飞思卡尔-智能车入门

“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛学习报告从外观上看，智能车系统主要表现为由一系列的硬件组成，包括组成车体的底盘、轮胎、舵机装置、马达装置、道路检测装置、测速装置和控制电路板等。硬件是智能车系统的基础，没有一个好的硬件平台，智能车就无法运行。而软件部分则是整个智能车系统的灵魂，软件的核心是控制算法，完成这些任务的编程语言有汇编语言和C语言。在智能车竞赛中，硬件往往大同小异，真正决定比赛成绩的往往是软件部分，尤其是核心控制算法的设计。下面从硬件和软件两个方面来解决一些智能车设计中的问题。硬件部分：1.飞思卡尔智能车的大脑与核心——MC9S12DG128。MC9S12DG128是飞思卡尔半导体公司的汽车电子类产品，隶属于飞思卡尔单片机的S12系列，其内核为CPU12高速处理器。MC9S12DG128B拥有丰富的片内资源，flash达128kb，有16路AD转换，精度最高可设置为10位；有8路8位PWM并可两两级联为16位精度PWM，特别适合用于控制多电机系统。它的串行通信端口也非常丰富，有2路SCI，2路SPI此外还有IIC，CAN总线等端口，并且采用了引角复用功能，使得这些功能引角也可设置为普通的IO端口使用。此外它内部还集成了完整的模糊逻辑指令，可以简化我们的程序设计。MC9S12DG128的功能非常强大，也很复杂，但是我们也不需要完全了解，只需要学习智能车制作中用到的几个模块，比如ECT、ADC、PWM、MDC、PLL、SCI等。S12单片机在使用过程中会涉及到电源、时钟、滤波、IO接口、复位、BDM接口、串行通讯等各种硬件电路设计，电路布局可以参考飞思卡尔官方用户指导的说明。同时各寄存器模块功能参数也可以查阅用户指导。2.智能车动力的源泉——直流电机。直流电机为智能车提供动力，控制着智能车的车速，是智能车系统的重要部分。在飞思卡尔智能车大赛中，电机涉及到的方面包括驱动电路，电机调速电路，转速测量电路等。1）电机驱动电路。图1图1是一个典型实用的简单直流电机调速驱动电路，功率管的选择由电机的功率决定，由于电机启动的时候存在较大的浪涌电流，其标称电流取电机正常工作时电流的3～5倍。PWM信号的占空比决定电机的转速，故电机的调速可通过改变PWM信号的占空比实现。2）PWM（脉宽调制）调速在PWM调速系统中，在电源电压Ud不变的情况下，电枢端电压的平均值U0取决于占空比的大小，即改变占空比的值可以改变电枢端电压的平均值，从而达到调速的目的。一般可以采用定宽调频、调宽调频、定频调宽三种方法改变占空比的值，但是前两种方法在调速时改变了控制脉宽的周期，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时将会引起振荡，因此常采用定频调宽法改变占空比的。图2.PWM调速控制输出电压波形直流电机电枢两端电压：电机驱动调速电路既可以直接采用MC33886电机驱动芯片，也可以采用大功率MOS管来自行设计电机驱动电路。图3.MC33886驱动电路图4.大功率MOS管驱动电路3）.车速检测车速检测是通过检测驱动电机的转速来实现的，常用的测速方法有三种：1.转角编码盘转角编码盘分为绝对位置输出和增量式位置输出两种。一般可使用增量式编码盘。它输出脉冲的个数正比于电机转动的角度，从而使编码盘输出脉冲的频率正比于转速。可以通过测量单位周期内脉冲个数或者脉冲周期得到脉冲的频率。2.反射式光电检测反射式光电检测是在后轮齿轮传动盘上粘贴一个黑白相间的码盘，通过安装在码盘侧面的反射式红外传感器，来读取光码盘的转动脉冲。其原理和转角编码盘测速原理是类似的。图5.光电式脉冲编码器结构3.霍尔传感器检测霍尔传感器是基于霍尔效应原理，将电流、磁场、位移、压力、转速等被测量转换成电动势输出的一种传感器。虽然转换率低、温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温度补偿，但霍尔传感器具有结构简单、体积小、坚固、频率响应宽、动态范围大、无触点、寿命长、可靠性高，以及易于微型化和集成电路化等优点。