智能車培訓(xùn)

1、安徽新華學(xué)院校園大學(xué)生智能車競賽——光電組培訓(xùn) 陳業(yè)慧,第1章 智能汽車設(shè)計(jì)導(dǎo)論 第2章 智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—硬件第3章 智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—軟件第4章 智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)第5章 智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—微控制器第6章 智能汽車設(shè)計(jì)實(shí)踐——光電管型設(shè)計(jì)第7章 智能汽車設(shè)計(jì)實(shí)踐——系統(tǒng)調(diào)試 第8章 非理性因素分析與探討第9章 關(guān)于競賽相關(guān)問題答疑,第1章 智能汽

2、車設(shè)計(jì)導(dǎo)論,1.1 智能汽車,現(xiàn)在的“汽車”——帶有一些電子控制的機(jī)械裝置將來的“汽車”——帶有一些輔助機(jī)械的機(jī)電一體化裝置，消費(fèi)類電子產(chǎn)品。智能汽車配備了遠(yuǎn)程信息處理器、傳感器和接收器，通過無線網(wǎng)絡(luò)獲取前方交通狀況信息，引導(dǎo)汽車加速或減速。更為平穩(wěn)地行駛，避免不斷剎車、啟動的動作，以降低油耗。,智能汽車應(yīng)包含以下結(jié)構(gòu)：,智能汽車的信息采集、處理及傳輸 智能汽車的自動控制系統(tǒng) 智能汽車的通信系統(tǒng) 智能汽車的導(dǎo)駛定位技術(shù) 智

3、能汽車的電源系統(tǒng),第2章 智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——硬件,第2章 智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—硬件,從外觀上看，智能車系統(tǒng)主要表現(xiàn)為由一系列的硬件組成，包括組成車體的底盤、輪胎、舵機(jī)裝置、馬達(dá)裝置、道路檢測裝置、測速裝置和控制電路板等。,第2章 智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—硬件,2.1 傳感器系統(tǒng),在工程上，系統(tǒng)中各種物理量都必須轉(zhuǎn)換成一定規(guī)格的信號（電信號或氣壓信號）才能被檢測、采集和顯示。所謂傳感器，即是將被測量按照一定的物理或化學(xué)原理轉(zhuǎn)換成某種

4、規(guī)定的輸出信號的裝置或器件。,2.1 傳感器系統(tǒng),圖2.1 傳感器組成方框圖,,圖2.1 傳感器組成方框圖,2.1 傳感器系統(tǒng),傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件能夠隨著被測量的變化而引起某種易被測量的信號的變化轉(zhuǎn)換元件則將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號由于轉(zhuǎn)換元件的輸出信號一般都很微弱，需要添加信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路、輔助電路等，將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號進(jìn)行放大或運(yùn)算調(diào)制。,智能汽車設(shè)計(jì)中涉及到的傳

5、感器主要有三種：光電式傳感器、圖像傳感器和測速傳感器。,2.1 傳感器系統(tǒng),光電式傳感器是利用光電器件把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)換成電信號的裝置 被測量——光量——電量 光電式傳感器的核心（敏感元件）是光電器件，光電器件的基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。,2.1.1 光電式傳感器,,,光電式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，可靠性較高，能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的非接觸測量。光電式傳感器由光路及電路兩大部分組成，光路部分實(shí)現(xiàn)被測量信號對光量的控制

6、和調(diào)制，電路部分完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。,2.1.1 光電式傳感器,,,2.1.1 光電式傳感器,,,圖2.2 光電式傳感器的基本組成,1．ST188,2.1.1 光電式傳感器,,,A-K為紅外發(fā)射管。C_E為紅外接收管。,當(dāng)沒有物體反射紅外線時，ce之間截止，無電流流過，輸出電壓為電源電壓，高電平。當(dāng)有物體反射紅外線時，be飽和導(dǎo)通ce也就導(dǎo)通了，輸出端就相當(dāng)于接地。輸出電壓為低電平。,ST188,根據(jù)光電特性，選取發(fā)

7、射管的靜態(tài)電流為20mA。典型的壓降為1.25v,如果供電電壓為5V，那么，此時在發(fā)射管上需要串聯(lián)電阻，電阻大小為R=（5-1.25）/0.02;即：R=187.5歐姆。取標(biāo)稱電阻，R=200,那么此時的電流小于20mA，但是不影響結(jié)果。 C_E端的電阻用來輸出高低電平，接一個2K的電阻?；瑒幼冏杵鳎娢黄鳎榱藴y試方便，調(diào)整閾值電壓,2.1.2 圖像傳感器（略）,圖像傳感器又稱為成像器件或攝像器件，可實(shí)現(xiàn)可見光、紫外線、X射線

