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1、第二章 智能小车设计分析第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛技 术 报 告研究论文：智能寻迹小车控制算法研究与程序设计学 校：华中科技大学队伍名称：九头鸟参赛队员：程钊 刘广林 唐旋来带队老师：彭刚目 录第一章引 言1第二章智能小车设计分析22.1设计要求22.2总体设计22.3 方案论证32.3.1 传感器设计方案32.3.2 控制算法设计方案4第三章智能小车硬件设计53.1机械设计53.1.1 车模结构特点53.1.2 寻迹传感器布局53.1.3 系统电路板的固定及连接73.2电路设计73.2.1传感器电路设计73.2.2测速传感器的设计83.2.3 电源管理模块93.2.4驱动模
2、块103.2.5 调试模块11第四章智能小车软件设计124.1 总体流程图124.2 PID控制算法134.3舵机方向控制算法144.4 速度控制算法14第五章 开发流程165.1单片机资源划分165.2编译环境165.3下载调试16第六章 开发总结与心得176.1 开发与调试过程176.2 开发中遇到的几个典型问题186.2.1电源管理问题186.2.2 PID微分误差的问题196.2.3 电机电磁干扰的问题206.3 总结与展望20参考文献22附录A：研究论文I附录B：程序清单XVII附录C：红外传感器参数说明XXXVI附录D：配件清单XXXVII5第一章引言智能小车以飞思卡尔16位微控制
3、 MC9S12DG128B为控制器，采用多传感器进行信息采集，运用反射式红外传感器设计路径检测模块和速度监测模块。同时，采用PWM技术，控制舵机的转向和电机转速。系统还扩展了LCD(Liquid Crystal Display：液晶显示屏)和键盘模块作为人机操作界面，以便于智能小车的相关参数调整。此外，PID寻迹算法结合ABS（Anti-skid Brake System.：防抱死系统）技术，使我们的小车能在曲折的赛道上畅通无阻。技术报告以智能小车的设计为主线，包括小车的构架设计、软硬件设计，以及控制算法研究等，分为六章。其中，第一章为引言部分，第二章主要介绍了小车的总体设计，第三章对小车的硬
4、件设计进行了详细的介绍，其中包括机械改造，电路设计两大部分，第四章描述了小车的软件设计和相关算法，第五章对使用到的单片机资源作了说明，第六章叙述了我们在设计过程中遇到的问题和解决方法。附录A的研究论文介绍了小车智能行驶的控制算法，附录 B 为程序源代码清单，红外传感器参数说明见附录C，附录D为小车配件清单。第二章智能小车设计分析2.1设计要求 在本次竞赛中，要求所设计的小车具有自动寻迹的功能，能在指定跑道上高速，稳定地运行。跑道为黑白两色。其背景色为白色，跑道中央有一条黑线作为小车行进的依据。很明显，我们要设计的小车是要能沿黑线的正常行驶，并在此基础上，尽量提高小车行驶速度。2.2总体设计系统
5、框架如图1-1所示：如图1-1所示，该智能小车系统主要分为以下四大块： （1） 信息采集模块：在该模块中包括有速度信息采集和位置信息采集两个子模块，分别采集小车当前的位置信息和速度信息，并将采集到的信息传给MCU，其核心是传感器。（2） 信息处理模块：信息处理模块包括信息处理和控制模块，其核心是MCU，MCU接收到采集来的信号，对信号进行处理后作出判断，并发出控制命令。（3） 执行模块：该模块包括了驱动电机和舵机，当接收到MCU的命令后便执行相应的操作，同时信息采集模块又采集到电机和舵机的状态信息，反馈给MCU 。从而整个系统构成一个闭环系统，在运行过程中，系统自动调节而达到正确行驶的目的。（
