东南大学seu1智能汽车邀请赛技术报告.docx
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东南大学seu1智能汽车邀请赛技术报告
第一章引言4
第二章总体方案概要说明5
2.1主要设计思路5
2.2技术方案5
第三章智能车硬件设计5
3.1机械设计6
3.1.1光电管的选型、布局及支架安装6
3.1.2测速编码盘的安装8
3.1.3舵机的改装10
3.1.4车模安装及参数调节10
3.2硬件电路设计13
3.2.1电源管理模块14
3.2.3电机驱动电路14
3.2.4舵机驱动电路16
3.2.5主板16
第四章智能车软件设计17
4.1系统软件总体结构17
4.2初始化模块17
4.2.1总线时钟17
4.2.3PWM初始化18
4.2.4AD初始化19
4.2.5ECT初始化20
4.3路径识别原理及实现20
4.4控制算法的研究21
4.4.1舵机转向控制算法21
4.4.2直流电机的控制算法21
第五章开发工具及制作调试过程23
第六章结论25
6.1智能车技术指标25
6.2目前尚存在的不足与改进方向26
参考文献26
附录程序代码27
引言
本智能车以飞思卡尔公司的16位单片机MC9S12DG128B为核心控制器，利用光电传感器采集路况信息，配合速度传感器、电机、舵机、电池等组成的驱动电路进行信息处理，以达到路径识别的目的，使得模型车在KT板上循着黑线高速稳定地行驶。
硬件电路部分主要采用三块MC33886并联驱动直流电动机。
选用低压差电源管理芯片LM2940，可使在7.2伏电池供电的条件下为系统的各功能模块提供了稳定、可靠的工作电源，为智能车的稳定工作提供了有力的保证。
测速部分采用型号为E6A2的小型编码器，每转360个脉冲，可以实现对速度的及时精确的测量和反馈。
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：
（1）光电管的归一化及曲线拟合的路径识别算法；
（2）滤波模块（3）速度闭环控制以及用PID与棒棒相结合的速度控制算法实现对即时速度的调节模块；（4）舵机分段PD控制算法；（5）基于Labview的无线调试模块
本系统利用开发工具CodeWarrior进行编程开发，用BDM进行程序下载，利用串口传输的数据进行在线调试。
这些工具的使用，使得软件的设计编程和调试工作得到了保证。
通过一系列的调试，本系统基本实现了路径识别的功能，在实际的测试中，小车也比较好地完成循线行驶的任务。
关键字：
智能车，光电路径识别，PID，赛道识别与记忆，
第二章总体方案概要说明
2.1设计思想
智能车主要由检测路径模块，控制分析决策模块，驱动模块三部分组成。
我们使用LED来检测道路信息，可以在很短的时间内响应，控制周期很短，循线性好。
控制分析决策模块采用大赛组委会提供的16位单片机MC9S12DG128作为主控芯片，驱动模块用来控制模型车的转角和速度。
2.2技术方案
由于比赛时要求小车能够沿着黑线自主行使，最终以跑完一圈的最短用时作为比赛成绩。
因此，制作出的小车首先应该能够通过路面信息采集来分辨出黑线的具体位置，进而在此基础上尽可能地增加车速，来提高比赛成绩。
因此我们采用大前瞻光电管分布，使得光线连续，用AD采样后进行处理可以精确定位黑线位置，然后用位置式的PD来控制舵机，速度根据当前偏差和偏差的变化率进行设定，用PID和棒棒结合的办法对电机进行驱动，使得小车快速稳定的在赛道上行驶。
第三章智能车硬件设计
整个系统的设计方案包括车模机械结构设计、硬件电路设计和软件控制算法设计三个基本方面。
