95全国大学生智能车大赛作品-智能循迹小车技术文档

MC9S12DG128BMMA1260DCCD摘要本文是为参加第二届全国大学生智能小车竞赛而撰写的的技术报告，本文详细介绍了智能寻迹小车的路径检测、转向控制、电机驱动、车速检测、坡度检测、电源管理等功能模块硬件电路及软件控制算法的设计。智能小车以“飞思卡尔”16位微控制MC9S12DG128B为主控制器，采用CMOS摄像头和红外传感器相结合的方法（红外传感器主要用来检测起跑线和“十”字路线）来检测路面信息，运用反射式红外传感器检测小车速度，MMA1260D传感器检测路面坡度信息。同时，采用PWM技术控制舵机的转向和电机转速。系统还扩展了LCD液晶显示屏和键盘模块作为人机操作界面，以便于智能小车的相关参数调整。用串口将采集的路面黑线信息传送到PC进行分析，结合BangBang速度闭环控制等算法，控制小车沿着预设的轨道黑线及时调整车身姿态，准确、快速地跑完全程。第一章概述1.1智能车系统概述及框图本文详细介绍了智能寻迹小车的路径检测、转向控制、电机驱动、车速检测、坡度检测、电源管理等功能模块硬件电路及软件控制算法的设计。智能小车以“飞思卡尔”16位微控制MC9S12DG128B为主控制器，采用CCD摄像头和红外传感器相结合的方法（红外传感器主要用来检测起跑线和“十”字路线）来检测路面信息，运用反射式红外传感器检测小车速度，MMA1260D传感器检测路面坡度信息。同时，采用PWM技术，控制舵机的转向和电机转速。系统还扩展了LCD液晶显示屏和键盘模块作为人机操作界面，以便于智能小车的相关参数调整。用串口将采集的路面黑线信息传送到PC进行分析，结合PID等算法，控制小车沿着预设的轨道黑线及时调整车身姿态，准确、快速地跑完全程。根据摄像头和红外传感器结合的方案设计，赛车共包括八大模块：控制处理芯片MC9S12DG128，图像采样模块，车尾红外传感器模块，速度检测模块，坡度检测模块、舵机驱动模块，电机驱动模块和辅助调试模块。以下是赛车硬件系统的框图1.1：其中S12单片机是系统的核心部分。它负责接收赛道图像数据、赛车速度等反馈信息，并对这些信息进行恰当的处理，形成合适的控制量来对舵机与驱动电机进行控制。图像采样模块由S12的AD模块，外围芯片（LM1881）和电路，与摄像头组成。其功能是获取前方赛道的图像数据，以供S12作进一步分析处理。车尾红外传感器模块由2个TCRT5000红外传感器以及比较器LM324N组成，该模块的功用是检测检测起跑线和“十”字路线，主要目的是为了使小车第一圈以一个较为稳定的速度跑动，检测到第二圈的起跑线时，小车自动切换到一个比较快的速度进行跑动，这样既可以采用“保守”方式获得成绩，又可以尝试其他比较“冒险”的速度或者算法。速度传感器模块由黑白相间的编码盘和反射型红外传感器组成，靠定时检测反射型红外传感器电脉冲脉冲累积数来间接求得赛车的速度值。坡度检测模块主要由MMA1260D芯片组成，通过AD转换感应坡度变化。舵机模块和电机驱动模块分别用于实现赛车转向和前进。辅助调试模块主要由键盘模块和LCD显示模块组成，该模块主要为方便调整赛车系统参数和运行策略等方面而设计。1.2智能车主要技术参数智能车的设计主要体现在电路板和机械结构上面，对于机械结构主要调整了主销后倾角和前轮内倾角，另外增加了四块控制电路：第一块是COMOS摄像头电路，其通过支架固定于车头的上方。第二块是主控制电路，固定于车身正上方，其包含了智能车的各功能模块的硬件电路，以及一些辅助电路的接口，包括CMOS摄像头及其它一些辅助调试电路接口。第三块是车尾红外传感器检测模块，其安装在车尾已有的两个螺孔上。第四块是测速模块，主要由反射式红外传感器和编码盘组成，其安装在后轮附近。智能车改造后的主要技术参数如表1.1所示，各部分的安装如下图1.1~1.6所示。1.3本文结构安排本文是该参赛队伍成员在指导老师指导下合作完成，是对参赛的智能小车制作技术方案、设计思路、制作调试过程以及相关技术研究内容形成的总结性报告。