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文檔簡介

1、 第十四屆“恩智浦”杯全國大學生智能汽車競賽技術(shù)報告學校:河南科技大學隊伍名稱:JARVIC王亞宇參賽隊員:張玉東潘爽爽帶隊教師:王新勇葉宇程 目錄第一章第二章 引言4總體方案52.1 主控芯片的選擇52.2 傳感器的選擇52.3 車模的選擇5第三章結(jié)構(gòu)設計63.1 萬向輪的選取63.2 電路板的安裝63.3 電池的安裝63.4 電磁傳感器的安裝7第四章 硬件設計84.1 電源電路設計84.2 電機驅(qū)動電路84.3 單片機系統(tǒng)94.4 紅外傳感器104.5 電磁傳感器11第五章 軟件設計135.1 開發(fā)及輔助工具135.2 控制算法13參考文獻15附錄 程序源代碼16 第一章 引言 全國大學生

2、智能汽車競賽是以智能汽車為研究對象的創(chuàng)意性科技競賽,是面向全國大學生的一種具有探索性工程實踐活動,是教育部倡導的大學生科技競賽 之一。本競賽以“立足培養(yǎng),重在參與,鼓勵探索,追求卓越”為指導思想,旨 在促進高等學校素質(zhì)教育,培養(yǎng)大學生的綜合知識運用能力、基本工程實踐能力 和創(chuàng)新意識,激發(fā)大學生從事科學研究與探索的興趣和潛能,倡導理論聯(lián)系實際、求真務實的學風和團隊協(xié)作的人文精神,為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。競速 賽以統(tǒng)一規(guī)范的標準硬軟件為技術(shù)平臺,制作一部能夠自主識別道路的模型汽車, 按照規(guī)定路線行進,并符合預先公布的其他規(guī)則,以完成時間最短者為優(yōu)勝。競賽過程包括理論設計、實際制作、整車調(diào)試、

3、現(xiàn)場比賽等環(huán)節(jié),要求學生組成團 隊,協(xié)同工作,初步體會一個工程性的研究開發(fā)項目從設計到實現(xiàn)的全過程。該競賽融科學性、趣味性和觀賞性為一體,是以迅猛發(fā)展、前景廣闊的汽車電子為背景,涵蓋自動控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機、機械與汽車 等多學科專業(yè)的創(chuàng)意性比賽。該競賽規(guī)則透明,評價標準客觀,堅持公開、公平、 公正的原則,保證競賽向健康、普及,持續(xù)的方向發(fā)展。 變形三輪組賽道包含十字交叉路口、坡道、環(huán)島、橫斷路障、斷路賽道 等元素。車模出發(fā)時需要保持兩輪著地平衡狀態(tài)出發(fā),直到遇到第一個斷路賽道元素車模改為水平三輪著地運行狀態(tài),遇到第二個斷路賽道元素時車模需要重新恢復兩輪著地運行狀態(tài),并最

4、終通過終點線。允許使用各類電磁、光電傳感器、攝像頭、超聲傳感器器件進行賽道和環(huán)境檢測。 本文主要通過介紹車模的結(jié)構(gòu)設計、硬件設計及軟件設計,闡述我們小組在參與比賽中的設計思路和獨特想法。 第二章 總體方案 2.1 主控芯片的選擇 由于今年的規(guī)則對競速組處理器的型號沒有限制只要是恩智浦公司的即可,而三輪組由 于比賽任務的要求需要兼具電磁和光電類的傳感器,需要較快的處理速度。因此我們比較了 市場上常見的幾種恩智浦芯片,最終選擇了具有 600M 主頻的 i.MX RT1052 作為核心主控 制器。 2.2 傳感器的選擇 起初傳感器的方案是水平運行為攝像頭,直立運行為電磁傳感器;后來發(fā)現(xiàn)光線對攝像 頭

5、有較大影響,同時當車模運行狀態(tài)為直立時,攝像頭的傾角就不再適用,這時想要使用攝 像頭識別直立狀態(tài)的斷路等元素就變得難以實現(xiàn)??傮w實驗效果攝像頭沒有電磁傳感器穩(wěn)定, 因此最終確定使用電磁傳感器來檢測橫斷和斷路以外的賽道元素,加上漫反射激光傳感器和 紅外傳感器來輔助識別橫斷及斷路。 2.3 車模的選擇 變形三輪組要求車模能夠?qū)崿F(xiàn)水平和直立兩個狀態(tài)的運行及切換,今年的規(guī)則允許 使用D、E 車模改裝成三輪車;傳統(tǒng)的三輪車模F 車模前輪太過笨重加上后面驅(qū)動的兩個于D、E 車模,因此主要考慮D、E 車模。D 車模的底盤過短,在不加長的前提下 不滿足改裝三輪車最小前后輪距的要求。因此選擇E 車模。 輪距小

