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毕业设计论文
摘要
本文以全国大学生智能车竞赛为背景,介绍了智能赛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提供的1:
10仿真车模,以Freescale半导体公司生产的16位单片机MC9S12XS128为核心控制器,在CodeWarriorIDE开发环境中进行软件开发,要求赛车在未知道路上沿着电磁导引信号以最快的速度完成比赛。
整个系统涉及车模机械结构调整、传感器电路设计及信号处理、控制算法和策略优化等多个方面。
为了提高智能赛车的行驶速度和可靠性,对比了不同方案的优缺点,并结合Labview仿真平台进行了大量底层和上层测试,最终确定了现有的系统结构和各项控制参数。
赛车采用LC谐振回路对电磁导引的信号进行检测,通过电磁场强度分析赛道信息,用PID方式对舵机进行反馈控制。
同时通过速度传感器获取当前速度,采用优化后的Bang-Bang控制实现速度闭环。
关键词:
飞思卡尔,智能车,电磁导引,PID,Bang-Bang
ABSTRACT
InthebackgroundoftheNationalIntelligentCarContestforCollegeStudents,thisarticleintroducesthesoftwareandhardwarestructuresandthedevelopmentflowofthevehiclecontrolsystem.Thiscontestadopting1/10EPon-racingcarprescribedbythecontestorganizationcommittee,usingthe16-bitMCUMC9S12XS128producedbyFreescaleSemiconductorCompanyasthecorecontroller,developingundertheCodeWarriorIDE,requiresthecarfinishtheraceinthefastestspeed.Thewholesystemincludestheaspectsofthemechanismstructureadjustment,thesensorcircuitdesignandsignalprocess,controlalgorithmandstrategyoptimizationetc.Inordertoincreasethespeedandthereliabilityofthecar,theadvantageanddisadvantageofthedifferentschemesarecompared,andagreatnumberofthebottomlayerandtheupperlayertestsarecarriedoncombinedwiththeLabviewsimulationplatform.Atlast,thecurrentsystemstructureandeachcontrolparametersaredetermined.Itcapturestheelectromagneticsignalthrougharesonancecircuit,thenabstractsthepathpositionaccordingtotheelectromagneticfieldintensity.Afterthat,PIDfeedbackcontrolisusedonthesteering.Atthesametime,thesystemobtainsthecurrentspeedusingaspeedsensor,sothatitcanrealizethefeedbackcontrolofthespeedbyanoptimizedBang-Bangcontrolmethod.Accordingtothepre-judgeinformandthememorizedinform,itallocatesthespeedproperly.
Keywords:
Freescale,intelligentvehicle,electromagnetic-guided,PID,Bang-Bang
第一章引言
1.1智能车的现状及发展
汽车工业发展已有100多年的历史。
自20世纪80年代以来,智能控制理论与技术在交通运输工程中越来越多的被应用,在这一背景下,智能汽车的概念应运而生。
