交替工作(即“点火”)。

这种方法不仅减小了相邻红外传感器之间的干扰,同时也降低了整体传感器的功耗。

光电管发射功率的影响,为了增加前瞻距离,需要加大光电管红外发射功率,使得返回的红外线的强度提高,这样不仅使得电池电能的消耗量增加,同时也会缩短红外发射管的寿命。

6.2.4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。

通过对速度的检测,可以对车模速度进行闭环反馈控制。

转角编码盘,增量式转角编码盘,舵机控制单元采用组委会提供的Futaba公司S3010型舵机作为智能车方向控制部件。

6.2.5舵机控制单元,图6.14转向伺服电机实物图,采用MC33886的全桥驱动时,为了提供更大的驱动电流,可以将多片MC33886并联使用,其采用3片MC33886并联方式驱动电机硬件电路。

MC33886全桥驱动电路,电机驱动硬件电路图,6.3软件设计,6.3.1初始化算法6.3.2路径离散识别算法6.3.3路径连续识别算法6.3.4控制策略及控制算法,6.3软件设计,在智能车控制系统光电管方案的软件设计中,程序的主流程是:

先完成单片机初始化(包括I/O模块、PWM模块、计时器模块、定时中断模块初始化)之后,通过无限循环语句不断地重复执行路径检测程序、数据处理程序、控制算法程序、舵机输出及驱动电机输出程序。

其中,定时中断用于检测小车当前速度,作为小车速度闭环控制的反馈信号。

6.3软件设计,6.3.1初始化算法,1锁相环初始化2A/D初始化3PWM初始化4定时器初始化,6.3.4控制策略及控制算法,1转角的控制2车速的控制3路径记忆算法,6.3.4控制策略及控制算法,直道最快的速度。

在进入弯道的过程中尽快减速,且转向要适合弯道的曲率,确保小车平滑地转弯,并在弯道中保持恒速。

从弯道进入直道时,小车的舵机要转至中间,速度应该立即得到提升,直至以最大的速度行进。

为实现上述控制思想,可以采用不同的控制方法来控制小车的转角和速度。

转角的控制,调整舵机的原则是

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