光智能汽車(chē)競(jìng)賽技術(shù)報(bào)告

1、<p>　　第十屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生</p><p><b>　　智能汽車(chē)競(jìng)賽 </b></p><p>　　技 術(shù) 報(bào) 告</p><p>　　學(xué) 校： 武漢科技大學(xué)</p><p>　　隊(duì)伍名稱(chēng)： 首安一隊(duì)</p><p>　　參賽隊(duì)員： 余 義</p>

2、;<p><b>　　鄭力銘</b></p><p><b>　　夏智龍</b></p><p>　　帶隊(duì)教師： 章 政</p><p><b>　　趙 敏</b></p><h2>　　關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說(shuō)明</h2><p

3、>　　本人完全了解第十屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽關(guān)保留、使用技術(shù)報(bào)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(huì)和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁(yè)上收錄并公開(kāi)參賽作品的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車(chē)的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會(huì)出版論文集中。</p><p><b>　　參賽隊(duì)員簽名：</b></p><p><

4、;b>　　帶隊(duì)教師簽名：</b></p><p>　　日 期：</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　目 錄2</b></p><p><b>　　引　　言4</b></p><p&g

5、t;　　第一章 方案分析與設(shè)計(jì)5</p><p>　　1.1直立控制方案的分析5</p><p>　　1.2系統(tǒng)總體方案的選定8</p><p>　　1.3系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)8</p><p>　　第二章 智能汽車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化9</p><p>　　2.1智能汽車(chē)車(chē)體機(jī)械建模9</p>

6、<p>　　2.2 智能汽車(chē)傳感器的安裝11</p><p>　　2.2.1速度傳感器的安裝11</p><p>　　2.2.2 線形CCD的安裝12</p><p>　　2.2.3車(chē)模傾角傳感器的安裝13</p><p>　　2.3重心高度調(diào)整14</p><p>　　2.3.1 電路板的安裝1

7、5</p><p>　　2.3.2 電池安放15</p><p>　　2.4 其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整15</p><p>　　第三章 智能汽車(chē)硬件電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.1主控板設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.1.1電源管理模塊18</p><p>　　3.1.2 電機(jī)隔離

8、與測(cè)速模塊18</p><p>　　3.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊19</p><p>　　3.1.4 接口模塊20</p><p>　　3.2智能汽車(chē)傳感器20</p><p>　　3.2.1 線性CCD傳感器23</p><p>　　3.2.2 陀螺儀和加速度計(jì)24</p><p>　

9、　3.2.3 編碼器24</p><p>　　3.3 OLED液晶顯示屏，鍵盤(pán)，撥碼26</p><p>　　第四章 智能汽車(chē)控制軟件分析與設(shè)計(jì)26</p><p>　　4.1小車(chē)整體軟件設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.2線性CCD傳感器路徑精確識(shí)別技術(shù)28</p><p>　　4.2.1新型傳感器路徑識(shí)別

10、狀態(tài)分析30</p><p>　　4.2.2 線性CCD傳感器路徑識(shí)別算法30</p><p>　　4.3彎道策略分析31</p><p>　　4.3.1燈塔策略分析31</p><p>　　4.3.2彎道策略分析34</p><p>　　4.3.3直角策略分析34</p><p>

11、　　4.3.4十字策略分析37</p><p>　　4.3.5障礙策略分析40</p><p>　　4.3.6坡道策略分析40</p><p>　　4.4 對(duì)速度的閉環(huán)控制40</p><p>　　4.5電機(jī)控制42</p><p>　　第五章 開(kāi)發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過(guò)程43</p>&l

12、t;p>　　5.1 開(kāi)發(fā)工具43</p><p>　　5.2 調(diào)試過(guò)程44</p><p>　　第六章 模型車(chē)主要參數(shù)45</p><p>　　第七章 結(jié)　　論46</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)48</p><p><b>　　引　　言</b></p><

13、p>　　全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能汽車(chē)競(jìng)賽，以“立足培養(yǎng)、重在參與、鼓勵(lì)探索，追求卓越”為宗旨，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識(shí)運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)際、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神。該項(xiàng)競(jìng)賽以智能自循跡小車(chē)作為載體，以小車(chē)的速度、智能啟停能力和自主尋路及處理能力作為考核標(biāo)準(zhǔn)，其中由組委會(huì)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)模型、直流電機(jī)和可充電式電池，并規(guī)定使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司

14、的 8 位、16 位或 32 位微控制器作為核心控制模塊，再加上限定范圍的傳感器，由各隊(duì)隊(duì)員自主完成硬件電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)改裝，經(jīng)調(diào)試后到規(guī)定地點(diǎn)進(jìn)行比賽。</p><p>　　競(jìng)賽要求在規(guī)定的汽車(chē)模型平臺(tái)上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的微控制器作為核心控制模塊，通過(guò)增加道路傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及編寫(xiě)相應(yīng)控制程序，制作完成一個(gè)能夠自主識(shí)別道路的模型汽車(chē)。智能汽車(chē)競(jìng)賽的賽道路面為寬度不小于45cm的

15、白色面板，賽道兩側(cè)邊沿有寬為25mm的連續(xù)黑線作為引導(dǎo)線。參賽隊(duì)員的目標(biāo)是模型汽車(chē)需要按照規(guī)則以最短時(shí)間完成單圈賽道。</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)涵蓋了機(jī)械、電子、電氣、傳感、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化控制等多方面知識(shí)，具有很強(qiáng)的實(shí)際考核意義。</p><p>　　在本次比賽中，本組使用大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供的競(jìng)賽車(chē)模，采用飛思卡爾32 位微控制器 MKL26Z256VLL4作為核心控制單元，自主構(gòu)思控

16、制方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括傳感器信號(hào)采集處理、控制算法及執(zhí)行、動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)控制等，最終實(shí)現(xiàn)一套能夠自主識(shí)別路線，并且可以實(shí)時(shí)輸出車(chē)體狀態(tài)的智能車(chē)控制系統(tǒng)。</p><p>　　在制作小車(chē)的過(guò)程中，我們使用E型車(chē)模，E車(chē)輪子大，好平衡，當(dāng)你調(diào)E車(chē)模時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)他很容易就平衡了，關(guān)鍵是調(diào)整重心，使其全部落到輪子的鉛垂線上。我們對(duì)小車(chē)的整體構(gòu)架也進(jìn)行了深入的研究，分別在機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件和軟件上都進(jìn)行過(guò)改進(jìn)，硬件上主要是考

17、慮并實(shí)踐各種傳感器的布局，改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路，軟件上先后進(jìn)行了幾次大改，小車(chē)的尋線方式采用適應(yīng)性較強(qiáng)的優(yōu)化的位置加權(quán)的方法?？刂扑惴ㄉ希俣炔捎肞I控制，轉(zhuǎn)向采用PD控制，平衡采用PD控制。</p><p>　　在這份報(bào)告中，我們主要通過(guò)對(duì)整體方案、機(jī)械、硬件、算法等方面的介紹，詳細(xì)闡述我隊(duì)在此次智能汽車(chē)競(jìng)賽中的思想和創(chuàng)新。具體表現(xiàn)在電路的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、算法以及輔助調(diào)試模塊等方面的創(chuàng)新。在準(zhǔn)備比賽的過(guò)程中，隊(duì)員查閱了大量的

18、專(zhuān)業(yè)資料，反復(fù)地調(diào)試汽車(chē)模型的各項(xiàng)參數(shù)。所有隊(duì)員都為此次智能汽車(chē)競(jìng)賽付出了艱苦的勞動(dòng)。這份報(bào)告凝聚著武漢科技大學(xué)智能汽車(chē)隊(duì)光電組全體隊(duì)員的心血。</p><p>　　第一章 方案分析與設(shè)計(jì)</p><p>　　本章主要介紹智能汽車(chē)系統(tǒng)總體方案的選定和總體設(shè)計(jì)思路，在后面的章節(jié)中將整個(gè)系統(tǒng)分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制模塊、控制算法等三部分對(duì)智能汽車(chē)控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的介紹和分析。</p>