所谓智能汽车,就是在网络环境下用信息技术和智能控制技术武装的汽车。
智能汽车是一种高新技术密集的新型汽车,研究人员正从智能汽车的信息系统、控制系统、网络环境及智能结构等几个方面进行研究。
智能汽车的设计和开发,将从根本上改变现有汽车的信息采集处理、数据交换、行车导航与定位、车辆控制的技术方案与体系结构。
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,也是人们对安全性要求越来越高的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。
智能车有着极为广泛的应用前景。
结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适应巡航并把车开得又快又稳、安全可靠;汽车夜间行驶时,如果装上红外摄像头,就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶;它也可以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里,此外它还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。
在普通家庭轿车消费中,智能车的研发也是很有价值的,比如雾天能见度差,人工驾驶经常发生碰撞,如果用上这种设备,激光雷达会自动探测前方的障碍物,电脑会控制车辆自动停下来,撞车就不会发生了。
1.2本文结构安排
本控制系统以飞思卡尔公司生产的16位微控制器MC9S12XS128作为核心控制单元,并包括电磁线圈传感器赛道信息采集与处理、转向舵机控制、编码器速度采集、电机转速控制等,最终实现一套能够自主寻迹的智能小车软硬件控制系统。
技术报告共六章,包括小车的框架结构、智能车模型的调整、小车的硬件和软件的设计以及控制算法的研究等。
其中,第一章为引言,主要介绍了智能车大赛的背景和发展现状;第二章为智能车系统方案的设计,主要包括智能车系统模板设计的基本要求、方案选择和车模参数;第三章为智能车的硬件系统设计,介绍了电源管理模块、传感器分布模块、转向舵机控制模块和直流电机驱动模块;第四章为智能车软件系统设计,包括小车软件设计的整体流程,各个模块初始化,以及控制策略的实现等;第五章介绍了软件调试及调试过程;第六章是总结和鸣谢。
第二章智能车方案设计
2.1智能车设计的基本要求
跑道下铺设导线,导线通有100MA,20KHz的交流方波电流,跑道弯直不定,智能车就是在这种环境下自己寻找路径并能自动调节行驶速度。
在保证模型车运行稳定既不冲出跑道的前提下,跑完一圈的时间越短,成绩越好。
在严格遵守规则中对于电路限制条件,保证智能车可靠运行的前提下,电路设计尽量简洁紧凑,以减轻系统负载,提高智能车的灵活性,同时以发挥创新为原则,并以稳定性为首要前提,实现智能车快速运行。
2.2系统总体方案的选择和设计
2.2.1系统总体方案选择
通过学习设计规则和相关技术资料了解到,路径识别模块是智能车系统的关键模块之一,路径识别方案的好坏,直接关系到最终性能的优劣,因此确定路径识别模块的类型是决定智能车总体方案的关键。
而目前能够用于智能车辆路径识别的传感器主要有光电传感器、CCD/CMOS传感器和电磁传感器。
光电传感器和电磁传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快,但是其前瞻距离有限;CCD摄像头寻迹方案的优点则是可以更远更早地感知赛道的变化,但是信号处理却比较复杂,如何对摄像头记录的图像进行处理和识别,加快处理速度是摄像头方案的难点之一。
在比较了三种传感器优劣之后,决定采用电磁传感器,相信通过分析磁场的特性和加之精简的程序控制和较快的信息处理速度,电磁传感器还是可以极好的控制效果的,而且相对于摄像头和光电,使用磁场信号引导车沿一定轨迹行走的优点主要体现在磁场信号具有很好的环境适应性,不受光线、温度、湿度等环境因素的影响,同时由于是第一次开设电磁组,可以挑战自己的创新性,电磁车模实物图如图2.1。
图2.1电磁车模实物图
2.2.2系统总体方案的设计
该系统采用飞思卡尔MC9S12XS128单片机为检测和控制核心;以电磁传感器为路径检测传感器,自动检测跑道上的导线;并根据采集到的导线信息和小车速度信息,通过软件对小车进行转向和速度的控制,整体结构框图如图2.2所示。
根据以上小车控制系统设计,系统可分为电源管理模块、传感器模块、直流电机驱动模块、转向伺服电机驱动模块和单片机模块。
各个模块设计有各自不同的要求:
⑴电源模块为系统其他各个模块提供所需要的电源,以保证各模块的正常工作,是智能车运行的基础。
设计中除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外,还要对电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。
⑵寻迹传感器采集道路信息,为智能小车提供前进方向,使小车始终不偏离赛道的黑色引导线。
所以首先要对传感器选型,即选择适合系统的电磁传感器。
在此基础上要考虑传感器的分布位置及其安装方法,这些都是智能小车寻迹方案的硬件基础。
这一模块工作情况是系统能否快速稳定工作的一个重点,而传感器及其信号处理部分的抗干扰设计尤其重要。
⑶测速传感器采集小车速度信息,为小车的速度控制提供反馈依据,使小车始终按照给定的速度行驶。
选择测速传感器时需要考虑:
测速的精度,稳定程度以及传感器的安装等因素。
⑷直流电机驱动模块控制直流电机两端电压,使电机在给定的速度下运行,控制电机加减速,是小车的执行机构。
小车在启动过程中往往会产生很大的冲击电流,一方面会对其他电路产生电磁干扰;另一方面由于电池内阻造成电池两端的电压下降,甚至会低于稳压电路所需要的最低电压值,产生单片机复位现象,所以必须克服启动冲击电流的影响。
⑸转向伺服电机驱动模块,即舵机在单片机给定的PWM波下进行转向,亦是小车的执行机构。
⑹单片机模块在小车控制系统中扮演核心的位置,好比人的大脑,从硬件设计的角度来说,首先要保证其供电稳定,其次要对其部分功能模块如PWM通道,定时器通道的进行编程,写入驱动程序,使其工作良好。
MC9S12XS128是一款飞思卡尔16位的单片机,其开发方法和工作特点都与常用的8051单片机有一定的区别。
如何开发这款单片机,如何为单片机多个模块写入底层的驱动程序和编写优良的上层控制算法是这一模块的核心。
第三章硬件设计
硬件电路设计是自动控制器的基础。
本次设计自行设计制作了单片机的硬件电路,同时集成了外围接口驱动电路、调试电路等,形成功能完备,体积小的控制电路。
下面就硬件设计各个模块做详细介绍。
图3.1硬件电路设计总图
3.1信号发生器模块
本模块是在电子商场里直接购买,经过测试,发出的信号的确符合本次设计要求,导线的电流20KHz,方波,100mA。
3.2电源管理模块
高性能的电源管理系统对于电子系统稳定运行是至关重要的。
作为智能车动力的来源,电源模块为系统的控制器,执行机构,传感器等各个模块提供可靠的工作电压。
设计中,除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外,还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。
电源管理模块的功能是对电池进行分配和电压调节,为其他各个模块的正常工作提供可靠的工作电压。
智能车控制系统中,不同电路模块需要的工作电压和电流容量各不相同,因此电源模块应该包含多个稳压电路。
电源模块的框图如图3.2所示。
图3.2电源模块
3.2.1电源管理电路
电源模块为系统其它各个模块提供所需要的电源,可靠的电源方案是整个硬件电路能够稳定可靠运行的基础。
设计中,除了要考虑到额定电压和额定电流等基本参数之外,还要在电源转换效率、低噪声、抗干扰等方面进行优化处理。
电源模块容易造成相互干扰,尤其是电机在启动时需要较大的电流,很容易对其它模块,特别是传感器检测方面造成一定干扰。
因此,在设计中需要注意将各个模块供电电源分开。
为了减小各模块见的相互干扰,我们采用了三片LM2940供电,其中一片LM2940为单片机单独提供一个5V的电源,以绝对保证单片机的稳定。
经过大量的实验发现,舵机可以直接工作在7.2v的电压下,因此可以用电池串接一个二极管后给舵机供电,且反应速度相对较快,满足设计稳定性的需要。
常用的电源有串联型线性稳压电源(LM2940、7805等)和开关型稳压电源(LM2596、LM2575等)两大类。
串联型线性稳压电源具有纹波小、电路结构简单的优点,但是效率较低,功耗大;开关型稳压电源功耗小,效率高,但电路却比较复杂,电路的纹波大。
传感器根据型号选择适当的稳压芯片,这里同样选择了用LM2940稳压,提供5V电源。
具体的电源模块电路如图3.3所示:
图3.3电源模块电路
3.3赛道检测模块
3.3.1导线周围的电磁场
根据麦克斯韦电磁场理论,交变电流会在周围产生交变的电磁场。
智能汽车竞赛使用路径导航的交流电流频率为20kHz,产生的电磁波属于甚低频(VLF)电磁波。