6、4） 人机交互模块：在该模块中包含了按键输入与LCD液晶显示，其中按键用于调节小车的工作模式，同时也用于调节小车行驶时所需的一些参数，结合LCD液晶显示，从而使整个小车系统更具人性化2.3 方案论证2.3.1 传感器设计方案在传感器方案的选择中，有以下两种方案供参考：方案一：使用CCD传感器来采集路面信息。使用CCD传感器，可以获取大量的图像信息，可以全面完整的掌握路径信息，可以进行较远距离的预测和识别图像复杂的路面，而且抗干扰能力强。但是对于本项目来说，使用CCD传感器也有其不足之处。首先使用CCD传感器需要有大量图像处理的工作，需要进行大量数据的存储和计算。因为是以实现小车视觉为目的，实现
7、起来工作量较大，相当繁琐。方案二：使用光电传感器来采集路面信息。使用红外传感器最大的优点就是结构简明，实现方便，成本低廉，免去了繁复的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于近距离路面情况的检测。但红外传感器的缺点是，它所获取的信息是不完全的，只能对路面情况作简单的黑白判别，检测距离有限，而且容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。在本次比赛中，赛道只有黑白两种颜色，小车只要能区分黑白两色就可以采集到准确的路面信息。经过综合考虑，在本项目中采用红外光电传感器作为信息采集元件。2.3.2 控制算法设计方案 在小车的运行中，主要有方
8、向和速度的控制，即舵机和电机的控制，这两个控制是系统软件的核心操作，对小车的性能有着决定性的作用。对舵机的控制，要达到的目的就是：在任何情况下，总能给舵机一个合适的偏移量，保证小车能始终连贯地沿黑线以最少距离行驶。在舵机的控制方案中，有以下两种方案可供选择： 方案一：比例控制这种控制方法就是在检测到车体偏离的信息时给小车一个预置的反向偏移量，让其回到赛道。比例算法简单有效，参数容易调整，算法实现简单，不需复杂的数字计算。在实际应用中，由于传感器的个数与布局方式的限制，其控制量的输出是一个离散值，不能对舵机进行精确的控制，容易引起舵机左右摇摆，造成小车行驶过程中的振荡，而且其收敛速度也有限。 方
9、案二：PID控制PID控制在比例控制的基础上加入了积分和微分控制，可以抑制振荡，加快收敛速度，调节适当的参数可以 有效地解决方案一的不足。不过，P，I，D三个参数的设定较难，需要不断进行调试，凭经验来设定，因此其适应性较差。在我们的选择中，根据比赛规则，赛道模型与相关参数已给定，即小车运行的环境基本上已经确定，可通过不断调试来获得最优的参数。因此我们选用的是PID算法来对舵机进行控制。对驱动电机的控制（即速度控制），要达到的目的就是在行驶过程中，小车要有最有效的加速和减速机制。高效的加速算法使小车能在直道上高速行驶，而快速减速则保证了小车运行的稳定，流畅。为了精确控制速度，时时对速度进行监控，
10、我们还引入了闭环控制的思想，在硬件设计，增加了速度传感器实时采集速度信息。第四章 智能小车软件设计第三章智能小车硬件设计3.1机械设计3.1.1 车模结构特点本项目采用后轮驱动，前轮转向。使用前置单排非均匀排布红外传感器探测路面信号。电源模块和MCU的扩展电路板置于小车顶部。整个小车重心在中部偏后，有较好的稳定性。经过改装后的车模尺寸如下3.1.2 寻迹传感器布局(1)分析：寻迹传感器模块的设计是整个智能小车设计中的最重要的一部分，其作用相当于人的眼睛和耳朵，采集外部路面的信息并将其送入MCU微控制器进行数据处理，其能否正常工作直接影响着小车对路面的判断以及小车下一步的行动，因而其布局的合理性