19、<p>　　1.1直立控制方案的分析</p><p>　　根據(jù)比賽規(guī)則要求，維持車(chē)模直立也許可以設(shè)計(jì)出很多的方案，本參考方案假設(shè)維持車(chē)模直立、運(yùn)行的動(dòng)力都來(lái)自于車(chē)模的兩個(gè)后車(chē)輪。后輪轉(zhuǎn)動(dòng)由兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。因此從控制角度來(lái)看，車(chē)模作為一個(gè)控制對(duì)象，它的控制輸入量是兩個(gè)電極的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。車(chē)模運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)可以分解成以下三個(gè)基本控制任務(wù)，如圖1. 1所示： </p><p>　?。?）

20、控制車(chē)模平衡：通過(guò)控制兩個(gè)電機(jī)正反向運(yùn)動(dòng)保持車(chē)模直立平衡狀態(tài)； </p><p>　　（2） 控制車(chē)模速度：通過(guò)調(diào)節(jié)車(chē)模的傾角來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)模速度控制，實(shí)際上最后還是演變成通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輪速度的控制。</p><p>　　（3） 控制車(chē)模方向：通過(guò)控制兩個(gè)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)差速實(shí)現(xiàn)車(chē)模轉(zhuǎn)向控制。</p><p><b>　　圖1.1</b>&

21、lt;/p><p>　　三個(gè)分解后的任務(wù)各自獨(dú)立進(jìn)行控制。由于最終都是對(duì)同一個(gè)控制對(duì)象（車(chē)模的電機(jī)）進(jìn)行控制，所以它們之間存在著耦合。為了方便分析，在分析其中之一時(shí)假設(shè)其它控制對(duì)象都已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定。比如在速度控制時(shí)，需要車(chē)模已經(jīng)能夠保持直立控制；在方向控制的時(shí)候，需要車(chē)模能夠保持平衡和速度恒定；同樣，在車(chē)模平衡控制時(shí)，也需要速度和方向控制也已經(jīng)達(dá)到平穩(wěn)。這三個(gè)任務(wù)中保持車(chē)模平衡是關(guān)鍵。由于車(chē)模同時(shí)受到三種控制的影響，從

22、車(chē)模平衡控制的角度來(lái)看，其它兩個(gè)控制就成為它的干擾。因此對(duì)車(chē)模速度、方向的控制應(yīng)該盡量保持平滑，以減少對(duì)于平衡控制的干擾。以速度調(diào)節(jié)為例，需要通過(guò)改變車(chē)模平衡控制中車(chē)模傾角設(shè)定值，從而改變車(chē)模實(shí)際傾斜角度。為了避免影響車(chē)模平衡控制，這個(gè)車(chē)模傾角的改變需要非常緩慢的進(jìn)行。</p><p>　　車(chē)模平衡控制是通過(guò)負(fù)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)檐?chē)模有兩個(gè)輪子著地，車(chē)體只會(huì)在輪子滾動(dòng)的方向上發(fā)生傾斜。控制輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，抵消在一個(gè)維度上

23、傾斜的趨勢(shì)便可以保持車(chē)體平衡了。如圖1.2所示。</p><p><b>　　圖1.2</b></p><p>　　下面對(duì)倒立車(chē)模進(jìn)行簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)建模，然后建立速度的比例微分負(fù)反饋控制，根據(jù)基本控制理論討論車(chē)模通過(guò)閉環(huán)控制保持穩(wěn)定的條件。 假設(shè)倒立車(chē)模簡(jiǎn)化成高度為L(zhǎng)，質(zhì)量為m的簡(jiǎn)單倒立擺，它放置在可以左右移動(dòng)的車(chē)輪上。假設(shè)外力干擾引起車(chē)模產(chǎn)生角加速度()xt。沿著垂直于車(chē)

24、模地盤(pán)方向進(jìn)行受力分析，可以得到車(chē)模傾角與車(chē)輪運(yùn)動(dòng)加速度以及外力干擾加速度()at()xt之間的運(yùn)動(dòng)方程。如圖1.3所示。</p><p><b>　　圖1.3</b></p><p>　　對(duì)應(yīng)車(chē)模靜止時(shí)，系統(tǒng)輸入輸出的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　右半平面，因此車(chē)模不穩(wěn)定。車(chē)模引入比例、微分反饋之后的系統(tǒng)如圖1.4所示：</p>

25、;<p>　　圖1.4 加入比例微分反饋后的系統(tǒng)框圖</p><p>　　這一點(diǎn)，需要k1>g，k2>0。由此可以得出結(jié)論，當(dāng)k1>g,k2>0時(shí)，直立車(chē)?？梢苑€(wěn)定。</p><p>　　在角度反饋控制中，與角度成比例的控制量是稱(chēng)為比例控制；與角速度成比例的控制量稱(chēng)為微分控制（角速度是角度的微分）。因此上面系數(shù)分別稱(chēng)為比例和微分控制參數(shù)。其中微分參數(shù)相

26、當(dāng)于阻尼力，可以有效抑制車(chē)模震蕩。通過(guò)微分抑制控制震蕩的思想在后面的速度和方向控制中也同樣適用?？偨Y(jié)控制車(chē)模直立穩(wěn)定的條件如下： </p><p>　　（1）能夠精確測(cè)量車(chē)模傾角θ的大小和角速度θ'的大??； </p><p>　　（2）可以控制車(chē)輪的加速度。</p><p>　　1.2系統(tǒng)總體方案的選定</p><p>　　本屆智能汽

27、車(chē)大賽光電組比賽對(duì)傳感器有著嚴(yán)格的規(guī)定，禁止使用激光傳感器，改為統(tǒng)一線性CCD或LED光學(xué)傳感器，這對(duì)我隊(duì)是一個(gè)全新的挑戰(zhàn)。LED燈雖然有信號(hào)穩(wěn)定的特點(diǎn)，但是由于前瞻太小，不適合平衡組的汽車(chē)來(lái)循跡。相比之下，CCD與傳統(tǒng)的光電傳感器相比有著信息量大，質(zhì)量輕，電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但是由于需要鏡頭成像，所以會(huì)帶來(lái)成像失真，靜電干擾嚴(yán)重等問(wèn)題。由于平衡車(chē)的特殊性，車(chē)身在循跡前進(jìn)的過(guò)程中，必須保持車(chē)身的平衡。根據(jù)最基本保持車(chē)身平衡的基本原理，我們需

28、要知道車(chē)身當(dāng)前的角度和角速度。因此在保持車(chē)身平衡方面，我們確定以加速度計(jì)作為角度傳感器，陀螺儀作為角速度傳感器。另外，車(chē)身轉(zhuǎn)向控制方面，也使用陀螺儀作為轉(zhuǎn)向反饋。</p><p>　　1.3系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)</p><p>　　遵照本屆競(jìng)賽規(guī)則規(guī)定，智能汽車(chē)系統(tǒng)采用飛思卡爾的32位微控制器 MKL26Z256VLL4單片機(jī)作為核心控制單元用于智能汽車(chē)系統(tǒng)的控制。線性CCD采集賽道明暗信息

29、，返回到單片機(jī)作為轉(zhuǎn)向控制的依據(jù)。加速度計(jì)返回的模擬信號(hào)作為車(chē)身當(dāng)前角度的信號(hào)，陀螺儀采集車(chē)身轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。主控輸出PWM波控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速以保持車(chē)身的平衡和鎖定賽道。同四輪車(chē)不同，平衡組需要使用左右輪的差速來(lái)轉(zhuǎn)彎。為了控制的準(zhǔn)確性和快速性，我們使用編碼器作為速度傳感器。編碼器返回的信號(hào)可以形成閉環(huán)，使用PID控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。平衡組強(qiáng)烈的加減速會(huì)導(dǎo)致車(chē)身的傾角劇烈的變化，這并不利于車(chē)身保持平衡。因此整個(gè)調(diào)試過(guò)程就是要保證車(chē)身穩(wěn)定的前提下不

