飞思卡尔控制器的智能寻迹车的设计

飞思卡尔控制器的智能寻迹车的设计

基于飞思卡尔控制器的智能寻迹车设计（光电）

摘要

本设计设计智能寻迹车的控制系统，包括传感器的选择、电路的设计与调试、机械结构的调整安装、软件的设计与调试，实现智能车在特定赛道上自动行走，系统地阐述了整个智能车的设计过程。在系统控制中采用模糊PID控制，克服了简单模糊控制和传统PID 控制的一些缺点，通过模糊规则进行推理和决策，实现PID控制器参数的实时优化。

关键词：智能车；飞思卡尔；模糊控制；PID控制

飞思卡尔控制器的智能寻迹车的设计

Design of a tracing Smart Vehicle based on Freescale Controller (Photoelectricity)

ABSTRACT

Design the control system of tracing smart vehicle, including the choice of sensors, circuit design and debugging, adjust and install the mechanical structure, software design and debugging. Final implement the smart vehicle running in a particular racetrack automatically. The design systematically set out the entire smart vehicle design process. The system uses a kind of self-turning Fuzzy-PID controller. It overcomes some defects of simply fuzzy control and traditional PID control. The real-time optimization of the control parameter of PID controller is carried out by fuzzy reasoning and strategy.

Key words: Smart vehicle; Freescale; Fuzzy control; PID control

飞思卡尔控制器的智能寻迹车的设计

目录

1绪论.................................................................................................................................... 1

1.1 研究意义 ................................................................................................................ 1 1.2 设计背景 ................................................................................................................ 2 1.3 设计介绍 ................................................................................................................ 2 1.4 文献综述 ................................................................................................................ 2 2系统设计分析 .................................................................................................................... 4

2.1 设计要求 ................................................................................................................ 4 2.2 总体设计 ................................................................................................................ 4 2.3 方案选择与论证 ..................................................................................................... 5

2.3.1 赛道识别模块 .............................................................................................. 5 2.3.2 速度检测方案 .............................................................................................. 6 2.3.3 电机驱动调速模块的选择 ........................................................................... 9

3 机械结构调整 ................................................................................................................. 11

3.1 底盘高度的调整 ................................................................................................... 11 3.2 前轮调整 .............................................................................................................. 11 3.3 齿轮传动机构的调整 ........................................................................................... 13 3.4 后轮差速机构调整 ............................................................................................... 14 3.5 舵机延长杆 .......................................................................................................... 14 3.6 路径传感器布局 ................................................................................................... 14 4硬件电路设计及实现 ....................................................................................................... 16

4.1 电源模块 .............................................................................................................. 16

4.1.1 5V电源电路 ............................................................................................ 16 4.2 光电传感器模块 ................................................................................................... 18 4.3 测速传感器模块 ................................................................................................... 19 4.4 电机驱动模块 ....................................................................................................... 21 4.5 控制模块 .............................................................................................................. 23 5软件设计 .......................................................................................................................... 26

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5.1 系统初始化........................................................................................................... 26 5.2 定时采样 .............................................................................................................. 27 5.3 控制运算 .............................................................................................................. 28

5.3.1 模糊自适应PID控制 ................................................................................ 29 5.3.2增量式PID控制 ......................................................................................... 38

6 开发制作与调试 ............................................................................................................. 39

6.1开发工具 ............................................................................................................... 39 6.2程序下载与调试 .................................................................................................... 42 参考文献 ............................................................................................................................. 45 致谢 .................................................................................................................................... 47 附录 程序清单 ................................................................................................................... 48

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基于飞思卡尔控制器的智能寻迹车设计（光电）

1绪论

1.1 研究意义

城市公共交通是与人民群众生产生活息息相关的重要基础设施。随着时代的发展，私人汽车使用的数量越来越多，在带来便利的同时也带来了各种各样的问题。例如道路堵塞、停车困难、能源消耗、噪声污染和环境污染等，这些问题严重降低了城市生活的质量。汽车不仅给社会带来了污染、交通堵塞和致命车祸三大危害，还带来了空间拥挤的危害，尤其是在土地、房产资源紧缺的今天，这一危害的影响力越来越明显。

