第二屆飛思卡爾智能車競(jìng)賽北方賽區(qū)技術(shù)交流教學(xué)文稿

智能車競(jìng)賽技術(shù)交流

(北方賽區(qū))東北大學(xué)

王明順

一、智能車大賽背景

比賽以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)意性比賽，旨在培養(yǎng)大學(xué)生對(duì)知識(shí)的把握和創(chuàng)新能力，以及從事科學(xué)研究的能力。在韓國(guó)，漢陽(yáng)大學(xué)發(fā)起該賽事，從2000年起，韓國(guó)已成功舉辦了六屆。教育部高等教育司委托(教高司函[2005]201號(hào)文)高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽。2007-1-292東北大學(xué)王明順

為了更好的推動(dòng)汽車電子技術(shù)的發(fā)展，加強(qiáng)大學(xué)生的科技創(chuàng)新能力，該比賽于2006年在我國(guó)首次展開(kāi)。

2006年8月21日第一屆“飛思卡爾”杯全國(guó)智能車邀請(qǐng)賽在清華大學(xué)綜合體育館成功舉行，包括清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)等在內(nèi)的全國(guó)各地及港澳地區(qū)的57所高校112支代表隊(duì)參加了此次比賽。該比賽的公開(kāi)、公平與公正的比賽規(guī)則，以及該比賽是基于迅猛發(fā)展的汽車電子的創(chuàng)意性比賽，激發(fā)了大學(xué)生參加該比賽的熱情。2007-1-293東北大學(xué)王明順韓國(guó)2004年賽道韓國(guó)2004年智能車運(yùn)行展示2006年清華比賽現(xiàn)場(chǎng)2006年全國(guó)智能車邀請(qǐng)賽部分視頻比賽賽道及視頻欣賞2007-1-294東北大學(xué)王明順

由上圖可以看出，車體部分由電機(jī)、舵機(jī)與測(cè)速等部分組成。電機(jī)性能的好壞與與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分密切相關(guān)，大賽組委會(huì)提供了一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33886，另外還有多種電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片可使用，如L298。通過(guò)改變PWM的占空比可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。下面將簡(jiǎn)單介紹電機(jī)的特性與兩種電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的電氣性能。2007-1-296東北大學(xué)王明順電機(jī)RS-380SH特性電機(jī)特性2007-1-297東北大學(xué)王明順RS-380SH-4045特性曲線2007-1-298東北大學(xué)王明順MC33886芯片

工作電壓：5-40V；?導(dǎo)通電阻：120毫歐姆；?輸入信號(hào)：TTL/CMOS；?PWM頻率：<10KHz；?短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等。2007-1-299東北大學(xué)王明順MC33886芯片的典型應(yīng)用2007-1-2910東北大學(xué)王明順電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298的特點(diǎn)

操作電壓可到46V；?總的直流電流可以到達(dá)4A；?低飽和電壓；?過(guò)溫保護(hù)；?邏輯“0”的輸入電壓可達(dá)到1.5V。2007-1-2911東北大學(xué)王明順

舵機(jī)在智能車的轉(zhuǎn)向控制中起著重要作用，它決定了智能車行駛時(shí)的方向性。下面將從以下幾方面來(lái)介紹：

舵機(jī)功能舵機(jī)結(jié)構(gòu)舵機(jī)的基本參數(shù)舵機(jī)控制方法智能車的舵機(jī)簡(jiǎn)介2007-1-2912東北大學(xué)王明順舵機(jī)結(jié)構(gòu)

舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)5k，直流電機(jī)、控制電路板等；工作原理：控制信號(hào)控制電路板電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪組減速舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)位置反饋電位計(jì)控制電路板反饋；

控制量舵盤角度2007-1-2913東北大學(xué)王明順尺寸：39.4*37.8*27.8重量：56g工作速度:0.11sec/60o(4.8V)0.08sec/60o(6.0V)堵轉(zhuǎn)力矩:6.1kg.cm(4.8V)7.7kg.cm(6.0V)工作角度：±45度舵機(jī)的基本參數(shù)（HS-925）2007-1-2914東北大學(xué)王明順舵機(jī)控制方法2007-1-2915東北大學(xué)王明順舵機(jī)特性曲線2007-1-2916東北大學(xué)王明順

軟件計(jì)數(shù)方式；定時(shí)器中斷方式；

PWM硬件產(chǎn)生方式。S12DG128PWM控制器

8路PWM輸出端口；獨(dú)立的8路8bitPWM輸出，或者4路16bitPWM輸出；

A,B,SA,SB時(shí)鐘源。舵機(jī)控制信號(hào)產(chǎn)生方式2007-1-2917東北大學(xué)王明順脈寬范圍對(duì)應(yīng)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，一方面舵機(jī)的極限位置；另一方面考慮到車模轉(zhuǎn)向的極限?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)試得到大約40度左右的旋轉(zhuǎn)角度；PWM周期可選擇50-200Hz控制說(shuō)明舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間對(duì)于控制非常重要，一方面可以通過(guò)修改PWM周期獲得。另一方面也可以通過(guò)機(jī)械方式，利用舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距余量，將角度進(jìn)行放大，加快舵機(jī)響應(yīng)速度；關(guān)于舵機(jī)控制信號(hào)的說(shuō)明關(guān)于舵機(jī)控制的改進(jìn)說(shuō)明采用不同的電壓等級(jí)機(jī)械結(jié)構(gòu)上變化2007-1-2919東北大學(xué)王明順關(guān)于智能車的轉(zhuǎn)速測(cè)量

