湖北汽车工业学院科技学院-独眼龙30技术报告.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流湖北汽车工业学院科技学院-独眼龙30技术报告.精品文档.第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技 术 报 告学 校：湖北汽车工业学院科技学院队伍名称：独眼龙3.0参赛队员：赵汉钰张俊哲牛海龙带队教师：白帆 吴振浩关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。参赛队员签

2、名：赵汉钰、牛海龙、张俊哲带队教师签名：白帆、吴振浩日 期：2011年8月10日 目 录第一章 引 言1第二章 总体方案分析和设计22.1 总体设计方案2第三章 模型车整车结构设计与调校53.1 车体的整体参数53.2 主电路板安装63.3 转向舵机机械结构的设计与安装63.4 其他机械模块调整7第四章 系统电路设计84.1 MC9S12XS128单片机功能概述84.2 MC9S12XS128控制器最小系统接口电路104.2.1 时钟电路设计104.2.2 XS12单片机系统滤波电路设计114.2.3 单片机电源电路设计124.2.4 片机复位电路的设计144.2.5 BDM 接口电路设计16

3、4.2.6 RS232串行通讯电路设计174.2.7 XS12单片机的运行模式184.3 电源模块194.4 CCD路径识别传感器电路设计214.4.1 CCD传感器的工作原理及特性214.4.2 CCD路径识别传感器电路224.5 车速传感器电路244.6 电机驱动电路244.7 四位七段数码管接口电路26第五章 软件设计275.1 软件设计总体流程275.2 系统初始化设置285.3 路径识别传感器信号采集处理285.4 转向控制策略295.5 车速控制策略295.5.1 模拟PID控制原理305.5.2 增量式PID控制原理31第六章 开发与调试336.1 软件开发平台CodeWarri

4、or IDE336.2 在线编程软件设计与应用346.3 串口调试软件应用346.4 PID参数调节界面356.5 测试赛道366.6 数据分析36第七章 结论37参考文献38附录：程序源代码39第一章 引 言本设计通过对国内外各种自动循迹智能小车的控制方案进行比较和分析之后，自主设计了控制方案，完成了系统设计。我们首先学习并掌握MC9S12DP256单片机的工作原理和实际应用，同时制作智能车的硬件设计，如传感器设计布局和支架设计、转速传感器设计、转向舵机设计等；制作智能车的电路设计，如电源模块设计、电机驱动设计、传感器电路设计、转速传感器电路设计等；紧接着对小车各模块编译程序并调试，整合后实

5、现智能车沿黑色引导线稳定行驶；然后通过大量的测试，分析小车在测试跑道上的运行姿态，完成各种任务算法的软件调试，并不断的优化、改进硬件部分，使小车保持良好的状态。在参阅大量的文献，涉猎控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，我们小组最终完成了参赛小车的设计。这份报告中，我们通过对整体方案、电路、算法、调试、车辆参数的介绍，详尽地阐述了我们的思想和创意，具体表现在电路的创新设计，以及算法方面的独特想法。本文主要对以下几个方面做研究：首先，介绍了研究背景、比赛规则和设计构思。阐述了控制系统的资源配置、资源需求与分配和核心处理器的寄存器，MC9S12单片机寄存器资源。相比于其

6、它类型的单片机，16位的MC9S12的功能更加强大，功能引脚较多，能够很好地满足智能车控制系统的需要。其次，设计了智能车控制系统的硬件电路，包括各个模块的电路设计方案以及相关电路。采用的方案以MC9S12单片机为核心，包括总体控制系统的设计，各部件需要的供电电源设计，传感器电路设计，速度检测电路的设计等。然后，进行了软件和算法的设计。根据传感器采集的道路信息，经处理分析之后，控制转角和速度。实现智能汽车快速的完成赛道。最后，阐述了赛车机械结构调整，主要是调节车的重心、前轮、后轮、舵机，使智能车在高速行走时，更加稳定。第二章 总体方案分析和设计2.1 总体设计方案根据大赛要求，系统采用Frees