30、斷提高車(chē)模前進(jìn)的平均速度。</p><p>　　根據(jù)以上系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，賽車(chē)共包括六大模塊： MKL26Z256VLL4主控模塊、傳感器模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測(cè)模塊和輔助調(diào)試模塊。各模塊的作用如下：</p><p>　　MKL26Z256VLL4主控模塊，作為整個(gè)智能汽車(chē)的“大腦”，將采集CCD傳感器、陀螺儀，加速度計(jì)和光電編碼器等傳感器的信號(hào)，根據(jù)控制算法做出控制決策，驅(qū)動(dòng)兩

31、個(gè)直流電機(jī)完成對(duì)智能汽車(chē)的控制；</p><p>　　CCD傳感器模塊，是智能汽車(chē)的“眼睛”，可以通過(guò)一定的前瞻性，提前感知前方的賽道信息，為智能汽車(chē)的“大腦”做出決策提供必要的依據(jù)和充足的反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)使用陀螺儀和加速度計(jì)計(jì)算車(chē)模行進(jìn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)角速度和加速度信息，用以保持車(chē)模穩(wěn)定行進(jìn)；</p><p>　　電源模塊，為整個(gè)系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源；</p><p&

32、gt;　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和伺服電機(jī)完成智能汽車(chē)的加減速控制和轉(zhuǎn)向控制；</p><p>　　速度檢測(cè)模塊，檢測(cè)反饋智能汽車(chē)輪的轉(zhuǎn)速，用于速度的閉環(huán)控制；</p><p>　　輔助調(diào)試模塊，主要用于智能汽車(chē)系統(tǒng)的功能調(diào)試、賽車(chē)狀態(tài)監(jiān)控。</p><p>　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1.5所示：</p><p>　　圖1.5系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框

33、圖</p><p>　　第二章 智能汽車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化</p><p>　　智能汽車(chē)各系統(tǒng)的控制都是在機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，模型車(chē)的性能與機(jī)械結(jié)構(gòu)有著非常密切的聯(lián)系，良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)是模型車(chē)提高速度的關(guān)鍵基礎(chǔ)。在同等的控制環(huán)境下，機(jī)械機(jī)構(gòu)的好壞對(duì)其速度的影響十分顯著。</p><p>　　因此我們非常重視對(duì)智能汽車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，在設(shè)計(jì)整個(gè)軟件架構(gòu)和算法之前一

34、定要對(duì)整個(gè)模型車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)有一個(gè)全面清晰的認(rèn)識(shí)，然后建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，從而再針對(duì)具體的設(shè)計(jì)方案來(lái)調(diào)整賽車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并在實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中不斷的改進(jìn)優(yōu)化和提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)大量的理論研究和實(shí)踐，我們小車(chē)的大部分質(zhì)量都集中在兩輪前后，達(dá)到降低重心的目的，從而提高了小車(chē)整體的穩(wěn)定性和可靠性。本章將主要介紹智能汽模型車(chē)型車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和調(diào)整方案。</p><p>　　2.1智能汽車(chē)車(chē)體機(jī)械建模</p>

35、<p>　　此次競(jìng)賽選用的是北京科宇通博科技有限公司生產(chǎn)的智能車(chē)競(jìng)賽專(zhuān)用模型車(chē)(E型模型車(chē))，配套的電機(jī)型號(hào)為RS-380。智能車(chē)的控制采用的是雙后輪驅(qū)動(dòng)方案。為了達(dá)到平衡能夠有更好的傾斜角度范圍，同時(shí)為了保證小車(chē)的平穩(wěn)，我們將車(chē)的重心盡量降低，于是我們?cè)谲?chē)模的組裝上面將電機(jī)的一側(cè)放在了下面，編碼器，主板等放在上面，智能車(chē)的外形大致如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 智能汽車(chē)外形圖</

36、p><p>　　2.2 智能汽車(chē)傳感器的安裝</p><p>　　車(chē)模中的傳感器包括有：速度傳感器，車(chē)模姿態(tài)傳感器（陀螺儀、加速度計(jì)）以及線形CCD。下面分別介紹這些傳感器的安裝。</p><p>　　2.2.1速度傳感器的安裝</p><p>　　速度編碼器我們采用了512線編碼器，因?yàn)槲覀兊碾姍C(jī)那一側(cè)放在下面，導(dǎo)致我們不得不去掉了車(chē)模本身固定

37、編碼器的固件，我們選擇了強(qiáng)度較好，質(zhì)量較輕的鋁片手工制作了編碼器的支架，如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 編碼器的支架</p><p>　　安裝時(shí)應(yīng)注意調(diào)整好齒輪間隙。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)車(chē)模的驅(qū)動(dòng)能力有很大的影響。齒輪傳動(dòng)部分安裝位置的不恰當(dāng)，會(huì)大大增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪的負(fù)載，會(huì)嚴(yán)重影響最終成績(jī)。調(diào)整的原則是：兩傳動(dòng)齒輪軸保持平行, 齒輪間的配合間隙要合適，過(guò)松容易打壞齒輪，過(guò)緊又會(huì)

38、增加傳動(dòng)阻力，浪費(fèi)動(dòng)力；傳動(dòng)部分要輕松、順暢，不能有遲滯或周期性振動(dòng)的現(xiàn)象。判斷齒輪傳動(dòng)是否良好的依據(jù)是，聽(tīng)一下電機(jī)帶動(dòng)后輪空轉(zhuǎn)時(shí)的聲音。聲音刺耳響亮，說(shuō)明齒輪間的配合間隙過(guò)大，傳動(dòng)中有撞齒現(xiàn)象；聲音悶而且有遲滯，則說(shuō)明齒輪間的配合間隙過(guò)小，或者兩齒輪軸不平行，電機(jī)負(fù)載變大。調(diào)整好的齒輪傳動(dòng)噪音很小，并且不會(huì)有碰撞類(lèi)的雜音，后輪減速齒輪機(jī)構(gòu)就基本上調(diào)整好了，動(dòng)力傳遞十分流暢。</p><p>　　2.2.2 線形

39、CCD的安裝</p><p>　　為了降低整車(chē)重心，需要嚴(yán)格控制CCD鏡頭的安裝位置和重量，我們自行設(shè)計(jì)了輕巧的鋁合金夾持組件并采用了碳纖維管作為安裝CCD的主桅，這樣可以獲得最大的剛度質(zhì)量比，整套裝置具有很高的定位精度和剛度，使CCD鏡頭便于拆卸和維修，具有賽場(chǎng)快速保障能力。CCD鏡頭的安裝如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 CCD的安裝 </p><p&

40、gt;　　2.2.3車(chē)模傾角傳感器的安裝</p><p>　　車(chē)模傾角傳感器包括陀螺儀和加速度計(jì)。它們都是表貼元器件，單獨(dú)固定在一塊小電路板上，然后與車(chē)身相固定，從而保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。因?yàn)榧铀俣扔?jì)測(cè)得的是傳感器一面所受的感應(yīng)力，所以小車(chē)的前后擺動(dòng)和加速與減速都會(huì)對(duì)加速度計(jì)造成干擾，所以怎樣減少傳感器垂直軸上的干擾是安裝加速度計(jì)時(shí)要考慮的首要問(wèn)題。經(jīng)過(guò)觀察，我們發(fā)現(xiàn)，越接近單擺軸的地方干擾越小，所以我們選擇了相

41、對(duì)靠下的位置，如圖2.4所示，而陀螺儀測(cè)得的是角速度，所以水平放置就可以了（因?yàn)槲恢迷蛭覀儗⑵浞旁谲?chē)模背面），如圖2.5所示.</p><p>　　圖2.4 加速度計(jì)的安裝 圖2.5 陀螺儀的安裝 </p><p><b>　　2.3重心高度調(diào)整</b></p><p>　　重心的高度是影響智能

