2023年基于飞思卡尔16位单片机电磁型智能小车的设计.doc

本科毕业论文 基于飞思卡尔16位单片机电磁型智能小车的设计 BASED ON FREESCALE 16-BITMICROCONTROLLER SMART CAR DESIGN 学院〔部〕： 机械工程学院 专业班级： 机设09-12 学生姓名： 项先亮 指导教师： 刘齐更老师 2023年 月 日 基于飞思卡尔16位单片机电磁型智能小车的设计 本文是以飞思卡尔智能车竞赛为背景设计的一个智能小车运行系统。本系统是以飞思卡尔MC9S12XS128单片机为核心通过传感器识别道路的智能车控制系统。本文着重阐述了道路信息的获取,处理和识别过程,并设计出PID控制器，运用有效的控制算法对智能小车进行控制,使智能小车能准确快速地对道路进行跟踪。该系统通过光电传感器获取当前道路信息，通过有效的数字图像处理算法对原始图像进行处理，对主要的有用信息进行分析和提取。在智能小车运动的控制中,对小车的转向和速度采用PID控制算法,控制表来对智能小车进行转向和速度控制。 关键词：单片机，智能小车，PID控制算法 Based on Freescale 16-bit microcontroller smart car design Abstract It is based on freescale intelligence car competition as the background design of a smart car running system in this article. This system is based on freescale MC9S12XS128 single-chip microcomputer as the core through the sensors to identify road intelligent car control system.The article focuses on the acquisition,processing and recognition of the target path information.The Fuzzy controller using an effective controlling algorithm for intelligent vehicle control makes the smart car track the road fast and accurate.With the CCD camera the system obtains the current road information and deal with the original image,the main useful analysis and information extraction through effective digital image processing algorithms.According to the motion rules of the intelligent vehicle,fuzzy control algorithm and fuzzy PID algorithm can be applied to control the steering and speed of the intelligent vehicle separately.Fuzzy control rules can be generated according to the requirement of the path tracking,which is followed by the generation of the fuzzy control table,then the steering and motion speed of the intelligent vehicle can be regulated after querying the fuzzy control table according to the path information which is already inquired. KEYWORDS：mcu, smart car , PID, 目录 〔中文〕 I 〔外文〕 II 1、绪论 1 1.1 智能汽车赛事概况 1 1.2 课题研究现状 1 1.3 本课题的研究内容 2 2、智能车原理 3 2.1 直立行走任务分解 3 2.2 车模直立控制 4 2.3 车模速度控制 8 2.4 车模方向控制 10 2.4.1 道路电磁中心线的偏差检测 10 2.4.2 电机差动控制 10 2.5 车模倾角测量 11 2.5.1 加速度传感器 11 2.5.2 角速度传感器-陀螺仪 12 3、智能车硬件设计与软件设计 16 3.1智能车硬件设计 16 3.1.1 整体电路框图 16 3.1.2 单片机最小系统 17 3.1.3 倾角传感器电路 19 3.1.4 电机驱动电路 20 3.1.5 速度传感器 21 3.1.6 电磁线检测电路 22 3.2智能车软件设计 24 3.2.1 软件功能与框架 24 3.2.2 单片机资源配置 27 3.2.3 主要算法及其实现 28 3.2.4 程序调试与参数整定 36 4、智能车机械设计 37 4.1 车模简化改装 37 4.2 传感器安装 38 4.2.1速度传感器安装 38 4.2.2电磁传感器安装 39 4.2.3车模倾角传感器 40 4.3 本卷须知 40 结论 42 附录 程序代码 43 参考文献 48 致谢 49 1、绪论 1.1 智能汽车赛事概况 “飞思卡尔杯〞全国大学生智能汽车竞赛是由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办，飞思卡尔半导体公司协办的全国性的比赛；全国大学生智能汽车竞赛是在统一汽车模型平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、设计电机驱动电路、编写相应软件以及装配模型车，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。 