7、cale 16位微控制器MC9S12DP256作为核心控制单元，为便于安装、调整，并减轻整车质量，我们重新设计了系统主板电路。路径模块设计采用CCD传感器，用于路径识别、起跑线识别和车速变换策略。车速控制采用PID调速控制反馈信号，由安装在电机输出轴的车速传感器提供。小车整体布局如图2.1所示。小车控制系统主要由以下各功能模块组成如图2.2所示。图2.1 小车整体布局小车控制系统主要由以下各功能模块组成如图2.2所示。电池(7.2V)线性稳压器(7.2V-5V)驱动电机单片机外围电路MC9S12DP256CCD传感器信号调理电路车速传感器传感器调理信号转向舵机控制模块驱动电机控制模块转向舵机D

8、C-DC(7.2V-6V)SCI接口(接上位机PC)DC-DC(12V)图2.2 系统总体结构框架图 电源转换及控制模块：由电源7.2V向单片机系统、路径传感器、转速传感器、电机驱动、转向舵机提供电源转换 单片机最小应用系统及外围电路：定义各管脚应用 CCD传感器及信号调理电路：作为路径识别 车速传感器及信号调理电路：提供转速反馈信号 电机闭环调速控制模块：使小车能流畅的行驶 转向舵机控制模块：能够根据路径信号准确转向 SCI接口的上位PC机监控系统及基于Labview 的相关应用软件：完成对程序的调试 LED数码管显示模块：提供了人机交换界面 基于MATLAB的分析调试软件：分析速度的调节规

9、律2.2、方案论证2.2.1 路径识别传感器设计方案路径识别是智能汽车系统设计的关键部分，智能车的路径识别传感器相当于人的眼睛，其性能的好坏直接影响整个系统的优劣。大赛提供的跑道是采用白色背景并有黑色线作为引导线的模式，我们队参加的是摄像头赛题组，采用CCD传感器作为信息采集元件。CCD 图像传感器有线阵式和面阵式两种。线阵 CCD 图像传感器水平分辨率很高，但仍然属于一维的图像传感器，仅在分辨率上优越与红外光电传感器；而采用面阵 CCD 图像传感器作为路径检测工具，所能探测的赛道信息远多于“线阵型检测阵列”探测到的，而且也有足够远的探测距离以方便对前方路况进行预判。另一方面，采用该方案寻线精

10、度高，容易控制小车实现在“蛇形”路况不转弯，进弯道前提前减速，直道减少来回摆动等功能。但该方案也存在算法复杂，图像处理难度大，采样速度等难点。我们认为这些难点是可以努力去解决的。选择基于面阵 CCD 图像传感器的智能控制作为本次设计的基本控制方案, 它能够有效利用 S12 单片机内部硬件资源。2.2.2 速度调节传感器设计在小车的运行中，直道行走的时候，可以以最高速度行驶；在弯道出直道时，速度需要在很短的时间内加到最高速；当智能车直道入弯的时候，速度也必须从当前的速度减到安全速度；当智能车在弯道时，小车必须以安全行驶，以保证其能够安全通过弯道。因此，速度的控制是系统软件的核心操作，对小车的行驶

11、性能有着决定性的作用。对驱动电机的控制，要达到的目的就是：在行驶过程中，小车要有最有效的加速和减速机制。高效的加速算法使小车能在直到上高速行驶，而快速减速则保证了小车运行的稳定，流畅。利用速度传感器，在时时对速度进行监控的同时，我们还可以引入了闭环控制PID的思想。PID控制在占空比控制的基础上加入了积分和微分控制，可以提高电机的反应时间，调节适当的参数。不过P、I、D三个参数的设定较难，需要不断进行调试，凭经验来设定。第三章 模型车整车结构设计与调校3.1 车体的整体参数我们用的是大赛指定的模型车，如图3.1所示，小车整体机构包括车模的底盘部分及转向和驱动部分。控制采用前轮转向，后轮驱动方案

12、。具体车模数据如下：表3-1 车模基本尺寸参数基本参数尺寸（cm）轴距198前轮距122后轮距138车轮直径52车长286车宽163传动比18/76图3.1 模型车全貌3.2 主电路板安装为保证整车的紧凑性和整体质量的集中，在设计电路板时将其形状设计成与底盘相同，如图3.2所示，利用底盘上原有的定位孔将其平铺在底盘上，另外利用四个定位孔，用铜螺柱将底盘和主板间隔一定的距离，这样做也是为了主板的拆装的方便快捷，也有利于主板的维修。图3.2 主电路板的外观和安装3.3 转向舵机机械结构的设计与安装舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统，大赛规定使用的是型号：S3