优先发展城市公共交通是提高交通资源利用效率，缓解交通拥堵的重要手段。国务院总理温家宝于2005 年10 月做出重要批示，要求优先发展城市公共交通，这是贯彻落实科学发展观和建设节约型社会的重要举措。大容量城市公共交通，如地铁、轻轨等，其最大优点是空间利用率和能源利用率较高。然而，由于缺乏足够的时间、空间、运力灵活性，在客流量不足的情况下，系统效率将大大降低，运营成本过高，难以大力推广和应用。回顾汽车发展的百年历史，不难发现其控制方式从未发生过根本性改变，即由人观察道路并驾驶车辆，形成“路－人－车”的闭环交通系统。随着交通需求的增加，这种传统车辆控制方式的局限性日益明显，例如安全性低（交通事故）和效率低（交通堵塞）。最新调查表明，95％的交通事故是由人为因素造成，交通堵塞也大都与驾驶员不严格遵守交通规则有关。如果要从根本上解决这一问题，就需要将“人”从交通控制系统中请出来，形成“车－路”闭环交通系统，从而提高安全性和系统效率。如果汽车拥有自主驾驶的能力，那么，汽车也就可以为我所用而不一定为我所有，汽车就可以成为公共资源合理利用。这样一来，交通安全、道路拥堵、车辆存放等等汽车引发的问题就迎刃而解了。这种新型车辆控制方法的核心，就是实现车辆的智能化。

智能车有着极为广泛的应用前景。结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适应巡航并把车开得又快又稳、安全可靠；汽车夜间行驶时，如果装上红外摄像头，就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶；也可以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里，此外还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。在普通家庭轿车消费中，智能车的研发也是很有价值的，比如雾天能见度差，人工驾驶

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经常发生碰撞，如果用上这种设备，激光雷达会自动探测前方的障碍物，电脑会控制车辆自动停下来，撞车就不会发生了。

1.2 设计背景

受教育部高等教育司委托，高等学校自动化专业教学指导委员会负责主办全国大学生智能车竞赛。该项比赛已列入教育部主办的全国五大竞赛之一。首届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请赛已于2006年在清华大学举行。此项赛事，在韩国已经举办过多届，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、机械等诸多学科，对学生的知识融合和动手能力的培养，对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的推动作用。

为使比赛能够公平进行，参赛选手须使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，采用飞思卡尔位微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等，最终实现一套能够自主识别路线，并且可以实时输出车体状态的智能车控制软硬件系统，以引导改装后的模型汽车按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。

1.3 设计介绍

本次设计是基于飞思卡尔控制器的智能寻迹车设计，使用“飞思卡尔”杯智能车竟赛统一提供的竞赛车模，以Freescale 公司生产的16 位微控制器MC9S12DG128B 作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等，最终实现一套能够自主识别路线的智能车控制软硬件系统。

1.4 文献综述

纵观飞思卡尔智能车竞赛在中国的发展历程，从第一届的邀请赛、第二届的扩大规模的邀请赛、第三届开始的可以自由报名参赛并分为光电组和摄像头组，每一年都会增大跑道难度和增加比赛规则，但整个设计过程依然集中在硬件电路的设计与软件控制的设计。

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文献[2]选编了第一届比赛的参赛队伍的技术报告，分类罗列设计过程中各个阶段性相关的技术报告，其中包括硬件电路各部分的设计以及软件设计的各种算法；何奇文，彭建盛，周东，首家辉，葛姣龙[5]提出整个系统的框架；陈东，向巍[6]提出光电管的布置及一种改进型PD算法在智能车上的应用；石振东，吕科，喻清洲，欧阳雷，曾星星

[7]

提出各部分硬件电路的设计及增量式PID算法在智能车上的应用；葛腾飞，郑建立，

柳翔飞[5]提出对舵机和驱动电机分别采用了PID控制算法和间接的PID控制算法；杨明，程磊，黄卫华，吴斌华[9]提出对舵机采用硬件闭环控制或软件开环控制方法；曹菁[10]提出电动舵机模糊自适应PD控制方法；王学亮，侯俊，李远超[12]等实现激光管在智能车上的应用。

硬件电路基本成熟，最大的变化在于传感器的应用，对于普通的红外光电管，激光管有着射程远、亮度高的优点，组成路径检测电路有着很高的前瞻性，但用激光管价格高，驱动电路较复杂，如用激光模组又有质量重及安装方法的问题。

软件设计方面，控制算法应用的最多是PID算法，PID控制算法其结构简单，稳定性好，可靠性高，并且易于实现。其缺点在于控制器的参数整定相当繁琐，需要很强的工程经验，不然需经过大量试验才能确定。对此如有能根据系统情况自动调整控制器参

数的控制方法就可以简化参数的整定。

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2系统设计分析

2.1 设计要求

本设计要求所设计的小车具有自动寻迹的功能，能在指定跑道上高速、稳定地运行。跑道为黑白两色。其背景色为白色，跑道中央有一条黑线作为小车行进的依据。设计的小车是要能沿黑线的正常行驶，并在此基础上，尽量提高小车行驶速度。

