智能汽车创新技术.docx

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1、智能车设计技术汇报光电组组员姓名：刘文雄李政张建伟飞思卡尔智能车设计方案光电组目录：一、绪论2二、整车设计方案22.1 整车工作原理22.2 整车布局22.3 系统设计构造图32.4 系统软件设计思绪3三、机械系统设计43.1 红外传感器支架时设计安装43.2 前轮倾角H勺调整53.3 3底盘高度的调整63.4 舵机安装构造口勺调整63.5 5后轮差动机构调整73.6 车体重心的调整73.7 光电编码器0安装8四、硬件电路设计84.1 最小系统板H勺设计84.3 电机驱动模块的设计104.4 速度传感器114.5 舵机驱动模块124.6 图像采集电路12五、软件系统设计145.1 S12单片机

2、简介145.2 系统模块简介及系统初始化155.3 图像采集及黑线提取算法155.4 舵机控制方略195.5 速度控制方略19一.绪论为了提高大学生的动手能力和创新能力，教育部与飞思卡尔企业共同组办飞思卡尔杯全国大学生智能汽车邀请赛”，这个大赛B综合性很强，是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感、电子、电气、计算机和机械等多种学科交叉的科技创意性比赛。通过数年的发展比赛已具有电磁组、光电组和摄像头组三个赛组。通过对以往比赛状况以及今年比赛规则的理解，我们选择了以红外对管为传感器的智能车设计。如下重要简介了竞速车模的整体框架、硬件设计、红外对管赛道采集模块、光电编码器速度采集模

3、块、执行模块电路设计、电源管理模块以及系统软件设计。在硬件设计方面，结合大赛选用芯片的规定，自行设计实现了系统的电路板，软件系统以FreeSCaIe16位单片MC9S12XS128作为系统控制处理器，采用红外对管获取实时赛道信息，通过红外对管直接提取赛道黑线，采用PD控制算法对舵机转向进行控制。通过光电编码器实时获取小车速度，采用P控制方略形成速度闭环控制。二.整车设计方案2.1 整车工作原理智能车的总体工作原理为：以红外对管对赛道光线不一样反射提取赛道图像并将对管坐标化进行计算塞到我位置同步输入到S12控制关键；通过光电编码器来检测车速，并采用S12B输入捕捉功能进行脉冲计数计算速度和旅程；

4、舵机转向采用PD控制；电机转速控制采用PID控制，通过PWM控制驱动电路，调整电机的功率；而车速的目的值由默认值和运行安全监控综合控制。2.2 整车布局1、整车低重心设计。通过以往几届比赛的经验我们看到，往往重心低，体积小巧，布局紧凑B赛车更能获得好0成绩。而重心过高日勺“长颈鹿”往往在高速过弯时出现侧翻。而通过汽车理论与现实中的竞速类比赛我们也可以看到，但凡竞速类的赛车均是低重心设计。于是，我们通过合理布局电路板和多种传感器，尽量地减少整车重心。在不影响传感器前瞻，或者不过度牺牲传感器性能时状况下，尽量减少红外对管传感器B重量和高度，以提高赛车的侧翻极限。2、整车电路集成化，一体化设计。模块

5、化设计和一体化设计是两种互有利弊B设计思绪。模块化B好处是系统有良好B扩展性，可升级性，维护性好。但缺陷是体积较大，接插件较多，整个系统有诸多废重，不利于小型化和轻量化。集成化0设计思绪的好处是原件密度高，系统可以小型化一体化，对于布局空间非常局促B智能车来说，小型化B电路设计更为以便布局。不过缺陷是系统升级麻烦，需要极高的可靠性的保证。我们在最终采用的方案中，通过综合考虑各方面原因，在确定了系统最终硬件方案不做大0更改0状况下，在保证了系统可靠性B前提下，最终选择了一体化，集成化的硬件设计思绪。使车体硬件电路布局紧凑，稳定可靠。3、为了让传感器获得更多更远0信息，让传感器向前稍微倾斜一种角度

