全國大學(xué)生智能車大賽作品智能循跡小車技術(shù)文檔

1、 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)CCD PWM ADC CMOS         為了使小車沿著規(guī)定的賽道自動(dòng)尋找黑色引導(dǎo)線并盡可能地高速前進(jìn)，汽車必須具備一套集導(dǎo)引線檢測并實(shí)時(shí)控制汽車速度、姿態(tài)的智能處理單元。設(shè)計(jì)者應(yīng)首先考慮設(shè)計(jì)的主控電路，檢測電路和控制算法。由于單片機(jī)及控制電路部分已經(jīng)確定，所以本章將重點(diǎn)討論探測電路的方案設(shè)計(jì)。 2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求         小車按照黑線尋跡，比賽最終成績由時(shí)間成績、報(bào)告分?jǐn)?shù)和沖出跑道次數(shù)三者決定，具體計(jì)算由下面公式

2、給出：比賽最終成績（秒）Ts*（10.01R）*（1+0.05N）式中Ts為賽車最快單圈時(shí)間（秒）；R為技術(shù)報(bào)告評分（分值范圍010）；N 為賽車在最快單圈比賽過程中沖出跑道的次數(shù)，且N不大于3。         電路及控制驅(qū)動(dòng)電路的限制：         （1）采用限定的飛思卡爾16位微控制器MC9S12DG128作為唯一控制處理器；         （2

3、）伺服電機(jī)數(shù)量不超過3個(gè)；         （3）傳感器數(shù)量不超過16個(gè)（紅外傳感器的每對發(fā)射與接受單元共計(jì)為1個(gè) 傳感器，CCD傳感器計(jì)為1個(gè)傳感器）；         （4）直流電源采用大賽統(tǒng)一提供的電池，不得使用DCDC升壓電路為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和舵機(jī)提供動(dòng)力；         （5）全部電容容量不得超過2000微法；電容最高充電電壓不得超過25伏。

4、         賽道基本參數(shù)（不包括彎點(diǎn)數(shù)目、位置以及整體布局）：         （1）賽道路面用紙制作，跑道面積不大于5000mm*7000mm，跑道寬度不小于600mm；         （2）跑道表面為白色，中心有連續(xù)黑線作為引導(dǎo)線，黑線寬25mm；         （

5、3）跑道最小曲率半徑不小于500mm；         （4）跑道可以交叉，交叉角為90度；         （5）賽道為二維水平面；         （6）賽道有一個(gè)長為1000mm的出發(fā)區(qū)，計(jì)時(shí)起點(diǎn)兩邊分別有一個(gè)長度100mm 黑色計(jì)時(shí)起始線，賽車的前端通過起始線作為比賽計(jì)時(shí)開始或者結(jié)束的時(shí)刻。 2.2 硬件系統(tǒng)基本方案論證 探測電路總體方案 

6、        方案一：采用紅外傳感器         優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡明，實(shí)現(xiàn)方便，成本低廉，反應(yīng)靈敏，便于近距離路面情況的 檢測，抗干擾能力強(qiáng)，不會(huì)因?yàn)橹車h(huán)境的差別而產(chǎn)生不同的結(jié)果。                 缺點(diǎn)：只能對路面情況做簡單的黑白判別，檢測距離和精度有限，傳感器高 度位置的差異可

7、能會(huì)對其檢測造成干擾。另外，由于車模的總長不得大于40CM，所以前瞻距離受到很大的限制。         方案二：采用攝像頭         優(yōu)點(diǎn)：作用距離遠(yuǎn)，不易出現(xiàn)由于黑線檢測不及時(shí)而沖出賽道的情況，攝像 頭對道路的檢測精細(xì)，視角范圍大不易出現(xiàn)黑線漏檢的情況。         缺點(diǎn)：容易被干擾，受周圍光線的影響大；數(shù)據(jù)量大，處理復(fù)雜，需要占有MCU的大量

8、資源。         方案三：采用紅外傳感器與攝像頭相結(jié)合         優(yōu)點(diǎn)：它兼顧了紅外傳感器抗干擾能力強(qiáng)，處理簡單以及攝像頭作用距離遠(yuǎn)、視角范圍大的優(yōu)點(diǎn)。         缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)難度大，紅外傳感器和攝像頭需要配合尋跡，它們對舵機(jī)和電機(jī)在方向和速度上的控制需要巧妙的算法進(jìn)行分配，運(yùn)算量也較大，需要占有很多的MCU資源。  &#

