[畢業(yè)設(shè)計(jì)精品]基于圖像處理技術(shù)的智能車(chē)設(shè)計(jì)(答辯版)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)基于圖像處理技術(shù)的智能車(chē)設(shè)計(jì)(a)smartcar design based on image processing techniques(a) 2008屆 電氣與電子工程 分院專(zhuān) 業(yè) 自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 完成日期 2008年5月25日學(xué)生姓名學(xué)號(hào)班級(jí)電0402-1班專(zhuān)業(yè)自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)題目基于圖像處理技術(shù)的智能車(chē)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師姓名指導(dǎo)教師職稱(chēng)教授助教評(píng) 定 成 績(jī)指導(dǎo)教師得分評(píng)閱人得分答辯小組組長(zhǎng)得分成績(jī)：院長(zhǎng)簽字：年 月 日摘 要智能車(chē)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)第三屆全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)競(jìng)賽的技術(shù)要求而完成。該系統(tǒng)主要包括微控制器模塊、電源管理模塊、路徑識(shí)別模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)向舵

2、機(jī)控制模塊、速度采集模塊以及輔助調(diào)試模塊等。該智能車(chē)系統(tǒng)以freescale16位單片機(jī)mc9s12dg128作為系統(tǒng)微控制器，采用cmos攝像頭作為路徑檢測(cè)傳感器，通過(guò)邊緣檢測(cè)與邊緣跟蹤相結(jié)合的方法提取賽道中的黑色引導(dǎo)線信息，通過(guò)自制的速度傳感器實(shí)時(shí)獲取小車(chē)速度，能夠根據(jù)前方的路徑信息及其當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采取相應(yīng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向與速度控制。本文將詳細(xì)介紹智能車(chē)各單元的設(shè)計(jì)與制作，其中包括小車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整、硬件控制電路各模塊的實(shí)現(xiàn)，以及軟件控制算法各模塊的設(shè)計(jì)等。另外，在文中還將對(duì)智能車(chē)制作過(guò)程中所采用的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)codewarrior ide及其使用方法，以及一些輔助調(diào)試工具等進(jìn)行簡(jiǎn)

3、要介紹。關(guān)鍵詞：智能車(chē)系統(tǒng) 圖像采樣 速度傳感器 控制策略 freescale16位單片機(jī)abstractaccording to technical requirements of the third national university intelligent vehicle tournament, we design the intelligent vehicle control system. the system is composed of microprocessor module, power management module, path recognition modul

4、e, motor driver module, servo control module, speed detection module and debugging accessorial module etc.the vehicle system, with the freescale16-bit single-chip mc9s12dg128 as its control microprocessor, using image sensor module based on cmos camera to obtain route image information, then abstrac

5、t the black lead line on the contest lane by edge detection method and edge follow method. the vehicle also uses a speed sensor made by ourselves to obtain the real time speed. it will give the proper turning angle and speed according to the prescient route information and the current state of itsel

6、f. in this paper, we will describe the design and execution of all the module which is used in the vehicle system in detail, including the adjustability of the vehicle mechanism structure, the accomplishment of hardware control circuit, the design of software control method etc. in addition, we will

7、 introduce the software codewarrior ide and some other debugging accessorial tools briefly, which is used to design the vehicle system. key words：intelligent vehicle system image sampling speed sensor control strategy freescale16-bit single-chip目 錄第1章 前言11.1 背景介紹11.2 路徑識(shí)別方案概述及比較1第2章 智能車(chē)系統(tǒng)總體概述32.1 智能

8、車(chē)系統(tǒng)組成32.2 系統(tǒng)各模塊的組成及其功能介紹4第3章 智能車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整53.1 前輪定位53.2 舵機(jī)安裝調(diào)整63.3 后輪齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整63.4 攝像頭安裝6第4章 智能車(chē)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案84.1 單片機(jī)mc9s12dg128b的最小硬件系統(tǒng)84.1.1 mc9s12dg128b的內(nèi)部資源介紹84.1.2 時(shí)鐘電路104.1.3 復(fù)位電路104.1.4 智能車(chē)設(shè)計(jì)中所使用單片機(jī)資源規(guī)劃114.2 電源管理模塊114.2.1 5v電源模塊124.2.2 6v電源模塊134.2.3 9v電源模塊134.3 圖像采集模塊144.3.1 攝像頭工作原理144.3.2 信號(hào)分離電路154.4

9、速度檢測(cè)模塊174.4.1 速度檢測(cè)方案比較174.4.2 直射式光電傳感器速度檢測(cè)方案184.5 轉(zhuǎn)向控制模塊194.5.1 舵機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)204.5.2 舵機(jī)的工作原理204.5.3 舵機(jī)控制204.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊224.6.1 mc33886簡(jiǎn)介及其特點(diǎn)224.6.2 mc33886的工作方式234.6.3 電機(jī)控制電路244.7 輔助調(diào)試模塊254.7.1 狀態(tài)顯示模塊254.7.2 在線調(diào)試模塊27第5章 智能車(chē)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案285.1 圖像采集模塊285.1.1 圖像采集軟件方案分析295.1.2 圖像采集軟件方案設(shè)計(jì)295.1.3 圖像采集模塊初始化305.2 引導(dǎo)線識(shí)別模塊

10、315.2.1 常用引導(dǎo)線識(shí)別方案介紹315.2.2 引導(dǎo)線識(shí)別軟件設(shè)計(jì)325.3 速度采集模塊365.3.1 速度采集軟件設(shè)計(jì)365.3.2 速度采集模塊初始化375.4 轉(zhuǎn)向控制模塊375.5 速度控制模塊395.5.1 pid控制介紹395.5.2 速度控制軟件設(shè)計(jì)405.6 輔助調(diào)試模塊425.6.1 狀態(tài)顯示模塊425.6.2 圖像數(shù)據(jù)傳輸模塊43第6章 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與調(diào)試446.1 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹446.2 codewarrior ide基本使用方法45第7章 結(jié)論與展望477.1 結(jié)論477.2 展望47參考文獻(xiàn)49致 謝50附 錄51附錄a 外文資料翻譯51附錄b 模型車(chē)主要參數(shù)

11、63附錄c 智能車(chē)整體電路圖64附錄d 智能車(chē)系統(tǒng)程序源代碼66第1章 前言1.1 背景介紹(1)國(guó)外背景韓國(guó)大學(xué)生智能車(chē)競(jìng)賽是韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)汽車(chē)控制實(shí)驗(yàn)室在飛思卡爾半導(dǎo)體公司資助下舉辦的以hcs12單片機(jī)為核心的大學(xué)生課外科技競(jìng)賽。該賽事由組委會(huì)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)模型、直流電機(jī)和可充電式電池，由參賽者制作一個(gè)能夠自主識(shí)別路線的智能車(chē)，在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的跑道上自動(dòng)識(shí)別道路行駛。智能車(chē)競(jìng)賽所涉及的專(zhuān)業(yè)知識(shí)包括控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽車(chē)電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科，對(duì)學(xué)生的知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，對(duì)高等學(xué)校控制及汽車(chē)電子學(xué)科學(xué)術(shù)水平的提高，具有良好的長(zhǎng)期的推動(dòng)作用。(2)國(guó)內(nèi)背景在我國(guó)，“