为了检测赛道信息，我们用了光电管作为传感器。
另外，还用了速度传感器来获取小车当前速度，其作用主要有：
一、在算法调试过程中，实时监控小车速度变化，为弯道速度控制提供参考；二、实现速度的闭环控制，增加小车稳定性。
系统的主要控制对象是舵机和驱动电机，因此整个系统的硬件框图为：
我们可以发现，小车硬件的组成部分不多，模块化也很鲜明，不过其中影响小车性能的地方实在是很多，将在下面的几章里详细介绍我们开发过程中遇到的多个细节问题。
3.1机械设计
3.1.1光电管的选型、布局及支架安装
尽管选择光电管，不过还是要在可能的基础上尽可能地进行前瞻，因为前瞻的多少对于入弯时速度的调整是非常重要的，也就间接决定了赛车的整体速度，因此必须适当得选择管型，调整发射功率，确定安装角度来满足前瞻要求。
因此我们查阅资料，最终决定在TCRT5000、ITR9908、RPR220、RPR221和分离式的收发红外管（发射和接收管分开的LED）进行选择。
经过实验，发现TCRT5000容易相互干扰，且发射功率满足不了要求；ITR9908的前瞻也较小；虽然分离式的收发红外管可以满足强的发射功率和前瞻，但是由于不是集成式的，对接收管要做一些束管套在上面，这对机械做工要求很高，束管做的不一致，安装的没有保持同一个方向，容易造成接收的道路信息不在一条直线上；RPR220和RPR221性能差不多，但是我们最终选择了RPR221，主要因为我们实验发现RPR221的发射功率要高一些，且对长距离的黑白敏感度更高一些；
红外传感器的分布是我们设计初期竭力在探讨的问题，因为这直接决定了以后的控制策略和算法，不能有丝毫马虎。
我们一开始主要考虑了三种排步方法：
●单排一字形排布
这种排步方法的好处是直观明了，硬件设计和编程都比较简单。
但是它的检测没有深度，而且容易冲出赛道造成光电管检测不到黑线的情况。
●双排排布
这种排布的好处是有一定的纵深，能够同时采集赛道的两排信息，因此能够通过运算了解到此刻赛道的斜率，进而进行比较精确的控制。
但缺点是运算复杂，性能不够稳定，而且降低了单排的检测精度。
●弧形排布
比起一字形排布，这种排布方式能够探测更广的角度，在转弯时不容易让黑线在光电管的检测范围之外，在用简单的比例算法在计算机上模拟的时候，这种排布方式的性能最好，因此在校内赛的时候我们选用了这种排布方式。
经过仔细的比较，我们决定在华东赛及全国赛的时候选择第一种排布方法。
因为在校内赛中我们发现弧形排步方式的优点并没有发挥出来，因为赛车极少情况出现完全冲出，就算冲出也可以利用软件算法来解决。
因此，相比较一字形排布，我们浪费了几个光电管的资源，这些光电管完全可以用于增加中心区域的检测密度，会达到更好的效果。
在此基础上，我们还考虑想要使光电管能够前瞻，因此我们花了大量时间来进行不同光电管、不同功率情况下的采集情况。
光电管的功率越大，接受的信噪比就越大，因此在可能的情况下，可以尽可能增大光电管的发射功率。
但发射功率越大，电阻和光电管的功耗就越大，而且由于前瞻比较大，相互间的干扰也比较大，所以我们采用IRF3205进行分时驱动点亮光电管，通过这个脉冲式发光方法，可以把发射功率的限制提高，而且可以减小相邻光电管之间的影响，收到了很好的效果。
由于全国赛的赛道有坡度，因此光电管的安装就必须仔细斟酌，为了爬坡时光电管不会接触坡度，我们把支架做得比较高，而且大前瞻也需要支架的高
度。
把光电管架高后，会对车的重心有所提高，而且会产生杠杆效应，使得后轮的附着力及驱动力减弱，加减速不灵活。