9、160;      由于第一種方案存在物理性能的限制，所以綜合考慮后采用第二種或者三種方案。經(jīng)仔細(xì)推敲，本設(shè)計(jì)采用攝像頭為主要探測電路指揮小車運(yùn)動(dòng)，用紅外傳感器檢測起跑線，進(jìn)而指揮小車在第二圈采用其他的算法或參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。 2.2.2 傳感器檢測模塊         傳感器可以分為：可見光傳感器、紅外傳感器、紫外線傳感器等。         方案一：可見光傳感器是基于可見光源的傳感器，它

10、結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)成熟，但是它工作在可見光波段，容易被外界干擾。         方案二：紅外光傳感器。紅外線是波長為830nm950nm的電磁波，自然環(huán)境物理在該波段的輻射量是很微弱的，所以紅外反射式傳感器受外界干擾較小，可靠性高。設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。         方案三：紫外線傳感器。在自然環(huán)境下該類傳感器很難受干擾，可靠性高，但是它價(jià)格昂貴。所以我們最終選擇方案二，即紅外光傳感器作為傳感器檢測模塊的基本器件。 2.2.3 攝像

11、頭模塊         市場上的攝像頭常分為CCD攝像頭和CMOS攝像頭。         方案一：采用CCD攝像頭         優(yōu)點(diǎn)：成像質(zhì)量高。         缺點(diǎn)：12V供電，功耗相對較大，價(jià)格較高。     

12、0;   方案二：采用CMOS攝像頭         優(yōu)點(diǎn)：9V供電，功耗較小，價(jià)格較低。         缺點(diǎn)：成像質(zhì)量不及CCD攝像頭。         綜合供電，成像效果、穩(wěn)定性等方面的因素，采用了方案二，即CMOS攝像頭。 2.2.4 速度傳感器模塊       

13、;  方案一：采用霍爾傳感器         要使用這種方法需要在車輪上嵌入若干的永磁鐵，這樣采用霍爾傳感器進(jìn)行 檢測。其優(yōu)點(diǎn)是檢測速度快且不會(huì)受光、溫度、濕度等因素的影響，但是在車輪狹窄的空間上嵌入永磁鐵是相當(dāng)困難的，即機(jī)械改裝難度大。另外，霍爾傳感器價(jià)格昂貴。         方案二：基于光電傳感器的編碼盤檢測         采用這種方法需要在車輪軸上

14、安裝黑白相間的編碼盤，然后采用紅外對管的傳感器來記錄脈沖的數(shù)目，進(jìn)而通過脈沖數(shù)求得小車在一段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)的圈數(shù)，從而算出速度。         方案三：采用編碼器         另外購買光電編碼器安裝在主驅(qū)動(dòng)齒輪上，通過齒輪傳過來的轉(zhuǎn)動(dòng)信息，獲取后輪轉(zhuǎn)角。         優(yōu)點(diǎn)：獲取信息準(zhǔn)確，精度高，搭建容易。    &

15、#160;    缺點(diǎn)：增加后輪負(fù)載；光電編碼器體積較大，導(dǎo)致車重增加。         經(jīng)比較最終選擇方案二，即基于反射式的光電傳感器的編碼盤測速方案。 2.3 硬件系統(tǒng)的最終方案         通過上面的分析比較，系統(tǒng)各個(gè)模塊采用的方案分別如下：         （1）采用紅外線傳感器與攝像頭相結(jié)合的總體設(shè)計(jì)； 

16、        （2）紅外檢測模塊采用收發(fā)一體的對管傳感器；         （3）采用CMOS攝像頭做為攝像頭模塊的基礎(chǔ)；         （4）基于編碼盤的紅外對管傳感器測速；         舵機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、坡度檢測芯片采用組委會(huì)統(tǒng)一提供的物品，這里就不做論證分析了。電源管理模塊

17、將在第四章中詳細(xì)講到。 2.4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)         如果說系統(tǒng)硬件對于賽車來說是它的骨架和軀體，那么軟件算法就是它的思想。有了健壯、靈敏的軀體還需要有聰明、智慧的大腦。所以軟件系統(tǒng)對于賽車來說至關(guān)重要。首先，賽車系統(tǒng)通過圖像采樣模塊獲取前方賽道的圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)通過速度傳感器模塊實(shí)時(shí)獲取賽車的速度。然后S12利用邊緣檢測方法從圖像數(shù)據(jù)中提取賽道黑線，求得賽車于黑線位置的偏差，接著采用bangbang控制方法對電機(jī)進(jìn)行反饋控制。最終賽車根據(jù)檢測到的速度，結(jié)合我們的速度控制策略，對賽車速度不斷進(jìn)行恰當(dāng)?shù)目刂普{(diào)