12、飛思卡爾”杯智能車(chē)競(jìng)賽是受教育部高等教育司委托(教高司函2005201號(hào)文)，由高等學(xué)校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦，在飛思卡爾公司資助下以hcs12單片機(jī)為主控微控制器的模型車(chē)設(shè)計(jì)。該項(xiàng)比賽與現(xiàn)己舉辦的全國(guó)數(shù)學(xué)建模、電子設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等一起被列入教育部主辦的全國(guó)大學(xué)生五大競(jìng)賽。第一屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)邀請(qǐng)賽于2006年8月在清華大學(xué)舉行。來(lái)自全國(guó)共57所大學(xué)的112支參賽隊(duì)，歷經(jīng)報(bào)名、資格評(píng)審、賽車(chē)制作與調(diào)試，以及技術(shù)報(bào)告的評(píng)審等各個(gè)階段的挑戰(zhàn)，最終有25支參賽隊(duì)進(jìn)入了決賽，清華大學(xué)2隊(duì)、上海交通大學(xué)速度之星隊(duì)及清華大學(xué)1隊(duì)分別位居前三強(qiáng)。2007年7月，第二屆“飛

13、思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽，先由東北賽區(qū)、華北賽區(qū)、華東賽區(qū)、華南賽區(qū)、西南賽區(qū)等五大賽區(qū)分別進(jìn)行預(yù)賽，各賽區(qū)進(jìn)入決賽的隊(duì)伍于2007年8月在上海交通大學(xué)進(jìn)行最終的角逐。本次比賽由上海交通大學(xué)cybersmart隊(duì)、上海交通大學(xué)速度之星隊(duì)、天津工業(yè)大學(xué)2隊(duì)分別名列前三名。今年，也即第三屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽仍將先由五大賽區(qū)分別進(jìn)行預(yù)賽，各賽區(qū)入圍者最終將在東北大學(xué)進(jìn)行角逐1。1.2 路徑識(shí)別方案概述及比較(1)基于光電傳感器的路徑識(shí)別方案基于反射式紅外發(fā)射接收管的光電傳感器陣列的路徑檢測(cè)方法具有檢測(cè)速度快，檢測(cè)方法簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，且具有較高的可靠性與穩(wěn)定性。但由于比

14、賽規(guī)定傳感器數(shù)量不能超過(guò)16個(gè)，這樣就限制了其水平分辨率，導(dǎo)致系統(tǒng)不能精確地分辨引導(dǎo)線位置，同時(shí)其垂直分辨率也非常低，只有一到兩線，不能很好地預(yù)測(cè)路徑走向。(2)基于線陣圖像傳感器的路徑識(shí)別方案線陣圖像傳感器的垂直分辨率仍然很低，只有一線，與紅外發(fā)射接收管相比，其水平分辨率很高，但其檢測(cè)速率相對(duì)于紅外傳感器要慢，并且這種路徑識(shí)別方法也存在著無(wú)法預(yù)測(cè)前方路徑走向的弊病，對(duì)小車(chē)的速度有一定的限制。(3)基于面陣圖像傳感器的路徑識(shí)別方案采用面陣圖像傳感器作為路徑檢測(cè)工具，無(wú)論是水平分辨率還是垂直分辨率都要高于線陣型傳感器，在路徑識(shí)別上具有很大的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)η胺铰窂竭M(jìn)行提前預(yù)測(cè)，對(duì)小車(chē)的行進(jìn)路線提前進(jìn)

15、行規(guī)劃，使得小車(chē)以最短最優(yōu)的路線行駛。但該方案也存在算法復(fù)雜，圖像處理難度大，路徑檢測(cè)速率低等缺點(diǎn)。比較以上幾種方案，可以看出面陣型圖像傳感器在智能車(chē)路徑識(shí)別上具有較大的優(yōu)勢(shì)，是比較理想的路徑檢測(cè)傳感器。這也是我在實(shí)際制作中所采用的傳感器，實(shí)際制作中我選用面陣型cmos攝像頭作為智能車(chē)行駛路徑的檢測(cè)傳感器。第2章 智能車(chē)系統(tǒng)總體概述2.1 智能車(chē)系統(tǒng)組成圖2-1 智能車(chē)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖智能車(chē)系統(tǒng)的功能模塊主要包括：控制核心(mcu)模塊、電源管理模塊、路徑檢測(cè)模塊、后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)向控制模塊、速度檢測(cè)模塊、以及輔助調(diào)試模塊。每個(gè)模塊都包括硬件和軟件兩部分。硬件為系統(tǒng)工作提供硬件實(shí)體，軟件為

16、系統(tǒng)提供各種算法。智能車(chē)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。為保證智能車(chē)能夠快速穩(wěn)定地行駛，微控制器須根據(jù)圖像采集傳感器所采集到的賽道信息快速準(zhǔn)確地對(duì)路徑進(jìn)行判斷，并根據(jù)速度檢測(cè)模塊所反饋回來(lái)的當(dāng)前小車(chē)的行駛狀態(tài)，對(duì)轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)以及后輪直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制。傳感器實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)信息，微控制器迅速地對(duì)各類(lèi)信息進(jìn)行處理，以及各模塊的密切配合是智能車(chē)快速行駛的關(guān)鍵。2.2 系統(tǒng)各模塊的組成及其功能介紹(1)控制核心模塊(mcu)。本系統(tǒng)采用freesale公司的16位單片機(jī)mc9s12dg128b作為主控制器。其主要功能是實(shí)時(shí)地完成對(duì)各傳感器所采集各類(lèi)信號(hào)的處理，并做出控制決策，輸出相應(yīng)的控制信

17、號(hào)。(2)電源管理模塊。主要包括5v電源模塊、6v電源模塊、9v電源模塊等。其主要是對(duì)電池電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)與分配，為各個(gè)模塊正常工作提供可靠的電源。(3)路徑檢測(cè)模塊。主要包括安裝在小車(chē)前端的一個(gè)cmos攝像頭，以及視頻分離模塊。其主要是完成對(duì)賽道黑色引導(dǎo)線的實(shí)時(shí)檢測(cè)與識(shí)別，為小車(chē)速度、轉(zhuǎn)向的控制提供依據(jù)。(4)后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由4片電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片mc33886組成。其主要是根據(jù)速度檢測(cè)模塊反饋的信號(hào)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的加速、減速、停止等進(jìn)行控制。(5)轉(zhuǎn)向控制模塊。主要由一個(gè)轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由傳感器反饋的路面信息以及小車(chē)的當(dāng)前狀態(tài)，經(jīng)過(guò)微控制器進(jìn)行一系列的計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果賦給轉(zhuǎn)向伺服電

