《基于组合路径检测和预报校正控制的智能车方案设计剖析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于组合路径检测和预报校正控制的智能车方案设计剖析（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于组合路径检测和预报校正控制的智能车方案设计学 校：哈尔滨工业大学队伍名称：航 天参赛队员：侯 靖 波 唐 德 佳 秦 瑞带队教师：马 广 富 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一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛有关保留、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1章 引言11.1 智能车方案设计概述11.2 路径参数及速度检测方法11.3 控制
2、算法研究21.4 微处理器资源利用情况21.5 文献综述21.6 本文主要内容3第2章 智能车机械设计说明42.1 主板机械设计42.2 红外光电管阵列机械设计42.3 CCD图像传感器机械设计52.4 车速检测模块机械设计62.5 实验结果7第3章 智能车硬件系统设计83.1 组合式路径参数检测83.1.1 红外光电管阵列模块83.1.2 CCD图像传感器模块93.2 车速检测及显示模块103.2.1 车速检测模块103.2.2 车速显示模块113.3 电机驱动123.3.1 舵机驱动123.3.2 动力电机驱动123.4 电源模块133.5 实验结果13第4章 系统控制算法144.1 转向
3、控制算法144.2 车速控制算法154.3 实验结果15第5章 系统调试165.1 红外光电管阵列调试165.2 测速部分调试165.3 车速显示部分调试165.4 驱动电机调试165.5 系统联调17第6章 调试工具及模型车技术参数186.1 调试工具186.2 模型车技术参数186.3 传感器种类及数量186.4 电机使用情况196.5 赛道检测精度及频率19第7章 结论20参考文献I附录1II第1章 引言第1章 引言1.1 智能车方案设计概述针对智能车主动寻迹过程中对于速度和稳定性的要求，本方案综合使用红外光电管阵列和CCD图像传感器来检测路径参数。红外光电管阵列用于探测短距离的路径信息
4、，CCD图像传感器用来完成对远距离路径信息采集，为车模转向提供预报，并根据该信息调节车速。为了提高车速调节的相应速度，系统设计过程中利用测速环节构成速度闭环控制。利用单片机的PWM资源和MC33886驱动芯片完成小车动力电机驱动。并利用单片机的模块驱动4个数码管显示车速。由于系统运行过程中需要根据小车状态及路径信息来调节转向和速度，因此控制算法要在保证稳定性的前提下尽量提高系统响应速度。本方案采用预报-校正的方法对舵机的转向进行控制。采用PID控制策略控制小车速度。实验结果表明该算法具有响应速度快，稳定性好等特点。1.2 路径参数及速度检测方法通常情况下，可用于识别黑色导引线的传感器种类有很多
5、，包括红外光电管阵列、CCD图像传感器、激光扫描器等。每一种传感器都有相应的优缺点，一般红外光电管阵列可以用来检测短距离路径信息，控制小车的转向；CCD图像传感器可以检测到较远距离的路径信息，能够提前确定路径参数变化趋势，控制算法中可以根据该参数变化趋势来调节小车的速度以及为转向提供预测。综合考虑各种传感器的特点，本方案采用了红外光电管阵列和CCD图像传感器的组合检测方式。红外光电管阵列安装于车的前方，用于探测短距离的路径信息，从而控制智能车的转向。CCD图像传感器用来完成对远距离路径信息采集，从而为车模转向提供预报，并根据该信息调节车速。路径参数采集过程中，通过微处理器MC9S12DG128
6、的内部定时器设定每隔10ms采集一次红外光电管阵列所检测到的路径信息。在CCD图像采集过程中考虑到传感器的数据传输速度快、数据量较大，受到微处理器片上存储器容量以及主频的限制等因素，引入了分频电路，每隔5行采集一行数据。将两种传感器采集到的数据按一定规律融合到一起来控制转向和车速，这样既能充分利用微处理器的片上资源，又会提高路径参数的检测精度。为了提高车速调节的响应速度，系统设计过程中引入了速度检测模块，它是通过红外光电管和光栅来模拟码盘原理实现的，通过单片机中ECT_16B8C模块的Pulse Accumulator定时累计速度传感器的脉冲数来获得车速。同时为了增强调试时的可视化程度，方案中
7、还利用单片机的模块驱动4个数码管显示车速。1.3 控制算法研究系统运行的稳定性和快速性很大程度上取决于转向控制和速度控制的好坏。转向控制决定了小车是否能沿着黑色导引线稳定运行，速度控制决定了小车是否能以最佳速度跑完全程。本方案中转向舵机的控制采用了分段式控制方法。对于直道采用光电管阵列加权平均控制转向，弯道时则把通过CCD图像传感器得到的路径参数变化信息作为预报校正值参与转向控制。速度控制分为两种情况，直道时利用红外传感器检测的路径信息设置期望速度，弯道时在红外传感器的基础上引入CCD传感器检测的路径信息设置期望速度。每一种情况下的调速都使用PID控制策略，通过实验方法确定一套PID参数，使得