与以往的专业竞赛不同，智能汽车竞赛是以快速开展的汽车电子为背景，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比赛，己经成为各高校展示科研成果和学生实践能力的重要途径，同时也为社会选拔优秀的创新人才提供了重要平台。 1.2 课题研究现状 智能车辆作为智能交通系统的关键技术，是许多高新技术综合集成的载体。智能车辆驾驶是一种通用性术语，指全部或局部完成一项或多项驾驶任务的综合车辆技术。智能车辆的一个根本特征是在一定道路条件下实现全部或者局部的自动驾驶功能。 智能车辆的研究始于20世纪50年代初，美国Barrett Electronics公司开发出的世界上第一台自动引导车辆系统〔Automated Guided Vehicle System，AGVS〕。1974年，瑞典的Volvo Kalmar轿车装配工厂与Schiinder－Digitron公司合作，研制出一种可装载轿车车体的AGVS，并由多台该种AGVS组成了汽车装配线，从而取消了传统应用的拖车及叉车等运输工具。 由于Kalmar工厂采用AGVS获得了明显的经济效益，许多西欧国家纷纷效仿Volvo公司，并逐步使AGVS在装配作业中成为一种流行的运输手段。 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于2023年7月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，在高速公路上行驶的最高稳定速度为130公里/小时，最顶峰值速度为170公里/小时，并且具有超车功能，其总体技术性能和指标已经到达世界先进水平。 轿车自主驾驶的根本原理是仿人驾驶。车内的环境识别系统识别出道路状况，测量前方车辆的距离和相对速度，相当于驾驶员的眼睛；车载主控计算机和相应的路径规划软件根据计算机视觉提供的道路信息、车前车辆情况以及自身的行驶状态，决定是沿道路前进还是换道准备超车，相当于驾驶员的大脑；接着，自动驾驶控制软件按照需要跟踪的路径和汽车行驶动力学，向方向盘控制器、油门控制器和刹车控制器发出动作指令，操纵汽车按规划好的路径前进，起到驾驶员的手和脚的作用。 1.3 本课题的研究内容 本课题的主要研究内容包括： 〔1〕竞赛用智能赛车系统的总体设计，围绕智能赛车系统要求，从而确定了控制系统的硬件设计和软件设计方案。 〔2〕机械结构的调整与完成，对智能汽车车模进行了结构改造，完成了定位参数的优化、车辆重心位置的调整、转向舵机的力臂的改造以及齿轮传动机构的调整等。 〔3〕控制系统的硬件设计与完成，从电源模块设计开始，完成道路信息采集模块、速度测量模块、驱动控制模块、故障诊断模块及串口模块等的设计。 〔4〕控制系统软件的设计及实现，从单片机的功能入手完成系统各个模块的设计，根据所选用的硬件，完成赛车信息的算法和车体的控制算法。 2、智能车控制原理 2.1 直立行走任务分解 电磁组比赛要求车模在直立的状态下以两个轮子着地沿着赛道进行比赛，相比四轮着地状态，车模控制任务更为复杂。为了能够方便找到解决问题的方法，首先将复杂的问题分解成简单的问题进行讨论。 为了分析方便，根据比赛规那么，假设维持车模直立、运行的动力都来自于车模的两个后车轮，后轮转动由两个直流电机驱动。因此从控制角度来看，由控制车模两个电机旋转方向及速度实现对车模的控制。车模运动控制任务可以分解成以下三个根本任务： 〔1〕 控制车模直立：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立状态； 〔2〕 控制车模速度：通过控制两个电机转速速度实现车模行进控制； 〔3〕 控制车模转向：通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。 以上三个任务都是通过控制车模两个后轮驱动电机完成的。可以假设车模的电机可以虚拟地被拆解成三个不同功能的驱动电机，它们同轴相连，分别控制车模的直立平衡、 前进行走、左右转向，如图2.1 所示。 图 2.1 车模运动控制分解示意图 直流电机的力矩最终来自于电机驱动电压产生的电流。因此只要电机处于线性状态，上述拆解可以等效成三种不同控制目标的电压叠加之后，施加在电机上。 在上述三个任务中保持车模直立是关键。由于车模同时受到三种控制的影响，从车模直立控制的角度，其它两个控制就成为它的干扰。因此在速度、方向控制的时候，应该尽量平滑，以减少对于直立控制的干扰。三者之间的配合如图2.2 所示。 图2.2 三层控制之间相互配合，底层尽量减少多上层的干扰 上述三个控制各自独立进行控制，它们各自假设其它两个控制都已经到达稳定。比 如速度控制时，假设车模已经在直立控制下保持了直立稳定，通过改变电机的电压控制 车模加速和减速。车模在加速和减速的时候，直立控制一直在起作用，它会自动改变车 模的倾角，移动车模的重心，使得车模实现加速和减速。 下面分别讨论三个任务的实现原理。 2.2 车模直立控制 控制车模直立的直观经验来自于杂技表演。一般的人通过简单练习就可以让一个直木棒在手指尖上保持直立。这需要两个条件：一个是托着木棒的手掌可以移动；另一个是眼睛可以观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势〔角加速度〕。通过手掌移动抵消木棒的倾斜角度和趋势，从而保持木棒的直立。这两个条件缺一不可，实际上就是控制中的负反响机制，参见图2.3。 世界上还没有任何一个天才杂技演员可以蒙着眼睛使得木棒在自