智能车控制系统的研制(毕业设计论文).doc

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1、 毕业设计说明书(论文)作 者： 学 号： 学 院： 班 级： 专 业：自动化 测控技术与仪器所 在 系：控制科学与工程 仪器科学与技术题 目： 智能车控制系统的研制 指导者： 签字： 评阅者： 2012 年 6 月 摘 要智能汽车又叫轮式移动机器人，是一种集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统，集中地应用到自动控制、模式识别、传感器技术、电气、计算机、机械等多个学科，是典型的高新技术综合体。本文详细介绍了智能车的设计，制作，调试过程。记述了小车数据采集，数据处理，路径识别，舵机转向控制，电机驱动，车速检测，速度控制，以及电源管理等硬件电路和软件算法，使智能车能够自主识别黑线稳定

2、、快速地行驶。 我们的智能车控制系统以飞思卡尔16位微控制器MC9S12XS128为控制芯片，以激光传感器和调制接收管作为路径检测的主要传感器，以光电编码器作为本车的速度传感元件，BTS7960作为电机的驱动芯片。 在调试过程中，利用MC9S12XS128的串口通信功能将激光传感器采集到的赛道信息发送给上位机，利用软件进行信号处理，从传感器采集到的大量数据中提取出有用信息，综合PID算法输出不同占空比的PWM对速度和前进方向进行调节控制。结合闭环控制的策略，控制智能车及时调整车身的运动姿态，使其准确、快速地自主识别黑线行驶。关键词：智能车；S12微控制器；激光传感器；闭环控制 ABSTRACT

3、Smart car also known as the wheeled mobile robot is a set of context-aware planning and decision-making, automatic driving functions in one integrated system, centralized application to automatic control, pattern recognition, sensor technology, electrical, computer, mechanical, multi-disciplines, is

4、 a typical high-tech complex.In this article, we present the design, production and process of debugging of the intelligent vehicle detailedly. Describing data acquisition and processing, path identification , gear shift control of the steering gear, motor drive, speed detection, speed control, as w

5、ell as power management ,the hardware circuitry and the software algorithms. Our system is using 16-bit Freescale microcontroller chip, MC9S12XS128, as control chip. We use laser sensors as the major track detection sensor.,use optical encoder as our cars speed sensor.and BTS7960 as the motor driver

6、 chip. In the process of debugging, we use the software programmed by labview to show the images which was collected by laser sensor and infrared sensor, consulting the PID algorithm to adjust and control the speed and the forward direction. With Combining of the closed-loop control strategy, we mak

7、e the smart car run along the black track and adjust body posture in time, accomplish the whole run accurately and quickly.Keywords: Smart car；S12 microcontroller；laser sensor； Closed-loop control目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 课题背景与意义11.2 智能小车研究现状21.2.1 国外智能车辆研究现状21.2.2 国内智能车辆研究现状3第2章 系统设计52.1 系统总体方案的

8、选定52.2 系统总体方案的设计5第3章 智能车机械结构调整73.1 智能车车体机械建模73.2 智能车前轮定位的调整83.2.1 主销后倾角83.2.2 主销内倾角83.2.3 车轮外倾角83.2.4 前轮前束93.3 智能车转向机构调整9第4章 电路设计124.1 单片机模块124.2 电源模块134.3 电机驱动模块144.4 车速检测模块154.5 道路检测模块164.5.1 光电传感器的原理164.5.2 激光传感器的设计17第5章 控制算法设计与实现185.1 软件流程185.2 速度控制算法195.3 方向控制算法21第6章 调试过程246.1 CODEWARRIORID246.

9、2 BDM 调试模式介绍246.3 智能车的整体调试256.3.1 传感器电路的调试256.3.2 舵机的调试过程256.3.3 直流电机的调试25结 论27参考文献28附 录30致 谢38第1章 绪 论 1.1 课题背景与意义由于工业现场中大多数恶劣环境和危险环境中仍采用的人工的操作方式，这促使了我们对智能车的研究和开发。智能车是一个集环境感知、规划决策等功能于一体的综合系统。它在各个领域都具有广泛的应用前景。例如，在工业生产中，可以代替人类完成恶劣环境下的货物搬运、设备检测等任务；在军事上，可以在危险地带代替人类完成侦察、排雷等任务；在民用上，可以作为导盲车为盲人提供帮助；在科学研究方面，