8、、近紅外光等的探測，是現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎(chǔ)器件。實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴(kuò)展，能給出直觀、真實(shí)、多層次、多內(nèi)容的可視圖像信息。,1．CCD圖像傳感器的分類 CCD圖像傳感器從結(jié)構(gòu)上可以分為兩類：一類是用于獲取線圖像的，稱為線陣CCD；另一類是用于獲取面圖像的，稱為面陣CCD。,（1）線陣CCD圖像傳感器 對于線陣CCD，它可以直接接收一維光信息，而不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)換為一維的電信號輸出，為了得到整

9、個二維圖像的輸出，就必須用行掃描的方法來實(shí)現(xiàn)。,2.1.2 圖像傳感器,,,,（2）面陣CCD圖像傳感器 面陣CCD圖像傳感器的感光單元呈二維矩陣排列，能檢測二維平面圖像。,2.1.2 圖像傳感器,,,,在智能汽車設(shè)計(jì)中，測速傳感器的設(shè)計(jì)主要有兩種方案：霍爾傳感器和光電式脈沖編碼器。 1．霍爾傳感器 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理，將電流、磁場、位移、壓力、壓差轉(zhuǎn)速等被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。

10、,2.1.3 測速傳感器,,,,,,,圖2.7 三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器,2.1.3 測速傳感器,圖2.7 三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器,2.1.3 測速傳感器,2．光電式脈沖編碼器 光電式脈沖編碼器可將機(jī)械位移、轉(zhuǎn)角或速度變化轉(zhuǎn)換成電脈沖輸出，是精密數(shù)控采用的檢測傳感器。光電編碼器的最大特點(diǎn)是非接觸式，此外還具有精度高、響應(yīng)快、可靠性高等特點(diǎn)。 光電編碼器采用光電方法，將轉(zhuǎn)角和位移轉(zhuǎn)換為

11、各種代碼形式的數(shù)字脈沖，如圖2.8所示光電式脈沖編碼器，在發(fā)光元件和光電接收元件中間，有一個直接裝在旋轉(zhuǎn)軸上的具有相當(dāng)數(shù)量的透光扇形區(qū)的編碼盤，在光源經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光投在透光和不透光區(qū)的碼盤上時，轉(zhuǎn)動碼盤，在碼盤的另一側(cè)就形成光脈沖，脈沖光照射在光電元件上就產(chǎn)生與之對應(yīng)的電脈沖信號。,2.1.3 測速傳感器,圖2.8 光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu),2.1.3 測速傳感器,光電編碼器的精度和分辨率取決于光電碼盤的精度和分辨率，取

12、決于刻線數(shù)。目前，已能生產(chǎn)徑向線寬為6.7×10-8 rad的碼盤，其精度達(dá)1×10-8，比接觸式的碼盤編碼器的精度要高很多個數(shù)量級。如進(jìn)一步采用光學(xué)分解技術(shù)，可獲得更多位的光電編碼器。光電編碼器按其結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動方式可分為直線型的線性編碼器和轉(zhuǎn)角型的軸角編碼器兩種類型，按脈沖信號的性質(zhì)可分為有增量式和絕對式兩種類型。,2.1.3 測速傳感器,選用可以5V工作電壓的250線歐姆龍編碼器進(jìn)行速度的測量，保證測量的精度

13、。速度傳感器用螺釘通過支架固定在后輪支架上，這樣固定好之后，就有了較高的穩(wěn)定性。然后調(diào)節(jié)編碼器齒輪，使其與差速齒輪緊密咬合，增大測速的精確性，但是咬合過緊也增大了摩擦，減小了對電機(jī)做功的利用率，影響小車的快速行駛，因此減小摩擦同時增強(qiáng)齒輪間的咬合是我們主要考慮的因素。用齒輪潤滑油涂抹齒輪有不錯效果。,,2.2 電路設(shè)計(jì),在智能車設(shè)計(jì)中，電源關(guān)系到整個電路設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可靠性，是電路設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。 1．直

14、流穩(wěn)壓電源的基本原理 圖2.9 直流穩(wěn)壓電源電路,2.2.1 電源系統(tǒng),,,,,,,,,,,電源變壓器——將220 V的交流電壓變成低壓的交流電壓。整流電路——將交流電壓變換成脈動的直流電壓，通常由整流二極管構(gòu)成的整流橋堆來執(zhí)行。常見的整流二極管有1N4007和1N5148等，橋堆有RS210等。濾波電路——

