基于單片機(jī)的簡易智能車控制系統(tǒng)

1、xxx學(xué)士學(xué)位論文 摘要設(shè)計(jì)（論文）題目基于單片機(jī)的簡易智能車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（論文）類型（劃“”）工程設(shè)計(jì)應(yīng)用研究開發(fā)研究基礎(chǔ)研究其它一、 本課題的研究目的和意義其專業(yè)知識涉及控制、模式識別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個學(xué)科，對學(xué)生的知識融合和實(shí)踐動手能力的培養(yǎng)，對高等學(xué)?？刂萍捌囯娮訉W(xué)科學(xué)術(shù)水平的提高，具有良好的長期的推動作用。隨著賽事的逐年開展，將不僅有助于大學(xué)生自主創(chuàng)新能力的提高，對于相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域?qū)W術(shù)水平的提升也有一定幫助，最終將有助于汽車企業(yè)的自創(chuàng)新，得到企業(yè)的認(rèn)可。研究面向城市環(huán)境的無人自動駕駛車輛，旨在為未來的城市提供一種靈活、高效、安全、環(huán)保的新型公共交通工具。經(jīng)

2、過研究，人們發(fā)現(xiàn)如果能把人放置在車路系統(tǒng)之外，便可以比較容易降低事故率。因此，車輛自動駕駛是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分。二、本課題的主要研究內(nèi)容（提綱）本課題要完成在基于單片機(jī)的自動控制器控制模型車在封閉的跑道上自主運(yùn)行一圈，在保證模型車運(yùn)行穩(wěn)定及不跑出跑道的前提下，跑完一圈的時(shí)間越小越好。具體的研究內(nèi)容有：1. 道路識別模塊的設(shè)計(jì). 選擇滿足設(shè)計(jì)要求的傳感器，進(jìn)行相應(yīng)的分析和計(jì)算2. 電機(jī)驅(qū)動模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過電機(jī)驅(qū)動模塊控制驅(qū)動電機(jī)兩端電壓可以使模型車加速，也可對模型車減速，可以使用大功率晶體管、全橋或者半橋電路，輸出PWM波形實(shí)現(xiàn)對于電機(jī)的控制。3. 舵機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。4. 主控制器

3、的選擇。根據(jù)所選器件的兼容性，功耗要求等選擇滿足要求的控制器。5. 速度檢測模塊的設(shè)計(jì)。車速檢測，對車速進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，選擇合適的電路使模型車運(yùn)行的更精確。6. 電源的設(shè)計(jì)。根據(jù)各個模塊的電源要求設(shè)計(jì)所需要的穩(wěn)壓電源。7. 調(diào)試電路的設(shè)計(jì)。調(diào)試電路用于模型車開發(fā)調(diào)試階段，可以顯示模型車控制電路的各種信息以及工作參數(shù)，而且還可以對工作參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場修改。8. 顯示模塊的設(shè)計(jì)。9. 根據(jù)算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)硬件電路的設(shè)計(jì)以及軟件模塊的設(shè)計(jì)。，軟件模塊的設(shè)計(jì)。軟件部分主要有MSP430F149單片機(jī)的時(shí)鐘初始化；PWM模塊的應(yīng)用；外部中斷模塊；定時(shí)器模塊捕捉功能的實(shí)現(xiàn);AD模塊的應(yīng)用；模糊PID控制算法的實(shí)

4、現(xiàn)。 三、 文獻(xiàn)綜述（國內(nèi)外研究情況及其發(fā)展）國外概況美國國防遠(yuǎn)景研究規(guī)劃局 DARPA 從 2004 年開始舉辦無人車大獎賽，以百萬美元的獎金吸引各大高校和企業(yè)參與無人駕駛車輛的研究工作。2004 年的比賽在沙漠中進(jìn)行。但在全長近 250 公里的路線上，最遠(yuǎn)的一隊(duì)也僅僅跑了 11.78 公里而已。2005年的比賽有 5 輛車完成比賽，斯坦福大學(xué) Sebastian Thrun 教授帶領(lǐng)的 Stanford RacingTeam 的 Stanley 賽車獲得冠軍，他們使用了一輛改裝過的大眾途銳 R5 柴油車。2006年的比賽難度再次加大，從沙漠移到了城市里，在加州的 Victorville，隊(duì)

5、伍完全被置身于真實(shí)的道路狀況之中，包括避讓，擁堵，加入車流和遵守交通規(guī)則等?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)最終獲得冠軍和 200 萬美元的獎勵，斯坦福獲得第二名和 100 萬美元，而第三名被維吉尼亞理工學(xué)院奪得。2007 年底在加利福尼亞維克托維爾舉辦了第三屆智能汽車大賽。一款經(jīng)過改裝的智能化雪佛蘭太和運(yùn)動型多功能車在無人操控的情況下行駛了 6 個小時(shí)，行程 60 英里(約 96 公里)，奪得大賽冠軍。美國國防部希望智能汽車最能夠用于軍事，以使士兵更加安全；汽車制造商認(rèn)為，人工智能系統(tǒng)將能幫人們駕駛，最終完全承擔(dān)駕駛?cè)蝿?wù)；研究者希望他們的技術(shù)將有助于減少交通事故。韓國大學(xué)生智能模型車競賽是韓國漢陽大學(xué)汽車控制

6、實(shí)驗(yàn)室在飛思卡爾導(dǎo)體公司資助下舉辦的以 HCS12 單片機(jī)為核心的大學(xué)生課外科技競賽。組委將提供一個標(biāo)準(zhǔn)的汽車模型、直流電機(jī)和可充電式電池，參賽隊(duì)伍要制作一能夠自主識別路線的智能車，在專門設(shè)計(jì)的跑道上自動識別道路行駛，跑完整個賽程用時(shí)最短且技術(shù)報(bào)告評分較高的參賽隊(duì)為獲勝者。制作智能模型車，要參賽隊(duì)伍學(xué)習(xí)和應(yīng)用嵌入式軟件開發(fā)工具軟件 Codewarrior 和在線開發(fā)手段自行設(shè)計(jì)和制作可以自動識別路徑的方案、電機(jī)的驅(qū)動電路、模型車的車速傳感電路、模型車轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的驅(qū)動以及微控制器MC9S12DP256 控制軟件編程，等等。其專業(yè)知識涉及控制、模式識別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多

