畢業(yè)論文 基于光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)論文 基于光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 新一代汽車研究與開(kāi)發(fā)將集中表現(xiàn)在信息技術(shù)微電子技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)智能自動(dòng)化技術(shù)人工智能技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通信技術(shù)在汽車上的應(yīng)用智能汽車是是現(xiàn)代汽車發(fā)展的方向 大學(xué)生智能車比賽是智能汽車設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)踐平臺(tái)光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)采用光電傳感器作為道路信息的采集傳感器單片機(jī)為控制系統(tǒng)的核心來(lái)處理信號(hào)和控制小車行駛MC9S12系列單片機(jī)在汽車電子控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用本課題就是利用Freescale的MC9S12XS128微控制器對(duì)智能車系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件電路和控制軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)使用專門(mén)軟件Altium Designer設(shè)計(jì)

2、硬件電路系統(tǒng)主要包括freescale單片機(jī)最小系統(tǒng)電源管理系統(tǒng)路徑識(shí)別與檢測(cè)系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)的初始化PID控制算法路徑識(shí)別算法舵機(jī)控制算法速度控制算法軟件設(shè)計(jì)是用Freescale 公司的Codewarrior軟件作為軟件開(kāi)發(fā)和仿真下載的平臺(tái)最后完成了整個(gè)自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 關(guān)鍵字 智能車光電傳感器自動(dòng)循跡控制算法PID ABSTRACT The design of autoguiding smartcar system based on photoelectric sensor New generation automobile development

3、 and researched focus on information technology microelectronic technology computer technology intelligent automation technology artificial intelligence technology networking technology communication technology and so on The intelligent automobile is the direction in which the modern automobile deve

4、loped The university students intelligence vehicle competition is a practice platform in which intelligence automobile designed we use the photoelectric sensor as gathering sensor to take path information The microcontroller is used as the control system core and process the signal and controls car

5、to run signal-chip microcomputer MC9S12 series be widespread utilized in the automobile electronic control domain I use the Freescale microcontroller MC9S12XS128 to design the intelligent vehicle system The design of intelligent vehicle system including hardware circuit and control software system I

6、 adopt the software of electronics design Altium Designer to complete designing the hardware Hardware circuit system mainly includes the freescale 抯 Single-chip Microcomputer smallest system the power source management system the way recognition and the detecting system the motor-driven system But t

7、he control software system mainly includes Single-chip Microcomputer s initialization the PID control algorithm the way recognition algorithm the steering engine control algorithm the speed control algorithm It uses Freescale Corporations Codewarrior as the software development the simulation and do

8、wnloadings platform in the software designing Finally The design of auto track smartcar system based on photoelectric sensor is completed Key words Intelligent vehicle photoelectric Sensor auto track Control algorithm PID摘 要IABSTRACTII插圖清單I 第1章 緒論- 1 -11 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文內(nèi)容及研究意義價(jià)值- 1 -12 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)- 2 - 第

9、2章 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)- 3 -21 整體設(shè)計(jì)方案概述- 3 -22 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)- 4 - 221 模型車硬件整體方案設(shè)計(jì)- 4 -222 系統(tǒng)軟件模塊分析- 7 -223 控制算法設(shè)計(jì)方案- 8 - 第3章 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊- 9 -31 單片機(jī)以及最小系統(tǒng)簡(jiǎn)介- 9 -32 MC9S12XS128最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 9 - 第4章 電源管理模塊- 11 - 第5章 路徑識(shí)別模塊和測(cè)速檢測(cè)模塊- 13 -51 路徑識(shí)別模塊- 13 -511 光電傳感器- 13 -512 光電傳感器發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)- 13 -513 路徑識(shí)別傳感器布局設(shè)計(jì)- 14 -52 測(cè)速檢測(cè)模塊- 16

10、- 第6章 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊- 19 -61 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊- 19 -611 電機(jī)的工作原理- 19 -612 MC33886介紹- 21 -613 PWM信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速- 22 -62 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊- 23 - 第7章 智能車軟件的設(shè)計(jì)- 29 -71 單片機(jī)初始化- 30 -72 PID控制算法- 32 -73 路徑識(shí)別算法- 34 -74 舵機(jī)控制算法- 34 -75 速度控制算法- 36 -第8章 開(kāi)發(fā)制作與調(diào)試- 38 -81 CodewarriorV47軟件及其應(yīng)用- 38 -82 BDM for S12的使用- 43 - 結(jié)論和展望- 44 -致 謝- 45 -參考文獻(xiàn)- 4

11、6 -主要參考文獻(xiàn)摘要- 48 -附錄A- 50 -插圖清單 圖2-1 系統(tǒng)信息的控制流程圖- 4 -圖2-2 智能車控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖- 5 -圖2-3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖- 6 -圖2-4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)- 7 -圖3-1 最小系統(tǒng)原理圖和PCB圖- 10 -圖4-1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖- 11 -圖4-2 LM7805電路圖- 12 -圖4-3 LM7806電路圖- 12 -圖5-1 光電傳感器的基本組成- 13 -圖5-2 單對(duì)紅外傳感器電路圖- 14 -圖5-3 紅外探測(cè)布局的PCB圖- 16 -圖5-4 霍爾原理- 17 -圖5-5 霍爾測(cè)速電路圖- 18 -圖6-1 H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路-

12、 20 -圖6-2 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)- 20 -圖6-3 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)- 21 -圖6-4 MC33886電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖- 22 -圖6-5 舵機(jī)工作原理示意圖- 24 -圖6-6 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與控制信號(hào)脈寬之間關(guān)系- 25 -圖6-7 不同占空比的PWM波形控制的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)狀態(tài)圖- 26 -圖6-8 轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制方法圖- 27 -圖6-9 舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制模塊程序流程圖- 28 -圖7-1 光電傳感器方案主程序流程圖- 29 -圖7-2 典型PID控制結(jié)構(gòu)- 33 -圖7-3 舵機(jī)控制流程圖- 35 -圖7-4 速度控制流程圖- 37 -圖8-1 Codearrie

