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智能車競賽專題培訓 主講 張樹波 共青團北京聯(lián)合大學委員會 賽車的意義汽車及車模簡介電池使用方法賽道及比賽規(guī)則研究項目介紹關于電機驅(qū)動關于舵機驅(qū)動關于賽道檢測方式最佳路線問題飛斯卡爾單片機介紹軟硬件設計注意事項工程化方法與團隊精神答疑時間 賽車的意義 該競賽與教育部已舉辦的數(shù)學建模 電子設計 機械設計 結(jié)構(gòu)設計4大專業(yè)競賽不同 是以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景 涵蓋了控制 模式識別 傳感技術 電子 電氣 計算機 機械等多個學科交叉的科技創(chuàng)意性比賽 引導和激勵學生實事求是 刻苦鉆研 勇于創(chuàng)新 多出成果 提高素質(zhì) 發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)一批在學術科技上有作為 有潛力的優(yōu)秀人才 汽車及車模簡介 二通道遙控賽車車模 車模調(diào)校的主要參數(shù)后傾角外傾角前束減震彈簧預緊力 電池使用方法 參數(shù) 電壓 1 2 6 7 2v容量 2000mAh 放電曲線 在3A的大電流放電條件下得到的結(jié)果 電池使用方法 正確充電 推薦使用比賽選配的充電器 該充電器是為玩具電池設計的廉價的充電器 內(nèi)部沒有智能充電控制電路 只能采用恒功率充電模式 最大充電電流為700mA 平均充電電流300mA 涓流充電電流小于100mA 充電時間約為10小時 電池使用方法 正確放電 由于鎳鎘電池具有記憶效應 對電池的不完全放電將會人為的降低電池的電容量 從放電曲線可以看出 隨著電池電量的減少 其電壓也會逐漸降低 當電壓降低到某個閾值后繼續(xù)放電 電池電壓將很快的跌落 這個閾值就是電池的放電下限電壓 廠家給出了放電下限電壓為6V 因此 在使用時 建議在動力車的電源設計中加入電池保護電路 當電池電壓低于6V時切斷電路 用來保護電池 如果沒有保護電路 要注意 電池接通時人不要離開 因為當電池電壓降到接近6V時 電池已經(jīng)給不出多少電流 已經(jīng)沒有能力驅(qū)動電機了 此時一定要及時斷開電路 到了給電池充電的時候了 賽道及比賽規(guī)則 賽道材料 KT板 高密度 白色 0 5厘米厚 中心黑線 為黑色即時貼經(jīng)過裁減而成 7Of63 賽道及比賽規(guī)則 詳細參考資料第二屆智能車競賽專網(wǎng)聯(lián)合大學團委網(wǎng)站書籍作者 卓晴等編ISBN 781124022X出版社 北京航空航天大學出版社定價 36 50元 用指定車模沿黑線跑兩圈取單圈最快者為勝 研究項目介紹 汽車動態(tài)分析車速控制系統(tǒng)方向控制系統(tǒng)賽道檢測系統(tǒng)電子控制系統(tǒng)策略規(guī)劃系統(tǒng)行為決策系統(tǒng)路況記憶系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 模型車電機特性 電機特性和MC33886芯片 一 電機特性 RS 380SH 一 電機特性 RS 380SH 一 電機特性 RS 380SH 一 電機特性 RS 380SH 二 MC33886芯片 特性 工作電壓 5 40V導通電阻 120毫歐姆輸入信號 TTL CMOSPWM頻率 10KHz短路保護 欠壓保護 過溫保護等 二 MC33886芯片 二 MC33886芯片 二 MC33886芯片 應用說明 多個MC33886并聯(lián)使用 二 MC33886芯片 應用說明 使用半橋 由于賽車過程中不時用倒車 所以可以只使用其中的半橋 并且將兩個半橋并聯(lián) 擴大芯片的驅(qū)動能力 使用其中的一個半橋驅(qū)動電機 使用另外一個半橋作為12V升壓電路為CCD提供工作電源 二 MC33886芯片 使用說明 規(guī)則中的電容限制全部電容容量和不得超過2000微法 電容最高充電電壓不得超過25伏 電機加速與減速限制 避免對于工作電源的影響 二 MC33886芯片 使用說明 PWM頻率限制 10KHz 二 