10、可以代替人类完成外星球勘探或者矿藏勘探等1。智能车按照工作环境下要分为室外智能车和室内智能车两种，这两种环境有着较大的区别。室外环境一般较开阔，受光照、天气、时一间等的影响，环境变化很大，既包括简单的结构化环境也包括复杂的非结构化环境。室外自主移动机器人导航一般要求更高的智能。室内环境一般较狭窄，光线较稳定日环境复杂程度有限，一般视作结构化环境。中国自1978年把“智能模拟”作为国家科学技术发展规划的主要研究课题，开始着力研究智能化。从概念的引进到实验室研究的实现，再到现在高端领域（航天航空、军事、勘探等）的应用，这一过程为智能化的全面发展奠定基石2。智能化全面的发展是实现其对资源的合理充分利

11、用，以尽可能少的投入得到最大的收益，大大提高工业生产的效率，实现现有工业生产水平从自动化向智能化升级，实现当今智能化发展由高端向大众普及。从先前的模拟电路设计，到数字电路设计，再到现在的集成芯片的应用，各种能实现同样功能的元件越来越小为智能化产物的生成奠定了良好的物质基础。本论文结合以飞思卡尔半导体公司的HCSl2单片机为核心的全国智能车邀请赛项目展开研究。该项赛事最初是在韩国举办。韩国大学生智能模型车竞赛是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以HCSl2单片机为核心的大学生课外科技竞赛。组委会将提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够自主识

12、别路线的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，跑完整个赛程用时最短，而且技术报告评分较高的参赛队就是获胜者3。制作智能车，需要参赛队伍学习和应用嵌入式软件开发工具软件CodeWarrior和在线开发手段，自行设计和制作可以自动识别路径的方案、电机的驱动电路、模型车的车速传感电路、模型车转向伺服电机的驱动以及微控制器MC9S12DGl28控制软件的编程，等等。其专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的长期的推动作用。1.2 智能小车研究现状智能车辆是以迅猛发展的

13、汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创新性设计，它主要由路径识别、角度控制及车速控制等功能模块组成4。智能车辆驾驶是一种通用性术语，指全部或部分完成一项或多项驾驶任务的综合车辆技术。智能车辆的一个基本特征是在一定道路条件下实现全部或者部分的自动驾驶功能，下面简单介绍一下国内外智能小车研究的发展情况。1.2.1 国外智能车辆研究现状国外智能车辆的研究历史较长，始于上世纪50年代。它的发展历程大体可以分成三个阶段：第一阶段 20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。1954年美国Barrett Electronics 公司研究开发了世界上第一

14、台自主引导车系统AGVS（Automated Guided Vehicle System）。该系统只是一个运行在固定线路上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车辆最基本得特征即无人驾驶。早期研制AGVS的目的是为了提高仓库运输的自动化水平，应用领域仅局限于仓库内的物品运输。随着计算机的应用和传感技术的发展，智能车辆的研究不断得到新的发展。第二阶段 从80年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的研究。在欧洲，普罗米修斯项目于1986年开始了在这个领域的探索。在美洲，美国于1995年成立了国家自动高速公路系统联盟（NAHSC），其目标之一就是研究发展智能车辆的可能性，并促进智能车辆

15、技术进入实用化。在亚洲，日本于1996年成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会，主要目的是研究自动车辆导航的方法，促进日本智能车辆技术的整体进步。进入80年代中期，设计和制造智能车辆的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制智能车辆平台。第三阶段 从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。最为突出的是，美国卡内基.梅隆大学（Carnegie Mellon University）机器人研究所一共完成了Navlab系列的10台自主车（Navlab1Navlab10）的研究，取得了显著的成就5。目前，智能车辆的发展正处于第三阶段。这一阶段的研究成果代表了当前国外智能车辆的主要发展

