南京理工大學南理工光電1隊技術(shù)報告

1、第五屆全國大學生智能汽車邀請賽技術(shù)報告第一章 引言 II XXV第五屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽技 術(shù) 報 告學 校：南京理工大學隊伍名稱：南理工光電1隊參賽隊員：周琪、李蒙、周帆帶隊教師：吳益飛、郭建 I關(guān)于技術(shù)報告和研究論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解第五屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車邀請賽關(guān)保留、使用技術(shù)報告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會和飛思卡爾半導體公司可以在相關(guān)主頁上收錄并公開參賽作品的設(shè)計方案、技術(shù)報告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會出版論文集中。參賽隊員簽名：周琪 李蒙 周帆 帶隊教師簽名：吳益飛 郭建 日

2、 期：2010.8.10 I目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc269471944 第一章 引言 PAGEREF _Toc269471944 h 1 HYPERLINK l _Toc269471945 1.1 課題研究背景及意義 PAGEREF _Toc269471945 h 1 HYPERLINK l _Toc269471946 1.2 智能車發(fā)展概況 PAGEREF _Toc269471946 h 1 HYPERLINK l _Toc269471947 1.3 大學生智能汽車競賽簡介 PAGEREF _Toc269471947 h 3 HYPERLINK

3、 l _Toc269471948 第二章 光電導引智能汽車控制系統(tǒng)總體設(shè)計 PAGEREF _Toc269471948 h 5 HYPERLINK l _Toc269471949 2.1 系統(tǒng)總體分析 PAGEREF _Toc269471949 h 5 HYPERLINK l _Toc269471950 2.2智能車系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc269471950 h 6 HYPERLINK l _Toc269471952 2.3智能車系統(tǒng)工作流程 PAGEREF _Toc269471952 h 7 HYPERLINK l _Toc269471953 2.4本章小結(jié) PAGEREF _

4、Toc269471953 h 8 HYPERLINK l _Toc269471954 第三章 光電導引智能汽車機械系統(tǒng)調(diào)整與改造 PAGEREF _Toc269471954 h 9 HYPERLINK l _Toc269471955 3.1 模型車基本結(jié)構(gòu)參數(shù)介紹 PAGEREF _Toc269471955 h 9 HYPERLINK l _Toc269471970 3.2 機械結(jié)構(gòu)調(diào)整與改造 PAGEREF _Toc269471970 h 10 HYPERLINK l _Toc269471973 3.3 本章小結(jié) PAGEREF _Toc269471973 h 11 HYPERLINK l

5、_Toc269471974 第四章 光電導引智能汽車控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 PAGEREF _Toc269471974 h 12 HYPERLINK l _Toc269471975 4.1 激光傳感器電路 PAGEREF _Toc269471975 h 12 HYPERLINK l _Toc269471978 4.2 電機驅(qū)動模塊 PAGEREF _Toc269471978 h 16 HYPERLINK l _Toc269471981 4.4 測速模塊 PAGEREF _Toc269471981 h 20 HYPERLINK l _Toc269471985 4.5 電源模塊 PAGEREF _T

6、oc269471985 h 23 HYPERLINK l _Toc269471990 4.6 本章小結(jié) PAGEREF _Toc269471990 h 27 HYPERLINK l _Toc269471991 第五章 光電導引智能車系統(tǒng)控制算法及軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc269471991 h 28 HYPERLINK l _Toc269471992 5.1 光電導引路況判斷算法 PAGEREF _Toc269471992 h 28 HYPERLINK l _Toc269471994 5.2 車體轉(zhuǎn)向舵機控制算法 PAGEREF _Toc269471994 h 29 HYPERLINK

7、 l _Toc269471995 5.3 電機閉環(huán)控制算法 PAGEREF _Toc269471995 h 31 HYPERLINK l _Toc269471996 5.4 系統(tǒng)模塊化程序設(shè)計 PAGEREF _Toc269471996 h 32 HYPERLINK l _Toc269472001 5.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc269472001 h 41 HYPERLINK l _Toc269472002 第六章 光電導引智能車控制系統(tǒng)聯(lián)調(diào) PAGEREF _Toc269472002 h 42 HYPERLINK l _Toc269472003 6.1 開發(fā)環(huán)境簡介 PAGERE

8、F _Toc269472003 h 42 HYPERLINK l _Toc269472004 6.2 開發(fā)環(huán)境調(diào)試使用 PAGEREF _Toc269472004 h 42 HYPERLINK l _Toc269472005 6.3 本章小結(jié) PAGEREF _Toc269472005 h 44 HYPERLINK l _Toc269472006 結(jié) 論 PAGEREF _Toc269472006 h 45附錄A：控制程序代碼I附錄B：模型車技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計XXVI摘 要本文以第五屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽為背景，在遵守競賽規(guī)則的前提下，提出了智能汽車系統(tǒng)總體設(shè)計方案。通過深入學習汽車

9、技術(shù)相關(guān)理論，對車體機械結(jié)構(gòu)進行了詳細分析和優(yōu)化改造。采用模塊化設(shè)計思想，完成了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計，其主要包括核心控制模塊、電源管理模塊、傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊、存儲器模塊、人機接口模塊、無線通信模塊、放電器模塊等。為了提高系統(tǒng)運行性能，對轉(zhuǎn)向控制策略、行駛速度控制策略及后輪驅(qū)動閉環(huán)PID 控制算法等進行了詳細分析與設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，完成了系統(tǒng)軟件的具體設(shè)計和實現(xiàn)。最后，通過對實際系統(tǒng)的調(diào)試，智能車系統(tǒng)已能在測試賽道上快速運行，性能指標達到了預期效果。關(guān)鍵詞：智能汽車 路徑檢測 光電傳感器 MC9S12XS128 PID第一章 引言1.1 課題研究背景及意義智能車輛也叫無人車輛，是一個集環(huán)境