轉(zhuǎn)速測(cè)量在電機(jī)速度控制中起著重要作用。通常的轉(zhuǎn)速測(cè)量方式有以下幾種，可以依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活選用。編碼器信號(hào)穩(wěn)定，但價(jià)格與測(cè)量精度要求成正比。測(cè)速電機(jī)利用單片機(jī)AD口進(jìn)行采集信號(hào)，但測(cè)量精度不高。自制編碼器價(jià)格便宜，易于安裝備調(diào)試，能夠保證測(cè)量精度要求，但使用的計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)較多。2007-1-2920東北大學(xué)王明順關(guān)于智能車的電源設(shè)計(jì)

一般來(lái)講，舵機(jī)、傳感器和MCU需要穩(wěn)壓控制。采用基本的穩(wěn)壓芯片,如7805采用開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓集成電路,如LM2576/2575采用低壓差線性電源器件,如TPS73XX2007-1-2921東北大學(xué)王明順智能車引導(dǎo)線識(shí)別的好壞取決于檢測(cè)元件與算法。檢測(cè)元件紅外傳感器圖像傳感器其他三、路徑檢測(cè)2007-1-2922東北大學(xué)王明順被動(dòng)式主動(dòng)式數(shù)字式

模擬式關(guān)于紅外傳感器作為路徑識(shí)別的檢測(cè)元件的詳細(xì)論述，可以參考清華大學(xué)黃開(kāi)勝老師的《智能光電傳感器布局對(duì)路徑識(shí)別的影響研究》，借此大家可以借鑒一下韓國(guó)汽車大賽路徑檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn)。紅外傳感器用于路徑檢測(cè)線陣列線陣列圖像傳感器類似于模擬式紅外傳感器。它只掃描前方一行的數(shù)據(jù)信息，但是環(huán)境影響小。面陣列前方路徑感知的情況決定了智能車的控制性能。視頻圖像傳感器的主要特性就是盡可能早的感知前方路徑信息，使得控制器能夠預(yù)動(dòng)作。圖像傳感器用于路徑檢測(cè)2007-1-2924東北大學(xué)王明順圖像傳感器的接口類型

USB接口（微機(jī)用）全電視信號(hào)輸出（安全監(jiān)控用）2007-1-2925東北大學(xué)王明順傳感元件的安裝

選擇了傳感元件以后，需要通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)來(lái)決定傳感元件的幾何位置，從而選擇一組適合于智能車性能最佳的安裝參數(shù)。紅外傳感器：安裝個(gè)數(shù)、布局與向前伸出的長(zhǎng)度對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響。圖像傳感器：攝像頭的安裝高度、視角與對(duì)智能車動(dòng)力學(xué)性能的影響。2007-1-2926東北大學(xué)王明順?biāo)摹⒖刂品桨负?jiǎn)介

針對(duì)智能車這個(gè)具體的研究對(duì)象，常見(jiàn)的控制方案有以下幾種：2007-1-2927東北大學(xué)王明順A.速度V恒定的隨動(dòng)控制方案2007-1-2928東北大學(xué)王明順

辨識(shí)原理：通過(guò)記憶一定次數(shù)的歷史路徑信息，來(lái)對(duì)前方的路徑信息進(jìn)行預(yù)測(cè)。如設(shè)定某時(shí)刻內(nèi)為同種路徑信息，那么在將來(lái)的一定時(shí)間內(nèi)也可認(rèn)為路徑形式與歷史路徑同，從而形成一種試探性的前行。B.辨識(shí)隨動(dòng)控制方案(V可變)2007-1-2929東北大學(xué)王明順C.記憶控制方案

記憶控制方案的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)反復(fù)查表來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具體實(shí)現(xiàn)如下：編碼值3編碼值特征值1212344數(shù)據(jù)值2007-1-2930東北大學(xué)王明順編碼值速度值編碼值轉(zhuǎn)角值編碼值控制部分速度轉(zhuǎn)角v1a1a2v2…….…….12123

…….123…….…….V1V2V3a1a2a32007-1-2931編碼值控制部分轉(zhuǎn)速（cm/s）轉(zhuǎn)角幅度0－a140050%a1－a242050%a2－a313070%a3－a411030%--------------------------2007-1-2932東北大學(xué)王明順D.切換控制的控制方案

根據(jù)CCD圖像傳感器是別的路徑結(jié)果，定制了不同路徑情況下的控制器，根據(jù)路徑?jīng)Q策的結(jié)果進(jìn)行不同控制器之間的切換。以下是其決策框圖：2007-1-2933東北大學(xué)王明順切換控制的控制框圖2007-1-2934

采用切換控制的控制方法，使得智能車能夠?qū)崟r(shí)對(duì)路徑識(shí)別結(jié)果進(jìn)行決策，體現(xiàn)了