第九届智能车竞赛 （乐山师范学院）乐师黑色极速技术报告

《第九届智能车竞赛 （乐山师范学院）乐师黑色极速技术报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第九届智能车竞赛 （乐山师范学院）乐师黑色极速技术报告（49页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、九届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 第九届全国大学生“飞思卡尔”杯 智能汽车竞赛 技技 术术 报报 告告 学 校：乐山师范学院 队伍名称：黑色极速队 参赛队员：余正勇 田鹏程 颜 浩 带队教师：祝加雄 李富刚 第九届全国大学生飞思卡尔杯智能汽车竞赛技术报告 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关于保 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

2、员签名： 带队教师签名： 日 期： 摘摘要要：本文设计的智能车系统以MC9S12XS128 微控制器为核心控制单元，通过2 个TSL1401 线性CCD 检测赛道信息，用于赛道识别与摇头舵机控制；通过光电编 码器检测模型车的实时速度，使用PID 控制算法调节驱动电机的转速和转向舵机 的角度，实现了对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。为了提高模型车的速 度和稳定性，使用LABVIEW、MATLAB 仿真平台、键盘模块等调试工具，进行了大 量硬件与软件测试。实验结果表明，该系统设计方案确实可行。 经实际场地测试，本车模系统可以很好的适应各种不同的赛道类型 。 关关键键字字：智智能能车车，M MC

3、 C9 9S S1 12 2X XS S1 12 28 8 单单片片机机，T TS SL L1 14 40 01 1 线线性性C CC CD D，编编码码器器，舵舵机机摇摇头头， P PI ID D 算算法法 目录 引 言.4 第一章 方案设计5 1.1 系系统统总总体体结结构构5 1.2 系系统统总总体体方方案案选选定定6 1.3 系系统统总总体体方方案案的的设设计计 .6 第二章 传感器安装及布局.8 2.1 线线阵阵CCD 传传感感器器布布局局与与安安装装.8 2.2 速速度度传传感感器器9 2.3 红红外外对对管管传传感感器器10 第三章 机械结构分析及调节.2 3.1 车车体体机机械

4、械2 3.2 车车模模转转向向舵舵机机机机械械结结构构的的设设计计 .2 3.3 车车模模机机械械调调整整3 第四章 硬件电路设计5 4.1 单单片片机机最最小小系系统统5 4.2 电电源源模模块块.5 4.3 电电机机驱驱动动模模块块7 4.4 起起跑跑线线模模块块7 4.5、辅辅助助调调试试模模块块8 第五章 系统软件平台9 5.1 软软件件开开发发平平台台9 5.2 软软件件系系统统总总体体设设计计9 5.3 速速度度与与转转角角控控制制及及算算法法11 5.4 弯弯道道控控制制策策略略12 第六章 车模技术参数.13 第七章 总总结结14 致致谢谢.15 参参考考文文献献.16 附附录

5、录：源源代代码码17 第九届全国大学生飞思卡尔杯智能汽车竞赛技术报告 引 言 全国大学生飞思卡尔杯智能汽车竞赛是 受教育部高等教育司委托，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。该竞赛是 以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性 工程实践活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。全国大学生 “飞思卡尔” 杯智能汽车竞赛是以“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越 ”为宗旨，鼓 励创新的一项科技竞赛活动。竞赛要求 在规定的汽车模型平台上，使用飞思卡尔 半导体公司的微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动 模块 以及编写相应

6、控制程序，制作完成一个能够自主识别道路的模型汽 车。智能汽车 竞赛的赛道路面为宽度不小于45cm 的白色面板，赛道两边是宽度为25mm 的连续 黑线。参赛队员的目标是模型汽车需要按照规则以最短时间完成单圈赛道。 本次比赛中，本组使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，采用飞思卡尔 16 位 微控制器MC9S12XS128MAA 作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计， 包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、舵机控制等，最终 实现一套能够自主识别路线，并且可以实时输出车体状态的智能车控制硬件系统。 在制作小车的过程中，我们对小车的整体构架进行了深入的研究，分别在机 械机构、硬件和