10、感知、數(shù)據(jù)處理、決策控制和多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，集中運用了計算機、傳感技術(shù)、信息融合、通訊、人工智能及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體19。智能車輛最主要特點是自動駕駛，即依靠汽車控制系統(tǒng)駕駛汽車，自動分析和處理汽車運行過程中遇到的各種情況，并根據(jù)系統(tǒng)自動獲取的道路信息，實現(xiàn)從一個地點向另一個地點的移動。因此，智能車輛在原車輛系統(tǒng)基礎(chǔ)上主要由計算機處理系統(tǒng)、道路信息獲取系統(tǒng)和其它一些傳感器組成。道路信息獲取系統(tǒng)用來獲得道路的各種信息，車速傳感器用來獲得車速，障礙物傳感器用來獲得前方、側(cè)方、后方障礙物位置等，然后由計算機處理系統(tǒng)來完成對所獲圖像、信息的預處理、增強與分析識別

11、工作，并對車輛的行駛狀況做出判斷與控制15,19,36。1.2 智能車發(fā)展概況智能汽車的研究設(shè)計開發(fā)，可以從根本上改變現(xiàn)行汽車的信息采集處理、信息交換、行車導航與定位、車輛控制、汽車安全保證等技術(shù)方案與體系結(jié)構(gòu)20,35。伴隨著傳感器技術(shù)、信息融合技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)、人工智能技術(shù)和無線通信技術(shù)等的快速發(fā)展，國內(nèi)外對于智能車及其相關(guān)技術(shù)的研究成為熱門，更多的國際公司、研究單位、科研院所投入到開發(fā)研究智能車的隊伍中24,37。 從20世紀70年代，美歐等發(fā)達國家開始進行無人駕駛汽車的研究，大致可以分為三個階段：軍事用途、高速公路環(huán)境和城市環(huán)境16。在軍事用途方面，早在

12、80年代初期，美國國防部就資助自主陸地車輛ALV（AutonomousLandVehicle）的研究37，如圖1.1。進入21世紀，為促進無人駕駛作戰(zhàn)車輛的研發(fā)，減少在戰(zhàn)役中的傷亡人數(shù)，從2004年起，美國國防部連續(xù)舉辦大挑戰(zhàn)（Grand Challenge）比賽活動，對促進智能車輛技術(shù)交流與創(chuàng)新起到很大激勵作用14。隨著現(xiàn)實需要，智能車輛的研究逐漸轉(zhuǎn)向了民用領(lǐng)域，最早出現(xiàn)在高速公路應用領(lǐng)域。高速公路無人駕駛研究的典型代表有美國CMU大學的NavLab-5系統(tǒng)，意大利帕爾瑪大學的ARGO系統(tǒng)和德國聯(lián)邦國防大學的VaMP系統(tǒng)14，如圖1.2。這些針對高速公路的系統(tǒng)大多采用視覺導航，并獲得了很大成

13、功19。由于環(huán)視境光照的復雜性，覺系統(tǒng)的可靠性和魯棒性有待進一步提高，此類研究的離產(chǎn)品化還有一定的距離。在城市交通方面，歐洲Yamaha公司推出了旅游接待智能車輛CyberCab，該車在收回了75%投資，實現(xiàn)了真正的商業(yè)運營，并且人車交互更方便，技術(shù)上更加成熟。日本在無人駕駛研究方面與歐洲聯(lián)系比較密切，起步較早。在2005年日本愛知世博會上，豐田公司成功演示了ITMS無人駕駛公交系統(tǒng)19。美國在城市環(huán)境智能車輛研發(fā)方面，起步較晚，目前與歐洲和日本存在一些差距。 圖1.1 美國國防部自主陸地車輛ALV 圖1.2 意大利帕爾瑪大學的ARGO系統(tǒng)由于起步較晚，國內(nèi)智能車研究水平總體上與發(fā)達國家相比存

14、在不小的距離。但經(jīng)過各高校和研究單位的不懈努力，仍取得了階段性的成果。國內(nèi)清華大學、國防科技大學、上海交通大學、西安交通大學、吉林大學、同濟大學和南京理工大學等都有過無人駕駛汽車的研究項目27,34。我國的智能車發(fā)展也主要運用在軍事用途、高速公路和城市交通三個領(lǐng)域?！鞍宋濉薄ⅰ熬盼濉逼陂g由包括我校在內(nèi)的國內(nèi)六所重點大學聯(lián)合研制成功了我國第一輛智能車ALVLAB1和第二代智能車ALVLAB2，第二代智能車ALVLAB2在道路環(huán)境下自主行駛最高速度、正常行駛速度、越野環(huán)境白天行駛最高速度以及夜間行駛最高速度都較第一代有很大提高，同時支持臨場感遙控駕駛及偵察等功能目前，我國正在組織研究第三代的陸地自

15、主車ALVLAB36,25。THMRV（TsingHua Mobile Robot V）清華V型智能車是一個比較成功的范例。它由清華大學計算機系智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室在中國科學院院士張鈸主持下研制的新一代智能移動機器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能。車體裝備有彩色攝像機和激光測距儀組成的道路與障礙物檢測系統(tǒng)；由差分GPS、磁羅盤和光碼盤組成的組合定位導航系統(tǒng)等。兩套計算機系統(tǒng)分別進行視覺住處處理，完成信息融合、路徑規(guī)劃、行為與決策控制等功能。四臺IPC工控機分別完成激光測距信息處理、定位信息處理、通訊管理和駕駛控制等功能7,13。 圖1.3 清華大學V型無人駕駛車 圖1.4 上海交大

