飞思卡尔技术报告Word格式.docx
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第一章引言
1.1课题研究背景及意义
智能汽车就是一种无人驾驶汽车,也可以称之为轮式移动机器人,主要依靠车内以计算机系统为主的智能驾驶仪来实现无人驾驶[25]。
它一般是利用车载传感器来感知车辆周围环境,并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息,控制车辆的转向和速度,从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶。
无人驾驶汽车从根本上改变了传统的“人一车一路”闭环控制方式,将不可控的驾驶员从该闭环系统中请出去,从而大大提高了交通系统的效率和安全性。
现代无人驾驶汽车以汽车工业为基础,以高科技为依托,遵循由低到高、由少到多、由单方面到多方面、螺旋上升的规律发展。
其横向发展离不开各种用途的实际需要,而其纵向发展的生命力在于持续不断的技术创新。
1.2智能车发展概况
达国家从20世纪70年代开始进行无人驾驶汽车研究,目前在可行性和实用性方面,美国和德国走在前列。
我国在无人驾驶汽车的开发方面要比国外稍晚,但是经过不懈努力也取得了丰硕的成果
在20世纪80年代,美国就提出自主地面车辆(ALV)计划,这是一辆8轮车,能在校园的环境中自主驾驶,但车速不高。
1995年,一辆由美国卡耐基梅隆大学研制的无人驾驶汽车Navlab—V,完成了横穿美国东西部的无人驾驶试验。
在全长5000km的美国州际高速公路上,整个实验96%以上的路程是车辆自主驾驶的,车速达50—60km/h。
尽管这次实验中的Navlab—V仅仅完成方向控制,而不进行速度控制(油门及档位由车上的参试人员控制),但这次实验已经让世人看到了科技的神奇力量。
2005年,美国国防部“大挑战”比赛上,最终由美国斯坦福大学工程师们改装的一辆大众途锐多功能车经过7个半小时的长途跋涉完成了全程障碍赛,第一个到达了终点。
在赛道上,无人驾驶汽车需要穿越沙漠、通过黑暗的隧道、越过泥泞的河床并需要在崎岖险峻的山道上行使,整个行程无人驾驶汽车需要
绕过无数个障碍[33]。
在无人驾驶技术研究方面位于世界前列的德国汉堡Ibeo公司,最近推出了其研制的无人驾驶汽车。
这辆无人驾驶智能汽车由德国大众汽车公司生产的帕萨特2.0改装而成,外表看来与普通家庭汽车并无差别,但却可以在错综复杂的城市公路系统中实现无人驾驶。
行驶过程中,车内安装的全球定位仪随时获取汽车所在准确方位的信息数据。
隐藏在前灯和尾灯附近的激光扫描仪是汽车的“眼”,它们随时“观察”汽车周围约183m内的道路状况,构建三维道路模型。
除此之外,“眼”还能识别各种交通标识,如速度限制、红绿灯、车道划分、停靠点等,保证汽车在遵守交通规则的前提下安全行驶。
最后由无人驾驶汽车的“脑”——安装在汽车后备厢内的计算机,将两组数据汇合、分析,并根据结果向汽车传达相应的行驶命令。
多项先进科技确保这款无人驾驶汽车能够灵活换档、加速、转弯、刹车甚至倒车。
在茫茫车海和人海中,它能巧妙避开建筑、障碍、其他车辆和行人,从容前行。
我国在无人驾驶汽车的开发方面要比国外稍晚。
国防科技大学从20世纪80年代开始进行该项技术研究。
1989年,我国首辆智能小车在国防科技大学诞生,这辆小车长100cm、宽60cm、重175kg,有3个轮子,前轮是一个导向轮,后边有两个驱动轮。
它包含了自动驾驶仪、计算机体系结构、视觉及传感器系统、定位定向系统、路径规划及运动控制系统,还有无线电通信、车体结构及配电系统。
1992年,国防科技大学研制成功了我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车。
由计算机及其配套的检测传感器和液压控制系统组成的汽车计算机自动驾驶系统,被安装在一辆国产的中型面包车上,使该车既保持了原有的人工驾驶性能,又能够用计算机控制进行自动驾驶行车。
2000年6月,国防科技大学研制的第4代无人驾驶汽车试验成功,最高时速达76km,创下国内最高纪录。
其智能控制系统主要由3部分组成:
传感器系统、自动驾驶仪系统和主控计算机系统。