42、車(chē)穩(wěn)定性的因素之一。當(dāng)重心高度偏高時(shí)，智能車(chē)在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中會(huì)發(fā)生抬輪現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至翻車(chē)。因此，從小車(chē)穩(wěn)定性出發(fā)，我們盡量降低重心高度，從而保證小車(chē)可靠穩(wěn)定。如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.6 小車(chē)整體平衡位置</p><p>　　2.3.1 電路板的安裝</p><p>　　為了使小車(chē)具有較好的穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)向性能，我們?cè)诖罱ㄐ≤?chē)時(shí)盡量選擇降低重心，因此也將

43、電路板安裝在了車(chē)模前端，從而實(shí)現(xiàn)降低重心，提高小車(chē)的穩(wěn)定性。</p><p>　　2.3.2 電池安放</p><p>　　同樣為實(shí)現(xiàn)降低重心，提高小車(chē)穩(wěn)定性的目的，我們制作了兩片鋁條，如圖2.7所示，然后固定在車(chē)模正面，進(jìn)而用于固定電池，最大程度的降低了小車(chē)的重心，同時(shí)考慮到電池下面容易滑落而且車(chē)模本身硬度不強(qiáng)，在下面加固了一個(gè)支架，如圖2.8所示。</p><p&g

44、t;　　圖2.7 電池鋁條支架 圖2.8 下部支架</p><p>　　2.4 其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整</p><p>　　另外，在模型車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面還有很多可以改進(jìn)的地方，比如說(shuō)車(chē)輪、傳感器的保護(hù)等方面。由于直立小車(chē)的直立行駛及轉(zhuǎn)向都是通過(guò)后輪實(shí)現(xiàn)的，因此當(dāng)小車(chē)在轉(zhuǎn)向時(shí)，模型車(chē)的輪胎與輪轂之間很容易發(fā)生相對(duì)位移，可能導(dǎo)致在加速時(shí)會(huì)損失部分驅(qū)動(dòng)力，而且使小車(chē)

45、的狀態(tài)不穩(wěn)。因此，我們?cè)趯?shí)際調(diào)試過(guò)程中對(duì)車(chē)輪進(jìn)行了粘胎處理，可以有效地防止由于輪胎與輪轂錯(cuò)位而引起的驅(qū)動(dòng)力損失的情況。</p><p>　　為了保護(hù)模型車(chē)傳感器支架，在車(chē)模機(jī)械設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們?cè)鎏砹朔雷脖Ｗo(hù)裝置（海綿），一旦車(chē)模傾倒或者失控，防撞保護(hù)裝置可保護(hù)車(chē)模機(jī)械的安全性，保證小車(chē)狀態(tài)的穩(wěn)定性。</p><p>　　智能汽車(chē)硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本次

46、智能車(chē)的設(shè)計(jì)是基于飛思卡爾公司的32位高性能MKL26Z256VLL4單片機(jī)為核心的，以線性CCD為基礎(chǔ)的智能車(chē)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、角度計(jì)算傳感器，探測(cè)道路信息的線性ccd以及電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)組成。</p><p><b>　　3.1主控板設(shè)計(jì)</b></p><p>　　我們考慮到節(jié)約經(jīng)濟(jì)的原因，同時(shí)更是為了減輕整體車(chē)身的重量，我們將主板盡可能的設(shè)計(jì)的比較

47、小，而且將驅(qū)動(dòng)板單獨(dú)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。這樣分散的設(shè)計(jì)為了更好的安裝的同時(shí)也給我們的平衡配重帶來(lái)了一定的靈活性。主板實(shí)物圖如圖3.1所示，驅(qū)動(dòng)如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.1 主板實(shí)物圖 圖3.2 驅(qū)動(dòng)實(shí)物圖</p><p>　　3.1.1電源管理模塊</p><p>　　首先了解一下不同電源的特點(diǎn)，電源分為開(kāi)關(guān)電源和

48、線性電源，線性電源的電壓反饋電路是工作在線性狀態(tài)，開(kāi)關(guān)電源是指用于電壓調(diào)整的管子工作在飽和和截至區(qū)即開(kāi)關(guān)狀態(tài)的。線性電源一般是將輸出電壓取樣然后與參考電壓送入比較電壓放大器，此電壓放大器的輸出作為電壓調(diào)整管的輸入，用以控制調(diào)整管使其結(jié)電壓隨輸入的變化而變化，從而調(diào)整其輸出電壓，但開(kāi)關(guān)電源是通過(guò)改變調(diào)整管的開(kāi)和關(guān)的時(shí)間即占空比來(lái)改變輸出電壓的。 常用的電源有串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源（LM2940、TPS系列、7805等）和開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源（LM2

49、596、LM2575、AS1015等）兩大類(lèi)。前者具有紋波小、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是效率較低，功耗大；后者功耗小，效率高，電流大，但電路卻比較復(fù)雜，電路的紋波大?！　?lt;/p><p>　　電源模塊對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)極其重要，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)是否能夠正常工作，因此在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)選好合適的電源模塊。競(jìng)賽規(guī)則規(guī)定，比賽使用智能汽車(chē)競(jìng)賽統(tǒng)一配發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)車(chē)模用7.2V 2000mAh Ni-cd供電，而單片機(jī)系統(tǒng)、路徑

50、識(shí)別的CCD傳感器、陀螺儀和加速度傳感器均使用的是3.3V的電源。編碼器需要5V電源，伺服電機(jī)工作電壓范圍為4V到6V（為提高伺服電機(jī)響應(yīng)速度，采用7.2V 供電），直流電機(jī)可以使用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄電池直接供電，智能汽車(chē)電壓調(diào)節(jié)電路示例見(jiàn)圖3.2。</p><p>　　圖3.3 電源管理模塊原理圖</p><p>　　本次電路5V的電源分成2個(gè)穩(wěn)壓芯片來(lái)提供，一個(gè)為H

51、橋芯片BTS7960提供5V電源，另一個(gè)為編碼器和邏輯轉(zhuǎn)換芯片74HC125提供電源。由于本次使用的是K60單片機(jī)和CCD傳感器，這些模塊均要求使用3.3V電源。3.3V電源也分為2個(gè)電源，一個(gè)為傳感器供電，鍵盤(pán)，液晶供電，另一個(gè)為單片機(jī)?？傮w上來(lái)說(shuō)，我們電源的分離是為了減小傳感器電源的穩(wěn)定。CCD，陀螺儀，加速度計(jì)都是模擬傳感器，電源的紋波將影響傳感器的性能。減小電源的紋波的大小可以保證傳感器的可靠性。</p><

52、p>　　3.1.2 電機(jī)隔離與測(cè)速模塊</p><p>　　通過(guò)74125四重三態(tài)總線緩沖器實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與電機(jī)的隔離，防止點(diǎn)擊的不正常運(yùn)行造成單片機(jī)的損壞，下面的測(cè)速模塊直接與編碼器連接，由于我們使用的512線編碼器自帶正交解碼具有自動(dòng)鑒向的功能所以大大簡(jiǎn)化了我們的電路的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的電路如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 電機(jī)隔離與測(cè)速模塊原理圖</p>&l

53、t;p>　　3.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊</p><p>　　在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)上，我們開(kāi)始打算選用MOS管IRF3205，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá) 100KHZ，內(nèi)阻8毫歐，內(nèi)阻分壓小，輸出效率高。其最大工作電壓為 55V，在常溫下其最大驅(qū)動(dòng)電流為 110A。 通過(guò) IR2104 半橋驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)，它可以驅(qū)動(dòng)高端和低端兩個(gè)N溝道MOSFET，能提供較大的柵極驅(qū)動(dòng)電流，并具有硬件死區(qū)、硬件防同臂導(dǎo)通等功能。為了滿足 MO

