智能小車系統(tǒng)設(shè)計【河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計】

1、河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 摘要 隨著科學(xué)的發(fā)展和科技的進步，人們在完成一件事情的時候不單單只關(guān)注結(jié)果而且也越來越多的考慮過程的影響，比如說對環(huán)境的影響還有方便程度等，而且對智能化的要求也越來越高。兩輪智能車不僅節(jié)省了空間而且節(jié)省了能源,為人們未來的生活帶來了不少好處。 本系統(tǒng)以MC9S12XS128MAA單片機為核心，其中還包括傾角檢測模塊、速度檢測模塊、電源模塊、電機驅(qū)動模塊、路徑檢測模塊、撥碼盤組成。電源模塊把7.2V電壓轉(zhuǎn)換為5V、3.3V電壓，速度檢測模塊檢測電機的速度，傾角檢測模塊檢測智能車的傾角從而為控制智能車的直立提供信息，撥碼盤可對電機的速度進行直接設(shè)定。本系統(tǒng)有兩個

2、電機驅(qū)動，一個電機驅(qū)動一個輪子，通過電機轉(zhuǎn)速的不同實現(xiàn)方向控制和直立控制。本智能車可以沿著特殊的路徑進行智力的行走。 本系統(tǒng)顯示了高度的智能化，可以為無人駕駛汽車的后續(xù)研究提供經(jīng)驗，方便人們的生活和工作。關(guān)鍵詞：MC9S12XS128MAA單片機、傳感器、PID算法 Abstract With the development of science, When finish one thing people don't just focus on results, but also more and more considering the influence of the proces

3、s .For example the influence of environment and the convenience of life. And people have high requirement of intelligent. Two rounds of smart car not only saves space and save the energy. Make peoples life more and more convenience and comfortable. This system with MC9S12XS128MAA single-chip microco

4、mputer as the core.This system aslo contains Angle detection module、Speed detection 、modulepower module driver module of electric motor 、Path detection module. Dial the encoder. The angle can offer information to make the smart car upright. Power supply module convert voltage of 7.2 V to 5 V, 3.3 V

5、voltage. Speed detection module to detect the speed of the motor. Dial the encoder can be set speed of the motor .This system has two motor ,one motor drive one wheel Through the speed of the motor can make the smart car upright. The smart car can walk along a path of special intelligence. This syst

6、em shows the highly intelligent.Make peoples life more convenience.At he same time can save a lot of time to do other things.Keyword: MC9S12XS128MAA、sensor、PID arithmetic2 第一章 引言1.1兩輪自平衡小車研究的意義 兩輪自平衡小車的研究是在移動機器人研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。移動機器人隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷進步，現(xiàn)在機器人的發(fā)展水平可以代表一個國家的綜合實力。兩輪自平衡小車也是移動機器人的一種。它是自動控制理論與技術(shù)和動力學(xué)

7、理論相結(jié)合的一個研究性課題，可以感知動態(tài)決策的能力，兩輪自平衡智能車能夠靈活的運動而且能夠保持平衡的行走，兩輪智能車的結(jié)構(gòu)特殊能夠適應(yīng)地形的變化，能在復(fù)雜的環(huán)境下進行工作。兩輪智能車還有其他的一些優(yōu)點比如：1、體積小，便于存儲，節(jié)省空間而且靈活方便。2、功率小，使電池能長時間的供電，節(jié)省資源。3、轉(zhuǎn)彎半徑極小，科技含量高。 由于兩輪自平衡小車有以上各種優(yōu)點所以兩輪智能小車會在軍用和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。因為它既有理論研究意義又有實用價值，所以兩輪自平衡小車的研究在最近十年引起了大量機器人技術(shù)實驗室的廣泛關(guān)注。1.2兩輪自平衡小車的研究現(xiàn)狀 在兩輪自平衡機器人的研究領(lǐng)域，美國、日本和瑞士等

8、國家研究得較多，而且己經(jīng)達到了一個很高的水平，國內(nèi)的研究相對還比較少。以下分別介紹國內(nèi)外一些主要的兩輪自平衡機器人。1.2.1國外研究現(xiàn)狀 在兩輪自平衡小車的研究上，國外的專家和愛好者們?nèi)〉昧艘幌盗械某晒?，以下介紹國外幾個比較先進的兩輪自平衡小車： 由美國科學(xué)家David P. Anderson2研發(fā)的兩輪自平衡機器人Nbot基于倒立擺的小型自平衡兩輪車模型，是由HCllrobotcontr0ller進行控制的。 由瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院工業(yè)電子實驗室的研究人員研制的名為JOE是由DSP芯片進行控制的。它由車架上方所附的重物模擬實際車中的駕駛者。 研究人員通過陀螺儀和光電編碼器測量的數(shù)據(jù)，用線性狀態(tài)

9、反饋控制器來控制整個系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定。由美國發(fā)明家 Dean Kamen開發(fā)的SEGWAY HT兩輪個人交通工具是一個更為實用、成熟以及商業(yè)化的兩輪運載車的版本。它可以承載站立在平臺上的駕駛者，并在保持平衡的狀態(tài)下在多種路面上進行便捷的運動，它使用了五個陀螺儀和一個收集其他角度傳感器數(shù)據(jù)的集成器來保持自身的直立狀態(tài)。SEGway是源于美國的醫(yī)療器材生廠商強生公司所開發(fā)的一種自動平衡式動力輪椅iBOT，這個設(shè)計是為了給殘疾人提供服務(wù)，通過它可以實現(xiàn)自由上下樓梯，SEGWAY踏板位置低于兩輪軸心的連線，系統(tǒng)有一定的自穩(wěn)定性能，從而使控制的難度有所下降。其運動特性類似蕩秋千，總是自然的向鉛直的平衡位置