7、個學(xué)科，對學(xué)生的知識融合和實(shí)踐動手能力的培養(yǎng)，對高等學(xué)?？刂萍捌囯娮訉W(xué)科學(xué)術(shù)水平的提高，具有良好的長期的推動作用。隨著賽事的逐年開展，將不僅有助于大學(xué)生自主創(chuàng)新能力的提高，對于相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域?qū)W術(shù)水平的提升也有一定幫助，最終將有助于汽車企業(yè)的自創(chuàng)新，得到企業(yè)的認(rèn)可。上海交通大學(xué)、法國國家信息與自動化研究所(INRIA)和葡萄牙 Coimbra 大學(xué)聯(lián)合組成的 CyberC3 項(xiàng)目組，重點(diǎn)研究面向城市環(huán)境的無人自動駕駛車輛，旨在為未來的城市提供一種靈活、高效、安全、環(huán)保的新型公共交通工具。經(jīng)過研究，人們發(fā)現(xiàn)如果能把人放置在車路系統(tǒng)之外，便可以比較容易降低事故率。因此，車輛自動駕駛是智能交通系統(tǒng)的重

8、要組成部分。國內(nèi)概況“飛思卡爾杯”全國大學(xué)生智能汽車競賽是由教育部高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會主辦，飛思卡爾半導(dǎo)體公司協(xié)辦的全國性的比賽；全國大學(xué)生智能汽車競賽是在統(tǒng)一汽車模型平臺上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的 8 位、16 位微控制器作為核心控制模塊，通過增加道路傳感器、設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動電路編寫相應(yīng)軟件以及裝配模型車，制作一個能夠自主識別道路的模型汽車，按規(guī)定路線行進(jìn)，以完成時(shí)間最短者為優(yōu)勝。與以往的專業(yè)競賽不同，智能汽車競賽是以快速發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個學(xué)科交叉的科技創(chuàng)新比賽，已經(jīng)成為各高校示科研成果和學(xué)生實(shí)踐能力的重要途徑，同

9、時(shí)也為社會選拔優(yōu)秀的創(chuàng)新人才供了重要平臺。我國于 2006 年 8 月舉辦第一屆“飛思卡爾杯”全國大學(xué)生智能汽車邀請此次比賽吸引了來自全國 59 所著名學(xué)校的 112 支代表隊(duì)的參與，大賽分預(yù)賽決賽兩個階段。我國于 2008 年 8 月舉辦了第三屆“飛思卡爾杯”全國大學(xué)生智能汽車邀賽，此次比賽吸引了來自全國的 100 多所著名學(xué)校的幾百支代表隊(duì)參與，由于參賽隊(duì)較多，大賽分為分賽區(qū)比賽和全國總決賽；全國共分東北賽區(qū)、華賽區(qū)、華東賽區(qū)、華南賽區(qū)及西南賽區(qū)五個分賽區(qū)；分賽區(qū)的前 15 名優(yōu)勝者參加全國的總決賽。本屆比賽在第一屆比賽的基礎(chǔ)上增加了賽道的難度，增加彎道和蛇形道在整個賽道中的比重，在決賽中

10、還增加了不同角度的坡道，這對參賽選手及智能模型車系統(tǒng)提出了更高的要求。全國大學(xué)生智能汽車競賽已經(jīng)成功舉辦了三屆，比賽規(guī)模不斷擴(kuò)大、比成績不斷提高。通過比賽促進(jìn)了高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)際、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。當(dāng)前在嵌入式領(lǐng)域8位、16位、32位的CPU種類繁多，各有定位和特色，且一個芯片中集成2個甚至3個CPU也不難見到。更復(fù)雜的應(yīng)用可以使用多個CPU的分布式系統(tǒng)，因此CPU的運(yùn)算能力不再是設(shè)計(jì)者首先考慮的。半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展的不平衡往往表現(xiàn)在存

11、儲器上。因此有人提出，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該不再以CPU為核心，而是以存儲器為核心。四、 擬解決的關(guān)鍵問題設(shè)計(jì)自動控制器是制作智能車的核心環(huán)節(jié)，作為能夠自動識別道路運(yùn)行的智能車，車模和控制器可以看成一個自動控制系統(tǒng)，它可以分為傳感器、信息處理、控制算法、執(zhí)行機(jī)構(gòu)四個部分。本次設(shè)計(jì)需要制作出一個能夠自主識別道路并行駛的智能車。在模型車的制作過程中，最關(guān)鍵的問題就是如何探尋黑線，如何施以合適的控制策略來確保小車在不違背規(guī)則的前提下沿賽道盡可能快速穩(wěn)定的前進(jìn)。而探尋黑線的準(zhǔn)確與否將直接影響小車行進(jìn)的穩(wěn)定性，故而，設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確的尋線系統(tǒng)是該智能車制作過程中最重要的環(huán)節(jié)。另外基于模糊控制的賽車PID控制算法

12、的研究也是穩(wěn)定運(yùn)行的重點(diǎn)。五、 研究思路和方法1 收集并整理設(shè)計(jì)所需原始材料，有針對性地復(fù)習(xí)掌握與設(shè)計(jì)相關(guān)的內(nèi)容為確定設(shè)計(jì)方案做準(zhǔn)備。2.控制方案設(shè)計(jì)包括總體方案概述和系統(tǒng)的工作原理3 硬件設(shè)計(jì)及說明包括光電傳感器的設(shè)計(jì)和電機(jī)驅(qū)動模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)電源模塊的設(shè)計(jì)，舵機(jī)的控制4 軟件設(shè)計(jì)說明涉及MSP430F149單片機(jī)的時(shí)鐘初始化、PWM模塊的應(yīng)用、AD模塊的應(yīng)用、模糊PID控制算法的實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)整個軟件架構(gòu)和算法之前一定要對整個車模的機(jī)械結(jié)構(gòu)有一個感性的認(rèn)識，然后建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并在實(shí)際的調(diào)試過程中不斷的改進(jìn)和提高。5 將硬件和軟件進(jìn)行最優(yōu)化，是小車運(yùn)行達(dá)到一個相對穩(wěn)定且速度較快的狀態(tài) 六