54、S管導(dǎo)通的條件，需要增加升壓電路，選用集成的 B0512（2W），電路結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜。MOS管做的H橋驅(qū)動(dòng)盡管性能優(yōu)越，但在使用過(guò)程中同樣線路的個(gè)別模塊出現(xiàn)了電容擊穿、線路燒斷等問(wèn)題，特別是在電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)。而且 MOS雙橋由8個(gè)mos管組成，比較重，體積大，給安裝帶來(lái)了不便。</p><p>　　后來(lái)我們考慮嘗試用由BTS7960構(gòu)成的全橋驅(qū)動(dòng)，只需四片BTS7960即可驅(qū)動(dòng)兩路電機(jī)正反轉(zhuǎn)。顯得非常輕巧，方便我們進(jìn)一

55、步降低平衡車(chē)的重心。BTS7960 驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)阻16毫歐，驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)40A, 略遜于MOS管,但使用中發(fā)現(xiàn)它在頻繁正反轉(zhuǎn)的情況下無(wú)法正常開(kāi)通與關(guān)斷，發(fā)熱嚴(yán)重。結(jié)合我們的平衡車(chē)的實(shí)際情況：小車(chē)運(yùn)行的大部分時(shí)間電機(jī)都是在正轉(zhuǎn)，僅在發(fā)車(chē)階段保持靜止時(shí)需要正反切換，切換的頻率不太高。我們選擇將小車(chē)的電機(jī)控制頻率由20K降低到 10K，反向輸出 PWM 的占空比限幅到 60%，驅(qū)動(dòng)發(fā)熱現(xiàn)象消失，開(kāi)通關(guān)斷正常。在后續(xù)的調(diào)試中 BTS7960

56、芯片表現(xiàn)也是非常出色的，基本沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題。驅(qū)動(dòng)電路如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 驅(qū)動(dòng)電路原理圖</p><p>　　3.1.4 接口模塊</p><p>　　我們?cè)O(shè)置了很多的接口模塊，將外部的器件的端口在主板上留了外接端口，其中包括CCD接口，陀螺儀接口，加速度計(jì)接口，串口接口，驅(qū)動(dòng)的PWM接口，OLED顯示屏接口，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)接口，預(yù)留的IO接口，

57、反饋接口和電源接口等。通過(guò)這些接口我們很方便的將外部的器件與單片機(jī)進(jìn)行了連接，同時(shí)也能夠快速方便的將那些用壞了的器件或者使用性能不好的器件進(jìn)行替換，如圖3.6所示。</p><p><b>　　圖3.6 接口模塊</b></p><p>　　PCB板設(shè)計(jì)數(shù)字地和模擬地如何相連</p><p>　　一般原理圖、PCB設(shè)計(jì)人員對(duì)數(shù)字地和模擬地如何連

58、接很有爭(zhēng)議，各有各的方法，一般總結(jié)有兩種方法，比如：直接相連或則橋連、用電感或則磁珠連接兩種方法。首先，讓我們了解一下為什么數(shù)模地引起工程師的注意。其中很大部分是來(lái)源于元器件（例如ADC）電源引腳和接地引腳的名稱(chēng)。其實(shí)模擬地和數(shù)字地的引腳名稱(chēng)表示內(nèi)部原件本身的作用，但是未必意味著外部應(yīng)該按照內(nèi)部作用去做。芯片內(nèi)部有數(shù)模電路兩部分，為了避免數(shù)字信號(hào)耦合到模擬電路中去，數(shù)字地和模擬地是分開(kāi)的，我個(gè)人認(rèn)為準(zhǔn)確說(shuō)是分區(qū)，但是內(nèi)部數(shù)模地是相連的，

59、我用萬(wàn)用表測(cè)量過(guò)某些芯片，例如：ADV7180、KS8995、TLK2541等等，內(nèi)部是相連的。我們談?wù)勔陨系膬煞N數(shù)模地的連接優(yōu)缺點(diǎn)：用電感或則磁珠連接顧名思意是將數(shù)模在PCB板的某一點(diǎn)用電感或則磁珠相連，這樣看似解決了數(shù)字信號(hào)干擾模擬電路，但是卻產(chǎn)生了新的問(wèn)題---EMI。高頻的靜電放電干擾電流流過(guò)電感或則磁珠時(shí)，會(huì)在電感或則磁珠兩端產(chǎn)生壓降，如果是高壓測(cè)試，那么兩端電壓很高，不能很快釋放到底，會(huì)損壞芯片或則設(shè)備重啟。我個(gè)人傾

60、向于直接相連或則橋連，這樣也解決了回路的問(wèn)題，避免了產(chǎn)生輻射，數(shù)模地等電</p><p>　　數(shù)字地與模擬地的最佳接合點(diǎn)一般在供電電源的入口處，這樣模擬回路和數(shù)字回路間的耦合最小，數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾最小。如果分割面做得好，兩者的驅(qū)動(dòng)電流和回路電流不互相穿插，是不會(huì)有大的電流環(huán)路存在的。</p><p>　　基本原理就是這樣，但在實(shí)際應(yīng)用中卻很難辦，難就難在模擬和數(shù)字部分的交叉連接，沒(méi)

61、有辦法將兩者實(shí)際隔離開(kāi)，如果在參考面上將兩者強(qiáng)行隔離，勢(shì)必造成很大的電流環(huán)路，效果反而不如不分割的好。所以，在實(shí)際中，要特別小心選擇分割的形式、部位，即能讓兩者較好的隔離，又不阻礙驅(qū)動(dòng)電流和回路電流的流動(dòng)。</p><p>　　用電感或者磁珠做連接的好處是可以隔離數(shù)字部分的高頻噪聲，保持模擬電路地的干凈。</p><p>　　3.2智能汽車(chē)傳感器</p><p>　

62、　由于今年比賽規(guī)則對(duì)光電平衡組的傳感器有明確的規(guī)定，所以我們?cè)趥鞲衅鞯倪x擇上沒(méi)有花費(fèi)時(shí)間。對(duì)于的傳感器的優(yōu)化，我們也主要是傳感器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性方面。</p><p>　　3.2.1 線性CCD傳感器</p><p>　　我們常說(shuō)的攝像頭CCD模塊通常使用的是面陣CCD芯片，一般以O(shè)V系列面陣 CCD最為常用。而TSL1401屬于線性CCD，也可以叫做線陣CCD。與面陣CCD相比，線性CCD

63、最明顯的特點(diǎn)就是其只能采集一行的可視像素。在智能車(chē)競(jìng)賽中，攝像頭組使用的是面陣CCD，而光電組則必須使用線性CCD。同樣是看一段賽道的圖像，兩種CCD模塊看到的圖像如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 兩種CCD模塊看到的圖像</p><p>　　由圖3.7可見(jiàn)，左邊圖像為面陣CCD采集的二維圖像，它的分辨率為m*n,而右側(cè)的圖像為線性CCD采集的一維圖像，分辨率為 p*1。 其

64、中p為線性CCD器件的最大像素?cái)?shù)，TSL1401的像素?cái)?shù)為128，因此可以將右圖紅框內(nèi)的線分為128個(gè)點(diǎn)。</p><p>　　TSL1401線性CCD傳感器包含128個(gè)線性排列的光電二極管。光照射到光電二極管上，產(chǎn)生光電流，光電流被積分電路積分。在采樣期間，積分電容的一端被連接到輸出端，積分后的輸出電壓與該點(diǎn)的光強(qiáng)和積分時(shí)間成正比。因此為了適應(yīng)場(chǎng)地，CCD的積分時(shí)間應(yīng)該是可變的。每個(gè)光電二極管都有各自的積分電路

65、，以下我們將此電路統(tǒng)稱(chēng)為像素。每個(gè)像素所采集的圖像灰度值與它所感知的光強(qiáng)和積分時(shí)間成正比。以上名詞所對(duì)應(yīng)的物理量綱為：</p><p>　　灰度值：輸出電壓 V out ；</p><p>　　光強(qiáng)：器件對(duì)給定光波長(zhǎng)在電壓上的反應(yīng) V e ;(V e =V/(μJ/cm2)* μW/cm2)</p><p>　　積分時(shí)間：即曝光時(shí)間，t int 。</p>

