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1、第九届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车竞赛 技技 术术 报报 告告学 校： 哈尔滨工业大学 队伍名称： 创意 305 队参赛队员： 纪帅帅，李明，李松，李严开，马薛强指导教师： 王 雷王淑娟第一章 旋转 LED 车1 系统体系结构系统体系结构我们将控制分为三个基本方面：直立控制，速度控制，旋转LED控制。我们对其分别进行算法控制，最终将两方面融合实现目标控制。系统的整体机构图如下：K60控制部分加速度计编码器电池7.2V稳压模块传感器部分电源部分电机驱动执行机构3.3V陀螺仪其他芯片5V电机图 1-1 车体整体结构图根据功能不同，旋转LED车体系结构大致包括传感器、控制、执行机构、和电源五大
2、部分。车辆的整体实物图如下图所示：图 1-2 车辆的整体实物图2 系统硬件设计系统硬件设计硬件设计是整个系统的基础，只有搭建好了稳定可靠的硬件环境，才能为后续的软件提供帮助，同时硬件设计也能为软件算法提供一种补偿作用，所以说好的硬件设计是系统最初设计的关键。2.1 加速度计和陀螺仪加速度计和陀螺仪2.1.1加速度计加速度计加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。竞赛规则规定如果车模使用加速度传感器必须使用飞思卡尔公司产生的加速度传感器。该系列的传感器采用了半导体表面微机械加工和集成电路技术，传感器体积小，重量轻。由于加速度使得机械悬臂与两个电极之间的距离发生变化，从而改变
3、了两个电容的参数。通过集成的开关电容放大电路量测电容参数的变化，形成了与加速度成正比的电压输出。MMA7260是一款三轴低g半导体加速度计，可以同时输出三个方向上的加速度模拟信号。通过设置可以使得MMA7260各轴信号最大输出灵敏度为800mV/g ，这个信号无需要在进行放大，直接可以送到单片机进行 AD转换。图 2-1 MMA7260 三轴加速度传感器只需要测量其中一个方向上的加速度值，就可以计算出车模倾角，比如使用Z 轴方向上的加速度信号。车模直立时，固定加速度器在 Z 轴水平方向，此时输出信号为零偏电压信号。当车模发生倾斜时，重力加速度 g 便会在Z 轴方向形成加速度分量，从而引起该轴输
4、出电压变化。变化的规律为：sinkgU 式中，g为重力加速度，为车模倾角；为加速度传感器灵敏度系数系数。当倾角比较小的时候，输出电压的变化可以近似与倾角成正比，。kgU 似乎只需要加速度就可以获得车模的倾角，再对此信号进行微分便可以获得倾角速度。但在实际车模运行过程中，由于车模本身的摆动所产生的加速度会产生很大的干扰信号，它叠加在上述测量信号上使得输出信号无法准确反映车模的倾角，车模运动产生的加速度使得输出电压在实际倾角电压附近波动，为了减少运动引起的干扰，加速度传感器安装的高度越低越好。2.1.2陀螺仪陀螺仪陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。竞赛允许选用村田公司出品的ENC-03 系列的加
5、速度传感器。它利用了旋转坐标系中的物体会受到科里奥利力的原理，在器件中利用压电陶瓷做成振动单元。当旋转器件时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度。图 2-2 陀螺仪官方参考电路在车模上安装陀螺仪，可以测量车模倾斜角速度，将角速度信号进行积分便可以得到车模的倾角。由于陀螺仪输出的是车模的角速度，不会受到车体运动的影响，因此该信号中噪声很小。车模的角度又是通过对角速度积分而得，这可进一步平滑信号，从而使得角度信号更加稳定。因此车模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号。2.2 速度传感器速度传感器为了使得智能车能够平稳地沿赛道导引线运行，需要比较精确地控制车速，使智能车在急转弯时不
