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第一届
“
飞思卡尔
”
杯全国大学生
智能汽车邀请赛
技 术 报 告
研究论文:智能寻迹小车控制算法研究与程序设计
学 校:
队伍名称:
参赛队员:
带队老师:
第一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告
目 录
第一章 引 言 ................................................................................................................. 1
第二章 智能小车设计分析 ............................................................................................. 2
2.1 设计要求 .................................................................................................................. 2
2.2 总体设计 .................................................................................................................. 2
2.3 方案论证 ................................................................................................................. 3
2.3.1 传感器设计方案 ............................................................................................. 3
2.3.2 控制算法设计方案.......................................................................................... 4
第三章 智能小车硬件设计 ............................................................................................. 5
3.1 机械设计 .................................................................................................................. 5
3.1.1 车模结构特点 ................................................................................................. 5
3.1.2 寻迹传感器布局 ............................................................................................. 5
3.1.3 系统电路板的固定及连接.............................................................................. 7
3.2 电路设计 .................................................................................................................. 7
3.2.1 传感器电路设计 .............................................................................................. 7
3.2.2 测速传感器的设计........................................................................................... 8
3.2.3 电源管理模块 ................................................................................................. 9
3.2.4 驱动模块 ........................................................................................................ 10
3.2.5 调试模块 ........................................................................................................11
第四章 智能小车软件设计 ........................................................................................... 12
4.1 总体流程图 ........................................................................................................... 12
4.2 PID控制算法 ......................................................................................................... 13
4.3 舵机方向控制算法 ................................................................................................ 14
4.4 速度控制算法 ....................................................................................................... 14
第五章 开发流程 ........................................................................................................... 16
5.1 单片机资源划分 .................................................................................................... 16
5.2 编译环境 ................................................................................................................ 16
5.3 下载调试 ................................................................................................................ 16
第六章 开发总结与心得 ............................................................................................... 17
6.1 开发与调试过程 ................................................................................................... 17
6.2 开发中遇到的几个典型问题................................................................................ 18
6.2.1 电源管理问题 ................................................................................................ 18
6.2.2 PID微分误差的问题...................................................................................... 19
6.2.3 电机电磁干扰的问题.................................................................................... 20
6.3 总结与展望 ........................................................................................................... 20
参考文献 ............................................................................................................................... 22
附录A:研究论文 .................................................................................................................... I
附录B:程序清单 ............................................................................................................XVIII
附录C:红外传感器参数说明 ................................................................................... XXXVII
附录D:配件清单 ..................................................................................................... XXXVIII
II
第一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告
第一章 引 言
智能小车以飞思卡尔 16 位微控制 MC9S12DG128B 为控制器,采用多传感
器进行信息采集,运用反射式红外传感器设计路径检测模块和速度监测模块。
同时,采用 PWM 技术,控制舵机的转向和电机转速。系统还扩展了 LCD(Liquid
Crystal Display:液晶显示屏)和键盘模块作为人机操作界面,以便于智能小车的
相关参数调整。此外,PID 寻迹算法结合 ABS(Anti-skid Brake System.:防抱死
系统)技术,使我们的小车能在曲折的赛道上畅通无阻。
技术报告以智能小车的设计为主线,包括小车的构架设计、软硬件设计,以
及控制算法研究等,分为六章。其中,第一章为引言部分,第二章主要介绍了
小车的总体设计,第三章对小车的硬件设计进行了详细的介绍,其中包括机械
改造,电路设计两大部分,第四章描述了小车的软件设计和相关算法,第五章
对使用到的单片机资源作了说明,第六章叙述了我们在设计过程中遇到的问题
和解决方法。附录 A 的研究论文介绍了小车智能行驶的控制算法,附录 B 为程
序源代码清单,红外传感器参数说明见附录 C,附录 D 为小车配件清单。
1
第一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告
第二章 智能小车设计分析
2.1 设计要求
在本次竞赛中,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。很明显,我们要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
系统框架如图 1-1 所示:
图 1.1 系统构架
人机界面模块
信息采集
速度信息采集
位置信息采集
信息处理 MCU
数
据
处
理
命
令
输
出
执行模块
电机操作
舵机操作
按键输入 LCD 液晶
显示
2
第一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告
如图 1-1 所示,该智能小车系统主要分为以下四大块:
(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。
(4) 人机交互模块:在该模块中包含了按键输入与 LCD 液晶显示,其中
按键用于调节小车的工作模式,同时也用于调节小车行驶时所需的一
些参数,结合 LCD 液晶显示,从而使整个小车系统更具人性化
2.3 方案论证
2.3.1 传感器设计方案
在传感器方案的选择中,有以下两种方案供参考:
方案一:使用 CCD 传感器来采集路面信息。使用 CCD 传感器,可以获取
大量的图像信息,可以全面完整的掌握路径信息,可以进行较远距离的预测和
识别图像复杂的路面,而且抗干扰能力强。但是对于本项目来说,使用 CCD 传
感器也有其不足之处。首先使用 CCD 传感器需要有大量图像处理的工作,需要
进行大量数据的存储和计算。因为是以实现小车视觉为目的,实现起来工作量
较大,相当繁琐。
方案二:使用光电传感器来采集路面信息。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,免去了繁复的图像处理工作,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。
在本次比赛中,赛道只有黑白两种颜色,小车只要能区分黑白两色就可以
3
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