13、 本課題的進(jìn)度安排3月1日3月24日 完成開題報(bào)告3月25日4月10日 系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)4月11日4月24日 實(shí)習(xí)4月25日5月1日 程序調(diào)試5月2日5月20日 提交初步設(shè)計(jì)結(jié)果5月20日5月23日 設(shè)計(jì)優(yōu)化5月23日6月14日 畢業(yè)論文及畢業(yè)答辯六、 參考文獻(xiàn)1 公茂法等 單片機(jī)原理與實(shí)踐 北京航空航天大學(xué)出版社 2 第三屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車邀請賽技術(shù)報(bào)告 上海交通大學(xué)3 第三屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告 東北大學(xué)4 卓晴 智能汽車自動控制器方案設(shè)計(jì)，清華大學(xué)自動化系，20065 譚浩強(qiáng) C語言程序設(shè)計(jì)（第二版），北京：清華大學(xué)出版社，19996 MSP430F1

14、系列單片機(jī)常用模塊應(yīng)用原理 7基于超低功耗的MSP430系列單片機(jī) 8 電力電子技術(shù) 王旭光等 中國石油大學(xué)出版社9 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第五版 閻石主編 高等教育出版社 10 Document order number: MC33886 Rev 7.0, Freescale Semiconductor，07/200511 MC9S12XS256 Reference Manual ，F(xiàn)reescale Semiconductor 02/2009指導(dǎo)教師意見指導(dǎo)教師（簽名）： 2011年 月 日所在系（所）意見負(fù)責(zé)人（簽章）： 2011年 月 日摘 要智能車控制系統(tǒng)是通過單片機(jī)的自動控制器控制模型車

15、在封閉的跑道上自主循線運(yùn)行，在保證不沖出跑道的前提下，跑完一圈的時(shí)間越小成績越好。我們通過對整體方案、電路、算法的分析，硬件電路部分主要采用MC33886模塊穩(wěn)定、有力地驅(qū)動直流電動機(jī)和舵機(jī)，采用激光傳感器實(shí)現(xiàn)道路檢測，獲取賽道信息，反饋給單片機(jī)MSP430F149。電機(jī)驅(qū)動采用基于MC33886全橋電機(jī)驅(qū)動芯片。軟件系統(tǒng)部分主要包括以下與路徑識別系統(tǒng)相關(guān)模塊的算法，同時(shí)車速檢測模塊采用光電編碼器檢測模型車速度，反饋給單片機(jī)形成閉環(huán)的PID速度控制；同時(shí)采用PWM技術(shù)控制舵機(jī)得轉(zhuǎn)向和電機(jī)轉(zhuǎn)速。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，我們小組成員涉獵控制、模式識別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個學(xué)科，

16、這次磨練對我們的知識融合和實(shí)踐動手能力的培養(yǎng)有極大的推動作用。 關(guān)鍵詞：智能車;路徑識別;激光傳感器;PID;MSP430F149單片機(jī) ABSTRACTIntelligent Vehicle control system design and debugging MCU is through the design of automatic controller model car in a closed runway independent line running through, ensuring the car is not out of the premise of the runw

17、ay,finish the lap time for the less used the better results.Through the whole program,circuit,algorithm,debug,annalysis of vehicle parameters,we decided to use some of the major MC33886 hardware module that can stabilize a powerful DC motor and servo drive.And laser sensors to achieve the road test

18、in result to get track information,and finally feedback to the microcontroller MSP430F149. Software systems, including some major recognition system associated with the path of the algorithm module in addition to vehicle speed detection module uses optical encoders to detect model car speed,the purp

19、ose is that you can form a closed loop of the PID speed control;while car steering control with PWM technology was streering and motor speed. CodeWarrior software development tools enable the design of programming and debugging work is guaranteed.All in all, the temper of our knowledge integration a

20、nd practical ability to train great role.Keywords：Smart car; Path identtification; Laser sensors; PID; MSP430F149目錄1 緒論11.1課題的發(fā)展概況11.2課題內(nèi)容與意義21.3文本結(jié)構(gòu)22智能車的整體設(shè)計(jì)42.1系統(tǒng)總體方案的選定42.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)63硬件設(shè)計(jì)及說明143.1 核心控制模塊3.2電源模塊設(shè)計(jì)193.3激光傳感器的設(shè)計(jì)143.4電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)173.5舵機(jī)的安裝與控制193.6速度檢測模塊3.7 顯示模塊4軟件設(shè)計(jì)說明244.1系統(tǒng)軟件流程圖244.2 所用

21、PWM模塊說明254.3模糊PID控制算法的實(shí)現(xiàn)274.4輸入捕捉功能的實(shí)現(xiàn)參考文獻(xiàn)33致謝34附錄一35附錄二581 緒論1.1課題的發(fā)展概況全國大學(xué)生智能車競賽的計(jì)劃是在2005年暑假舉行的單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)教書討論會上，由飛思卡爾公司的金功九博士建議的。我們得知，韓國至今已舉辦過5屆，不但得到飛思卡爾公司的贊助，還得到了韓國著名制造商的贊助。飛思卡爾公司的前身摩托羅拉公司半導(dǎo)體部，在過去10年中曾每兩年一屆，舉辦過五屆“Motorola”杯全國單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)競賽。比賽方式是參賽人提出單片機(jī)應(yīng)用的創(chuàng)意，經(jīng)過專家評審選出3050個應(yīng)用方案，然后再由公司提供8位、16位、32位以及DSP傳感器等

22、產(chǎn)品的樣片和開發(fā)工具，用四個月的時(shí)間完成，并進(jìn)行決賽，比賽對參賽人的背景沒有限制此類競賽對中國單片機(jī)的推廣應(yīng)用已經(jīng)起到了一定的促進(jìn)作用。當(dāng)前在嵌入式領(lǐng)域8位、16位、32位的CPU種類繁多，各有定位和特色，且一個芯片中集成2個甚至3個CPU也不難見到。更復(fù)雜的應(yīng)用可以使用多個CPU的分布式系統(tǒng)，因此CPU的運(yùn)算能力不再是設(shè)計(jì)者首先考慮的。半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展的不平衡往往表現(xiàn)在存儲器上。因此有人提出，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該不再以CPU為核心，而是以存儲器為核心。在本次設(shè)計(jì)中，采用16位微控制器MSP430F149作為核心控制單元，自主構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括傳感器信號采集處理、控制算法及執(zhí)行、動力

