光電組-天津大學(xué)-天津大學(xué)光電一隊(duì)技術(shù)報(bào)告(1)

1、I第九屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽技技 術(shù)術(shù) 報(bào)報(bào) 告告學(xué) 校：天津大學(xué)隊(duì)伍名稱：天津大學(xué)光電一隊(duì)參賽隊(duì)員：孔尚萍劉帆陳步云帶隊(duì)教師：王建榮II關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解第九屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽關(guān)保留、使用技術(shù)報(bào)告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會(huì)和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁上收錄并公開參賽作品的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會(huì)出版論文集中。參賽隊(duì)員簽名： 帶隊(duì)教師簽名： 日 期： 1引言本文以第九屆全國大學(xué)生飛思卡爾杯智能汽車競(jìng)賽為背景詳細(xì)介紹了智能車系統(tǒng)的軟硬

2、件結(jié)構(gòu)和開發(fā)流程。采用 1:10 的仿真車模，用線性 CCD 來識(shí)別賽道信息，以飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 16 位單片機(jī) MC9S12XS128 為核心控制器，在 CodeWarrior IDE v5.1 開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行軟件開發(fā)，使賽車在跑道上沿著兩側(cè)黑線行駛。本文介紹了總體方案設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、無線通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的調(diào)試與分析。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分主要介紹了對(duì)車模的改進(jìn)，以及搖頭 CCD 的機(jī)械結(jié)構(gòu)。硬件電路設(shè)計(jì)部分主要介紹了智能車的硬件電路設(shè)計(jì)，包括原理圖和 PCB 設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)方面，主要介紹了搖頭舵機(jī)的控制原理和電機(jī)的 PID 控制策略。 為了直觀顯示賽車在

3、賽道上高速前進(jìn)過程中的某些關(guān)鍵參數(shù)，我們?cè)谡{(diào)試的過程中利用無線通信模塊實(shí)現(xiàn)將關(guān)鍵參數(shù)傳回 PC 的過程，使得賽車在行駛過程中的狀態(tài)清晰可見，便于調(diào)試。關(guān)鍵詞：飛思卡爾杯智能車；線性 CCD；搖頭舵機(jī)；PID 控制 1目錄引言.1目錄.1第一章方案設(shè)計(jì).11.1系統(tǒng)總體方案的選定.11.2系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì).1第二章智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化.32.1智能車車體機(jī)械建模.32.2智能車前輪定位的調(diào)整.32.2.1主銷后傾角.32.2.2主銷內(nèi)傾角.32.2.3車輪外傾角.42.2.4前輪前束.42.3智能車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化.42.4智能車后輪減速齒輪機(jī)構(gòu)調(diào)整.52.5搖頭舵機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整.6第三

4、章電路設(shè)計(jì)說明.73.1主控板的設(shè)計(jì).73.1.1電源管理模塊.73.1.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊.73.1.3主控板設(shè)計(jì).83.1.4接口模塊.93.2智能車傳感器模塊設(shè)計(jì).93.2.1光電傳感器的原理.924.1光感器的路徑精確識(shí)別技術(shù).124.1.1光電傳感器路徑識(shí)別算法.124.2彎道策略分析.134.3彎道策略制定.14第五章開發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過程說明.16第六章模型車的主要技術(shù)參數(shù)說明.176.1智能車外形參數(shù).176.2電路部分參數(shù).17第七章總結(jié).18參考文獻(xiàn)附錄：程序源代碼 .I1第一章 方案設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)總體方案的選定通過學(xué)習(xí)競(jìng)賽規(guī)則和往屆競(jìng)賽相關(guān)技術(shù)資料了解到，路徑識(shí)別模塊

5、是智能車系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識(shí)別方案的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣，因此確定路徑識(shí)別模塊的類型是決定智能車總體方案的關(guān)鍵。而目前能夠用于智能車輛路徑識(shí)別的傳感器主要有光電傳感器和 CCD/CMOS 傳感器。光電傳感器尋跡方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、信號(hào)處理速度快，但是其前瞻距離有限；CCD 攝像頭尋跡方案的優(yōu)點(diǎn)則是可以更遠(yuǎn)更早地感知賽道的變化，但是信號(hào)處理卻比較復(fù)雜，如何對(duì)攝像頭記錄的圖像進(jìn)行處理和識(shí)別，加快處理速度是攝像頭方案的難點(diǎn)之一。在比較了兩種傳感器優(yōu)劣之后，考慮到光電傳感器圖像處理的困難后，決定選用應(yīng)用廣泛的 CCD 傳感器，相信通過選用 CCD 傳感器，加之精簡的程序控制和較快的信