16、方向。在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构研发的智能车辆具有代表性的有：德意志联邦大学的研究 1985年，第一辆VaMoRs智能原型车辆在户外高速公路上以100km/h的速度进行了测试，它使用了机器视觉来保证横向和纵向的车辆控制。1988年，在都灵的PROMRTHEUS项目第一次委员会会议上，智能车辆维塔（VITA,7t）进行了展示，该车可以自动停车、行进，并可以向后车传送相关驾驶信息。这两种车辆都配备了UBM视觉系统。这是一个双目视觉系统，具有极高的稳定性。荷兰鹿特丹港口的研究 智能车辆的研究主要体现在工厂货物的运输。荷兰的Combi road系统，采用无人驾驶的车辆来往返运输货物，它

17、行驶的路面上采用了磁性导航参照物，并利用一个光阵列传感器去探测障碍。荷兰南部目前正在讨论工业上利用这种系统的问题，政府正考虑已有的高速公路新建一条专用的车道，采用这种系统将货物从鹿特丹运往各地。日本大阪大学的研究 大阪大学的Shirai实验室所研制的智能小车，采用了航位推测系统（Dead Reckoning System），分别利用旋转编码器和电位计来获取智能小车的转向角，从而完成了智能小车的定位6。另外，斯特拉斯堡实验中心、英国国防部门的研究、美国卡内基梅隆大学、奔驰公司、美国麻省理工学院、韩国理工大学对智能车辆也有较多的研究。1.2.2 国内智能车辆研究现状相比于国外，我国开展智能车辆技术

18、方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年代。而且大多数研究处在于针对某个单项技术研究的阶段。虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定得技术差距，但是我们也取得了一系列的成果，主要有：（1）中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院与2003年研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。该自主驾驶轿车在正常交通情况下的高速公路上，行驶的最高稳定速度为13km/h,最高峰值速度达170km/h，并且具有超车功能，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。（2）南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制了7B.8军用室外自主车，该车装有彩

19、色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等传感器。计算机系统采用两台Sun10完成信息融合、路径规划，两台PC486完成路边抽取识别和激光信息处理，8098单片机完成定位计算和车辆自动驾驶。其体系结构以水平式结构为主，采用传统的“感知-建模-规划-执行”算法，其直线跟踪速度达到20km/h，避障速度达到5-10km/h。智能车辆研究也是智能交通系统ITS的关键技术。目前，国内的许多高校和科研院所都在进行ITS关键技术、设备的研究。随着ITS研究的兴起，我国已形成一支ITS技术研究开发的技术专业队伍。并且各交通、汽车企业越来越加大了对ITS及智能车辆技术研发的投入，整个社会的关注程度在不断提高。交通部已

20、将ITS研究列入“十五”科技发展计划和2010年长期规划。相信经过相关领域的共同努力，我国ITS及智能车辆的技术水平一定会得到很大提高7。可以预计，我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。我们要结合我国国情，在某一方面或某些方面，对智能车进行深入细致的研究，为它今后的发展及实际应用打下坚实的基础。第2章 系统设计2.1 系统总体方案的选定通过学习竞赛规则和往届竞赛相关技术资料了解到，路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣，因此确定路径识别模块的类型是决定智能车总体方案的关键。而目前能够用于智能车辆路径识别的传感器主要有光电传

21、感器和CCD/CMOS 传感器8。光电传感器寻迹方案的优点是传感器信号处理速度快，能够有更多的总线资源进行复杂算法的运行，但是突破前瞻的束缚是决定速度的关键所在；CCD 摄像头寻迹方案的优点则是可以更远更早地感知赛道的变化，但是信号处理却比较复杂，如何对摄像头记录的图像进行处理和识别，加快处理速度及对赛道反光问题的处理是摄像头方案的难点9。在比较了两种传感器优劣之后，我们决定选用应用光电传感器，相信通过选用成熟的大前瞻光电传感器，加之先进的程序控制算法和较快的信息处理速度，光电传感器还是可以达到极好的控制效果的。2.2 系统总体方案的设计智能车控制系统的总体结构如图2-1所示，它以飞思卡尔高性

22、能单片机MC9S12XS128为核心，主要由电源管理、红外传感器路径识别、驱动电机转速检测、转向舵机控制、直流驱动电机调速、上位机调试等功能的模块组成10。在选定智能车系统采用光电传感器方案后，赛车的位置信号由车体前方的光电传感器采集，经XS12 MCU 的I/O 口处理后，用于赛车的运动控制决策，同时内部Pulse-Width 模块发出PWM 波，驱动电机对智能车进行加速和减速控制，以及舵机对赛车各个部位的转向进行控制，使赛车在赛道上能够自主行驶。为了对赛车的速度进行精确的控制，在智能车后轴上安装光电编码器，采集车轮转速的脉冲信号，经MCU 捕获后进行PID 调节自动控制，完成智能车速度的闭