13、010。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。舵机转向是整个控制系统中延迟较大的一个环节，为了减小此时间常数，通过改变舵机的安装位置，而并非改变舵机本身结构的方法可以提高舵机的响应速度。分析舵机控制转向轮转向的原理，可以发现在相同的舵机转向条件下

14、，转向连杆在舵机的一端的连接点离舵机轴心距离越远，转向轮转向变化越快。这相当于增大力臂长度，提高线速度。针对上述特性，改变了原有的舵机的安装方法，对舵机如图3.3所示的安装。这样安装的优点是：改变了舵机的力臂，使转向更灵敏；舵机安装在正中央，使舵机左右转向时受力比较均匀，使舵机能灵活的转向。图3.3 舵机的安装3.4 其他机械模块调整在调制过程中，除去对以上部分的调整之外，其他机械部分也要酌情调整。悬挂臂、转向连杆的动作要灵活自如，准确无误；主悬架要松紧适度；驱动电机的螺丝一定要上紧，并要经常检查，一旦在行驶中松动就会造成零件的损坏。调试中还发现主悬架的第二个螺丝容易松动，测试时要检查是否上紧

15、。第四章 系统电路设计4.1 MC9S12XS128单片机功能概述MC9S12XS128是飞思卡尔半导体公司HCS12的增强型产品，基于S12 CPU内核，可达到25MHz的HCS12的25倍性能。它隶属于飞思卡尔单片机的S12X 系列，增加了172条额外指令，可执行32位计算（共有280条指令），总线频率最高可达40MHz，并且具备完全的CAN功能，改进了中断处理能力。S12X系列的CPU以复杂指令集CISC架构，集成了中断控制器，有丰富的寻址方式。中断有7个优先级并且内核支持优先级的调度，最多可有117个中断源，S12X最多可访问8MB的全部存储空间（包括片内和片外资源）。如图4.1所示，

16、系统的引脚图:图4.1 系统的引脚图如图4.2所示，系统结构图:如图4.2 系统结构图4.2 MC9S12DP256控制器最小系统接口电路4.2.1 时钟电路设计时钟电路在单片机系统硬件设计中往往是一个关键的部分，因为晶振体的工作频率很高，设计不当很有可能使其工作时的产生的高频信号对其他电路造成干扰，尤其是对模拟部分如AD转换输入信号的干扰；或者甚至晶振体不工作，导致整个单片机系统无法运行。MC9S12X系列单片机的时钟输入接口在其46引脚（EXTAL）和47引脚（XTAL）上(112 引角封装)，通常是接一个16M 的晶振体。外部振荡器的连接分为串联型和使用外部有源振荡器2种方式。后者稳定性

17、比较高。MC9S12系列单片机专门设计了外部振荡器的连接设置引角PE7(36 号)，要求我们在使用串联型电路时将该引角置高，在使外部有源振荡器电路时将该引角置低。如图4.3所示，2种电路的连接方案和相应的引角配置。图4.3 PE7 引角配置我们采用第一种连接方式，也就是并联连接方式。其中的电容C1,C2 称为负载电容,为的是削减谐波对电路的稳定性的影响,也就是滤波；Cdc可以不接，C1,C2 为22pF.此外设计时钟电路时还应注意以下几点：1.晶振体和单片机引角之间的连线尽量要短，这样可以保证其工作的稳定性和避免晶振体的高频信号过多的干扰周围线路。2.晶振体的下方和周围尽量不要走线，尤其是对信

18、号质量要求高的器件的线路。3.晶振体的周围和下面尽量用地线包围和覆盖，将晶振体的噪声阻挡起来，也防止其他干扰信号进来。4.2.2 S12X单片机系统滤波电路设计滤波电路常用于滤去电压中的纹波，保证系统供电的稳定性。它一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。S12X 系列单片机内部带有电压调整器,它主要负责为单片机的内部提供不同的电压，其中为锁相环电路提供的电压为2.5V，因此其电源端VDDPLL(43 引脚)与XFC(44 引角)需要外部连接滤波电路才能保证其正常运行。同样FREESCALE 也要求我们为S12 单片机