6、息處理速度，CCD 傳感器還是可以極好的控制效果的。但在反復(fù)測(cè)試中，發(fā)現(xiàn) CCD 傳感器前瞻有限，高速時(shí)無法實(shí)現(xiàn)好的控制效果，故加裝搖頭舵機(jī)間接達(dá)到前瞻變大的效果。1.2系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)本隊(duì)智能車整體設(shè)計(jì)方案為，采用雙線性 CCD（一固定、一搖頭）采集賽道圖像，CCD 輸出的模擬量傳輸至 MC9S12XS128 微控制器，微控制器使用自帶 AD 轉(zhuǎn)換模塊將模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并進(jìn)行處理，提取出賽道類型及邊界信息，輸出控制信號(hào)至轉(zhuǎn)向舵機(jī)、搖頭舵機(jī)和電機(jī)控制車模完成轉(zhuǎn)向和加減速工作。車模的行駛速度為閉環(huán)控制，在行駛過程中通過光電編碼器來檢測(cè)車速，使用 MC9S12XS128 微控制器采集光電編

7、碼器的脈沖并對(duì)其進(jìn)行累加以獲得車模的行駛速度。車模電機(jī)采用 PID 控制，通過 PWM 控制驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整電機(jī)的功率；而車速的目標(biāo)值由圖像處理結(jié)果進(jìn)行控制。轉(zhuǎn)向舵機(jī)和搖頭舵機(jī)均采用 PD 控制；車模的工作原理圖如下圖所示。2 根據(jù)以上系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，賽車共包括七大模塊：MC9S12xs128 主控模塊、傳感器模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測(cè)模塊輔助調(diào)試模塊。各模塊的作用如下：MC9S12DG128B 主控模塊，作為整個(gè)智能車的“大腦”，將采集光電傳感器、光電編碼器等傳感器的信號(hào)，根據(jù)控制算法做出控制決策，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和伺服電機(jī)完成對(duì)智能車的控制。傳感器模塊，是智能車的“眼睛”，可以通過一定的

8、前瞻性，提前感知前方的賽道信息，為智能車的“大腦”做出決策提供必要的依據(jù)和充足的反應(yīng)時(shí)間。電源模塊，為整個(gè)系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和伺服電機(jī)完成智能車的加減速控制和轉(zhuǎn)向控制。速度檢測(cè)模塊，檢測(cè)反饋智能車后輪的轉(zhuǎn)速，用于速度的閉環(huán)控制。輔助調(diào)試模塊主要用于智能車系統(tǒng)的功能調(diào)試、賽車狀態(tài)監(jiān)控等方面。 3第二章 智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化借鑒去年比賽的經(jīng)驗(yàn)，今年車模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為簡潔、輕量。在拿到車模后首先對(duì)車模舵機(jī)進(jìn)行了改裝，將舵機(jī)置于車模前端并改為直立放置，調(diào)整舵機(jī)搖臂使得舵機(jī)響應(yīng)迅速。在車模中后部加裝高強(qiáng)度的碳纖維支撐桿作為線性CCD 的支架，可以有效保證 CCD

9、工作的穩(wěn)定性。車模兩塊電路板及一塊電池均緊貼車模底盤放置以降低整車重心。車模前部加裝了防撞裝置，防止在碰撞過程中損壞器件。2.1智能車車體機(jī)械建模 表 2.1 模型車基本尺寸參數(shù)基本尺寸尺寸軸距198mm前輪距137mm后輪距138mm/146mm車輪直徑52mm主減傳動(dòng)比18/762.2智能車前輪定位的調(diào)整現(xiàn)代汽車在正常行駛過程中，為了使汽車直線行駛穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向后能自動(dòng)回正，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相對(duì)安裝位置，叫車輪定位，其主要的參數(shù)有：主銷后傾、主銷內(nèi)傾、車輪外傾和前束2。智能車競(jìng)賽模型車的四項(xiàng)參數(shù)都可以調(diào)整，但是由于模型車加工和制造精

