《第九届智能车竞赛 华南赛区光电组_中南民族大学_雷电号技术报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第九届智能车竞赛 华南赛区光电组_中南民族大学_雷电号技术报告（40页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第九届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车竞赛 技 术 报 告 学 校：中南民族大学 队伍名称：雷电号 参赛队员：雷达乐 彭康 林学君 带队老师：张俊敏 陈勉 关于技术报告和研究论文使用授权的说明关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第九届“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： 目录目录 第一章 引言.1 第
2、二章 智能车整体设计.2 2.1 车模简化改装.4 2.2 传感器安装.4 2.2.1 红外对管与陀螺仪安装4 2.2.2CCD 传感器安装5 2.3 其他机械结构的调整5 第三章 传感器选择和布局.5 第四章 硬件电路模块设计.8 4.1 K60 控制器模块.8 4.2 电源控制模块9 4.3 测速反馈模块11 4.4 电机驱动模块11 4.4.1 BTS7960 电路连接12 4.4.2 BTS7960 散热设计12 4.5 液晶显示与键盘模块13 第五章 软件部分设计.15 5.1 软件功能与框架.15 5.2 控制相关软件函数18 第六章 开发与调试.21 6.1 开发环境21 6.2
3、 程序下载29 第七章 总结.29 7.1 制作成果29 7.2 问题与思考30 7.3 不足与改进30 参考文献.31 附录 A 部分程序原代码.32 1 第一章第一章 引言引言 为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革， 受教育部高等教育司委托(教高司函2005201号文，附件1)，由教育部高等学 校自动化专业教学指导分委员会主办全国大学生智能汽车竞赛。 我校为响应教育部的号召，积极组队参加第九届“飞思卡尔”杯全国大学 生智能汽车竞赛。在老师与学长的指导下，我们集继承与创新于一体，设计理 念的不断进步，制作精度的不断提高，最终设计出一套完整的智能车开发、调 试平台。
4、作为光电组的中南民族大学雷电号秉承简洁美观的优良传统，采用轻 质量、低重心的机械设计。在前瞻距离、噪声抑制、驱动优化、整车布局等方 面加强研究创新，最终使智能小车获得了良好的综合性能和赛场表现。 本文将对智能车的总体设计和各部分的详细设计进行逐一介绍。 第九届飞思卡尔智能汽车竞赛技术报告 2 第二章第二章 智能车整体设计智能车整体设计 赛车共包括五大模块：道路检测传感器模块、起始线检测模块、K60 模块， 电机驱动模块，电源管理模块。 道路检测传感器模块：由于我们沿用上一届的传感器，我们的传感器是从 蓝宙买的 CCD 模块，为了保证车体布局的可实现性，我们采用如下图的布局方 式，今年我们用了两
5、个 CCD 架设在一个杆子上面，这样有利于道路的识别和算 法的调整，如下图 第四章 硬件电路模块设计 3 起始线检测模块：我们的起始线检测是用的自己做的模块，采用采用三个红外 对管共同检测起始线。 K60 模块：我们的 K60 是买的龙丘的模块，自己开始的时候也做过 K60 模块， 但是用的时候觉得不稳定，就用了龙丘的 K60 模块。 电机驱动模块：我们电机驱动用的是 BTS7960 芯片进行驱动的。 第九届飞思卡尔智能汽车竞赛技术报告 4 2.1 车模简化改装车模简化改装 1) 固定车模底盘与支架固定车模底盘与支架 原有车模为了减轻后轮振动对于车体的影响，后轮的支架与底盘之间采用 了活动连接