15、將脈動直流中的紋波濾除獲得紋波小的直流穩(wěn)壓電路——將濾波電路輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，輸出較穩(wěn)定的電壓，譬如三端穩(wěn)壓器、串聯(lián)式穩(wěn)壓電路等。,2.2.1 電源系統(tǒng),,,,,,,,2.2.1 電源系統(tǒng),,2．三端固定式正壓穩(wěn)壓器7805,正輸入電壓加到MC7805的1，MC7805的3接地，其2端便能輸出芯片標(biāo)稱正電壓。芯片輸入端和輸出端與地之間除分別接大容量電容——濾波小容量（0.1～10μF）電容——減小高頻噪聲。,LM2940

16、,2.2.2 電機(jī)驅(qū)動電路,電機(jī)——提供驅(qū)動力,高速電機(jī),減速直流電機(jī),,智能車的速度較快——2 m/s以上，對電機(jī)驅(qū)動電流的要求較高，電機(jī)驅(qū)動電路必不可少。,2.2.2 電機(jī)驅(qū)動電路,,2.2.2 電機(jī)驅(qū)動電路,,,,,,,,功率管的選擇由電機(jī)的功率決定，其標(biāo)稱電流是電機(jī)正常工作時電流的3～5倍（電機(jī)啟動的時候存在較大的浪涌電流）PWM信號的占空比決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，故電機(jī)的調(diào)速可通過改變PWM信號的占空比實(shí)現(xiàn)。,常用驅(qū)動芯片,

17、注：L298N效率不高，最大承受電流2A（飛思卡爾電機(jī)可達(dá)4-5A），價(jià)格低。低速時可滿足要求推薦：MC33886：驅(qū)動能力強(qiáng)，有過流保護(hù)功能，狀態(tài)監(jiān)測功能，通過PWM調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。1)單獨(dú)使用一片33886：可能存在發(fā)熱嚴(yán)重的問題，不好加散熱片。2)采用兩片或者四片MC33886并聯(lián)：333886 + 場效應(yīng)管驅(qū)動采用MC33886或其他驅(qū)動芯片與場效應(yīng)管設(shè)計(jì)驅(qū)動。優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動電流理論上可達(dá)74A，解決了33886的散

18、熱問題，不用加散熱片缺點(diǎn)：電路復(fù)雜。7960，內(nèi)部為半橋，電路簡單方便，缺點(diǎn)：價(jià)格略高,所謂接口電路，就是要把傳感器與后續(xù)的有關(guān)電路聯(lián)系起來的電路。一般傳感器的輸出信號有三種形式：數(shù)字開關(guān)量、數(shù)字脈沖和模擬信號。（1）數(shù)字開關(guān)量信號與計(jì)算機(jī)連接時要采用消除抖動電路。（2）數(shù)字脈沖電路用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)算機(jī)要對計(jì)數(shù)器擁有清零的功能，以便計(jì)數(shù)器重新計(jì)數(shù)。,2.2.3 傳感器接口電路,,（3）模擬信號——A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)楹线m的

19、輸入電壓，必要時還要在A/D前面對信號進(jìn)行放大、分壓等，一般稱為信號的預(yù)處理。預(yù)處理后的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后和控制器直接連接，完成接口電路的設(shè)計(jì)。傳感器與預(yù)處理放大電路的接線要盡量短；傳感器信號接線要采用屏蔽線，外皮接地；放大電路的輸入和輸出之間盡量遠(yuǎn)；放大電路的增益不要太大，以免產(chǎn)生振蕩；放大電路要遠(yuǎn)離傳感器，以免產(chǎn)生電場和磁場的干擾等。,2.2.3 傳感器接口電路,,第3章 智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——軟件,第3章 智能

20、汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—軟件,硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂，軟件的核心是控制算法。編程語言——匯編語言和C語言。在硬件方面各參賽隊(duì)之間大同小異，真正體現(xiàn)各參賽隊(duì)智能車的優(yōu)勢和最后決定比賽成績好壞的往往是軟件部分，尤其是核心控制算法的設(shè)計(jì),第3章 智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—軟件,3.1 編程語言,匯編語言依賴于硬件平臺的語言，CPU不同，匯編指令不同。C語言：程序員盡量少地對硬件進(jìn)行操作，具有很強(qiáng)的功能性、結(jié)構(gòu)性和可移植性。實(shí)現(xiàn)匯編語言的大部分功能，