10、度的問題，在通用的規(guī)律中還存在著一些偶然性。2.2.1主銷后傾角主銷后傾角是指在縱向平面內(nèi)主銷軸線與地面垂直線之間的夾角2。它在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反的回正力矩，使車輪自動(dòng)恢復(fù)到原來的中間位置上。所以，主銷后傾角越大，車速越高，前輪自動(dòng)回正的能力就越強(qiáng)，但是過大的回正力矩會(huì)使車輛轉(zhuǎn)向沉重。通常主銷后傾角值設(shè)定在 1到 3。模型車通過增減黃色墊片的數(shù)量來改變主銷后傾角的，由于競(jìng)賽所用的轉(zhuǎn)向舵機(jī)力矩不大，過大的主銷后傾角會(huì)使轉(zhuǎn)向變得沉重，轉(zhuǎn)彎反應(yīng)遲滯，所以設(shè)置為 0，以便增加其轉(zhuǎn)向的靈活性。2.2.2主銷內(nèi)傾角主銷內(nèi)傾角是指在橫向平面內(nèi)主銷軸線與地面垂直線之間的夾角，它的作用也是使前輪

11、自動(dòng)回正2。角度越大前輪自動(dòng)回正的作用就越強(qiáng)，但轉(zhuǎn)向時(shí)也就越費(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。通常4汽車的主銷內(nèi)傾角不大于 8。 對(duì)于模型車，通過調(diào)整前橋的螺桿的長度可以改變主銷內(nèi)傾角的大小，由于過大的內(nèi)傾角也會(huì)增大轉(zhuǎn)向阻力，增加輪胎磨損，所以在調(diào)整時(shí)可以近似調(diào)整為 03左右，不宜太大。主銷內(nèi)傾和主銷后傾都有使汽車轉(zhuǎn)向自動(dòng)回正，保持直線行駛的功能。不同之處是主銷內(nèi)傾的回正與車速無關(guān)，主銷后傾的回正與車速有關(guān)，因此高速時(shí)主銷后傾的回正作用大，低速時(shí)主銷內(nèi)傾的回正作用大。 2.2.3車輪外傾角前輪外傾角是指通過車輪中心的汽車橫向平面與車輪平面的交線與地面垂線之間的夾角2，

12、對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向性能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安全性和轉(zhuǎn)向操縱的輕便性1。在汽車的橫向平面內(nèi)，輪胎呈“八”字型時(shí)稱為“負(fù)外傾”，而呈現(xiàn)“V”字形張開時(shí)稱為正外傾。如果車輪垂直地面一旦滿載就易產(chǎn)生變形，可能引起車輪上部向內(nèi)傾側(cè)，導(dǎo)致車輪聯(lián)接件損壞。所以事先將車輪校偏一個(gè)正外傾角度，一般這個(gè)角度約在 1左右，以減少承載軸承負(fù)荷，增加零件使用壽命，提高汽車的安全性能。 模型車提供了專門的外傾角調(diào)整配件，近似調(diào)節(jié)其外傾角。由于競(jìng)賽中模型主要用于競(jìng)速，所以要求盡量減輕重量，其底盤和前橋上承受的載荷不大，所以外傾角調(diào)整為 0即可，并且要與前輪前束匹配。2.2.4前輪前束所謂前束是指兩輪之間的后距離數(shù)

13、值與前距離數(shù)值之差，也指前輪中心線與縱向中心線的夾角2。前輪前束的作用是保證汽車的行駛性能，減少輪胎的磨損。前輪在滾動(dòng)時(shí)，其慣性力自然將輪胎向內(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。像內(nèi)八字那樣前端小后端大的稱為“前束”，反之則稱為“后束”或“負(fù)前束”。在實(shí)際的汽車中，一般前束為 012mm 。在模型車中，前輪前束是通過調(diào)整伺服電機(jī)帶動(dòng)的左右橫拉桿實(shí)現(xiàn)的。主銷在垂直方向的位置確定后，改變左右橫拉桿的長度即可以改變前輪前束的大小。在實(shí)際的調(diào)整過程中，我們發(fā)現(xiàn)較小的前束，約束 02mm 可以減小轉(zhuǎn)向阻力，使模型車轉(zhuǎn)向更為輕便，但實(shí)際效果不是十分明顯。雖然模型