6、第三章 結(jié)構(gòu)設計 3.1 萬向輪的選取 為了避免前面重量過重讓車模重心集中,我們選用重量較輕的萬向輪。 圖 1 萬向輪3.2 電路板的安裝 為了使重心盡量集中在輪軸上,電路板主要安裝在電機上方。 圖 2 電路板的安裝3.3 電池的安裝 電池是車模上除電機以外最重的一塊器件,為了使車模同時具有良好的兩輪性能和三輪 性能,我們將電池安裝在靠近電機的位置;同時在車模上安裝了一塊用于改變電池角度的舵 機,通過改變電池角度達到改變車模重心的效果,從而使車模同時具備良好的水平和直立性 能。 3.4 電磁傳感器的安裝 為了使電磁傳感器能夠準確地識別賽道信息我們采用雙排電感的結(jié)構(gòu),即下面一排電 感用于直立識別

7、賽道信息,上面一排電感用于水平狀態(tài)識別賽道信息。相較于僅使用單排 電感,水平狀態(tài)時不會因為電感離地較近而失去良好的線性度電感值變化。 圖 3 車模總體結(jié)構(gòu)效果圖 第四章 硬件設計 4.1 電源電路設計 電源模塊對于一個控制系統(tǒng)來說極其重要,關(guān)系到整個系統(tǒng)能否正常工作,因此在設計 控制系統(tǒng)時應選好合適的電源。 車模供電主要有三種電壓大?。?.2V、5V、3.3V,其中 7.2V 為電池電壓,主要供給電機電源,5V 主要提供給核心板、舵機、攝像頭、測速模塊,3.3V 負責對陀螺儀、電磁傳感器、以及調(diào)試用的無線模塊等進行供電。經(jīng)過測試,5V/3.3V 系統(tǒng)需要的總電流約為 200- 300mA,故我

8、們使用低成本、外圍電路簡單、占用 PCB 空間較少高效線性穩(wěn)壓器的AMS1117 作為 5V 以及 3.3V 電源芯片,且控制部分和執(zhí)行部分分開供電,可以有效的防止各器件之間發(fā)生干擾,以及電流不足的問題。 電路圖如圖: 圖 4 電壓轉(zhuǎn)化電路4.2 電機驅(qū)動電路 電機是車模的主動力機構(gòu),驅(qū)動的設計尤為重要。常用的電機驅(qū)動有兩種方式:一:采 用電機驅(qū)動芯片;二:采用 N 溝道 MOSFET 和專用柵極驅(qū)動芯片。因為第一種方法電路簡單且功率足夠,滿足比賽要求;第二種方法電路復雜,所以我們選擇第一種方案。 電機驅(qū)動板為一個由分立元件制作的直流電動機可逆雙極型橋式驅(qū)動器, 其功率元件由兩個 BTN797

9、1 組成其應用非常簡單,只需要向芯片第 2 引腳輸入 PWM 波就能控制。當系統(tǒng)中只需要單向控制時,只需要讓電機一端接地,另一端接 BTS7971 第 4 引腳。如果需要電機雙向旋轉(zhuǎn)控制,則需要另一片BTS7971共同組成全橋。由于小車使用雙電機,所以我們使用4 片BTS7971 構(gòu)成兩個全橋分別控制兩個電機。集成度高,電路簡單。 該驅(qū)動電路,可以讓電機處于多種模式下工作,經(jīng)過在賽道上對賽車進行試驗,電機的 加減速效 果很好,完全可以滿足賽車對不同賽道加減速的要求。驅(qū)動部分原理圖如下所示: 圖 5 驅(qū)動部分圖4.3 單片機系統(tǒng) 單片機是整個智能車系統(tǒng)的核心部分。I. MX RT1052 是NX

10、P 推出的 M7 內(nèi)核的跨界處理器,主頻高達 600MHz 具備高性價比。高性能 Arm Cortex-M7 芯片采用六級流水線,集成雙精度浮點計算單元 DPFPU 和 DSP指令、實時響應延遲低至 20ns,為程序的高速運行提 供保障。 圖 6 核心板部分原理圖4.4 紅外傳感器 我們采用了紅外傳感器輔助車模識別斷路,該傳感器對環(huán)境光線適應能力強,其具有一 對紅外線發(fā)射與接收管,發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線,當檢測方向遇到障礙物(反射面)時, 紅外線反射回來被接收管接收,經(jīng)過比較器電路處理之后,紅色指示燈會亮起,同時信號輸 出接口輸出數(shù)字信號(一個低電平信號),可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離,