13、rV47 創(chuàng)建新的工程窗口- 40 -圖8-2 CodearrierV47的工程的初始設(shè)置窗口- 41 -圖8-3 CodearrierV47的編譯窗口- 42 -圖8-4 BDM的PCB原理圖- 43 - 第1章 緒論 自動(dòng)循跡智能車是一個(gè)集環(huán)境感知規(guī)劃決策自動(dòng)駕駛等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)除了特殊潛在的軍用價(jià)值外還因其在公路交通運(yùn)輸中的應(yīng)用前景受到很多國(guó)家的普遍關(guān)注近年來(lái)其智能化研究取得了很大進(jìn)展而其智能主要表現(xiàn)為對(duì)路徑的自動(dòng)識(shí)別和跟蹤控制上路徑跟蹤問(wèn)題的研究正吸引著國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)視覺(jué)車輛工程與控制領(lǐng)域?qū)W者們?cè)絹?lái)越多的注意得出了很多有意義的成果這些方法可分為兩類即傳統(tǒng)控制方法和智能控制方法傳

14、統(tǒng)控制方法多建立在精確數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上而自動(dòng)引導(dǎo)車系統(tǒng)具有復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)模型是一個(gè)非線性時(shí)延系統(tǒng)由于各種不確定因素的存在精確的數(shù)學(xué)模型難以獲得只能采用理想化模型來(lái)近似所得到控制律較為繁瑣給實(shí)際應(yīng)用造成不便隨著近年智能控制論的興起一些智能控制方法如模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等逐步走向完善尤其是模糊控制理論在很多地方顯示出相當(dāng)?shù)膽?yīng)用價(jià)值以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)新概念的控制器受到人們很大關(guān)注同時(shí)人們也正考慮這在各種方面包括硬件和軟件的綜合技術(shù)開(kāi)發(fā)和研究探索智能車的技術(shù)將會(huì)趨于成熟并得到廣泛的應(yīng)用11 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文內(nèi)容及研究意義價(jià)值 隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展人們生活水平的不斷提高人口的急速增加膨脹從而使得汽車使用率將大大提高石油等

15、不可再生能源的大量消耗和枯竭交通的擁堵不堪交通事故的接連不斷等這些問(wèn)題都擺在我們的面前而有待解決當(dāng)汽車電子得以迅猛發(fā)展時(shí)智能車產(chǎn)生和不斷探索并服務(wù)于人類的趨勢(shì)將不可阻擋智能車的研究將會(huì)給汽車這個(gè)產(chǎn)生了一百多年的交通工具帶來(lái)巨大的科技變革人們?cè)谛旭偲嚂r(shí)不再只在乎它的速度和效率更多是注重駕駛時(shí)的安全性舒適性環(huán)保節(jié)能性和智能性等各國(guó)科學(xué)家和汽車工作人員以及汽車愛(ài)好者都在致力于智能車的研究研究的成果有很多都已應(yīng)用于人們的日常生活生產(chǎn)之中例如在2005年1月 美國(guó)發(fā)射的勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星探測(cè)器 實(shí)質(zhì)上都是裝備先進(jìn)的智能車輛同樣在很多特殊的場(chǎng)合人員不宜或不便行駛車輛等情況下智能車都發(fā)揮著它難以替代的作用

16、因此研究智能車的實(shí)際意義和取得的價(jià)值都非常重大在我國(guó)現(xiàn)階段很多企業(yè)和學(xué)校也都意識(shí)到了研究智能車的重大意義和有著廣闊的研究前景企業(yè)與學(xué)校聯(lián)合研究共享資源的智能車研究也已有較多的合作項(xiàng)目其中飛思卡爾杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車比賽影響頗大它是教育部高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦飛思卡爾半導(dǎo)體公司協(xié)辦被教育部批準(zhǔn)列入國(guó)家教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程資助項(xiàng)目中9 個(gè)科技人文競(jìng)賽之一比賽涉及控制模式識(shí)別傳感技術(shù)汽車電子電氣計(jì)算機(jī)機(jī)械等多個(gè)學(xué)科對(duì)學(xué)生的知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)對(duì)高等學(xué)校汽車電子及控制學(xué)科學(xué)術(shù)水平的提高具有良好的推動(dòng)作用本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)術(shù)背景正是依托于往屆舉辦過(guò)的飛思卡爾杯智能車比賽 本課題利

17、用傳感器識(shí)別路徑將賽道信息進(jìn)行存儲(chǔ)利用單片機(jī)控制智能車行進(jìn)本課題包括設(shè)計(jì)供電電路時(shí)鐘電路復(fù)位電路以及通信端口傳感器信號(hào)處理電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及相關(guān)控制和存儲(chǔ)軟件設(shè)計(jì)本課題的綜合性很強(qiáng)是以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景涵蓋了控制模式識(shí)別傳感電子電氣計(jì)算機(jī)和機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)意性設(shè)計(jì)這對(duì)進(jìn)一步深化高等工程教育改革培養(yǎng)本科生獲取知識(shí)應(yīng)用知識(shí)的能力及創(chuàng)新意識(shí)等具有重要意義12 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 隨著汽車電子技術(shù)的飛速發(fā)展汽車智能化技術(shù)正在逐步得到應(yīng)用汽車智能化技術(shù)使汽車的操縱越來(lái)越簡(jiǎn)單動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越高行駛安全性越來(lái)越好這是未來(lái)汽車發(fā)展的趨勢(shì) 圖2-1 系統(tǒng)信息的控制流程圖22 控

18、制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)221 模型車硬件整體方案設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)中的核心單片機(jī)將采用MC9S12XS128型號(hào)的單片機(jī)MC9S12XS-128是一款飛思卡爾16位的單片機(jī)其開(kāi)發(fā)方法和工作特點(diǎn)都與常用的8051單片機(jī)有一定的區(qū)別如何開(kāi)發(fā)這款單片機(jī)如何為單片機(jī)多個(gè)模塊寫(xiě)入底層的驅(qū)動(dòng)程序和編寫(xiě)優(yōu)良的上層控制算法是這一模塊的核心該微控制器是freescale公司推出的S12系列單片機(jī)中具有增強(qiáng)型的16位單片機(jī)該系列單片機(jī)在汽車電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用S12系列單片機(jī)的中央處理器CPU12由以下三部分組成算術(shù)邏輯單元ALU控制單元寄存器組CPU外部總線頻率為8MHZ或者 16MHZ通過(guò)內(nèi)部鎖相環(huán) PLL 可以使