6、方式。但是，为了保证车模车体稳定性，以及转向的稳定性，需要 将原有车模底盘与后轮支架固定在一起。最简便的方式就是可以使用 PCB 版在 后轮支架与底盘之间的缝隙处进行粘接。这样后轮与车体之间形成一个刚体， 再通过 AB 胶的粘结，就会让车体牢固。 2) 去掉后轮，准备安装编码器去掉后轮，准备安装编码器 拆装后轮可以使用原车模配备的十字套筒扳手。 在安装测速传感器之后，再将两个后轮重新安装在后轮支架上。 3) 加固电机引线加固电机引线 E 车模的后轮电机引线管脚非常单薄，多次晃动之后极易从根部折断，造 成电机无法使用。因此，我们直接使用热熔胶对电机引线管脚进行封装固定， 起到保护电机引线的作用。
7、 2.2 传感器安装传感器安装 车模中的传感器包括有：红外对管与陀螺仪，以及 CCD 的安装。下面分 别介绍这些传感器的安装。 2.2.1 红外对管与陀螺仪安装红外对管与陀螺仪安装 为了提前且能准确的识别起始线，我们将红外对管与陀螺仪模块安装在车 体的最前方。如图 2.4 所示。 第四章 硬件电路模块设计 5 图 2.4 起始线检测模块 2.2.2CCD 传感器安装传感器安装 我们用的是蓝宙的 CCD，我们将 CCD 共同架设在一个杆子上面，一个 看远一个看近，这样有利于提前判断人字玩到以及障碍，有利于赛道的识别以 及处理。但是我们在 CCD 的固定上花费了很多的时间，总是找不到合适的东 西固
8、定 CCD，以前摄像头的支架觉得太重了，我们一直在寻找比较轻比较好安 装的支架，最后都没有找到，我们就用一片铝合金支架脚一段碳素杆做了个简 易的支架来固定 CCD。 2.3 其他机械结构的调整其他机械结构的调整 1 为提高小车的稳定性，我们尽量做到使小车重心降低,但由于今年的坡道比 较陡，缓冲的赛道比较短，因而我们对车子的底盘做了抬高处理。 2 我们都知道，处于对打角灵敏度的考虑以及安装简易程度的考虑，舵机的安 装方法分为立式跟卧式两种，处于综合的考虑，我们的舵机采用了立式的装法。 第三章第三章 传感器选择和布局传感器选择和布局 我们选择的是蓝宙做的传感器模块，现在就来简单讲述下线性CCD和其
9、 使用方法。本文不再讲述线性CCD基本原理，基本原理大家可阅读芯片手册， 第九届飞思卡尔智能汽车竞赛技术报告 6 本文重点介绍使用线性CCD时需要考虑的一些问题及注意事项，并给出了参考 解决方案。旨在让大家更有效地使用和深入研究TSL1401线性CCD模块。 3.1 环境光影响问题环境光影响问题 试验表明TSL1401 线性CCD 的输出信号和环境光线密切相关，在自然光条 件比晚上灯光下AO 引脚输出电压值高出很多，正对着光线比背着光线输出电 压高，白炽灯光下比日光灯下输出电压高。因此，同一参数（曝光时间、镜头 光圈）难以适应各种环境，在光线较弱环境下的参数在强光下会出现输出饱和， 在强光线下
10、调节好的参数在弱光下输出电压过低，甚至处于截止状态。在智能 车应用中，白天自然光环境和晚上灯光环境、正对光和背光、不同的比赛场地 之间都不能采用相同的曝光参数。与输出电压密切相关的参数是曝光量，曝光 量取决于CCD模块所采用的镜头光圈大小和程序所控制的曝光时间。智能车为 适应各种运行环境，必须实时感知环境，并根据环境闭环调节曝光量，使得在 不同环境中曝光量都处于一个合理的范围，这样才能保证在不同环境中CCD输 出电压在合理范围，以利于算法提取黑线信息。镜头相关参数一旦选定在智能 车运行难以改变，曝光时间比较容易通过程序控制，因此比较容易实现的调整 曝光量方法是通过软件调整曝光时间。 3.2 输
11、出信号放大输出信号放大 可以通过调整曝光时间来适应各种环境，在弱光环境增大曝光时间，在强 光下减小曝光时间。但是曝光时间不能无限增大的，因为增大曝光时间势必降 低采样率（每秒采样次数）采样率低控制周期就长，智能车反应就慢。根据历 届摄像头车参赛经验，1米的前瞻，3.5m/s 的速度情况下，控制周期不得高于 20ms（采样率不得低于50Hz） ，否则智能车转向机构反应再快也无法很好跟随 赛道而冲出赛道。控制周期不高于20ms就意味着曝光时间不能超过20ms。试验 时，我们将TSL1401线性CCD曝光时间调整到20ms（采用周期20ms） ，分别在强 光、弱光、灯光不同环境进行采用，采样数据表明
