基于智能控制算法的智能小车系统设设计.doc

工程训练论文 题目：移动小车运动控制系统 班级：自动化0706 姓名： 学号： 指导老师： 日期：2010-9-10 摘要 本移动小车运动控制系统是以MC9S12DB128B微控制器为核心，通过红外对管检测模型车的运动位置和运动方向，光电编码器检测模型车的速度，PID控制算法调节驱动电机的转速和舵机的方向，完成对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。实验结果表明，系统设计方案可行。  第一章 概论 本次工程训练的目的是运用所学微控制器、智能仪器和现代测控系统等方面的知识，设计出一台以单片机为核心的智能仪器，完成信息的采集、处理、输出及人机接口电路等部分的软、硬件设计。 本选题为移动小车运动控制系统，设计以 “飞思卡尔”的MC9S12DB128B微控制器为核心的智能汽车。 MC9S12DB128B主要特性包括： 16位HCS12CPU 内部存储器： 128KB Flash; 8KB RAM; 2KB EEprom. 外围设备： 2个增强型串口通信接口（SCI）； 2个MSCAN模块； I2C总线接口； 2个8通道10位A/D; 8通道16位增强型捕捉定时器（ECT）； 8通道8位或4位PWM。 第二章 硬件设计 智能汽车是一个比较复杂的系统，为了达到较好的性能要在多方面进行考虑。首先就是硬件设计方案，硬件是智能汽车控制系统的基础，硬件必须稳定可靠，抗干扰能力强，简单、合理而抗干扰能力较强的硬件电路对于电子系统运行的稳定性、控制的精确度部有着直接的影响。其次就是软件设计其中包括控制算法的设计，要达到较高的速度控制算法的设计是重中之重，另外程序的稳定性也非常重要。再者就是机械方面的设计，随着智能汽车的速度越来越快，机械特性的重要性就显露出来了。一辆速度快性能好的智能汽车必定是在这三个方面有比较优秀的设计。由于本文作者主要研究智能控制算法在智能汽车上的应用，所以硬件设计方案和机械设计方案都采用比较常见设计方案，重点在探讨智能控制算法上面。 2.1 智能汽车控制系统结构 智能汽车车模是未来智能汽车的缩微模型，它能够在引导黑线的导引下自动前进。智能汽车循线方案很多采用CCD来实现，其优点是象素密集，前瞻距离远，控制精度高，但是该方式信号采集和数据处理周期较长，且很容易受到外界光线的干扰而且成本较高。采用红外光电对管循线，虽然采集到的信号离散点数较少，但抗光线干扰能力强，响应时间短，成本低且能够实现满意的循线控制[7]。根据智能汽车竞赛要求，设计一辆以组委会提供车模为主体的可以自主寻线的模型车，根据比赛规则和要求，本智能汽车采用光电方案，用红外发射、接收模块作为路径检测传感器，飞卡尔公司16位微控制器MC9S12DB128B为系统控制核心，通过光电编码盘检测速度，由微控制器通过数据处理得出赛道信息并根据当前情况给出舵机转角和电机转速，使智能汽车能在赛道上快速平稳的行驶。系统由电源模块、控制模块、红外传感器模块、测速模块、电机驱动模块、舵机模块、人机交互模块等组成。系统总体结构框图如图2.1。 图2.1 智能汽车总体结构框图 2.2 智能汽车硬件设计 2.2.1 硬件设计总体方案 硬件电路是智能汽车的基础，只有完成了稳定可靠科学的硬件电路，才能在这个基础上进行软件算法的设计，做出优秀的智能汽车。我们的智能汽车的硬件设计的原则是：尽量精减，采用简单可靠的电路，选用性能优秀而且性价比好的芯片，设计稳定可靠兼容性好的电路板。主控板实物图如图2.2所示。 图2.2 主控板实物 硬件电路主要由电源管理模块、控制模块、红外传感器模块、电机驱动模块、舵机驱动、人机接口模块等组成。采用飞思卡尔的16位微控制器 2.2.2 电源管理模块 系统通过标准车模用7.2V 2000mAh Ni-蓄电池供电，实际充满电后电压则为8.2～8.5V 7.2V电压—直接取自蓄电池两端电压，给主电机提供电源。 3.3V电压—给单片机内部AD提供参考电压。 5V电压—为单片机系统、信号检测电路以及其它电路提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量小于1000mA。 6V电压—为舵机提供电源。 除了7.2V电压可以直接由蓄电池获得，3.3V电压，5V电压和6V电压需要通过降压稳压电路获得。电源模块结构图如图2.3所示。 图2.3 电源模块结构图 电源作为整个系统的能量中心，它的稳定性是整个系统稳定的基础，由于智能汽车采用7.2V 2000mAh Ni-CD蓄电池供电，实际充满电后电压则为8.2～8.5V 我们常用的电源芯片如LM78XX系列，属于高压差线性稳压芯片，它们能获得较为精准的电压，纹波也较小，但其功率不大，而且稳压压差较高一般都要在2. 5V左右，由于压差高，电源转换效率也较低。最重要的是由于在实际运行过程中，由于智能汽车功率较大，电池供电电压往往只有7V左右，这时如果采