19、內(nèi)部總線速度可以達(dá)到25MHZ尋址方式有16種內(nèi)部寄存器組中的寄存器堆棧指針和變址寄存器均為16位它具有很強(qiáng)的高級(jí)語(yǔ)言支持功能CPU12的累加器A和B是8位的也可以組成16位累加器D 它的寄存器組包括如下5個(gè)部分 l 8位累加器AB或16位的累加器D 2 16位尋址寄存器X和Y是用來(lái)處理操作數(shù)的地址可分別用于源地址目的地址的指針型變量運(yùn)算 3 堆棧指針SP是16位寄存器 4 程序計(jì)數(shù)器PC是16位寄存器它表示下一條指令或下一個(gè)操作數(shù)的地址 5 條件碼寄存器CCRMC9S12XS128是Freescale公司推出的S12 系列單片機(jī)中的一款增強(qiáng)型16 位單片機(jī)片內(nèi)資源豐富接口模塊包括SPISCI

20、IICADPWM 等單片機(jī)采用增強(qiáng)型16 位HCS12 CPU片內(nèi)總線時(shí)鐘最高可達(dá)25MHz片內(nèi)資源包括8K RAM128K Flash2K EEPROM SCISPIPWM 串行接口模塊脈寬調(diào)制 PWM 模塊可設(shè)置成4 路8 位或者2 路16 位邏輯時(shí)鐘選擇頻率寬它包括兩個(gè)8 路10 位精度AD 轉(zhuǎn)換器控制器局域網(wǎng)模塊 CAN 增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器并支持背景調(diào)試模式本次設(shè)計(jì)所提到的智能車自動(dòng)控制系統(tǒng)就是基于此芯片設(shè)計(jì)賽車硬件電路作為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其一系列控制功能的基礎(chǔ)其設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到最終系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定的運(yùn)行通過(guò)分析得到系統(tǒng)各主要功能模塊電路及其與微處理器之間的邏輯關(guān)系系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如

21、下圖2-2所示 圖智能車控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖222 系統(tǒng)軟件模塊分析 圖2-4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 從該結(jié)構(gòu)圖中可以看出系統(tǒng)的軟件模塊主要有1 單片機(jī)系統(tǒng)的初始化包括單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化ATD模塊的初始化PWM模塊的初始化增強(qiáng)型時(shí)鐘模塊的初始化還有一些輸入輸出口的初始化2 光電信號(hào)的采集通過(guò)對(duì)紅外接收管接收道路反射的紅外光后產(chǎn)生電壓的變化采集到了有效的智能車位置信號(hào)3 光電信號(hào)的處理將采集到的電壓信號(hào)存儲(chǔ)在單片機(jī)中通過(guò)對(duì)光電信號(hào)的分析和判斷來(lái)識(shí)別路徑判斷黑線中間位置判斷道路是直線還是曲線以及通過(guò)計(jì)算判斷出曲線的斜率從而進(jìn)一步的控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速4 舵機(jī)轉(zhuǎn)角的控制和電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制通過(guò)控制P

22、WM口的信號(hào)輸出可以實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)角和輪速的控制5 霍爾輪速傳感信號(hào)的輸入通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)的捕捉和計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的測(cè)算223 控制算法設(shè)計(jì)方案 在小車的運(yùn)行中主要有方向和速度的控制即舵機(jī)和電機(jī)的控制這兩個(gè)控制是系統(tǒng)軟件的核心操作對(duì)小車的性能有著決定性的作用 對(duì)舵機(jī)的控制要達(dá)到的目的就是在任何情況下總能給舵機(jī)一個(gè)合適的偏移量保證小車能始終連貫地沿黑線以最少距離行駛在舵機(jī)的控制方案中有以下兩種方案可供選擇 方案一比例控制 這種控制方法就是在檢測(cè)到車體偏離的信息時(shí)給小車一個(gè)預(yù)置的反向偏移量讓其回到賽道比例算法簡(jiǎn)單有效參數(shù)容易調(diào)整算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單不需復(fù)雜的數(shù)字計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中由于傳感器的個(gè)數(shù)與布局方

23、式的限制其控制量的輸出是一個(gè)離散值不能對(duì)舵機(jī)進(jìn)行精確的控制容易引起舵機(jī)左右搖擺造成小車行駛過(guò)程中的振蕩而且其收斂速度也有限 方案二PID控制 PID控制在比例控制的基礎(chǔ)上加入了積分和微分控制可以抑制振蕩加快收斂速度調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膮?shù)可以 有效地解決方案一的不足不過(guò)PID三個(gè)參數(shù)的設(shè)定較難需要不斷進(jìn)行調(diào)試憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)定因此其適應(yīng)性較差 在考慮選擇中根據(jù)設(shè)計(jì)的賽道規(guī)則賽道模型與相關(guān)參數(shù)已給定即小車運(yùn)行的環(huán)境基本上已經(jīng)確定可通過(guò)不斷調(diào)試來(lái)獲得最優(yōu)的參數(shù)因此選用的是PID算法來(lái)對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制即速度控制要達(dá)到的目的就是在行駛過(guò)程中小車要有最有效的加速和減速機(jī)制高效的加速算法使小車能在直道上高速

24、行駛而快速減速則保證了小車運(yùn)行的穩(wěn)定流暢為了精確控制速度同時(shí)對(duì)速度進(jìn)行監(jiān)控本次設(shè)計(jì)中還引入了閉環(huán)控制的思想所以在硬件設(shè)計(jì)增加了速度傳感器實(shí)時(shí)采集速度信息 下面第7章對(duì)PID算法進(jìn)行詳細(xì)介紹 第3章 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊 智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)微控制器即單片機(jī)單片機(jī)是系統(tǒng)電路的核心組件本次設(shè)計(jì)所采用的單片機(jī)是Freescale的HCS12系列產(chǎn)品中的一款芯片叫MC9S12XS128下面將對(duì)單片機(jī)和以MC9S12XS128芯片為核心的最小系統(tǒng)做一下闡述31 單片機(jī)以及最小系統(tǒng)簡(jiǎn)介隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及發(fā)展將計(jì)算機(jī)的CPURAMROM定時(shí)計(jì)數(shù)器和多種IO接口集成在一塊芯片上形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)因此單片