2.2 总体设计

系统框图如图2.1所示。

图2.1 系统框架

如图2.1所示，该智能小车系统主要分为以下三大块：

（1） 信息采集模块：在该模块中包括有速度信息采集和位置信息采集两个子模块，分别采集小车当前的位置信息和速度信息，并将采集到的信息传给MCU，其核心是传感器。

（2） 信息处理模块：信息处理模块包括信息处理和控制模块，其核心是MCU，MCU接收到采集来的信号，对信号进行处理后作出判断，并发出控制命令。

（3） 执行模块：该模块包括了驱动电机和舵机，当接收到MCU的命令后便执行相应的操作，同时信息采集模块又采集到电机和舵机的状态信息，反馈给MCU 。从而整个系统构成一个闭环系统，在运行过程中，系统自动调节而达到正确行驶的目的。

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2.3 方案选择与论证

2.3.1 赛道识别模块

对于光电寻迹，主要采用红外光电传感器与激光传感器采集路面信息。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。如图2.2，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。

图2.2 光电传感器原理

采用反射式红外传感器对白色和黑色的反射率大小不同，通过对各个接收传感器的变化组合基本能够确定智能车的位置，从而对位置和行驶方向都能较精确的控制。使用红外传感器最大的优点就是结构简明，实现方便，成本低廉，反应灵敏，响应时间低，便于近距离路面情况的检测。但红外传感器的缺点是，它所获取的信息是不完全的，只能对路面情况作简单的黑白判别，检测距离有限，而且容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。

图2.2 反射式红外光电传感器

激光传感器有比较好的性能，它可以照射很远的距离依然有很高的强度，根据激

光

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特性，除了激光的入射光和反射光是最强的以外，其他的所有散射光的强度都是相同的，在此情况下，实际测量发现激光可以看到20cm以上的距离，对于车的前瞻性大有好处，可以适当把光照调远，实现前瞻性较好的寻线控制。但激光传感器比较贵，成品激光传感器体积较大，也可用激光二级管设计传感器电路，电路中必须有驱动电路，以保护激光二级管。

(a) 半导体激光模组 （b）激光二级管

图2.3 激光传感器

综上所述，选择红外光电传感器作为路径检测传感器。

2.3.2 速度检测方案

智能车的实际行驶速度是智能车速度控制的控制输入量，准确实时的测量智能车的速度才能实现智能车的速度控制，即纵向控制。常用的测速方案有以下几种：

方案一：光电测速传感器

光电式转速传感器由安装在被测轴的带孔圆盘、光源、光电转换元件和指示缝隙盘组成。图2.4为光电式转速传感器原理。开孔盘上有20个、30个、60个、……小孔。开孔盘转一周，光敏元件接受光的次数等于盘上的开孔数。若开孔数为m，记录过程时间为t，总脉冲数为N，则转速为

n=

N60N

×60=

(2.1) mtmt

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图2.4 透视式光电转速传感器

光电转速传感器分为透视式和反射式。光电转速传感器有着结构简单，应用电路简单，非接触，灵敏度高等优点。

图2.5 反射式光电测速传感器

方案二：测速发电机

测速发电机（TG）有直流和交流两种，可根据实际请况进行选用。应用中多采用直流测速发电机。图2.6为直流测速发电机的工作原理。当位于磁场中的线圈旋转时，在线圈的两端将产生感应电势E，根据法拉第定律可以得到式（2.2）。

= (2.2)

ω——电枢的角速度，rad s。

式中 ——测速发电机的增益，V s；

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图2.6 直流测速发电机工作原理

将旋转机械能转化成电信号，适合于测量速度较高的旋转物体的速度。为了提高检测的灵敏度，通常将测速发电机直接连接在电机轴上。测速发电机有线性度好、灵敏度高和输出信号强等优点，可以直接由AD转换器读入单片机测得当前速度值，广泛用于工业自动检测和自动调节电机转速。检测范围20～400r/min,精度0.2%～0.5%。但市场上测速发电机应用于低压市场的比较少，而且都比较重，不适用于模型车，其质量较重，可能会严重影响电动车的机动性能。

方案三：霍尔传感器

霍尔传感器利用的是霍尔效应，将半导体薄片置于磁场强度为 的磁场中，在薄片的两端面通以电流 ，则在垂直于电流和磁场方向上产生霍尔电势 ，这种现象称之为霍尔效应。霍尔传感器尺寸小、外围电路简单、频响宽、动态特性好、使用寿命唱，广泛应用于自动控制领域。利用霍尔开关元件测转速，内部具有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路，其输出电平和TTL电平兼容。在待测旋转体的转轴上装上一个圆盘，在圆盘上装上若干对小磁钢，小磁钢愈多分辨率越高。霍尔开关固定在小磁钢附近，当旋转体旋转时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的速度。缺点是磁钢的间距不好控制。