甚低频频率范围处于工频和低频电磁波中间,为3kHz~30kHz,波长为100km~10km。
如图3.4所示:
图3.4电流周围的电磁场示意图
导线周围的电场和磁场,按照一定规律分布。
通过检测相应的电磁场的强度和方向可以反过来获得距离导线的空间位置。
3.3.2电磁场的检测方法
磁场的检测方法有很多,利用物质与磁场之间的各种物理效应,人们发明了很多磁场传感器,例如:
磁敏二极管,磁敏三极管,电磁线磁场传感器。
各种磁场传感器由于测量原理不同,测量的磁场精度和范围是不一样的。
但是这些磁场传感器相对于交变磁场的实现起来具有一定难度。
从价格和适用性考虑,我们选择了电磁感应线圈的方案,它具有原理简单、价格便宜、体积小(相对小)、频率响应快、电路实现简单等特点。
由电磁感应定理,变化的磁场在导线中产生电动势,闭合的导线中则会产生电流,按正弦规律变化的磁场则产生按正弦规律变化的电动势。
由图3.1知,离导线越远磁场越弱,检测到的电动势就越小,又由于得到的是正弦变化的电压,电压的变化即电压幅值的变化。
为了得到稳定的电压信号,采用LC振荡电路进行信号采集。
3.3.3对原始信号的处理
通过LC谐振电路得到的原始信号如图3.5。
图3.5原始信号图
从LC谐振电路得到的信号是交变的电压信号,电压幅值太小,只能达到几百毫伏,需进行放大,要直接能由AD采集,还必须把负电压升高为正电压且不能让信号失真,才能通过AD直接采集进行数据的处理。
放大电路如图3.6所示。
图3.6信号放大电路图
该电路里的电阻都是通过实验得到了,不同的电阻搭配将会得到不同的放大倍数,但是如果电阻匹配不合理就不能得到理想的放大倍数,也会使原始信号变坏,出现毛刺、不稳定等现象。
原始信号通过此电路过后,得到放大且电压升高的信号,信号如图3.4。
图3.4处理信号图
为了方便后面输入单片机的AD简单化,我们采取了把交流信号整流成直流信号,把直流信号输入单片机可以大大简化程序的处理。
把放大电路后接一个整流滤波电路,经过实际应用发现滤波后的直流信号强度不够强,为了使传感器能在远距离检测到较大的信号值,我们决定后加一个二级放大,该放大电路我们采用LM324来搭的电路。
整个传感电路电路如图3.5所示:
图3.5传感电路总图
3.3.4感应线圈传感器布局
使用感应线圈传感器实现智能车的路径识别,除了要求使用的感应线圈特性基本一致外,根据MATLAB对线圈传感器检测到的感应电动势进行数据仿真可知,由于线圈传感器的检测距离与线圈的高度、导线中的电流大小和线圈传感器距离导线的距离有关,线圈传感器传感器的安装布局对寻迹效果会有非常大的影响,合理的传感器布局可以减轻算法的负担。
由于设计对采用传感器数量的限制,最终决定采用12个感应线圈。
设计采用单排一字型排列方式,如图3.6所示。
从而保证纵向的一致性,使其控制策略主要集中在横轴上。
固定于小车前方的路径识别电路板整体长度为240mm,满足小车宽度要求。
图3.6传感器布局
3.3.5干簧管传感器
计时起始点两边分别有一个长度10cm黑色计时起始线,小车前端通过起始线作为计时开始或者结束时刻。
在黑色计时起始线中间安装有永久磁铁,每一边各三只。
磁铁参数:
直径7.5-15mm,高度1-3mm,表面磁场强度3000-5000Gs。
根据干簧管的特性,可知,电磁组可以使用干簧管作为识别起跑线的传感器。
干簧管是一种磁敏的特殊开关。
它通常由两个或三个既导磁又导电材料做成的簧片触点,被封装在充有惰性气体(如氮、氦等)或真空的玻璃管里,玻璃管内管内平行封装的簧片端部重叠,并留有一定间隙或相互接触以构成开关的常开或常闭接点,干簧管实物图如图3.7所示。
图3.7干簧管试图
当永久磁铁靠近干簧管时,或者由绕在干簧管上面的线圈通电后形成磁场使簧片磁化时,簧片的接点就会感应出极性相反的磁极。
由于磁极极性相反而相互吸引,当吸引的磁力超过簧片的抗力时,断开的接点便会吸合;当磁力减小到一定值时,在簧片抗力的作用下接点又恢复到初始状态。
这样便完成了一个开关的作用,因此仅需要一个简单的开关电路即可实现起跑线的识别。
一般认为,干簧管周围的磁场强度达到或超过一定数值,其触点即吸合(闭合或开启),但实际情况并非完全如此,它吸合与否不仅与场强有关,还与两极所处的磁力线方向有关,我们通过做不同位置和不同安放方位的干簧管得出适合的干簧管安放位置。
3.4速度检测模块
测速原理:
速度传感模块采用光电传感器加法兰盘的方式实现。
把具有20个齿的法兰盘安装在小车后轮轴,随电机驱动后轴转动使法兰盘随之等速度转动。