由上海和欧盟科学家合作的中国城市交通中的无人驾驶技术(Cyberc3)项目取得了阶段性成果,首辆城市无人驾驶车在上海交通大学研制成功。
“无人驾驶技术”主要依靠车上的5个“器官”来保证。
首先是位于车头上的俯视摄像头,它是车辆的“眼睛”,能够准确识别地上的白线,从而判断前进方向。
在“眼睛”的一旁,一个凸出车头的激光雷达就像车辆的“鼻子”,随时“嗅”着前方80m范围内车辆和行人的“气息”。
而在车辆的左右两侧,两只超声传感器就像车辆的“耳朵”,倾听着四面八方的声音。
除了用“眼睛”指挥前进外,该车还可以通过另一种方式——用一只无形的“手”来感知地面的磁性物体,从而判断前进方向,而这只“手”就是位于车头底部的磁传感器。
但这种方法需要在车辆运行的道路上埋入磁钉。
最后的“器官”便是车辆的“脑”了,位于远处的遥控指挥中心是车辆的“大脑”,通过无线传输向车辆下达特殊指令;
而车辆内部的计算机则是它的“小脑”,通过汇聚“眼睛”、“鼻子”、“耳朵”、“手”所得到的信息来避开周围车辆和行人。
再配合程序中设计好的各景点的位置,无人驾驶车便能顺利地将乘客送到他们想去的地方[34]。
1.3智能车主要关键技术
无人驾驶汽车开发的主要技术有两个方面:
车辆定位和车辆控制技术。
这两方面相辅相成共同构成无人驾驶汽车的基础。
1.3.1车辆定位技术
车辆定位技术是无人驾驶汽车行驶的基础。
目前主要的定位技术有电缆导航、电磁导航、激光导航、GPS导航。
(1)电磁传感器导航技术要点
该技术的实现方法是在车辆将要经过的道路下埋设磁铁(每个相距一定的间隔)。
当车辆经过磁铁时,可以对位置进行检测和校正。
这项技术的优点是可以减低对基础设施的要求,但是车体的制造费用将会提高。
也可以通过软件对智能车辆的运行轨道进行调整,因为并不要求轨迹通过每个磁铁。
(2)电磁传感器导航优缺点
电磁导航是目前最成熟可靠的方案,现大多数均采用这种导航技术。
磁导航最大的优点是不受天气等自然条件的影响,即使风沙或大雪埋没路面也一样有效,而且便于维护。
另外,通过变换磁极朝向进行编码,可以向车辆传输道路特性信息,诸如位置、方向、曲率半径、下一个道路出口位置等信息。
但是,磁导航方法往往需要在道路上埋设一定的导航设备(如磁钉或电线),系统实施过程比较繁琐,且不易维护,变更运营线路需重新埋设导航设备[37]。
图1.1集成型电磁传感器
1.3.2车辆控制技术
车辆控制技术是无人驾驶汽车的核心,主要包括速度控制和方向控制等几个部分。
无人驾驶其实就是用电子技术控制汽车进行的仿人驾驶。
通过对驾驶员的驾驶行为进行分析可知,车辆的控制是一个典型的预瞄控制行为,驾驶员找到当前道路环境下的预瞄点,根据预瞄点控制车辆的行为。
目前最常用的方法是经典的智能PID算法,例如模糊PID、神经网络PID、专家PID等。
1.4“飞思卡尔”智能车比赛简介
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、结构设计四大竞赛的基础上,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。
比赛由国家教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办,飞思卡尔半导体公司协办。
由组委会提供统一的车模和单片机(通常为freescale16位单片机),要求各参赛队在不改变车模的底盘结构的前提下,通过选择适当的检测方案和控制算法,使车模能够在专门设计的跑道上自主地识别路线行驶,单圈行驶时间最短的赛车获胜。
比赛限制使用的传感器数量不得超过16个,总电容容量不得超过2000微法,电容最高充电电压不得超过电池电压。
这样,就提供了一个相同的比赛平台,使各个参赛队从检测和控制的角度来解决这个问题。
参赛队伍必须仔细研究车模的数学模型以及其控制方案,最终能将车模的性能尽可能多地发挥出来[1,2,27,29,]。
图1.2第五届“飞思卡尔”智能车比赛华东赛区比赛场景
1.5本文主要研究内容
本文以第五届全国大学生智能汽车竞赛为背景,采用XS128单片机作为核心控制芯片,利用电磁传感器进行路径判断,为了保证小车能有较高的行驶速度和良好的稳定性,本文主要从硬件角度进行了以下几方面的研究:
(1)根据车辆的运动原理及相关机械结构的理论,对车模的机械结构进行调整,如调整舵机位置、改变舵机的传动方式、调节主销、电路板在车体的排布、电磁传感器的安装位置等;
(2)分析智能车所需达到的技术要求,设计并制作出每一个模块的PCB板,包括传感器、芯片及电源等模块,并对各个模块进行检测,确保各个模块都能达到相应的技术指标;
(3)将各个硬件模块构建成完整的智能车系统,并对整个智能车系统进行联机调试;
本文结构安排如下:
第一章,引言。
介绍了课题研究背景及意义、无人驾驶汽车技术国内外研究现状、全国大学生智能汽车竞赛概况。
最后介绍了本文的主要研究工作。
第二章,智能汽车系统总体设计。
包括需求分析、智能汽车系统总体设计方案、硬件结构框图、主要子模块的功能介绍和系统的工作原理介绍。
第三章,智能汽车系统机械结构的设置与调整。
根据汽车运动原理及机械结构的相关理论,对模型车车体机械系统的各部分进行了布局与调整。
第四章,智能汽车系统的硬件电路设计。
详细介绍了各功能模块的设计,包括方案的论证与确定,芯片和相关器件的选型与具体电路的设计。
第五章,PCB电路板的设计与制造。
对各模块电路板的布局、布线方案进行介绍。
第六章,智能汽车系统的调试。
介绍了硬件系统各功能模块的调试过程以及系统的联合调试。
最后,对硬件系统存在的不足进行总结归纳,并给出了今后的改进方向。
最后对整个工作进行了总结。
第二章智能车总体设计
2.1系统需求分析
本文所需设计的智能车系统,最终达到的要求是以尽可能高的速度完成比赛,这就要求小车的传感器要有快速而准确的反应能力、动力系统能够达到较高的速度、整车系统要有较高的稳定性等。
对应于传感器模块,因为电磁传感器无法进行有效的前瞻观测,所以这就要求传感器对当前路径的判断要快速而准确判断。
为了在小前瞻的情况保证高速且不冲出赛道,这就要求电机驱动部分要有良好的加速与制动性能。
另外,为了提高车辆的灵敏度与稳定性,还要对它的机械机构进行相应的改进。
智能汽车使用镍镉电池组作为电源供给,而电池组的电量有限,故智能汽车应该通过电源模块合理分配电池电量,最大限度地发挥电池的驱动能力,并合理的运用隔离技术,为系统的各个模块提供稳定的电力供给。
最后为了使整个智能车系统达到较高的性能,需要对各个模块进行合理设计,使各个部分有机统一起来,高效协调的工作。
2.2系统总体组成结构
一般来说,智能汽车系统分为两个部分:
硬件系统与软件系统。
硬件系统包括了电路系统和机械系统;
而软件系统则可以分为底层代码和实现算法,后者主要包括用于实现路径识别的算法、电机转速闭环、舵机角度控制和导引策略等。
具体层次结构如图2.1所示。
本文主要侧重于基于电磁传感器引导的硬件系统的设计。
图2.1智能汽车系统结构图
根据需求分析,经过仔细研究,决定采用模块化设计。
智能汽车的硬件系统由核心控制模块(MCU)、电磁传感器模块、电源管理模块、存储器模块、电机驱动模块、舵机驱动模块、人机接口模块、无线通讯模块和放电器模块组成,如图2.2所示。
图2.2智能汽车控制系统总体设计框图
图中各构成模块功能介绍如下:
(1)电源管理模块:
对电池电压实时显示,电平转换并提供稳压输出,为系统各模块可靠供电。
(2)人机接口模块:
提供运行模式输入接口;
显示系统的运行状态。
(3)无线通信模块:
将传感器数据实时发送到上位机,便于上位机的数据分析,参数修正,从而提高调试效率。
(4)核心控制模块:
以飞思卡尔16位单片机为核心控制器,完成传感器信息的分析处理,决策直流电机及伺服舵机的控制。
(5)传感器模块:
包括电磁传感器、速度传感器和加速度传感器,其中速度传感器部分又包括旋转编码器和鉴相电路。
它们将前方路径信息、车体速度信息和三轴加速度信息采集,并反馈给控制器。
(6)电机驱动模块:
根据控制器输出的PWM信号进行直流电机的转速控制。
(7)舵机驱动模块:
根据控制器输出的PWM信号进行伺服舵机的角度控制。
(8)存储器模块:
采用SPI型EEPROM,为单片机提供充足的片外存储空间,便于常用数据、指令的存储和功能扩充。
2.3系统工作原理
智能汽车系统的工作原理是预瞄理论和闭环控制理论的典型体现。