23、電機(jī)驅(qū)動、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制等。1.1.1 國外概況美國國防遠(yuǎn)景研究規(guī)劃局 DARPA 從 2004 年開始舉辦無人車大獎賽，以百萬美元的獎金吸引各大高校和企業(yè)參與無人駕駛車輛的研究工作。2004 年的比賽在沙漠中進(jìn)行。但在全長近 250 公里的路線上，最遠(yuǎn)的一隊(duì)也僅僅跑了 11.78 公里而已。2005年的比賽有 5 輛車完成比賽，斯坦福大學(xué) Sebastian Thrun 教授帶領(lǐng)的 Stanford RacingTeam 的 Stanley 賽車獲得冠軍，他們使用了一輛改裝過的大眾途銳 R5 柴油車。2006年的比賽難度再次加大，從沙漠移到了城市里，在加州的 Victorville，隊(duì)伍完全被

24、置身于真實(shí)的道路狀況之中，包括避讓，擁堵，加入車流和遵守交通規(guī)則等?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)最終獲得冠軍和 200 萬美元的獎勵，斯坦福獲得第二名和 100 萬美元，而第三名被維吉尼亞理工學(xué)院奪得。2007 年底在加利福尼亞維克托維爾舉辦了第三屆智能汽車大賽。一款經(jīng)過改裝的智能化雪佛蘭太和運(yùn)動型多功能車在無人操控的情況下行駛了 6 個小時(shí)，行程 60 英里(約 96 公里)，奪得大賽冠軍。美國國防部希望智能汽車最能夠用于軍事，以使士兵更加安全；汽車制造商認(rèn)為，人工智能系統(tǒng)將能幫人們駕駛，最終完全承擔(dān)駕駛?cè)蝿?wù)；研究者希望他們的技術(shù)將有助于減少交通事故。韓國大學(xué)生智能模型車競賽是韓國漢陽大學(xué)汽車控制實(shí)驗(yàn)室在

25、飛思卡爾導(dǎo)體公司資助下舉辦的以 HCS12 單片機(jī)為核心的大學(xué)生課外科技競賽。組委將提供一個標(biāo)準(zhǔn)的汽車模型、直流電機(jī)和可充電式電池，參賽隊(duì)伍要制作一能夠自主識別路線的智能車，在專門設(shè)計(jì)的跑道上自動識別道路行駛，跑完整個賽程用時(shí)最短且技術(shù)報(bào)告評分較高的參賽隊(duì)為獲勝者。制作智能模型車，要參賽隊(duì)伍學(xué)習(xí)和應(yīng)用嵌入式軟件開發(fā)工具軟件 Codewarrior 和在線開發(fā)手段自行設(shè)計(jì)和制作可以自動識別路徑的方案、電機(jī)的驅(qū)動電路、模型車的車速傳感電路、模型車轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的驅(qū)動以及微控制器MC9S12DP256 控制軟件編程，等等。其專業(yè)知識涉及控制、模式識別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個學(xué)科，

26、對學(xué)生的知識融合和實(shí)踐動手能力的培養(yǎng)，對高等學(xué)?？刂萍捌囯娮訉W(xué)科學(xué)術(shù)水平的提高，具有良好的長期的推動作用。隨著賽事的逐年開展，將不僅有助于大學(xué)生自主創(chuàng)新能力的提高，對于相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域?qū)W術(shù)水平的提升也有一定幫助，最終將有助于汽車企業(yè)的自創(chuàng)新，得到企業(yè)的認(rèn)可。這項(xiàng)賽事在韓國的成功可以證明這一點(diǎn)。2000 年智能汽車競賽首先由韓國漢陽大學(xué)承辦開展起來，每年全韓國大約有 100 余支大生隊(duì)伍報(bào)名并準(zhǔn)予參賽，至今已成功舉辦了 8 屆，得到了眾多高校和大學(xué)生歡迎，也逐漸得到了企業(yè)界的極大關(guān)注。上海交通大學(xué)、法國國家信息與自動化研究所(INRIA)和葡萄牙 Coimbra 大學(xué)聯(lián)合組成的 CyberC3 項(xiàng)

27、目組，重點(diǎn)研究面向城市環(huán)境的無人自動駕駛車輛，旨在為未來的城市提供一種靈活、高效、安全、環(huán)保的新型公共交通工具。經(jīng)過研究，人們發(fā)現(xiàn)如果能把人放置在車路系統(tǒng)之外，便可以比較容易降低事故率。因此，車輛自動駕駛是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分。1.1.2 國內(nèi)概況“飛思卡爾杯”全國大學(xué)生智能汽車競賽是由教育部高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會主辦，飛思卡爾半導(dǎo)體公司協(xié)辦的全國性的比賽；全國大學(xué)生智能汽車競賽是在統(tǒng)一汽車模型平臺上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的 8 位、16 位微控制器作為核心控制模塊，通過增加道路傳感器、設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動電路編寫相應(yīng)軟件以及裝配模型車，制作一個能夠自主識別道路的模型汽車，按規(guī)定路

28、線行進(jìn)，以完成時(shí)間最短者為優(yōu)勝。與以往的專業(yè)競賽不同，智能汽車競賽是以快速發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個學(xué)科交叉的科技創(chuàng)新比賽，已經(jīng)成為各高校示科研成果和學(xué)生實(shí)踐能力的重要途徑，同時(shí)也為社會選拔優(yōu)秀的創(chuàng)新人才供了重要平臺。我國于 2006 年 8 月舉辦第一屆“飛思卡爾杯”全國大學(xué)生智能汽車邀請此次比賽吸引了來自全國 59 所著名學(xué)校的 112 支代表隊(duì)的參與，大賽分預(yù)賽決賽兩個階段。我國于 2008 年 8 月舉辦了第三屆“飛思卡爾杯”全國大學(xué)生智能汽車邀賽，此次比賽吸引了來自全國的 100 多所著名學(xué)校的幾百支代表隊(duì)參與，由于參賽隊(duì)較多

29、，大賽分為分賽區(qū)比賽和全國總決賽；全國共分東北賽區(qū)、華賽區(qū)、華東賽區(qū)、華南賽區(qū)及西南賽區(qū)五個分賽區(qū)；分賽區(qū)的前 15 名優(yōu)勝者參加全國的總決賽。本屆比賽在第一屆比賽的基礎(chǔ)上增加了賽道的難度，增加彎道和蛇形道在整個賽道中的比重，在決賽中還增加了不同角度的坡道，這對參賽選手及智能模型車系統(tǒng)提出了更高的要求。全國大學(xué)生智能汽車競賽已經(jīng)成功舉辦了三屆，比賽規(guī)模不斷擴(kuò)大、比成績不斷提高。通過比賽促進(jìn)了高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)際、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。1.2