21、可以直接對硬件進(jìn)行操作，因此C語言既具有高級語言的功能，又具有匯編語言的功能，對于編寫與硬件相關(guān)的應(yīng)用程序而言具有明顯的優(yōu)勢。,3.1 編程語言簡介,多數(shù)場合，采用C語言編程即可完成預(yù)期的目的，但是對實(shí)時時鐘系統(tǒng)、要求執(zhí)行效率高的系統(tǒng)就不適合采用C語言編程，對這些特殊情況進(jìn)行編程時要結(jié)合匯編語言。例如對時鐘要求很嚴(yán)格時，只能使用匯編語言?；旌暇幊獭壳皢纹瑱C(jī)開發(fā)最流行的編程方法。,3.2 控制算法,什么是開環(huán)控制？什么是閉環(huán)控

22、制？——有無反饋,放大電路輸出量的一部分或全部通過一定的方式引回到輸入回路，影響輸入，稱為反饋。,,無反饋,有反饋,3.2.1 PID控制算法,圖3.1 常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖,3.2.1 PID控制算法,PID（Proportional Integral Differential）控制是比例、積分、微分控制的簡稱。在自動控制領(lǐng)域中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。PID控制器的原理是根據(jù)系統(tǒng)的被調(diào)量實(shí)測值與

23、設(shè)定值之間的偏差，利用偏差的比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)的不同組合計(jì)算出對廣義被控對象的控制量。圖3.1是常規(guī)PID控制系統(tǒng)的原理框圖。,其中虛線框內(nèi)的部分是PID控制器，其輸入為設(shè)定值 與被調(diào)量實(shí)測值 構(gòu)成的控制偏差信號 ： (3.1)

24、 其輸出為該偏差信號的比例、積分、微分的線性組合， 也即PID控制律： (3.2) 式中， 為比例系數(shù)

25、； 為積分時間常數(shù)； 為微分時間常數(shù)。,3.2.1 PID控制算法,3.2.1 PID控制算法,1．PID控制規(guī)律的特點(diǎn) （1）比例控制器 比例控制器對于偏差是及時反應(yīng)的，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用使被控量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp。,3.2.1 PID控制算法,比例控制器雖然簡單快速，加大比例系數(shù)Kp雖然可以減小靜態(tài)誤差，但當(dāng)Kp過大時，動態(tài)性能會變差，會引起被控量振蕩，甚

26、至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。,3.2.1 PID控制算法,（2）比例積分控制器 為了消除在比例控制中存在的靜差，可在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制作用，構(gòu)成比例積分PI控制器 加入積分環(huán)節(jié)將有助于消除系統(tǒng)的靜差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能,3.2.1 PID控制算法,顯然，如果積分時間太大，則積分作用減弱，反之則積分作用較強(qiáng)。增大，將使消除靜差的過程變得緩慢，但可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，提高穩(wěn)定性。如對于管道壓力、流量等

27、滯后不大的對象，可以選得小些，對溫度、成分等滯后比較大的對象，可以選得大些。（智能車，可不選積分）,3.2.1 PID控制算法,積分調(diào)節(jié)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度為了加快控制過程，按偏差變化的趨勢進(jìn)行控制，使偏差在萌芽狀態(tài)被抑制為了達(dá)到這一控制目的，可以在PI控制器的基礎(chǔ)上加入微分控制作用，即構(gòu)造比例積分微分控制器（PID控制器）。推薦PD控制?。?！,（3）比例積分微分控制器,3.2.3 其它智能控制算法,,簡單的算法只要參數(shù)調(diào)整得

28、好，效果會相當(dāng)不錯；相反，復(fù)雜的算法，其設(shè)計(jì)和參數(shù)整定則相對復(fù)雜，效果不一定比簡單算法好。在智能車控制系統(tǒng)中，控制算法最普遍的就是上面講到的PID和模糊控制算法。,銘記：,第3章 智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),4.1 計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)(略),4.1.1 機(jī)械設(shè)計(jì)原理,歷屆全國智能汽車競賽中表明：要取得較好的成績，智能車底盤的優(yōu)化和硬件設(shè)備的可靠性所占的比重要大于軟件程序及其控制策略所占的比重。AutoCAD是機(jī)

29、械設(shè)計(jì)中常用的軟件之一，它是一種可自定義、可擴(kuò)展的CAD軟件，具有二維繪圖、設(shè)計(jì)文檔和簡單的三維設(shè)計(jì)等功能。,4.2 計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì),4.2.1 EDA技術(shù)（略）,1．EDA技術(shù)的內(nèi)涵EDA（Electronics Design Automation）即電子設(shè)計(jì)自動化?，F(xiàn)在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)依靠手工設(shè)計(jì)已經(jīng)無法滿足大規(guī)模電路設(shè)計(jì)的要求，因此在電路設(shè)計(jì)工作中需要采用EDA技術(shù)。利用EDA設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)者可完成對電路的性能分析、時序