14、車的主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角和前束等均可以調(diào)整，但是由于車模加工和制造精度的問題，在通用的規(guī)律中還存在著不少的偶然性，一切是實(shí)際調(diào)整的效果為準(zhǔn)。2.3智能車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化理想的轉(zhuǎn)向模型，是指在輪胎不打滑時(shí)，忽略左右兩側(cè)輪胎由于受力不均產(chǎn)生的變形，忽略輪胎受重力影響下的變形時(shí)車輛的的轉(zhuǎn)向建模。在這種理想5的模型下，車體的轉(zhuǎn)向半徑可以計(jì)算得到。圖 2.3 智能車轉(zhuǎn)向示意圖如圖 2.3，假設(shè)智能車系統(tǒng)為理想的轉(zhuǎn)向模型，且其重心位于其幾何中心。車輪滿足轉(zhuǎn)向原理，左右輪的軸線與后輪軸線這三條直線必然交于一點(diǎn)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在車輛運(yùn)行過程中有著非常重要的作用。合適的前橋和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以保證在車輛直線行

15、駛過程中不會(huì)跑偏，能保證車輛行駛的方向穩(wěn)定性；而在車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，合適的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以使車輛自行回到直線行駛狀態(tài)，具有好的回正性。正是由于這些原因，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)成為智能車設(shè)計(jì)中機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的重點(diǎn)，直接關(guān)系到賽車能否順利地完成比賽。在實(shí)際操作中，我們通過理論計(jì)算的方案進(jìn)行優(yōu)化，然后做出實(shí)際結(jié)構(gòu)以驗(yàn)證理論數(shù)據(jù)，并在實(shí)際調(diào)試過程中不斷改進(jìn)。在模型車制做過程中，賽車的轉(zhuǎn)向是通過舵機(jī)帶動(dòng)左右橫拉桿來實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)向舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和功率是一定，要想加快轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)響應(yīng)的速度，唯一的辦法就是優(yōu)化舵機(jī)的安裝位置和其力矩延長桿的長度。由于功率是速度與力矩乘積的函數(shù)，過分追求速度，必然要損失力矩，力矩太小也會(huì)造成轉(zhuǎn)向遲鈍，

16、因此設(shè)計(jì)時(shí)就要綜合考慮轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度與舵機(jī)力矩之間的關(guān)系，通過優(yōu)化得到一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)向效果。經(jīng)過最后的實(shí)際的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算，最后得出一套可以穩(wěn)定、高效工作的參數(shù)及機(jī)構(gòu)。2.4智能車后輪減速齒輪機(jī)構(gòu)調(diào)整模型車采用后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)車模的驅(qū)動(dòng)能力有很大的影響。齒輪傳動(dòng)部分安裝位置的不恰當(dāng)，會(huì)大大增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪的負(fù)載，會(huì)嚴(yán)重影響最終成績。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，過松容易打壞齒輪，過緊又會(huì)增加傳動(dòng)阻力，浪費(fèi)動(dòng)力；傳動(dòng)部分要輕松、順暢，不能有遲滯或周期性振動(dòng)的現(xiàn)象。判斷齒輪傳動(dòng)是否良好的依據(jù)是，聽一下電機(jī)帶動(dòng)后輪空轉(zhuǎn)時(shí)的聲音。聲音刺耳響亮，說明齒輪間的配合

17、間隙過大，傳動(dòng)中有撞齒現(xiàn)象；聲音悶而且有遲滯，則說明齒輪間的配合間隙過小，或者6兩齒輪軸不平行，電機(jī)負(fù)載變大。調(diào)整好的齒輪傳動(dòng)噪音很小，并且不會(huì)有碰撞類的雜音，后輪減速齒輪機(jī)構(gòu)就基本上調(diào)整好了，動(dòng)力傳遞十分流暢。2.5搖頭舵機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整 由于我們隊(duì)采用搖頭舵機(jī)的方案，故搖頭舵機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與調(diào)整成為一大難點(diǎn)。我們考慮到將舵機(jī)置于車架上有很大難度且不能保證搖頭舵機(jī)得到精確控制，故將搖頭舵機(jī)置于 CCD 傳感器的支架上，并采用可改變位置方向的支架連接以方便調(diào)試，經(jīng)過不斷改進(jìn)，我們成功將舵機(jī)固定于支架上并最大限度的降低重心以提高過彎道的速度。7第三章 電路設(shè)計(jì)說明3.1主控板的設(shè)計(jì)3.1.1電