10、回歸。 2004年，Homebrew機器人俱樂部的Ted Larson和 Bob Allen制作了兩輪自平衡機器人Bender，并在機器人上安裝了一個攝像頭使它也成為一款自主移動機器人。它由三層板構(gòu)成，支架做得很高，使重心豎直靠上。但其平衡表現(xiàn)很出色，獲得了第一屆年度Robolymipics'' Best of Show''類金。1.2.2國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 我國在兩輪自平衡小車的研究方面也做出了很大的貢獻，同時也取得了很大的成就。 1）西安電子科技大學(xué)研究出了自平衡兩輪機器人，它是一種兩輪式左右并布置結(jié)構(gòu)的自平衡系統(tǒng)。它利用伺服放大器ADS作為控制器，選擇兩個Ma

11、xson電機作為執(zhí)行元件，采用自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制器對小車這一非線性對象進行大范圍控制，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自平衡。 2）哈爾濱工業(yè)大學(xué)也有類似的雙輪直立自平衡機器人，該系統(tǒng)采用DSP作為控制核心。車體傾斜角度檢測采用加速度傳感器和陀螺儀。利用PWM技術(shù)動態(tài)控制兩臺直流電機的轉(zhuǎn)速?；谶@些完備而可靠的硬件設(shè)計，使用了一套獨特的軟件算法，實現(xiàn)了該系統(tǒng)的平衡控制。 3）佛山市順德區(qū)合動智能裝備有限公司已經(jīng)自主研發(fā)出單輪、兩輪自平衡車，包含采用TI DSP的高性能自平衡小車直流無刷電機驅(qū)動器和自平衡小車控制器。 4）2004年，河南科技大學(xué)研制的平衡雙輪電動機樣機，其控制器是C8051F020單片機，選取陀

12、螺儀和傾角傳感器檢測轉(zhuǎn)動角速率和傾角，通過控制算法得到的電壓信號經(jīng)D/A然后驅(qū)動電機。 5）2005年，北京郵電大學(xué)制作了自平衡雙輪移動機器人，車體重心是在機軸線下方，其機械結(jié)構(gòu)是輪子上裝有球形外殼，開始用遙控器控制運動車體會擺動。在控制系統(tǒng)升級后，用陀螺儀來檢測小車姿態(tài)，經(jīng)過控制算法來實現(xiàn)小車的自平衡。1.2.3國內(nèi)外研究分析總結(jié) 通過上邊對國內(nèi)外對兩輪自平衡小車研究的表述可知，一般兩輪自平衡小車研究基礎(chǔ)大多是倒立擺模型，而且研究最多的是有質(zhì)心的小車，通過質(zhì)心可以更好的控制小車的直立。 一般都是通過加速度傳感器，陀螺儀，加速度計等測量，通過把這些數(shù)據(jù)再次融合來得到小車的姿態(tài)。同時還要有更精密

13、的算法來保障系統(tǒng)有良好的性能。當(dāng)前對兩輪自平衡機器人的控制方法大致可分為：經(jīng)典控制方法、現(xiàn)代控制方法、智能控制方法。而本文主要是通過PID算法來控制小車。 第二章 總體方案設(shè)計 賽車的性能主要由機械結(jié)構(gòu)、硬件和軟件三大部分決定，機械結(jié)構(gòu)是自平衡小車能夠運動的基礎(chǔ)，軟件和硬件是小車能夠?qū)崿F(xiàn)功能的重要部分。所以本自能小車從機械結(jié)構(gòu)、硬件、軟件三個方面來設(shè)計。 系統(tǒng)整體方案設(shè)計流程圖 系統(tǒng)整體以MC9S12XS128MAA單片機為中心，結(jié)合電源模塊、電機驅(qū)動模塊、傾角檢測模塊、速度檢測模塊、路徑檢測模塊等組合而成。要求小車能夠直立的行走。 電源模塊由固定的7.2V電源利用LM2940低壓差線性穩(wěn)壓芯

14、器件產(chǎn)生5V電源，利用ASM1117低壓差調(diào)節(jié)器產(chǎn)生3.3V電源。7、2V、5V、3.3V電源為整個系統(tǒng)的供電電源。電機速度可以用電機速度傳感器中的光電編碼器輸出的數(shù)字脈沖信號經(jīng)過8位的脈沖計算器得到然后運用PID算法得到速度控制的輸出量從而實現(xiàn)小車的速度控制；電機的傾角可以根據(jù)傾角檢測模塊中的加速度傳感器和陀螺儀得到車模的傾角和角加速度值再使用PID算法得到小車的傾斜角和角速度從而實現(xiàn)小車的直立控制，為了得到更加精確的角度信息需要對角度差進行卡爾曼濾波，避免波動噪聲的影響；運用PID算法可以使曝光時間隨著光線的不同而自適應(yīng)的改變，曝光采用中斷的形式進行。智能車的方向控制、速度控制、傾角控制歸

15、根到底都是對小車電機速度的控制，通過調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)小車的直立和運動。本系統(tǒng)還要求小車能夠沿著固定的路線運動，這就要求小車具有檢測路徑的功能，利用CCD輸出的電壓采用二值化提取黑線。本系統(tǒng)還可以利用撥碼盤將開關(guān)變量直接接入單片機從而調(diào)節(jié)小車的速度，能夠更好更方便的控制小車。2.1 機械方面的總體設(shè)計 智能車的機械調(diào)整作為最基礎(chǔ)的部分，車模的機械調(diào)整主要分為：線性 CCD 的安裝；編碼器的安裝；電路板的固定；陀螺儀和加速度計的安裝；電池的安裝。2.2 硬件方面的總體設(shè)計 (1) 主控使用112 引腳的 MC9S12XS128 芯片，因為其引腳 IO多，可以控制的外圍較多的外圍設(shè)備； （2）整