30、 課題內(nèi)容和意義智能小車以飛思卡爾16位微控制 MC9S12DG128B作為唯一的核心控制單元，電機(jī)驅(qū)動芯片選用了MC33886，采用激光傳感器采集圖像循線，實(shí)現(xiàn)了通過記憶算法解決跑道的S型的難題。同時(shí)，采用PWM和PID技術(shù)，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向和電機(jī)轉(zhuǎn)速。路徑參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算是智能小車控制的前提，采用隨動控制來識別路徑，更能準(zhǔn)確的來控制小車速度。技術(shù)報(bào)告以智能小車的設(shè)計(jì)為主線，包括小車的軟硬件設(shè)計(jì)，以及控制算法研究等。整個智能汽車制作過程中，我們主要做了以下工作：(l)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)制定智能模型車系統(tǒng)方案;(2)選擇及設(shè)計(jì)關(guān)鍵器件，并進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及功能模塊設(shè)計(jì);(3)智能模

31、型車系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)及研究;(4)智能模型車系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計(jì)及研究;（1）路徑精確識別采用激光傳感器來識別路徑，解決其精度差的缺點(diǎn)研究的主要問題，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)激光傳感器器輸出電壓值與其接受紅外光量有很好的對應(yīng)關(guān)系，于是在每次行駛之前都對每個傳感器動態(tài)建立數(shù)據(jù)表，將其在白板上及黑線上的電壓值儲存在單片機(jī)內(nèi)存中，在主程序運(yùn)行時(shí)對每個紅外傳感器輸出電壓值都進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換，找到其與模型車相對于引導(dǎo)線的偏移量的規(guī)律從而計(jì)算出偏移量，此方法經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)，確定可行。（2）硬件電路設(shè)計(jì)為了讓各個電子器件能夠正常能夠工作，設(shè)計(jì)外圍電路以提供其工作環(huán)境。為了在出現(xiàn)問題時(shí)查找方便，應(yīng)將系統(tǒng)所有電路板均設(shè)計(jì)制作成

32、PCB 板以有效提升系統(tǒng)的可靠性。（3）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)整車控制系統(tǒng)是研究內(nèi)容的重點(diǎn)，其主要功能是完成對轉(zhuǎn)向舵機(jī)及直流電機(jī)的控制，PID 控制是一種非常成熟的控制方法，其在智能車輛控制領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用，但 PID 控制器的采樣時(shí)間及各項(xiàng)系數(shù)對控制器調(diào)節(jié)能力影響很大，通過何種手段確定將是控制器研究的主要內(nèi)容，經(jīng)過大量試驗(yàn)最終確定了各個參數(shù)并通過了各類型路徑的驗(yàn)證。（5）基于目標(biāo)控制器的算法軟件開發(fā)針對目標(biāo)控制器，采用的 C 語言編譯器按控制策略解決方案和控制軟件流程，開發(fā)編寫了包括主程序和相關(guān)子模塊在內(nèi)的實(shí)用化控制算法代碼1.3 本文結(jié)構(gòu)本文采用先總后分的結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的各部分進(jìn)行了介紹，

33、突出強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路和軟件程序的統(tǒng)一。全文共由四個章節(jié)組成，第一章為緒論，二至四章為主體部分。首先，智能車系統(tǒng)相關(guān)的參考文獻(xiàn)，在第二章里引出了智能車的整體設(shè)計(jì)策略，確定了系統(tǒng)總體框架。然后第三章和第四章分別介紹了智能車的硬件和軟件方面的設(shè)計(jì)。xxx學(xué)士學(xué)位論文 智能車的整體設(shè)計(jì)2 智能車的整體設(shè)計(jì)本章主要簡要地介紹智能車系統(tǒng)總體方案的選定和總體設(shè)計(jì)思路，在后面的章節(jié)中將整個系統(tǒng)分為機(jī)械調(diào)整、控制模塊、控制算法等三部分對智能車控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的介紹分析。21 系統(tǒng)總體方案的選定本次設(shè)計(jì)需要制作出一個能夠自主識別道路并行駛的智能車。在模型車的制作過程中，最關(guān)鍵的問題就是如何探尋黑線，如

34、何施以合適的控制策略來確保小車在不違背規(guī)則的前提下沿賽道盡可能快速穩(wěn)定的前進(jìn)。2.1.1 道路識別模塊選定通過學(xué)習(xí)前四屆飛思卡爾智能車競賽規(guī)則和往屆競賽相關(guān)技術(shù)資料了解到，路徑識別模塊是智能車系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識別方案的好壞，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別的傳感器主要有光電傳感器和激光傳感器、攝像頭傳感器。一、光電傳感器尋跡方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、信號處理速度快，但是其前瞻距離有限。二、激光傳感器相對前者而言電路復(fù)雜一些，但前瞻距離較前者遠(yuǎn)，能及時(shí)預(yù)測道路信息；激光傳感器是新型測量儀表，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)

35、距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。三、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，但是信號處理卻比較復(fù)雜，如何對攝像頭記錄的圖像進(jìn)行處理和識別，加快處理速度是攝像頭方案的難點(diǎn)之一。在比較了三種傳感器優(yōu)劣之后，考慮到CCD傳感器圖像處理的困難以及前瞻距離后，決定選用應(yīng)用廣泛的激光傳感器，相信通過選用大前瞻的激光傳感器，加之精簡的程序控制和較快的信息處理速度，激光傳感器還是可以極好的控制效果的。2.1.2 測速模塊選定另外需要一個速度傳感器安裝在主驅(qū)動齒輪上，通過齒輪傳過來的轉(zhuǎn)動信息，獲取后輪轉(zhuǎn)角和電機(jī)轉(zhuǎn)速。有以下方案：方案一 光電傳感器 可以對齒輪打孔，采用

36、直射型光電傳感器，通過間斷接收到的紅外光，產(chǎn)生電脈沖信號，獲取轉(zhuǎn)動角度和電機(jī)轉(zhuǎn)速。雖然其體積小，不增加后輪負(fù)載，加工制作簡單，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。但是精度不準(zhǔn)，易受外界的干擾。方案二 光電編碼器 光電編碼器可以通過購買安裝在主驅(qū)動齒輪上，來獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速，光電編碼器雖然體積大，會加重車的負(fù)擔(dān)，但是其獲取信息準(zhǔn)確，精度高，安裝容易，所以決定用光電編碼器來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的測速。2.1.3 電源模塊選定 使用的電源為7.2V的鎳鉻電池。所以需要搭建一些升降壓電路，下面考慮方案：方案一、采用降壓、升壓斬波電路采用斬波電路可以很容易得到所需要的電壓，但是需要的轉(zhuǎn)換電路很多，需要的元器件也很多。方案二、采用升降壓芯片集成的