11、有效距離范圍230cm,工作電壓為 3.3V。該傳感器的探測距離可以通過電位器調(diào)節(jié)、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點。 原理圖如下: 圖 7 紅外對管傳感器4.5 電磁傳感器 使用電感作為檢測導線的傳感器,但是其感應信號較微弱,且混有雜波,所以要進行信 號處理。通常要進行以下三個步驟才能得到較為理想的信號:信號的濾波,信號的放大,信 號的檢波。 1)信號的濾波 比賽選擇 20kHz 的交變磁場作為路徑導航信號,在頻譜上可以有效地避開周圍其它磁場的干擾,因此信號放大需要進行選頻放大,使得 20kHz 的信號能夠有效的放大,并且去除其它干擾信號的影響。使用 LC 并聯(lián)諧振電路來實現(xiàn)選頻電路(帶

12、通電路),其中, L 是 感應線圈的電感值 C 是并聯(lián)諧振電容。電路諧振頻率為: f= 1 2 已知感應電動勢的頻率 = 20kHz,感應線圈電感為 L =10mH,可以計算出諧振電容的容量為: C=6.33109F 通常在市場上可以購買到的標稱電容與上述容值最為接近的電容為 6.8nF, 所以在實際電路中我們選用 6.8nF 的電容作為諧振電容。 2)信號的放大 由第一步處理后的電壓波形已經(jīng)是較為規(guī)整的 20kHz 正弦波,但是幅值較小,隨著距 離衰減很快,不利于電壓采樣,所以要進行放大,集成運放放大電路有同相比例運算電路和 反相比例運算電路,我們在實際中使用反相比例運算電路。由于運放使用單

13、電源供電,因此 在同相端加 vcc/2 的基準電位,基準電位由電阻分壓得到。 3)信號的檢波 測量放大后的感應電動勢的幅值 E 可以有多種方法。最簡單的方法就是使用二極管檢波電路將交變的電壓信號檢波形成直流信號,然后再通過單片機的 AD 采集獲得正比于感應電壓幅值的數(shù)值。 部分原理圖如下: 圖 8 電磁傳感器原理圖 第五章 軟件設計 5.1 開發(fā)及輔助工具 開發(fā)工具選用 Keil,Keil 是美國 Keil Software 公司出品的C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng),Keil 提供了包括C 編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案,通過一個集成開發(fā)環(huán)境(Vision)

14、將這些部分組合在一起。Kei 具有方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具,這些對車模的調(diào)試和程序的編寫都具有很大幫助。 常用的輔助工具有地面站,地面站是由科創(chuàng)設計的一款上位機,單片機通過 藍牙將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機,可通過上位機軟件實時觀察數(shù)據(jù)波形,極大提高了調(diào)試的效率。 圖 9 上位機5.2 控制算法 1)姿態(tài)控制 姿態(tài)控制方面我們采用位置式 PID 對系統(tǒng)進行反饋控制。通過 MPU6050 對角度信息進行采集,并作為PID 的系統(tǒng)反饋從而對車模姿態(tài)進行控制。 位置式PID 公式: 車模姿態(tài)控制中通過內(nèi)環(huán)角速度環(huán)、外環(huán)角度環(huán)串級 PID 調(diào)節(jié)使車模姿態(tài)更加穩(wěn)定、增強車模的適應能力和抗干擾能力

15、。 期望角速度 (角度環(huán)輸出)PWM 波姿態(tài)角速度 環(huán) PID 控 制器 期望角度反饋角速度 反饋角度圖 10 姿態(tài)控制流程圖 2)方向控制 方向控制使用左右兩個電感的 AD 值差值作為反饋量,使用 PD 控制來控制車模行進方向。 圖 11 PID 控制過程3)速度控制 編碼器的速度值作為速度控制的反饋量,使用 PI 控制來控制車模速度。 期望速度 PWM 波反饋速度 圖 12 速度控制過程 速度環(huán)PID 控制器 車模電機編碼器 角度環(huán)PID 控制器 車模電機陀螺儀 參考文獻 1 童詩白,華成英. 模擬電子技術(shù)基礎M. 北京. 高等教育, 2006 2 卓晴, 黃開勝, 邵貝貝等. 學做智能車