16、個系統(tǒng)由7.2V、3、3V、5V三種直流電供電。其中7.2V電源是由直接提供的可充電電池供電，5v、3.3V是通過7.2V電池來實現(xiàn)的。 （3）電機驅(qū)動模塊由4片BTS7970兩兩組成了一個H橋，行成兩個驅(qū)動橋，驅(qū)動左右電機。 （4）傾角檢測模塊由加速度傳感器和陀螺儀等組成。 （5）速度檢測模塊由電機傳感器歐姆龍編碼器實現(xiàn)。 （6）陸經(jīng)檢測模塊通過線性CCD采集信號經(jīng)放大電路后檢測路徑的狀況。 （7）無線檢測模塊由Nrf24L01無線模塊和PT2272模塊構(gòu)成，為了了解車模的運行狀況，在調(diào)試階段使用來保護小車。2.3 軟件方面的總體設(shè)計 (1) 對各個模塊進行初始化； (2) 將整個程序分為每

17、 5ms 為一個周期循環(huán)執(zhí)行，其中 5ms 中分為每 1ms 中執(zhí)行不同的任務(wù)； (3) 在一個周期中的 1ms 為對編碼器的脈沖進行計數(shù)以及對陀螺儀和加速度計的模擬量進行采集； (4) 在一個周期中的 2ms 為對采集的角度進行融合并進行直立控制； (5) 在一個周期中的 3ms 為對速度進行閉環(huán)控制； (6) 在一個周期中的 4ms 為采集 CCD128 個像素點的數(shù)值； (7) 在一個周期中的 5ms 為對車模的方向進行控制。 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 單片機的最小系統(tǒng) 單片機的最小系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心。單片機112引腳的MC9S12XS128MAA，本單片機處理的速度較快，能夠很好地

18、完成系統(tǒng)各個模塊的運算。故單片機的最小系統(tǒng)版使用MC9S12XS128MAA做核心。3.1.1 MC9S12XS128性能概述 MC9S12XS128是16位單片機，由16位中央處理單元（CPU12X）、128KB程序Flash(P-lash)、8KB RAM、8KB數(shù)據(jù)Flash(D-lash)組成片內(nèi)存儲器。主要功能模塊包括： 內(nèi)部存儲器、 內(nèi)部PLL鎖相環(huán)模塊、 2個異步串口通訊 、SCI 1個串行外設(shè)接口 、SPI 和MSCAN 模塊 。1個8通道輸入/輸出比較定時器模塊 TIM 周期中斷定時器模塊 PIT 16通道A/D轉(zhuǎn)換模塊 ADC 1個8通道脈沖寬度調(diào)制模塊 、PWM 輸入/輸

19、出數(shù)字I/O口。3.1.2輸入/輸出數(shù)字I/O口 MC9S12XS系列具有豐富的輸入/輸出端口資源，同時集成了多種功能模塊，端口包括PORTA、PORTB、PORTE、PORTK、PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH、PORTJ和PORTAD共11個端口。端口引腳大多為復(fù)用口，往往具有多重功能，所有端口都具有通用I/O口功能。PORTA、PORTB、PORTK為通用I/O口 、PORTE中的IRO和XIRQ引腳可作為外部中斷輸入、 PORTT集成了TIM模塊功能、 PORTS集成了SCI和SPI模塊功能 、PORTM集成了CAN總線模塊 、PORTP集成了PWM模塊功能、

20、 PORTH、PORTJ可作為外部中斷輸入口 、PORTAD集成了ATD模塊功能 。在 MC9S12XS128 單片機中有些特殊功能可定義為多個引腳，如 PWM、SCI1 模塊。對于這些具有相同功能的引腳定義，由端口 T 路徑寄存器 PTTRR和模塊路徑寄存器MODDR確定。3.1.3輸入輸出端口功能和配置 通用 I/O 通過配置相應(yīng)寄存器位，可以設(shè)置為輸入/輸出端口、驅(qū)動能力、內(nèi)置上拉/下拉電阻使用、中斷輸入方式等多種功能。 1.PORTA 為通用 I/O 口, 共 8 個,作為通用數(shù)字 I/O 口使用,未集成特殊功 能.主要配置寄存器有：數(shù)據(jù)寄存器 PORTA、數(shù)據(jù)方向寄存 DDRA、上拉

21、電阻控制寄存器 PUCR 和驅(qū)動控制寄存器 RDR。 2.PORTB 為通用數(shù)字 I/O 口, 共 8 個。其使用與 PORTA 基本一樣。主要配置寄存器有：數(shù)據(jù)寄存器 PORTB、數(shù)據(jù)方向寄存 DDRB。上拉電阻控制寄存器 PUCR 和驅(qū)動控制寄存器 RDR 與 PORTA 、PORTB、PORTE、PORTK 共用。 3.PORTE 可作為通用數(shù)字 I/O 口使用, 80 封裝也有共 8 個引腳。其使用與PORTA 基本一樣。但是 PORTE 中集成了外部中斷輸入功能，其 PE0/XIRQ 和 PE1/IRO 引腳可作為外部中斷輸入。并且這兩位只能作為輸入口使用。主要配置寄存器有：數(shù)據(jù)寄存

22、器 PORTE、數(shù)據(jù)方向寄存 DDRE。 4.PORTK 為通用數(shù)字 I/O 口。但從前表可以看出 112 封裝單片機 PORTK 口有 7 個，80 封裝和 64 封裝沒有 PORTK 口。其使用與 PORTA 基本一樣。主要配置寄存器有：數(shù)據(jù)寄存器 PORTK、數(shù)據(jù)方向寄存 DDRK。 5. PORTH：PORTH 可作為通用數(shù)字 I/O 口使用, 也集成了外部中斷輸入功能。但 80封裝沒有 PORTH 口，在此不作詳細描述。6. PORTT 、PORTS 、PORTM 、PORTP 、PORTH 、PORTJ：此 6 個端口的寄存器名稱和功能基本上是一樣的。主要配置寄存器有：數(shù)據(jù)寄存器