16、Cycber C3除了清華大學汽車研究所展開智能車技術(shù)研究外，越來越多的研究機構(gòu)、學者也加入到這一新興學科中來。比如上海交通大學設(shè)計的自動駕駛汽車，能根據(jù)道路彎曲程度的變化，實時計算出車輛的轉(zhuǎn)向盤角度輸入，控制車輛按預設(shè)道路行駛；吉林工業(yè)大學設(shè)計制造的一輛通過識別地面鋪設(shè)的條狀路標進行導航的智能車輛，可以穩(wěn)定跟蹤直線、弧線、型線等軌跡自動行駛19。1.3 大學生智能汽車競賽簡介“飛思卡爾杯”智能車大賽起源于韓國，是韓國漢陽大學汽車控制實驗室在飛思卡爾半導體公司資助下舉辦的以HCSl2單片機為核心的大學生課外科技競賽。組委會提供一個標準的汽車模型、直流電機和可充電式電池，參賽隊伍要制作一個能夠自

17、主識別路徑的智能車，在專門設(shè)計的跑道上自動識別道路行駛，誰最快跑完全程而沒有沖出跑道并且技術(shù)報告評分較高，誰就是獲勝者。其設(shè)計內(nèi)容涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計算機、機械、能源等多個學科的知識，對學生的知識融合和實踐動手能力的培養(yǎng)，具有良好的推動作用。全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽是在規(guī)定的模型汽車平臺上，使用飛思卡爾半導體公司的8位、16位微控制器或者數(shù)字處理控制器作為核心控制模塊，通過增加道路傳感器、電機驅(qū)動電路以及編寫相應軟件，制作一個能夠自主識別道路的模型汽車，按照規(guī)定路線行進，以完成時間最短者為優(yōu)勝。因而該競賽是涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計

18、算機和機械等多個學科的比賽。該競賽以飛思卡爾半導體公司為協(xié)辦方，自2006年首屆舉辦以來，成功舉辦了四屆，得到了教育部、飛思卡爾公司與各高校師生的高度評價，已發(fā)展成全國30個省市自治區(qū)500余所高校廣泛參與的全國大學生智能汽車競賽。圖1.5為第四屆全國大學生智能汽車競賽的決賽場景。圖1.5 第四屆“飛思卡爾杯”智能汽車競賽現(xiàn)場第二章 光電導引智能汽車控制系統(tǒng)總體設(shè)計第二章 光電導引智能汽車控制系統(tǒng)總體設(shè)計2.1 系統(tǒng)總體分析具體設(shè)計之前，對系統(tǒng)進行總體的設(shè)計可以大大減少設(shè)計出錯與返工的可能性。通過對系統(tǒng)任務與目標的分析，選擇合適的軟硬件設(shè)計方案。設(shè)計之初將功能需求描述后對功能進行模塊化，并對各

19、功能模塊的必要性與可行性做出分析論證。本次設(shè)計的目標仍然與往屆相同，即在保證不出賽道的基礎(chǔ)上以最短的時間完成比賽。但需要注意的是賽道的寬度由原來的60cm減小到50cm，智能車出界的界定由兩個輪子變?yōu)橐粋€輪子，這也意味著競賽對智能車的穩(wěn)定性有了更高的要求。因此在追求速度之前必須首先保證智能車的穩(wěn)定性。同時為了適應更加復雜多變的賽道和不同的光線環(huán)境需要進一步提高智能車的靈敏性與適應性。無論是智能車的穩(wěn)定性、快速性、靈敏性還是適應性，都與智能車的機械結(jié)構(gòu)、硬件電路和軟件算法有著緊密的聯(lián)系。其中穩(wěn)定性與車體機械的強度、結(jié)構(gòu)的合理性、重心的位置和車輪參數(shù)密切聯(lián)系；快速性取決于傳感器的前瞻、檢測精度速度

20、以及電池供電能力和驅(qū)動電路驅(qū)動能力；靈敏性與適應性則由舵機的響應性能和扭矩、傳感器的檢測范圍、機械結(jié)構(gòu)以及軟件算法等決定。以往對智能車系統(tǒng)的分類中往往將機械結(jié)構(gòu)部分與硬件電路歸類為硬件系統(tǒng)部分，將軟件算法歸類為軟件系統(tǒng)部分，這種分類形式往往側(cè)重于將智能車的性能歸結(jié)于硬件電路的設(shè)計和軟件算法的實現(xiàn)，機械結(jié)構(gòu)雖然也有提及，但仍沒有得到足夠的重視。從往屆比賽來看，特別是第四屆比賽，機械結(jié)構(gòu)的調(diào)整對于影響賽車速度起到了至關(guān)重要的作用，一顆螺絲固定的松緊度、一塊電路板的安放位置都將對整個智能車的速度起到很大影響，而機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新則將大大提高智能車車速。從上面的分析能得出，智能車的性能不是僅僅由某一因素影

21、響，而是各因素綜合影響下的結(jié)果，各系統(tǒng)模塊之間必須協(xié)調(diào)、合理的工作才能保證車體各方面性能。因此，將智能車系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)，即機械系統(tǒng)、電路系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，而三者之間則是從機械系統(tǒng)、電路系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)形成由下而上，由底層到上層的關(guān)系。軟件系統(tǒng)是控制機構(gòu)，電路系統(tǒng)是檢測、驅(qū)動機構(gòu)，機械系統(tǒng)則是執(zhí)行機構(gòu)，其關(guān)系和基本組成結(jié)構(gòu)如圖2.1。圖2.1 智能車系統(tǒng)組成圖智能車系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)框架如圖2.2所示：圖2.2 智能車系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2.2所示，智能車主要由如六個部分組成：（1）單片機最小系統(tǒng)。這部分的作用是對信息采集模塊的數(shù)據(jù)信息進行分析處理，并以此相應做出控制決策，是智能車的“大腦”。本次

