基于仿人智能控制算法的智能车转向舵机控制技术报告.doc
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2、智能车转向舵机控制学 校:重庆大学队伍名称:重庆大学二队 参赛队员:林引 陈皎 付强带队教师:盛朝强 栽挞械酝晌粮液番芒两唁宇簇堰茸沼券帚锋蚤便坐橱迂薯嘘舌炔属佣糠姚碰射煌真催韩王统谈半伟扎抨苯堰宽养敛槐徊咬墅佬麻躲怒辅幻纵费凛邮核浑猎右诸遭铭泞己淡倒氰扫汾族味范他惯劫小镀敦谣当赴苗虎已得净挪册墓褐限沼疆吵铅府马曝蜕锗翠您寡慢纪糙现吭跟蜡者冤兜绣任蜘阶搂谍柬霜椰渍觉粒娟伴褪仙息体撅狞淮淳婪授骂想持吟假幢痴眩恒坊贷亭娶籍汐拳灯击伞降店黎土愉京扁泵醚宠阀轰党贮扁忽竞君道琵几蒂镶缠宠雨阳泻稚啥乡疾滤涕鸡拱砖蛮辙帐触蛹衔参陋般私氛争悼谆趣佩戌硫浇贸寸尧奎慷嫉币锣怎座内骂琉围司必武赶肥锁票甄酌住涵延恿象
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4、学生智能汽车邀请赛技 术 报 告附录D:基于仿人智能控制算法的智能车转向舵机控制学 校:重庆大学队伍名称:重庆大学二队 参赛队员:林引 陈皎 付强带队教师:盛朝强 关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、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:林引 陈皎 付强带队教师签名:盛朝强日 期:2006年8月6目 录第一章 引言- 1第二章 系统方案
5、论证与选择- 22.1 路面黑线检测模块- 22.2 电机驱动模块- 22.3 测速及距离检测模块- 32.4 电源模块- 4第三章 系统的硬件设计-53.1 红外检测电路设计- 53.2 电机驱动电路设计- 53.3 转速检测电路设计 - 63.4 电源电路设计 - 73.5 加速度检测电路设计-73.6 辅助电路设计-7第四章 控制规则分析- 8 4.1 一般寻迹的控制规则-8 4.2 特殊寻迹的控制规则-9第五章 系统的软件设计-11 5.1 主程序流程图-115.2 中断程序流程图-11 5.3 电机调速程序流程图-12 5.4 保护电路程序流程图-12 5.5 出线处理程序流程图-1
6、2 5.6 交叉处理程序流程图-13第六章 系统设计说明 -146.1 开发工具-146.2 制作、安装-146.3 调试过程说明-146.3.1 测速电机调试-156.3.2 舵机调试-156.3.3 按键调试-15第七章 车模主要技术参数说明-16 7.1 车模基本参数-16 7.2 传感器及电机个数-16 7.3 电路参数-16 7.4 赛道信息-16第八章 结论-17参考文献附录A:系统硬件原理图附录B:主程序源代码附录C:中断服务程序源代码附录D:研究论文第一章 引言本设计采用飞思卡尔16位微控制器MC9S12DG128作为核心控制单元。赛道黑线检测使用反射式红外传感器,车速采用闭环
7、PI控制,速度传感器使用测速电机,利用PWM实现动态电机调速。测距应用简单而精确的光电码盘。电机驱动采用H桥半桥控制。基于这些可靠的硬件设计,开发了一套完备的软件设计,包括电机PI控制算法,舵机仿人智能控制算法,低电压报警设计等。本设计主要特色: 模块化设计 连续的电机调速,精确可靠; 优化的软件算法,智能化的自动控制,定位精确; 主板设计兼顾多种用途方案,复用性强; 车模重心适当,整车设计美观、合理; 电源指示灯、低压指示、报警,电源工作状态一目了然;第二章 系统方案论证与选择整个系统可以划分为以下几个基本模块,如图2.1所示:MCU路面检测低电压检测LED显示转速检测电机驱动舵机调节键盘低