23、PTx、輸入寄存器 PTIx、數(shù)據(jù)方向寄存 DDRx、驅(qū)動控制寄存器 RDRx、上拉/下拉使能寄存器 PERx 和上拉/下拉選擇寄存器 PPSx 共 6 個寄存器。因 PORTP 、PORTH 、PORTJ 三個端口具有外部中斷功能，增加了中斷使能寄存器 PIEx 和中斷標(biāo)志寄存器 PIFx 兩個寄存器。3.1.4電源相關(guān)引腳MC9S12XS128 單片機的電源引腳匯總參見下表引腳名稱額定電壓描述VDDR5.0外部電源，為內(nèi)部調(diào)壓器供電VSSR0VDDX1、VDDX25.0外部電源和地，為I/O口供電VSSX2、VSSX10/VDDA5.0VDDA 5.0 A/D 轉(zhuǎn)換器工作電源和地，為內(nèi)部電

24、壓調(diào)節(jié)器提供參考電源，允許單獨為 A/D 提供工作電壓VSSA0VRH5.0A/D轉(zhuǎn)換器參考電源和地VRL0VDD1.8內(nèi)部電源和地，由內(nèi)部調(diào)節(jié)器為內(nèi)核供電VSS1、VSS2、VSS30VDDF2.8內(nèi)部電源和地，由內(nèi)部調(diào)節(jié)器為內(nèi)部NVM供電VDDPLL1.8為鎖相環(huán)（PLL）提供工作電源和地，由內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生。允許單獨為 PLL 提供工作電壓VSSPLL03.2電源模塊 要求智能車只能使用7.2V20000mAh Ni-Cd電池供電，而整個系統(tǒng)中電源還需要為其他模塊供電，而其他模塊所需要的電壓不全是7.2V電壓，所以需要對7.2V固定的電池電源進行處理得到為其他模塊供電的電壓。而且整個系

25、統(tǒng)中電能的質(zhì)量對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及整體功能的實現(xiàn)非常重要，因此電源模塊的構(gòu)建非常重要。 本系統(tǒng)各個模塊所需要的供電電壓為7.2V、5V、3.3V。3.2.1 5V電源的實現(xiàn) 5V電源實現(xiàn)需要穩(wěn)壓芯片，一般情況下經(jīng)常采用三端穩(wěn)壓芯片。對電源的質(zhì)量要求不太高的場合經(jīng)常使用LM7805，用 LM7805穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生5V電壓，優(yōu)點是電路簡單，電壓輸出紋波小，電壓的質(zhì)量較高但是其缺點是功耗大、效率低。對于驅(qū)動電機的電路不太實用。 單片機自身的功耗小、但是對電源的要求高，經(jīng)過對比使用LM2940低壓差線性穩(wěn)壓芯片，LM2940輸出電流為1A而且輸出電壓的紋波較小、輸出功率大。 穩(wěn)壓5V電路原理圖系統(tǒng)中

26、還需要有3.3V的電源，所以需要利用已有的電壓生成。+3.3V 電源需要用 LM1117 芯片實現(xiàn)。LM1117 是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在 1.2V 輸出負載電流為 800mA 時為 1.2V。它與國家半導(dǎo)體的工業(yè)標(biāo)準器件 LM317 有相同的管腳排列。LM1117 有可調(diào)電壓的版本。通過 2 個外部電阻可實現(xiàn) 1.2513.8V 輸出電壓范圍。另外還有 5 個固定電壓輸出1.8V、2.5V、2.85V、3.3V 和 5V 的型號。 LM1117 提供電流限制和熱保護。電路包含1 個齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在±1%以內(nèi)。具體電源模塊原理圖如圖所示： 穩(wěn)壓

27、3.3V電路原理圖 3.3電機驅(qū)動模塊電機的驅(qū)動可以使用專用的電機驅(qū)動芯片、達林頓管驅(qū)動、場效應(yīng)管驅(qū)動。方案一：單獨使用一片33886 驅(qū)動能力強，有過流保護功能，狀態(tài)監(jiān)測功能，通過PWM調(diào)節(jié)可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。電機驅(qū)動芯片MC33886，內(nèi)部具有過流保護電路，剎車效應(yīng)好，接口簡單易用，雖然能夠提供比較大的驅(qū)動電流，但對于小車驟然加速時所需的電流還是不夠的，發(fā)熱量也比較大。優(yōu)點：應(yīng)用電路簡單，實現(xiàn)方便。缺點：芯片驅(qū)動電流小，內(nèi)阻大，可能存在發(fā)熱嚴重的問題，不好加散熱片。方案二：采用兩片或者四片MC33886并聯(lián) 幾片并聯(lián)的，但芯片很熱，不好加散熱片，但歸根結(jié)蒂還是芯片驅(qū)動電流小，內(nèi)阻大所致。也可以采

28、用兩片MC33886并聯(lián)，但容易出現(xiàn)一個發(fā)燙另一個不發(fā)燙的情況。優(yōu)點：可以增大驅(qū)動能力，減少單片機發(fā)熱量。缺點：存在均流不佳的問題，有礙提高整個裝置的輸出，甚至造成器件和裝置的損害。方案三：33886 + 場效應(yīng)管驅(qū)動 采用MC33886或其他驅(qū)動芯片與場效應(yīng)管設(shè)計驅(qū)動。優(yōu)點：驅(qū)動電流理論上能達到74A，解決了33886的散熱問題， 充分發(fā)揮33886的性能，場效應(yīng)管也不用加散熱片，使小車發(fā)揮更好的加速性能。缺點：電路復(fù)雜。方案四：H橋驅(qū)動 半橋集成芯片BTS7960可以達到63A的電流，而且內(nèi)阻較小，效率非常高，其中邏輯電路已經(jīng)集成其中，使得驅(qū)動控制十分簡單。根據(jù)以上各個方案我們選擇方案四作