18、機(jī)，從而準(zhǔn)確地控制小車(chē)轉(zhuǎn)向。(6)速度檢測(cè)模塊。采用一對(duì)紅外發(fā)射與接收管配合光電編碼盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。紅外發(fā)射接收管對(duì)后輪的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，將信號(hào)反饋給微控制器。微控制器根據(jù)光電編碼盤(pán)單位時(shí)間內(nèi)反饋的脈沖數(shù)，采用相應(yīng)的控制算法對(duì)直流電機(jī)的加減速進(jìn)行快速準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)。(7)調(diào)試輔助模塊。為方便小車(chē)調(diào)試，主要采用了串口通信設(shè)備、數(shù)碼管顯示以及8位撥碼開(kāi)關(guān)等輔助工具。其中采用串口通信設(shè)備可以將采集到的賽道圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)絧c機(jī)上，對(duì)所采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的分析；數(shù)碼管顯示主要用來(lái)顯示小車(chē)行進(jìn)過(guò)程中的各種實(shí)時(shí)信息；8位撥碼開(kāi)關(guān)則主要在實(shí)際賽道調(diào)試過(guò)程中，在多個(gè)預(yù)置方案之間進(jìn)行選擇，避免反復(fù)的下載程序。第3章

19、智能車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整3.1 前輪定位為了使小車(chē)直線行駛穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向后能自動(dòng)回正，并減少輪胎和轉(zhuǎn)向系零件的磨損等，在轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向節(jié)和前軸之間須形成一定的安裝位置，也即須對(duì)車(chē)輪進(jìn)行定位。其主要包括：主銷(xiāo)內(nèi)傾、主銷(xiāo)后傾、車(chē)輪外傾和前束四項(xiàng)參數(shù)23。(1)主銷(xiāo)內(nèi)傾主銷(xiāo)內(nèi)傾是指主銷(xiāo)裝在前軸略向內(nèi)傾斜的角度，它的作用是使前輪自動(dòng)回正。角度越大前輪自動(dòng)回正的作用就越強(qiáng)烈，但轉(zhuǎn)向時(shí)也越費(fèi)力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動(dòng)回正的作用就越弱。主銷(xiāo)內(nèi)傾角不宜過(guò)大，一般在010范圍內(nèi)調(diào)整時(shí)對(duì)模型車(chē)的性能影響不大，可根據(jù)模型車(chē)在實(shí)際賽道上的調(diào)試情況進(jìn)行調(diào)整。在實(shí)際制作中，經(jīng)過(guò)反復(fù)嘗試，最終將其定位在12范圍

20、。(2)主銷(xiāo)后傾主銷(xiāo)后傾是指主銷(xiāo)裝在前軸，上端略向后傾斜的角度。它使車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的離心力所形成的力矩方向與車(chē)輪偏轉(zhuǎn)方向相反，迫使車(chē)輪偏轉(zhuǎn)后自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的中間位置上。由此，主銷(xiāo)后傾角越大，車(chē)速越高，前輪穩(wěn)定性也愈好。但是，過(guò)大的后傾角也會(huì)使轉(zhuǎn)向沉重，由于實(shí)際采用的轉(zhuǎn)向舵機(jī)的性能偏軟，很可能導(dǎo)致模型車(chē)轉(zhuǎn)彎遲滯。實(shí)際制作中，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)后，將主銷(xiāo)后傾角設(shè)定在0。(3)前輪外傾角在汽車(chē)的橫向平面內(nèi)，前輪中心平面向外傾斜一個(gè)角度，稱(chēng)為前輪外傾角。前輪外傾角一方面可以使車(chē)輪接近垂直路面滾動(dòng)而滑動(dòng)，減小轉(zhuǎn)向阻力，使汽車(chē)轉(zhuǎn)向輕便；另一方面減少了軸承及其鎖緊螺母的載荷，增加了使用壽命，提高了安全性。一般前輪外

21、傾角為1左右，但對(duì)于有高速、急轉(zhuǎn)向要求的車(chē)輛，前輪外傾角可減小甚至為負(fù)值。由于本智能車(chē)主要用于競(jìng)速，且其前輪外傾角只有兩檔可調(diào)，故在實(shí)際制作中將其設(shè)定為0。(4)前輪前束俯視車(chē)輪，汽車(chē)的兩個(gè)前輪的旋轉(zhuǎn)平面并不完全平行，而是稍微帶一些角度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為前輪前束。前輪前束的作用是保證汽車(chē)的行駛性能，減少輪胎的磨損。前輪在滾動(dòng)時(shí)，其慣性力會(huì)自然將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動(dòng)時(shí)的偏斜方向就會(huì)抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象會(huì)減少。一般前束值為012mm。前輪前束與前輪外傾角應(yīng)當(dāng)匹配，由于實(shí)際中將前輪外傾角設(shè)定為0，所以將前輪前束設(shè)定為0mm。3.2 舵機(jī)安裝調(diào)整轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中有著非常重要的

22、作用，合適的前橋調(diào)整參數(shù)可以保證在車(chē)輛直線行駛過(guò)程中不會(huì)跑偏，即保證車(chē)輛行駛的方向穩(wěn)定性；而在車(chē)輛轉(zhuǎn)向后，合適的前橋可以使得車(chē)輛自行回到直線行駛狀態(tài)，即具有好的回正性?；谶@個(gè)原因，前橋參數(shù)調(diào)整及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)必然會(huì)成為智能車(chē)設(shè)計(jì)中機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點(diǎn)。在實(shí)際制作中，我將舵機(jī)安裝位置進(jìn)行了適當(dāng)?shù)纳?，并在?shí)際賽道中進(jìn)行了大量的測(cè)試來(lái)確定舵機(jī)的最終安裝位置，以保證小車(chē)具有良好是轉(zhuǎn)向性能以及行駛的穩(wěn)定性。3.3 后輪齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整模型車(chē)后輪采用智能車(chē)競(jìng)賽主辦方提供的rs-380sh-3545電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)軸與后輪軸之間的傳動(dòng)比為9/38(電機(jī)軸齒輪齒數(shù)為18，后輪軸傳動(dòng)輪齒數(shù)為76)。齒輪傳動(dòng)機(jī)

23、構(gòu)對(duì)車(chē)模的驅(qū)動(dòng)能力有很大的影響。齒輪傳動(dòng)部分安裝位置的不適當(dāng)，會(huì)大大增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪的負(fù)載，從而影響到小車(chē)的行駛速度。應(yīng)此，實(shí)際制作中須對(duì)小車(chē)的后輪齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的原則是：兩傳動(dòng)齒輪軸保持平行，齒輪間的配合間隙要合適，過(guò)松容易打壞齒輪，過(guò)緊又會(huì)增加傳動(dòng)阻力，白白浪費(fèi)動(dòng)力；傳動(dòng)部分要輕松、順暢，容易轉(zhuǎn)動(dòng)，不能有卡住或遲滯現(xiàn)象。判斷齒輪傳動(dòng)是否調(diào)整好的一個(gè)依據(jù)是，聽(tīng)一下電機(jī)帶動(dòng)后輪空轉(zhuǎn)時(shí)的聲音。聲音刺耳響亮，說(shuō)明齒輪間的配合間隙過(guò)大，傳動(dòng)中有撞齒現(xiàn)象；聲音悶而且有遲滯，則說(shuō)明齒輪間的配合間隙過(guò)小，或者兩齒輪軸不平行，電機(jī)負(fù)載加大。調(diào)整好的齒輪傳動(dòng)噪音小，并且不會(huì)有碰撞類(lèi)的雜音。3.4