25、機(jī)早期的含義成為單片微型計(jì)算機(jī)Single Chip Microcomputer直譯為單片機(jī)又稱為微控制器Microcontroller或嵌入式控制器Embedded Controller近年來(lái)單片機(jī)結(jié)合專用集成電路Application Specific Integrated CircuitASICReduce Instruction Set ComputerRISCEmbedded Processor適用于數(shù)據(jù)與數(shù)值分析信號(hào)處理智能機(jī)器及圖像處理等高技術(shù)領(lǐng)域所謂的單片機(jī)最小系統(tǒng)是指在單片機(jī)外部增加盡可能少的元件電路組成一個(gè)讓單片機(jī)可獨(dú)立工作的系統(tǒng)32 MC9S12XS128最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)本節(jié)

26、將介紹以MC9S12XS128芯片為核心的最小系統(tǒng)的組成如圖3-1所示該最小系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分組成時(shí)鐘電路BDM接口供電電路復(fù)位電路和調(diào)試用的LED燈時(shí)鐘電路為單片機(jī)提供一個(gè)外接的16HZ的石英晶振BDM接口允許用戶通過(guò)該接口向單片機(jī)下載和調(diào)試程序供電電路主要是給單片機(jī)提供5V的電源復(fù)位電路是通過(guò)一個(gè)復(fù)位芯片給單片機(jī)一個(gè)復(fù)位信號(hào)調(diào)試用的LED燈和單片機(jī)的PORTB口相連供程序調(diào)試使用 圖3-1 最小系統(tǒng)原理圖和PCB圖第4章 電源管理模塊 電源模塊為系統(tǒng)其他各個(gè)模塊提供所需要的電源設(shè)計(jì)中除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外還要在電源轉(zhuǎn)換效率降低噪音防止干擾和電路簡(jiǎn)單等方面進(jìn)行優(yōu)化

27、所以說(shuō)可靠的電源方案設(shè)計(jì)是整個(gè)硬件電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)本次設(shè)計(jì)的全部硬件電路的電源由72V2Ah的可充電鎳鎘蓄電池提供由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同因此電源模塊應(yīng)該包含多個(gè)穩(wěn)定電路將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊所需要的電壓電源模塊整體供電的可框圖如圖4-1 圖4-1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖下面將對(duì)幾種主要供電電壓電路進(jìn)行設(shè)計(jì)15V電壓主要為單片機(jī)信號(hào)調(diào)理電路紅外對(duì)管以及部分接口電路提供電源電壓要求穩(wěn)定且噪聲小電流容量大于500mA本次低壓降采用型號(hào)為L(zhǎng)M7805的穩(wěn)壓芯片LM7805具有大電流低功耗電路簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)其電路圖如圖4-2 圖4-2 LM7805電路圖 26V

28、電壓主要是為舵機(jī)提供工作電壓實(shí)際工作時(shí)舵機(jī)所需要的工作電流一般在幾十毫安左右電壓無(wú)需時(shí)十分穩(wěn)定6V低壓降采用型號(hào)為7806的三端線性穩(wěn)壓器7806穩(wěn)壓電路把72V的電池電壓轉(zhuǎn)換為6V的電壓供給舵機(jī)使用其電路圖如下圖圖4-3 LM7806電路圖 372V電壓這部分直接取自電池兩端電壓主要為后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊提供電源 第5章 路徑識(shí)別模塊和測(cè)速檢測(cè)模塊 51 路徑識(shí)別模塊路徑識(shí)別模塊是智能車系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一路徑識(shí)別方案的好壞直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣本設(shè)計(jì)采用的是光電傳感器實(shí)現(xiàn)智能車路徑識(shí)別功能所謂光電傳感器尋跡方案即路徑識(shí)別電路由一系列發(fā)光二極管接收二極管組成由于賽道中存在軌跡指示黑線落在黑線區(qū)域

29、內(nèi)的光電二極管接收到的反射光線強(qiáng)度與白色的賽道不同由此判斷行車的方向 511 光電傳感器光電傳感器是利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置光電傳感器工作時(shí)先將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光量的變化然后通過(guò)光電器件再把光量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量的變化從而實(shí)現(xiàn)非電量的測(cè)量光電傳感器的基本組成如下 圖5-1 光電傳感器的基本組成 512 光電傳感器發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)本項(xiàng)目中選用的是紅外對(duì)管RPR-220作為傳感元件RPR-220是一種一體化反射型光電探測(cè)器其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二級(jí)管而接收器是高靈敏度硅平面光電三級(jí)管 它有如下三大特點(diǎn)塑料透鏡以提高靈敏度內(nèi)置的可見(jiàn)光過(guò)濾器以減小離散光的影響體積小結(jié)構(gòu)緊湊 傳感

30、器電路如下圖5-2所示 圖5-2 單對(duì)紅外傳感器電路圖 工作原理 當(dāng)小車在白色地面行駛時(shí)裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號(hào)經(jīng)白色反射后被接收管接收一旦接收管接收到信號(hào)那么圖中光敏三極管將導(dǎo)通比較器輸出為低電平當(dāng)小車行駛到黑色引導(dǎo)線時(shí)紅外線信號(hào)被黑色吸收后光敏三極管截止比較器輸出高電平從而實(shí)現(xiàn)了通過(guò)紅外線檢測(cè)信號(hào)的功能將檢測(cè)到的信號(hào)送到單片機(jī)IO口當(dāng)IO口檢測(cè)到的信號(hào)為高電平時(shí)表明紅外光被地上的黑色引導(dǎo)線吸收了表明小車處在黑色的引導(dǎo)線上同理當(dāng)IO口檢測(cè)到的信號(hào)為低電平時(shí)表明小車行駛在白色地面上513 路徑識(shí)別傳感器布局設(shè)計(jì)通過(guò)分析可知尋跡傳感器模塊的設(shè)計(jì)是整個(gè)智能小車設(shè)計(jì)中的最重要的一部分其作用

31、相當(dāng)于人的眼睛和耳朵采集外部路面的信息并將其送入MCU微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理其能否正常工作直接影響著小車對(duì)路面的判斷以及小車下一步的行動(dòng)因而其布局的合理性與有效性對(duì)小車穩(wěn)定而又快速的行駛起著至關(guān)重要的作用個(gè)人認(rèn)為在傳感器的布局中要解決兩個(gè)問(wèn)題信息檢測(cè)的精確度和信息檢測(cè)的前瞻性 一般尋跡傳感器的布局常見(jiàn)的有以下幾種方案 方案一一字形布局 反射式光電傳感器在小車前方一字形簡(jiǎn)單排布在一字形中傳感器的間隔有均勻布局和非均勻布局兩種方式均勻布局不利于彎道信息的準(zhǔn)確采集通常采取的是非均勻布局考慮到弧度信息采集的連貫性非均勻布局的理論依據(jù)是等角度分布原則即先確定一合適的定點(diǎn)從頂點(diǎn)依次等角度畫(huà)射線射線與傳感器水