29、為電機的驅(qū)動方案。BTS7970 應(yīng)用非常簡單，只需要向芯片第2 引腳輸入PWM 波就能控制。當(dāng)系統(tǒng)中只需要單向控制時，只需要讓電機一端接地，另一端接BTS7970 第4 引腳它是一款針對電機驅(qū)動應(yīng)用的完全集成的大電流半橋芯片。它是 NovalithICTM 系列的成員之一，它的一個封裝中集成了一個P 通道場效應(yīng)管在上橋臂和一個N 通道場效應(yīng)管在下橋臂以及一個控制集成電路，P型管在柵極為低電平時導(dǎo)通，N型管在柵極為高電平時導(dǎo)通。由于集成在內(nèi)驅(qū)動集成電路具有邏輯電平輸入，與微控制器的連接變得非常簡單，且該驅(qū)動集成電路還具有電流檢測診斷、轉(zhuǎn)換率調(diào)整、死區(qū)時間生成以及過熱、過壓、欠壓、過流和短路保護

30、。BTS7970 在較小的電路板空間占用的情況下為大電流保護的 PWM 電機驅(qū)動提供了一種成本優(yōu)化的解決方案。如果需要電機雙向旋轉(zhuǎn)控制，則需要另一片BTS7970 共同組成全橋。為了能獲得更大的輸出電流，該驅(qū)動模塊使用4片BTS7970組成了一個全橋。本小車車模是雙電機結(jié)構(gòu)，因此我們用的驅(qū)動板共用 4 片 BTS7970，兩兩組成了一個 H 橋，共兩個驅(qū)動橋，分別驅(qū)動左右電機。此芯片開關(guān)頻率可以達到 25kHZ，可以很好地解決電機噪聲大和發(fā)熱的問題、同時驅(qū)動能力有了明顯的提高，相應(yīng)速度快。但是，電機變速時會使電源電壓下降 10%左右，控制器等其他電路容易產(chǎn)生掉電危險，從而使整個電路系統(tǒng)癱瘓。為

31、了避免意外的發(fā)生在驅(qū)動芯片與單片機系統(tǒng)之間增加了隔離保護芯片74LS244。74LS244是單向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器集成8路三態(tài)門，主要用于三態(tài)輸出，作為地址驅(qū)動器、時鐘驅(qū)動器、總線驅(qū)動器和定時發(fā)送器。高電平輸出電流-15mA低電平輸出電流24mA。每組有一個控制端G由控制端的高或低電平?jīng)Q定該組數(shù)據(jù)被接通還是斷開。 BTS7970 典型應(yīng)用電路橋臂上的 4 個場效應(yīng)管相當(dāng)于四個開關(guān)，P 型管在柵極為低電平時導(dǎo)通，高電平時關(guān)閉；N 型管在柵極為高電平時導(dǎo)通，低電平時關(guān)閉。場效應(yīng)管是電壓控制型元件，柵極通過的電流幾乎為“零“?？刂票?1 置高電平（U=VCC）、控制臂 2 置低電平（U=0）時，Q1、Q

32、4 關(guān)閉，Q2、Q3 導(dǎo)通，電機左端低電平，右端高電平，所以電流沿箭頭方向流動。設(shè)為電機正轉(zhuǎn)，其圖見圖1。控制臂 1 置低電平、控制臂 2 置高電平時，Q2、Q3 關(guān)閉，Q1、Q4 導(dǎo)通，電機左端高電平，右端低電平，所以電流沿箭頭方向流動。設(shè)為電機反轉(zhuǎn)，其圖見圖2. 3.4傾角檢測模塊 傾角檢測模塊由傾角傳感器組成。其中傾角傳感器由速度傳感器和陀螺儀組成。3.4.1加速度傳感器 加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是個常量，比如g，也可以是變量。本系統(tǒng)加速度傳感器。該系列的傳感器采用了半導(dǎo)體表面微機械加

33、工和集成電路技術(shù)，傳感器體積小重量輕。加速度角度傳感器是通過測量由于重力引起的加速度計算出器件相對于某一平面的傾斜角度。角度傳感器反應(yīng)靈敏、輸出數(shù)據(jù)準確。利用加速度傳感器進行角度測量分為3種：單軸傾角測量、雙軸傾角測量和三軸傾角測量。本次設(shè)計中只需要知道小車與豎直方向的夾角所以選用單軸傾角測量。只要測量其中一個方向上的加速度值，就可以計算出車模的傾角。 比如使用 Z 軸方向上的加速度信號。車模直立時，固定加速度器在 Z 軸水平方向，此時輸出信號為零偏電壓信號。當(dāng)車模發(fā)生傾斜時，重力加速度 g 便會在 Z 軸方向形成加速度分量，從而引起該軸輸出電壓變化。 車模運動引起加速度信號變化4.4.2陀螺

34、儀 陀螺儀可以用來測量物體傾斜過程中產(chǎn)生的角加速度，本系統(tǒng)使用ENC03系列的加速度傳感器。該產(chǎn)品是一種應(yīng)用科氏力原理的角加速度傳感器，在不停自傳的同時，還繞著另一個固定的轉(zhuǎn)軸不停的旋轉(zhuǎn)，內(nèi)環(huán)說我選進角正比于彈簧的變形量。它輸出一個和角速度成正比的模擬電壓信號。體它利用了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的物體會受到科里奧利力的原理，在器件中利用壓電陶瓷做成振動單元。當(dāng)旋轉(zhuǎn)器件時會改變振動頻率從而反映出物體旋轉(zhuǎn)的角速度。積和重量都非常的小，響應(yīng)快，驅(qū)動電壓、功耗低可以測量包含旋轉(zhuǎn)的各種運動，供電電壓2.75.25。安裝時需要注意：不要把傳感器安裝在易變形的地方，不要把傳感器安裝在溫度變化劇烈的地方，不要再劇烈沖擊和