6、会由于速度过快而冲出跑道。根据自动控制原理可以知道闭环的系统一般比较稳定，通过一定的方法实时测量智能车的速度，从而形成闭环控制，使得智能车更加准确的运行。一般可以采用以下几种测速方法：方案一：霍尔传感器测速。在后轮的轴附近安装一个霍尔传感器，相对应的再在轴上安装多个小型永磁铁，根据霍尔传感器特点，用一个上拉电阻将其接至5V，随着后轮的转动就会形成多个脉冲信号。根据单位时间内的脉冲数量据可以测得当前车速。方案二：反射式光电管测速。在后轮的轴上安装一个黑白相间的光码盘，然后通过一侧安装的反射式光电管读取光码盘转动的脉冲。方案三：投射式光电管测速。采用具有齿槽结构的圆盘固定的后轴上，采用直射式红外光
7、传感器读取齿槽圆盘的转动脉冲。方案三：光电编码器测速。光电编码器可以分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。增量式光电编码器可以输出正比于转速的脉冲，记录单位时间内的脉冲数就可以间接测取实时速度。鉴于光电编码器安装简单，输出信号比较规整，所以我们采用方案三。速度传感器用于感知车模本身的行驶速度，是速度闭环控制的一个必须环节。电磁车使用光电编码器作为速度传感器，安装在车尾与传动齿轮啮合，使用与电机相同齿数的齿轮，相当于直接测得电机的转速。光电编码器测量精度为300P/R，有AB两相输出，相位差9045，信号波形为方波。图 2-3 光电编码器2.3 主板电路设计主板电路设计主板电路是整个系统的硬件
8、核心，只有正确合理的规划设计，才能高效地完成设计。由于采用7.2V的电池供电，而受到单片机所需的正常工作电压是3.3V,， ，所以必须采用降压电路，从电池的7.2V稳压到5V和3.3V。我们最后采用了AS2850芯片，它具有低压差工作特性，相比一般的稳压芯片而言，它所需的工作压差很小，这对于我们的应用情景十分有用。最后采用的电路图如下：图 2-4 主板电源电路2.4 驱动电路设计驱动电路设计常用的电机驱动方案有采用独立MOS管，或者集成的电机驱动芯片来实现BTS7960B是NovalithIC家族三个独立的芯片的一部分:一是p型通道的高电位场效应晶体管，二是一个n型通道的低电位场效应晶体管，结
9、合一个驱动晶片,形成一个完全整合的高电流半桥。所有三个芯片是安装在一个共同的引线框,利用芯片对芯片和芯片芯片技术。电源开关应用垂直场效应管技术来确保最佳的阻态。由于p型通道的高电位开关，需要一个电荷泵消除电磁干扰。通过驱动集成技术，逻辑电平输入、电流取样诊断、转换速率调整器，失效发生时间、防止欠电压、过电流、短路结构轻易地连接到一个微处理器上。BTS7960B可结合其他的BTS7960B形成全桥和三相驱动结构。图 2-5 驱动原理图2.5 旋转旋转 LED 电路设计电路设计显示部分采用高亮0805 LED！采用高性能电机，转速足够高使得显示稳定。采用无线供电方式给旋转部分供电，旋转起来安静，寿
10、命长！单片机32个IO口分别控制16个红LED和16个绿LED；一个红外发射管，一个红外接收管，板上的红外接收管每转动一圈就会导通一次，让单片机知道从哪一点开始播放字符或者图象；主板供电部分主要可以采取下列三种方法：1、用图上这种无线输电的方法，无触点，长寿命；2、用电动机电刷的方法，简单有效；请注意：这样寿命很短，必要时请自行在电路板上加焊一层耐磨导电层，如果电刷触点不够光洁以及接触压力大，几小时就可以将线路板上的铜皮磨穿；3、直接用电池给主板供电，电池装在主板上随主板转动，成本高，寿命短，影响转速；最终我们选择了无线供电的方式向主板供电。其工作原理相当于变压器的工作原理电路图如下图所示：图
