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1、. . 基于弦切法的赛车控制算法研究毕业论文第一章 前言教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养,在已举办全国大学生数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等4大竞赛的基础上,经研究决定,委托教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办每年一度的全国大学生智能汽车竞赛教高司函2005201号文1。该项赛事与其它四项赛事一样,旨在培养与提高当代大学生的动手力、创新能力、自学能力、理论应用于实际的能力等,具有重大的现实意义。但是与其它赛事有很大的区别,它不仅是面向某个方向,如机械设计大赛面向的是机械设计方面,电子设计大赛面向的是电子原器件运用、电路设计方面,而这项赛事的综合性很强,基本囊括
2、了上述四项大赛的内容,涵盖了控制、模式识别、传感、电子、电气、计算机和机械等多个学科,这对进一步深化高等工程教育改革,培养本科生获取知识、应用知识的能力及创新意识具有重大的意义。1.1设计背景智能车Intelligent Car是电子计算机等最新科技成果与现代汽车工业相结合的产物,因而善解人意。通常具有自动驾驶、自动变速,甚至具有自动识别道路的功能。另外,智能车内的各种辅助设施也一应电脑化,常常给人以新奇感 2。在科技引领时代的今天,以车代步是人类适应快速生活的必然结果。然而美国国家公路交通安全管理局评估,在20XX的过六百万交通事故报告中,有20%至30%是因为司机的错误或疏忽而导致的。怎样
3、减少司机的错误是避免交通事故的关键所在。但是这些人为的错误或疏忽是不可避免的,为了在司机犯下错误之前得以纠正或者干脆将人从驾驶这项重复而乏味的劳动中解脱出来,取之以人工智能设备是人们正在努力并已经取得了很大成果的尝试。在科技日新月异的当今,传感技术越来越先进,检测越来越可靠、精确、实时,再借助以信息网络的共享和计算机的强大运算能力,复杂的算法分析、推理使得智能车更能、更全面的辅助人们的驾驶,甚至在不久的将来人们完全没有必要参与驾驶。1.2智能车辆发展现状、趋势及应用智能车辆,是一个集外界环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统,它集中地运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人
4、工智能及自动控制等技术,是典型的高新技术综合体.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。智能车辆致力于提高汽车的安全性、舒适性和提供优良的人车交互界面,是目前各国重点发展的智能交通系统中一个重要组成部分,也是世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力。随着科学技术的发展,特别是计算机技术、信息技术、人工智能、电子技术的突飞猛进,智能车辆技术有了实现的技术基础。目前智能车辆技术在轿车和重型汽车上主要应用于碰撞预警系统、防撞及辅助驾驶系统、智能速度适应、自动操作等,其在军事上的应用更加广泛和重要。车辆智能化是汽车工业今后的发展趋势,也是人们对安全性
5、要求越来越高未来汽车的发展方向。随着计算机技术和信息技术为代表的高新技术的发展,人工神经网络技术、模糊控制技术、神经模糊技术、虚拟实现等新技术的出现,智能车辆技术的研究将会有突破性的进展。智能车辆系统的实用化是是智能车辆发展的前进方向,适应性强、环境适应性好的智能车辆将是研究的重点。1.3 设计任务及内容安排根据第六界届全国大学生飞思卡尔杯智能车竞赛的规则,小车是在未知的赛道上行驶,在不违反大赛规则的前提下以及不冲出跑道的同时在最短的时间内完成比赛的参赛队胜出,参考赛道如图1.1所示。图1.1 参考赛道该技术报告详细介绍了小车的软硬件的设计、控制策略的研究、调试过程及其结论。第一章为前言,叙述
6、关于课题来源,智能车发展现、趋势及应用；第二章讲述了智能车的整体设计结构；第三章主要是系统硬件设计；第四章主要介绍系统软件设计；第五章图像采集与处理,简略介绍摄像头的选取,图像的采集及处理方法；第六章控制策略,详细介绍了PID控制、速度模糊控制思路及方法,提出了自己的控制方法弦切法,该方法有效地解决了区分出跑道上的小S、大S、深S；第七章调试软件,介绍了调试过程及结果。第二章 智能车系统整体设计方案智能车竞赛规则规定,智能车系统采用飞思卡尔的16位微控制器MC9S12xs128单片机作为核心控制单元用于智能车系统的控制。在选定智能车系统采用CCD方案后,赛车的位置信号CCD传感器采集,经S12
7、 MCU的I/O口处理后,用于赛车的运动控制决策,同时内部ECT模块发出PWM波,驱动直流电机对智能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,在智能车后轴上安装光电编码器,采集车轮转速的脉冲信号,经MCU捕获后进行PID自动控制,完成智能车速度的闭环控制。此外,还增加了拨码开关作为输入设备,用于智能车在不同赛道元素的速度选取。2.1 总体设计要求与原则2.1.1 智能车功能设计要求1路径识别在智能车的制作过程中,关键的问题就是探寻黑线,识别正确的路径。探寻黑线的准确与否将直接影响小车行进的稳定
8、效果。2方向控制根据摄像头对黑白灰度值不同的分辨率采集赛道的黑色引导线信息,根据得到的每帧图像信息,判断小车偏离黑线的程度,并确定前方赛道是直道、弯道、抑或是S道,反馈给控制器通过舵机动作控制方向。3速度控制判断出赛道信息后,根据不同的赛道,予以相应的控制策略,基于进弯减速,出弯加速的原则,并且以直线方式冲过S道以减少转弯浪费的时间,利用摄像头得到的信息预测方向,使小车能够提前准备转弯等动作。分析摄像头获得的图像信息后,利用PID算法实现速度的闭环反馈控制。4状态检测在智能车调教过程中需要时刻监控车子的状态,采用无线收发模块对智能车行驶的状态进行监控,实时传输到PC机,用于分析。 2.1.2