23、环控制。图2-1 系统总体方框图根据以上系统方案设计，赛车共包括以下几大模块：单片机模块、电源模块、电机驱动模块、车速检测模块、道路检测模块以及其他辅助电路。各模块的作用如下： MC9S12XS128 主控模块，作为整个智能车的“大脑”，将采集光电传感器、光电编码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机和伺服电机完成对智能车的控制11。电源模块，为整个系统提供合适而又稳定的电源。 电机驱动模块，驱动直流电机和伺服电机完成智能车的加减速控制和转向控制。 车速检测模块，检测反馈智能车后轮的转速，用于速度的闭环控制。道路检测模块，是智能车的“眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方

24、的赛道信息，为智能车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。辅助调试模块主要用于智能车系统的功能调试、赛车状态监控等方面。 本章重点分析了智能车系统总体方案的选择，并介绍了系统的总体设计，以及简要地分析了系统各模块的作用。在今后的章节中，将对整个系统机械结构、控制模块和控制算法等三个方面的实现进行详细介绍。第3章 智能车机械结构调整智能车系统任何的控制都是在一定的机械结构基础上实现的，因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个车模的机械结构有一个感性的认识，然后建立相应的数学模型。从而再针对具体的设计方案来调整赛车的机械结构，并在实际的调试过程中不断的改进和提高12。本章将主要介绍

25、智能车车模的机械结构和调整方案。3.1 智能车车体机械建模 本设计选用的智能车竞赛专用车模。智能车的控制采用的是前轮转向，后轮驱动方案。智能车的外形大致如下：图3-1 智能车外形图表3-1 模型车基本尺寸参数 基本尺寸 尺寸 轴距 198mm 前轮距 137mm 后轮距 138mm/146mm 车轮直径 52mm 主减传动比 18/763.2 智能车前轮定位的调整3.2.1 主销后倾角 主销后倾角是指在纵向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角。它在车辆转弯时会产生与车轮偏转方向相反的回正力矩，使车轮自动恢复到原来的中间位置上。所以，主销后倾角越大，车速越高，前轮自动回正的能力就越强，但是过大的

26、回正力矩会使车辆转向沉重。通常主销后倾角值设定在1-3。 模型车通过增减黄色垫片的数量来改变主销后倾角的，由于所用的转向舵机力矩不大，过大的主销后倾角会使转向变得沉重，转弯反应迟滞，所以设置为0，以便增加其转向的灵活性。3.2.2 主销内倾角 主销内倾角是指在横向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角，它的作用也是使前轮自动回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强，但转向时也就越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。通常汽车的主销内倾角不大于8，主销内倾的调整应该保持在一个合适的范围，“一般来说0-8 范围内皆可” 13。在实际的调整中，只要将角度调整为5左右就会对于过弯性能

27、有明显的改善。如果赛道比较滑，可以将这个角度再调节的大一些。在实际制作中，这个角度调节为8 左右。 对于模型车，通过调整前桥的螺杆的长度可以改变主销内倾角的大小，由于过大的内倾角也会增大转向阻力，增加轮胎磨损，所以在调整时可以近似调整为0-3左右，不宜太大。 主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。不同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，因此高速时主销后倾的回正作用大，低速时主销内倾的回正作用大。3.2.3 车轮外倾角 前轮外倾角是指通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角，对汽车的转向性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安

28、全性和转向操纵的轻便性。在汽车的横向平面内，轮胎呈“八”字型时称为“负外倾”，而呈现“V”字形张开时称为正外倾14。如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。所以事先将车轮校偏一个正外倾角度，一般这个角度约在1左右，以减少承载轴承负荷，增加零件使用寿命，提高汽车的安全性能。 模型车提供了专门的外倾角调整配件，近似调节其外倾角。由于模型车主要用于竞速，所以要求尽量减轻重量，其底盘和前桥上承受的载荷不大，所以外倾角调整为0即可，并且要与前轮前束匹配。3.2.4 前轮前束 所谓前束是指两轮之间的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