24、攝像頭安裝攝像頭安裝位置的高低對(duì)智能車(chē)行進(jìn)過(guò)程中路徑識(shí)別的范圍，以及路徑識(shí)別的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性將產(chǎn)生直接的影響。安裝位置過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致視野不夠廣闊，使得有效的路徑識(shí)別范圍縮小；安裝位置過(guò)高，又會(huì)導(dǎo)致黑色引導(dǎo)線變得過(guò)窄而無(wú)法被檢測(cè)到，而且會(huì)使智能車(chē)系統(tǒng)重心抬高，從而降低了其穩(wěn)定性。安裝位置選擇的一個(gè)原則是：在此位置的拍攝范圍能滿(mǎn)足控制的需要?？刂频牟呗院?jiǎn)單，則所需的拍攝范圍就可以小一些；反之，控制策略復(fù)雜，需獲得的賽道信息較多，則拍攝范圍就應(yīng)大一些。在本智能車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為使智能車(chē)入彎時(shí)能區(qū)分是s彎還是普通的單向彎，在保證攝像頭能準(zhǔn)確檢測(cè)黑色引導(dǎo)線的基礎(chǔ)上，對(duì)攝像頭的安裝位置進(jìn)行了適當(dāng)?shù)纳摺Ｆ渚唧w

25、的安裝高度，及其視野范圍如圖3-1所示。圖3-1 攝像頭安裝示意圖第4章 智能車(chē)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案4.1 單片機(jī)mc9s12dg128b的最小硬件系統(tǒng)本智能車(chē)設(shè)計(jì)所使用的微控制器mc9s12dg128b是freescale公司推出的s12系列微控制器中一款增強(qiáng)型的16位單片機(jī)。該單片機(jī)集成度高，片內(nèi)資源豐富。它不僅在汽車(chē)電子、工業(yè)控制、中高檔機(jī)電產(chǎn)品等應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的用途，而且在flash存儲(chǔ)控制及加密等方面也有很強(qiáng)的功能。在汽車(chē)電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。s12系列單片機(jī)的中央處理器cpu12由以下三部分組成：算術(shù)邏輯單元alu，控制單元和寄存器組。cpu外部總線頻率為8mhz或者16mhz，通

26、過(guò)內(nèi)部鎖相環(huán)(pll)，可以使內(nèi)部總線速度達(dá)到25mhz。其尋址方式有16種。內(nèi)部寄存器組中的寄存器，堆棧指針和變址寄存器均為16位。它具有很強(qiáng)的高級(jí)語(yǔ)言支持功能46。4.1.1 mc9s12dg128b的內(nèi)部資源介紹mc9s12dg128b單片機(jī)具有豐富的片內(nèi)資源，簡(jiǎn)要概述如下：(1)hcs12核心16位hcs12中央處理器，兼容m68hc11指令集bdm(背景調(diào)試模式)(2)crg(時(shí)鐘與復(fù)位發(fā)生器)可選的colpitts振蕩器或者標(biāo)準(zhǔn)的pierce振蕩器看門(mén)狗時(shí)鐘監(jiān)視器(3)8位與4位具有中斷功能的端口數(shù)字濾波可編程的上升沿和下降沿觸發(fā)(4)存儲(chǔ)器128kb flash eeprom2k

27、b eeprom8kb ram(5)2個(gè)8通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器10位分辨率外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換功能(6)增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器16位主計(jì)數(shù)器，具有7位預(yù)分頻功能8位可編程的輸入捕捉和輸出比較通道4個(gè)8位或者2個(gè)16位的脈沖累加器(7)8路pwm通道8位8通道或者16位4通道各通道脈沖寬度和占空比獨(dú)立控制中央對(duì)齊或左對(duì)齊輸出可編程的時(shí)鐘選擇邏輯，具有較寬的頻率范圍快速緊急關(guān)斷輸入圖4-1 單片機(jī)片內(nèi)資源框圖(8)串行接口兩個(gè)異步串行通信接口(sci)兩個(gè)同步串行設(shè)備接口(spi)mc9s12dg128b單片機(jī)片內(nèi)資源框圖如圖4-1所示。4.1.2 時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路主要由石英晶體振蕩器和一些電容、電阻組成。雖然可以由

28、集成到單片機(jī)內(nèi)部的rc振蕩器產(chǎn)生其工作所需要的時(shí)鐘，但這種簡(jiǎn)單的時(shí)鐘電路頻率的穩(wěn)定性得不到保證，不如使用外部晶振來(lái)得穩(wěn)定；速度很快的單片機(jī)往往使用片內(nèi)集成的壓控振蕩器(vco)產(chǎn)生的高頻振蕩作為系統(tǒng)時(shí)鐘，但vco也需要外部晶振提供穩(wěn)定的頻率來(lái)鎖定起振頻率，其外部晶振電路有兩種接線方式，一種是串聯(lián)振蕩電路，另一種是并聯(lián)振蕩電路。在本智能車(chē)微控制器最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用并聯(lián)振蕩電路，其具體電路如圖4-2所示7。4.1.3 復(fù)位電路圖4-2 時(shí)鐘電路圖4-3 復(fù)位電路在mc9s12dg128b單片機(jī)片內(nèi)集成有上電復(fù)位電路，單片機(jī)上電時(shí)可自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，也就是說(shuō)在上電時(shí)不用給單片機(jī)的復(fù)位引腳外加任何

29、信號(hào)即可使其上電后開(kāi)始正常運(yùn)行，但是這有個(gè)條件必須滿(mǎn)足，那就是電源電壓(vdd)的上升速率。如果vdd上升速率緩慢，當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部復(fù)位信號(hào)結(jié)束時(shí)仍未達(dá)到單片機(jī)的額定工作電壓，那么單片機(jī)開(kāi)始工作就可能出現(xiàn)無(wú)法預(yù)料的結(jié)果。特別是片內(nèi)eeprom的安全，在混亂中如果被改寫(xiě)，將造成系統(tǒng)信息的丟失。為保證單片機(jī)上電時(shí)可靠復(fù)位，這里采用電平監(jiān)視器mc34064作為上電復(fù)位電路，當(dāng)電源電壓低于4.65v時(shí)，mc34064的輸出將保持低電平，這樣可保證單片機(jī)一直處于復(fù)位狀態(tài)。采用該芯片也可保證當(dāng)電源電壓跌落或者掉電時(shí)單片機(jī)及時(shí)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。另外，在復(fù)位電路中采用按鈕和上拉電阻組成手動(dòng)復(fù)位電路，以方便程序調(diào)試。復(fù)