22、智能車的單片機選用的是Freescale的16位單片機MC9S12XS128B，它負責各種傳感器信息的數(shù)據(jù)采集、決策算法的實現(xiàn)以及驅(qū)動電機和前輪轉(zhuǎn)向舵機控制信號的產(chǎn)生。（2）數(shù)據(jù)采集模塊。對智能車前方賽道情況及車身行駛速度、加速度等信息進行檢測并送往單片機最小系統(tǒng)，是智能車的“眼睛”。（3）執(zhí)行模塊。執(zhí)行模塊就是舵機和電機，跟據(jù)單片機最小系統(tǒng)決策形成的前輪舵機轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角控制信號，通過PWM信號傳送給舵機IPS017伺服器，實現(xiàn)智能車轉(zhuǎn)向控制；跟據(jù)決策形成的電機速度控制信號，單片機PWM信號給BTS7960以控制H橋上下橋臂的導通與關(guān)斷，從而控制后輪電機的電樞電壓和轉(zhuǎn)速。（4）人機接口模塊。人機接

23、口模塊是用來設(shè)定不同的模式，或者是在舵機中值調(diào)試的過稱中，設(shè)定不同的舵機轉(zhuǎn)角，方便操作。數(shù)碼管是用于顯示用的，可以顯示設(shè)定的模式或者速度、轉(zhuǎn)角的值，也可以顯示運行過稱的中間值，方便調(diào)試過程。（5）無線通訊模塊。通過無線模塊，可以將智能車行駛過程中的數(shù)據(jù)實時傳送到電腦，是一種實用高效的調(diào)試手段。（6）SD卡。SD卡也是一種有效的調(diào)試工具。SD卡可以記錄智能車在運行過程中，存儲智能車的參數(shù)。在上位機中，用專門的軟件讀取SD卡中的數(shù)值，可以整體分析智能車的行走路線、速度等關(guān)鍵參數(shù)，如果運用得當?shù)脑?，還可以恢復賽道，更好的仿真算法的優(yōu)劣。智能車系統(tǒng)工作流程智能車系統(tǒng)的工作過程大致可以分為七塊：（1）初

24、始化。初始化包括加速度傳感器信息采集的AD口初始化；道路信息傳感器信息采集的外部中斷初始化；實現(xiàn)電機閉環(huán)控制的捕捉口PT0及累加器A的初始化；控制智能車后輪驅(qū)動電機及前輪轉(zhuǎn)向舵機的PWM信號初始化；無線通訊裝置的異步串口初始化；人機接口的初始化。（2）模式選擇。單片機中存儲了多套控制方案，通過按鍵輸入，選擇適當?shù)目刂品桨缸屜到y(tǒng)運行。（3）讀取傳感器數(shù)據(jù)。通過AD口讀入激光傳感器的值；另外，通過AD口讀取加速度傳感器信息。（4）數(shù)據(jù)處理。對于讀入的傳感器數(shù)據(jù)進行簡單的處理，得到預瞄點黑線的中心位置，為控制策略提供原始信息。（5）舵機控制策略。采用預瞄距離可變的預瞄算法計算出智能車舵機轉(zhuǎn)角控制量。

25、（6）電機控制策略。采用PID控制算法計算出智能車電機速度控制量。（7）執(zhí)行。智能車舵機轉(zhuǎn)角控制量及電機速度控制量分別給舵機和電機，一個周期結(jié)束后，繼續(xù)采集下一個周期的傳感器數(shù)據(jù)。本章小結(jié)本章中，首先介紹了一下“飛思卡爾”智能車的比賽規(guī)則和設(shè)計的總體要求。然后，講了智能車的總體設(shè)計，把每個模塊都做了介紹。最后，簡單說了一下智能車工作的整個流程。第三章 光電導引智能汽車機械系統(tǒng)調(diào)整與改造第三章 光電導引智能汽車機械系統(tǒng)調(diào)整與改造作為智能車系統(tǒng)的最終執(zhí)行機構(gòu)，模型車自身機械機構(gòu)的性能直接決定了整個智能車系統(tǒng)的性能。通過對前四屆比賽的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)車模結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化和硬件設(shè)備的可靠性在智能車系統(tǒng)中所占比

26、重越來越大。在規(guī)則允許范圍內(nèi)，適當優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)可以帶來事半功倍的效果。其中，前輪定位參數(shù)優(yōu)化、轉(zhuǎn)向舵機力臂增大和底盤重心位置調(diào)整對于車模的機械性能有著較大影響。3.1 模型車基本結(jié)構(gòu)參數(shù)介紹系統(tǒng)所用智能車模型為1/16仿真越野車模型，四輪驅(qū)動。該車模機械結(jié)構(gòu)基本參數(shù)表3.1。圖3.1為車模實物圖。表3.1 車模參數(shù)表車模參數(shù)尺寸前輪輪距180mm后輪輪距180mm前后軸距180mm車身長度246mm車輪直徑66mm車輪寬度28mm圖3.1 越野車模實物圖3.2 機械結(jié)構(gòu)調(diào)整與改造3.2.1 前輪定位參數(shù)調(diào)整現(xiàn)代汽車在正常行駛的過程中，為了使汽車直線行駛穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向后能自動回正，并減小輪

27、胎和轉(zhuǎn)向零件的磨損等，在轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向節(jié)和前軸之間形成一定的安裝位置，叫做車輪定位。其主要定位參數(shù)包括：主銷后傾、主銷內(nèi)傾、車輪外傾和車輪前束。此模型車可以調(diào)整車輪外傾和車輪前束。 前輪外傾角：通過車輪中心的汽車橫向平面與車輪平面的交線與地面垂線之間的夾角稱為“前輪外傾角”，如圖3.2所示。 圖3.2 前輪外傾示意圖 前輪外傾主要起著防止輪胎變形的作用。因為車體本身的重量，車體將因承載而變形，從而導致車輪內(nèi)傾，這將加速輪胎的偏磨損。為了使車輪接近垂直路面而滾動，使輪胎磨損均勻，安裝輪胎時應使其具有一定的外傾角。另一方面，適當?shù)耐鈨A也會延長車輪連接件的使用壽命。前輪前束：前輪前束是指兩輪之間的后距