19、的VDD1(13 引角)VDD2(65 引角)外接滤波电容。当然单片机的其他的各个外接电源端也一定要有滤波电路。如图4.4所示，锁相环的滤波电路设计例图：图4.4 锁相环的滤波电路下图为VDD1(13 引角)，VDD2(65 引角)的滤波电路设计例图：图4.5 滤波电路同样，各滤波电路要尽量靠近MCU 的对应引角，这样才能真正为该部件提供滤波功能。4.2.3 单片机电源电路设计MC9S12 系列单片机的外部供电电压为5V，分别为单片机的内部电压调整器，IO 端驱动器，AD 转换器提供电源，详细情况如下:使用5v 供电的端口有：VDDR(41 引脚) 接+5V VSSR(40 引脚) 接地 内部

20、电压调整器供电端VDDX(107 引脚) 接+5V VSSX (106 引脚) 接地 IO 驱动供电端VDDA(83 引脚) 接+5V VSSA(86 引脚) 接地 AD 转换器供电端使用2，5v 供电的端口有(内部电压调整器开启时不必进行外部供电)：VDDPLL(43 引脚) 接+2.5V VSSPLL(45 引脚) 接地 锁相环供电端VDD1(13 引脚) 接+2.5V VSS1(14 引脚) 接地 内部电源供电端1VDD2(65 引脚) 接+2.5V VSS2(66 引脚 ) 接地 内部电源供电端2此外还有：VRH (84 引脚) VRL (85 引脚) AD 转换器参考电压（不得大于5

21、V）VREGEN(97 引脚) 电压调整器使能端 (上拉3.3K 电阻或直接连接可开启内部电压调整器)需要说明的是当VREGEN(97 引脚)接地时，单片机的内部电压调整器关闭，我们需要外部对VDDPLL(43 引脚) ，VDD1(13 引脚) ，VDD2(65 引脚)提供稳定的2.5V 电源，当VREGEN(97 引脚) 接高电平时，单片机的内部电压调整器开启，我们不必对单片机进行外部供电，推荐使用内部的电压调整器。在设计供电走线时，为了确保它们各自的稳定性，并避免之间产生相互干扰，我们要分开为他们供电和滤波，并相对分割。如图3.6是飞思卡尔推荐的设计方法，我们可以明显看到接地敷铜的分割线将

22、各供电模块相对隔离：图4.6 飞思卡尔推荐的供电和滤波方案为了滤除更多的杂波，我们可以对上图做一些小的改进，即在VDD1与VSS1,VDD2 与VSS2 分别接两个滤波电容，容量分别为0.1uF 和0.01uF。同时，我们在设计VDDR(41 引脚)和 VSSR(40 引脚)内部电压调整器供电端，VDDX(107 引脚)和VSSX (106 引脚) IO 驱动供电端，VDDA(83 引脚) 和VSSA(86 引脚)AD 转换器供电端的供电电路时，由于它们有较大的电量吞吐量，尤其是IO 驱动供电端工作时往往需要很大的吞吐电流，所以我们在连接去藕电容的同时，再并联上一个大容量的电容，用来保证供电端

23、电流的平稳，它的大小通常为10uF。同样，这些电容也一定要尽量靠近MCU 的对应引角处。为了充分提高供电电路的电磁兼容性，去除高频噪声，我们还可在各供电电路中串接一磁性元件，它通常为电阻甚小的电感。具体设计方案如图3.7所示：如图4.7 去除高频噪音方案接着我们为单片机系统设计一个总电源电路，如图3.8所示。图4.8 单片机系统总电源图中除了加入了扼流电感，滤波电容以外还串接了可恢复熔断器F1 和并接了稳压二极管D，这样就可以为单片机提供安全，稳定和纯净的电源了。最后我们接一个发光二极管来指示单片机的工作状态。4.2.4 片机复位电路的设计单片机需要在上电之后给其一个复位信号才能正常工作，我们

24、在开发和调试单片机系统时也往往要对它进行手动复位，而且当单片机系统供电电压过低时，程序的运行会出现非正常的情况，要求我们在低压时也必须对单片机系统进行复位，这样我们必须为它设计一个复位电路。S12 单片机的RESET(42 引角)为低有效，也就是说平时要求为上拉高电平，在需要复位时，需要给其一定时间的低电平。首先介绍第一种复位电路的设计，如图3.9所示。图4.9 复位电路设计1图4.9的复位电路使用了飞思卡尔的专用复位芯片MC34064，它可以在低压情况下产生一个复位信号，也可在手动按键SW 的触发下产生可靠的复位信号，这对于MCU 的稳定复位是非常有利的。由于复位按键动作时，如果电路等效电感