8、小车能够在稳定运行的前提下，以最快速度为寻优指标跑完全程。1.4 微处理器资源利用情况为了充分利用微处理器的片上资源，方案设计时通过I/O口中的PA口和PJ口采集红外光电管数据；利用中断响应模式通过PT口采集CCD图像传感器的数据，中断资源利用了PE1和PH0两路中断；电机驱动部分使用了微处理器片上的PWM模块；测速环节则利用微处理器的Capture功能实现；车速显示部分充分利用了单片机片上模块；片上存储器分为两个部分其中一部分用于存储系统程序，其余部分用于存放图像数据。方案设计过程中充分利用了单片机资源，减少了外电路的设计从而减轻了车重。1.5 文献综述方案设计过程中参考了一些相关文献，如参
9、考文献所列。其中文献1和文献2是控制理论的基础，介绍了关于控制的基本思想和各种控制方法。文献3到文献5介绍了微处理器MC9S12DG128的片上资源和使用方法。文献6到文献8介绍了CCD图像传感器的应用和一些数据处理方法。文献9和文献10介绍了PID控制策略的参数整定方法。文献11介绍了单片机嵌入式应用的在线开发方法。1.6 本文主要内容本文的主要内容安排如下：第一章 引言 本章给出了智能车主动寻迹方案设计概述，对路径检测和算法研究做出了说明。第二章 智能车硬件系统设计 本章给出了智能车硬件系统的整体框架，详细介绍了各功能模块的设计方法。第三章 系统控制算法 本章给出了基于预报校正的转向控制方
10、法和基于PID控制策略的速度调节算法。第四章 系统调试 本章详细介绍了各功能模块的调试过程及实验结果，并给出了系统联调的方法。第五章 模型车技术参数及调试工具 本章给出了智能车的具体技术参数以及调试过程中使用的工具。第五章 结论 本章对前面各章节进行了简要总结，给出了模型汽车制作过程整体情况和技术指标。指出了其中存在的问题和改进方向，提出了自己的见解。- 3 -第2章 智能车机械设计说明第2章 智能车机械设计说明2.1 主板机械设计为了能将单片机最小系统板方便地安装到车身上，主板设计时按照最小系统板数据接口的位置预留了双排插针，使得系统板能够通过接插件与主板相连，同时传输数据。主板机械安装过程
11、中主要考虑到路径检测传感器要安装于小车的前方，使得整个系统的重心前移，导致驱动轮与地面间产生的动力减小，影响小车运行的稳定性和速度，因此设计时将其安装于车身的后部，利用主板的重量将系统重心重新移到中后部。主板设计时充分利用了车身上原有的固定架，通过在主板上设置定位孔实现定位。具体安装如图2.1所示。图2.1 主板机械安装图2.2 红外光电管阵列机械设计红外光电管阵列的布局会对路径信息检测产生一定的影响，通过实验发现，设计成V字型的阵列要比直线型效果好。同时为了减小红外光电管之间的相互干扰，设计时将每对红外光电管的外面套上了黑色热缩管，这样就可以加大光电管密度，提高检测精度。安装时，利用两片铝合
12、金制成的支架将红外光电管阵列电路板固定于车前。电路板固定时，理论上应该尽量靠前，但考虑到转向速度及大赛对于车长的要求，而将电路板固定于距离车前处，高度则可根据场地光线的强弱灵活调节。红外传感器路径检测的可靠性受到电路板安装时倾角的影响，一般倾角较大时检测距离较远，但可靠性会变差，通过实验发现，倾角为时效果较好。这种安装方式可以最大限度地将小车相对于导引线的参数信息实时检测出来。具体安装如图2.2所示。图2.2 红外光电管阵列安装图2.3 CCD图像传感器机械设计CCD图像传感器用于采集远距离的路径信息。为了提高图像采集的清晰度，安装时要求尽可能高，但安装过高又会导致车身重心提高，影响稳定性。根
13、据实验结果对比发现，对于本方案中使用的CCD模块，安装高度定为时比较合适。CCD图像传感器安装时利用铝片固定在用螺钉支撑的板子上，这样可以防止镜头颤动，进而提高图像采集的清晰度。镜头的俯仰角以及高度则可以通过铝片的弯曲程度来调节。具体定位情况如图2.3所示。图2.3 CCD图像传感器安装图2.4 车速检测模块机械设计车速检测模块的机械尺寸设计要求足够小，从而能够安装于驱动齿轮和车轮之间，外形的设计则要考虑到传感器位置以及实际空间限制等因素。机械安装时利用螺钉将速度检测模块电路板固定在铝片上，再将铝片固定在距车后轮轴线的电机架上。具体情况如图2.4所示。图2.4 车速检测模块安装图2.5 实验结
14、果通过小车的实际运行发现，方案中采用的机械设计方法和安装位置能够保证各个功能模块间的可靠连接，提高小车运行时的稳定性，并使得路径信息检测达到最优的状态。- 7 -第3章 智能车硬件系统设计第3章 智能车硬件系统设计模型车的硬件电路结构分为路径检测模块、车速检测模块、车速显示模块和电源模块等几个部分，结构框图如图3.1所示。图3.1 模型车硬件电路结构框图3.1 组合式路径参数检测本方案采用了红外光电管阵列和CCD图像传感器的组合路径检测方式。光电管阵列用来感应短距离路径信息，控制小车的转向；CCD图像传感器检测较远距离的路径信息，提前确定路径参数变化趋势，调节小车速度，为转向提供预报。3.1.1 红外光电管阵列模块为了提高转向控制的连续性，避免转向过程出现振荡，一般要求尽可能增加红外光电管阵列的密度，但传感器密度加大又会产生相互干扰，使得可靠性变差。通过实验发现，十个红外光电管TCRT5000构成的V字形阵列能够兼顾稳定性和可靠性，达到综合最优。设计时利用不同颜色的路面对于红外线的反射率不同来识别路径。红外发射管发射红外线信号，经反射后被接收管接收，接收管接收
