飞思卡尔智能车设计方案

飞思卡尔智能车设计方案团队名称：星源三号团队队员：吴飞运覃征杰李江锦参赛类别：摄像头组2008年3月28日飞思卡尔智能车设计方案本智能车系统以飞思卡尔公司的HCS12单片机为控制核心，，以CCD视频摄像头作为路径检测传感器，以光电编码器作为速度传感器，用PWM(脉冲宽度调制)波对电机和舵机进行控制，可以采用了PID算法和滞后补偿算法，提高智能车寻迹的平均速度。实现自动寻迹功能。一．总体设计二．智能车的具体设计和实现2.1路径的检测利用CCD对路面进行探测，通过单片机进行图像处理，可以探测车前方比较远的距离，再结合车目前的状态进行综合处理，可以提前预测减速转弯等。从网上查找到的一些资料，摄像头的工作原理是：按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采集图像上的点，当扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度一一对应的电压值，然后将此电压值通过视频信号端输出。具体而言，摄像头连续地扫描图像上的一行，则输出就是一段连续的电压信号，该电压信号的高低起伏反映了该行图像的灰度变化。当扫描完一行，视频信号端就输出一个低于最低视频信号电压的电平（如0.3V），并保持一段时间。这样相当于，紧接着每行图像信号之后会有一个电压“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脉冲，它是扫描换行的标志。然后，跳过一行后（因为摄像头是隔行扫描的），开始扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场的视频信号，接着又会出现一段场消隐区。该区中有若干个复合消隐脉冲，其中有个远宽于（即持续时间长于）其它的消隐脉冲，称为场同步脉冲，它是扫描换场的标志。场同步脉冲标志着新的一场的到来，不过，场消隐区恰好跨在上一场的结尾和下一场的开始部分，得等场消隐区过去，下一场的视频信号才真正到来。摄像头每秒扫描25幅图像，每幅又分奇、偶两场，先奇场后偶场，故每秒扫描50场图像。奇场时只扫描图像中的奇数行，偶场时则只扫描偶数行。摄像头视频信号然后，通过视频同步信号分离芯片LM1881对视频信号进行分析，可从摄像头信号中提取信号的时序信息，如行同步脉冲、场同步脉冲和奇、偶场信息等，并将它们转换成TTL电平直接输给单片机的I/O口作控制信号之用。通过单片机的外部中断以及定时中断的功能，采集每行的视频信号的电压值，采用单片机的超频技术，经过单片机的AD转换，算出路径的中心，控制舵机的角度，实现自动巡线功能。LM1881的接线图示2.2速度检测根据以前的经验，利用霍尔传感器检测检测磁场变化，可以得到电脉冲信号获取后轮转动速度。但是这种方法检测的精度不够高，所以采用光电传感器。利用齿轮的间隙获得脉冲信号。根据学长的提议，采用旧鼠标的光电传感器的光电码盘进行速度检测。光电码盘测距基本原理如下：旋转轴转动，带动码盘转动，码盘上刻有许多狭缝，码盘转动时发射光透过狭缝被接收元件接收，将信号整形后送入计数器，用计数器对接收到的信号进行计数。用这种方法能很精确地计算出小车在行驶时的车速。2.3驱动电路的设计采用MC33886电机驱动H-桥芯片作为电机的驱动元件。通过MC9S12DG128输出的PWM信号来控制直流驱动电机。MC33886的工作电压为5-40V，导通电阻为120毫欧姆，输入信号可以是TTL或CMOS，PWM频率通常小于10KHz，并且具有短路保护、欠压保护、过温保护等功能。从芯片的内部封装（见图）可以看出，MC33886实质是全桥电路，可做两个半桥电路使用。芯片通过PWM波开启关闭通道，输出不同电压控制电机。MC33886的典型驱动电路MC33886芯片内部封装图2.4软件设计本程序设计由以下几个模块组成：单片机初始化模块，实时路径检测模块，舵机控制模块，驱动电机控制模块，中断速度采集模块，速度模糊控制模块。（1）单片机的初始化模块包括：I/O模块、PWM模块、计时器模块、定时中断模块初始化。（2）实时路径检测模块：前排光电传感器检测黑线，将返回信号输入单片机的输入端口，程序不间断地读入输入端口的信号，通过判断语句，得出合适的PWM信号控制舵机转向（3）舵机控制模块，驱动电机控制模块：通过直接输出PWM信号控制。舵机的控制采用开环控制，驱动电机采用模糊算法闭环控制。（4）中断速度模糊控制模块实现：通过输出比较中断实现每10ms产生一次中断，并由累加器从旋转编码器信号线读入脉冲数，通过模糊运算得出PWM信号值输出控制转速电机控制速度。算法设计驱动电机的PID控制算法对驱动电机的控制，通过PD控制。1nnnMVMVMV1112()(()())nnnnnnnnMVKpeeKieKdeeee其中，nMV、1nMV：当前和上次操作量nMV：当前操作量微分ne、1ne、2ne：当前偏差、n-1次偏差，n-2次偏差Kp、Ki、Kd的数值通过实验得到。为了得到与目标速度的偏差，利用转速传感器测量当前驱动电机的速度。图2.12是PID控制框图。通过离散式增量式PID算法，比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。应用PID控制，必须适当地调整比例放大系数KP，积分时间TI和微分时间TD，使使智能小车的整个控制系统得到良好的性能。通过以上的基本设计，以及我们对S12单片机的熟悉程度，还有我们的齐心协力、努力拼搏，我们相信一定可以使小车的速度更快，更稳的驰骋赛场！2008年3月28日团队及队员简介：团队名称：星源三号团队队员：吴飞运（0600310326）13207739246覃征杰（0600310322）13377321873李江锦（0600310215）15978059163获奖情况：“科蓝杯”电子设计竞赛二等奖（2007年）KpKi/sKdsG(s)yeu+_+++rKpKi/sKdsG(s)yeu+_+++r