12、环境光线较弱时CCD输出信 号较低，以致赛道黑线信息不够明显，晚上日光灯环境下输出信号电压值更低， 第四章 硬件电路模块设计 7 几乎接近0，根本无法辨别赛道信息！由于智能车制作和调试很大部分时间都 是在晚上，因此必须在不降低采样率的情况下，增大晚上弱光环境下线性CCD 的输出电压。要增大输出电压，简单有效的方法就是放大输出信号，我们可以 采用运放来放大AO 输出信号。蓝宙电子实践表明增大运放能非常有效的解决 弱光时输出电压低问题，在晚上环境同样能达到50Hz 的采样率，这是无运放 的线性CCD 无法达到的。为了能保证输出电压在合理范围（不饱和、不截止、 能分辨赛道黑线） ，需要根据选定的镜头
13、确定运放放大倍数。以下是我的线性 CCD模块（镜头为无畸变镜头）中的运放电路图： 其中运放放大倍数A = 1+R5/R4，此电路中A = 11，也就是对TSL1401 的AO信号 进行11倍放大。由于增加了运放，白天环境下的采样率可以调节到更高，甚至 可以达到100Hz。增加了运放也会带来一个问题，就是在全黑的环境（例如盖 上镜头盖）下线性CCD的输出已经不再接近0V，这里我们称全黑的环境对应的 电压为暗电压，CCD 模块暗电压是1V 左右。其实暗电压完全不影响上层软件 提取赛道黑线，我们可以把这个暗电压当做信号中的直流分量，将采集的每个 像素点的电压减去暗电压就可以了。 第九届飞思卡尔智能汽
14、车竞赛技术报告 8 第四章第四章 硬件电路模块设计硬件电路模块设计 4.1 K60 控制器模块控制器模块 整个系统的核心控制采用 Freescale 的 K60 型号 32 位单片机，3.3V 电压 供电。K60 微控制器系列具有以下性能：IEEE 1588 以太网，全速和高速 USB 2.0 On-The-Go 带设备充电探测， 硬件加密和防窜改探测能力。 丰富的模拟、 通信、 定时和控制外设从 100 LQFP 封装 256 KB 闪存开始可扩展到 256 MAPBGA 1MB 闪存。 大闪存的 K60 系列器件还可提供可选的单精度浮点单元、 NAND 闪存控制器和 DRAM 控制器。单片
15、机最小系统原理图如图 4.1 所示 图 4.1 K60 单片机最小系统原理图 第四章 硬件电路模块设计 9 在本次智能车设计中，使用了单片机内部 PWM 模块、脉冲捕捉模块、A/D 模块、SCI 模块、SPI 模块及 I/O。PWM 模块分为三路输出，其中一路 PWM 输出 频率为 300Hz 的信号用于控制伺服器。不同正脉宽对应不同的转向值，并且恒 定某一输出值后，伺服器会保持转角不变。另外两路 PWM 输出频率为 10KHz 的 信号，当 A 路输出低电平，B 路输出 PWM 信号时电机实现正转，通过改变正脉 宽可以实现电机转速调节。当 A 路输出 PWM 信号，B 路输出低电平时则实现电
16、 机反转，用于减速控制。脉冲捕捉模块配置为上升沿、下降沿检测方式，用于 捕捉编码器输入脉冲数，通过测量输入脉冲得到智能车运动速率。A/D 模块用 于对传感器输入电压采样，获得传感器电压数值。采用 12 位精度采样，时钟 配置为 2M/s，配置为 5 路通道循环采样，关闭中断采用查询方式获取转换数值。 使用 SCI 模块与无线模块通讯，发送数据至电脑端，其波特率配置为 9600bit/s，大约一秒能够发送 1200 字节数据。SPI 模块用于读写 TF 卡，速率 配置为 2M/s，能够实现高速读写 TF 卡，记录智能车的重要数据。 4.2 电源控制模块电源控制模块 电源是一个系统正常工作的基础，电源模块为系统其他各个模块提供所需 要的能源保证，因此电源模块的设计至关重要。模型车系统中接受供电的部分 包括：传感器模块、单片机模块、电机驱动模块等。设计中，除了需要考虑电 压范围和电流容量等基本参数外，还要在电源转换效率、噪声、干扰和电路简 单等方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。 全部硬件电路的电源由 7.