35、振動的環(huán)境下使用該傳感器，安裝時芯片的極性一定要正確，否則會燒毀芯片，傳感器的敏感方向在安裝時要和測量方向一致。車模的傾角發(fā)生改變其輸出電壓會隨角速度同比發(fā)生變化，將模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)化，然后輸入單片機內(nèi)就可以采集到角速度傳感器產(chǎn)生的信號。陀螺儀輸出的是角速度值，在時間上的積分是角度值，若角速度信號存在微小的偏差和漂移，經(jīng)過積分運算后變化成積累誤差，這個誤差會隨著時間的延長逐步增加，可通過和加速度傳感器獲得的角度信息進行融合來進行校正。 角速度傳感器參考放大電路圖由于陀螺儀輸出的是車模的角速度，不會受到車體運動的影響，因此該信號中噪聲很小。模塊原理圖如下 加速度計和陀螺儀原理圖加速度計在工作

36、工程中存在噪聲，陀螺儀存在溫度漂移是的測量值在某種程度上存在誤差采用卡爾曼濾波器對測量值進行濾波處理得到角度值和角速度值。4.5速度檢測模塊電機速度傳感器使用歐姆龍編碼器。由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D每個正弦波相差90度相位差（相對于一個周波為360度），將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩(wěn)定信號；另每轉(zhuǎn)輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。 由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。 編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，

37、玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個數(shù)量級，塑料碼盤是經(jīng)濟型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。 分辨率編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度510000線，我們使用的是157線。其特點是易于接線的連接裝置型。其內(nèi)部原理圖如下所示：Pin#Color of Lead WireDescription1234BlackBrownRedOrangeAnodeCathodeCollectorEmitter 編碼

38、器內(nèi)部原理圖由于光電管器件直接輸出數(shù)字脈沖信號，因此可以直接將這些脈沖信號連接到單片機的脈沖計數(shù)器端口。但是 MC9S12XS128 的內(nèi)部只有一個脈沖計數(shù)器，所以必須要外接一個外部的脈沖計數(shù)器，將 CD4520 級聯(lián)后可以得到 8 位的脈沖計數(shù)器，如圖 4.9 所示： CD4520的8位脈沖計數(shù)器電路圖4.6路徑檢測模塊路徑檢測模塊是智能車系統(tǒng)信號的輸入模塊主要檢測的賽道對道路偏離量，這些信息是小車沿賽道運行的信息基礎(chǔ)獲得更多、更遠、更精確的塞到信息是提高車模運行速度的關(guān)鍵。所以，路徑檢測的好壞直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣。對于小車路徑信息的采集的方式如下所示：方案一：紅外傳感器的檢測方式，優(yōu)點

39、：電路設(shè)計相對簡單、檢測速度信息快、調(diào)試簡單、成本低。缺點：道路參數(shù)檢測精度低、道路參數(shù)檢測種類少、傳感器的個數(shù)較多、檢測距離前瞻較短、耗電量較大。方案二：攝像頭檢測方法，優(yōu)點：檢測前瞻距離大、檢測范圍寬、檢測道路參數(shù)較多。缺點：電路設(shè)計復(fù)雜、軟件計算量大、監(jiān)測信息更新速度快。綜上所述每個方案都有自己的優(yōu)缺點，綜合考慮攝像頭檢測方法比較好，它能夠使檢測到的道路信息更加的精確，有利于小車的速度提高。其中攝像頭檢測方案中可任意用線陣CCD也可以用面陣CCD。線性 CCD 通常將 CCD 內(nèi)部電極分成數(shù)組，每組稱為一相，并施加同樣的時鐘脈沖。所需相數(shù)由 CCD 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，結(jié)構(gòu)相異的 CCD可

40、滿足不同場合的使用要求。線陣 CCD 有單溝道和雙溝道之分，其光敏區(qū)是MOS 電容或光敏二極管結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)工藝相對較簡單。它由光敏去陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點是處理信息速度快，外圍電路簡單，易實現(xiàn)實時控制?？梢酝瑫r儲存一行電視信號.由于其單排感光單元的數(shù)目可以做得很多，在同等測量精度的前提下，其測量范圍可以做的較大，并且由于線陣CCD實時傳輸光電變換信號和自掃描速度快、頻率響應(yīng)高，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)測量，并能在低照度下工作。面陣CCD量。面陣CCD的優(yōu)點是可以獲取二維圖像信息，測量圖像直觀。缺點是像元總數(shù)多，而每行的像元數(shù)一般較線陣少，幀幅率受到限制。，線陣CCD獲取圖像的方案在以下幾方面仍有

41、其特有的優(yōu)勢：線陣CCD加上掃描機構(gòu)及位置反饋環(huán)節(jié)，其成本仍然大大低于同等面積、同等分辨率的面陣CCD；掃描行的坐標(biāo)由光柵提供，高精度的光柵尺的示值精度可高于面陣CCD像元間距的制造精度，從這個意義上講，線陣CCD獲取的圖像在掃描方向上的精度可高于面陣CCD圖像。本系統(tǒng)要求對數(shù)據(jù)的處理速度較快，而且精度要求較高，所以本系統(tǒng)采用TSL1401線性CCD來采集路面信息。4.6.1環(huán)境光影響問題試驗表明 TSL1401 線性 CCD 的輸出信號和環(huán)境光線密切相關(guān)，在自然光條件比晚上燈光下 AO 引腳輸出電壓值高出很多，正對著光線比背著光線輸出電壓高，白熾燈光下比日光燈下輸出電壓高。因此，同一參數(shù)（曝

42、光時間、鏡頭光圈）難以適應(yīng)各種環(huán)境，在光線較弱環(huán)境下的參數(shù)在強光下會出現(xiàn)輸出飽和，在較強光線下調(diào)節(jié)好的參數(shù)在弱光下輸出電壓過低，甚至處于截止?fàn)顟B(tài)。在智能車應(yīng)用中，白天自然光環(huán)境和晚上燈光環(huán)境、正對光和背光、不同的比賽場地之間都不能采用相同的曝光參數(shù)。與輸出電壓密切相關(guān)的參數(shù)是曝光量，曝光量取決于 CCD 模塊所采用的鏡頭光圈大小和程序所控制的曝光時間。智能車為適應(yīng)各種運行環(huán)境，必須實時感知環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境閉環(huán)調(diào)節(jié)曝光量，使得在不同環(huán)境中曝光量都處于一個合理的范圍，這樣才能保證在不同環(huán)境中CCD 輸出電壓在合理范圍，以利于算法提取黑線信息。鏡頭相關(guān)參數(shù)一旦選定在智能車運行難以改變，曝光時間比較容