30、位電路具體電路圖如圖4-3所示。4.1.4 智能車(chē)設(shè)計(jì)中所使用單片機(jī)資源規(guī)劃pad0：攝像頭視頻信號(hào)輸入irq：行同步脈沖信號(hào)輸入ph0：場(chǎng)同步信號(hào)輸入pt6：奇偶場(chǎng)同步信號(hào)輸入pt0：速度檢測(cè)光電編碼器脈沖信號(hào)輸入pwm23：舵機(jī)角度控制信號(hào)輸出pwm1、pwm 5：電機(jī)速度控制信號(hào)輸出ps5：數(shù)碼管顯示串行數(shù)據(jù)輸出ps6：數(shù)碼管顯示串行數(shù)據(jù)傳輸同步時(shí)鐘信號(hào)輸出pj0：數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)輸出pa口：輔助調(diào)試8位撥碼開(kāi)關(guān)輸入4.2 電源管理模塊電源作為智能車(chē)的動(dòng)力來(lái)源，為智能車(chē)上的控制器，執(zhí)行器，傳感器等提供可靠的工作電壓?，F(xiàn)在市面上常見(jiàn)的充電電池包括鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、堿性電

31、池和封閉式鉛酸電池等幾類(lèi)。由于鎳鎘電池具有價(jià)格便宜、技術(shù)成熟、電路簡(jiǎn)單、瞬間大電流供應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，它占據(jù)了大部分的消費(fèi)性電子產(chǎn)品市場(chǎng)，因此在本智能車(chē)設(shè)計(jì)中，采用國(guó)產(chǎn)鎳鎘可充電電池作為智能車(chē)的電源。單個(gè)鎳鎘電池只能提供1.2v的供電電壓，本智能車(chē)設(shè)計(jì)所使用的電池是由6節(jié)型號(hào)相同的1.2v電池串聯(lián)起來(lái)而得到7.2v的電池組，其標(biāo)稱(chēng)容量為2000mah，也就是說(shuō)，該電池可以在2a的供電電流下持續(xù)供電1小時(shí)。電源管理模塊主要是對(duì)電池電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，為各個(gè)模塊正常工作提供可靠的工作電壓。在智能車(chē)控制系統(tǒng)中，電源管理模塊需將7.2v電池電壓調(diào)節(jié)到5v、6v以及9v。其中，5v電壓主要提供給單片機(jī)、速度檢測(cè)

32、模塊、信號(hào)調(diào)理芯片、以及輔助調(diào)試模塊等；6v電壓主要為舵機(jī)的快速響應(yīng)提供保障；9v電壓則主要作為攝像頭的電源供應(yīng)；而直流電機(jī)的電源則直接采用7.2v電池為其供電。智能車(chē)系統(tǒng)圖4-4 智能車(chē)系統(tǒng)電源分配圖電源分配圖如圖4-4所示。4.2.1 5v電源模塊由于5v電源要給控制核心單片機(jī)供電，所以，要求電源電壓比較穩(wěn)定，噪聲?。煌瑫r(shí)，由于5v電源還要為圖像分離芯片、速度檢測(cè)傳感器、以及攝像頭升壓模塊提供電源，因此，其必須具有較大的電流容量。圖4-5 5v穩(wěn)壓電路圖常用的5v穩(wěn)壓芯片有l(wèi)m7805、lm2940-5等?？紤]到lm7805內(nèi)部功率損耗大，全部壓降均轉(zhuǎn)換成熱量損失了，電源效率比較低，因此，

33、在本次智能車(chē)設(shè)計(jì)中，放棄了lm7805，而選用lm2940-5作為5v穩(wěn)壓芯片。lm2940-5具有壓降小(其典型壓降為0.5v)，輸出電流較大(其輸出電流可達(dá)1a)，具有短路保護(hù)等特點(diǎn)。5v穩(wěn)壓電路圖如圖4-5所示。4.2.2 6v電源模塊圖4-6 6v穩(wěn)壓電路圖6v電源主要是為舵機(jī)提供工作電壓。實(shí)際工作時(shí)，由于舵機(jī)所需要的工作電流一般在幾十毫安左右，且電壓無(wú)需十分穩(wěn)定，因此，可以采用電池電壓串聯(lián)兩個(gè)二極管作為舵機(jī)的電能供應(yīng)?？紤]到實(shí)際中電池剛充滿(mǎn)電時(shí)電壓可達(dá)8.5v左右，在整個(gè)小車(chē)運(yùn)行過(guò)程中電池電壓變化較大，從而使得舵機(jī)的響應(yīng)速度受到較大影響。因此，在智能車(chē)實(shí)際制作中，為了使舵機(jī)的響應(yīng)速度

34、較快，同時(shí)使其穩(wěn)定性也不至于太差，最終采用了穩(wěn)定輸出的6v電壓為舵機(jī)提供工作保證。6v穩(wěn)壓選用輸出可調(diào)的三端穩(wěn)壓芯片lm1117-adj來(lái)實(shí)現(xiàn)。lm1117-adj具有靜態(tài)功耗較小(4ma)，輸出電流可達(dá)800ma，且具有過(guò)熱過(guò)流保護(hù)等功能8，其完全能夠滿(mǎn)足舵機(jī)所需要的電壓和電流。6v穩(wěn)壓電路圖如圖4-6所示。4.2.3 9v電源模塊由于本次智能車(chē)設(shè)計(jì)所選用的攝像頭為市面上常見(jiàn)的cmos攝像頭，其額定工作電壓為9v，而電池最高充電電壓也只能達(dá)到8.5v左右，因此，需要采用升壓電路來(lái)為攝像頭提供工作電壓。實(shí)際制作中，采用應(yīng)用比較廣泛的dc-dc電源變換集成電路mc34063來(lái)進(jìn)行升壓。mc340

35、63芯片具有轉(zhuǎn)換效率高，升壓范圍較廣，所需的外圍器件較少，最大輸出電流可達(dá)1.5a等特點(diǎn)，其極性反轉(zhuǎn)效率最高可達(dá)65%，降壓效率最高可達(dá)80%，而升壓效率最高可達(dá)90%9。由其所提供的電壓與電流完全能夠滿(mǎn)足攝像頭的需要。9v升壓電路如圖4-7所示。為了提高9v輸出電壓的穩(wěn)定性，保證攝像頭穩(wěn)定工作，實(shí)際制作中，將mc34063的輸入接至lm2940-5的輸出，也即采用穩(wěn)定輸出的5v電壓作為9v升壓圖4-7 9v升壓電路模塊的輸入，以利于提高9v輸出電壓的穩(wěn)定性。4.3 圖像采集模塊4.3.1 攝像頭工作原理攝像頭分黑白和彩色兩種，根據(jù)賽道特點(diǎn)可知，為達(dá)到尋線目的，只需提取畫(huà)面的灰度信息，而不必提

36、取其色彩信息，所以本設(shè)計(jì)中采用的是黑白攝像頭。攝像頭主要由鏡頭、圖像傳感芯片和外圍電路構(gòu)成。圖像傳感芯片是其最重要的部分，但該芯片要配以合適的外圍電路才能工作。將芯片和外圍電路制作在一塊電路板上，稱(chēng)為“單板”。若給單板配上鏡頭、外殼、引線和接頭，就構(gòu)成了通常所見(jiàn)的攝像頭，如聊天用的攝像頭；若只給單板配上鏡頭，這就是“單板攝像頭”。單板攝像頭日常生活中不多見(jiàn)，生產(chǎn)單板的公司通常將它們賣(mài)給其它公司，其它公司再按自己的要求包裝這些單板。單板通常有三個(gè)端子：電源端、地端和視頻信號(hào)端(有的還多出一個(gè)端子，那是音頻信號(hào)端)。電源接的電壓要視具體的單板而定，目前一般有兩種規(guī)格：6-9v或9-12v。視頻信號(hào)