37、小芯片體積小，重量輕，易于安裝，更能節(jié)省空間，所以最后決定采用一系列的升降壓芯片來實(shí)現(xiàn)各個模塊的電源需求。2.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)通過設(shè)計(jì)基于德州儀器推出的MSP430F149單片機(jī)的自動控制器控制模型車在封閉的跑道上自主循線運(yùn)行。自動控制器是以單片機(jī)MSP430F149為核心，配合有傳感器，電機(jī)，舵機(jī)，電池及相應(yīng)的驅(qū)動電路，它能夠自主識別路徑，控制模型車高速穩(wěn)定運(yùn)行在跑道上。自動控制器是制作智能車的核心環(huán)節(jié)。在嚴(yán)格遵守規(guī)則中對于電路限制條件，保證智能車可靠運(yùn)行前提下，電路設(shè)計(jì)盡量簡潔緊湊，以減輕系統(tǒng)負(fù)載，提高智能車的靈活性。作為能夠自動識別道路運(yùn)行的智能汽車，車模與控制器可以看成一個自動控制系統(tǒng)。

38、它可以分為傳感器，信息處理，控制算法及執(zhí)行機(jī)構(gòu)四個部分。其中，以單片機(jī)為核心，配有傳感器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及它們的驅(qū)動電路構(gòu)成了控制系統(tǒng)的硬件。信息處理與控制算法由運(yùn)行在單片機(jī)中的控制軟件完成。因此自主控制器設(shè)計(jì)可以分為硬件電路設(shè)計(jì)和控制軟件兩部分。電路設(shè)計(jì)如圖2.1MCUMSP430F149顯示電源模塊舵機(jī)驅(qū)動直流電機(jī)驅(qū)動速度檢測紅外檢測道路識別激光傳感器2.1 硬件系統(tǒng)電路框圖 根據(jù)以上硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，賽車硬件系統(tǒng)包括七大模塊：MSP430F149主控模塊、傳感器模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、速度檢測模塊、顯示模塊。各模塊的作用如下：MSP430F149主控模塊作為整個智能車的“大腦”，將采集

39、光電傳感器、光電編碼器等傳感器的信號，根據(jù)控制算法做出控制決策，驅(qū)動直流電機(jī)和伺服電機(jī)完成對智能車的控制。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。電源模塊為整個系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源。電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動直流電機(jī)和伺服電機(jī)完成智能車的加減速控制和轉(zhuǎn)向控制。速度檢測模塊檢測反饋智能車后輪的轉(zhuǎn)速，用于速度的閉環(huán)控制。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)：智能車系統(tǒng)采用16位微控制器MSP430F149單片機(jī)作為核心控制單元用于智能車系統(tǒng)的控制。在選定智能車系統(tǒng)采用光電傳感器方案后，賽車的位置信號由車體前方的激光傳感器采集，經(jīng)MS

40、P430F149的 MCU的I/O口處理后，用于賽車的運(yùn)動控制決策，同時(shí)內(nèi)部定時(shí)器A模塊發(fā)出PWM波，驅(qū)動直流電機(jī)對智能車進(jìn)行加速和減速控制，以及伺服電機(jī)對賽車進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，使賽車在賽道上能夠自主行駛，并以最短的時(shí)間最快的速度跑完全程。為了對賽車的速度進(jìn)行精確的控制，在智能車后軸上安裝光電編碼器，采集車輪轉(zhuǎn)速的脈沖信號，經(jīng)MCU捕獲后進(jìn)行PID自動控制，完成智能車速度的閉環(huán)控制。xxx學(xué)士學(xué)位論文 硬件設(shè)計(jì)及說明3 硬件設(shè)計(jì)及說明具體地說，主要從以下四個方面予以介紹：激光傳感器的設(shè)計(jì)；電機(jī)驅(qū)動模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；電源模塊的設(shè)計(jì)；舵機(jī)的安裝與控制，顯示模塊。核心控制模塊31控制核心MSP430F1

41、49芯片是美國TI公司推出的超低功耗微處理器,有60KB+256字節(jié)FLASH,2KBRAM,包括基本時(shí)鐘模塊、看門狗定時(shí)器、帶3個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時(shí)器、帶7個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時(shí)器、2個具有中斷功能的8位并行端口、4個8位并行端口、模擬比較器、12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個串行通信接口等模塊。311 內(nèi)部資源MSP430F149芯片具有如下特點(diǎn):1)功耗低:電壓2.2V、時(shí)鐘頻率1MHz時(shí),活動模式為200A;關(guān)閉模式時(shí)僅為0.1A,且具有5種節(jié)能工作方式。2)高效16位RISC-CPU,27條指令,8MHz時(shí)鐘頻率時(shí),指令周期時(shí)間為125ns,絕大多數(shù)指

42、令在一個時(shí)鐘周、期完成;32kHz時(shí)鐘頻率時(shí),16位MSP430單片機(jī)的執(zhí)行速度高于典型的8位單片機(jī)20MHz時(shí)鐘頻率時(shí)的執(zhí)行速度。3)低電壓供電、寬工作電壓范圍:1.83.6V;4)靈活的時(shí)鐘系統(tǒng):兩個外部時(shí)鐘和一個內(nèi)部時(shí)鐘;5)低時(shí)鐘頻率可實(shí)現(xiàn)高速通信;6)具有串行在線編程能力;7)強(qiáng)大的中斷功能;8)喚醒時(shí)間短,從低功耗模式下喚醒僅需6s;9)ESD保護(hù),抗干擾力強(qiáng);10)運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為-40+85,適合于工業(yè)環(huán)境。MSP430系列單片機(jī)的所有外圍模塊的控制都是通過特殊寄存器來實(shí)現(xiàn)的,故其程序的編寫相對簡單。編程開發(fā)時(shí)通過專用的編程器,可以選擇匯編或C語言編程,IAR公司為MSP43