30、測試，減少設(shè)計(jì)的盲目性，極大地提高設(shè)計(jì)的效率。,4.2.2 Protel(推薦),Protel 99SE是澳大利亞Protel Technology公司推出的一個全32位的電路板設(shè)計(jì)軟件,Altium Designer(推薦),原Protel軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng),第5章 智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—微控制器,第5章 智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—微控制器,5.1 單片機(jī)簡介,隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的

31、CPU、RAM、ROM、定時/數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計(jì)算機(jī),5.2 單片機(jī)系統(tǒng),5.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng),所謂單片機(jī)最小系統(tǒng)，是指在單片機(jī)外部增加盡可能少的元件電路，組成一個讓單片機(jī)可獨(dú)立工作的系統(tǒng),5.3 Freescale HCS12單片機(jī)（略）,16位CPU的控制器工作電壓為5V，時鐘頻率最高為25MHz2個8通道A/D轉(zhuǎn)換器，8位/10位精度可選擇8個PWM通道推薦：MC9S1

32、2XS128！?。。?！,5.3.1 MC9S12XS128最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)（推薦）,該最小系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：時鐘電路、串口電路、BDM接口、供電電路、復(fù)位電路和調(diào)試用LED燈。各個部分的功能分別如下：（1）時鐘電路為單片機(jī)提供一個外接的16 Hz的石英晶振。（2）串口的RS-232驅(qū)動電路可實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232之間的轉(zhuǎn)換。（3）BDM接口允許用戶通過該接口向單片機(jī)下載和調(diào)試程序。（4）供電電路主要是給單片機(jī)提供+5

33、V的電源。（5）復(fù)位電路是通過一個復(fù)位芯片給單片機(jī)一個復(fù)位信號。（6）調(diào)試用LED燈和單片機(jī)的PORTB口相連，供程序調(diào)試使用。,5.3.2 MC9S12DG128最小系統(tǒng)設(shè)計(jì),1．時鐘電路時鐘電路——系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵之一。時鐘不穩(wěn)定——導(dǎo)致隱患，很難被發(fā)現(xiàn)。建議首先使用有源振蕩器作為外部時鐘，并且振蕩器的頻率不必太高。,,5.3.2 MC9S12DG128最小系統(tǒng)設(shè)計(jì),2．串行口的RS-232驅(qū)動電路通過串口驅(qū)動電路中的

34、RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片，單片機(jī)可以利用異步通信協(xié)議與PC機(jī)通信。RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片可以實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換，然后再通過9芯串行口與PC進(jìn)行串口通信。3．電源電路HCS12單片機(jī)的芯片內(nèi)部使用3 V電壓，而I/O端口和外部供電電壓為5 V。通常需要采用濾波電路改善系統(tǒng)的電磁兼容性，降低系統(tǒng)對電源的高頻干擾。,,4．復(fù)位電路復(fù)位電路的作用是產(chǎn)生一個低電壓信號給MC9S12DG128的RESET端，使系統(tǒng)上

35、電啟動。在最小系統(tǒng)中，通常使用低電壓復(fù)位芯片MC34064，也可以只用一只0.1 ?F的電容替代，通常添加一個手動復(fù)位按鈕，以方便調(diào)試時使用。,5.3.2 MC9S12DG128最小系統(tǒng)設(shè)計(jì),5．BDM接口BDM接口是連接BDM調(diào)試工具的，其中BDMIN接口是接BDM調(diào)試工具，向MC9S12單片機(jī)下載程序用的。若下載相應(yīng)的BDM調(diào)試工具軟件到目標(biāo)板后，這塊目標(biāo)板就具有了BDM調(diào)試器功能。BDMOUT接口是當(dāng)開發(fā)上的應(yīng)用程序?yàn)锽DM調(diào)試

36、器程序時，此接口可以用做BDM調(diào)試器的輸出口。如果不打算將這塊目標(biāo)板用做BDM調(diào)試器，可以不引出BDMOUT接口，從而有更多的I/O口可供用戶的應(yīng)用程序使用。,5.3.2 MC9S12DG128最小系統(tǒng)設(shè)計(jì),注：對于定義為輸出口的單片機(jī)引腳，可輸出邏輯1或邏輯0，在5 V供電的情況下，邏輯1不低于4.2 V，邏輯0不高于0.8 V。,第6章 智能汽車設(shè)計(jì)實(shí)踐——光電組設(shè)計(jì),6.1 機(jī)械設(shè)計(jì),6.1.1 光電管傳感器的布局