43、易通過程序控制，因此比較容易實現(xiàn)的調(diào)整曝光量方法是通過軟件調(diào)整曝光時間。4.6.2輸出信號放大根據(jù)上一節(jié)所述，可以通過調(diào)整曝光時間來適應(yīng)各種環(huán)境，在弱光環(huán)境增大曝光時間，在強光下減小曝光時間。但是曝光時間不能無限增大的，因為增大曝光時間勢必降低采樣率（每秒采樣次數(shù)）采樣率低控制周期就長，智能車反應(yīng)就慢。根據(jù)歷屆攝像頭車參賽經(jīng)驗，1 米的前瞻，3.5m/s 的速度情況下，控制周期不得高于 20ms（采樣率不得低于 50Hz），否則智能車轉(zhuǎn)向機構(gòu)反應(yīng)再快也無法很好跟隨賽道而沖出賽道?？刂浦芷诓桓哂?20ms 就意味著曝光時間不能超過 20ms。試驗時，我們將 TSL1401 線性 CCD 曝光時間

44、調(diào)整到 20ms（采用周期 20ms），分別在強光、弱光、燈光不同環(huán)境進行采用，采樣數(shù)據(jù)表明環(huán)境光線較弱時 CCD 輸出信號較低，以致賽道黑線信息不夠明顯，晚上日光燈環(huán)境下輸出信號電壓值更低，幾乎接近 0，根本無法辨別賽道信息！由于智能車制作和調(diào)試很大部分時間都是在晚上，因此必須在不降低采樣率的情況下，增大晚上弱光環(huán)境下線性 CCD 的輸出電壓。要增大輸出電壓，簡單有效的方法就是放大輸出信號，我們可以采用運放來放大 AO 輸出信號。實踐表明增大運放能非常有效的解決弱光時輸出電壓低問題，在晚上環(huán)境同樣能達到 50Hz 的采樣率，這是無運放的線性 CCD 無法達到的。為了能保證輸出電壓在合理范圍（

45、不飽和、不截止、能分辨賽道黑線），需要根據(jù)選定的鏡頭確定運放放大倍數(shù)。以下是線性 CCD 模塊（鏡頭為無畸變鏡頭）中的運放電路圖： 其中運放放大倍數(shù) A = 1+R5/R4，此電路中 A = 11，也就是對 TSL1401 的AO 信號進行 11 倍放大。由于增加了運放，白天環(huán)境下的采樣率可以調(diào)節(jié)到更高，甚至可以達到 100Hz。增加了運放也會帶來一個問題，就是在全黑的環(huán)境（例如蓋上鏡頭蓋）下線性 CCD 的輸出已經(jīng)不再接近 0V，這里我們稱全黑的環(huán)境對應(yīng)的電壓為暗電壓，設(shè)計的 CCD 模塊暗電壓是 1V 左右。其實暗電壓完全不影響上層軟件提取賽道黑線，我們可以把這個暗電壓當(dāng)做信號中的直流分量

46、，將采集的每個像素點的電壓減去暗電壓就可以了。4.7 CD4520模塊在速度檢測模塊需要8位脈沖計數(shù)器計光電器件直接輸出的數(shù)字脈沖信號。但是但是 MC9S12XS128 的內(nèi)部只有一個脈沖計數(shù)器，所以必須要外接一個外部的脈沖計數(shù)器，將 CD4520 級聯(lián)后可以得到 8 位的脈沖計數(shù)器。CD4520 為二進制加計數(shù)器，由兩個相同的內(nèi)同步 4 級計數(shù)器構(gòu)成。計數(shù)器級為 D 型觸發(fā)器，具有內(nèi)部可交換 CP 和 EN 線，用于在時鐘上升沿或下降沿加計數(shù)。在單個單元運算中，EN 輸入保持高電平，且在 CP 上升沿進位。CR 線為高電平時，計數(shù)器清零。計數(shù)器在脈動模式可級聯(lián)，通過將 Q3 連接至下計數(shù)器的

47、 EN 輸入端可實現(xiàn)級聯(lián)，同時后者的 CP 輸入保持低電平。測速信號利用一片 CD4520 計數(shù)器芯片，將編碼器脈沖累加，單片機通過一組 8 位 I/O口定時讀取 CD4520 內(nèi)累計的數(shù)據(jù)，讀取后將 CD4520 清零，準備下次計數(shù)。 引腳功能圖引腳符號功能1、9CLOCK時鐘輸入端7、15RESET消除端2、10ENABLE計數(shù)允許控制端3、4、5、6Q1AQ4A計數(shù)輸出端11、12、13、14Q1BQ4B計數(shù)輸出端8 VSS地16VDD電源正極CD4520真值表功能表CLOCKENABLERESETACTION上升沿10加計數(shù)0下降沿0加計數(shù)下降沿X0不變X上升沿0不變上升沿00不變1下

48、降沿0不變XX1Q0Q4=04.8撥碼盤針對道路的具體情況通過撥碼開關(guān)對一些可變參數(shù)進行設(shè)定。撥碼開關(guān)只需將開關(guān)量直接接入單片機。本系統(tǒng)使用的是8位撥碼盤來調(diào)節(jié)小車的速度，方便更好的控制小車。一端接地一端接引腳，并在接地的位置上加排阻。如圖所示： 撥碼開關(guān)電路圖 第四章 軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)程序框圖4.1.1 程序流程圖 4.1.2 MC9S12XS128 資源配置 1）毫秒定時中斷：PIT硬件模塊：PIT0中短周期：Period:1ms 觸發(fā)事件：Event:Interrupt 2）電機 PWM 輸出控制：PWM硬件模塊：PWM1，PWM3，PWM5，PWM7輸出頻率：Frequence:1