29、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，其惯性力自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。像内八字那样前端小后端大的称为“前束”，反之则称为“后束”或“负前束”。在实际的汽车中，一般前束为0-12mm 。 前束的调整总是依据主销内倾的调整。只有主销内倾确定后才能确定合适的前轮前束与之配合。前轮前束的调整是方便的。主销内倾的调整由于要拧开螺丝钉，固定件又为塑料，所以频繁的调整容易引发滑丝现象。而前束不会，所以调整前束是最安全、方便的。前束在摩擦大的时候有明显的效果。但是一定不要太大，适当的放开一两圈就够了。 在模型车中，前

30、轮前束是通过调整伺服电机带动的左右横拉杆实现的。主销在垂直方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度即可以改变前轮前束的大小。在实际的调整过程中，我们发现较小的前束，约束0-2mm 可以减小转向阻力，使模型车转向更为轻便，但实际效果不是十分明显。 调节合适的前轮前束在转向时有利过弯，还能提高减速性。将前轮前束调节成明显的内八字，运动阻力加大，提高减速性能。由于阻力比不调节前束时增大，所以直线加速会变慢。智能车采用稳定速度策略或者采用在直道高速弯道慢速的策略时，应该调节不同的前束。后一种策略可以适当加大前束15。 虽然模型车的主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前束等均可以调整，但是由于车模加工和制

31、造精度的问题，在通用的规律中还存在着不少的偶然性，一切是实际调整的效果为准。3.3 智能车转向机构调整 理想的转向模型，是指在轮胎不打滑时，忽略左右两侧轮胎由于受力不均产生的变形，忽略轮胎受重力影响下的变形时车辆的的转向建模。图3-2 智能车转向示意图 如图3-2，假设智能车系统为理想的转向模型，且其重心位于其几何中心。车轮满足转向原理，左右轮的轴线与后轮轴线这三条直线必然交于一点。 转向机构在车辆运行过程中有着非常重要的作用。合适的前桥和转向机构可以保证在车辆直线行驶过程中不会跑偏，能保证车辆行驶的方向稳定性；而在车辆转向时，合适的转向机构可以使车辆自行回到直线行驶状态，具有好的回正性16。

32、正是由于这些原因，转向系统优化设计成为智能车设计中机械结构部分的重点，直接关系到赛车能否顺利地完成比赛。 在模型车制做过程中，赛车的转向是通过舵机带动左右横拉杆来实现的。转向舵机的转动速度和功率是一定，要想加快转向机构响应的速度，唯一的办法就是优化舵机的安装位置和其力矩延长杆的长度。由于功率是速度与力矩乘积的函数，过分追求速度，必然要损失力矩，力矩太小也会造成转向迟钝，因此设计时就要综合考虑转向机构响应速度与舵机力矩之间的关系，通过优化得到一个最佳的转向效果。如图3-3，我们最终采用的这套舵机连片（转向拉杆），我们综合考虑了速度与扭矩间的关系，并根据模型车底盘的具体结构，简化了安装方式，实现了

33、预期目标。图3-3 舵机连片（转向拉杆）舵机的安装方式目前较为主流的是直立式安装和倒置式安装。都采用图3-3的舵机连片。然而舵机与连片的啮合是类似齿轮的啮合，由于连片的长度的以及齿宽的影响，很难调节到合适的舵机机械中值。为了弥补这种连片的缺陷，我们采用了可调中值的舵机连片。图3-4 舵机连片（中值可调）第4章 电路设计硬件电路设计是系统的基础。本设计以MC9S12XS128为核心控制处理器，建立最小系统，并在此基础上集成了外围接口驱动电路、调试电路等，形成了功能完备，体积小的控制电路。小车的硬件电路主要包括单片机模块、电源模块、电机驱动模块、车速检测模块、道路检测模块以及其他辅助电路17。4.