66、;<p>　　那么這 128 個(gè)像素是怎么進(jìn)行采集并輸出的呢，這就用到了 SI 和 CLK 信號(hào)。根據(jù)表1可以簡(jiǎn)單的了解它們的功能。</p><p><b>　　表1 CCD引腳</b></p><p>　　在128個(gè)像素之外，還有一個(gè)開(kāi)關(guān)邏輯控制和移位寄存器電路。SI 通過(guò)該電路控制每一個(gè)像素的積分和復(fù)位操作；CLK通過(guò)該電路控制每一個(gè)像素電壓的依次輸

67、出。TSL1401內(nèi)部的模塊圖如圖 3.8所示。</p><p>　　圖3.8 TSL1401內(nèi)部的模塊圖</p><p>　　圖中可以看到上面提到的像素電路、開(kāi)關(guān)邏輯控制和位移寄存器電路。 從圖中我們還可以看到一個(gè) Gain Trim,該模塊對(duì)傳感器輸出的電壓進(jìn)行增益調(diào)整，因此從 AO 引腳輸出的電壓無(wú)需再接其他運(yùn)放，直接接入單片機(jī)的AD輸入引腳即可。每個(gè)像素的值可以在CLK的下降沿時(shí)從

68、AO采集。</p><p>　　根據(jù)TSL1401技術(shù)文檔的提供的數(shù)據(jù)，該器件的最大曝光時(shí)間為100ms，即無(wú)論你實(shí)際曝光多長(zhǎng)時(shí)間，只要超過(guò)100ms，其圖像效果和100ms是一樣的。那么如何選擇合適的曝光時(shí)間，就成了需要面對(duì)的問(wèn)題。</p><p>　　即使是相同的物體，在不同的光線環(huán)境下得到的圖像是不一樣的。從理論上講，在光線較暗的環(huán)境中，應(yīng)該增加曝光時(shí)間，以換取亮度合適的圖像；在光線

69、較強(qiáng)的環(huán)境中，應(yīng)該減少曝光時(shí)間，以防止圖像出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。</p><p>　　但是對(duì)于采集變化較快的圖像，例如在智能車(chē)的應(yīng)用中，應(yīng)該避免增加曝光時(shí)間。原因有兩個(gè)：</p><p>　　一、增加曝光時(shí)間意味著圖像采集周期變長(zhǎng)，不利于系統(tǒng)的控制。說(shuō)白了就是采集周期變長(zhǎng)，系統(tǒng)控制的反應(yīng)能力就變?nèi)酰?lt;/p><p>　　二、增加曝光時(shí)間會(huì)使圖像變模糊，不利于圖像處理。這個(gè)道

70、理也和相機(jī)一樣，相機(jī)的快門(mén)越快，越適合捕捉高速運(yùn)動(dòng)的圖像，反之則捕捉的圖像很模糊！</p><p>　　當(dāng)然如果你用來(lái)采集變化較慢的圖像，或者是靜止的圖像，則沒(méi)有曝光時(shí)間長(zhǎng)短的問(wèn)題。</p><p>　　針對(duì)像素輸出值A(chǔ)O的采集，如圖3.8所示，使用時(shí)需要在SI持續(xù)高電平20ns后產(chǎn)生第1個(gè)CLK信號(hào)，并在每個(gè)CLK信號(hào)的下降沿時(shí)采集AO引腳的輸出的電壓值。在采集了128個(gè)像素后，還必須生

71、成第 129 個(gè) CLK 以結(jié)束本次采集。在第129 個(gè)CLK之后到下一個(gè)SI信號(hào)之間的時(shí)間就是下次采集的曝光時(shí)間（這里說(shuō)的曝光時(shí)間是忽略了第 19 到 129 個(gè) CLK 之間的時(shí)間）。</p><p>　　圖3.9 像素輸出值A(chǔ)O的采集</p><p>　　3.2.2 陀螺儀和加速度計(jì)</p><p>　　由于平衡車(chē)的特殊性，車(chē)身在循跡前進(jìn)的過(guò)程中，必須保持車(chē)身

72、的平衡。根據(jù)最基本保持車(chē)身平衡的基本原理， 我們需要知道車(chē)身當(dāng)前的角度和角速度。因此在保持車(chē)身平衡方面，我們確定以加速度計(jì)作為角度傳感器，陀螺儀作為角速度傳感器。大賽規(guī)定了陀螺儀和加速度計(jì)的選用范圍。在經(jīng)過(guò)對(duì)幾個(gè)型號(hào)的加速度計(jì)和陀螺儀的對(duì)比之后，我們決定選用 MMA7361 加速度計(jì)和 L3G4200 陀螺儀。</p><p>　　圖 3.10 加速度計(jì) MMA7361</p><p>　

73、　圖 3.11 陀螺儀 L3G4200</p><p>　　陀螺儀有嚴(yán)重的溫度漂移，對(duì)陀螺儀的積分并不能得到當(dāng)前車(chē)身的準(zhǔn)確的角度。也就無(wú)法控制車(chē)身的平衡，因此為了得到當(dāng)前的車(chē)身角度，必須使用加速度計(jì)。我們使用的是MMA7361，MMA7361具有工作電壓第（2.2~3.6V），靈敏度高(800mv/g)的特點(diǎn)。MMA7361是三軸加速度計(jì)。其三個(gè)輸出信號(hào)與對(duì)應(yīng)的軸的加速度成比例。陀螺儀的輸出不需要接放大電路，唯一

74、的外圍器件就是低通濾波電路，由于輸出后沒(méi)有負(fù)載，僅作為ADC的信號(hào)，這里采用官方的(1K,0.1uF)的無(wú)源低通濾波。</p><p><b>　　3.2.3 編碼器</b></p><p>　　為了使用閉環(huán)控制，我們?cè)谄?chē)模型上附加了編碼器。和其他元件相比，選用編碼器可以使電路更加完善，信號(hào)更加精確。編碼器功耗低，重量輕，抗沖擊抗震動(dòng)，精度高，壽命長(zhǎng)，非常實(shí)用。編碼

75、器內(nèi)部無(wú)上拉電阻，因此編碼器接口出需要設(shè)計(jì)上拉電阻。同時(shí)為了保證波形的穩(wěn)定，主控板上使用了74125隔離。由于我們購(gòu)買(mǎi)的編碼器自身具有正交解碼功能，因此這里無(wú)需使用任何外</p><p>　　圍計(jì)數(shù)輔助器件，只需要將接口連接到單片機(jī)上相應(yīng)的接口即可。</p><p>　　3.3 OLED液晶顯示屏，鍵盤(pán)，撥碼</p><p>　　在調(diào)試過(guò)程之中，我們需要實(shí)時(shí)的了解與

76、掌握一些車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，比如說(shuō)傳感器的狀態(tài)，電池的電量，PID參數(shù)等，調(diào)試時(shí)用OLED液晶顯示屏將這些參數(shù)顯示出來(lái)，讓我們實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)車(chē)的狀態(tài)，從而做出判斷，這樣很大程度的方便了對(duì)車(chē)的調(diào)試。</p><p>　　由于平時(shí)要進(jìn)行大量參數(shù)的調(diào)試，反復(fù)下載程序調(diào)試效率很低，且OLED屏可以顯示調(diào)試時(shí)需要觀察的變量數(shù)據(jù)。同時(shí)，因?yàn)楦?jìng)賽規(guī)則，不允許現(xiàn)場(chǎng)更改程序，人機(jī)交互設(shè)備就很重要了。</p><p>

77、　　該顯示模塊具有以下特征：</p><p>　?、僭?OLED 液晶顯示屏為 0.96 寸，分辨率為 128×64，模塊支持 3.3v、5v 供電。</p><p>　?、赟PI 操作，只需四根信號(hào)線就可以對(duì)其進(jìn)行操作，節(jié)省 MCU 管腳。 </p><p>　?、鄹吡炼?，低功耗，有很好的顯示效果，體積小，質(zhì)量輕。