所以支架要尽可能的轻，而且光电管的PCB布板也要尽可能的小，以减小质量，下面是光电管PCB板图（2cm＊24.8cm）和支架的安装图
光电管PCB板图支架的安装图
3.1.2测速编码盘的安装
要想对车速进行精确控制，就必须用速度闭环控制，对当前速度进行精确测量，一个好的测速模块非常重要。
因此我们选用了E6A2-C小型编码器，360个脉冲，精度足以胜任。
测速原理图
由于光电管要尽可能的前瞻，所以要尽可能的把车体不能超过40cm利用好，编码器的安装尽可能的不要超过后轮。
如下图所示：
编码盘的安装图
在上升下降沿同时触发的条件下，编码器齿轮数为36，每转720个脉冲，电机传动齿轮为75，具体速度与脉冲的比例关系见下表：
轮胎周长16.7Cm，采样周期T为2ms，因此：
1m/s=6圈/s=21000脉冲/2s=21脉冲/2ms
（表一）测量脉冲数和速度的对应关系
测量脉冲
对应速度
21/T
1m/s
42/T
2m/s
63/T
3m/s
73.5/T
3.5m/s
3.1.3舵机的改装
舵机响应速度是整车过弯速度的一个瓶颈。
为了加快车轮转向速度，我们设计并安装了舵机转向机构。
在并非改变舵机本身结构的条件下，改变了舵机的安装位置，并加长了舵机的转向力臂，由于舵机的延迟和转弯角度成正比，加长力臂后，使得未改装的转角从40°左右下降到25°，大大降低了舵机的延时。
前轮转向机构，传动杆与舵机连接可靠，舵机工作时无晃动。
这一点也至关重要，因为直接牵扯到舵机的转向灵敏度和准确性。
首先在安装舵机之前，要对舵机进行校正。
虽然有关舵机的资料上都说高电平时间1.5ms时为正对中央，但试验中我们发现这并不是十分准确，所以我们在安装舵机之前先用函数发生器对舵机的偏转进行了校正，然后再装上直接连在舵机上的传动齿轮。
这样做的做法一是严谨，二是为编城提供方便，使得转向和PWM波有比较简单的正比关系。
调整好转向后，还要注意舵机的安装。
在舵机齿轮和前轮传动杆之间的连接处有一个断口的圆形零件，这个零件如果不把它的断口问题解决，会严重影响舵机的反应灵敏度。
我们使用强力胶把舵机的传动和固定部位全部封死，另外还把小车其他的不牢靠的部件也都用胶水封了起来，小车的机械扎实时能够风驰电掣的前提。
3.1.4车模安装及参数调节
为了让赛车能在直道和弯道上高速稳定的通过，而且转弯比较灵巧，快速，除了有相应的软件和硬件电路的设计之外，赛车的机械结构对其也有很重要的影响。
所以我们对赛车的机械结构也做了一些相应的调整。
3.1.4.1底盘的调整
由于这次比赛有坡度在15度之内的坡面道路，包括上坡与下坡，光电管架的不是很高，过弯时不会发生侧翻的情况，为了上坡和下坡不会接触地面，产生振动，影响光电管的探测，底盘的前轮高度保持不变，后轮稍稍降低了重心。
3.1.4.2前轮的调整
前轮的调整包括前轮主销后倾角，主销内倾角，前轮外倾角，前轮前束的调整。
在调试过程中，我们发现这几个参数对赛车直线的稳定性和弯道灵巧性都有很重要的影响。
主销后倾角是前轮主销与前轮垂直中心线之间的夹角，也就是主销上端向后倾斜的角度。
在赛车上是通过四个黄色的小垫片来调整的。
减小主销后倾角可以减小前轮的回正力矩。
也就是如果车轮向右转，后倾角可以产生一个向左的回正力，使车轮回正比较快，但又使转向更为费力。
设黄色垫片2：
2（即前2后2）为0°，1：
3（前1后3）为2°～3°，则我们改为3：
1（前3后1），使其倾角为负2°～3°。
这样则可以减小回正力矩的作用，使转向更为灵活，但也会使回正比原来稍慢。
主销内倾角是前轮主销在赛车水平面内向内倾斜的角度，虽然增大内倾角也可以增大回正的力矩，但增大内倾角会在赛车转向的过程中，增大赛车与路面的滑动，从而加速轮胎的磨损，由于轮胎对地的附着力对防止侧滑有很重要的影响，所以如果轮胎磨损则得不偿失，所以内倾角调整为0°。