利用红外对射式传感器检测到的通断脉冲个数就能测量出小车后轮转速,再结合已知轮胎直径(5cm)就能计算出小车的行驶速度,达到测速的目的。
小车后轮旋转带动法兰盘旋转,当红外发射管发射出的红外光遇到法兰盘的齿时,红外光被遮挡,红外接收管接收不到发射管发射的红外光,光电开关处于断开状态;而当红外光遇到间隙的时候,接收管便可接受到红外光线,红外接收管处于导通状态。
这样,红外接收管输出间隔的高低电平。
将此信号再通过CD40106进行整形,送入单片机中,便可实现对车速的检测。
图3.8为速度检测原理图。
图3.8速度检测模块
假设n为后轴的转速(单位为r/s);N为一个采样周期T内ECT模块记录的脉冲的个数;P为法兰盘的齿数;T为采样周期(单位为s);k为传动比。
则:
因此小车后轮的转速为:
那么,小车的瞬时速度为:
这样,就完成了对小车速度的测量。
为了提高精度,也可采用编码器,同时也可简化硬件电路的设计。
因此最终确定用编码器实现速度的采集。
图3.9为车模上编码器的安装方式。
图3.9编码器安装方式
3.5电机驱动模块
车的主电机为普通直流电机,为了实现变速控制,我们采用H电路进行电机驱动,这样便于速度的控制,及刹车。
起初的驱动电路是采用PMOS管、NMOS管各一对自行搭制的,由于芯片输出的PWM幅值为5V,所以均选用门极与源极电压差为5V的MOS管;PMOS管为H桥的高压端,NMOS管为H桥的低压端;该电路用两个8为PWM同道控制,分别控制正向导通和反向导通。
该电路控制简单、效率较高、允许通过电流大,但由于MOS管的频率较低,不利于变速的控制。
硬件电路如图3.10所示。
图3.10H桥电路
上述H电路为自行设计,参数计算不够精确,不利于在高速情况下进行控制,为了能进行更好的速度控制,最终采用直流电机驱动芯片,将H桥电路及保护电路集成到芯片内部,参数比较精准,有利于速度的控制;
硬件电路如图3.11所示。
图3.11集成芯片电路
3.6舵机控制模块
舵机型号:
FutabaS3010。
舵机本身是一个位置随动系统。
它由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电路组成。
通过内部的位置反馈,使它的舵盘输出转角正比于给定的控制信号,因此对于它的控制可以使用开环控制。
在负载力矩小于其最大输出力矩的情况下,它的输出转角正比于给定的脉冲宽度。
舵机接口一般采用三线连接方法,黑线为地线,红线为电源线,另外一根为控制信号线。
控制信号是周期在20ms左右的脉冲信号,脉冲信号高电平的宽度决定舵机输出舵盘的角度。
舵机主要参数如表3.1:
表3.1舵机主要参数
速度:
0.20sec/60°@4.8V
0.16sec/60°@6.0V
转矩:
72oz-in(5.2kg-cm)@4.8V
90oz-in(6.5kg-cm)@6V
由上表数据可以看出随着舵机输入电压的提高,舵机的反应速度和转矩也随着增大,因此我们采用电压直接供电。
3.7单片机模块
单片机的最小系统及功能如下:
①时钟电路给单片机提供一个外接的16MHz的石英晶振;
②串口的RS-232驱动电路可实现TTL电平RS-232电平的转换;
③BDM口让用户可以通过BDM调试工具向单片机下载和调试程序;
④供电电路主要向单片机提供+5V电源;
⑤复位电路是通过一个复位按键给单片机一个复位信号,调试过程中非常
有用;
⑥调试小灯和PORTB口相连,供程序调试使用。
最小系统及外围驱动电路PCB板设计如图3.12所示:
图3.12单片机最小系统和驱动电路PCB板设计图
第四章软件设计
主程序流图:
图4.1主程序流程图
4.1赛道识别
在智能小车控制系统中,感应线圈传感器(路径识别传感器)就是整个系统的“眼睛”,其对于路径的识别在控制系统中尤为重要。
为了便于讨论对感应线圈传感器进行编号,如图4.2所示。
L1L2L3L4L5L6L7L8L9
*********
图4.2感应线圈传感器编号
此智能车的路径识别传感器,在车的前方均匀排成一字型,每二个传感器的间距大约为1.7cm,即足够大但不大于感应线圈检测的最佳的宽度,这样,保证了在赛车压到导线的时候,总有传感器能检测到导线,而且能得到比较精确的位置。
为了得到智能车的精准位置,需要做一下处理:
⑴将9个感应线圈传感器信号通过单片机内部的A/D模块进行处理,将其转变为数字量,读入单片机中。
⑵归一化处理:
由于各个传感器的性能特性存在很大差异,特别是电压波动范围相差较
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