28、離數(shù)值與前驅(qū)離數(shù)值之差，也指前輪中心線與縱向中心線的夾角，如圖3.3所示。圖3.3 前輪前束示意圖前輪前束是為了減輕或者抵消前輪外傾而造成的不良后果，兩者間需要協(xié)調(diào)。車輪有了外傾角之后，就會導致兩側(cè)車輪向外滾開，車輪在路面上會出現(xiàn)邊滾邊滑的現(xiàn)象，從而加速輪胎的磨損。為了緩解這種情況，在安裝車輪時使兩輪前邊緣距離小于后邊緣距離，這樣可使車輪的滾動方向接近于正前方。3.2.2 車體重心調(diào)整車體的重心是指車體重力的作用點，其位置的改變會影響汽車的動力性、制動性、操縱穩(wěn)定性和通過性等性能。本車模在輪子支架和車模底板之間有四顆用于調(diào)整底盤高度的螺絲，如圖3.4所示。通常通過降低車模底盤高度，將智能車整體

29、重心下移，可以有效防止智能車在運行過程中的側(cè)滑，保證穩(wěn)定性能。底盤高度調(diào)整螺母圖3.4 用于調(diào)節(jié)車身底盤高度的螺母3.3 本章小結(jié)本章對模型車的前輪定位、重心位置進行了優(yōu)化調(diào)整，經(jīng)過調(diào)試，并取得了良好的效果。第四章 光電導引智能汽車控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計第四章 光電導引智能汽車控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計硬件是實現(xiàn)軟件算法的基礎(chǔ)，優(yōu)化的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計會大大減輕軟件負擔，在軟硬件都能解決的時候往往選擇硬件解決，這同時也對硬件設(shè)計者提出了較高的要求。本控制系統(tǒng)硬件在總結(jié)往年經(jīng)驗、借鑒其他成功方案、保證可靠性基礎(chǔ)之上，對硬件電路接口簡化、優(yōu)化，并在傳感器電路、驅(qū)動電路等方面作了創(chuàng)新。4.1 激光傳感器電路系統(tǒng)是

30、基于光電傳感器的智能車設(shè)計，智能車系統(tǒng)路況信息的采集能力完全依賴于光電傳感器的性能，智能車只有看得越遠才能跑得越快，看得越清晰才能跑得越穩(wěn)，因此選擇合適的光電傳感器對于本文所設(shè)計的智能車系統(tǒng)至關(guān)重要，設(shè)計合適的光電傳感器電路也是本文的重中之重。通過對前四屆光電組比賽情況的研究發(fā)現(xiàn)，紅外光電傳感器基本占有主流位置。但是其在前瞻、抗干擾性、電流等方面的缺點遲遲得不到改善。最多20cm的前瞻大大制約了智能車的預判能力；紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光線不便于人的肉眼觀測，給傳感器排布與調(diào)試帶來了諸多不便；接受管接收信號微弱需要二級放大，信號為模擬信號需要AD轉(zhuǎn)換則增大了控制周期；紅外傳感器的工作電流較大增大了

31、系統(tǒng)的負載。相比紅外光電傳感器，激光傳感器在光強、抗干擾、耗能和檢測范圍等方面優(yōu)勢明顯，因此在第四屆競賽的決賽中少數(shù)隊伍使用的激光管大放異彩，光電組前三名隊伍均使用了激光傳感器方案，其性能甚至可以和攝像頭組相當。因此，本文著重研究了激光傳感器方案。4.1.1 激光發(fā)射與接收原理所謂“激光”，是由字頭L（Light，光）、A（Amplification，放大）、S（Stimulated，受激）、E（Emission of，發(fā)射）、R（Radiation，電磁波）構(gòu)成的LASER，即“輻射受激發(fā)射光量子放大”的簡稱。是一種亮度極高，方向性和單色性很好的相干光輻射?，F(xiàn)在，不僅在通信、信號處理，就連醫(yī)

32、學、能源等可以說所有領(lǐng)域都在廣泛使用激光技術(shù)38。除了常見的固體激光器（例如紅寶石激光器）和氣體激光器（例如He-Ne激光器）以外，還有半導體激光器。從激光技術(shù)的整體來看，半導體激光的發(fā)展歷史尚淺，不過，近年來，隨著在可見光領(lǐng)域藍光和紅光激光器的實用化，以及激光器自身性能的進步和使用壽命的延長，半導體激光器已經(jīng)逐漸成為激光器的重要組成部分41。激光的原理是電子在不同能級躍遷中產(chǎn)生的自發(fā)輻射與受激輻射，而半導體激光器是以半導體材料作為工作物質(zhì)的激光器。如-V族化合物（如GaAs），-VI族化合物半導體（CdS）和IV-VI族化合物半導體（PbSnTe）等。p-n結(jié)為激活物質(zhì)，如圖4.12為砷化鎵

33、同質(zhì)結(jié)二極管激光器的結(jié)構(gòu)，兩個與結(jié)平面垂直的集體解理面構(gòu)成了諧振腔。p-n通常用擴散法或者液相外延法制成。外界激發(fā)源的激發(fā)方式有p-n結(jié)正向注入、電子束激發(fā)、光激發(fā)及粒子碰撞電離激發(fā)等，當激勵足夠強和利用半導體材料的街里面作為激光器諧振腔的反射面，可產(chǎn)生半導體激光，根據(jù)材料與結(jié)構(gòu)的不同，半導體激光器的輸出激光波長范圍為0.33m-34m41。圖4.1 激光產(chǎn)生原理圖一般來說，半導體激光器具有以下顯著的特點：體積小，重量輕。驅(qū)動功率消耗低。能夠直接進行調(diào)制。長壽命。激光接收器是基于受光器件制作而成，受光器件主要有PN結(jié)光敏二極管、NPN結(jié)光敏三極管和含有光敏二極管雙極IC的OPIC（Optica