18、整，使賽車在符合比賽規(guī)則情況下沿賽道快速前進(jìn)。賽車系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖所示。         只有將上述硬件、軟件部分進(jìn)行有效的融合，進(jìn)行充分的實(shí)驗(yàn)、測試和標(biāo)定工作，才能使賽車具有一個(gè)相對良好的整體駕駛性能。這也就是在接下來的各個(gè)分模塊中需要做的工作第3章 機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整經(jīng)過半年的制作發(fā)現(xiàn)，本次智能車比賽中，檢測黑線的方法和對車模的控制算法是取勝的關(guān)鍵，然而，車模本身的機(jī)械性能也是不容忽視的。機(jī)械結(jié)構(gòu)是車模的基本性能，當(dāng)車速提高到一定程度后，這將嚴(yán)重影響車模的行走路線。車架調(diào)試的好壞決定了車子轉(zhuǎn)彎的最小半徑、轉(zhuǎn)向的靈活性和穩(wěn)定性

19、。如果車模調(diào)試得當(dāng)，可大大增強(qiáng)智能車的競爭力。 3.1 車模機(jī)械參數(shù)的調(diào)整         本次大賽采用的模型車基本尺寸參數(shù)如下：           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)向后能夠自動(dòng)回正，并減小輪胎和轉(zhuǎn)向系零件的磨損等，在轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向節(jié)和前軸之間形成了一定的相對安裝位置，叫前輪定位，其主要定位參數(shù)包括：主銷后傾、主銷內(nèi)傾、前輪外傾和前束，模型車前輪的四項(xiàng)定位參數(shù)均可調(diào)。  以下是車模

20、的調(diào)校內(nèi)容、參數(shù)與選用理由：         主銷后傾角：                              2°         主銷后傾角，如圖3.1，是指主

21、銷在汽車的縱向平面內(nèi)（汽車的側(cè)面）有一個(gè)向后的傾角，即主銷軸線與地面垂直線在汽車縱向平面內(nèi)的夾角。         由于主銷后傾后，小車在車輪偏轉(zhuǎn)后會(huì)產(chǎn)生一回力矩，糾正車輪的偏轉(zhuǎn)。后傾角越大，車速越高，車輪偏轉(zhuǎn)后自動(dòng)回正能力越強(qiáng)。但回正力矩過大，將會(huì)引起前輪回正過猛，加速前輪擺振，并導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重。所以將Caster設(shè)為2°。         主銷內(nèi)傾角：        

22、;                      0°         由于車模行駛速度小、重心低，轉(zhuǎn)向時(shí)側(cè)傾極少，所以為了提高轉(zhuǎn)向的靈敏性，車的主銷內(nèi)傾角都設(shè)為0°。         前輪外傾角： 0° 

23、0;       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稱為“前輪外傾角”。輪胎呈現(xiàn)“八”字形張開時(shí)稱為“負(fù)外傾”，而輪胎呈現(xiàn)“V”字形張開時(shí)稱為“正外傾”。前輪外傾角一方面可以在汽車重載時(shí)減小或消除主銷與襯套、輪轂與軸承登出的裝載間隙，使車輪接近垂直路面滾動(dòng)而滑動(dòng)，同時(shí)減小轉(zhuǎn)向阻力，使汽車轉(zhuǎn)向輕便；另一方面還可以防止由于路面對車輪垂直反作用力的軸向分力壓向輪轂外段的軸承，減小軸承及其鎖緊螺母的載荷，從個(gè)人增加這些零件的使用壽命，提高汽車的安全性。一般前輪外傾角為1°左右。由于本模型車主要用于競速，在

24、設(shè)計(jì)中必然要盡可能減輕重量，所以其底盤承重不大，且前輪外傾角僅有兩檔可調(diào)，故設(shè)為0°即可，關(guān)鍵是前束角要與之匹配。          前輪束角： 前束1.5°         由于我們的比賽車模的車速并不快（20km/h以內(nèi)），并且跑道平整，所以選 用前束1.5°，以便提高車模的轉(zhuǎn)向反應(yīng)速度。         前輪束角，如圖3.2，是描述