34、1 单片机模块单片机模块是小车的“大脑”，本次设计所用到的单片机芯片为MC9S12XS128，实物如图4-1所示。图4-1 MC9S12XS128开发板以MC9S12XS128为核心的单片机系统的硬件电路设计主要包括以下几个部分：时钟电路、电源电路、复位电路、BDM接口。其中各个部分的功能如下： (1)、时钟电路给单片机提供一个外接的16MHz的石英晶振。 (2)、电源电路主要是给单片机提供5V电源。(3)、复位电路在电压达到正常值时给单片机一个复位信号。 (4)、BDM接口让用户可以通过BDM头向单片机下载和调试程序。如下图，本系统采用的是标准的MC9S12系列单片机的时钟电路，通过把一个1

35、6MHz的外部晶振接在单片机的外部晶振输入接口EXTAL和XTAL上，然后利用MC9S12XS128内部的压控振荡器和锁相环（PLL）把这个频率提高到40MHz，作为单片机工作的内部总线时钟。图4-2 外部振荡电路4.2 电源模块电源模块为系统其它各个模块提供所需要的电源。是小车的“心脏”。电源模块为系统其他各个模块提供所需要的电源，设计中除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰等方面进行优化。本智能车有+5 V 和7.2 V 两种电压, 由7. 2 V/ 2000 mAh 的Ni-Cd 蓄电池组直接给驱动电机和转向舵机供电，5 V 给车速传感器、光

36、电传感器等供电 18。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此需要电源稳压，转换成所需要的5V。电源管理原理图如下。充电电池7.2V电机舵机7805稳压电路（5V）光电激光管单片机接受管转速传感器图4-3 电源系统原理图图4-3中：(1)、5V电压。主要为单片机、信号调理电路以及部分接口电路提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量大于500mA。(2)、72V电压。这部分电压直接取自电池两端电压，主要为后轮电机驱动模块和舵机提供工作电压。通过各个部件的正常工作电压我们可以知道，需要采取降压稳压电路来实现。选择稳压芯片时除了考虑输出电压和电流容量参数外，还需对稳压芯片的工

37、作最小压差留有一定的余量。降压稳压电路可以采用串联稳压和开关稳压两种芯片。常选择的稳压芯片有7805、LM2576、TPS7350。本次设计中我采用的是7805稳压芯片，所采用的应用电路如下：图4-4 稳压电路其中c1为220uf，c2为100uf。Vi为出入端，Vo为输出端。4.3 电机驱动模块电机驱动模块为小车的“肌肉”。竞速比赛比的是速度，需要模型车能够以尽量快的速度跑完全程，有了好的算法之后，需要有驱动电路对电机进行控制19。本系统使用的电机驱动板为BTS7960全桥驱动电路，由此电路，通过设置MC9S12输出的PWM波的占空比可以达到控制电机正反转的效果。图4-5 电机驱动芯片关于P

38、WM接口占空比控制电机的使用说明：PWM 1,2 输入端输入为5V 时，该路输出为最小，随着占空比的变小，输出的电压变大；PWM 1,2 输入端输入为0V 时，该路输出为最大，随着占空比的变大，输出的电压变小；图 4-6 电机驱动电路原理图控制逻辑为：表4-1 电机驱动芯片控制逻辑图 EN PWM1 PWM2 OUT1(电机-) OUT2(电机+) 正转 1 0-100% 5V 0 100%-0 反转 1 5V 0-100% 100%-0 0 停止 0 X X X X4.4 车速检测模块车速检测模块为小车的“神经系统”。为了使得模型车能够平稳地沿着赛道运行，除了控制前轮转向舵机以外，还需要控制

39、车速，使模型车在急转弯时速度不要过快而冲出跑道。而由于电池电压、电机传动摩擦力、道路摩擦力等因素的影响，开环控制中实际速度不能达到给定值，因此加入速度测速装置，形成速度反馈20。要实现对模型车的闭环控制，需要时刻检测模型车当前速度，经常使用的测速传感器有以下几种： (1)、测速电动机：其实就是普通的一个电动机，将电动机的轴连接到车子传动轴或者车子的电机上，测速电动机随着电动机的转动而转动，转速的快慢决定测速电动机所产生的电压，然后通过AD采样、量化，根据转换的结果大小来判断速度的快慢。(2)、光电编码盘：通过一个带有孔的光栅，将光栅放在光电发射管和接收管之间，配合比较器电路，将光电接收管的电压