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图2.7 霍尔转速测量原理

方案四：旋转编码器

旋转编码器是集光机电技术于一体的速度位移传感器。当旋转编码器轴带动光栅盘旋转时，经发光元件发出的光被光栅盘狭缝切割成断续光线，并被接收元件接收产生初始信号。该信号经后继电路处理后，输出脉冲或代码信号。有着频响高，分辨能力高，力矩小，耗能低，性能稳定，可靠使用寿命长等特点。体积、重量与测速发电机相似，对于车模来说，体积和重量都不合适。

方案选择论证：

测速发电机和旋转编码器体积重量较大，不便于智能车上安装；而霍尔开关和光电传感器具有灵敏可靠、体积小巧、无触点、无磨损、使用寿命长、功耗低以及不怕尘土、油污、湿热等优点，综合智能车运动环境和重量轻的要求，采用了红外光电传感器来进行速度检测。

2.3.3 电机驱动调速模块的选择

通过电机驱动模块的调节，可以很直观的对速度及智能车的运行状况进行调节。在速度控制方面，一般是通过改变加在电机两端的电压来实现的，可以是连续改变（加直流电压），也可以断续改变(加脉冲电压)。根据不同的驱动电路可以采用不同的方式。最好是采用硬件配合软件的方法，因为毕竟采用软件来调节是比较精确和方便的。

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方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制

采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对赛车的速度进行调整。这个方案的优点就是电路较为简单，缺点就是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高、而且安装在小巧的智能车上不太适宜。

方案二：采用达林顿管组成的H型PWM电路。

用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机的转速。开关的速度快，稳定性也高。但是比起集成电路的芯片控制还是逊色了不少，电路也较复杂。

方案三：采用竞赛组委会提供的桥式驱动器MC33886电机驱动芯片。

通过芯片同单片机的控制完成电机的调速、正反转控制，其控制原理简单，并且稳定性极强。但是发热量很大，特别是需要采用反转控制时。

方案选择论证：

通过对比发现，MC33886芯片功能强大，电路简单，其主要缺点是发热量大。因此选用第三套方案，并将两块MC33886并联起来使用，这样既能提高带载能力，又降低了芯片的发热量。

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3 机械结构调整

3.1 底盘高度的调整

在独立悬架下摆臂与底板之间可以通过增减垫片来调整底盘离地间隙（图3.1）。底盘低，重心低，开起来稳；底盘高，通过性好，不容易磕底。因车道都很平整、很干净，故而尽可能把车的底盘调低。垫片有1mm 和2mm两种规格。一片垫片不加，车前部离地间隙为12mm，故离地间隙的调整范围为9mm－12mm。在保证能让小车顺利通过最大坡道的情况下，将地盘离地间隙调为最低。

图3.1 车底盘调整示意图

3.2 前轮调整

前轮调整的主要参数：主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束。

主销后倾角指主销轴线与车体纵向平面的夹角，它使车辆转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动回正到原来的中间位置上，从而保持汽车直线行驶的稳定性。回正力与车速和主销后倾角的大小有关，车速愈大和后倾角愈大，回正力愈大。但回正力过大，将会引起回正过猛。会损坏舵机，转弯迟滞；有时会损坏舵机内部的齿轮。车速增高，回正力增大，为使舵机转向灵活，后倾角可以减小到零。

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（a）正主销后倾角

图3.2 主销后倾角

（b）负主销后倾角

主销内倾角指前轮的主销轴线与地面垂直线在汽车横向断面内的夹角（图3.3）。它也有使车轮自动回正的作用，保持直线行驶的功能，不过回正与车速无关。当转向轮在外力作用下发生偏转时，由于主销内倾的原因，车轮连同整个汽车的前部将被抬起一定高度；当外力消失后，车轮就会在重力作用下恢复到原来的中间位置。另外主销内倾还会使主销轴线延长线与路面的交点到车轮中心平面的距离减小，同时转向时路面作用在转向轮上的阻力矩也会减小，从而使转向操纵轻便。但是，主销内倾角不宜过大，否则在转向时车轮绕主销偏转的过程中，轮胎与路面间将产生较大的滑动，从而会增加轮胎与路面间的摩擦阻力。这不仅将使转向变得很沉重，还将加速轮胎的磨损。

图3.3 主销内倾角

车轮外倾角，轮胎的上沿偏向车辆内侧（朝向引擎、负外倾角）或外（偏离引擎、正外倾角）的角度（图3.4）。作用是调整车辆负数作用于轮胎中心，消除跑偏，减少轮胎磨损。但负外倾角不能太大，太大会造成轮胎里侧单边磨损、车辆会朝着负外倾角较小的一侧跑偏。

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