37、的電壓一般位于0.5v-2v之間。圖4-8 攝像頭視頻信號(hào)攝像頭的工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采集圖像上的點(diǎn)，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過(guò)圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度一一對(duì)應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過(guò)視頻信號(hào)端輸出。具體而言，攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，則輸出就是一段連續(xù)的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)的高低起伏反映了該行圖像的灰度變化。當(dāng)掃描完一行，視頻信號(hào)端就輸出一個(gè)低于最低視頻信號(hào)電壓的電平(如0.3v)，并保持一段時(shí)間。這樣相當(dāng)于，緊接著每行圖像信號(hào)之后會(huì)有一個(gè)電壓“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標(biāo)志。然后，跳過(guò)一行后(因?yàn)閿z像頭是隔行掃描的)，開(kāi)始

38、掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場(chǎng)的視頻信號(hào)，接著會(huì)出現(xiàn)一段場(chǎng)消隱區(qū)。該區(qū)中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖，其中有個(gè)遠(yuǎn)寬于(即持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于)其它的消隱脈沖，稱(chēng)為場(chǎng)同步脈沖，它是掃描換場(chǎng)的標(biāo)志。場(chǎng)同步脈沖標(biāo)志著新的一場(chǎng)的到來(lái)，不過(guò)，場(chǎng)消隱區(qū)恰好跨在上一場(chǎng)的結(jié)尾和下一場(chǎng)的開(kāi)始部分，得等場(chǎng)消隱區(qū)過(guò)去，下一場(chǎng)的視頻信號(hào)才真正到來(lái)。攝像頭每秒掃描25幀圖像，每幀又分奇、偶兩場(chǎng)，先奇場(chǎng)后偶場(chǎng)，故每秒掃描50場(chǎng)圖像。奇場(chǎng)時(shí)只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場(chǎng)時(shí)則只掃描偶數(shù)行10。攝像頭輸出的視頻信號(hào)如圖4-8所示。4.3.2 信號(hào)分離電路(1)信號(hào)分離方案介紹要能有效地對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采樣，首先要處理好的問(wèn)題是如何提取出攝

39、像頭信號(hào)中的行同步脈沖、消隱脈沖和場(chǎng)同步脈沖。這里有兩種可行的方法。第一，直接通過(guò)單片機(jī)ad進(jìn)行提取。因?yàn)樾型矫}沖、消隱脈沖或場(chǎng)同步脈沖信號(hào)的電平低于這些脈沖以外攝像頭信號(hào)的電平，所以據(jù)此可設(shè)定一個(gè)信號(hào)電平閾值來(lái)判斷ad采樣到的信號(hào)是否為上述三類(lèi)脈沖。第二，就是給單片機(jī)配以合適的外圍芯片，此芯片要能夠提取出攝像頭信號(hào)的行同步脈沖、消隱脈沖和場(chǎng)同步脈沖以供單片機(jī)作控制之用?？紤]到單片機(jī)的速度有限，而一些脈沖的間隔時(shí)間又較短，為了減輕其處理負(fù)擔(dān)，采用了第二種方法進(jìn)行信號(hào)提取。lm1881視頻同步信號(hào)分離芯片可從攝像頭信號(hào)中提取信號(hào)的時(shí)序信息，如行同步脈沖、場(chǎng)同步脈沖和奇、偶場(chǎng)信息等，并將它們轉(zhuǎn)換

40、成ttl電平直接輸給單片機(jī)的i/o口作控制信號(hào)之用。lm1881的端口定義如圖4-9所示1112。其中，引腳2為視頻信號(hào)輸入端；引腳1為行同步信號(hào)輸出端；引腳3為場(chǎng)同步信號(hào)輸出端，當(dāng)攝像頭信號(hào)的場(chǎng)同步脈沖到來(lái)時(shí)，該端將變?yōu)榈碗娖剑话憔S持230us，然后重新變回高電平；引腳7為奇偶場(chǎng)同步信號(hào)輸出端，當(dāng)攝像頭信號(hào)處于奇場(chǎng)時(shí)，該端為高電平，當(dāng)處于偶場(chǎng)時(shí)，為低電平。事實(shí)上，不僅可以用場(chǎng)同步信號(hào)作為換場(chǎng)的標(biāo)志，也可以用奇偶場(chǎng)間的交替作為換場(chǎng)的標(biāo)志。圖4-9 lm1881端口定義(2)lm1881的特點(diǎn)lm1881主要特點(diǎn)如下：-交流耦合的復(fù)合視頻輸入信號(hào)源；-大于10的輸入阻抗；-小于10ma的消耗電

41、流；-復(fù)合同步和垂直同步輸出；-奇偶場(chǎng)輸出；-色同步輸出；-水平掃描頻率可達(dá)到150khz；-邊沿觸發(fā)的場(chǎng)輸出；-對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)產(chǎn)生默認(rèn)的場(chǎng)同步輸出。(3)圖像采集電路圖4-10 圖像采集電路由lm1881及其外圍電路構(gòu)成的攝像頭圖像采集電路如圖4-10所示。攝像頭視頻信號(hào)端接lm1881的視頻信號(hào)輸入端，同時(shí)也接入s12單片機(jī)的一路ad轉(zhuǎn)換端口，這里選用pad0。lm1881的行同步信號(hào)端(引腳1)接入單片機(jī)的外部中斷引腳(irq)，同時(shí)將lm1881的場(chǎng)同步信號(hào)輸入到單片機(jī)具有中斷功能的ph0口，將奇偶場(chǎng)同步信號(hào)輸入到ect模塊中pt6口，這樣，既可以采用查詢(xún)方式獲取奇偶場(chǎng)信號(hào)跳變，又

42、可以采用脈沖捕捉方式獲取電平變化。通過(guò)這樣的接線，為軟件開(kāi)發(fā)提供了多種選擇的機(jī)會(huì)，使程序更加靈活。4.4 速度檢測(cè)模塊4.4.1 速度檢測(cè)方案比較由于受車(chē)模機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，必須采用體積小、重量輕的速度傳感器，目前常用的有三種方案可供選擇，分別介紹如下：(1)霍爾傳感器配合稀土磁鋼在主后輪驅(qū)動(dòng)齒輪處，通過(guò)打孔，將幾塊很小的稀土磁鋼鑲在里面，然后將霍爾元件安裝在附近，通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)變化，可以得到電脈沖信號(hào)，獲取后輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度。該方案的優(yōu)勢(shì)是：獲取信息準(zhǔn)確，體積小，而且不增加后輪負(fù)載。劣勢(shì)是：齒輪處靠近主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，容易受磁場(chǎng)干擾；對(duì)齒輪打孔，容易損壞齒輪。(2)光電編碼器購(gòu)買(mǎi)光電編碼器安裝在主驅(qū)動(dòng)齒輪上