前轮外倾角是前轮的上端向外倾斜的角度，如果前面两个轮子呈现“V”字形则称正倾角，呈现“八”字则称负倾角。
由于前轮外倾可以抵消由于车的重力使车轮向内倾斜的趋势，减少赛车机件的磨损与负重，所以赛车安装了组委会配备的外倾角为1°的配件。
前轮前束是前轮前端向内倾斜的程度，当两轮的前端距离小后端距离大时为内八字，前端距离大后端距离小为外八字。
由于前轮外倾使轮子滚动时类似与圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。
但由于拉杆的作用使车轮不可能向外滚开，车轮会出现边滚变向内划的现象，从而增加了轮胎的磨损。
前轮外八字与前轮外倾搭配，一方面可以抵消前轮外倾的负作用，另一方面由于赛车前进时车轮由于惯性自然的向内倾斜，外八字可以抵消其向内倾斜的趋势。
外八字还可以使转向时靠近弯道内侧的轮胎比靠近弯道外侧的轮胎的转向程度更大，则使内轮胎比外轮胎的转弯半径小，有利与转向。
3.1.4.3后轮距及后轮差速的调整
由于速度高，赛车在转弯时容易翻倒，为了增加整车的平衡能力，可用组委会提供的配件把后轮改为大轮距。
在拐弯时由于弯道内侧轮比外侧轮的拐弯半径小，则内侧轮比外侧轮的速度小，这就使两轮胎有一定的速度差，称为差速。
而赛车的差速机构安装在后轮轴上的，所以只可以调整后轮的差速。
经多次调试观察发现差速对赛车转弯有很大的影响。
如果差速过紧，即两轮胎的速度很接近时，转弯的时候内侧轮很容易打滑，从而产生侧滑，使赛车滑出赛道。
当差速过松时，会使直道的时候两轮打滑，大大的减小了赛车的驱动能力。
所以差速调整要适当，才会使直道驱动能力强，弯道转弯灵巧。
我们调试差速的经验是把赛车放在赛道上捏住一个轮胎不动让另一个轮胎能在赛道上半滑动时为佳。
3.1.4.4齿轮传动机构的调整
大赛提供的电机输出轴齿轮数为18个，后轮输出轴齿轮数为76个，则齿轮比为9：
38。
齿轮传动机构的调整就是调整电机输出轴的齿轮与后轮轴上齿轮之间的耦合程度。
经过整车的调试我们发现，电机传动齿轮咬合过松，会导致后轮转动时的摆动，而且传动性能不佳；咬合过紧，会对电机的转动产生阻力，影响小车的整体速度和加速性能，而且浪费电能。
为了使齿轮的调整比较适当，经过多次的调试，我们发现用听齿轮之间的声音的办法来调整其耦合程度效果不错。
当齿轮耦合较松或两齿轮之间不平行时的声音很响，也就是齿轮之间撞击的声音很大，当齿轮耦合比较紧时声音很沉闷并且迟滞，最佳状态是基本上没有撞击的声音，声音清脆并且没有迟滞现象。
在调整到合适的咬合度后，可以在齿轮处滴上润滑油，会使传动性能更上一个台阶。
3.1.4.5轮胎的探讨。
首先是严重影响比赛成绩的摩擦力因素。
调试过程中我们发现，轮胎或者跑道上如果沾
有比较多的灰尘，会使小车产生明显的转弯不足，甚至产生飘移，尽管算法的改进可以适当提高小车的稳定性，不过如果能找到增大轮胎摩擦力的方法会大大提高比赛成绩。
其次是后轮宽度，小车的零件中有两套连接后轮的红色元件，选用宽的那一个会使小车后轮间距增大，增加稳定性。
最后是轮子上的螺丝要松紧得当。
太紧阻力很大，太松会出现轮胎打摆甚至滑落的现象。
3.1.4.6重心的调整要精益求精。
重心的调整要反复试验，直到使小车行使性能最佳为止。
原则上不要可以为小车增加负重以提高稳定性，因为这样是以失去机动性和速度为代价的。
但是我们在制作过程中给小车加上了铁片，因为由于时间紧迫，我们没有在算法上根本解决小车的入弯漂移现象，只能通过加重来解决，这是无奈之举。