43、0系列的單片機(jī)開發(fā)了專用的C430語言,可以通過WORKBENCH和C-SPY直接編譯調(diào)試,使用靈活簡單。32電源模塊的設(shè)計(jì)大賽規(guī)定使用的電源為配發(fā)的7.2V的鎳鉻電池?，F(xiàn)在看電路中所用多大的電源以及如何設(shè)計(jì)這些要用的電源。單片機(jī)、信號調(diào)理電路以及部分接口電路需要用穩(wěn)定的5V電源供電。舵機(jī)的工作電源為6V，此電壓無需十分穩(wěn)定，后輪電機(jī)驅(qū)動模塊需要7.2V的電源，可以直接有電池供電。321 5V 穩(wěn)壓電源5V穩(wěn)壓芯片的選擇考慮7805穩(wěn)壓塊和LM2575及LM294013系列三種方法。在各部分電路電源中，整個電路的核心S12芯片的供電放在首位，首先應(yīng)保證他電源供給的安全穩(wěn)定。根據(jù)S12的技術(shù)資料

44、，其供電電壓為 5V.而本設(shè)計(jì)多提供的電源額定電壓為7.2V，因此需要一個降壓芯片為S12芯片供電。以下為芯片選用論證：（1）在平時(shí)設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到的穩(wěn)壓器為LM7805來完成電壓轉(zhuǎn)換。由于蓄電池隨著電量的釋放造成電壓逐漸降低，當(dāng)降低到一定程度的時(shí)候就不能持續(xù)提供+5V的電壓，造成智能電動車控制系統(tǒng)不能正常地工作。LM7805穩(wěn)壓器比較常見的是線性穩(wěn)壓芯LM7805。雖然這種線性穩(wěn)壓器具有輸出電壓恒定或可調(diào)、穩(wěn)壓精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是由于其線性調(diào)整工作方式在工作中會造成較大的“熱損失”(其值為V壓降×I負(fù)荷)，導(dǎo)致其電源利用率不高、工作效率低下，不易達(dá)到便攜式設(shè)備對低功耗的要求。由于直流電

45、機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)的電流達(dá)到 4A。當(dāng)直流電機(jī)運(yùn)行半個小時(shí)左右，測得的電源電壓在+6.5V+7.0V， 而微處理器的輸入電壓要求為穩(wěn)定的+5V， 如果選用7805線性電源管理芯片，由于工作壓降要求在1.7V以上，也就是如果使7805輸出+5V 電壓，那么輸入電壓至少在+6.7V以上，否則不易保證穩(wěn)定的+5V電壓輸出，也就很難保證微處理器的正常工作。由于其高壓差因素，如果使用7805，那么還應(yīng)該考慮電源散熱問題，使得整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜且不能保證系統(tǒng)的有效工作時(shí)間。（2）LM2576-5V該芯片為單片降壓式開關(guān)電壓調(diào)整器，輸出電壓5.0V ；最大輸出電流 3A ；具有熱關(guān)閉和限流保護(hù)功能。 因此，開關(guān)

46、穩(wěn)壓電源的功耗極低 ，其平均工作效率可達(dá) 70% 90% 。然而LM2576-5 工作電壓在7.040V 之間，而本設(shè)計(jì)提供的電池額定電壓為7.2V ，所以該芯片易出現(xiàn)輸出電壓低于5V的情況，不符合單片機(jī)供電的要求。（3）低壓降穩(wěn)壓塊LM2940，高負(fù)載時(shí)壓降為40mV，輸出電流可達(dá)1.25A，典型值壓降為350mV輸出電流為1A，靜態(tài)電流為240uA。該芯片較 LM2576-5 而言，能夠在低壓差的情況下穩(wěn)定的工作 ，故該芯片給MCU 供電是個不錯的選擇。鑒于單片機(jī)和光電傳感器總電流過大，用兩個2940芯片并聯(lián)。最終得出供電電路圖如圖4.5所示。圖4.5 5V穩(wěn)壓電路因此我們選擇了低失穩(wěn)電壓

47、穩(wěn)壓器LM2940來設(shè)計(jì)電源，LM2940穩(wěn)壓器特點(diǎn)是在整個溫度范圍內(nèi)按典型0.5V和最大1V的失穩(wěn)電壓能提供1A的輸出電流。此外，還具有靜態(tài)電流降低電路，當(dāng)輸入與輸出的電壓差大于3V時(shí)，可以自動降低靜態(tài)電流。該穩(wěn)壓器也具有一般穩(wěn)壓器的短路保護(hù)和熱過載保護(hù)等功能，該穩(wěn)壓器原為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，具有電池反接或兩電池對接的保護(hù)功能。在輸出負(fù)載降壓60V時(shí)穩(wěn)壓器將自動關(guān)閉以保護(hù)內(nèi)部電路。電容值的選擇：為了保證電源電路的穩(wěn)定性，輸出端的電解電容至少為22uF。為保持瞬變時(shí)的調(diào)整率，電容量可以無限制增加，位置盡可能靠近穩(wěn)壓器。該電容必須額定在于穩(wěn)壓器相同的工作溫度內(nèi)，而ESR是嚴(yán)格要求的。 322 6V

48、穩(wěn)壓電路經(jīng)實(shí)驗(yàn)測的舵機(jī)最大輸出電流約為100mA左右，而7806芯片的輸出電流是500mA至1A，能夠滿足舵機(jī)的要求。另外查7806的芯片資料，得其原理電路圖如圖4.6所示。圖4.6 6V穩(wěn)壓電路33 激光傳感器的設(shè)計(jì)道路識別模塊中我們用到的是激光傳感器器，原理是由發(fā)射管發(fā)射一定波長的激光，經(jīng)地面反射到接收管。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，接受管接收不到，三極管截至，單片機(jī)I/O口接收到信號為“1”； 白色上可以反射回大部分光線，接受管接收到反射光線，三極管導(dǎo)通，單片機(jī)I/O口收到信號為 “0”，通過把光信號的變化轉(zhuǎn)換為電信號變化來實(shí)現(xiàn)控制，以此來區(qū)分黑白線。激光傳

49、感器由兩部份構(gòu)成，一部份為發(fā)射部份，一部分為接收部份。發(fā)射部份由一個振蕩管發(fā)出180KHz頻率的振蕩波后，經(jīng)三極管放大，激光管發(fā)光；接收部份由一個相匹配180KHz的接收管接收返回的光強(qiáng)，經(jīng)過電容濾波后直接接入單片機(jī)的I/0口，檢測返回電壓的高低。由于激光傳感器使用了調(diào)制處理，接收管只能接受相同頻率的反射光，因而可以有效防止可見光對反射激光的影響。另外，配合大透鏡使用，接收效果和抗干擾能力更強(qiáng)。其工作原理圖如圖4.1，圖4.2所示。圖4.1 激光傳感器發(fā)射部分原理圖圖4.2 激光傳感器接收部分原理圖（1）IN為輸入“0”、“1”信號給單片機(jī)，用以判斷黑白線，OUT為單片機(jī)I/O口輸出“0”、“