32、平線相交的位置即為傳感器的位置這種方案信息檢測(cè)相對(duì)連貫準(zhǔn)確使控制程序算法簡(jiǎn)單小車運(yùn)行連貫穩(wěn)定 方案二M形布局 傳感器呈M形排布這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于拓寬了邊沿傳感器的檢測(cè)范圍更適合于小車快速行進(jìn)中的彎道檢測(cè)但相對(duì)一字形布局來(lái)說(shuō)M形布局不利于信息檢測(cè)的穩(wěn)定易于產(chǎn)生振蕩不利于小車行駛的穩(wěn)定 方案三活動(dòng)式傳感器布局 前面兩種方案都是固定的布局方式使傳感器對(duì)賽道有一定的依賴在這個(gè)方案中傳感器的位置是可以在一定范圍內(nèi)靈活排布的這種方案的布局思路是傳感器在安裝板上的位置是可調(diào)的先將傳感器排布成為矩形點(diǎn)陣根據(jù)不同的賽道情況而靈活地作出調(diào)整就可以設(shè)計(jì)出不同的布局方式而適應(yīng)不同的賽道這樣對(duì)不同賽道有更強(qiáng)的適應(yīng)性但這

33、種方案可調(diào)性大臨時(shí)調(diào)節(jié)較難其次機(jī)械設(shè)計(jì)中體積較大增加了小車的重量不利于加減速 在方案選擇中最終采用的是上述第一種方案通過(guò)比較得到的結(jié)論是對(duì)第一種第二種和第三種方案進(jìn)行綜合考慮由于本次比賽的賽道相關(guān)參數(shù)已知而且賽道只有直道和彎倒兩種可以在測(cè)試中對(duì)賽道進(jìn)行模擬賽道變化不大因此沒(méi)有必要采取比較復(fù)雜的第二種和第三種方案方案具體布局的PCB圖如圖5-3 圖5-3 紅外探測(cè)布局的PCB圖52 測(cè)速檢測(cè)模塊為了使得模型車能夠平穩(wěn)地沿著賽道運(yùn)行除了控制前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)以外還需要控制車速通過(guò)對(duì)速度的檢測(cè)可以對(duì)車模速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制在車輪沒(méi)有打滑的情況下車速正比于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速車速檢測(cè)一般是通過(guò)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)

34、現(xiàn)的比賽中所使用的常見(jiàn)測(cè)速方法如下1霍爾傳感器霍爾傳感器是一種磁傳感器它的工作原理是霍爾效應(yīng)它是德國(guó)物理學(xué)家霍爾于1879年研究載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的如圖1所示在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓它們之間的關(guān)系為U k 5-1 圖5-4 霍爾原理式中d 為薄片的厚度k稱為霍爾系數(shù)它的大小與薄片的材料有關(guān)通過(guò)對(duì)一定時(shí)間內(nèi)脈沖信號(hào)數(shù)量的捕捉可以計(jì)算出車輪的轉(zhuǎn)速霍爾具有體積小成本低反應(yīng)快獲取信號(hào)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)只是霍爾元件與磁鋼之間距離不一調(diào)節(jié)2 測(cè)速電機(jī)測(cè)速電機(jī)實(shí)際上是一種微型直流發(fā)電機(jī)其輸出電壓

35、和電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電動(dòng)勢(shì)具有斜率高特性成線性無(wú)信號(hào)區(qū)小或剩余電壓小正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)輸出電壓不對(duì)稱度小對(duì)溫度敏感低等特點(diǎn)光電編碼器是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器光電編碼器是由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成光柵盤(pán)是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔由于光電碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)光柵盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速具有體積小精度高工作可靠接口數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)PWM信號(hào)來(lái)完成由于設(shè)計(jì)的智能車沒(méi)有倒車功能所以電機(jī)只工作在正轉(zhuǎn)方向上做功與發(fā)電兩種狀態(tài)為

36、了簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)將采用集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33886對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制MC33886為典型的H橋式驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)控制輸入的信號(hào)可以控制兩個(gè)半橋的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的順轉(zhuǎn)與倒轉(zhuǎn)由于智能車不需要倒車為了擴(kuò)大芯片的驅(qū)動(dòng)能力 把兩個(gè)半橋并聯(lián)使用下面介紹一下H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng) 圖中所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路電路得名于H橋式驅(qū)動(dòng)電路是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿而電機(jī)就是H中的橫杠注意圖及隨后的兩個(gè)圖都只是示意圖而不是完整的電路圖其中三極管的驅(qū)動(dòng)電路沒(méi)有畫(huà)出來(lái)如圖所示H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通

37、情況電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向 圖 H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通例如如圖413所示當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)電流就從正極經(jīng)Q1從左至右穿過(guò)電機(jī)然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極按圖中電流箭頭所示該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)電流將從左至右流過(guò)電機(jī)從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針?lè)较?圖 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)圖所示為另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況電流將從右至左流過(guò)電機(jī)當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)電流將從右至左流過(guò)電機(jī)從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時(shí)針?lè)较?圖 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)

38、動(dòng)CPU 發(fā)出PWM 波通過(guò)MC33886 驅(qū)動(dòng)芯片控制電機(jī)的電壓 PWM3 輸出PWM波經(jīng)由IN1 口輸入OUT1 輸出電機(jī)調(diào)速信號(hào)通過(guò)預(yù)設(shè)的DUTYCYCLE對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)解工作電壓5-40V導(dǎo)通電阻120 毫歐姆輸入信號(hào)TTLCMOSPWM 頻率 10KHz具有短路保護(hù)欠壓保護(hù)過(guò)溫保護(hù)等 圖6-4 MC33886電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖 613 PWM信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速PWM脈沖寬度調(diào)制控制通常配合橋式驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速非常簡(jiǎn)單且調(diào)速范圍大它的原理就是直流斬波原理電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比因此電機(jī)的速度與占空比成比例占空比越大電機(jī)轉(zhuǎn)得越快當(dāng)占