18、源管理模塊電源模塊對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)來說極其重要，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)是否能夠正常工作，因此在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)選好合適的電源。 競(jìng)賽規(guī)則規(guī)定，比賽使用智能車競(jìng)賽統(tǒng)一配發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)車模用 7.2V 2000mAh Ni-cd 供電，而單片機(jī)系統(tǒng)、路徑識(shí)別的光電傳感器、光電碼編碼器等均需要 5V電源，伺服電機(jī)工作電壓范圍 4V 到 6V（為提高伺服電機(jī)響應(yīng)速度，采用 7.2V 供電） ，直流電機(jī)可以使用 7.2V 2000mAh Ni-cd 蓄電池直接供電，智能車電壓調(diào)節(jié)電路示例見圖 3。5V 電源模塊用于為單片機(jī)系統(tǒng)、傳感器模塊等供電。常用的電源有串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)型穩(wěn)壓電源兩大類。前者具有紋波小、電

19、路結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但是效率較低，功耗大；后者功耗小，效率高，但電路卻比較復(fù)雜，電路的紋波大。對(duì)于單片機(jī)，需要提供穩(wěn)定的 5V 電源，由于 TPS7350 的穩(wěn)壓的線性度非常好，所以選用 TPS7350 單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行供電，為了提供穩(wěn)定的電壓，采用先升壓后穩(wěn)壓的供電方式；而其它模塊則用另一塊 TPS7350 對(duì)其供電，這樣對(duì)控制系統(tǒng)和執(zhí)行部分開供電，可以有效地防止各器件之間發(fā)生干擾，以及電流不足的問題，使得系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作。3.1.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊8電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用 MOS 管 H 橋驅(qū)動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)電路， MCU 通過 IN1 引腳輸入PWM 波，以調(diào)節(jié)輸出電壓,調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢，并且在 IN2 口輸

20、入電壓以調(diào)節(jié)電機(jī)的反轉(zhuǎn)和制動(dòng)功能。3.1.3主控板設(shè)計(jì)智能車控制系統(tǒng)主控電路圖 3.3：圖 3.3 MC9S12DG128 主控板電路圖智能車系統(tǒng)以 MC68S912DG128B 為控制核心，可以直接利 S12 最小系統(tǒng)板，另外再設(shè)計(jì)了一塊外圍電路的主控板。如圖 3.3 所示，MC9S12xs128 單片機(jī)在控制系統(tǒng)所需要使用的管腳如下，主要包括了傳感器控制與檢測(cè)部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、ECT 部分、BDM 調(diào)試接口以及其它常用電路的接口等。表 3.1 MC9S12xs128 單片機(jī)管腳分配表S12 單片機(jī)管腳分配PA0-PA7CCD 傳感器檢測(cè)PB2-PB7光電傳感器檢測(cè)PB0、PB1、PT1陀

21、螺儀傳感器控制PM2-PM54 路撥碼開關(guān)PAD0-PAD7備用 I/O 口PT2-PT5輸入設(shè)備IOPT61 路選擇指示燈PT0碼盤脈沖檢測(cè)PWM1備用 PWMPWM3伺服電機(jī) PWMPWM5直流電機(jī) PWMECTPWM7伺服電機(jī) PWM9RXD0串口接收串口通信TXD0串口發(fā)射3.1.4接口模塊圖 3.4 接口模塊原理圖接口模塊的作用即外部設(shè)備單片機(jī)的接口，分別有電機(jī)接口，轉(zhuǎn)向主舵機(jī)接口，搖頭主舵機(jī)接口，傳感器接口，光電編碼器接口，電源接口。3.2智能車傳感器模塊設(shè)計(jì)在確定智能車總體方案時(shí)，我們選擇光電傳感器的方案。為了獲得更大前瞻距離，為控制系統(tǒng)后續(xù)處理贏得更多的時(shí)間，在從眾多光電傳感器