78、 </p><p>　?、芄虘B(tài)結(jié)構(gòu)，沒(méi)有液體物質(zhì)，因此抗震性能更好，不怕摔。 </p><p>　?、輲缀鯖](méi)有可視角度的問(wèn)題，即使在很大的視角下觀看，畫(huà)面仍然不失真。 </p><p>　?、揄憫?yīng)時(shí)間是 LCD 的千分之一，顯示動(dòng)態(tài)畫(huà)面不會(huì)有拖影的現(xiàn)象，低溫特性好 發(fā)光效率更高，能耗比 LCD 要

79、低。</p><p>　　同時(shí)有時(shí)候需要對(duì)參數(shù)作修改處理，如果每修改一個(gè)數(shù)據(jù)就下載一次程序的話，就會(huì)浪費(fèi)時(shí)間，為方便的調(diào)節(jié)參數(shù)，我們?cè)黾恿?個(gè)按鍵，方便參數(shù)的修改。而對(duì)于比賽是考慮到一些程序，例如平時(shí)用的保護(hù)程序，還有一些不同整體的策略我們加一個(gè)四位撥碼進(jìn)行操作，同樣它也起到一個(gè)人機(jī)交互的作用。按鍵和撥碼的原理圖如圖3.12所示。</p><p>　　圖3.12 按鍵，撥碼原理圖</

80、p><p>　　第四章 智能汽車(chē)控制軟件分析與設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 小車(chē)整體軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　為了保證小車(chē)既能穩(wěn)定運(yùn)行，又能提升速度，我們需要使整個(gè)系統(tǒng)控制具有良好的實(shí)時(shí)性和周期性，因此除了既要能實(shí)現(xiàn)功能的完整性，還要使其能夠在既定的時(shí)間里穩(wěn)定執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要用到定時(shí)器中斷來(lái)完成。</p><p>　　然而，

81、在設(shè)計(jì)時(shí)，畢竟中斷時(shí)間有限，不能將所有的執(zhí)行程序都放入中斷。 所以在程序執(zhí)行時(shí)，從主函數(shù)開(kāi)始，首先完成對(duì)系統(tǒng)資源的初始化設(shè)定，然后打開(kāi)定時(shí)中斷，再進(jìn)入一個(gè)主循環(huán)函數(shù)，在該循環(huán)函數(shù)中是一些對(duì)控制實(shí)時(shí)性要求不高或使用頻率較低的輔助性函數(shù)，如液晶顯示屏顯示、撥碼及按鍵情況掃描等函數(shù)，主要是在中斷函數(shù)執(zhí)行完后的空余時(shí)間里執(zhí) 行，我們可以將其稱(chēng)為后臺(tái)。而對(duì)于其他需要具有較好的周期性和實(shí)時(shí)性的控制類(lèi)函數(shù)，則主要放在了定時(shí)中斷函數(shù)里面，如信號(hào)采集、信

82、號(hào)處理、控制運(yùn)算、控制輸出等子函數(shù)，這樣以保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，可以將其稱(chēng)作為前臺(tái)。這樣既可以提高執(zhí)行效率，又可以對(duì)各個(gè)部分做到精確的控制。 </p><p>　　圖4.1 整體程序框圖</p><p>　　4.2線性CCD傳感器路徑精確識(shí)別技術(shù)</p><p>　　在本屆大賽中，光電組的規(guī)則發(fā)生了翻天覆地的變化，由傳統(tǒng)的四輪小車(chē)變成了兩輪直立車(chē) ，對(duì)于光電傳感器要

83、求選擇使用線性CCD以及LED作為新一代的光電車(chē)的傳感器，但由于LED的前瞻距離十分有限，所以線性CCD自然成為了較好的方案選擇。</p><p>　　4.2.1新型傳感器路徑識(shí)別狀態(tài)分析</p><p>　　由于今年的賽道信息增加了直角規(guī)則，并且對(duì)光源傳感器做出了要求，在使用CCD進(jìn)行賽道識(shí)別，傳統(tǒng)的傳感器搜索跳變沿算法可取之處不是很大，不過(guò)不缺乏借鑒之處。</p><

84、;p>　　圖 4.2 CCD傳感器返回值波形圖</p><p>　　我們的小車(chē)采用三路CCD對(duì)賽道信息進(jìn)行識(shí)別，其中主要原理是利用第一第二個(gè)CCD的加權(quán)算出賽道中心偏差，一個(gè)CCD包含128個(gè)像素點(diǎn)，但這128個(gè)點(diǎn)并不是所有的點(diǎn)都能夠被準(zhǔn)確獲取灰度值，我們選擇采用左右各56個(gè)像素點(diǎn)來(lái)對(duì)賽道信息進(jìn)行采集。這些像素點(diǎn)中每個(gè)點(diǎn)的灰度值理論上都有0到1024（我們的AD采樣為2的8次）這些種狀態(tài)，我們分別把左右各5

85、6個(gè)像素點(diǎn)記為left 8~63和right 64~119。這里我們采用雙峰直方圖測(cè)動(dòng)態(tài)閥值，我們將灰度值除以10，將灰度值數(shù)組壓縮成103，然后檢測(cè)這103段不同灰度值點(diǎn)的多少，找出白色和黑色的最大分布點(diǎn)，進(jìn)一步得到閥值，程序如下：</p><p>　　#define LATCH_LINE_SUPER 103</p><p>　　uint16 ccd0min=300;</p>

86、;<p>　　uint16 ccd1min=300;</p><p>　　uint16 ccd2min=300;</p><p>　　uint16 ccd3min=300;</p><p>　　uint16 ccdmax=1024;</p><p>　　uint16 ccd_white_latch=0;</p>&

87、lt;p>　　uint16 ccd_black_latch=0;</p><p>　　uint16 get_super_latch(uint16 *pic,uint8 x,uint16 ccdmin,float per) //雙峰直方圖測(cè)動(dòng)態(tài)閥值如果出現(xiàn)問(wèn)題,請(qǐng)檢查電池是否有電</p><p><b>　　{</b></p><p>　　

88、uint16 i=0;</p><p>　　uint16 total_super;</p><p>　　uint16 line_latch_super[LATCH_LINE_SUPER]={0}; //灰度值數(shù)組</p><p>　　float latch;</p><p>　　for (i=0;i<LATCH_LINE_SUPER;

89、i++) line_latch_super[i]=0;//數(shù)組清零</p><p>　　for (i=8;i<120;i++){</p><p>　　line_latch_super[pic[i]/10]++;</p><p>　　} total_super=line_latch_super[LATCH_LINE_SUPER-1]+line_latch_su

90、per[LATCH_LINE_SUPER-2]+line_latch_super[LATCH_LINE_SUPER-3]; //白點(diǎn)方向的連續(xù)三組分布總和</p><p>　　for(i=LATCH_LINE_SUPER-1;i>1;i--) //找連續(xù)三組和最大的地方</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(

91、line_latch_super[i]+line_latch_super[i-1]+line_latch_super[i-2]>=total_super||total_super<10)</p><p>　　{total_super=total_super+line_latch_super[i-2]-line_latch_super[i+1];}//向暗處移動(dòng)，找白色的最大分布點(diǎn)</p>

92、<p>　　else{ccd_white_latch=i;break;}//此處為白線灰度</p><p>　　} total_super=line_latch_super[0]+line_latch_super[1]+line_latch_super[2]; //黑點(diǎn)方向的連續(xù)三組分布總和</p><p>　　for(i=30;i<LATCH_LINE_SUPER-

93、2;i++) {if(line_latch_super[i]+line_latch_super[i+1]+line_latch_super[i+2]>=total_super) {total_super=total_super+line_latch_super[i+2]-line_latch_super[i-1];} //向亮處移動(dòng)，找黑色的最大分布點(diǎn)</p><p>　　else{ccd