7、软件上都进 行更进，硬件上主要是考虑传感器的布局并实践该布 局的可行性；软件上，小车的寻线方式是以赛道中间往两边搜线。控制算法上， 对于PID 进行探索与运用。 本报告将从硬件到软件一一的为大家呈现该系统的设计方案和制作过程。 第一章 方案设计 本章主要介绍智能汽车系统总体方案的选定和总体设计思路，在后面的章节 中将整个系统分为传感器布局，机械结构、硬件模块、控制算法等 四部分对智能 汽车控制系统进行深入的介绍和分析。 1.1 系系统统总总体体结结构构 图1.1 系统整体结构图 系统整体结构如图1.1 所示，我们将系统分成7 个模块单片机最小系统， 电源电路，传感器电路，电机驱动电路 ，起跑线

8、模块，调试用的液晶显示和按键 电路以及把它们连接在一起的系统主板电路 。系统通过TSL1401 线性CCD 传感器 获得赛道信息，经过AD 转换等处理送给MC9S12XS128 微控制器判断车模位置， 由此来控制摇头舵机的转向和转向舵机的转角。在行车过程中智能汽车通过 光电 编码器得到当前速度信息结合车模位置来让控制器控制电机的速度。 MC9S12XS128 MCU 辅助调试模块 两个CCD 传感器 起跑线模块 辅助调试模块 电机控制 转向舵机的转角 摇头舵机的摆向 第九届全国大学生飞思卡尔杯智能汽车竞赛技术报告 1.2 系系统统总总体体方方案案选选定定 经过对往届飞思卡尔竞赛的技术报告和规则

9、进行了解，我们深知识别路径模 块对于智能汽车来说是关键模块之一，其模块的差别直接关系到智能汽车的最终 性能优劣。 在比赛中，规则规定 识别路径模块的传感器 需要用线性CCD 来进行采集赛道 信息，我们对比了多种线性CCD 传感器，最后我们决定使用蓝宙的TSL1401 线阵 CCD 传感器。其虽然线阵CCD 前瞻距离有限，但是 图像采集稳定，信号处理速 度快，电路简单。所以我们通过选用两个线性CCD 以及摇头寻线方式，加之精简 的程序控制和较快的信息处理速度，达到极好的控制效果。 1.3 系系统统总总体体方方案案的的设设计计 遵照竞赛规则规定，智能汽车系统采用飞思卡尔的 16 位微控MC9S12

10、XS128 单片机作为核心控制单元用于智能汽车系统的控制。 我们在选定智能汽车系统采 用线阵CCD 传感器方案后，赛车的位置信号由车体前方摇头舵机支架上的线阵 CCD 采集，经XS128 MCU 的I/O 口接收处理后，用于赛车的舵机转向控制，同 时内部ECT 模块发出PWM 波，驱动直流电机对智能汽车进行加速和减速控制， 以及舵机对赛车进行转向控制，使赛车在赛道上能够自主巡线行驶，并以最短的 时间最快的速度跑完全程。为了对赛车的速度进行精确的控制，在智能汽车电机 输出轴上安装光电编码器，采集编码器转动时的脉冲信号，经 MCU 捕获后定时 进行PID 自动控制，完成智能汽车速度的闭环控制。此外

11、，还增加了按键 、液晶 作为输入输出设备，用于智能汽车的速度和控制策略选择。 根据以上系统方案设计， 该系统共有七大模块：MC9S12XS128 主控模块、 线性CCD 信号采集模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块、起跑线检 测模块和辅助调试模块。各模块的作用如下所述。 MC9S12XS128 主控模块：相当于整个智能汽车的 “大脑”，其通过线阵 CCD 传感器、光电编码器等传感器采集赛道信息，处理信息并根据控制算法做 出 控制，驱动直流电机和舵机完成对智能汽车的控制。 传感器模块：是智能汽车的 “眼睛”，可以通过一定的前瞻，提前感知前方 的赛道信息，为智能汽车的MCU 做出决策提供必要