25、存在会在复位脚上产生负的感应电势所以我们给复位按键串接电阻以及在R2 反向并联一个二极管来保护MCU。第二种复位电路为第一种的简化如图4.10所示。图4.10 复位电路设计2图4.10的复位电路不具备低压复位保护功能并且使用电容的充电模仿复位芯片的复位信号。因为在复位按键松开，系统上电时，电容开始充电，电压不能突变只能缓慢上升，所以可以保持一段时间的低电平。该电路还省略了反并联的保护二极管，可以应用对系统稳定性要求不苛刻的场合。4.2.5 BDM 接口电路设计BDM 接口是S12 单片机用来连接BDM 调试器的，BDM 接头通常设计为6针的双排插头，其中4个引角分别为VDD,RESET,GND

26、 和BKGD(BACKGROUND)，另外2个针脚为空。如图3.11所示，分别是飞思卡尔和清华大学的2种针脚定义方式：图4.11 BDM引脚的2种定义方式我们可以看到，飞思卡尔定义的引角排列图中，BKGD 与VDD 在矩形对角线的两端，一旦操作者误将插座插反，则单片机的BKGD 引脚将会直接与BDM 调试器的VDD 引角连通，引发烧毁单片机的危险。清华大学的定义方式巧妙的避开了这种可能，将BKGD 定义在中间引角，这样即使不小心插反插座，VDD 只会连接到孔引角，不会造成危险，因此采用清华大学的定义方式设计BDM 接口电路。如图4.12所示为BDM具体的电路设计方案：图4.12 BDM的电路设

27、计从图中可以看到，单片机的BKGD 引角还与VCC 串接了一个3.3K 的电阻，这是单片机的运行模式决定的。图中的R2 大小为51 欧，为的是充分保护单片机的该引角，建议在设计时串接该电阻。4.2.6 RS232串行通讯电路设计单片机在应用中往往要与其他的设备通讯，最常见的通讯方式就是串行通讯。S12 单片机内置了2个SCI 串行通讯模块，下面以它的SCI0 为例说明S12 单片机的RS232 串行通讯电路设计。如果你需要使用2 个串行通讯口，可是使用同样的方法引入SCI1。而单片机在与PC 的通讯中，由于电脑的串口信号线为正负逻辑关系，即逻 辑“1”为-5 -15V，逻辑“0”为+5 +15

28、V，这与单片机的逻辑信号电压定义不同，这样就需要对两者之间信号进行电平转换。最简单的电平转换方法可以利用几个三极管，但是出于稳定性和可靠性的考虑，我们使用电平转换专用芯片MAX232。如图4.13所示，MAX232 的引脚图。图4.13 电平转换专用芯片MAX232图4.12的下半部分为不同型号芯片对应的外接电容值，MAX232 一般外接1uF 的电容而MAX232A 外接0.1uF 的电容，应注意到这一点。如图4.14所示，MAX232的电路原理图：图4.14 MAX232的电路原理图我们只用了串行接口的3个引角，其中2引脚为串行发送，接MAX232 的14 引角，3 引脚为串行接收，接MA

29、X232 的13 引角，5 引角接地，这样我们就完成了RS232 串行通讯端口的设计。4.2.7 S12单片机的运行模式S12 系列单片机可以通过对MODA(PE5)，MODB(PE6)，MODC(BKGD)，ROMCTL(PK7)的输入设定8 种不同的工作模式，如表3.1所示。表4.1 单片机的运行模式它的设置原理是在单片机进行复位时，将以上几个引角的电平状态写入到模式寄存器的相应位，表中的ROMON位是决定FLASH 内存状态的，而ROMON位是由ROMCTL(PK7)决定的。我们也可在单片机运行的情况下通过改写模式寄存器更改单片机的运行模式。由于S12 系列单片机的内部FLASH 和RA

30、M 都很大，我们通常用普通单片模式就能达到我们的要求所以我以下着重介绍普通单片模式的设定。普通单片模式即上图的第5种情况，从表中可知，这时MODA(PE5)需给低电平，MODB(PE6)也给低电平,而MODC(BKGD)需要给高电平,ROMCTL(PK7)是决定是否使用片内FLASH，在单片模式该引角设置不起作用，所以我们可以任其悬空。由于MODA(PE5)和MODB(PE6)具有内部下拉电阻即默认为普通单片模式，所以我们可以不对其进行电路连接就可使单片机工作于单片模式，但是为了稳定性我们通常在其外部下拉3.3K 电阻。当使用BDM 调试单片机时，单片机必须处于调试状态即特殊模式，即特殊模式要