37、6.1.2 舵機(jī)的安裝 6.1.3 測速傳感器的安裝,6.1.1 光電管傳感器的布局,1．傳感器的布局間隔 2．傳感器的徑向探出距離,傳感器的布局間隔,傳感器的布局間隔是否合適，對過彎的精確性以及防止飛車有很大的影響。 設(shè)定傳感器間隔的原則是：既要滿足一定的密度以保證走彎道時軌跡相對精確，又要盡可能擁有大的橫向控制范圍來防止飛車。若傳感器間隔設(shè)置合適，當(dāng)賽道有一點(diǎn)微小的變化時，小車的控制單元就能進(jìn)行相應(yīng)的

38、反應(yīng)（改變前輪轉(zhuǎn)角），從而使得過彎道的軌跡與彎道大體重合，精確性好。,（1）“一”字形布局 : “一”字形布局是傳感器最常用的布局形式，即各個傳感器在一條直線上，從而保證縱向的一致性，使其控制策略主要集中在橫向上，其排布如圖6.1所示。,傳感器的徑向探出距離,,圖6.1 “一”字形布局,（2）“八”字形布局: “八”字形布局從橫向來看與“一”字形布局類似，但它增加了縱向的特性，從而具有了一定的前瞻性，其排布如圖6.2所示。,傳感器的徑

39、向探出距離,,圖6.2 “八”字形布局,（3）“W”字形布局: 為了能夠提早地預(yù)測到彎道的出現(xiàn)，我們還可以將左右兩端的傳感器進(jìn)行適當(dāng)前置，從而形成“W”形布局，此外，還可利用“W”形布局來檢測賽道的彎曲程度。,傳感器的徑向探出距離,,圖6.3 “W”字形布局,6.1.2 舵機(jī)的安裝,在智能車上，舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角通過連桿傳動控制前輪轉(zhuǎn)向。舵機(jī)是系統(tǒng)中一個具有較大時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。其時間延遲正比于轉(zhuǎn)過的角度，反比于舵機(jī)的響應(yīng)速度。

40、對于快速性要求極高的智能小車來說，舵機(jī)的響應(yīng)速度是影響其過彎最高速度的一個重要因素，特別是對于前瞻不夠遠(yuǎn)的智能小車更是如此。,提高舵機(jī)控制前輪轉(zhuǎn)向速度的一種方法是采用杠桿原理，在舵機(jī)的輸出舵盤上安裝一個較長的輸出臂,6.1.2 舵機(jī)的安裝,,為了減輕智能車的質(zhì)量，測速時應(yīng)盡量選用質(zhì)量輕精度高的傳感器，為了不影響加速性能，編碼器的傳動齒輪較小，基本上和電機(jī)的齒輪相同。,6.1.3 測速傳感器的安裝,,6.2 硬件設(shè)計(jì),6.

41、2.1 HCS12控制核心 6.2.2 電源管理單元 6.2.3 路徑識別單元 6.2.4 車速檢測模塊 6.2.5 舵機(jī)控制單元 6.2.6 直流驅(qū)動電機(jī)控制單元,6.2 硬件設(shè)計(jì),,6.2.1 HCS12控制核心,PH口與PA口用于小車光電發(fā)光管發(fā)光控制；PT0用于車速檢測的輸入口； PB口用于顯示小車的各種性能參數(shù)； PWM0（PP0引腳）與PWM1（PP1引腳）合并用于伺服舵機(jī)的PW

42、M控制信號輸出； PWM2（PP2引腳）與PWM3（PP3引腳）合并用于驅(qū)動電機(jī)的PWM控制信號輸出（電機(jī)正轉(zhuǎn)）； PWM4（PP4引腳）與PWM5（PP5引腳）合并用于驅(qū)動電機(jī)的PWM控制信號輸出（電機(jī)反轉(zhuǎn)）。 在連續(xù)路徑識別算法中，PAD口用于傳感區(qū)光電接收管電壓信號的輸入口。,6.2.2 電源管理單元,電源管理單元是智能車硬件設(shè)計(jì)中的一個重要組成部分，它的作用是對組委會提供的7.2 V 1800 mA Ni-cd蓄電池進(jìn)