MC33886芯片 使用說明 PWM頻率限制 10KHz 二 MC33886芯片 使用說明 PWM頻率限制 10KHz 關于舵機驅(qū)動 舵機內(nèi)部結(jié)構(gòu)舵盤 齒輪組 位置反饋電位計 直流電機 控制電路板等 工作原理脈寬信號給定參考位置 舵機內(nèi)部電路通過反饋控制調(diào)節(jié)舵盤角位 舵盤角位由PWM控制信號的脈寬決定 關于舵機驅(qū)動 舵機基本參數(shù)型號 S3010電壓 4 0 6 0 V 角度控制 1 400us工作速度 0 16 0 02堵轉(zhuǎn)力矩 6 5 1 3 Kg cm 關于舵機驅(qū)動 舵機控制方法 三線連接方式紅線 電源線 6V藍線 地線黑線 PWM控制信號 使用S12PWM輸出控制舵機 舵機簡介S12PWM控制舵機 一 舵機簡介 舵機功能舵機結(jié)構(gòu)舵機的基本參數(shù)舵機控制方法 舵機的功能 舵機最早出現(xiàn)在航模運動中 發(fā)動機進氣量 副翼舵面 水平尾翼舵面 垂直尾翼舵面 賽車中控制前輪轉(zhuǎn)向 舵機的結(jié)構(gòu) 舵盤 減速齒輪組 位置反饋電位計5k 直流電機 控制電路板等 工作原理 控制信號 控制電路板 電極轉(zhuǎn)動 齒輪組減速 舵盤轉(zhuǎn)動 位置反饋電位計 控制電路板反饋 控制量 舵盤角度 舵機的基本參數(shù) HS 925 尺寸 39 4 37 8 27 8重量 56g工作速度 0 11sec 60 4 8V 0 8sec 60 6 0V 堵轉(zhuǎn)力矩 6 1kg cm 4 8V 7 7kg cm 6 0V 工作角度 45度 400us 舵機的連接方法 三線連接方法 黑線 底線 紅線 電源線 兩種標準 4 8V 6V 藍線 黃線 控制信號線 顏色區(qū)分電源線和底線 標準驅(qū)動模型 實測波形 0度 實測波形 15度 舵機的控制方法 實測波形 30度 實測波形 15度 舵機的控制方法 實測波形 30度 轉(zhuǎn)角與脈寬 舵機的控制方法 脈寬與轉(zhuǎn)角 信號產(chǎn)生方式 軟件計數(shù)方式 定時器中斷方式 PWM硬件產(chǎn)生方式 等 S12PWM控制舵機 S12PWM控制器 具有8路PWM輸出端口 具有獨立的8路8bitPWM輸出 或者4路16bitPWM輸出 具有A B SA SB時鐘源 S12PWM發(fā)生器 S12PWM控制舵機 舉例使用PWM4 5合成16bitPWM輸出 PWM4 控制信號 PWMCTL CON45 0 x1 PWMPER4 5 60000 50HzPWMDTY4 5 1500 3 1500usBUSosc 24MHz S12PWM控制舵機 規(guī)則限制 伺服電機個數(shù)不超過3個 不可以通過提高工作電壓提升舵機的性能 不可以更換舵機 S12PWM控制舵機 控制說明脈寬范圍 對應舵機旋轉(zhuǎn)角度 一方面舵機的極限位置 另一方面考慮到車模轉(zhuǎn)向的極限 可以通過測試得到大約40度左右 PWM周期 可選擇50 200Hz S12PWM控制舵機 控制說明 舵機的響應時間對于控制非常重要 一方面可以通過修改PWM周期獲得 另一方面也可以通過機械方式 利用舵機的輸出轉(zhuǎn)距余量 將角度進行放大 加快舵機響應速度 關于賽道檢測方式 賽道路徑幾何特點由直線和圓弧組成 賽道路徑檢測內(nèi)容確定路徑中心位置 確定路徑方向 確定路徑曲率 需要在賽道垂直方向上3 5點便可確定道路參數(shù) 賽道路徑檢測方法 韓國賽道圖 賽道路徑檢測方法 光電管陣列 CCD 線陣CCD 面陣CCD 黑白 激光掃描器 電磁感應 超聲檢測等 基于光電管賽道參數(shù)檢測方法 光電管陣列優(yōu)缺點 優(yōu)點 簡單 響應快速等 缺點 空間分辨率低 水平分辨率 16pixel 線 可以采用細分的方法進行優(yōu)化 受到大賽規(guī)則傳感器個數(shù)限制 垂直分辨率 只能檢測一點位置 占用 端口資源多 安裝固定 接線較困難 容易受到外界環(huán)境影響 基于面陣 賽道參數(shù)檢測方法 使用面陣 檢測路徑參數(shù)的優(yōu)點 分辨率高 識別路徑參數(shù)多 中心位置 方向 曲率 占用 端口資源少 