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1、第十届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车竞赛技 术 报 告学 校: 常熟理工学院队伍名称: 闪电一队参赛队员: 仲虎 陈明 周淋带队教师: 李鑫 戴梅 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 十届“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。参赛队员签名：仲 虎 陈 明周 淋带队教师签名： 李 鑫戴 梅 日 期：2015.8.3摘 要本文以第十届全国大学生智能车竞
2、赛为背景，介绍了两轮自平衡小车控制系统的软硬件结构和开发流程。该比赛采用大赛组委会统一指定的E型车模，以Freescale半导体公司生产的16位单片机MC56F8366为核心控制器，在CodeWarrior IDE开发环境中进行软件开发，使用CCD TSL1401光电传感器进行赛道信息采集。整个系统涉及硬件电路设计、控制策略、整车机械架构等多个方面。为提高在高速运行下的稳定性，进行了不同方案的设计，并使用VS进行了大量的数据分析以及上位机的设计调试，确定了现有的整车架构和相关控制参数。车模使用飞思卡尔加速度传感器MMA7361以及ENC-03的陀螺仪模块进行角度融合，获取车模姿态，完成平衡直立
3、。根据CCD采集到的赛道信息进行软件二值化后路径规划，通过两轮电子差速实现转向。 关键词：Freescale，智能车，CCD，第十届光电，卡尔曼滤波目 录第 1 章 引言.11.1 两轮自平衡智能车设计背景.1第二章 两轮自平衡智能车硬件电路设计22.1 两轮自平衡智能车的电源管理22.2 最小系统板设计32.3 两轮自平衡智能车的电机驱动设计42.4 两轮自平衡智能车的姿态传感器模块的设计62.5 光电传感器的选用72.6 速度反馈模块.82.7 人机交互模块的设计8第三章 两轮自平衡智能车机械结构设计.83.1 车模底板的微改装93.2 电池的安装103.3 光电传感器的安装103.4 姿
4、态传感器的安装11第四章 程序控制说明104.1 系统软件流程104.2 中断处理与程序分配104.3 位置式 PID114.4CCD 图像处理与识别11 4.5 两轮平衡控制144.6 速度控制164.7 直立控制、速度控制、转向控制融合16第五章 系统开发及调试工具.175.1 开发工具175.2 VS 数据处理18第六章 心得总结.19参考文献200第 1 章 引言1.11.1 两轮自平衡智能车设计背景两轮自平衡智能车设计背景 目前，在企业生产技术不断提高、对自动化技术要求不断加深的环境下，智能车辆以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备。世界
5、上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设计。移动机器人是机器人学中的一个重要分支，出现于 20 世纪 06 年代。当时斯坦福研究院(SRI)的 Nils Nilssen 和 charles Rosen 人在 1966 年至1972 年中研制出了取名 shakey 的自主式移动机器人，目的是将人工智能技术应用在复杂环境下，完成机器人系统的自主推理、规划和控制。从此，移动机器人从无到有，数量不断增多，智能车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到越来越多的关注。智能小车，是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航及白动控制等技术，是典型
6、的高新技术综合体。智能车辆也叫无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆的主要特点是在复杂的道路情况下，能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的道路(轨迹)行进。智能车辆在原有车辆系统的基础上增加了一些智能化技术设备: 计算机处理系统，主要完成对来自摄像机所获取的图像的预处理、增强、分析、识别等工作。摄像机，用来获得道路图像信息; 传感器设备，车速传感器用来获得当前车速，障碍物传感器用来获得前方、侧方、后方障碍物等信息。全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是以 “立
7、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控制程序，制作完成一个能够自主识别道路的模型汽车。本次比赛中，车模通过 光电传感器 CCD 采集赛道信息进行路径检测，采用 Freescale 半导体公司生产的 16 位单片机 MC56F8366 为核心控制器，自行设计主控板等功能电路，自主构思姿态控制，速度控制和转向控制方案进行系统设计，以引导改装后的模型赛车按照规定路线识别行进。1在小车的设计制作过程中，我们对小车的整体设计布局进行了深入的
8、研究。在软件控制算法，我们尝试经典 PID 以及模糊 PID。姿态控制尝试使用互补滤波以及卡尔曼滤波。速度控制进行多种控制方案的实验，最终使用 PI 控制达到了良好的控速效果。在硬件机械方面主要对小车质量分布，传感器架设等进行多种尝试。第二章 两轮自平衡智能车硬件电路设计2.1 两轮自平衡智能车的电源管理两轮自平衡智能车的电源管理首先了解一下不同电源的特点，电源分为开关电源和线性电源，线性电源的电压反馈电路是工作在线性状态，开关电源是指用于电压调整的管子工作在饱和和截至区即开关状态的。线性电源一般是将输出电压取样然后与参考电压送入比较电压放大器，此电压放大器的输出作为电压调整管的输入，用以控制