6、，获得更大的前瞻。4、轻量化设计。重量的减轻，可以带来加速快，减速及时等一系列有点，因此在到达设计目00状况下，应尽量减轻车重。2.3 系统设计构造图2.4 系统软件设计思绪系统的软件方面，我们首先要考虑的原因就是要保证赛车的稳定性。以此目的为关键，我们的软件包括了一下几种子模块：1、系统初始化与硬件接口2、图像处理与黑线提取3、起始线鉴别4、途径识别5、控制算法三.机械系统设计3.1 寻迹传感器的布局常见0有如下几种方案寻迹传感器的布局常见的有如下几种方案方案一：一字形布局反射式光电传感器在小车前方一字形简朴排布。在一字形中传感器的间隔有均匀布局和非均匀布局两种方式，均匀布局不利于弯道信息的

7、精确采集，一般采用B是非均匀布局。考虑到弧度信息采集B连贯性，非均匀布局的理论根据是等角度分布原则，即先确定一合适的定点，从顶点依次等角度画射线，射线与传感器水平线相交0位置即为传感器0位置。这种方案信息检测相对连贯，精确，使控制程序算法简朴，小车运行连贯，稳定。方案二：M形布局传感器呈M形排布。这种方案的长处在于拓宽了边缘传感器的检测范围，更适合于小车迅速行进中B弯道检测,但相对一字形布局来说,M形布局不利于信息检测的稳定，易于产生振荡，不利于小车行驶的稳定。方案三：活动式传感器布局前面两种方案都是固定B布局方式，使传感器对赛道有一定日勺依赖。在这个方案中，传感器的位置是可以在一定范围内灵活

8、排布的。这种方窠的布局思绪是传感器在安装板上的位置是可调0,先将传感器排布成为矩形点阵，根据不一样B赛道状况而灵活地作出调整，就可以设计出不一样的布局方式而适应不一样0赛道。这样对不一样赛道有更强的适应性。但这种方案可调性大，临时调整较难,另一方面机械设计中体积较大，增长了小车0重量，不利于加减速。在我们B方案选择中，我们采用B是上述第一种方案。3.2 前轮倾角的调整根据汽车理论，前轮参数的调整对智能车直线行驶的稳定性、转向的轻便性及轮胎磨损有很大影响。前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等4个参数来决定。主销内倾是指主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用是使前轮

9、自动回正。内倾角度越大时前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损增大；反之，内倾角度越小时前轮自动回正的作用就越弱。我们没有对此参数进行调整。主销后倾(Caster)是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的角度。它使车辆转弯时产生0离心力所形成B力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到本来的中间位置上。由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也愈好。主销内倾和主销后倾均有使汽车转向自动回正，保持直线行驶B功能。不一样之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时后倾的回正作用大，低速时内倾向回正作用大。由于智能车比赛赛道逐渐向复杂型，多弯B赛道发展，

10、因此我们更多B规定提高赛车弯道性能，故此处我们保持了赛车原装的前2后2B垫片设计。前轮外倾角(Camber)对赛车的转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。前轮外倾角俗称“外八字”，假如车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，也许引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。此处可根据实际状况，调整5。左右的外倾角。所谓前束（TOe-out）是指两轮之间0后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。前轮在滚动时，其惯性力会自然将轮胎向内偏斜，假如前束合适，轮胎滚动时B偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损B现象

11、会减少。此处一般调整为0前束。3.3底盘高度的调整底盘合适减少，在可以过坡道的状况下，尽量减少底盘，从整体上减少车的重心，使车在转弯时可以愈加稳定、迅速。考虑到车上坡时重心后倾，应将底盘前端低于底盘后端，增长前轮上坡时的抓地力。3.4舵机安装构造的调整舵机是整车延时比较大的一种环节，怎样在保证舵机转向0对的性0前提下深入减小其动作延时，以提高系统的响应速度，是舵机性能优化的目的。增长摄像头的前瞻能力可以在一定程度上弥补舵机的时延。舵机反应速度是弯道处车速提高0重要瓶颈之一。提高智能车的过弯速度可有效地提高平均速度。为加紧舵机的响应速度，我们参照了上两届的做法将舵机架高。舵机按立式反装，使舵机轴