16、. 北京. 北京航空航天大學, 2007 3 何立民. 單片機應用系統(tǒng)設計. 北京. 北京航天航空大學, 1997 4 閻石. 數(shù)字電子電路基礎. 北京. 高等教育, 2005 5 譚浩強. C 程序設計(第二版). 北京. 清華大學, 2001 6 張義和. AltiumDesigner 完全電路設計. 北械工業(yè), 2007 附錄 程序源代碼 int main(void) MPU_Memory_Protection(); /初始化 MPU RT1052_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4);/ 中斷優(yōu)先級分組 4 RT1052_Cloc

17、k_Init(); /配置系統(tǒng)時鐘 /延時函數(shù)初始化 DELAY_Init(600); LED_Init(); OLED_Init(); /初始化 OLED LPUART3_Init(115200); Motor_Init(); MY_ADC1_Init(); /初始化 ADC1 /初始化編碼器外設 ENC MY_ENC_Init(); IIC_Init(); MPU6050_initialize(); / 陀 螺 儀 初 始 化DMP_Init(); /DMP 初 始 化KEY_Init(); / 初 始 化 按 鍵 SDRAM_Init(); / 初 始 化 SDRAM for(int i

18、=100;i0;i-) MY_ADC1_GetOnce();/mySensor 電感值 QTMR1_NvicInit(0, 0);/定時器 QTMR1 中斷配置初始化 /定時器 1 通道 0 初始化 QTMR1_CH0_Int_Init(1); OLED_P8x16Str(0,1,OK); delay_ms(500); OLED_CLS(); while(1) run(); /TMR1 中斷服務函數(shù) void TMR1_IRQHandler(void) /判斷是不是 TMR1 通道 0 的比較中斷if(QTMR_GetStatus(TMR1,kQTMR_Channel_0)&kQTMR_Com

19、pareFlag)=kQTMR_Comp areFlag) QTMR_ClearStatusFlags(TMR1,kQTMR_Channel_0,kQTMR_CompareFlag); / 清除中斷標志位 timer+; /1ms 中斷一次 if(stopProFlag != 1) speed=speed_AIM; Stop_count+; if(Infrared2=0 & Stop_count10000) stop(); carChange(); MY_ADC1_GetOnce(); DG_stopPro(); if(stateFlag = TWO_WHEEL) Ring_Entry_cou

20、nt+; Out_Ring+; Angle_count+; Dev_count+; G_Val=(int)(Get_Gyro_Y()/10)*0.1f+G_Val_Last*0.9f; G_Val_Last = G_Val; Dev=(int)( mySensor.Fifer_ADC_1- mySensor.Fifer_ADC_2); Dev_True = Dev; Dev_ACC=(int)Get_Gyro_X()*0.3f+Dev_ACC_Last*0.7f; Dev_ACC_Last=Dev_ACC; Turn_P = 11; Turn_D = 0.5; twoWheelCir(); t

21、woWheelObsta(); if(Roadblock_Start=0) Turn_OUT = Turn_PID(Dev_True,Dev_ACC); else if(Roadblock_Start = 1) Turn_OUT=Turn_Angle_PID(Roadblock_ANGLE- Roadblock_Angle_AIM,Dev_ACC); else Turn_OUT =Turn_PID(Dev_True,Dev_ACC); if(Angle_count = 5) A_Val=Get_Angle(1)*10; CORE_OUT=Angle_PID(int)A_Val,(int)G_V

22、al); Angle_count=0; if(Dev_count = 10) /10ms Get_Speed(&Speed_now, &Acc_now); if(abs(Acc_now)200) Speed_now=Speed_Last; Speed_Last=Speed_now; Dev_PID(Speed_now-2000, Acc_now); Dev_count=0; Angle_OUT=Gyro_PID(int)(G_Val+CORE_OUT),(int)G_Val_ACC); if(Turn_OUT1000)Turn_OUT=1000; if(Turn_OUT100) Turn_OUT=100; if(Turn_OUT 20) S = (myEncoder.speed_2 + myEncoder.speed_1) / 2; else if(Roadblock_Start = 1) Turn_OUT=Turn_Angle_PID(Roadblock_ANGLE- Roadblock_Angle_AIM,Dev_ACC); else Turn_OUT =Turn_PID(Dev_True,Dev_ACC); if(Speed_count20) if(speedS) S+=1; else S=speed; S

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