22、中選擇了大前瞻的激光傳感器，前瞻距離可以達(dá)到普通光電傳感器的數(shù)倍甚至十幾倍，完全滿足競(jìng)賽的要求。3.2.1光電傳感器的原理光電傳感器檢測(cè)路面信息的原理是由發(fā)射管發(fā)射一定波長的紅外線，經(jīng)地面反射到接收管13。由于在黑色和白色上反射系數(shù)不同，在黑色上大部分光線被吸收，而白色上可以反射回大部分光線，所以接收到的反射光強(qiáng)是不一樣，進(jìn)而導(dǎo)致接收管的特性曲線發(fā)生變化程度不同，而從外部觀測(cè)可以近似認(rèn)為接收管兩端輸出電阻不同，進(jìn)而經(jīng)分壓后的電壓就不一樣，就可以將黑白路面區(qū)分開來。CCD 是由許多個(gè)光敏像元按一定規(guī)律排列組成的。每個(gè)像元就是一個(gè)MOS 電容器(大多為光敏二極管)，它是在 P 型 Si 襯底表面上

23、用氧化的辦法生成 1 層厚度約為 1000A1500A 的 SiO2,再在 SiO2 表面蒸鍍一金屬層(多晶硅)，在襯底和金屬電極間加上 1 個(gè)偏置電壓，就構(gòu)成 1 個(gè) MOS 電容器。當(dāng)有 1 束光線投射到 MOS 電容器上時(shí)，光子穿過透明電極及氧化層，進(jìn)入 P 型 Si 襯底，襯底中處于價(jià)帶的電子將吸收光子的能量而躍入導(dǎo)帶。光子進(jìn)入襯底時(shí)產(chǎn)生的電子躍遷形成電子空穴對(duì)，電子空穴對(duì)在外加電場(chǎng)的作用下，分別向電極10的兩端移動(dòng)，這就是信號(hào)電荷。這些信號(hào)電荷儲(chǔ)存在由電極形成的“勢(shì)阱”中。MOS 電容器的電荷儲(chǔ)存容量可由下式求得：QS=CiVGA式中： QS 是電荷儲(chǔ)存量；Ci 是單位面積氧化層的電

24、容；VG 是外加偏置電壓；A 是 MOS 電容柵的面積。由此可見，光敏元面積越大，其光電靈敏度越高。1 個(gè) 3 相驅(qū)動(dòng)工作的 CCD中電荷轉(zhuǎn)移的過程。(a)初始狀態(tài)；(b)電荷由電極向電極轉(zhuǎn)移；(c)電荷在、電極下均勻分布；(d)電荷繼續(xù)由電極向電極轉(zhuǎn)移；(e)電荷完全轉(zhuǎn)移到電極；(f)3 相交疊脈沖。假設(shè)電荷最初存儲(chǔ)在電極(加有 10V 電壓)下面的勢(shì)阱中，如圖 2(a)所示，加在 CCD 所有電極上的電壓，通常都要保持在高于某一臨界值電壓 Vth，Vth稱為 CCD 閾值電壓，設(shè) Vth=2V。所以每個(gè)電極下面都有一定深度的勢(shì)阱。顯然，電極下面的勢(shì)阱最深，如果逐漸將電極的電壓由 2V 增加

25、到 10V，這時(shí)，、兩個(gè)電極下面的勢(shì)阱具有同樣的深度，并合并在一起，原先存儲(chǔ)在電極下面的電荷就要在兩個(gè)電極下面均勻分布，(b)和(c)所示，然后再逐漸將電極下面的電壓降到 2V，使其勢(shì)阱深度降低，(d)和(e)所示，這時(shí)電荷全部轉(zhuǎn)移到電極下面的勢(shì)阱中，此過程就是電荷從電極到電極的轉(zhuǎn)移過程。如果電極有許多個(gè)，可將其電極按照 1、4、7，2、5、8和 3、6、9的順序分別連在一起，加上一定時(shí)序的驅(qū)動(dòng)脈沖，即可完成電荷從左向右轉(zhuǎn)移的過程。用 3 相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的 CCD 稱為 3 相 CCD。 CCD 傳感器-特性為：調(diào)制傳遞函數(shù) MTF 特性：固態(tài)圖像傳感器是由像素矩陣與相應(yīng)轉(zhuǎn)移部分組成的。固態(tài)的像素