11、 2-6 无线供电原理图3 系统软件设计系统软件设计3.1 所用模块简介所用模块简介在整个系统设计中，用到了5个单片机基本功能模块：中断定时模块、PWM 输出模块、ADC模块、串口通信模块以及普通IO 模块。根据系统实际需求，对各个模块进行了初始化配置，通过对相应数据寄存器或状态寄存器的读写，实现相应的功能。3.1.1中断定时模块中断定时模块MCF52255有2个16位周期中断定时器（PIT） ，时钟模块初始化程序如下：void PIT_Init(PITSet setinfo)/1.禁止PITBCLR(PIT_PCSR_EN,MCF_PIT_PCSR(setinfo.CHANNEL);/2.设
12、置PIT时钟,PIT的OVW、RLD、DOZE和DBG功能位MCF_PIT_PCSR(setinfo.CHANNEL) = 0| setinfo.PRE7)setinfo.CHANNEL = 0;switch (setinfo.CHANNEL)/通道0,2,4,6使用TC端口case 0:case 2:case 4:case 6:MCF_GPIO_PTCPAR |= 0x03 2) /若传进的通道号大于2，则按照2来接受uartNo = 2;/1.将Ux口初始化为UART功能MCF_GPIO_PUPAR(uartNo) |= (0| MCF_UART_RXD_MASK| MCF_UART_TX
13、D_MASK);/2.复位接收器和发送器以及模式寄存器MCF_UART_UCR(uartNo) = MCF_UART_RESET_TX; /复位发送器MCF_UART_UCR(uartNo) = MCF_UART_RESET_RX; /复位接收器MCF_UART_UCR(uartNo) = MCF_UART_RESET_MR; /复位模式寄存器/3.配置UART模式:无奇偶校验、8位数据、正常通道模式、1停止位MCF_UART_UMR(uartNo) = (0| MCF_UART_NONE_PARITY| MCF_UART_BIT_8 );MCF_UART_UMR(uartNo) = (0|
14、MCF_UART_CM_NORMAL| MCF_UART_STOP_BITS_1);/4.选择预分频后的内部总线时钟作为收发器的时钟源MCF_UART_UCSR(uartNo) = (0| MCF_UART_RCS_SYSCLK| MCF_UART_TCS_SYSCLK);/5.屏蔽所有的UART中断MCF_UART_UIMR(uartNo) = 0;/6.计算波特率并设置:UBG = fsys/(波特率*32)ubgs = (uint16)(sysclk*1000000)/(baud * 32);MCF_UART_UBG1(uartNo) = (uint8)(ubgs MCF_UART_UB
15、G2(uartNo) = (uint8) (ubgs /7.使能接收器和发送器MCF_UART_UCR(uartNo) = (0| MCF_UART_RX_ENABLED| MCF_UART_TX_ENABLED);/8.开放UARTx接收中断if(1 = intStatusInit) /开串行接收中断MCF_UART_ICR_LEVEL(uartNo) = 0x1E;/level=3 ip=6MCF_UART_UIMR(uartNo) = 0x02;MCF_UART_IMRL else /禁串行接收中断MCF_UART_ICR_LEVEL(uartNo) = 0x00;MCF_UART_UI
16、MR(uartNo) = 0x00;MCF_UART_IMRL |= MCF_UART_IMRL_MASK(uartNo);3.1.4ADC 模块模块MCF5225x单片机有8路12位A/D转换模块，每一引脚都可以实现模拟量/数字量的复用输入，有并行和顺序两种采样模式，电源节省模式可以自动关闭/启动整个或部分ADC模块。void AD_Init(void) /AD转换模块初始化/1.循环顺序扫描模式,AN0-7设为单端输入,禁止中断,停止转换MCF_ADC_CTRL1 = 0b0101000000000010;/ | |_SMODE=2,循环顺序扫描/ |_CHNCFG=0,8路ANn都设为单端输入 / |_HLMTIE=0,禁止超上限中断/ |_LLMTIE=0,禁止超下限中断/