12、的依据和充足的反应时间。 电源模块：为整个系统提供合适而又稳定的电源。 电机驱动模块：驱动直流电机和伺服电机完成智能汽车加减速控制和转向控 制。 速度检测模块：检测反馈智能汽车车轮的转速，用于速度的闭环控制。 起跑线检测模块：检测小车到达终点位置，能在规定的距离里正确安全停车。 辅助调试模块：主要用于智能汽车系统的功能调试、赛车状态监控，如按键、 液晶、LED 指示灯，无线模块。 第九届全国大学生飞思卡尔杯智能汽车竞赛技术报告 第二章 传感器安装及布局 2.1 线线阵阵CCD 传传感感器器布布局局与与安安装装 TSL1401 线阵CCD 具有体积小、重量轻、使用简单、易于固定、接口简单 等优点

13、，能够采集到稳定的赛道信号，前瞻较远，能在较远距离采集到赛道黑线 。 由于线阵CCD 对于黑线与背景区别较大，所以我们通过线阵CCD 采集黑色和白 色KT 板不同的灰度值信号来反馈回单片机，因此判断出赛道信息，从而使小车 进行下一步动作。 传感器的布局对于后续进行数据处理有很大的影响，如起初我们把单个 CCD 传感器用碳素杆架高， 虽然可以看得远了， 但是对于赛道的信息的采集是有限的， 在后期我们决定用两个TSL1401 线性CCD 传感器结合舵机，来对赛道进行采集 信息。为此我们用铜柱固定舵机和金属架固定碳素杆，保证 CCD 传感器的稳定。 如图2.1 线性CCD 传感器布局图。 图2.1

14、线性CCD 传感器布局图 2.2 速速度度传传感感器器 测速装置在智能车系统中占有非常重要的地位，其要求是分辨能力强、精度 高和检测时间短。从精度要求来看，单向编码器最为合适，且集成性好，抗干扰 能力强。最终采用欧姆龙 公司的光电编码器作为系统的测速模块。但欧姆龙编码 器体积一般较大，会使车重增加。根据速度控制精度的要求，采用了 200 线的小 型编码器。图2.2 为编码器安装图。 图2.2 编码器安装图 测速时，通过齿轮与后轮驱动齿轮咬合，后轮一转动， ECT 模块就在脉冲累 加模式下对编码器产生的脉冲进行累加，而后在一定时长的定时中断中将脉冲数 读出，通过换算转变为后轮转速。假设编码器采用

15、 x 齿的齿轮，后轮驱动为y 齿， 后轮周长为z 毫米。在10ms 的中断内，编码器产生a 个脉冲，那么后轮转速v， 见式(2-2)： v=a*y*z/3000*x (2-2) 第九届全国大学生飞思卡尔杯智能汽车竞赛技术报告 2.3 红红外外对对管管传传感感器器 我们考虑用线性CCD 检测起跑线，出现漏检的情况 。红外对管是一对红外收 发对管，它的应用是十分有局限性的，因为它们所能收发的距离只有几厘米。所 以我们用其做起跑线检测模块。在比赛中，起跑线如图 2.3 所示。 起跑线分布是在跑道中心线两边对称分布的，相应位置如图 2.3。 图2.3 起跑线模型 根据规则中的起跑线规则，我们考虑到红外

16、对管的漏检，将红外对管排布进 行严格排布，将其水平排列，而且两两距离保持一定。如图起跑线模块实物 2.4。 图2.4 起跑线模块实物图 第三章 机械结构分析及调节 任何的控制算法和软件程序都是需要一定的机械结构来执行和实现的，因此 一个良好的机械结构为控制算法和软件程序提供了一个 硬件平台。所以在设计整 个软件架构和算法之前就需要对车模的机械结构有一定的感性认识。然后进行对 赛道信息建模，从而再针对具体的设计方案来调整车模的机械结构。 3.1 车车体体机机械械 我们选用的赛车车模是智能车竞赛专用的车模B 车模。智能车模的控制采用 前轮转向，后轮驱动方案。赛车的机械结构调整方案主要是针对竞赛车模的底盘 及转向和驱动结构。 3.2 车车模模转转向向舵舵机机机机械械结结构构的的设设计计 转向系统在车辆运行过程中非常重要。因此舵机安装直接影响到转向问题。 如果舵机调整不到位，将很大程度上限制转向角度和转向灵敏度。车模原始舵机 被安放在了车模中心，为了空间的合理利用，我们把舵机转移到了两前轮之间， 为小车主板腾出一