9、智能车系统的设计原则1重心尽可能低实践证明,重心控制的好的赛车在高速过弯时,不容易由于重心过高而侧翻。2能耗尽可能小不能将能量消耗在电阻、导线等环节上,这样不能满足电池供电系统低功耗的要求,而且影响动态响应速度,动态抗干扰能力较差。3驱动尽可能大强劲的动力是高速的保证,这里的动力包括了瞬间的加减速性能与持续的输出能力,能够保证长时间大电流输出的情况下系统稳定工作。4结构尽可能简单简化的结构一定程度上降低了智能车机械调整的难度,而且可以减轻重量,给智能车高速前进创造条件。2.2智能车系统整体结构智能车的硬件设计是整个系统设计的基础,只有在系统硬件可行、稳定、可靠的前提下,其它控制方案、软件设计才
10、得以继续,所以这部分对于整个系统来说十分重要。它主要包括单片机主控、CCD摄像头图像采集、旋转编码器速度检测、SD卡大量数据保存、无线抄表数据的无线收发、直流电机速度控制、舵机方向控制、电源5V/6v/7v/3.3v/9v/12v/、车模、驱动芯片MC33886、MOSFET管等组成。其整体结构图如图2.1：图2.1 智能车整体框图2.3 MC9S12xs128单片机资源使用本次设计单片机的端口分配如表2.1所示。表2.11单片机端口PWM模块PWM1舵机PWM3,PWM5电机ECT模块PT7速度传感器PT4-PT7拨码开关外部中断IRQ行同步串口通讯RXD0串口接收TXD0串口发送无线通讯模
11、块RXD1无线接收TXD1无线发送IO口PM6视频选通信号PA0奇偶信号第三章 硬件的设计与实现智能车需要设计的硬件系统主要包括以下几个部分：电源部分、电机驱动部分、测速部分、舵机部分、图像采集与处理部分、人机交互部分。3.1电源模块设计此次设计具体需要设计的电源电路及实现方案如下图：图3.1 电源设计及具体供电模块3.1.1 5V电源本设计采用LM2940将电池电压稳压到5V ,LM2940具有外围电路简单、转换效率高,波形稳定等特点8。主要为单片机、SD卡、测速模块、PCB板上芯片、无线通讯模块等供电,电路图如图3.2所示。图3.25V稳压电源原理图3.1.2 6V电源6V电源主要为舵机供
12、电,采用摩托拉罗公司的低压降,能够线性调整输出的LM1117芯片制作可调电源9,具体电路图如图3.3所示。图3.3 6V稳压电路原理图3.1.3 CCD升压供电电路CCD摄像头需要12V的工作电压。本文设计中是使用MC34063A搭建一个由7.2V升压到12V的升压电路,MC34063A是单片双极型线性集成电路,专用于直流直流变换器控制部分,一个占空比周期控制振荡器,驱动器和大电流输出开关,能输出1.5A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器,降压式变换器和电源反向器。根据厂商提供的内部原理图和外围器件参数计算公式计算方式见附件,设计MC34063A外围电路10。图3.4 MC
13、34063内部原理图经过计算符合摄像头正常工作时候的升压电路如图3.5所示。图3.5 DC-DC升压电路图3.2电机驱动模块设计竞速比赛的智能车最关键的就是要有强劲的驱动力。这个驱动力不光包括通常所说的驱动电机,同时还包括一个强劲的电机驱动电路。由于比赛规则严禁改动更换驱动电机,故赛车动力的强劲与否便直接与驱动电路性能画上了等号。优秀的电机驱动电路,不但要能为赛车提供强大的动力这里的动力包括了瞬间的加减速性能与持续的输出能力,同时自身的功耗要小,能够保证长时间大电流输出的情况下减少升温且要稳定持续工作。对于PWM调速的电机驱动电路,主要有以下性能指标：1.输出电流和电压范围：它决定着电路能驱动
14、多大功率的电机。2.效率：高的效率不仅意味着节省电源,也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率,可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通H桥或推挽电路可能出现的一个问题,即两个功率器件同时导通使电源短路入手。3.对控制输入端的影响：功率电路对其输入端应有良好的信号隔离,防止有高电压大电流进入主控电路,这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。4.对电源的影响：共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。5.可靠性：电机驱动电路应该尽可能做到,无论加上何种控制信号,何种无源负载,电路都是安全的。结合以上,在实际制作过程中,主要采用了以下两种方案：方案
15、一 ：采用MC33886级联组成驱动电路该驱动芯片MC33886特性如下：工作电压：5-40V导通电阻： 120毫欧姆输入信号：TTL/CMOSPWM频率： 10KHz短路保护、欠压保护、过温保护等；图3.6MC33886芯片及引脚图采用两片MC33886组成的驱动电路如图3.7所示。图3.7两片MC3386级联第一次采用的驱动方案是通过两片并联MC33886芯片来增强电机驱动性能。但是这样做往往由于电路设计的不合理,导致流过多片33886的电流不平均,出现一片发烫,一片冰凉的现象,进而影响整体的驱动性能。方案二：采用MOSFET搭建H桥电路鉴于MC33886输出电流有限,不能提供较为强劲的驱动力,我们专门独立设计了采用MOSFET搭建的采用H桥驱动电路。最终选用了一款最大工作电流 16A ,采用TO-200封装的MOS 管来搭建 H 桥驱动。虽然16A的电流较其他一些50A甚至100A的大型贴片/直插MOS在功率上逊