本文共分为十三章，第一章为概述部分，主要说明小车的总体情况和全文的安排；第二章讲述系统方案的论证，以及给出本组方案选择的原因；第三章对小车的机械结构的调整做了详细的说明；第四章至第十章分别详细的阐述了电源模块、舵机模块、红外检测模块、电机驱动模块、速度检测模块、坡度检测模块、摄像头采样模块的电路实现和控制算法；第十一章说明了小车系统的整体控制策略和算法实现；第十二章介绍了一些调试模块对小车系统调试的功用以及他们的具体实现，包括键盘模块、LCD显示模块以及MC9S12DG128通过串口与PC实现通讯。最后一章是结论和创新点，同时指出需要进一步努力的地方。系统整体设计CCDPWMADCCMOS为了使小车沿着规定的赛道自动寻找黑色引导线并尽可能地高速前进，汽车必须具备一套集导引线检测并实时控制汽车速度、姿态的智能处理单元。设计者应首先考虑设计的主控电路，检测电路和控制算法。由于单片机及控制电路部分已经确定，所以本章将重点讨论探测电路的方案设计。2.1系统设计要求小车按照黑线寻迹，比赛最终成绩由时间成绩、报告分数和冲出跑道次数三者决定，具体计算由下面公式给出：比赛最终成绩（秒）＝Ts*（1－0.01R）*（1+0.05N）式中Ts为赛车最快单圈时间（秒）；R为技术报告评分（分值范围0－10）；N为赛车在最快单圈比赛过程中冲出跑道的次数，且N不大于3。电路及控制驱动电路的限制：（1）采用限定的飞思卡尔16位微控制器MC9S12DG128作为唯一控制处理器；（2）伺服电机数量不超过3个；（3）传感器数量不超过16个（红外传感器的每对发射与接受单元共计为1个传感器，CCD传感器计为1个传感器）；（4）直流电源采用大赛统一提供的电池，不得使用DC－DC升压电路为驱动电机和舵机提供动力；（5）全部电容容量不得超过2000微法；电容最高充电电压不得超过25伏。赛道基本参数（不包括弯点数目、位置以及整体布局）：（1）赛道路面用纸制作，跑道面积不大于5000mm*7000mm，跑道宽度不小于600mm；（2）跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm；（3）跑道最小曲率半径不小于500mm；（4）跑道可以交叉，交叉角为90度；（5）赛道为二维水平面；（6）赛道有一个长为1000mm的出发区，计时起点两边分别有一个长度100mm黑色计时起始线，赛车的前端通过起始线作为比赛计时开始或者结束的时刻。2.2硬件系统基本方案论证2.2.1探测电路总体方案★方案一：采用红外传感器优点：结构简明，实现方便，成本低廉，反应灵敏，便于近距离路面情况的检测，抗干扰能力强，不会因为周围环境的差别而产生不同的结果。缺点：只能对路面情况做简单的黑白判别，检测距离和精度有限，传感器高度位置的差异可能会对其检测造成干扰。另外，由于车模的总长不得大于40CM，所以前瞻距离受到很大的限制。★方案二：采用摄像头优点：作用距离远，不易出现由于黑线检测不及时而冲出赛道的情况，摄像头对道路的检测精细，视角范围大不易出现黑线漏检的情况。缺点：容易被干扰，受周围光线的影响大；数据量大，处理复杂，需要占有MCU的大量资源。★方案三：采用红外传感器与摄像头相结合优点：它兼顾了红外传感器抗干扰能力强，处理简单以及摄像头作用距离远、视角范围大的优点。缺点：设计难度大，红外传感器和摄像头需要配合寻迹，它们对舵机和电机在方向和速度上的控制需要巧妙的算法进行分配，运算量也较大，需要占有很多的MCU资源。由于第一种方案存在物理性能的限制，所以综合考虑后采用第二种或者三种方案。经仔细推敲，本设计采用摄像头为主要探测电路指挥小车运动，用红外传感器检测起跑线，进而指挥小车在第二圈采用其他的算法或参数进行运动。2.2.2传感器检测模块传感器可以分为：可见光传感器、红外传感器、紫外线传感器等。★方案一：可见光传感器是基于可见光源的传感器，它结构简单、设计成熟，但是它工作在可见光波段，容易被外界干扰。★方案二：红外光传感器。