26、盡管己做得很小，并且其間隔也很微小，但是，這仍然是識(shí)別微小圖像或再現(xiàn)圖像細(xì)微部分的主要障礙。輸出飽和特性：當(dāng)飽和曝光量以上的強(qiáng)光像照射到圖像傳感器上時(shí)，傳感器的輸出電壓將出現(xiàn)飽和，這種現(xiàn)象稱為輸出飽和特性。產(chǎn)生輸出飽和現(xiàn)象的根本原因是光敏二極管或 MOS 電容器僅能產(chǎn)生與積蓄一定極限的光生信號(hào)電荷所致。暗輸出特性：暗輸出又稱無照輸出，系指無光像信號(hào)照射時(shí)，傳感器仍有微小輸出的特性，輸出來源于暗無照)電流。靈敏度：單位輻射照度產(chǎn)生的輸出光電流表示固態(tài)圖象傳感器的靈敏度，它主要與固態(tài)圖像傳感器的像元大小有關(guān)。11彌散：飽和曝光量以上的過亮光像會(huì)在象素內(nèi)產(chǎn)生與積蓄起過飽和信號(hào)電荷，這時(shí)，過飽和電荷便

27、會(huì)從一個(gè)像素的勢(shì)阱經(jīng)過襯底擴(kuò)散到相鄰像素的勢(shì)阱。這樣，再生圖像上不應(yīng)該呈現(xiàn)某種亮度的地方反而呈現(xiàn)出亮度，這種情況稱為彌散現(xiàn)象。殘像：對(duì)某像素掃描并讀出其信號(hào)電荷之后，下一次掃描后讀出信號(hào)仍受上次遺留信號(hào)電荷影響的現(xiàn)象叫殘像。等效噪聲曝光量:產(chǎn)生與暗輸出(電壓)等值時(shí)的曝光量稱為傳感器的等效噪聲曝光量。12第四章 智能車控制軟件設(shè)計(jì)說明4.1光感器的路徑精確識(shí)別技術(shù)在智能車系統(tǒng)中，光電傳感器就是整個(gè)系統(tǒng)的“眼睛”，其對(duì)于路徑的識(shí)別在控制系統(tǒng)中尤為重要。4.1.1光電傳感器路徑識(shí)別算法由于 CCD 傳感器對(duì)光線極為敏感，所以其最大的難點(diǎn)在于如何將不同光強(qiáng)下的賽道正確識(shí)別出來，我們采用邊沿檢測(cè)的方法

28、將賽道的左右邊沿檢測(cè)出來并加以判斷其準(zhǔn)確性，通過實(shí)際調(diào)試，該算法誤判率幾乎為零。代碼如下 for(i=last_path_mid;i+4g_CCD_EDGE_THRE_G)&(ab(data1i+1-data1i+4)g_CCD_EDGE_THRE_G)/&(data1i+data1i+1data1i+3+data1i+4) if(i100)& g_CCD_EDGE_THRE_G=3) g_CCD_EDGE_THRE_G=2; /if(data1i+data1i+1)=CCD_START_POINT;i-) if(i100)& g_CCD_EDGE_THRE_G

29、=3) g_CCD_EDGE_THRE_G=2; if(ab(data1i-data1i-3)g_CCD_EDGE_THRE_G)&(ab(data1i-1-data1i-4)g_CCD_EDGE_THRE_G)/&(data1i+data1i-1data1i-3+data1i-4) /if(data1i+data1i-1)=0) if(perror=0) if(ab(perror)45&ab(perror)70&ab(perror)350) ch_value=k350+(long int)(k600-k350)*(perror-350)/250; else i

30、f(ab(perror)45&ab(perror)70&ab(perror)350) ch_value=-(k350+(long int)(k600-k350)*(ab(perror)-350)/250); /result_angley-=kpy*perrory/10+kdy*(perrory-last_dir_errory)/10;/+/*kiy*/(perrory+last_dir_errory)/200; ch_value+=/*(float)(kp1/10.0)*perror+*/kd1*(perror-last_dir_error)/10+kiy*error_side

31、/10; /tempk=kpstate; /not necessary last_dir_error=perror; pre_result_angle = result_angle; result_angle=_MID+ch_value; if(result_angle-pre_result_angle_MAXTURN) result_angle = pre_result_angle + _MAXTURN; else if(pre_result_angle-result_angle_MAXTURN) result_angle = pre_result_angle - _MAXTURN; if(

32、result_angle_MAXLEFT) /保護(hù)舵機(jī)左右極限 result_angle = _MAXLEFT; else if(result_angle=0) if(perror=0) if(ab(perror)45&ab(perror)70&ab(perror)350) ch_value=k350+(long int)(k600-k350)*(perror-350)/250; else if(ab(perror)45&ab(perror)70&ab(perror)350) ch_value=-(k350+(long int)(k600-k350)*(ab(perror)-35