49、0Khz輸出模式：級聯(lián)輸出死區(qū)時間：Dead Time:0 3）ADC 采集通道：ADC硬件模塊：ATD0-CCD1，ATD1-Gyro，ATD2-Acceler，ATD3-CCD2轉(zhuǎn)換分辨率：Resolution:12bit and 8bit 4）電機測速脈沖計數(shù)器：PT0硬件模塊：PT0計數(shù)范圍：16bit 5）電機測速脈沖計數(shù)器：CD4520硬件模塊：CD4520計數(shù)范圍：16bit 6） 監(jiān)控 UART 串口硬件模塊 SCI0通訊速率：Baud:9600 and 1152004.2初始化程序設(shè)計4.2.1 PLL初始化程序 MCU的支撐電路一般需要外部時鐘來給MCU提供時鐘信號，而外部

50、時鐘的頻率可能偏低，為了使系統(tǒng)更加快速穩(wěn)定運行，需要提升系統(tǒng)所需要的時鐘頻率。這就得用到鎖相環(huán)了。在程序中配置鎖相環(huán)的步驟如下： 第一、禁止總中斷； 第二、寄存器CLKSEL的第七位置0，即CLKSEL_PLLSEL=0。選擇時鐘源為外部晶振OSCCLK，在PLL程序執(zhí)行前，內(nèi)部總線頻率為OSCCLK/2。 CLKSEL_PLLSEL=0時，系統(tǒng)時鐘由外部晶振直接提供，系統(tǒng)內(nèi)部總線頻率=OSCCLK/2（OSCCLK為外部晶振頻率）。CLKSEL_PLLSEL=1時，系統(tǒng)時鐘由鎖相環(huán)提供，此時系統(tǒng)內(nèi)部總線頻率=PLLCLK/2（PLLCLK為鎖相環(huán)倍頻后的頻率）。 第三、禁止鎖相環(huán)PLL，即P

51、LLCTL_PLLON=0。 當(dāng)PLLCTL_PLLON=0時，關(guān)閉PLL電路。當(dāng)PLLCTL_PLLON=1時，打開PLL電路。 第四、根據(jù)想要的時鐘頻率設(shè)置SYNR和REFDV以及POSTDIV（可以不管）三個寄存器。頻率的計算公式上面已給出。 第五、打開PLL，即PLLCTL_PLLON=1。 第六、CRGFLG_LOCK位，確定PLL是否穩(wěn)定。當(dāng)鎖相環(huán)PLL電路輸出的頻率達到目標(biāo)頻率的足夠小的誤差范圍內(nèi)時，LOCK位置1，此時說明PLLCLK已經(jīng)穩(wěn)定，可以作為系統(tǒng)的時鐘了。該位在正常情況下為只讀位。 第七、PLLCLK穩(wěn)定后，允許鎖相環(huán)時鐘源PLLCLK為系統(tǒng)提供時鐘，即CLKSEL_

52、PLLSEL=1。該初始化函數(shù)主要是對鎖相環(huán) PLL 進行相應(yīng)的配置，將總線頻率增加到64M，在運行穩(wěn)定的情況下，提高單片機的處理速度。void PLL_Init(void)/PLLCLK=2*OSCCLK*(SYNR+1)/(REFDV+1) /BUS CLOCK=64M 總線是 64M 的； CLKSEL=0X00; /disengage PLL to system PLLCTL_PLLON=1; /turn on PLL SYNR =0xc0 | 0x07; REFDV=0x80 | 0x01; POSTDIV=0x00; /pllclock=2*osc*(1+SYNR)/(1+REFD

53、V)=128MHz; _asm(nop); /BUS CLOCK=64M _asm(nop); while(!(CRGFLG_LOCK=1); /when pll is steady ,then use it;CLKSEL_PLLSEL =1; /engage PLL to system; 4.2.2 ADC初始化程序 本系統(tǒng)對單片機的ADC模塊進行兩種初始化配置，在不同要求下使ADC的速度提高，其中 AD_CCD_Init()函數(shù)是將 ADC 寄存器配置成單通道 8 位采樣精度，便于在 1ms 中斷程序中能將 CCD 的 128 個像素點采集完成；而 AD_GYRO_ACC_Init()函數(shù)

54、是將 ADC 寄存器配置成多通道 12 位采樣精度循環(huán)采集的模式，由于采集的數(shù)據(jù)量少，所以高精度情況下能夠在 1ms之內(nèi)將陀螺儀和加速度計的模擬量采集完成，而且可以根據(jù)高精度的數(shù)據(jù)對車模的直立進行更優(yōu)的控制。 A/D轉(zhuǎn)換的過程是模擬信號依次通過取樣、保持和量化、編碼幾個過程后轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。A/D轉(zhuǎn)換器可分為并聯(lián)比較型（轉(zhuǎn)換速度較快）、逐次逼近型（轉(zhuǎn)化速度適中）、雙積分型（速度慢、抗干擾能力強）。本系統(tǒng)使用逐次逼近型。N位 A/D 轉(zhuǎn)換器能區(qū)分的輸入電壓的最小值為滿量程的2的N次方分之一。也就是說，在參考電壓一定時，輸出位數(shù)越多 ，量化單位就越小，分辨率就越高。voidAD_CCD_Init(void) ATD0DIEN=0X00;/禁止數(shù)字輸入 ATD0CTL0=0X00; ATD0CTL1=0X00;/0000 0000 無外部觸發(fā)，8 位精度，不放電 ATD0CTL2=0X40;/0100 0000 標(biāo)志位自動清零，在停止模式下，AD 轉(zhuǎn)換繼續(xù)，禁止外部觸發(fā)，禁止比較中斷 ATD0CTL3=0X88;/1000 1000 右對齊，轉(zhuǎn)換序列 1，非 FIFO 模式 ATD0CTL4=0x03;/0000 0011 采樣時間為 4 個 AD 時鐘周期 PRS=3， ATDClock=8MHz ATD