94、_black_latch=i;break;} //此處為黑線灰度</p><p><b>　　}</b></p><p>　　latch=per*ccd_white_latch+(1-per)*ccd_black_latch;//圖像檢測(cè)閥值</p><p>　　while(line_latch_super[(int)latch]>40)

95、latch-=1;</p><p>　　return (int)(latch*10);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　4.2.2 線性CCD傳感器路徑識(shí)別算法</p><p>　　路徑識(shí)別算法是我們使用的是由CCD中心向兩側(cè)搜索提取跳變沿的算法，通過(guò)提取到的兩側(cè)跳變沿即為賽道的左右邊界。具體

96、算法介紹如下：</p><p>　　通過(guò)CCD返回的像素值，利用閾值來(lái)找到跳變沿，得到賽道的左右邊界，進(jìn)一步得到賽道的中線。</p><p>　　式中，Pixel2[i]為對(duì)應(yīng)傳感器的狀態(tài)值。</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　ccd2_single_line_flag=0;</p>

97、;<p>　　single_line_flag=0;</p><p>　　left_line=0;</p><p>　　right_line=0;</p><p>　　for(i=ccd2_middle[0]+5;i<=127;i++)//左——右：白到黑//實(shí)測(cè){ </p><p>　　right_line++;<

98、/p><p><b>　　if(</b></p><p>　　(pixel2[i-1]>ccd2latch)</p><p>　　&&(pixel2[i]>ccd2latch)</p><p>　　&&(pixel2[i+1]<ccd2latch)</p>&l

99、t;p><b>　　)</b></p><p>　　{ccd2_rightenable=1;ccd2_right=i;break;}</p><p><b>　　}</b></p><p>　　for(i=ccd2_middle[0]-5;i>0;i--)//右———左：白到黑//實(shí)測(cè)13 11</p&g

100、t;<p><b>　　{</b></p><p>　　left_line++;</p><p><b>　　if( </b></p><p>　　(pixel2[i+1]>ccd2latch)</p><p>　　&&(pixel2[i]>ccd2latc

101、h)</p><p>　　&&(pixel2[i-1]<ccd2latch)</p><p><b>　　)</b></p><p>　　{ccd2_leftenable=1;ccd2_left=i;break;}</p><p><b>　　}</b></p>

102、<p><b>　　}</b></p><p>　　if(106-ccd2_right<=5) ccd2_rightenable=0;//111</p><p>　　if(ccd2_left-7<5) ccd2_leftenable=0;//12</p><p><b>　　}</b></p&g

103、t;<p><b>　　else </b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　ccd2_rightenable=0;</p><p>　　ccd2_leftenable=0;</p><p>　　}其中ccd2_rightenable;ccd2_leftena

104、ble;是否能夠找到左右邊界，當(dāng)左邊界小于12，或者右邊界大于111時(shí)，（這里需要根據(jù)實(shí)際使用的CCD的情況確定）我們認(rèn)為丟線。由此可以得到模型車(chē)的狀態(tài)，為下一步控制決策提供必要的信息。</p><p><b>　　4.3賽道策略分析</b></p><p>　　對(duì)于我們的模型車(chē)，這一屆新增燈塔起跑與停車(chē)，CCD在賽道上可能的狀態(tài)有：直道、單線、十字交叉線（包括直入和

105、彎入）、小S彎道、直角彎、坡道、路障。由于規(guī)則的變更，使得今年對(duì)于賽道識(shí)別的工作量變得更加復(fù)雜，難度大大增加，情況也顯得錯(cuò)綜復(fù)雜，矛盾點(diǎn)層出不窮。</p><p>　　4.3.1 燈塔策略分析</p><p>　　攝像頭組和光電組的比賽分為以下四個(gè)階段：</p><p>　　1.起跑階段：車(chē)模在發(fā)車(chē)燈塔前一米起跑區(qū)內(nèi)靜止，此時(shí)車(chē)模任何部位不得超過(guò)發(fā)車(chē)燈塔中心對(duì)應(yīng)的起

106、跑線。燈塔燈光熄滅后，比賽計(jì)時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí)。車(chē)模需要在五秒鐘之內(nèi)沖過(guò)起跑區(qū)域此期間的車(chē)模延遲時(shí)間計(jì)算在比賽成績(jī)中。如果車(chē)模沒(méi)有能夠在五秒鐘沖過(guò)起跑線，則算作車(chē)模沖出賽道一次，重新開(kāi)始。</p><p>　　2.比賽階段：車(chē)模沖過(guò)起跑線在賽道上運(yùn)行。發(fā)車(chē)燈塔在 LED 熄滅五秒鐘</p><p>　　后重新點(diǎn)亮，為車(chē)模到達(dá)終點(diǎn)做準(zhǔn)備。</p><p>　　3.沖刺階段

107、：車(chē)模運(yùn)行到終點(diǎn)附近，在尚未通過(guò)計(jì)時(shí)系統(tǒng)光電傳感器之前檢測(cè)到發(fā)車(chē)燈塔上的LED脈沖燈光。此時(shí)車(chē)模應(yīng)該準(zhǔn)備減速慢行，直至通過(guò)計(jì)時(shí)系統(tǒng)光電傳感器。</p><p>　　4.停止階段：計(jì)時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)到車(chē)模通過(guò)時(shí)，比賽計(jì)時(shí)結(jié)束。同時(shí)發(fā)車(chē)燈塔上的LED燈光熄滅。車(chē)模檢測(cè)到LED燈光熄滅時(shí)，應(yīng)該立即停止。如果車(chē)模停止在燈塔前，比賽正常結(jié)束。如果車(chē)模沒(méi)有能夠停止在燈塔前，比賽時(shí)間加罰一秒鐘。</p><p&g

108、t;　　具體比賽過(guò)程參加下圖4.3所示：</p><p>　　圖4.3 燈塔比賽過(guò)程</p><p>　　對(duì)于燈塔的檢測(cè)，我們找了好多種紅外管進(jìn)行檢測(cè)，最終我們選擇的是0038b的紅外管進(jìn)行檢測(cè)（實(shí)踐證明盡管管子的型號(hào)相同但是不同產(chǎn)家生產(chǎn)的在檢測(cè)強(qiáng)度上還是有很大的差異）。0038b在沒(méi)有檢測(cè)到燈塔的紅外信號(hào)時(shí)輸出為高電平，檢測(cè)到燈塔信號(hào)后，輸出為頻率為1KHZ的脈沖信號(hào)。我們對(duì)信號(hào)的處理

109、是通過(guò)外部中斷檢測(cè)上升沿來(lái)檢測(cè)燈塔的高低電平個(gè)數(shù)，通過(guò)控制采樣時(shí)間10ms來(lái)檢測(cè)脈沖個(gè)數(shù)，將脈沖個(gè)數(shù)存放在數(shù)組light[i]中，通過(guò)判斷數(shù)組light[i]的個(gè)數(shù)是否在8~12之間，來(lái)確定是否有效（理論上為10個(gè)，經(jīng)過(guò)我們的實(shí)際測(cè)量也為10個(gè)，但是為了留有一定的域度我們這里取得是8~12個(gè)）。然后通過(guò)燈塔的變化情況來(lái)進(jìn)行發(fā)車(chē)或者停車(chē)。具體程序如下：</p><p>　　void light_check()//燈

110、塔檢測(cè)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uint8 i;</b></p><p>　　light_check_gap++;</p><p>　　if(light_check_gap>=5)///控制采樣時(shí)間10ms</p><p>&

111、lt;b>　　{</b></p><p>　　light_check_gap=0;//每20ms,脈沖遞增量</p><p>　　for(i=9;i>0;i--)</p><p>　　light[i]=light[i-1]; </p><p>　　light[0]=startline_count-last_startl

112、ine_count;</p><p>　　last_startline_count=startline_count;</p><p>　　for(i=0;i<10;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(light[i]>8&&light[i]<=12