11、与有效性对小车稳定而又快速的行驶起着至关重要的作用。我们认为在传感器的布局中，要解决两个问题：信息检测的精确度和信息检测的前瞻性。寻迹传感器的布局常见的有以下几种方案方案一：一字形布局 反射式光电传感器在小车前方一字形简单排布。在一字形中传感器的间隔有均匀布局和非均匀布局两种方式，均匀布局不利于弯道信息的准确采集，通常采取的是非均匀布局。考虑到弧度信息采集的连贯性，非均匀布局的理论依据是等角度分布原则，即先确定一合适的定点，从顶点依次等角度画射线，射线与传感器水平线相交的位置即为传感器的位置。这种方案信息检测相对连贯，准确，使控制程序算法简单，小车运行连贯，稳定。方案二：M形布局 传感器呈M形
12、排布。这种方案的优点在于拓宽了边沿传感器的检测范围，更适合于小车快速行进中的弯道检测，但相对一字形布局来说，M形布局不利于信息检测的稳定，易于产生振荡，不利于小车行驶的稳定。方案三：活动式传感器布局前面两种方案都是固定的布局方式，使传感器对赛道有一定的依赖。在这个方案中，传感器的位置是可以在一定范围内灵活排布的。这种方案的布局思路是传感器在安装板上的位置是可调的，先将传感器排布成为矩形点阵，根据不同的赛道情况而灵活地作出调整，就可以设计出不同的布局方式而适应不同的赛道。这样对不同赛道有更强的适应性。但这种方案可调性大，临时调节较难，其次机械设计中体积较大，增加了小车的重量，不利于加减速。在我们
13、的方案选择中，我们采用的是上述第一种方案与第二种方案的结合，通过比较，我们对第一第二种方案进行综合，扬长避短，优势互补。由于本次比赛的赛道相关参数已知，而且赛道只有直道和弯倒两种，可以在测试中对赛道进行模拟，赛道变化不大，因此没有采取第三种方案。传感器布局图如图3-1所示图3-1传感器布局示意图XXXVII如图所示，整个传感器布局呈喷泉状。中间黑线即为跑道中央黑线，在小车车头和车尾的正中心（即路面黑线处布局了三个传感器（前面一个，后面两个），用来判断小车是否处于弯道状态（当在一定时间内三个传感器都检测到黑线则小车处于直道上），且尾部传感器可方便地判断偏离较大（前部传感器完全冲出黑线）的情况，进
14、一步防止小车冲出跑道。车头前部在黑线外围一共有十二个传感器，呈对称分布.传感器间隔遵循由中间至外围由密到疏的排布方式，中间四个在同一条水平线上，最外三个传感器呈圆弧状向内分布。在这种布局中，我们采用的是等角度非均匀排布原则（见方案一），靠近中间的8个传感器用于进一步判断小车是否处于弯道状态以及小车偏离的程度，适合于小车跑大圆弧和消除小车行进中的左右振荡现象。而边缘四个传感器则主要用感知小车大距离偏离黑线适合于小车在小圆弧上的高速行进。边缘四个传感器呈圆弧状向内排布，扩大了传感器的检测范围。3.1.3 系统电路板的固定及连接一共用到三块外接电路板，所有电路板都制作成印制板。分别为传感器主板，传感
15、器尾板，车身主板(包括MCU，调试电路，电源电路，测速传感器)其详细情况见下表 3-1 表3-1 电路板信息表板名规格(长X 宽)安装位置车身主板165 x 150 mm车头最前言传感器主板220 x 96 mm车身中央靠后传感器尾板51 x 24 mm两后轮之间3.2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ST188作为传感元件。ST188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，如图3-2所示（传感器详细资料见附录C）。传感器电路如图3-2所示图3-2单对红外传感器电路图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50-200欧之间可以根据需要选择。R1,R3,R4的阻值要综合考虑确定。其基本工作原理是通过R3,R4来确定输出信号的门限值，当发射管压降VD高于R3上的压降时，由于运放的饱和特性，输出电压为5V；当VD低于R3上的电压时，输出电压为0V。C6是一个滤波电容，