43、，通過(guò)齒輪傳過(guò)來(lái)的轉(zhuǎn)動(dòng)信息，獲取后輪轉(zhuǎn)角。該方案的優(yōu)勢(shì)是：獲取信息準(zhǔn)確，精度高，搭建容易。劣勢(shì)是：增加后輪負(fù)載；光電編碼器體積較大，導(dǎo)致車(chē)重增加。(3)光電傳感器在主驅(qū)動(dòng)齒輪表面附上黑白間隔的彩帶，將反射型光電傳感器安裝在齒輪附近，當(dāng)黑白彩帶交替通過(guò)時(shí)，產(chǎn)生一系列電脈沖，由此獲取轉(zhuǎn)動(dòng)速度。也可以對(duì)齒輪打孔，采用直射型光電傳感器，通過(guò)間斷接受到的紅外光，產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，獲取轉(zhuǎn)動(dòng)速度。該方案的優(yōu)勢(shì)是：體積小，不增加后輪負(fù)載。劣勢(shì)是：精度受到光電管體積的限制。比較以上3種方案，考慮到系統(tǒng)的可靠性，首先排除霍爾元件方案，又由于很難買(mǎi)到體積較小、且較輕的光電編碼器，考慮到車(chē)重的任何增加都有可能影響到車(chē)速

44、，因此放棄光電編碼器方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，最終采用直射式光電傳感器方案。4.4.2 直射式光電傳感器速度檢測(cè)方案(1)直射式光電傳感器測(cè)速原理圖4-11 速度檢測(cè)原理圖如圖4-11所示，直射式光電傳感器測(cè)速方案是由一個(gè)具有一定縫隙的編碼盤(pán)，以及一對(duì)直射式紅外發(fā)射與接收管所組成。紅外發(fā)射與接收管安裝在編碼盤(pán)兩側(cè)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)編碼盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣由編碼盤(pán)間斷性地遮擋紅外發(fā)射與接收管，即可產(chǎn)生一系列的電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速率加快，也即編碼盤(pán)遮擋紅外發(fā)射與接收管的頻率升高，單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的電脈沖數(shù)就會(huì)相應(yīng)地增多。由紅外發(fā)射與接收管直接輸出的電脈沖信號(hào)是不規(guī)則的脈沖，尤其在脈沖頻率較高的情況下，其輸

45、出的脈沖信號(hào)接近于正弦波，應(yīng)此，須對(duì)紅外發(fā)射與接收管輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行整形才便于微控制器進(jìn)行脈沖采集。施密特觸發(fā)器是常用的脈沖整形電路。施密特觸發(fā)器是一種雙閾值的特殊電壓比較器。當(dāng)輸入電壓高于上閾值時(shí)，觸發(fā)器輸出高電平；當(dāng)輸入電壓低于下閾值時(shí)，觸發(fā)器輸出低電平；當(dāng)輸入電壓處于下閾值和上閾值之間的“死區(qū)”時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)不發(fā)生改變?！八绤^(qū)”作用也常被稱(chēng)為“滯回”。這一特點(diǎn)很有用，因?yàn)樗哂幸欢ǖ目乖肼暩蓴_的能力13。由紅外發(fā)射與接收管所輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后，變成標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)。經(jīng)施密特電路整形后的脈沖波形如圖4-11中所示。(2)速度檢測(cè)電路考慮到編碼盤(pán)制作精度以及制作過(guò)程較復(fù)雜，

46、智能車(chē)測(cè)速模塊實(shí)際制作時(shí)直接采用機(jī)械式鼠標(biāo)中的編碼盤(pán)作為測(cè)速碼盤(pán)，并直接選用機(jī)械式鼠標(biāo)中的紅外發(fā)射與接收管作為速度檢測(cè)的光電傳感器。圖4-12 速度檢測(cè)電路編碼盤(pán)為一個(gè)直徑為20mm的圓盤(pán)，在其周?chē)鶆虻胤植贾?5個(gè)縫隙。在編碼盤(pán)的中心打孔，將其固定在智能車(chē)的后輪轉(zhuǎn)軸上，這樣，當(dāng)小車(chē)的后輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)編碼盤(pán)也轉(zhuǎn)動(dòng)一周。紅外發(fā)射與接收管固定在編碼盤(pán)的兩側(cè)，當(dāng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)，編碼盤(pán)隨后輪轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，其齒部斷續(xù)地遮擋紅外線光束，使得接收管接收到斷續(xù)的光脈沖信號(hào)。經(jīng)過(guò)如圖4-12所示的電路，將接收管接收到的光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。編碼盤(pán)的齒部間斷地遮擋紅外發(fā)射與接收管，就會(huì)在接收管的輸出端間斷地產(chǎn)生高

47、低電平，當(dāng)遮擋的頻率較高時(shí)，接收管輸出的高低電平的波形是不規(guī)則的，這里采用常用的集成施密特觸發(fā)器74hc14對(duì)接收管的輸出波形進(jìn)行整形。經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后得到比較理想的脈沖信號(hào)，將其輸入單片機(jī)的脈沖計(jì)數(shù)模塊，從而對(duì)小車(chē)的速度脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明，采用此方案進(jìn)行速度檢測(cè)能滿(mǎn)足小車(chē)控制精度的要求。4.5 轉(zhuǎn)向控制模塊舵機(jī)的轉(zhuǎn)向控制模塊是智能車(chē)上的重要模塊，小車(chē)靈巧的轉(zhuǎn)向是其能快速過(guò)彎的保證，所以如何加快舵機(jī)的響應(yīng)速度是轉(zhuǎn)向控制模塊要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。實(shí)際制作中對(duì)舵機(jī)的安裝方式進(jìn)行了調(diào)整，具體調(diào)整方式已在“智能車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整”一章，“舵機(jī)安裝調(diào)整”這一節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，在此就不再進(jìn)行贅述。這一節(jié)主

48、要介紹一下舵機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理及其控制方式。4.5.1 舵機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖4-13 舵機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)一般來(lái)講，舵機(jī)主要由以下幾個(gè)部分組成：舵盤(pán)、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)5k、直流電機(jī)、控制電路板等。其中，小型直流電機(jī)提供了原始動(dòng)力，帶動(dòng)減速齒輪組，產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，輸出扭力也愈大，越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也愈低。舵機(jī)內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖4-13所示。4.5.2 舵機(jī)的工作原理舵機(jī)是一個(gè)典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)。控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓進(jìn)行比較，獲得

49、電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤(pán)。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是相連的，舵盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，直到電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。4.5.3 舵機(jī)控制(1)舵機(jī)的接線方式圖4-14 舵機(jī)接線圖舵機(jī)有三根引出線，分別為紅色、黑色與白色。其中，紅色引線為舵機(jī)的電源線，為舵機(jī)提供工作電壓；黑色引線為地線；白色引線為舵機(jī)的控制信號(hào)線，由此線為舵機(jī)提供轉(zhuǎn)向控制信號(hào)。舵機(jī)接線圖如圖4-14所示。(2)舵機(jī)的

