毕业论文倒退行走式智能车速度控制算法设计.doc

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1、本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：倒退行走式智能车速度控制算法设计毕业设计(论文)毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校

2、要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论

3、文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日倒退行走式智能车速度控制算法设计摘 要本文根据飞思卡尔智能车大赛规则，设计了倒退行走式摄像头智能车的速度控制系统，使智能车能够在赛道上稳定运行。智能车采用飞思卡尔公司的9S12XSMAA单片机为核心控制器，配合有相应的硬件及H桥电机驱动电路，利用光电编码器测速形

4、成一个闭环负反馈速度控制系统。通过设计及调整智能车的机械结构和硬件电路图，编写控制系统C语言程序，对电机转速和舵机转角分别采用用增量式PID控制算法和位置式PD控制算法，从而实现对智能车的速度控制。本文还增加了直道加速、弯道减速的速度控制算法，并且采用了上位机与蓝牙相结合的方式对智能车车速进行调试，以寻求最优的PID控制系统参数。通过测试，智能车最终能以1.8m/s的速度平稳地通过赛道。关键词: 9S12XSMAA；PID控制；电机控制；舵机控制；H桥电机驱动电路Walking backwards smart car speed control algorithm design Abstrac

5、tIn the background of the Freescale Smart Car Competition, for the regressive group car camera design and image processing algorithms are discussed and research. Smart car through the OV7620 camera capture images using edge detection algorithms to identify the black line, with the active edge to str

6、ike the track centerline. Invalid filtered centerline of the calculated center of each line bias, and the track of the overall slope, intercept. Based on the deviation and the slope, the completion of the servo motor PD control and PID control, and track type identification, determine the specific c

7、ontrol scheme. Upon completion of the mechanical structure of the smart car modification and hardware system design, through actual testing, constantly optimize the speed of rotation of image processing and control algorithms.Keywords：Image processing; Camera sensors; Path recognition; PID control目

8、录第1章 引言11.1 飞思卡尔智能车的背景11.2 整体思路和总体介绍1第2章 车模系统机械设计22.1 差速器22.2 车轮定位32.3 舵机的安装6第3章 智能车硬件电路设计73.1 9S12XSMAA最小系统83.2 电源管理模块93.2.1 12V稳压电路103.2.2 TPS7350Q稳压电路123.2.3 LM2940稳压电路133.3 电机驱动模块133.4 速度反馈模块15第4章 智能车速度控制软件设计174.1 速度控制整体程序框架174.2 编译开发环境174.3 控制策略184.3.1 经典PID控制介绍194.3.2 位置式PID算法204.3.3 增量式PID算法2

9、04.3.4 控制器参数整定214.4 智能车的速度控制214.5 智能车的转向控制22第5章 系统调试245.1 整体性能分析调试245.2 单纯PID控制性能分析26第6章 结论31致 谢33参考文献34附 录35第1章 引言第1章 引言1.1 飞思卡尔智能车的背景随着现代科技的发展，汽车的数量越来越多，由此引发的汽车拥堵、车祸等一系列安全问题引起人们的重视。人们对汽车的智能化有了越来越高的要求，汽车生产商也推出越来越智能化的汽车来满足各种各样的市场要求。汽车的电子化已成为行业发展的必然趋势，它包括了汽车电子控制装置，通过电子装置控制汽车发动机、车身、动力转向系统以及制动防抱死等。汽车电子

10、的迅速发展必将满足人们逐步增长的对于安全、节能、环保以及智能化和信息化的需求。“飞思卡尔杯”智能汽车是以自动导航技术、汽车电子技术为背景，涉及自动控制、计算机、机械等多个学科。采用飞思卡尔公司16位单片机9S12XSMAA作为核心控制器，控制系统包括传感器信号采集处理、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等。摄像头组智能车是搭建基于视觉导航的智能汽车系统，通过摄像头对赛道图像的有效采集，然后再利用控制器进一步进行处理信息，作出相应的决策，控制小车寻迹。黑白边沿这种视觉寻迹系统以其灵活、信息量大等优势成为了未来的寻迹发展方向，在将来智能汽车电子应用上有非常广大的发展空间。1.2 整体思路和