8、压报警图2.1 系统整体框图2.1 路面黑线检测模块通常用以检测黑线的传感器有CCD和红外两种。方案一:使用CCD传感器探测赛道。原理是通过CCD传感器将赛道图像以数字信号传送给MCU。优点是CCD摄像头可以更远的探测赛道的变化,受外界光源干扰小,但其输入的数字信号处理复杂,需要对图像信号进行分割和识别,对于MCU来说处理速度很慢。不适合用在高速行驶的赛车上。方案二:使用加载波信号的红外传感器探测赛道。原理是发射管加入高频载波信号,接收管接收到的信号通过滤波、检波和比较器,输出高低电平给单片机的IO口,其优点是不需要单片机进行信号的处理,直接通过IO口就可以读出传感器的状态,且传感器不受自然光
9、影响,缺点是对反射物体表面反射系数要求较高,容易受到其他同频率的光源影响,且电路复杂,不容易调试。方案三:使用直流发射的红外传感器探测赛道。原理是发射管工作在直流发射,接收管接收到的信号幅值大小表示反射面反射系数的大小,从而区别黑色和白色。优点是电路简单可靠,受高频信号干扰小,缺点是自然光影响较大。但是对于固定不变的光源,其在黑线和白线上检测的信号还是有很大的区别,完全不影响检测赛道。基于上述方案分析,本次设计采用了方案三。2.2 电机驱动模块绝大多数直流电机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器工作在开关状态,通过控制脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压,实现调速。PWM调速分为:定宽
10、调频法、调宽调频法和定频调宽法。前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率),当控制频率与系统的固有频率接近时,将会引起振荡,因此,选用定频调宽法。直流电机PWM控制系统有可逆和不可逆系统之分。可逆系统是电机可以正反两个方向旋转;不可逆是指电动机只能单向旋转。双极性可逆系统具有低速运行平稳性的优点,但也存在着电流波动大,功率损耗较大的缺点,尤其是必须增加死区来避免开关管直通的危险。单极性可逆系统在制动时,其制动效果会受到一定的限制。不可逆系统又分为无制动与有制动之分。由于不可逆控制系统控制简单可靠,结合本设计的需要,我们选用了有制动的不可逆PWM系统。对于其实现有两种方案。方案一:采用
11、MC33886集成芯片进行驱动。其优点就是电路简单。芯片内部集成了自举电路、MOS管,死区保护电路等,具有短路保护、过温保护、错误标志反馈等功能。由于其集成度高,价格也就相应的比较贵。方案二:采用分立元件驱动。其最大缺点就是需要外接电路。但其应用很灵活,可以根据不同的驱动电流选择不同的MOS管,一旦发生烧元件的事故,可以很容易的换取。并且采用分立元件构成的电路也比较便宜。综上所述,两种方案各有千秋,难以取舍,最终我们采取折中的办法,主板上兼顾两种方案。2.3测速及距离检测模块2.3.1速度检测方案方案一:采用霍尔集成片。该器件内部由三片霍尔金属板组成,当磁铁正对金属板时,由于霍尔效应,金属板发
12、生横向导通,因此可以在车轮上安装磁片,而将霍尔集成片安装在固定轴上,通过对脉冲的计数来进行车速测量。方案二:受鼠标的工作原理启发,采用断续式光电开关。由于该开关是沟槽结构,可以将其置于固定轴上,再在车轮上均匀地固定多个遮光条,让其恰好通过沟槽,产生一个脉冲。通过脉冲的计数,对速度进行测量。方案三:采用测速发电机。从废弃的手机中取出一个震动小电机,将该电机固定在车轴上,后轮带动震动电机旋转并输出电压信号,将该电压放大后送入单片机进行处理。当驱动电机全速运行时,震动电机输出最大电压;而在实际运行中,单片机对电压进行处理后,即可判断当前车速的快慢。以上三种都是比较可行的转速测量方案。尤其是霍尔元件,
13、在工业上得到广泛应用。但是在本次设计中,由于小车的车轮较小,方案一的磁片密集安装比较困难,容易产生相互干扰。方案二较方案一的检测精度要高一些,但是当车速很快时,单片机读取的脉冲不准确,存在误差,对车速的控制有影响。而方案三采用的是模拟量来测速,无论车速快慢,单片机均能准确地检测到电压,经过大量实验,用测速发电机测速精度可以达到97.799%。综上论证,最终我们选择方案三。2.3.2 距离检测方案在小车的设计中,距离检测只是作为一种辅助手段,用于处理特殊情况,比如十字交叉角。我们拟采用光电码盘。在车后轮的轴上安装一铝片,在铝片上打18个孔,经过测算,车轮周长接近18cm,故每两个脉冲间隔相当于1