50、控制方式圖4-15 舵機(jī)控制脈沖舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角度與輸入舵機(jī)的正脈沖的寬度成對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)輸入舵機(jī)的正脈沖的寬度為1ms時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)向-60度位置；當(dāng)輸入舵機(jī)的正脈沖的寬度為1.5ms時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)向0度位置；當(dāng)輸入舵機(jī)的正脈沖的寬度為2ms時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)向+60度的位置。舵機(jī)控制脈沖寬度如圖4-15所示。產(chǎn)生舵機(jī)控制信號(hào)的方式一般有三種：-軟件計(jì)數(shù)方式；-定時(shí)中斷方式；-pwm硬件產(chǎn)生方式。在本智能車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了mc9s12dg128單片機(jī)的pwm控制器模塊。mc9s12dg128單片機(jī)具有8路8位pwm輸出，且可以通過(guò)寄存器設(shè)置將其設(shè)置成4路16位pwm輸出；各路pwm具有較寬的輸出頻率范圍，其時(shí)鐘邏

51、輯可通過(guò)編程來(lái)選擇；各路pwm的輸出周期以及占空比也可通過(guò)程序獨(dú)立設(shè)定。為了提高舵機(jī)轉(zhuǎn)向的控制精度，在實(shí)際制作中，采用了1路16位的pwm輸出pwm23來(lái)產(chǎn)生舵機(jī)的轉(zhuǎn)向控制信號(hào)。(3)舵機(jī)控制電路本次智能車(chē)制作所采用的舵機(jī)為智能車(chē)賽事組委會(huì)統(tǒng)一提供的futaba-s3010型舵機(jī)。該舵機(jī)的工作角度為：45度，其有兩種工作電壓，分別是4.8v和6.0v。當(dāng)工作電壓為4.8v時(shí)，其工作速度為0.11sec/60，堵轉(zhuǎn)力矩為6.1kg.cm；當(dāng)工作電壓為6.0v時(shí)，其工作速度為0.08sec/60，堵轉(zhuǎn)力矩為7.7kg.cm。在實(shí)際使用中，為了提高舵機(jī)的響應(yīng)速度和工作力矩，采用了6.0v工作電壓。舵

52、機(jī)控制具體電路圖如圖4-16所示圖4-16 舵機(jī)控制電路。其中，端子1、3為舵機(jī)提供工作電壓，端子2為單片機(jī)pwm模塊輸出的pwm控制信號(hào)，該端子與舵機(jī)的信號(hào)輸入端相接，由單片機(jī)的16位pwm信號(hào)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。4.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊智能車(chē)的速度是智能車(chē)設(shè)計(jì)所追求的主要目標(biāo)之一，而驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)的選取決定了智能車(chē)速度所能達(dá)到的最高極限。因此，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊也是智能車(chē)設(shè)計(jì)最重要的模塊之一。本次智能車(chē)設(shè)計(jì)所采用的電機(jī)是由智能車(chē)賽事組委會(huì)提供的rs380-st/3545型小型直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電路采用了4片由freescale公司提供的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片mc33886來(lái)實(shí)現(xiàn)。4.6.1 mc33886簡(jiǎn)介及其特點(diǎn)

53、(1)mc33886簡(jiǎn)介mc33886是一個(gè)具有20個(gè)引腳的單片理想的h橋式小功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。它的集成電路包含內(nèi)部邏輯控制，電荷泵，門(mén)控驅(qū)動(dòng)，及低讀選通金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸出電路。mc33886能夠控制連續(xù)感應(yīng)直流負(fù)載上升到5a，輸出負(fù)載脈寬調(diào)制頻率可達(dá)10khz，其有一個(gè)故障狀態(tài)輸出端，可以及時(shí)報(bào)告欠壓、短路、過(guò)熱等異常情況。兩路獨(dú)立輸入控制兩個(gè)半橋的推拉輸出電路的輸出，兩個(gè)無(wú)效使能輸入使h橋產(chǎn)生三態(tài)輸出(呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài))。mc33886的內(nèi)部原理圖如圖4-17所示。(2)mc33886的特點(diǎn)工作電壓：5-40v；導(dǎo)通電阻：120；輸入信號(hào)：兼容ttl/cmos輸入；pwm頻

54、率：可達(dá)10khz；具有短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)；圖4-17 mc33886內(nèi)部原理圖具有錯(cuò)誤報(bào)告端口等。4.6.2 mc33886的工作方式mc33886外部引腳圖如圖4-18所示。其中，v+是為直流電機(jī)供電的電源。in1和in2兩個(gè)邏輯電平輸入端分別控制輸出端out1和out2。當(dāng)in1輸入為高電平時(shí)，out1輸出也為高電平；當(dāng)in1輸入為低電平時(shí)，out1輸出也為低電平。in2和out2的關(guān)系與in1和out1的關(guān)系相同。fs為故障信號(hào)開(kāi)漏極輸出，當(dāng)該引腳為低電平時(shí)有效。d1、d2為輸出三態(tài)使能控制端，當(dāng)d1為高電平或者d2為低電平時(shí)，同時(shí)禁用out1和out2的輸出，使out1和o

55、ut2同時(shí)變?yōu)楦咦钁B(tài)。通過(guò)控制in1和in2的電平，即可控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止。對(duì)in1和in2的電平信號(hào)進(jìn)行脈寬調(diào)制，即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖4-18 mc33886 外部引腳mc33886工作方式的真值表如表4-1所示。表4-1 mc33886工作方式真值表電機(jī)狀態(tài)輸入狀態(tài)錯(cuò)誤報(bào)告輸出狀態(tài)d1d2in1in2fsout1out2正轉(zhuǎn)lhhlhhl反轉(zhuǎn)lhlhhlh自由運(yùn)轉(zhuǎn)lhllhll自由運(yùn)轉(zhuǎn)lhhhhhh欠壓xxxxlzz過(guò)溫xxxxlzz短路xxxxlzz注：h表示高電平、l表示低電平、x表示高電平或者低電平、z表示高阻狀態(tài)4.6.3 電機(jī)控制電路由于一片mc33886的額定輸出流為5

56、a，如果采用一片此芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，此芯片發(fā)熱將比較嚴(yán)重。再考慮到電機(jī)rs380-st/3545在額定電壓(即7.2v)下堵轉(zhuǎn)時(shí)電流可超過(guò)16a，這個(gè)電流已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一片mc33886所能承受的電流，因此，如果采用一片mc33886來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，當(dāng)電機(jī)賭轉(zhuǎn)時(shí)間稍長(zhǎng)時(shí)，芯片將會(huì)由于電流過(guò)大而被燒毀。在實(shí)際制作中，采用了4片mc33886相并聯(lián)的形式來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。采用4片芯片并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，即使達(dá)到了電機(jī)的電流極限，也即16a時(shí)，理想狀態(tài)下每片芯片平均分配的電流為4a，這樣，一方面能減少每一片芯片的發(fā)熱量，避免了芯片因?yàn)檫^(guò)熱或者過(guò)流而出現(xiàn)故障；另一方面也減小了每一片mc33886的帶載，從而也就增加了對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力。一片mc33886的電路圖如