31、求MODC(BKGD)为低电平，而当BDM 调试器的插头接入单片机时MODC(BKGD)被BDM 调试器对应引角拉低，单片机自动进入特殊模式，当BDM 调试器插头拔下时由于我们给MODC(BKGD)上拉了3.3K 电阻，单片机又自动进入普通单片模式。目前我已经把S12 单片机的112个引角介绍的差不多了，现在还差一个，就是TEST(48 引角)，这个引角是FREESCALE 内部用来测试出厂前芯片的，我们不必了解太多，但是这个引角一定要给低电平芯片才能正常工作，所以我们也给它下拉一个3.3K 的电阻。4.3 电源模块大赛规定使用的是7.2V 2000mAh Ni-cd蓄电池，整个系统需要为以下

32、各个模块供电。为单片机供电：（5V）；为CCD传感器供电：（12V）；为转速传感器供电：（5V）；为电机驱动供电：（7.2V）；为转向舵机供电：（6V）；由上可以知道，系统需要7.2V、6V、5V、12V，其中7.2V可以由电池直接供电，6V和5V就需要稳压芯片来供电了,12V还需要升压芯片来供电。经过分析可知，如果把所有接到5V的电源都从一个口输出，万一出现异常状况（例如大电流），单片机必然重启，因此需要多个稳压芯片同时工作，以保证单片机正常工作。5V稳压电路的设计：市场上5V的稳压芯片有很多，例如LM2940、LM7805、开关型LM2575、LM2596，其中2940和7805转换效率比

33、较低，只有40%左右，但是输出波纹很小，对于单片机这种对电源要求比较高的元件而言很适合，而2575和2596是开关型的稳压芯片，转化效率可以达到75%甚至80%以上，但是输出有波纹，很可能让单片机出现重启现象。如图4.15所示是2940稳压的电源模块原理图。7805和2940的原理图相同，但是7805需要输入7.5V以上才可以稳定输出5V，而2940只要输入电压达到6V以上就可以稳定输出5V了，因此，在给单片机供电的电源中选择2940稳压芯片。图4.15 单片机供电电路舵机供电系统如图4.16所示，采用两种方案：一种由L5973提供可调稳压电源；另一种使用两个压降为0.6V的稳压管与电池串联得

34、到6V电源，可用跳冒选择其中一种供电方式。图4.16 舵机供电电路将电池电压7.2V转换为12V电源后为传感器供电，如图4.17所示CCD传感器需要用 12V 电源供电，12V 电源电压由 MC34063 提供。MC34063芯片转换效率高,升压的范围也比较广,所需的外围器件也较少,最大能够提供1.5A 的电流,足够 CCD 使用。图4.17 传感器供电电路4.4 CCD路径识别传感器电路设计4.4.1 CCD传感器的工作原理及特性工作原理：按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采集图像上的点，当扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度一一对应的电压值，然后将此电压值通过视频信

35、号端输出。摄像头连续地扫描图像上的一行，则输出就是一段连续的电压信号，该电压信号的高低起伏反映了该行图像的灰度变化。图3.18 摄像头视频信号4.4.2 CCD路径识别传感器电路视频信号中除了包含图像信号之外 ,还包括了行同步信号、行消隐信号、场同步信号、场消隐信号以及槽脉冲信号、前均衡脉冲、后均衡脉冲等 ,因此 ,若要对视频信号进行采集 ,就必须准确地把握各种信号间的逻辑关系. LM1881 就是针对视频信号的同步分离而生产的 ,它为视频信号的处理提供了极大的方便.LM1881 可以从0. 52 V的标准负极性NTSC制、 PAL 制、 SECAM制视频信号中提取复合同步、场同步、奇偶场识别