红外线是波长为830nm～950nm的电磁波，自然环境物理在该波段的辐射量是很微弱的，所以红外反射式传感器受外界干扰较小，可靠性高。设计技术成熟，应用广泛。★方案三：紫外线传感器。在自然环境下该类传感器很难受干扰，可靠性高，但是它价格昂贵。所以我们最终选择方案二，即红外光传感器作为传感器检测模块的基本器件。2.2.3摄像头模块市场上的摄像头常分为CCD摄像头和CMOS摄像头。★方案一：采用CCD摄像头优点：成像质量高。缺点：12V供电，功耗相对较大，价格较高。★方案二：采用CMOS摄像头优点：9V供电，功耗较小，价格较低。缺点：成像质量不及CCD摄像头。综合供电，成像效果、稳定性等方面的因素，采用了方案二，即CMOS摄像头。2.2.4速度传感器模块★方案一：采用霍尔传感器要使用这种方法需要在车轮上嵌入若干的永磁铁，这样采用霍尔传感器进行检测。其优点是检测速度快且不会受光、温度、湿度等因素的影响，但是在车轮狭窄的空间上嵌入永磁铁是相当困难的，即机械改装难度大。另外，霍尔传感器价格昂贵。★方案二：基于光电传感器的编码盘检测采用这种方法需要在车轮轴上安装黑白相间的编码盘，然后采用红外对管的传感器来记录脉冲的数目，进而通过脉冲数求得小车在一段时间内转的圈数，从而算出速度。★方案三：采用编码器另外购买光电编码器安装在主驱动齿轮上，通过齿轮传过来的转动信息，获取后轮转角。优点：获取信息准确，精度高，搭建容易。缺点：增加后轮负载；光电编码器体积较大，导致车重增加。经比较最终选择方案二，即基于反射式的光电传感器的编码盘测速方案。2.3硬件系统的最终方案通过上面的分析比较，系统各个模块采用的方案分别如下：（1）采用红外线传感器与摄像头相结合的总体设计；（2）红外检测模块采用收发一体的对管传感器；（3）采用CMOS摄像头做为摄像头模块的基础；（4）基于编码盘的红外对管传感器测速；舵机、电机驱动芯片、坡度检测芯片采用组委会统一提供的物品，这里就不做论证分析了。电源管理模块将在第四章中详细讲到。2.4软件系统的设计如果说系统硬件对于赛车来说是它的骨架和躯体，那么软件算法就是它的思想。有了健壮、灵敏的躯体还需要有聪明、智慧的大脑。所以软件系统对于赛车来说至关重要。首先，赛车系统通过图像采样模块获取前方赛道的图像数据，同时通过速度传感器模块实时获取赛车的速度。然后S12利用边缘检测方法从图像数据中提取赛道黑线，求得赛车于黑线位置的偏差，接着采用bangbang控制方法对电机进行反馈控制。最终赛车根据检测到的速度，结合我们的速度控制策略，对赛车速度不断进行恰当的控制调整，使赛车在符合比赛规则情况下沿赛道快速前进。赛车系统的软件结构如图所示2.1。只有将上述硬件、软件部分进行有效的融合，进行充分的实验、测试和标定工作，才能使赛车具有一个相对良好的整体驾驶性能。这也就是在接下来的各个分模块中需要做的工作第3章机械结构调整经过半年的制作发现，本次智能车比赛中，检测黑线的方法和对车模的控制算法是取胜的关键，然而，车模本身的机械性能也是不容忽视的。机械结构是车模的基本性能，当车速提高到一定程度后，这将严重影响车模的行走路线。车架调试的好坏决定了车子转弯的最小半径、转向的灵活性和稳定性。如果车模调试得当，可大大增强智能车的竞争力。3.1车模机械参数的调整本次大赛采用的模型车基本尺寸参数如下：现代汽车在正常行驶过程中，为了使汽车直线行驶稳定，转向轻便，转向后能够自动回正，并减小轮胎和转向系零件的磨损等，在转向轮、转向节和前轴之间形成了一定的相对安装位置，叫前轮定位，其主要定位参数包括：主销后倾、主销内倾、前轮外倾和前束，模型车前轮的四项定位参数均可调。以下是车模的调校内容、参数与选用理由：主销后倾角：2°主销后倾角，如图3.1，是指主销在汽车的纵向平面内（汽车的侧面）有一个向后的倾角，即主销轴线与地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角。由于主销后倾后，小车在车轮偏转后会产生一回力矩，纠正车轮的偏转。后倾角越大，车速越高，车轮偏转后自动回正能力越强。但回正