在华东赛中，这是势必要解决的许多问题之一。
3.2硬件电路设计
3.2.1传感器电路设计
本项目中，选用的是红外对管RPR221作为传感元件。
RPR221是一个四端口元件，包括了一只红外发射管和红外接收管，用塑料外壳将对管封装起来。
其使用电路图如下
图一光电管的原理图
R1作为发射管的限流电阻，若R1阻值过大，则发射管功率会大幅降低，所起其阻值在可以根据需要选择。
R2主要为接收管的上拉电阻。
当小车在白色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号，经白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，那么图中光敏三极管将导通，比较器输出为低电平；当小车行驶到黑色引导线时，红外线信号被黑色吸收后，光敏三极管截止，比较器输出高电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。
将检测到的信号送到单片机I/O口，当I/O口检测到的信号为高电平时，表明红外光被地上的黑色引导线吸收了，表明小车处在黑色的引导线上；同理，当I/O口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在白色地面上。
3.2.2电源管理模块
我们的电源管理模块使用了两块稳压芯片，因为我们想尽可能得使得较大的用电单元独立出来，以避免相互间的干扰。
电机和舵机直接加在电池上，是考虑到这样可以增大驱动电压和电流，以提高舵机的响应速度和电机的加速性能。
不过为了避免瞬时电流过大造成电压下降太多，我们并联大电容，以稳定电压特性。
3.2.3电机驱动电路
设计中我们采用PWM输出通道经过开发板中集成好的MC33886电机驱动模块进行驱动，
特性：
工作电压：
5-40V
导通电阻：
120毫欧姆
输入信号：
TTL/CMOS
PWM频率：
<10KHz
短路保护、欠压保护、过温保护等；
具体电路图如下：
电机驱动电路
程序中设计中我们设定PT1输出频率为5KHz,起使极性为低电平的PWM波，因为PT2口在未设置时输出为高电平，为了编程时与占空比的定义对应，因此设定PT1起始极性为低。
PT1的占空比受到程序的控制。
实际中我们采用三片33886并联输出，以提高电机的驱动能力，并利用她的反转来进行制动，可以很快的实现降速。
3.2.3舵机机驱动电路
由于舵机存在很大的延时，限制整体速度，为了让舵机更快的反应，我们直接用电源电压给舵机供电，可以大大提高他的响应，但是这样就会给其他的电源模块造成干扰，且会随电源电压的不同而不稳定。
所以必须在旁边加上旁路电容，如下图所示
3.2.4主板
为了降低重心，使得小车平稳快速行驶，我们把主板做得贴近底盘，形状如下图所示
主板图
第四章智能车软件设计
4.1系统软件总体结构
4.2初始化模块
4.2.1总线时钟
我们采用16MHz的外部晶振作为DG128的时钟，这样在默认设置下，其锁相环时钟、总线时钟和内核时钟分别为32MHz、8MHz和16MHz。
单片机的处理速度对成绩的提高有很大帮助，为了缩短A/D的采样时间，增加处理速度。
我们对单片机进行了超频，将总线时钟提高到32MHz。
时钟的倍、分频关系由SYNR、REFDV两寄存器决定。
其计算公式为：
busclock=16MHz*（SYNR+1）/（REFDV+1）
其初始化为：
voidInit_PLL（void）{
SYNR=1;
REFDV=1;
while（CRGFLG_LOCK!