36、等信号 ,这些信号都是图像数字采集所需要的同步信号 ,有了它们 ,便可确定采集点在哪一场 ,哪一行. LM1881 也能对非标准的视频信号进行同步分离 ,通过固定的时间延迟产生默认的输出作为场同步输出.1 LM1881 主要特点:1) 交流耦合的复合视频输入信号源;2) 大于10 k的输入阻抗;3) 小于10 mA的消耗电流;4) 复合同步和垂直同步输出;5) 奇偶场输出;6) 色同步输出;7) 水平扫描频率可达到150 kHz ;8) 边沿触发的场输出;9) 对于非标准视频信号产生默认的场同步输出.图4.19 LM1881芯片引脚图2 LM1881 芯片的输出信号1) 复合同步输出复合同步输

37、出是对复合视频输入信号的箝位输出。LM1881芯片将视频信号同步顶箝位到直流1.5 V，将比较器的阈值设在 1.5 V 左右，这样便可使视频信号的图像波形部分被拉平 ,其他信号波形按原样复现.箝位线设在同步脉冲上，典型值为1.57 mV左右.对于0.5 V输入来说，箝位线大约为同步脉冲幅值的50 %；而对于2 V输入，箝位线大约为同步脉冲幅值的11 %.2) 奇偶场脉冲输出视频图像信号一帧画面分2场扫描，第 1 场先扫描奇数行1、3、5、,称为奇数场;第2场扫描画面上的偶数行 2、4、6、,称为偶数场。奇数场开始的前一行为完整的1行，偶数场开始的前一行为1个半行，引脚7 (如图4.19)输出的

38、低电平表示为偶场，高电平表示为奇场。3) 色度同步输出色度同步信号位于复合同步信号的行消隐脉冲的后肩，总共含有911个彩色副载波周期，占用的时间大约为2. 250. 23s，时间滞后行同步前沿大约5.6s。视频信号同步分离电路如图 4.20 所示。图 4.20 视频信号同步分离电路本系统所使用的CCD摄像头扫描的每场中有320 行信号，其中第23 行到310 行是视频信号，第311 行到下一场的第22 行是场消隐信号。在视频信号区，每行信号持续的时间相同，约为62us；每行的行同步脉冲持续时间也相同，约为4.7us。而在场消隐区，每行持续的时间会有所变化，每行对应的消隐脉冲持续时间，尽管大多数

39、为3.5us，但也有变化。场消隐区中第320 行的消隐脉冲持续时间远长于其他消隐脉冲，此脉冲即为场同步脉冲。4.5 车速传感器电路车速传感器为对射式光电传感器，具体电路如图4.21所示。由光电对管采集输出为类似正弦波的信号，为使最终的车速信号为单片机所能处理的数字信号，在光电对管输出端接电压比较器LM2903，处理前后的信号如图4.22。图4.21 转速传感器电路图4.22 转速信号处理前后对比4.6 电机驱动电路由CPU发出PWM波通过33886驱动芯片控制电机的电压，PWM5输出PWM波，经由IN1口输入，OUT输出电机调速信号。驱动芯片MC33886内部具有短路保护、欠压保护、过温保护等

40、功能。MC33886内部集成有两个半桥驱动电路，驱动电路如图4.23所示。图4.23 33886内部原理图根据测试可知，该车模驱动电机堵转电流约为12A，车模正常行驶时电机电流为3A左右，车模行驶时需对车速加以控制，则对电机必须进行PWM调速。如图4.24所示为本次驱动电机的电路设计，使用两片MC33886并联是为了防止由于电流过大发热加剧导致其过热保护。其中MOTO_PWM1为驱动电机正传的信号端，MOTO_PWM2为驱动电机反传的信号端。图 4.24 电机驱动电路4.7 四位七段数码管接口电路四位七段数码管正面接口示意，如图4.25所示，及引脚图4.26。外形规格小巧，在小车上结合按键来设

41、置小车的参数以及运行模式等。此四位数码管只需要单片机的五个IO口来送显示。图4.25 四位七段数码管正面接口示意图图4.26 四位七段数码管引脚图我们采用动态扫描显示，控制每个数码管显示的时间，使人视觉上感觉到一起点亮的。这一组LED在小车上可以很清楚地显示，运动的过程中很漂亮。第五章 软件设计5.1 软件设计总体流程软件设计流程如图5.1所示，主要包括以下几个部分：初始化、路径信息采集、决策控制等几个部分。为了方便调试，在正常的初始化之中加入了参数调整部分。图5.1 软件设计流程5.2 系统初始化设置在整个系统设计中，用到了8个单片机基本功能模块：时钟模块、PWM输出模块、ECT 模块、AD