其示意图如图2.3所示。
图2.3智能车系统工作原理示意图
在本文中,智能车系统通过电磁传感器来检测当前赛道的信息,并将赛道信息传送给单片机,单片机经过AD转换得出一定数值,将其与设定的阈值进行比较。
同时,智能车系统通过编码器和加速度传感器构成的反馈渠道将车体的行驶速度及加速度信息传送给主控单片机。
单片机综合以上两方面的情况做出决策判断,并根据已经设定好的程序内容发出不同的PWM信号控制直流电机和舵机进行相应动作,从而实现车体的转向控制和速度控制。
2.4控制系统特点说明
(1)本系统采用了MC9S12XS128作为主控芯片。
XS128是飞思卡尔公司推出的S12系列单片机的一款增强型16位单片机,片内资源丰富,拥有SPI、SCI、IIC、A/D和PWM等常见的接口模块,在汽车电子应用领域具有广泛的用途。
(2)为了提高系统的可靠性,本系统硬件方面采用了抗干扰技术。
包括:
信号光电隔离技术、多电源隔离技术、电磁兼容性分析等。
(3)精简的人机接口界面,电路板外形结构与实际车体尺寸装配协调。
(4)系统采用模块化设计,便于故障检测,另外各接口均留有相对应的备份,利于功能扩展和删减。
(5)电机驱动模块采用了性能优越的H桥驱动芯片TD340。
H桥由大功率MOS管IRL7833S构成,避免了由于电机制动或堵转引起的驱动模块发烫,提高了电机的稳定性、可靠性。
(6)利用旋转编码器的双相输出,巧妙的通过一片D触发器芯片74HC74搭建了一个鉴相电路,实现了车体行进方向的识别。
2.5本章小结
本章介绍了智能汽车控制系统的总体设计方案。
首先分析了系统的需求,并根据需求划分了系统的几个模块。
在系统模块化的基础上,确定了硬件系统的具体方案,并简要给出了系统的工作原理。
本章的最后介绍了这套硬件系统的主要特点。
第三章智能车机械设计
3.1基本结构参数介绍
由于本文以“飞思卡尔杯”全国大学生智能汽车竞赛为背景,所以为了符合赛事的要求,一些最基本的器件型号相对固定。
3.1.1模型车车体
模型车车体由东莞市博思电子科技有限公司提供,型号为G768,长34.6cm,宽24.5cm,高7.0cm,重1.2kg。
实物如图3.1所示。
图3.1模型车车体
然而,经过长时间的实际调试,发现该模型车的底盘部分偏软且做工较为粗糙,包括定位孔、悬架系统等多个方面。
因此,有必要对其机械结构进行仔细的调整。
3.1.2舵机
舵机由Futaba公司提供,型号为S3010,具有低成本、高扭矩的特点。
该舵机内部结构为:
舵盘、齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等。
它的工作原理为:
脉宽信号给定参考位置,舵机内部电路通过反馈控制调节舵盘角位。
舵盘角位由PWM控制信号的脉宽决定。
舵机实物如图3.2所示。
图3.2S3010舵机
舵机的技术规格如表3.1所示。
表3.1S3010舵机技术规格
重量
41[克]
工作温度范围
-10~+45[摄氏度]
工作电压范围
4.0~6.0[伏]
消耗电流
(6.0V,空载)
停止:
最大15[毫安]
动作:
115~175[毫安]
输出扭矩(6.0V)
5.2~7.8[千克/厘米]
动作速度(6.0V)
0.14~0.18[秒/60度]
最大转角
顺时针:
50~70[度]
逆时针:
左右差:
最大10[度]
3.1.3直流电机
直流电机是由宁波市鄞州云龙卓航电机厂生产的RS-380SH-4045电机,如图3.3所示。
图3.3RS-380SH-4045直流电机
该电机的负载特性如图3.4和表3.2所示。
图3.4电机负载特性
表3.2电机特性参数
电压
空载
最大效率
堵转
工作范围
额定电压
速度
电流
扭矩
输出功率
r/min
A
mN.m
g.cm
W
3~9
7.2
16200
0.5
14060
3.29
10.9
111
16
82.3
839
21.6
由上可知当电机堵转时,电机性能将会严重下降。
另外,堵转电流很大,容易损坏电池,因此,在调试的过程中需要尽量避免堵转现象的发生。
3.2机械结构调整与改造
3.2.1前轮定位参数调整
现代汽车在正常行驶的过程中,为了使汽车直线行驶稳定,转向轻便,转向后能自动回正,并减小轮胎和转向零件的磨损等,在转向轮、转向节和前轴之间形成一定的安装位置,叫做车轮定位。