40、变化转变为高低电平变化给单片机，单片机根据单位时间内高低电平的数量来判断速度的快慢21。 (3)、光电编码器：光电编码器是一个封闭的光电编码盘，相比后者优点非常多，长时间使用稳定性高，适应能力强。同时精度也很高，能够达到500线、1024线、2048线甚至更高。唯一不足就是价格是前两者的好几倍甚至几十倍。 综上对比，我们考虑到系统的稳定性、PID反馈控制的精度和车子自身体积的限制，最后选用500线AB两相光电编码器，当采样时间在2.5MS的时候，可以返回100多个脉冲，PID控制精度足够，效果非常好。图4-7 光电编码器4.5 道路检测模块 道路检测模块为小车的“眼睛”。在确定智能车总体方案时

41、，我们选择光电传感器的方案。为了获得更大前瞻距离，为控制系统后续处理赢得更多的时间，在从众多光电传感器中选择了大前瞻的激光传感器，可以使小车更稳定、快速的行驶。4.5.1 光电传感器的原理光电传感器检测路面信息的原理是由发射管发射一定波长的红外线，经地面反射到接收管。由于在黑色和白色上反射系数不同，在黑色上大部分光线被吸收，而白色上可以反射回大部分光线，所以接收到的反射光强是不一样，进而导致接收管的特性曲线发生变化程度不同，而从外部观测可以近似认为接收管两端输出电阻不同，进而经分压后的电压就不一样，就可以将黑白路面区分开来22。图4-8 光电传感器原理4.5.2 激光传感器的设计激光传感器与普

42、通的光电传感器原理都是一样，但是其前瞻能力远大于普通的光电传感器，可以达到40-50 厘米，对于智能车来说已经足够。我选用了8个光电传感器，每4个光电传感器对应一个接收管，所有的传感器呈“一”字排布。激光传感器由两部份构成，一部份为发射部份，一部分为接收部份23。通过单片机程序发出180KHz 频率的振荡波后，经三极管放大，激光管发光；接收部份由一个相匹配180KHz 的接收管接收返回的光强，经过电容滤波后直接接入S12 单片机的PB1 与PB5口，检测返回电压的高低。由于激光传感器使用了调制处理，接收管只能接受相同频率的反射光，因而可以有效防止可见光对反射激光的影响。图4-9 激光传感器发射

43、与接收电路为了简化8 路激光传感器的控制，减少激光传感器相互之间的干扰，传感器的控制采用了分时发光的策略，由S12的8个I/O口来控制8组激光传感器的开断，这样接收管就接收不到相邻传感器发射的激光了，因而达到了防止相互传感器之间干扰的目的。第5章 控制算法设计与实现5.1 软件流程程序主要用到XS128芯片中的PWM模块, ECT模块，I/O模块等模块化设计。PWM模块主要是用来控制前轮舵机和舵机的左右转向，以及驱动电机的运行；ECT模块主要是用在速度脉冲采集和传感器信息采集上，捕捉中断并计算处理；I/O模块主要是用于控制激光的发射和接收，以及接收和输出各种控制信号。开机后，对所有硬件进行初始

44、化，完成之后，PPT定时中断，对激光管扫描发射，并接收信号进行采样保存。 在扫描完之后，开始处理采样数据，并计算出当前黑线与车身的相对位置。单片机根据当前位置决定随动舵机摆角的大小以保证紧跟黑线。单片机再根据上舵机PWM值与光点所得到的位置综合给出下舵机的PWM值。 单片机根据舵机的打角，经过复杂运算与处理得到速度期望值，并结合当前速度值对电机控制如加速、减速、电机反转和反向刹车制动等。速度控制采用PID控制算法实现闭环控制。总体流程图如下：定时中断提取黑线判断赛道信息程序初始化开始循环获取当前车速设定速度与舵机PWM给出操作指令图5-1 软件程序流程图5.2 速度控制算法所谓速度控制，就是智能车可以根据路况信息调整速度，判断是该加速、减速，还是该刹车。我采用的是增量式PID控制算法来实现速度控制。PID 控制理论： 在模型车控制器中，比较常用的一种控制器为PID 调节器。PID 调节在连续系统中应用比较成熟。它具有许多特点，如不需要求出数学模型、控制效果好等， 特别是在微机控制系统中，对于时间常数比较大的被控对象来说，数字PID 完全可以代替模拟PID 调节器，应