9、调整管使其结电压随输入的变化而变化，从而调整其输出电压，但开关电源是通过改变调整管的开和关的时间即占空比来改变输出电压的。 从其主要特点上看：线性电源技术很成熟，制作成本较低，可以达到很高的稳定度，波纹也很小，而且没有开关电源具有的干扰与噪音，开关电源效率高、损耗小、可以降压也可以升压，但是交流纹波稍大些。电源模块对于一个控制系统来说极其重要，关系到整个系统是否能够正常工作，因此在设计控制系统时应选好合适的电源模块。竞赛规则规定，比赛使用智能汽车竞赛统一配发的标准车模用7.2V 2000mAh Ni-cd 供电，经过测试发现，直接用 3.3V 的线性稳压芯片为单片机及 CCD 供电时，稳压芯片
10、会发热。为了保证电路的稳定性，采用分级稳压，即 7.2V 先经稳压芯片稳压到 5V 再稳至 3.3V，经试验效果良好。 直流电机可以使用 7.2V 2000mAh Ni-Cd 电池直接供电。系统中 3.3V 电路功耗较小，考虑到姿态传感器、CCD 对于电源低纹波的要求，我们决定使用线性稳压芯片。此外，当直流电机在高速运行时的，电池作为一个恒功率源输出电流增大，势必带来输出电压减小。因此，为了提高系统工作的稳定性，我们选择了 MC34063 作为稳压芯片。MC34063 是低压差线性电源芯片，具有完善的保护电路,包括过流,过压,电压反接保护。使用这个芯片只需要极少的外围元件就能构成高效稳压电路。
11、与 7805、LM1117 相比具有更低的工作压降和更小的静态工作电流，更适合为姿态传感器、CCD 以及旋转2编码器进行供电。其他模块由于只要提供逻辑电平（驱动电路），并且对于电源的稳压要求不高，使用 LM1117-3.3V 供电即可。单片机作为智能车的核心控制单元，需要使用稳定的电源进行供电，并且考虑到 DSC 单片机的功耗较大，我们选择了 MC34063 对单片机进行独立供电。2.2 最小系统板模块设计最小系统板模块设计我们采用的是飞思卡尔公司的系列的单片机 MC56F8366，自行设计最小系统，并集成到主板上。将要用的引脚引出。该单片机功能较 XS128 系列单片机有了较大提高，其相关指
12、标如下：(1) 内核频率达到 80MHZ。(2) 64K 的 RAM，256K 的 FLASH，内含 Flex memory,flex bus。(3) 模拟部分：高精度 16bit ADC 转换器。(4) 定时器部分：一个 8 通道电机控制模块，两个 2 通道编码计数模块，可编程延时模块，周期中断定时器。(5) 通信部分：以太网接口，USB 接口，CAN 总线，SPI 接口，UART 串口，SD 卡接口。但是市面上的单片机普遍体积较大，不利于主板与小车之间的安装架设，且存在发热的问题，于是决定自行设计最小系统板。DSC 的技术手册上列举了一些相关的外围电路，按照上面设计即可达到良好的效果，经过
13、测试，在超频100M 的时候依然可以稳定的工作。原理图如图 2.1：3图 2.1 DSC_144 最小系统图2.32.3 两轮自平衡智能车的电机驱动设计两轮自平衡智能车的电机驱动设计目前常用的电机驱动有两种方式：(1)采 N 沟道 MOSFET 和专用栅极驱动芯片；(2)采用集成电机驱动芯片。方案一：用 N 沟道 MOSFET 管搭建全桥电路，可以使用全桥驱动器33883，或者使用半桥驱动器 IR2104 作为驱动电路，配合低导通内阻 MOSFET，构成一个使用了由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器。测试结论：使用 33883 作为驱动器时，可通过较大的电流，对 D 车模电机取得了良
14、好的驱动效果，但是对 E 车模电机，其具有较大的死区（30%占空比开始转动），且体积、质量较大，不利于小车的整体架设。4使用 IR2104 作为驱动器时，其驱动能力强劲，驱动电流大，死区电压小（只需要 3%的占空比电机即可转动），具有防同臂导通、硬件死区、欠电压保护等功能 ，对于 E 车模电机起到了良好的驱动效果。 方案二：使用集成电机驱动芯片。使用两片英飞凌公司生产的 BTN7970 构成一个全桥电路驱动电机便可驱动电机转动。驱动效果良好，外围电路简单。结论：智能车系统使用的电机型号是 RS380。由于电机的供电电压固定，为了充分发挥电机的性能，提高电机灵敏性，设计了 MOS 管的电机驱动电
15、路。经过仿真设计及制作，确定使用 ir2104 驱动的 mos 驱动电路，电流量大加减速性能卓越，选用了型号为 ntmfs4833n 的贴片型 mos 管，不仅内阻低，过电流量大(最大可通过电流 191A)，而且体积小，质量轻。2.42.4 两轮自平衡智能车的姿态传感器模块的设计两轮自平衡智能车的姿态传感器模块的设计第十届比赛规定陀螺仪使用村田公司的 ENC03 系列的陀螺仪，单轴模拟输出，频率响应是 50hz,灵敏度为 0.67mv/deg/sec,最大角速度 deg./sec.+/-300,此款陀螺仪的性能良好。加速度计可以使用飞思卡尔公司生产的任意系列的加速度计。从使用方便的角度考虑，选
16、择了模拟输出的加速度计 MMA7361，800mv/g灵敏度高。ENC03 的单轴陀螺仪部分分别用了 2 个 16 位 ADC，第一 AD 通道采集陀螺仪的角速度量，第二通道采集陀螺仪和加速度计硬件积分的角度量，通过单片机 16 位 ADC 读取模拟量输出，再做陀螺仪和加速度计的角度拟合，得到车身实际角度。在调试过程中发现，在车身处于静态平衡时，用于姿态控制的陀螺仪应与地面垂直安装，否则会在小车过弯的时候出现抬头或者点头的现象，不利于小车的姿态控制与速度控制。因此，为了使姿态传感器能够方便的水平安装，将其制作成独立模块。通过 FPC 线与主板连接。为准确的测量车身姿态提供了必5要条件。 2.52.5 CCDCCD 选用选用本届智能汽车大赛光电组比赛对传感器有着严格的规定，禁止使用激光传感器，改为统一线性 CCD 或 LED 光学传感器，这对我队是一个全新