50、1”信號給激光管，用以控制其是否發(fā)光。 （2）接受管1和2端口有一個三極管，接收到黑線時(shí)，三極管截至，IN輸出為1，接收到白線時(shí)，三極管導(dǎo)通，IN輸出為0。（3）當(dāng)照射在黑線上時(shí)， LED指示燈應(yīng)該為滅；當(dāng)照射在白線上時(shí)， LED指示燈應(yīng)該為亮。我們在尋線傳感器采集方面共用到了13個激光傳感器。激光傳感器接到CPU的數(shù)據(jù)I/O端口，用于檢測道路的彎曲程度，以便控制舵機(jī)調(diào)整前面轉(zhuǎn)向輪的行駛角度。13個激光管呈一字型排列，實(shí)驗(yàn)測知相鄰的兩個激光管之間接收和發(fā)射相互影響，但隔著一個的兩個激光管沒有影響，所以，將奇數(shù)號的激光管相連，接到MSP430F149單片機(jī)的P1.1口，控制它們同時(shí)發(fā)光，偶數(shù)號激

51、光管相連，接到MSP430F149單片機(jī)的P1.0口，控制它們同時(shí)發(fā)光，從而由分時(shí)發(fā)光來實(shí)現(xiàn)激光管互不干擾。 圖4.3 模型車激光傳感器一字排布圖各個激光管之間的距離是相等的，鑒于最外側(cè)的兩個用于起跑線，拐彎和十字線時(shí)，一般直道時(shí)用不到，所以將它們分別接到MSP430F149單片機(jī)的中斷入口P1.2和P1.3口，即只有當(dāng)它們其中一個檢測到黑線時(shí)，產(chǎn)生一個外部中斷信號，智能車做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向和調(diào)速反應(yīng)，其它情況下，只按查詢法逐個查詢是否檢測到黑線，來確定黑線的位置，用以確定智能車的轉(zhuǎn)向和速度，使車實(shí)現(xiàn)延黑線前進(jìn)。由此得出激光管的輸出OUT引腳與單片機(jī)的連接如表4.1所示。表4.1 激光管(接受部分

52、)的輸出引腳與單片機(jī)的接口連接標(biāo)號12345678910111213端口P1.2P1.5P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7P1.7P1.6P1.334 電機(jī)驅(qū)動模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.4.1電機(jī)介紹智能模型車前進(jìn)的動力是通過直流電機(jī)來驅(qū)動的，直流電動機(jī)是最早出現(xiàn)的電動機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動機(jī)。長期以來，直流電動機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。它具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能較高的效率，優(yōu)異的動態(tài)特性。智能模型車的驅(qū)動直流電動機(jī)的型號為RS一380SH，輸出功率0.9W4OW,該電機(jī)使用電壓范圍為3.09.0V，額定電壓7.2v。無負(fù)荷轉(zhuǎn)速可達(dá)16200r

53、pm，無負(fù)荷電流為0.50A。額定轉(zhuǎn)速14000rpm，額定電流3.29A，額定轉(zhuǎn)距110g.cm，額定功率15.8W，起動轉(zhuǎn)矩840g.cm，起動電流21.6A。它的外型圖如圖3.21所示：RS380SH的電機(jī)特性如表3.4所示。表3.4 RS380SH的特性數(shù)據(jù)無負(fù)荷最高效率最大功率停止電流轉(zhuǎn)速電流轉(zhuǎn)速扭矩電流轉(zhuǎn)速扭矩電流扭矩A r/min A rpm g.cm A rpm g.cm A g.cm（畫表格）0.49 15300 2.85 13100 99 8.61 7650 340 16.72 6803.4.2電機(jī)控制近年來，直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大變化，隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)

54、域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈沖調(diào)制(pulse width modulation簡稱PWM)控制方式已成為主流。這種控制方式很容易在單片機(jī)控制中實(shí)現(xiàn)。采用專用集成電路芯片可以很方便的組成單片機(jī)控制的小功率直流伺服系統(tǒng)。本文選用的驅(qū)動芯片是飛思卡爾半導(dǎo)體公司的H橋式驅(qū)動器MC33886。其管腳示意圖如圖3.22所示，它的應(yīng)用電路也很簡單，如圖3.23所示。直流電機(jī)驅(qū)動采用飛思卡爾公司的5A集成H橋芯片MC33886。MC33886芯片內(nèi)置了控制邏輯、電荷泵、門驅(qū)動電路以及低導(dǎo)通電阻的MOSFET輸出電路，適合用來控制感性直流負(fù)載，可以提供連續(xù)的5A

55、電流，并且集成了過流保護(hù)、過熱保護(hù)和欠壓保護(hù)。通過控制MC33886的四根輸入線可以方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、能耗制動及反接制動。圖3.24為經(jīng)過簡化的H橋電路，當(dāng)S1、S4導(dǎo)通且S2、S3截止時(shí)，電流正向流過電機(jī)，車模前進(jìn)；S2、S3導(dǎo)通S1、S4截止時(shí)，電流反向流過電機(jī)，適當(dāng)利用這個過程可以使車模處于反接制動的狀態(tài)，迅速降低車速。由于電機(jī)軸在外力作用下旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)可以產(chǎn)生電能，此時(shí)可以把直流電動機(jī)看作一個帶了很重負(fù)載的發(fā)電機(jī)，電機(jī)上會產(chǎn)生一個阻礙輸出軸運(yùn)動的力，這個力的大小與負(fù)荷的大小成正比，此時(shí)電機(jī)處于能耗制動狀態(tài)。工作特性：(1)5V到40V的連續(xù)操作。本設(shè)計(jì)由于電池采用6節(jié)鎳鎘電池，固最大電壓不超過10V。(2)可以接受TTL或CMOS以及與它們兼容的輸入控制信號。(3)PWM控制頻率可以達(dá)到10kHz。(4)通過PWM的通一斷來控制驅(qū)動電流的大小。(5)內(nèi)部設(shè)有短路保護(hù)，欠壓保護(hù)電路。(6)內(nèi)