43、行電壓調(diào)節(jié)。按照系統(tǒng)各部分正常工作的需要，各模塊電壓值分為5 V, 6.5 V和7.2 V三個擋。,6.2.2 電源管理單元,電源管理單元主要用于以下三個方面：（1）采用穩(wěn)壓管芯片L7805CV將電源電壓穩(wěn)壓到5 V后，給單片機(jī)系統(tǒng)電路、路徑識別的光電傳感器電路、車速檢測的轉(zhuǎn)角編碼器電路和驅(qū)動芯片MC33886電路供電；（2）經(jīng)過一個二極管降至6.5 V左右后供給轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)；（3）直接供給直流驅(qū)動電機(jī)。,同時考慮到穩(wěn)壓芯片L

44、7805CV的額定輸出電流較小，故采用兩片L7805CV分別對單片機(jī)電路、車速檢測電路、驅(qū)動芯片電路和光電傳感器電路供電，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。其穩(wěn)壓電路如圖6.8所示。,6.2.2 電源管理單元,,6.2.3 路徑識別單元,紅外發(fā)射接收管一般安放在模型車前端，可以安裝成一排，也可以前后安裝兩排，傳感器的總數(shù)量受到比賽規(guī)則的限制。,紅外接收管接收道路反射的紅外光后產(chǎn)生電壓的變化，它可以反映出賽道中心線的位置。這個電壓信號可以通過外

45、部的電壓比較器變成高、低電平由單片機(jī)的I/O端口讀取，也可以通過單片機(jī)A/D端口直接讀取。,6.2.3 路徑識別單元,,,I/O端口讀取電路,A/D端口讀取電路,6.2.3 路徑識別單元,兩個光電管方案中常見的問題 1．相鄰光電管之間的干擾 2．光電管發(fā)射功率的影響,相鄰光電管之間的干擾,由于紅外發(fā)射管是基于漫反射原理的，其發(fā)射的紅外光可能影響到安裝在附近的紅外接收管。消除這種干擾可以采取以下幾種措施： （1）選擇發(fā)射

46、與接收方向性好的紅外傳感器。（2）選擇發(fā)射與接收一體化的紅外傳感器，它的外殼可以抑制相鄰干擾。 （3）在紅外接收管上安裝黑色套管，使其只接收前方一定角度內(nèi)的紅外光線，這種減小互擾動的措施效果較好。 （4）使相鄰的紅外發(fā)射/接收管交替工作（即“點(diǎn)火”）。這種方法不僅減小了相鄰紅外傳感器之間的干擾，同時也降低了整體傳感器的功耗。,光電管發(fā)射功率的影響,為了增加前瞻距離，需要加大光電管紅外發(fā)射功率，使得返回的紅外線的強(qiáng)度提高，這樣不僅使

47、得電池電能的消耗量增加，同時也會縮短紅外發(fā)射管的壽命。,6.2.4 車速檢測模塊,為了使得模型車能夠平穩(wěn)地沿著賽道運(yùn)行，除了控制前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)以外，還需要控制車速。通過對速度的檢測，可以對車模速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制。,轉(zhuǎn)角編碼盤,增量式轉(zhuǎn)角編碼盤,舵機(jī)控制單元采用組委會提供的Futaba公司S3010型舵機(jī)作為智能車方向控制部件。,6.2.5 舵機(jī)控制單元,圖6.14 轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)實(shí)物圖,采用MC33886的全橋驅(qū)動時，為了提供更

48、大的驅(qū)動電流，可以將多片MC33886并聯(lián)使用，其采用3片MC33886并聯(lián)方式驅(qū)動電機(jī)硬件電路。,MC33886全橋驅(qū)動電路,,電機(jī)驅(qū)動硬件電路圖,6.3 軟件設(shè)計(jì),6.3.1 初始化算法 6.3.2 路徑離散識別算法 6.3.3 路徑連續(xù)識別算法 6.3.4 控制策略及控制算法,6.3 軟件設(shè)計(jì),在智能車控制系統(tǒng)光電管方案的軟件設(shè)計(jì)中，程序的主流程是：先完成單片機(jī)初始化（包括I/O模塊、PWM

49、模塊、計(jì)時器模塊、定時中斷模塊初始化）之后，通過無限循環(huán)語句不斷地重復(fù)執(zhí)行路徑檢測程序、數(shù)據(jù)處理程序、控制算法程序、舵機(jī)輸出及驅(qū)動電機(jī)輸出程序。其中，定時中斷用于檢測小車當(dāng)前速度，作為小車速度閉環(huán)控制的反饋信號。,6.3 軟件設(shè)計(jì),6.3.1 初始化算法,1．鎖相環(huán)初始化 2．A/D初始化 3．PWM初始化 4．定時器初始化,6.3.4 控制策略及控制算法,1．轉(zhuǎn)角的控制 2．車速的控制 3．路徑記憶算