34、l IC的簡稱），從廣義上包括光生電動勢器件（太陽電池、硒光電池）、光電導器件（CdS器件）在內(nèi)。受光器件通過與發(fā)光二極管的組合可以對目的物體進行檢知，也可以用于接收數(shù)據(jù)等用途。4.1.2 激光傳感器電路設(shè)計（1）激光檢測原理激光傳感器檢測道路的工作原理如圖4.2所示。激光管處于黑線上方時，經(jīng)調(diào)制后的激光點打到黑色線上，黑色對光吸收強，接收管接收到的激光少，接收管輸出低電平，檢測二極管發(fā)亮表示檢測到黑線；當激光管處于白色地面上方時，根據(jù)漫反射原理，一部分激光被反射回接收管，反射回的光強到達一定要求時，接收管輸出高電平。從而可以實現(xiàn)對道路情況的檢測，進而引導智能車。 圖4.2(a) 激光照射到白

35、色地面上 圖4.2(b) 激光照射到黑線上圖4.2 光電傳感器工作原理示意圖（2）激光傳感器排布對于光電傳感器的布局來說，“一”字型布局是理論最為成熟，效果最顯著的方案，激光傳感器使用了“一”字布局?！耙弧弊植季种袀鞲衅髦g的間距設(shè)置也是比較講究的，首先需要分析賽道基本參數(shù)，該參數(shù)有競賽主委會提供，如圖4.3所示，賽道總寬度為500mm，中間黑線寬度為25mm,起始標志靠近黑線的邊緣距離黑線中心為45mm，起始標志線長度為100mm，寬度為25mm。圖4.3 賽道基本參數(shù)為了使檢測更加精確，本文首先在基本確定接收管安裝高度和檢測距離的情況下，測試了安裝透鏡的接收管的接受范圍，如圖4.4所示,在

36、接收管安裝高度為180mm和檢測距離為450mm的情況下，其檢測范圍大約為一個長軸為88mm、短軸為38mm的橢圓。根據(jù)以上信息，根據(jù)幾何原理，通過式（4.1）可以計算出接收管的擴散角： （4.1）其中a為橢圓的短軸，d為透鏡直徑，OA為橢圓中心到透鏡的水平距離，OB為橢圓中心到透鏡的垂直距離。將實測數(shù)據(jù)代入上式得到接收管的擴散角為：得到圖4.4 透鏡發(fā)散角測試以及激光管間距的確定方法根據(jù)在上述條件下測得到的數(shù)據(jù)，本文將大前瞻激光傳感器激光發(fā)射管之間的距離定位12mm。這樣，相鄰三個傳感器之間的距離為36mm“New”,選擇HCS12XS Family, MC9S12XS128；在“Proje

37、ct name”中填入工程名字，在“Location”中選擇存儲位置，同時編程語言選擇c；其余選擇默認的，最后單擊完成即可。當完成了工程的建立之后就可以，在工程中添加源代碼，實現(xiàn)系統(tǒng)所需的功能。（2）編譯鏈接在工程代碼完成了之后，通過單擊“Make”按鈕就可以完成編譯和鏈接的工作。編譯的過程可能會產(chǎn)生很多的警告信息和錯誤，錯誤是必須要消除的。消除之后重新“Make”就可以完成編譯鏈接工作。圖6.1 開發(fā)環(huán)境（3）下載與在線調(diào)試下載與在線調(diào)試的工具選用的是P&E Micro公司研制的下載器，型號為USB-ML-12。它支持背景調(diào)試模式（Background Debug Mode，BDM），從而實

38、現(xiàn)了單片機的在線調(diào)試功能。在編譯完成了之后，選擇P&E Multilink調(diào)試模式，單擊“Debug”即可進入在線調(diào)試的界面（如圖6.2）。圖6.2 調(diào)試界面調(diào)試窗口包含了菜單欄和工具欄，還包含了8個子窗口，左邊的4個從上到下依次為程序代碼源文件窗口、函數(shù)過程窗口、數(shù)據(jù)窗口一和數(shù)據(jù)窗口二。右邊4個從上到下依次為匯編語句窗口、寄存器窗口、內(nèi)存窗口和命令行窗口?；镜恼{(diào)試方法是，選擇Start/Continue進行全速運行程序或者選擇Single Step進行單步調(diào)試，同時還可以在“Source”窗口中的某個語句處，右擊“Set Breakpoint”,然后運行到斷點處，觀察變量情況。數(shù)據(jù)變量的觀

39、察可以在Data1和Data2窗口中觀察，在這里可以選擇變量的顯示方式是十六進制或者十進制，同時還可以設(shè)置自動刷新數(shù)據(jù)和自動刷新的頻率。6.3 本章小結(jié)在本章中，主要對系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)進行了說明。首先對系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境進行了介紹，對系統(tǒng)的程序編寫和調(diào)試軟件的基本使用情況進行了說明。結(jié) 論本次設(shè)計以第五屆全國大學生智能汽車競賽為背景，在前四屆大賽的基礎(chǔ)上，開發(fā)了以16位單片機MC9S12XS128為核心的智能汽車系統(tǒng)。在硬件方面，在對以往方案進行仔細研究的基礎(chǔ)上，通過廣泛查閱相關(guān)資料與大量測試，重新設(shè)計了核心控制模塊、電源管理模塊；在激光傳感器方案、電機驅(qū)動方案、激光傳感器固定與控制方案和人機接口模塊方

