智能车自动控制器的软件设计

毕业设计（论文）

开题报告

题目智能车自动控制器的软件设计系别电子信息与电气工程系

年级专业（班级）

姓名

指导老师

完成时间 2012年3月20日

合肥学院电子信息与电气工程系毕业设计（论文）开题报告

附页：

《智能车自动控制器的软件设计》

开题报告

一、研究背景

随着我国科学技术的进步，智能化和自动化技术越来越普及，各种高科技也广泛应用于智能小车和机器人玩具制造领域，使智能机器人越来越多样化。智能小车是一个多种高新技术的集成体，它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。而智能电动车正是智能机器人的一种，具有不可估量的实际意义。智能车辆是一个运用计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术来实现环境感知、规划决策和自动行驶为一体的高新技术综合体。它在军事、民用和科学研究等方面已获得了应用，对解决道路交通安全提供了一种新的途径。随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究，许多国家已经把电子设计比赛作为创新教育的战略性手段。电子设计涉及到多个学科，机械电子、传感器技术、自动控制技术、人工智能控制、计算机与通信技术等等，是众多领域的高科技。电子设计技术，它是一个国家高科技实例的一个重要标准，可见其研究意义很大。

二、国内外研究概况

2.1国内背景

智能小车的发展主要是在自动化控制领域，一些院校为了培养学生动手及编程能力，同时提高学生的兴趣，为智能小车控制领域提供了环境。同时一些比较大型的比赛，如全国电子设计大赛开始采用这类的题目，虽然都是用小车，但是控制方式都是不一样。在智能小车现今发展最好的当时“飞思卡尔”举行的比赛，采用先进的摄像头采集黑线线路，此时要求芯片的运算速度是非常高的。其他的一些黑线检测题目，都加了其他的一些要求，如两辆小车交叉抢跑等。

智能车辆是集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，是智能交通系统的一个重要组成部分。它在军事、民用、太空开发等领域有着广泛的应用前景。本次设计对智能小车的控制系统进行了研究，设计实现一个基于路径规划处理的智能小车控制系统。

无容置疑，机电一体化人才的培养不论是在国外还是国内，都开始重视起来，主要表现在大学生的各种大型的创新比赛，比如：亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛（ABU ROBCON）、全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛等众多重要竞赛都能很好的培养大学生对于机电一体化的兴趣与强化机电一体化的相关识。但很现实的状况是，国内不论是在机械还是电气领域，与国外的差距还是很明显的，所以作为机电一体化学生，必须加倍努力，为逐步赶上国外先进水平并超过之而努力。

2.2国外背景

美国国防远景研究规划局 DARPA 从 2004 年开始举办无人车大奖赛，以百万美元的奖金吸引各大高校和企业参与无人驾驶车辆的研究工作。2004 年的比赛在沙漠中进行。但在全长近 250 公里的路线上，最远的一队也仅仅跑了 11.78 公里而已。2005年的比赛有 5 辆车完成比赛，斯坦福大学 Sebastian Thrun 教授带领的 Stanford RacingTeam 的 Stanley 赛车获得冠军，他们使用了一辆改装过的大众途锐 R5 柴油车。2006年的比赛难度再次加大，从沙漠移到了城市里，在加州的 Victorville，队伍完全被置身于真实的道路状况之中，包括避让，拥堵，加入车流和遵守交通规则等。卡内基梅隆大学最终获得冠军和200万美元的奖励，斯坦福获得第二名和 100 万美元，而第三名被维吉尼亚理工学院夺得。2007 年底在加利福尼亚维克托维尔举办了第三届智能汽车大赛。一款经过改装的智能化雪佛兰——太和运动型多功能车在无人操控的情况下行驶了 6 个小时，行程 60 英里(约 96 公里)，夺得大赛冠军。韩国大学生智能模型车竞赛是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔导体公司资助下举办的以 HCS12 单片机为核心的大学生课外科技竞赛。组委将提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一能够自主识别路线的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，跑完整个赛程用时最短且技术报告评分较高的参赛队为获胜者。制作智能模型车，要参赛队伍学习和应用嵌入式软件开发工具软件Codewarrior 和在线开发手段自行设计和制作可以自动识别路径的方案、电机的驱动电路、模型车的车速传感电路、模型车转向伺服电机的驱动以及微控制器MC9S12DP256 控制软件编程，等等。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、机械等多个学科，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的长期的推动作用。

三、主要内容和设计方案

3.1主要内容

采用飞思卡尔16 位微控制器MC9S12DG128 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，完成智能车工程制作及调试，于指定地点参加场地比赛。本设计需实现以下：

1、根据比赛规则设计智能汽车自动控制器的硬件方案；

2、智能汽车的传感器的信息处理和识别并实现沿跑道运行；

3、实现智能汽车沿跑道的快速运行并能根据跑道的变化进行相应的调整。

3.1设计原理

设计自动控制器是制作智能车的核心环节，作为能够自动识别道路运行的智能车，车模和控制器可以看成一个自动控制系统，它可以分为传感器、信息处理、控制算法、执行机构四个部分。本次设计需要制作出一个能够自主识别道路并行驶的智能车。在模型车的制作过程中，最关键的问题就是如何探寻黑线，如何施以合适的控制策略来确保小车在不违背规则的前提下沿赛道尽可能快速稳定的

前进。

3.3 设计思想

明确工作原理以后，为了更方思路更清晰地对程序编写，还应该作出程序的总体框图。做好框图后，可以据要求的功能，分模块进行程序的编写。

四、系统的设计

4.1 系统硬件

控制系统必须首先掌握控制对象的特性。根据对智能车特点的分析，可以认为智能车转向控制系统的传递函数近似为一阶积分加纯滞后，速度控制对象的传递函数近似为一阶惯性加纯滞后的结论。转向控制系统主要是要求响应速度快，对稳态控制精度要求不高。而且控制对象只有积分和滞后环节，没有常见的惯性环节。根据以上特点，转向控制采用PD控制器。对速度进行检测和控制的意义在于尽可能使智能车按照道路条件允许的最高速度行驶。

在弯道应将车速限制为不脱轨的最高速度，在直道应当适当进行急加速以缩短单圈运行时间，提高比赛成绩。同时，对速度信号进行积分求和可以得到赛道长度信息，为道路识别与记忆模块提供数据。智能车速度控制系统的精度不需要太高，关键是如何快速响应赛道的路况变化。因此速度控制采用PID控制器。针对不同的道路状况迅速准确地改变车速，实现稳定过弯。

智能车的硬件电路主要由视频处理模块、方向控制模块和车速控制模块组成。各模块与单片机之间的关系如图1所示：