50、法,6.3.4 控制策略及控制算法,直道——最快的速度。在進(jìn)入彎道的過程中盡快減速，且轉(zhuǎn)向要適合彎道的曲率，確保小車平滑地轉(zhuǎn)彎，并在彎道中保持恒速。從彎道進(jìn)入直道時，小車的舵機(jī)要轉(zhuǎn)至中間，速度應(yīng)該立即得到提升，直至以最大的速度行進(jìn)。為實(shí)現(xiàn)上述控制思想，可以采用不同的控制方法來控制小車的轉(zhuǎn)角和速度。,轉(zhuǎn)角的控制,調(diào)整舵機(jī)的原則是：小車處于直道時，擺正舵機(jī)。小車處于彎道的曲率越大，則舵機(jī)轉(zhuǎn)角越大。除此之外，小車還會遇到黑色交

51、叉線的特殊情況，對此，本系統(tǒng)將保持小車原有的方向與速度，使小車不受交叉線的干擾。如果小車轉(zhuǎn)過的彎過大，則可能使前排光電管全部偏離黑色軌跡，從而沒有一個光電管檢測到黑線，故應(yīng)使舵機(jī)保持原角度，讓小車急轉(zhuǎn)駛回正道。同時，將速度適當(dāng)降低，防止小車沖出軌跡。,起始線在兩條黑線之間有大約2 cm的白色區(qū)域，可以通過識別這個特征信息，來區(qū)別起始線和十字交叉線。我們采用一排為五個的紅外光電管，中間三個之間的距離為2 cm，旁邊兩個的距離為5 cm，

52、如圖6.19所示。,起跑線的檢測,,,起始線尺寸圖,光電管排列圖,第7章 智能汽車設(shè)計(jì)實(shí)踐——系統(tǒng)調(diào)試,8.1 電子設(shè)計(jì)調(diào)試的基本知識,1．調(diào)試的常用方法 2．調(diào)試的基本思路,電源調(diào)試——單板調(diào)試——聯(lián)調(diào),1．調(diào)試的常用方法,（1）電路檢查法 （2）電壓測量法 （3）電流測量法 （4）電阻測量法 （5）信號注入法 （6）其他方法,（6）其他方法,“看”：看元件有無明顯的機(jī)械損壞，如破裂、燒黑、變形等；“聽”：聽工

53、作聲音是否正常，是否存在異響。 “聞”：檢查是否有異味，如是否存在燒焦的氣味、電容電解液的味道等。 “摸”：用手試探器件的溫度是否正常，如器件太熱或太涼。一些功率器件，工作起來會發(fā)熱，若手摸上去為涼的感覺，基本可以判定該器件沒有工作。,2．調(diào)試的基本思路,調(diào)制的基本思路為“排除法”。一個故障的出現(xiàn)，可能涉及許多因素，在檢測時，應(yīng)采取排除法，逐一排除引發(fā)故障的各種可能因素，最后查出故障的所在。,智能車調(diào)試中的注意事項(xiàng),在智能車的調(diào)試

54、過程中，還常常需要考慮如下幾點(diǎn)特殊的注意事項(xiàng)： （1）外界環(huán)境的影響 （2）智能車質(zhì)量 （3）智能車部件發(fā)熱 （4）車輪,第8章 其他因素分析與探討,（1）動力作用 （2）誘導(dǎo)作用 （3）激發(fā)作用,1．端正競賽動機(jī)，減輕心理負(fù)擔(dān) 2．重視直覺和靈感等非理性因素在思維創(chuàng)新中的作用 3．培養(yǎng)隊(duì)員良好的心態(tài)，正確認(rèn)識自我 4．重視隊(duì)伍的團(tuán)隊(duì)合作的建設(shè) 5．理論與實(shí)踐相結(jié)合 6．提高選手的靈活應(yīng)變能力,第9章 答疑,1

55、競賽時間：目前12月中旬，是否能跑完測試賽道，并在賽前完成交車，視為初賽2 發(fā)票報(bào)銷額度：每組200，要機(jī)打發(fā)票，發(fā)票抬頭：安徽新華學(xué)院，要明細(xì)3 為什么一定要3人一組：團(tuán)隊(duì)分工至關(guān)重要4 如何看到指導(dǎo)老師的作用：老師有專長，理論高度5 時間怎么擠？6 除了最小系統(tǒng)板，其他電路均要求焊接,參考書,[1] 邵貝貝，單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法[M].北京：清華大學(xué)出版社[2] 卓晴，黃開勝，邵貝貝等 學(xué)做智能車—挑戰(zhàn)“飛思卡