14、cm。2.3.3 加速度检测方案为了更好地控制小车,我们考虑把加速度检测作为一种辅助手段,拟选用美新公司的RD6400。该传感器是双轴的:X轴和Y轴,输出电压值。理论上讲,小车在直道行驶时,X轴输出很小,Y轴输出最大,此时可以加速;过弯时,X 轴和Y轴均有电压输出,此时可以稍稍减速。2.4 电源模块为了能使智能车系统能正常工作,就需要对电池电压调节。其中,单片机系统、车速传感器电路需要5V电压,路径识别的光电传感器和接收器电路电压工作为5V或直接由电池提供、伺服电机工作电压范围4.8V到6V,直流电机可以使用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄电池直接供电。考虑到由于驱动电机引起的电压瞬间下
15、降的现象,因此采用低压降的三端稳压器成为必然。常见的电源滤波电路分为三种:电容滤波,RC滤波及型滤波。电容滤波是最简单常见的滤波电路,只要把滤波电容并联在电路的输出端与负载之间即可。但对于大电流的电路,为了要让电路有稳定的直流输出、较低的涟波直流变化,往往需要加大滤波电容的容量。RC滤波的效果比电容滤波效果更佳。对于大电流的电路,会产生大的压降。型滤波用在负载直流电流较大的场合,压降较小,就能得到更好的消除涟波效果。在本设计中,由于是用电池供电,电压的稳定性和功耗对我们的设计很重要。因此,型滤波是我们的最佳选择。第三章 系统的硬件设计3.1 红外检测电路设计为了检测路面黑线,我们采用红外检测方
16、法,图4为红外检测电路。原理为:当使能端EN为高时,检测屏蔽以节约能量。当EN为低时,发射管SE导通,当检测到黑线时,接收管RE电压将发生变化。这样我们就可以根据这种变化来识别黑线。对于电压的变化,我们采用了两种方法来处理:模拟量采集和数字量采集。模拟量采集就是把AN端直接接到单片机里,用软件的方法来设定阈值。数值量的方法就是把检测到的值通过比较器后输入单片机里,进行处理。图4中,由于发射电流较大,单片机是不能驱动的,因此,控制段输出是由ULN2003输出。R42、LED7用于显示检测的情况,便于观察调试。图3.1 红外检测电路 3.2 电机驱动电路设计主板兼顾了两种驱动方案,下面就驱动电路进
17、行详细介绍。MOS管驱动电路如图3.2所示。 图3.2 电机驱动电路电路中,选用的MOS管为K2554,驱动电流为75A、内阻为4.5 mW。Q4、Q8与R22、R23、R24、R25构成高端驱动信号;Q9和R26、R27、R28构成低端驱动信号。PW0为电机的驱动信号。C16、C18用于消除电压尖波。由于电池电压较低不能够驱动高端MOS管FET1,因此,需要对高端控制部分进行升压处理。升压电路由Q2、Q3、Q6、Q7、Q8、R20、R21和C14、C17组成。PW2为升压脉冲输出端,输出为10KHz占空比50。原理为:当PW2为低时,Q2、Q5截止、Q6、Q7导通,Q3中与V端相的二极管导通
18、,C14端电压接近V伏;当PW2为高时,Q2、Q5导通、Q6、Q7截止,由于电容电压不能突变,因此C14端电压接近为2*V伏,达到了升压的目的。电容C17的作用为滤波和储能。MC33886的驱动电路如下图所示: 图3.3 MC33886驱动电路图3.3 转速检测电路设计速度检测采用的是测速电机,输出的电压先经过高、低通滤波器(R15、C1、C8构成)滤除电磁干扰,再对信号进行放大,完整的检测电路如图3.4所示。图3.4 转速检测电路3.4 电源电路设计本电路中,我们所使用的稳压器为LM2940,其不仅外接电路简单,而且带负载能力也比较强。LM2940的输出电流为1A,在输出为1A的情况下,其典
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