40、案上較前四屆均有了突破，新增了存儲器和無線通信模塊。實踐證明，本套硬件系統(tǒng)有助于智能汽車跑出較好的成績。在軟件方面，在智能車競賽組委會提供的車模和一些基礎(chǔ)部件的基礎(chǔ)上，進行了多方面的設(shè)計改造，主要對車模的軟件設(shè)計，同時對智能車的算法進行了優(yōu)化，并通過實際的測試，發(fā)現(xiàn)對于提高智能車的運行速度、運行的穩(wěn)定性以及智能特性等多方面都有了很大的提高。由于技術(shù)經(jīng)驗的不足，系統(tǒng)尚不夠完善。另外，有限的時間也導致一些新技術(shù)、新方案沒能得到充分的實驗。但是，相信經(jīng)今后過不懈努力，這些問題在不久的將來終能得到解決。參 考 文 獻1 邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發(fā)方法M.北京：清華大學出版社，2007.2 熊萬

41、龍.基于Kalman濾波器的自主車輛定位方法研究D.北京：國防科學技術(shù)大學，2005.3 卓晴，黃開勝，邵貝貝等.學做智能車M.北京：北京航空航天大學出版社，2007.4 張雪梅.車輛的智能化與道路交通安全J.山西交通科技，2004，167（5）：8284.5 韓俊淑，韓佳文，高翔，趙玉凡，常明.智能車輛的研究及發(fā)展J.世界汽車，2003，9（35）：79806 郭烈.高速智能車電器與控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)D.長春：吉林大學，2003.7 蘇鑫.小型智能車自動駕駛系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)D.西安：西安理工大學，2008.8 田海波.一種微型智能車的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能分析D.西安：西北工業(yè)大學，2006.9 何奇文

42、，彭建盛，周東.基于紅外反射式傳感器智能車系統(tǒng)的設(shè)計J.高師理科學刊，2008，28（3）：4548.10 江思敏，唐廣芝.PCB和電磁兼容性設(shè)計M.北京：機械工業(yè)出版社，2008.11 趙玲.基于視覺和超聲傳感器融合的移動機器人導航系統(tǒng)研究D.武漢：武漢理工大學自動化學院，2007.12 胡杰.基于16位單片機MC9S12DG128智能模型車系統(tǒng)開發(fā)研究D.武漢：武漢理工大學汽車工程學院，2008.13 王朝盛.基于16位單片機MC9S12DG128B智能車系統(tǒng)的設(shè)計D.天津：天津工業(yè)大學，2007.14 伍舜喜.基于激光雷達的智能車定位技術(shù)研究D.上海：上海交通大學，2008.15 鄔昌茂

43、.基于HCS12單片機的智能車底層控制系統(tǒng)研究D.上海：上海交通大學, 2008.16 李果.汽車自動控制系統(tǒng)設(shè)計與研究D.長沙：國防科技大學，1994.17 王洋.基于視覺導航的智能車系統(tǒng)研究D.南昌：南昌大學，2008.18 黃文卿.基于DSP 的智能汽車賽道檢測和控制算法的實現(xiàn)D.北京理工大學，2008.19 王銘明.智能模型汽車控制系統(tǒng)硬件設(shè)計D.南京：南京理工大學，2009.20 江澤鑫.飛思卡爾智能汽車系統(tǒng)建模與控制算法設(shè)計D.南京：南京理工大學，2008.21 姜培安.印制電路板的可制造性設(shè)計M.北京：中國電力出版社，2007.22 楊宗德.Protel DXP電路設(shè)計制板100

44、例M.北京：人民郵電出版社，2005.23 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)M.北京：機械工業(yè)出版社，2008.24 郭烈.高速智能車電器與控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)D.長春：吉林大學，2003.25 熊有倫.機器人技術(shù)基礎(chǔ)M.武漢：華中理工大學出版社，1997.26 杜剛.電路設(shè)計與制板：Protel應用教程M.北京：清華大學出版社，2006.27 聶榮等.實例解析PCB設(shè)計技巧M.北京：機械工業(yè)出版社，2006.28 王志良.競賽機器人制作技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，2007.29 薛定宇.控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設(shè)計M.北京：機械工業(yè)出版社，2005.30 張曉華.控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CA

45、DM.北京：機械工業(yè)出版社，2005.31 李果.汽車自動控制系統(tǒng)設(shè)計與研究D.長沙：國防科技大學，1994.32 李峰.智能交通系統(tǒng)在國外的發(fā)展趨勢J.國外公路，1999，19（1）：15.33 徐國華，譚民.移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢J.機器人技術(shù)與應用，2001.34 徐友春，王榮本.世界智能車輛近況綜述J.車輛工程，2001.35 彭軍.光電器件基礎(chǔ)與應用M.北京：科學技術(shù)出版社，2009.36 郝曉劍，李仰軍.光電探測技術(shù)與應用M.北京：國防工業(yè)出版社，2009.37 汪貴華.光電子器件M.北京：國防工業(yè)出版社M，2008.38 魏彪，盛新志.激光原理及應用M.重慶：重慶大學出版社

46、M，2007.39 王曉明.電動機的單片機控制M.北京：北京航空航天大學出版社.2007.40 Myung Wook Park,Young-Jin Son,Jung-Ha Kim.Design of the Real Time Control System for Controlling Unmanned Vehicle.International Conference on Control,Automation and Systems,Oct 2007,pp.1234-1237.41 Hark.Inueo.Maeyama.Navigation Using One Laser Source f

47、or Mobile Robot with Optical Sensor Array Installed in Pan and Tilt Mechanism IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics.AIM 2008.p 257-62,2008.42 Yanfei Liu, Zhaohui Wu. A smart car control model for drivers comfort of car followingJ.Intelligent Vehicle Symposium,2005.P

48、roceedings.IEEE,2005：833-839.第五屆全國大學生智能汽車邀請賽技術(shù)報告控制程序代碼 PAGE XXIV PAGE XXVI附錄A：控制程序代碼主程序#include PLL.h#include AD.h#include Threshold.h#include DetectBlackLine.h#include SPEED_STEER.h#define HIGH_SPEED1 300#define MID_SPEED1 250#define LOW_SPEED1 225#define HIGH_SPEED2 320#define MID_SPEED2 260#defin