图6.三种不同结构的霍尔式转速传感器图7.测速传感器的安装3.光电式传感器布局——光电组光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。光电式传感器工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化，从而实现非电量的测量。光电式传感器的核心是光电器件，光电器件的基础是光电效应。各个光电传感器的布局间隔对智能车的运行，是有一定影响的。传感器的间隔是否合适，对过弯的精确性以及防止飞车有很大的影响。设定传感器间隔的原则是：既要满足一定的密度以保证走弯道时轨迹相对精确，又要尽可能拥有大的横向控制范围来防止飞车。若传感器间隔设置合适，当赛道有一点微小的变化时，小车的控制单元就能进行相应的反应（改变前轮转角），从而使得过弯道的轨迹与弯道大体重合，精确性好。光电式传感器有以下几种布局：（1）“一”字形布局:“一”字形布局是传感器最常用的布局形式，即各个传感器在一条直线上，从而保证纵向的一致性，使其控制策略主要集中在横向上，其排布如下图所示。图8.“一“字型布局（2）“八”字形布局:“八”字形布局从横向来看与“一”字形布局类似，但它增加了纵向的特性，从而具有了一定的前瞻性，其排布如图9所示。图9.“八”字形布局（3）“W”字形布局:为了能够提早地预测到弯道的出现，我们还可以将左右两端的传感器进行适当前置，从而形成“W”形布局，此外，还可利用“W”形布局来检测赛道的弯曲程度。其光电管排布如图10所示。图10.“W”字形布局4.摄像头安装与视频信号采集——摄像头组图像传感器又称为摄像器件，在智能车设计中非常常见，能够实现可见光、紫外线、X射线、近红外光等的探测。摄像头以隔行扫描的方式采样图像，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对应的电压值，然后将此电压值通过视频信号端输出。CCD摄像头的性能参数包括灵敏度、分辨率、信噪比、光谱响应、动态范围和暗电流等，摄像头性能的优劣可由上述参数来衡量。（1）光电转换特性CCD图像传感器的光电转换特性如图所示。图中x轴表示曝光量，y轴表示输出信号幅值-，QSAT表示饱和输出电荷，QDARK表示暗电荷输出，ES表示饱和曝光量。图11.光电转换特性（2）灵敏度和灵敏度不均匀性CCD图像传感器的灵敏度或称为量子效率，标志着器件光敏区的光电转换效率，用在一定光谱范围内单位曝光量下器件输出的电流或电压表示。实际上，图11中CCD光电转换特性曲线的斜率就是器件的灵敏度，即理想情况下，CCD器件受均匀光照时，输出信号幅度完全一样。实际上，由于半导体材料不均匀和工艺条件因素影响，在均匀光照下，CCD器件的输出幅度出现不均匀现象。（3）分辨率分辨率是用来表示分辨图像中明细细节的能力的。它通常有两种不同的表示方式：①极限分辨率。一黑一白两个线条称为一个“线对”，透过对应光的亮度为一明一暗。而极限分辨率是指人眼能够分辨的最细线条数，通常用每毫米线对数（1P/mm）来表示。②调制传递函数。每毫米长度上所包含的线对数称为空间频率，其单位是1P/mm。设调幅波信号的最大值为maxA最小值为minA，平均值为0A，振幅为mA，如图2.4所示，定义调制度M为maxminmaxminAAMAA图12.调制度的定义（4）CCD的噪声CCD的噪声源可归纳为三类：散粒噪声、暗电流噪声和转移噪声。①散粒噪声光注入光敏区产生信号电荷的过程可以看成是独立、均匀连续发生的随机过程。单位时间内光产生的信号电荷数并非绝对不变，而是在一个平均值上作微小波动，这一微小波动的起伏便形成散粒噪声，又称为白噪声。②暗电流噪声暗电流噪声可以分为两部分：其一是耗尽层热激发产生的，可用泊松分布描述；其二是复合产生中心非均匀分布，特别是在某些单元位置上形成暗电流尖峰。由于器件工作时各个信号电荷包的积分地点不同，读出路径也不同，这些尖峰对各个电荷包贡献的电荷量不等，于是形成很大的背景起伏，这就是常称的固定图像噪声的起因。