39、空比1時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速最大PWM控制波形的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)例如用555搭成的觸發(fā)電路但是這種電路的占空比不能自動(dòng)調(diào)節(jié)不能用于自動(dòng)控制小車的調(diào) 速而目前使用的大多數(shù)單片機(jī)都可以直接輸出這種PWM波形或通過(guò)時(shí)序模擬輸出最適合小車的調(diào)速我們使用的單片機(jī)它是16位單片機(jī)可提供路PWM 直接輸出頻率可調(diào)占空比可調(diào)控制電機(jī)的調(diào)速范圍大使用方便單片機(jī)有個(gè)IO口 內(nèi)部設(shè)有2個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器完全可以模擬任意頻率占空比隨意調(diào)節(jié)的PWM信號(hào)輸出用以控制電機(jī)調(diào)速在實(shí)際制作過(guò)程中認(rèn)為控制信號(hào)的頻率不需要太高一般在400Hz以下為宜占空比16級(jí)調(diào)節(jié)也完全可以滿足調(diào)速要求并且在小車行進(jìn)的過(guò)程中占空比不應(yīng)該太高在直

40、線前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎 的時(shí)候應(yīng)該區(qū)別對(duì)待若車速太快則在 轉(zhuǎn)彎的時(shí)候方向不易控制而車速太慢則很浪費(fèi)時(shí)間這時(shí)可以根據(jù)具體情況慢慢調(diào)節(jié)20ms左右的脈沖信號(hào)脈沖信號(hào)的寬度決定舵機(jī)輸出舵盤(pán)的角度舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與控制信號(hào)脈寬之間的關(guān)系如下圖6-6 圖6-6 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與控制信號(hào)脈寬之間關(guān)系控制信號(hào)PWMPulse Width Modulate脈寬調(diào)制波在特定的頻率和占空比轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)特定的角度圖描述了在不同占空比的條件下轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度給出了量化后的結(jié)論 圖6-7 不同占空比的PWM波形控制的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)由于小車前輪轉(zhuǎn)向只能在度范圍內(nèi)所以用于小車轉(zhuǎn)向的PWM波的占空比范圍為5-10之間

41、右轉(zhuǎn)極限位置時(shí)PWM波占空比為5左轉(zhuǎn)極限占空比為10頻率為50HZ在了解了轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的控制方法后利用單片機(jī)的PWM通道產(chǎn)生相應(yīng)頻率和占空比的PWM波形即可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)小車轉(zhuǎn)向的控制PWM模塊的相應(yīng)通道使得該通道輸出PWM波頻率為520Hz同時(shí)設(shè)置PWM極性即起始電平為高電平 舵機(jī)停止控制子程序用來(lái)停止舵機(jī)動(dòng)作并恢復(fù)其到初始狀態(tài)具體實(shí)現(xiàn)方法為設(shè)定通道輸出PWM波的高電平時(shí)間為147ms并延時(shí)一段時(shí)間后關(guān)閉PWM輸出舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度控制子程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)定PWM調(diào)制波的脈寬使其高電平寬度從121ms 147ms173ms可調(diào)所對(duì)應(yīng)舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度為-380 38下圖6-9 表示了舵機(jī)控制

42、模塊的工作過(guò)程圖6-9 舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制模塊程序流程圖 第7章 智能車軟件的設(shè)計(jì) 車輛之所以能實(shí)現(xiàn)智能行駛自動(dòng)駕駛居于核心地位是控制算法隨著微控制器技術(shù)的發(fā)展控制器的資源愈加豐富功能日趨強(qiáng)大為實(shí)現(xiàn)更高智能的控制算法提供了良好的平臺(tái)本設(shè)計(jì)采用的是基于光電傳感器的設(shè)計(jì)方案軟件的設(shè)計(jì)中程序的主流程是先完成單片機(jī)的初始化包括IO模塊PWM模塊計(jì)時(shí)器模塊定時(shí)中斷模塊初始化之后通過(guò)無(wú)限循環(huán)語(yǔ)句不斷的重復(fù)執(zhí)行路徑檢測(cè)程序數(shù)據(jù)處理程序控制算法程序舵機(jī)輸出及驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出程序其中定時(shí)中斷用于檢測(cè)小車當(dāng)前速度作為小車速度閉環(huán)控制的反饋信號(hào)光電傳感器方案主流程圖如圖7-1所示 圖7-1 光電傳感器方案主程序流程圖71 單

43、片機(jī)初始化 單片機(jī)初始化主要包括鎖相環(huán)初始化IO端口初始化PWM初始化定時(shí)中斷的初始化輸入捕捉通道初始化AD轉(zhuǎn)換模塊初始化以及各種變量和常量初始化以下列出幾種初始化代碼鎖相環(huán)初始化鎖相環(huán)即PLL技術(shù)通過(guò)設(shè)置鎖相環(huán)可以改變單片機(jī)的時(shí)鐘頻率void PLL_init void 系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化因當(dāng)時(shí)摸索欠考慮時(shí)鐘初始化比較亂需要改進(jìn) CLKSEL_PLLSEL 0 選定外部時(shí)鐘為1時(shí)選擇鎖相環(huán)時(shí)鐘 時(shí)鐘選擇寄存器初始化 CLKSEL 0 選擇外部晶振為時(shí)鐘源PLLCTL_PLLON 0 鎖相環(huán)電路禁止PLLCTL_PRE 1 實(shí)時(shí)中斷允許PLLCTL_PCE 1 允許看門(mén)狗PLLCTL_AUTO

44、1 選擇高頻寬帶控制PLLCTL_SCME 1 探測(cè)到外部時(shí)鐘失效時(shí)產(chǎn)生自給時(shí)鐘信號(hào)SYNR 8 時(shí)鐘合成寄存器初始化REFDV 0X07 時(shí)鐘分頻寄存器初始化 與上句為做實(shí)驗(yàn)時(shí)確定的參數(shù)與理論參數(shù)有差距可重新設(shè)置CLKSEL_PLLSEL 1 選定鎖相環(huán)時(shí)鐘 此句被注解掉PLLCTL_CME 1 時(shí)鐘監(jiān)控允許 鎖相環(huán)控制寄存器初始化PLLCTL_PLLON 1 while CRGFLG_LOCK 循環(huán)直到該位為1即時(shí)鐘頻率已穩(wěn)定CLKSEL_PLLSEL 1 選定鎖相環(huán)時(shí)鐘 PWM初始化PWM初始化主要包括以下6個(gè)步驟禁止PWM選擇時(shí)鐘選擇極性選擇對(duì)其模式對(duì)占空比和周期編程使能PWM通道vo