49、e LOW_SPEED2 240#define HIGH_SPEED3 240#define MID_SPEED3 215#define LOW_SPEED3 190#define HIGH_SPEED4 330#define MID_SPEED4 280#define LOW_SPEED4 275#define LOWEST_SPEED 50#define INIT_SPEED1 200#define INIT_SPEED2 205#define INIT_SPEED3 195#define INIT_SPEED4 210int high_speed;int mid_speed;int lo

50、w_speed;/閉環(huán)控制參數(shù)/ int Kp=2,Ki=0,Kd=0;int get_speed;int speed_error_0=0,speed_error_1=0,speed_error_2=0;int speed_control_0=0,speed_control_1=0;int set_speed=0;int AllWhite=0;/#define LASTN 5int lastnum=0;int lastposLASTN;int SteerValue=0; /記錄舵機當前轉(zhuǎn)向?qū)臄?shù)值-1111；int LatestBlack=5;int curpos;int FrontAD12

51、; int tmpRecordFront12;int IsBlackF12;int range_max_value12;int range_min_value12;int Threshold12;int STEER_VALUE23;int NumBlackF=0;int NumF;int Flag=0;int StartFlag=0;int ThreshFlag=0;int ResetFlag =0;int a312; /中值呂濾波暫存數(shù)組#define RoadNum 10int RoadStateRoadNum12;unsigned char waste=0;int brake_cnt=0

52、;int speed_ctrl=0;int spflag=0; /0:直道,1:little right,2:big right,-1:little left,-2:big leftint spcnt=0;/判斷路況變量int BigSLeft=0,BigSRight=0,SmallSLeft=0,SmallSRight=0,ShortLine=0;unsigned char StartLine=0;/PIT初始化/void modulo_init(void) PITCFLMT_PITE=0; /關(guān)PIT PITINTE=0 x01; /開中斷0 PITMTLD0=0 x0f; /預分頻系數(shù)1

53、6 計數(shù)時鐘(BusCLK/16)M PITLD0=10000; /2.124ms AD周期約為0.2ms/ PITFLT=0 x01; /load the corresponding 16-bit timer load register into the 16-bit timer down-counter PITCFLMT=0 x81; / PITCE=0 x01; /使能通道0/*路況判斷函數(shù),決策變量RoadState數(shù)組/*返回判斷結(jié)果起始線void RoadStateJudge(void) char x,y,xflag2=0,0; int m=0,n=0,i,mflag=0,nfla

54、g=-1; int temp12; for(i=9;i6;i-) y=0; x=0; m=0; n=0; mflag=0; nflag=-1; for(x=0,y=0;x0) y+; if(y=4) /連續(xù)4個黑點pass return; m=1; if(mflag0 | nflag0) nflag+; if(nflag0) mflag = -20; if(nflag=3) return; else nflag=0; y=0; if(m) mflag+; n+; m=0; if(n=4) /有四個變化pass return; else if(n=3 & RoadStatei110) retur

55、n; for(x=0;x6;y-) /最大RoadNum for(x=0;x12;x+) tempx+=RoadStateyx; y=0; x=0; for(x=0;x=2 | temp11-x=2)y+; if(y=3) x=0; y=0; while(x=3&tempx(tempx+1+1) xflagy=x; y+; x+=3; if(y=2) break; else x+; if(y=2 & xflag1-xflag0=3) PORTB_PB3 = 0; /檢測到起始線 StartFlag = 2; /void Speed_Control(void) if(ShortLine150)

56、if(spflag!=0) spflag = 0; spcnt = speed_ctrl; set_speed=high_speed; else if(BigSLeft2) if(get_speed=low_speed+20) set_speed=0; else if(get_speed=LOWEST_SPEED & spflag=0 & speed_ctrl-spcnt250) set_speed=0; else set_speed=low_speed; spflag = -2; spcnt = speed_ctrl; else if(BigSRight2) if(get_speed=low

57、_speed+20) set_speed=0; else if(get_speed=LOWEST_SPEED & spflag=0 & speed_ctrl-spcnt250) set_speed=0; else set_speed=low_speed; spflag = 2; spcnt = speed_ctrl; else if(SmallSLeft100) if(spflag=1 & speed_ctrl-spcnt500) set_speed=mid_speed; else set_speed=mid_speed; spflag = -1; spcnt = speed_ctrl; el

58、se if(SmallSRight100) if(spflag=-1 & speed_ctrl-spcnt500) set_speed=mid_speed; else set_speed=mid_speed; spflag = 1; spcnt = speed_ctrl; motorspeed(set_speed);void init_speed(int high, int mid, int low) high_speed = high; mid_speed = mid; low_speed = low; BigSLeft=0; BigSRight=0; SmallSLeft=0; Small

59、SRight=0; ShortLine=0;/主程序/ void normal(void) FindPosFront(); Steer_Control(curpos); /控制舵機 if(speed_ctrl%5=0) /電機控制，5個中斷周期 Speed_Control(); void delay1ms(int time) /time=1為2ms while(time-) int tmpp_dela=10000; while(tmpp_dela-); /中斷服務程序/#pragma CODE_SEG NON_BANKED void interrupt ModuloOverflow(void)

60、 DisableInterrupts; PITTF_PTF0=1; if(waste20000) /中斷周期計數(shù)、提供時間等參數(shù) speed_ctrl = 0; else speed_ctrl+; /開關(guān)1 中速 /開關(guān)2 高速 /開關(guān)3 低速 /開關(guān)4 超高速 /開關(guān)5 起始線檢測 /開關(guān)6 采閾值 if(PORTA_PA2=0 & ThreshFlag=0) /開始采閾值 Get_range_value(); Get_Threshold(); PORTB_PB0=0; /點亮PB0,如果單片機復位，PB0燈會熄滅 StartFlag = -1; ThreshFlag = 0; if(Sta