11、总体介绍本文分章节介绍了智能车系统用于速度控制的各个模块，包括智能车机械结构的设计及调整、智能车系统架构及其硬件设计、智能车速度控制软件设计方案和系统调试。本智能车采用飞思卡尔公司的9S12XSMAA单片机为核心控制器，配合有相应的硬件及驱动电路，组成一个自动控制系统，由摄像头传感器、信息处理、控制算法和执行机构组成。“飞思卡尔杯”智能汽车竞赛赛道用专用的白色KT基板制作，赛道两边有黑线。赛道分为直道、小S虚线弯道、路障区、十字路口、上坡与下坡道路等，在控制算法上，采用位置式PD和增量式PID控制舵机和电机，窗口算法采集处理跑道，控制转速和转向，实现智能车直道加速、路障区和下坡路道减速等速率变

12、化控制。137第2章 车模系统机械设计第2章 车模系统机械设计模型车的机械机构和组装形式是整个模型车身的基础，机械结构的好坏对智能车的运行速度有直接的影响。经过大量的实验经验可以看出，机械结构决定了智能车的上限速度，而软件算法的优化则是使车速不断接近这个上线速度，软件算法只有在精细的机械结构上才能够更好的提高智能车的整体性能。2.1 差速器差速器处于传动轴与左右半轴的交汇点，从变速箱输出的动力在这里被分配到左右两个半轴。汽车在直线行驶时左右两个驱动轮的转速是相同的，由于在转弯时两边车轮的行驶距离不相等，因此两边车轮的转速也不相等。差速器的作用就在于允许左右两边的驱动轮以不同的转速运行。图2-1

13、车辆直线行驶差速器状态智能车直线行驶的时候左右两边驱动轮受到的阻力大致相同，发动机输出的动力首先传送到差速器壳体上使差速器的壳体开始转动，然后把动力从壳体传递到左右半轴上，由于两边车轮受到的阻力相同，因此差速器壳体内的行星齿轮跟着壳体公转时不会产生自转，两个行星齿轮咬合这两个半轴齿 轮以相同的速度转动，这样智能车就能直线行驶。1图2-2 一侧车轮遇到阻力差速器壳体通过齿轮和输出轴相连，在传动轴转速不变情况下差速器壳体的转速也不变，假设智能车现在向左转，左侧的车轮行驶的距离短，左侧驱动轮会受到更大的阻力。因此左侧半轴齿轮的转速会比差速器壳体的转速小，行星齿轮带动左侧半轴会更费力，这时行星齿轮会产

14、生自转，把更多的扭矩传递到右侧齿轮半轴上。行星齿轮的公转加自身的自转将导致右侧半轴齿轮会在差速器壳体转速的基础上增速，因此右侧车轮比左侧车轮转得快，从而实现智能车顺利通过左弯道。2.2 车轮定位智能车在正常行驶过程中，为了使汽车直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动回正，减少轮胎和转向系零件的磨损等，在转向轮、转向节和前轴之间形成一定的相对安装位置，叫这轮定位，其主要参数有：前轮前束、前轮外倾、后轮外倾。（1）前轮前束图2-3 前轮约束示意图前轮前束是指两轮后边缘距离A与前边缘距离R之差。图2-4 前轮前束Toe角度（束角）是描述从车的正上方看，车轮的前段和车辆纵线的夹角。车轮前端向内倾（内八字

15、），称为Toe_in；车轮前轮向外倾（外八字），称为Toe_out。当车轮有了外倾角后，在滚动时就类似于圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。由于转向横拉杆和车桥的约束使车轮不可能向外滚开，车轮将在地面上出现滚边向内滑移的现象，从而增加了轮胎的磨损。在安装车轮时，可以使两轮的前边缘距离R小雨后边缘距离A，从而使轮胎滚动时的偏斜方向抵消，轮胎内外侧磨损的现象将会减少。2Toe角度的大小会影响智能车的转向反应速度和直道行驶的稳定性。模型车是由舵机带动左右横拉杆实现转向的，改变左右横拉杆的长度即可改变前轮前束的大小和Toe角度，经过多次试验，选择了车轮前轮向内倾，即Toe_in。（2）前轮外倾通过车轮中心的智能车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角，称之为“前轮外倾角”，如图2-5所示。