45、id PWM_init void 脈寬調(diào)制模塊的初始化參考中文PPT PWME 0 關(guān)閉PWMPWMCNT01 0 01通道被禁止PWMCTL_CON01 1 01共同組成16位通道作為舵機(jī)的控制信號(hào)輸入口 為1級(jí)聯(lián)為0分開(kāi)PWMCTL_CON45 0 分別組成8位通道 分別為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的輸入口PWMCTL_PSWAI 1 不準(zhǔn)許等待模式下分頻時(shí)鐘禁止運(yùn)行PWMCTL_PFRZ 1 不準(zhǔn)許冷結(jié)模式下PWM波形輸出PWMPOL 0X03 對(duì)應(yīng)通道脈沖起始位為高電平 極性為1PWMCLK 0X33 0145分頻PWMPRCLK 0X03 A_CLOCK BUS_CLOCK8 3MHZPWMS

46、CLA 15 比例因子寄存器設(shè)置PWM寄存器的工作頻率 SA_CLOCK A_CLOCK215 100KHZPWMCAE 0X00 輸出波形左對(duì)齊否則中心對(duì)齊PWMDTY01 80 初始化時(shí)可任意設(shè)置PWMPER01 2000 設(shè)置PWM01通道頻率100KHZ2000 50HZ PWMPER4 20 設(shè)置PWM4頻率為5KHZPWMPER5 20PWMDTY5 10PWMDTY4 15 占空比為1520初始化時(shí)可任意設(shè)置 PWME 0X13 使能PWM PID是建立在經(jīng)典控制理論基礎(chǔ)上的一種控制策略PID控制器作為最早實(shí)用化的控制器已經(jīng)有五十多年的歷史現(xiàn)在仍然是最廣泛的工業(yè)控制器PID控制器

47、最大的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易懂使用中不需要精確的系統(tǒng)模型等先決條件因而成為應(yīng)用最廣泛的控制器 PID控制器系統(tǒng)原理框圖如圖7-2所示 圖7-2 典型PID控制結(jié)構(gòu)在PID控制其中其輸入為設(shè)定值r t 與被調(diào)量實(shí)測(cè)值y t 構(gòu)成的控制偏差信號(hào)e t e t r t -y t 7-1其輸出為該偏差信號(hào)的比例積分微分的線性組合也即PID控制規(guī)律 7-2式中為比例系數(shù)為積分時(shí)間常數(shù)為微分時(shí)間常數(shù)在PID調(diào)節(jié)作用下控制器對(duì)誤差信號(hào)e t 分別進(jìn)行比例 P 積分 I 微分運(yùn)算 D 其結(jié)果的加權(quán)和構(gòu)成系統(tǒng)的控制信號(hào)u t 送給被控象加以控制 比例環(huán)節(jié)的主要作用是的值增大時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)的幅值增加當(dāng)達(dá)到

48、某個(gè)值系統(tǒng)將趨于不穩(wěn)定 當(dāng)增加積分時(shí)間常數(shù)Ti的值時(shí)系統(tǒng)超調(diào)量減小而系統(tǒng)的響應(yīng)速度將變慢因此積分環(huán)節(jié)的主要作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差其作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti的大小當(dāng)增加微分時(shí)間常數(shù)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)速度增加同時(shí)響應(yīng)的幅度也增加因此微分環(huán)節(jié)的主要作用是提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度由于該環(huán)節(jié)產(chǎn)生的控制量與信號(hào)變化速率有關(guān)因此對(duì)于信號(hào)無(wú)變化或者變化緩慢的系統(tǒng)不起作用 73 路徑識(shí)別算法 路徑識(shí)別算法是通過(guò)的AD端口將光電管接收端轉(zhuǎn)化的電壓值讀入單片機(jī)道路中心線相對(duì)于各個(gè)紅外接收管的距離所引起的電壓變化經(jīng)AD轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量然后通過(guò)插值運(yùn)算可以得到更加精確的路徑信息74 舵機(jī)控制算法方向控制策略的作用是控制

49、小車在不同類型的賽道下對(duì)小車位置與黑色引導(dǎo)線之間偏差的修正輸入是賽道識(shí)別的結(jié)果有效前瞻和位置偏差輸出是舵機(jī)控制量我們采用了PID算法 Y N 圖7-3 舵機(jī)控制流程圖75 速度控制算法小車運(yùn)行中另外一個(gè)關(guān)鍵的物理量是速度由于小車在運(yùn)行過(guò)程中有較大的時(shí)延和慣性從控制信號(hào)輸出到舵機(jī)響應(yīng)到位有一段時(shí)間延遲同時(shí)小車運(yùn)行本身的慣性也使得車體難以按照理想狀況立即調(diào)整完畢時(shí)延加慣性的系統(tǒng)特性對(duì)于小車通過(guò)彎道時(shí)影響尤其明顯進(jìn)入彎道后速度過(guò)快容易沖出賽道而速度過(guò)慢可能會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力不足卡停在彎道處同時(shí)小車進(jìn)入直道時(shí)需要盡可能提升速度并保持在一定范圍內(nèi)避免因?yàn)樗俣冗^(guò)快影響直道穩(wěn)定性如果沒(méi)有速度閉環(huán)僅僅依靠對(duì)電機(jī)的開(kāi)環(huán)

50、控制這是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的在小車實(shí)際運(yùn)行中電機(jī)接受到控制信號(hào)后從初始轉(zhuǎn)速提升到期望轉(zhuǎn)速需要經(jīng)歷 35 秒的加速過(guò)程延遲是相當(dāng)大的因此除了使用PID對(duì)于位置偏差量進(jìn)行控制外本項(xiàng)目對(duì)小車速度也進(jìn)行閉環(huán)控制在速度控制中如何獲取小車當(dāng)前速度以及如何對(duì)小車進(jìn)行減速是兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題為了能對(duì)速度進(jìn)行檢測(cè)前面的章節(jié)中已詳細(xì)說(shuō)明了本設(shè)計(jì)中采用的霍爾式速度傳感器這里就不再贅述了下面就重點(diǎn)介紹一下小車的減速這里考慮了兩種方方案 方案一 使電機(jī)短時(shí)間停機(jī)這種案可控性強(qiáng)適合于輪軸自鎖的電機(jī)如減速電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)但由于小車的慣性作用從剎車到停止需要一個(gè)緩沖時(shí)間這樣容易造成小車由直道進(jìn)入彎道時(shí)容易沖出跑道限制了小車的直道速度而且使小車