其主要定位参数包括:
主销后倾、主销内倾、车轮外倾和车轮前束。
此模型车前轮的四项定位参数均可调。
主销后倾角:
主销在汽车的纵向平面内(汽车的侧面)有一个向后的倾角γ,即主销轴线与地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角,称为“主销后倾角”。
主销后倾,可以使汽车在车轮偏转后会产生一个回正力矩,纠正车轮的偏转。
例如对上图而言,这辆沿直线行驶的汽车突然开始偏转,其轮胎沿图中箭头方向转动。
此时,在轮胎与路面的接触点处,路面会对轮胎产生一个侧向反作用力Y。
由于Y不通过车轮主轴线,从而会形成使车轮绕主轴线旋转的力矩YL。
该力矩的方向与车轮偏转方向相反,因此能使车轮恢复到原来的位置,从而保持了汽车直线行驶的稳定性。
另外,由上述原理不难看出,车速越快,主销后倾角越大,车轮偏转后自动回正的能力就越强。
然而,车轮的回正力矩不宜过大。
回正力矩将会导致车轮回正过猛,进而加速车轮的摆振,导致转向沉重。
通常将后倾的角度值设定在1°
到3°
之间。
这里,对于本模型车而言,可以通过增减黄色垫片的数量来改变主销后倾角:
每侧有4片垫片,前2后2后倾角为0°
;
前1后3,后倾角为2°
间;
前0后4,后倾角为4°
到6°
间。
为了确保车体直线行驶的平稳性,这里采用“前0后4”的方案,即将后倾角设定为4°
之间,如图3.5所示。
图3.5主销后倾角调整示意图
主销内倾角:
主销在汽车的横向平面内向内倾斜一个角度,即主销轴线与地面垂直线在汽车横向断面内的夹角,称为“主销内倾角”,如图3.6所示。
图3.6主销内倾示意图
主销内倾角也有使车轮自动回正的作用。
当转向轮在外力作用下发生偏转时,由于主销内倾的原因,车轮连同整个汽车的前部将被抬起一定高度;
当外力消失后,车轮就会在重力作用下恢复到原来的中间位置,从而起到静态回正的作用。
适当的内倾角可以使转向操纵轻便,但内倾角同样不宜过大,否则在转向时车轮绕主销偏转的过程中轮胎会与路面产生较大的滑动,从而会增大路面与轮胎间的摩擦力。
这不仅会使转向变得沉重,还将加速轮胎的磨损,通常汽车主销内倾角不大于8°
。
模型车通过调整主销连接螺杆的长度来改变主销内倾角。
介于主销内倾角的不恰当增大可能会影响转向性能,故并没有对这一参数进行调整,如图3.7所示。
图3.7主销内倾角调整示意图
前轮外倾角:
通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角称为“前轮外倾角”,如图3.8所示。
图3.8前轮外倾示意图
前轮外倾主要起着防止轮胎变形的作用。
因为车体本身的重量,车体将因承载而变形,从而导致车轮内倾,这将加速轮胎的偏磨损。
为了使车轮接近垂直路面而滚动,使轮胎磨损均匀,安装轮胎时应使其具有一定的外倾角。
另一方面,适当的外倾也会延长车轮连接件的使用寿命。
当然,这个角也不能过大,否则同样会使轮胎产生偏磨损。
一般前轮外倾角为1°
左右,在对本模型车调节中,其底盘承重不大,前轮外倾角只有两档可调,设为0°
即可。
前轮前束:
前束是指两轮之间的后距离数值与前驱离数值之差,也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。
前轮前束是为了减轻或者抵消前轮外倾而造成的不良后果,两者间需要协调。
车轮有了外倾角之后,就会导致两侧车轮向外滚开,车轮在路面上会出现边滚边滑的现象,从而加速轮胎的磨损。
为了缓解这种情况,在安装车轮时使两轮前边缘距离小于后边缘距离,这样可使车轮的滚动方向接近于正前方。
模型车通过改变与舵机相连接的左右横向拉杆的长度来改变前轮前束的大小。
对本系统而言,由于前轮外倾角设置为0,故没有进行前轮前束的调整,如图3.9所示。
图3.9模型车前轮横拉杆示意图
3.2.2后轮轮距调整
车辆轮距对车辆的稳定性有一定影响,较宽的轮距可以增加车辆的稳定性,减少后轮侧滑的可能性。
智能汽车底盘套件有两种轮距可供选择,把后轮
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