轉(zhuǎn)換 一路中斷輸入 一路 口輸入 通過算法減少外部環(huán)境影響 基于CCD路徑檢測方法難點及解決方法 12of18 采集速率 圖像的分辨率 水平高 垂直低 存儲空間 DG1288KRAM處理速度 圖像采集 處理 控制等等 電源電壓 12V工作電源 用S12采集圖像 采集速率 S12AD轉(zhuǎn)換速率10bit 7us視頻信號一行時間 64us 有效圖像時間300線 幀 矛盾 采集速率路徑檢測需要圖像特點 水平分辨率 高 垂直分辨率 低 3 5點矛盾 如何解決 解決 采集速率 解決方法攝像頭水平旋轉(zhuǎn)90度 水平分辨率 垂直分辨率 附加手段 采集速率 解決方法采用CPU內(nèi)部總線超頻 48 規(guī)則沒有限制CPU超頻 初步計算 采集速率 解決方法 攝像頭旋轉(zhuǎn)90度 CPU超頻 可以得到300 48分辨率圖像 可以滿足道路檢測需要 實際需要可以使用降低的圖像分辨率 72 24即可 資源需求 存儲空間必須存儲正幅圖像 這是由于將垂直分辨率轉(zhuǎn)換為水平分辨率的原因 存儲空間 每個像素存儲1字節(jié) 72 24圖像需要1728字節(jié) DG128RAM空間為8K字節(jié) 可以滿足存儲需要 同時還可以開辟雙圖像存儲區(qū) 采集 處理同時進行 占用資源分析 處理速度 采集時間 圖像采集采用終端采集的方式 節(jié)省CPU處理事件 72 24分辨率下 只對于其中的1 4行進行圖像采集 CPU花費在圖像采集上的時間少于總時間1 4 其余的時間用于圖像處理 控制等運算 圖像處理 處理速度優(yōu)化圖像路徑參數(shù)檢測算法 算法時間小于20ms 圖像 黑白色 檢測中心算法簡單 可以適當增加些動態(tài)亮度補償算法 滿足路徑參數(shù)檢測速度要求 工作電源 CCD工作電源12V 使用PWM斬波升壓電路得到12V電源 這不違反比賽規(guī)則 禁止使用DC DC升壓電路為驅(qū)動電機以及舵機提供動力 實現(xiàn)方案和試驗結(jié)果 系統(tǒng)框圖 連接CPU CPU最小系統(tǒng) 連接CPU 實現(xiàn)方案和試驗結(jié)果 CPU最小系統(tǒng)PAD02 視頻信號IRQ 視頻行同步信號PM1 奇偶場信號PWM2 12V斬波升壓開關信號 PWM0 1 電極控制PWM信號 PWM4 舵機控制信號 PAD0 1 電池電壓 12V電壓監(jiān)測 視頻匹配電路 視頻信號同部分離電路 實現(xiàn)方案和試驗結(jié)果 注意 視頻信號不經(jīng)過直流隔離進入AD轉(zhuǎn)換器 升壓供電電路 12V斬波升壓電路 實現(xiàn)方案和試驗結(jié)果 電源電路 實現(xiàn)方案和試驗結(jié)果 試驗版 試驗車 例圖1 12of18 例圖2 例圖3 例圖4 例圖5 用攝像頭的缺點 CCD相對昂貴 占用RAM比較多 道路檢測速率受到限制 50Hz檢測有一定的延時 1 50 秒 附注電路較多 12V LM1881等 后續(xù)問題 開發(fā)有效路徑參數(shù)算法 攝像頭安裝與固定 為之比較的高 攝像頭鏡頭設計 混合檢測方法 光電管 CCD 多個CCD 賽道檢測小結(jié) 方法核心內(nèi)容攝像頭旋轉(zhuǎn)90度 水平分辨率 垂直分辨率 適當CPU超頻 有效路徑檢測算法 該方法也可以在一些粗分辨率視頻監(jiān)視中進行應用 最佳路線問題 最佳路線問題 基于虛擬儀器技術的智能車仿真系統(tǒng) 特點 賽道與賽車環(huán)境模擬控制算法的仿真驗證路徑識別的方案分析離線 在線仿真相結(jié)合 基本構(gòu)架 賽道設計界面 最佳路線問題 基于虛擬儀器技術的智能車仿真系統(tǒng) 賽車參數(shù)設定界面 最佳路線問題 基于虛擬儀器技術的智能車仿真系統(tǒng) 動態(tài)仿真界面 飛斯卡爾單片機介紹 飛斯卡爾單片機介紹 飛斯卡爾單片機介紹 飛斯卡爾單片機介紹 硬件設計的一般流程 1 確立設計需求2 選擇合理的方案3 繪制原理圖和PCB圖4 焊接 組裝5 電路調(diào)試6 實際環(huán)境驗證 軟件設計的一般流程 1 確立軟件需求2 構(gòu)思軟件結(jié)構(gòu)3 算法設計4 選擇硬件平臺5 編制程序6