③转移噪声转移噪声产生的主要原因有：转移损失引起的噪声、界面态俘获引起的噪声和体态俘获引起的噪声。输出结构采用浮置栅放大器，噪声最小。摄像头连续地扫描图像上的一行，就输出一段连续的视频信号，该电压信号的高低起伏正反映了该行图像的灰度变化情况。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对应的电压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。然后扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场的信号，接着会出现一段场消隐信号。其中有若干个消隐脉冲，在这些消隐脉冲中，有一个消隐脉冲远宽于其他的消隐脉冲，该消隐脉冲称为场同步脉冲，标志着新的一场的到来。摄像头每秒扫描25帧图像，每帧又分奇、偶两场，故每秒扫描50场图像。图13.摄像头视频信号摄像头视频信号端接LM1881的视频信号输入端，同时也接入S12的一个A/D转换器口（选用PAD1）。LM1881的行同步信号端（引脚1）接入S12的一个外部中断IRQ口。LM1881的奇-偶场同步信号输出端接S12的普通I/O口即可（选用PORTM0）。图15.摄像头驱动参考电路5.20KHz交流电磁信号的测量——电磁组根据电磁学，在导线中通入变化的电流(如按正弦规律变化的电流)，则导线周围会产生变化的磁场，且磁场与电流的变化规律具有一致性。如果在此磁场中置一由线圈组成的电感，则该电感上会产生感应电动势，且该感应电动势的大小和通过线圈回路的磁通量的变化率成正比。由于在导线周围不同位置，磁感应强度的大小和方向不同，所以不同位置上的电感产生的感应电动势也应该是不同。据此，则可以确定电感的大致位置。设计方案：本设计采用PWM信号驱动，当PWM信号脉宽处于(1ms,1.5ms)区间时舵机控制小车向左行驶，脉宽处于(1.5ms,2ms)时小车向右行驶，脉宽约为1.5ms时小车沿直线行驶。本方案使用两个10mH的电感置于车模头部作为确定小车位置的传感器。然后，设计了一个模拟电路，采集、调理、放大由电感得到的电动势信号。具体电路如图所示。以上电路采用电压并联负反馈电路，电感信号从PL进入。考虑到单独电感感应出的电动势很小，本设计使用电感和电容谐振放大感应电动势。由于使用的是10mH的电感，导线中电流频率为20kHz，因此使用6.3nF的电容。这样在电容上得到的电压将会比较大，便于三极管进行放大。整个电路的具体放大倍数需要根据实际负载进行计算。方向控制原理：对于直导线，当装有小车的中轴线对称的两个线圈的小车沿其直线行驶，即两个线圈的位置关于导线对称时，则两个线圈中感应出来的电动势大小应相同、且方向亦相同。若小车偏离直导线，即两个线圈关于导线不对称时，则通过两个线圈的磁通量是不一样的。这时，距离导线较近的线圈中感应出的电动势应大于距离导线较远的那个线圈中的。根据这两个不对称的信号的差值，即可调整小车的方向，引导其沿直线行驶。对于弧形导线，即路径的转弯处，由于弧线两侧的磁力线密度不同，则当载有线圈的小车行驶至此处时，两边的线圈感应出的电动势是不同的。具体的就是，弧线内侧线圈的感应电动势大于弧线外侧线圈的，据此信号可以引导小车拐弯。另外，当小车驶离导线偏远致使两个线圈处于导线的一侧时，两个线圈中感应电动势也是不平衡的。距离导线较近的线圈中感应出的电动势大于距离导线较远的线圈。由此，可以引导小车重新回到导线上。由于磁感线的闭合性和方向性，通过两线圈的磁通量的变化方向具有一致性，即产生的感应电动势方向相同，所以由以上分析，比较两个线圈中产生的感应电动势大小即可判断小车相对于导线的位置，进而做出调整，引导小车大致循线行驶。6.舵机控制单元舵机由舵盘、位置反馈电位计、减速齿轮组、直流动电机和控制电路组成，内部位置反馈减速齿轮组由直流电动机驱动，其输出轴带动一个具有线性比例特性的位置反馈电位器作为位置检测。当电位器转角线性地转换为电压并反馈给控制电路时，控制电路将反馈信号与输入的控制脉冲信号相比较，产生纠正脉冲，控制并驱动直流电机正向或反向转动，使减速齿轮组输出的