12、处在中间位置，即舵机轴与两前轮间连杆长度相等。因左右转向时的力臂相似，故左右转向角度、速度均相似。架高舵机,加长舵机连杆长度，这样舵机转过一种很小的角度，前轮就能转过很大角度，从而加紧了响应速度。但舵机转动时受到aJ阻力矩也变大，会导致转向变慢。这是两个互相矛盾B原因，需在试验中寻找最优解。增长前轮下压力，从而提高了前轮的抓地力，当然这样也加重了舵机负载，不过由于转向连杆连接点和舵机轴心距离适中，因此不会烧毁舵机。3.5后轮差动机构调整当赛车在正常过弯时（假设无转向局限性亦无转向过度），4个轮子的转速皆不相似，依序为：外侧前轮外侧后轮内侧前轮内侧后轮。本次所使用车模配置B是后轮差速机构。差速器

13、日勺特性是：阻力越大的一侧，驱动齿轮的转速越低；而阻力越小的一侧，驱动齿轮I为转速越高。后来轮差速器为例，在过弯时,因外侧后轮轮胎所遇B阻力较小，轮速便较高；而内侧后轮轮胎所遇的阻力较大,轮速便较低。差速机构0作用是在车模转弯0时候，减少后轮与地面之间0滑动；并且还可以保证在轮胎抱死B状况下不会损害到电机。差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙，过松过紧都会使差速器性能减少，转弯时阻力小的车轮会打滑，从而影响车模B过弯性能。好的差速机构，在电机不转的状况下，右轮向前转过B角度与左轮向后转过B角度之间误差很小，不会有迟滞或者过转动状况发生。3. 6车体重心的调整车体重心位置对赛车加减速性能、转向性

14、能和稳定性均有较大影响。重心调整重要包括重心高度和前后位置的调整。理论上，赛车重心越低稳定性越好。因此除了摄像头装得稍高以外，其他各个部件的安装高度都很低。除此之外，车辆重心前后方向B调整，对赛车行驶性能也有很大的影响。根据车辆运动学理论，车身重心前移，会增长转向，但减少转向的敏捷度（由于大部分重量压在前轮，转向负载增大），同步减少后轮0抓地力，影响加减速性能；重心后移，会减少转向，但增大转向敏捷度，后轮抓地力也会增长，提高加减速性能。因此，确定合适的车体重心，让车模愈加适应比赛赛道是很关键的。将摄像头安装在车体靠后位置，这样使得赛车的重心后移，极大地增长了赛车的转向灵活度。3.7光电编码器的

15、安装光电编码器安装重要考虑的问题是与齿轮的咬合，太紧会使电机转动吃力并且会发出很大的噪声，太松有时候会丢齿。因此最佳使得安装的编码器松紧程度可以调整最佳。四.硬件电路设计4.1 最小系统板的设计所谓单片机最小系统，是指在单片机外部增长尽量少的元件电路，构成一种让单片机可独立工作的系统。MC9S12DG128芯片是全国智能汽车竞赛组委会指定各参赛队使用BFreesca1eHCSI2系列中的一款芯片，本节简介以MC9S12DG128芯片为关键的最小系统的构成，如图5.9所示。该最小系统重要包括如下几种部分：时钟电路、串口电路、BDM接口、供电电路、复位电路和调试用1ED灯。各个部分B功能分别如下：(1)时钟电路为单片机提供一种外接0916HzB石英晶振。(2)串口0RS-232驱动电路可实现TT1电平与RS-232之间日勺转换。(3) BDM接口容许顾客通过该接口向单片机下载和调试程序。(4)供电电路重要是给单片机提供+5V0电源。(5)复位电路是通过一种复位芯片给单片机一种复位信号。(6)调试用1ED灯和单片机的PORTB口相连，供程序调试使用。4.2 电源模块的设计智能车系统采用配发0原则