=1）;
CLKSEL=0x80;
}
4.2.2PWM初始化
PWM模块有8路8位的独立的PWM通道，每个通道都配有专门的计数器，可独立的可设置周期和占空比，也可以将两个通道合起来作为一路输出，形成16位通道。
该模块有4个时钟源A、SA、B、SB，其中A、SA对应0、1、4、5通道，B、SB对应2、3、6、7通道。
通过配置寄存器可设置PWM的使能、每个通道脉冲极性、输出脉冲的对齐方式、时钟源以及通道位数（8位通道或者16位通道）。
我们将4、5通道合为一个，用于控制舵机；0、1通道合为一个，2、3通道合为一个，用于控制电机。
初始化设置如下：
voidInit_PWM（void）{
PWME=0x00;//关闭PWM输出
PWMCTL=0x70;//通道0、1级连
PWMPRCLK=0x33;//ClockA=ClockB=Bus/4=2MHz
PWMCLK=0x00;//不选择clock1和clock2
PWMSCLA=25;//PWMSCLA=PWMSCLB=50//取消
PWMSCLB=25;//ClockSA=ClockSB=10KHz//取消
PWMPOL=0xf7;//起始极性为高电平
PWMCAE=0x00;//左对齐
PWMPER45=20000;//周期1/2000000*20000=10ms,舵机100Hz
PWMDTY45=3035;//高电平1.5ms
PWMPER01=400;//电机周期为1/2000000*400=5kHz
PWMDTY01=0;
PWMPER23=400;
PWMDTY23=400;
}
voidEnablePWM（）{
PWME=0x00;
PWME=0x2a;
}
voidDisablePWM（void）{
PWME=0x00;
}
4.2.3ATD初始化
voidAD0_Init（void）{
ATD0CTL2=0xc0;//AD模块上电，快速清零，无等待模式，禁止外部触发，中断禁止
ATD0CTL3=0x00;//每个序列8次转换，
ATD0CTL4=0x83;//8位转换精度，2个AD周期，ATD_Clock=8M/2/（4+1）;
ATD0DIEN=0x00;//禁止数字输入
}
voidAD1_Init（void）{
ATD1CTL2=0xc0;//AD模块上电，快速清零，无等待模式，禁止外部触发，中断禁止
ATD1CTL3=0x00;//每个序列8次转换，
ATD1CTL4=0x83;//8位转换精度，2个AD周期，ATD_Clock=8M/2/（4+1）;
ATD1DIEN=0x00;//禁止数字输入
}
voidread_odd_Lamp（void）{
ATD0CTL5=0x90;
while（（ATD0STAT0&0X80）==0）;//采集单排光电管,通过AD的0口
Lamp_mult[0]=ATD0DR0L;
Lamp_mult[2]=ATD0DR2L;
Lamp_mult[4]=ATD0DR4L;
Lamp_mult[6]=ATD0DR6L;
ATD1CTL5=0x90;
while（（ATD1STAT0&0X80）==0）;
Lamp_mult[8]=ATD1DR0L;
Lamp_mult[10]=ATD1DR2L;
Lamp_mult[12]=ATD1DR4L;
}
voidread_even_Lamp（void）{
ATD0CTL5=0x90;
while（（ATD0STAT0&0X80）==0）;//采集单排光电管,通过AD的0口
Lamp_mult[1]=ATD0DR1L;
Lamp_mult[3]=ATD0DR3L;
Lamp_mult[5]=ATD0DR5L;
Lamp_mult[7]=ATD0DR7L;
ATD1CTL5=0x90;
while（（ATD1STAT0&0X80）==0）;
Lamp_mult[9]=ATD1DR1L;
Lamp_mult[11]=ATD1DR3L;
power=ATD1DR7L;//电源电压采样
}
voidread_evir_Lamp（void）{
ATD0CTL5=0x90;
while（（ATD0STAT0&0X80）==0）;
Lamp_evir[0]=ATD0DR0L;
Lamp_evir[1]=ATD0DR1L;
Lamp_evir[2]=ATD0DR2L;
Lamp_evir[3]=ATD0DR3L;
Lamp_evir[4]=ATD0DR4L;
Lamp_evir[5]=ATD0DR5L;
Lamp_evir[6]=ATD0DR6L;
Lamp_evir[7]=ATD0DR7L;
ATD1CTL5=0x90;
while（（ATD1STAT0&0X80）==0）;
Lamp_evir[8]=ATD1DR0L;
Lamp_evir[9]=ATD1DR1L;
Lamp_evir[10]=ATD1DR2L;
Lamp_evir[11]=ATD1DR3L;
Lam
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