42、 模块、串口通信模块以及I/O模块。根据系统实际需求，对各个模块进行了初始化配置，通过对相应数据寄存器或状态寄存器的读写，实现相应的功能。5.3 路径识别传感器信号采集处理路径识别传感器信号采集处理的流程如图5.2所示。图5.2 路径识别传感器采集信号处理流程图5.4 转向控制策略得到一场视频信号后，可以从中提取出黑线位置、是否是起始线交叉线等各种有效信息。这些信息可以用于对舵机转向、车速等进行控制。起初，我们的转向策略是黑线位置确定后，不同速度对应不同车速位置变量Map表。由车速、位置变量参数查表得出转向PWM值，输出给转向舵机。为了尽量使小车在跑道内安全运行，如果所有路径传感器脱离黑色引导

43、线，则根据最近一次转向方向确定舵机输出极左或极右PWM值；如果小车看到十字交叉线时，则保持上次转向不变。但是随着我们不断的提高小车速度，这种策略就达不到要求，小车在直道上虽然能跟踪黑线，但是转向调整往往超调，导致车身在直道上左右震荡，这种震荡严重影响了车的整体表现，第二章介绍过舵机，可以理解成它本身就是带反馈的闭环系统，利用这种查表方式，即每种传感器状态对应一个舵机转角，具有反应速度快，控制策略简单，时实性强的特点，但是赋值是离散化的，因此造成了舵机转向不连续，无法进行预测功能的缺点。我们改用PID方式，即使用PID调节方式对舵机进行控制，该方式在反应速度，舵机转向连续以及转角预测上都优于查表

44、方式，因此，在实际过程中，我们使用的是PID模式。舵机的位置式PID控制参数设置很难达到令人满意的状态，发现I值对舵机转角的影响较小，而在直道与弯道上PID参数的最优值P参数相差较大，因此采用的方法是P值分断取值的PD调节方式，具体参数值为多组数据测量取较优参数得到。5.5 车速控制策略为了使小车能够平稳地沿着跑道行驶，需要控制车速，使小车在急转弯时速度不至过快而冲出跑道。通过控制驱动电机上的平均电压可以控制车速，但是如果开环控制，电机转速会受到很多因素影响，例如电池电压、电机传动摩擦力、道路摩擦力和前轮转向角等。这些因素会造成小车运行不稳定。通过速度检测，对小车速度进行闭环反馈控制，即可消除

45、上述各种因素的影响，使得小车运行得更稳定。对车速的PID闭环控制策略是将建立在经典的PID控制算法的基础上，然后进行了创新。有关PID的控制策略在这里做相关的介绍说明。将偏差的比例（Proportion）、积分（Integral）和微分（Differential）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID控制器。5.5.1 模拟PID控制原理在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。为了说明控制器的工作原理，先看一个例子。如图5.4所示是一个直流电机的调速原理图。给定速度与实际转速进行比较，其差值，经过PID控制器调整后输出电压控制信号，经过功率放

46、大后，驱动直流电动机改变其转速。 图5.4 直流电机调速系统常规的模拟PID控制系统原理框图如图1.2所示。该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图中是给定值，是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差。（公式1）作为PID控制的输入，作为PID控制器的输出和被控对象的输入。所以模拟PID控制器的控制规律如公式2，原理图如图5.5所示。（公式2）式中：控制器的比例系数 控制器的积分时间，也称积分系数 控制器的微分时间，也称微分系数图5.5 模拟PID控制原理图5.5.2 增量式PID控制原理由于计算机的出现，计算机进入了控制领域。人们将模拟PID控制规律引入到计算机中来。对公式2的P

47、ID控制规律进行适当的变换，就可以用软件实现PID控制，即数字PID控制。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量量，进行连续控制。由于这一特点公式2中的积分项和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理。离散化处理的方法为：以作为采样周期，作为采样序号，则离散采样时间对应着连续时间，用矩形法数值积分近似代替积分，用一阶后向差分近似代替微分。这样就将模拟PID控制演变为数字PID控制的增量式的PID控制，增量式PID控制算法可以通过公式2推导出。其算法公式如下：其中，为第n次输出增量；为第n次偏差；为第n1次偏差；为第n2次偏差。具体控制流程如图5.6所示：图5.6 增量式PID控制算法原理图速度的软