51、在彎道運(yùn)行時(shí)連貫性很差 方案二 電機(jī)瞬時(shí)反轉(zhuǎn)來(lái)快速降低小車速度這種適合于直流電機(jī)這相當(dāng)于給小車一個(gè)反向力矩來(lái)迅速降低小車的速度很明顯其減速效率優(yōu)于方案一經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其速度上連貫性也優(yōu)于方案一 為進(jìn)一步精確控制小車速度還需要引入閉環(huán)速度控制把采用速度傳感器檢測(cè)到小車的實(shí)時(shí)速度通過(guò)實(shí)際速度與期望速度之間的比較確定小車速度狀態(tài)以及決定加速或減速的強(qiáng)度大小如果沒(méi)有速度閉環(huán)雖然也可以較好的實(shí)現(xiàn)速度控制但是不能靈活地根據(jù)小車的實(shí)時(shí)速度來(lái)進(jìn)行調(diào)整這會(huì)降低小車對(duì)賽道的應(yīng)變能力會(huì)降低小車的整體速度速度控制的閉環(huán)流程圖如圖7-4 以下程序示意出了本項(xiàng)目采用的速度控制方案 if BrakeTime 0 BrakeTi

52、me表示減速時(shí)間 BrakeTime- 冷卻時(shí)間處理減速功能子函數(shù) else if小車偏離賽道比較嚴(yán)重和小車剎車就緒 啟動(dòng)減速功能給定剎車強(qiáng)度減速冷卻開(kāi)始 else 根據(jù)小車狀態(tài)和當(dāng)前速度決定小車的速度 程序設(shè)計(jì)中通過(guò)調(diào)整減速時(shí)間BreakTime以及減速功能子函數(shù)里設(shè)定的速度參數(shù)來(lái)控制減速的程度通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論在良好識(shí)別彎道的前提下可以達(dá)到迅速降低電機(jī)轉(zhuǎn)速而滿足小車過(guò)彎的要求 Y N Y N 圖7-4 速度控制流程圖第8章 開(kāi)發(fā)制作與調(diào)試在本次設(shè)計(jì)中所采用的智能車軟件開(kāi)發(fā)工具為由清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的專門(mén)Motorola S12系列微處理器的BDM調(diào)試工具以及由MetroWerks 公司開(kāi)發(fā)的Cod

53、ewarrior 47編譯器 BDM背景調(diào)試手段與傳統(tǒng)調(diào)試方法最大區(qū)別在于其能在不影響單片機(jī)運(yùn)行的前提下很好的監(jiān)視單片機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)觀察內(nèi)部的存儲(chǔ)器及IO資源的情況這一優(yōu)點(diǎn)摒棄了傳統(tǒng)的仿真器調(diào)試手段實(shí)現(xiàn)了在線運(yùn)行在線調(diào)試的目的提高了軟件調(diào)試的效率與準(zhǔn)確性小車的硬件開(kāi)發(fā)工具主要為Altium Designer Summer 09通過(guò)該軟件來(lái)完成電路原理圖的繪制及PCB板制作下面對(duì)Codewarrior 47和BDM調(diào)試工具作簡(jiǎn)要介紹81 CodewarriorV47軟件及其應(yīng)用Codewarrior軟件是Metrowerks公司開(kāi)發(fā)的軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE intergrated develop

54、inviroment Freescale的單片機(jī)都可以在codewarier IDE軟件下進(jìn)行開(kāi)發(fā)Codewarrior IDE 為軟件開(kāi)發(fā)提供了一系列的工具Codewarrior IDE為軟件開(kāi)發(fā)提供了一系列的工具其中包括 項(xiàng)目管理器為軟件開(kāi)發(fā)人員管理上層的文件將項(xiàng)目進(jìn)行分組管理比如文件或目標(biāo)系統(tǒng)跟蹤狀態(tài)信息比如修改日期決定編譯順序或每次編譯應(yīng)包括哪些文件與插件一起提供版本控制功 編輯器利用顏色來(lái)區(qū)分不同的關(guān)鍵字允許用戶利用顏色機(jī)制自定義關(guān)鍵字自動(dòng)檢查括號(hào)范圍利用菜單在不同的文件或函數(shù)中導(dǎo)航 搜索器搜索一個(gè)特定的字符串用特定的字符串代替查找到的字符串允許使用常規(guī)表達(dá)式提供文件比較功能 源代碼

55、瀏覽器標(biāo)志符變量名稱函數(shù)名稱數(shù)據(jù)庫(kù)利用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)對(duì)代碼快速定位對(duì)所有的標(biāo)志符連接到用到它的代碼中 編譯系統(tǒng)編譯器將源代碼編譯成機(jī)器碼鏈接器將目標(biāo)文件鏈接成可執(zhí)行文件 調(diào)試器利用標(biāo)志符數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試支持各種標(biāo)志符數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)人員可以在不同的操作系統(tǒng)下使用 codewarrior IDE 來(lái)開(kāi)發(fā)自己的件這些操作系統(tǒng)包括 Windows Macintosh Solaris 和 Linux IDE在不同作系統(tǒng)下的界面完全相同支持CC和 Java多種語(yǔ)言IDE支持許多通用的桌面或嵌入式處理器支持插件工具開(kāi)發(fā)環(huán)境界面統(tǒng)一在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中通常需要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟新建創(chuàng)建新項(xiàng)目源文件編輯按照一定的規(guī)則編輯源代碼注釋編譯將源代碼編譯成機(jī)器碼同時(shí)還會(huì)檢查語(yǔ)法錯(cuò)誤和進(jìn)行編譯優(yōu)化鏈接將編譯后的獨(dú)立的模塊鏈接成一個(gè)二進(jìn)制可執(zhí)行文件調(diào)試對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試并發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤 CodearrierV47的創(chuàng)建新的工程窗口 圖8-1 CodearrierV47 創(chuàng)建新的工程窗口 CodearrierV47的工程的初始設(shè)置窗口 圖8-2 CodearrierV47的