25、從車的正上方看，車輪的前端和車輛縱線的夾 角。車輪前端向內(nèi)傾(內(nèi)八字)，稱為Toe-in;車輪前端向外傾(外八字)，稱為Toe- out。Toe-in可以幫助車在加速時(shí)保持穩(wěn)定，同時(shí)也會(huì)減少車子在進(jìn)入彎角時(shí)的轉(zhuǎn)向反應(yīng)。 但高速轉(zhuǎn)向時(shí)，如果車體側(cè)傾嚴(yán)重，重心明顯向外測車輪移動(dòng)時(shí)，也會(huì)增加轉(zhuǎn)向。Toe-out可以使車在進(jìn)入彎角時(shí)獲得更多的轉(zhuǎn)向。由于轉(zhuǎn)彎時(shí)靠近內(nèi)側(cè)的車輪行駛圓弧的半徑較短，所以使內(nèi)側(cè)車輪比外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角稍大一些可以使車的轉(zhuǎn)向更靈活。并且少量的Toe-out可以使車更容易行駛直線。但過大的Toe-out會(huì)使車子在加速時(shí)、或者通過起伏路面時(shí)，變得不穩(wěn)定，偏離直線。越大角度Toe-in或To

26、e-out，越會(huì)減低車輛在直線行走的速度。 3.2 攝像頭安裝 攝像頭安裝示意圖         攝像頭的安裝方式如圖3.3所示。 攝像頭安裝原則         攝像頭的安裝位置對小車的性能有很大的影響，主要體現(xiàn)在圖像采樣效果和對小車重心的影響兩個(gè)方面。安裝的低了，易導(dǎo)致視野不夠廣闊，影響尋線的有效范圍；安裝得高了，指引線在圖像坐標(biāo)上會(huì)變得過窄而無法被檢測到。 若安裝的太高，系統(tǒng)會(huì)因重心抬高而穩(wěn)定性變差。若安裝太靠前，則小車的重心會(huì)前

27、移，進(jìn)而在前行的過程中容易出現(xiàn)“點(diǎn)頭”的不穩(wěn)定情況，重心前移也易導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)輪即后輪對地的壓力減小，容易出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力不足或者打滑的現(xiàn)象。安裝位置合適的一個(gè)原則就是：攝像頭的安裝，首先必須滿足頭像采樣效果的需要?？刂撇呗院唵?，則所需的拍攝范圍就可較小；反之策略復(fù)雜，需獲得的賽道信息較多，則拍攝范圍應(yīng)大一些。其次，攝像頭的安裝對小車重心的影響不能導(dǎo)致小車出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。綜合考慮后，我們選擇如圖3.3所示的安裝方式。 3.3 電路板及電池的安裝         在中避震器前端固定架的左側(cè)固定了一根立柱，它與原先用于固定車殼的兩根立

28、柱一同將我們的主電路板固定與車模的上方。我們充分利用了安裝防撞板的孔，制作的后排紅外檢測電路板剛好適合安裝，固定方便可靠。電池放在模型車專門設(shè)計(jì)的電池架上，并用束帶拉緊。安裝圖片如3.4、3.5所示。 3.4 本章小結(jié)         小車的機(jī)械性能是個(gè)不容忽視的問題，尤其是小車重心問題。電路板的安裝 和攝像頭的安裝在滿足功能前提下一定要定要考慮小車的機(jī)械穩(wěn)定性和可靠性。另外，經(jīng)過半年的制作發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的安裝（齒輪嚙合松緊）和輪胎的摩擦系數(shù)對小車的性能也有非常大的影響，制作過程不應(yīng)忽視該問題。 第四章 電源模塊小車供

29、電采用組委會(huì)提供的7.2V 2000mAh Ni-cd電池，本系統(tǒng)很多模塊還需要其它的電壓，電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4.1所示： 4.1 5V電壓的獲取         （1）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)穩(wěn)壓電源的功耗極低，其平均工作效率可達(dá)70%90%。該芯片最大允許電流為3A，完全滿足需要，而且該芯片熱損耗小。該芯片典型應(yīng)用電路圖如4.2所示。       

30、60; （2）LM2940-5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(gè)不錯(cuò)的選擇。從圖4.2可以看出，LM2576-5工作電壓在7.040V之間，而組委會(huì)提供的電池標(biāo)稱電壓為7.2V，所以該芯片易出現(xiàn)輸出電壓低于5V的情況。該芯片的典型應(yīng)用電路如圖4.4所示。 4.2 6V電壓的獲取         舵機(jī)工作電壓為6V，而且一定要固定該電壓，不然舵機(jī)的中心位置對應(yīng)的PWM 脈寬會(huì)變動(dòng)，致使小車工作不穩(wěn)定。6V電壓的獲取是通過LM1085-ADJ得到的。輸入電壓為7.2V

31、電池電壓，輸出電壓通過調(diào)節(jié)電位器得到。該芯片的典型應(yīng)用電路如圖4.5所示。 4.3 9V電壓的獲取         市場上購買的CMOS攝像頭額定工作電壓在9V，而市場上一般沒有從7.2V或者 5V直接升壓至9V的電源芯片，所以9V電壓的獲取本設(shè)計(jì)考慮了以下幾種方案。         （1）利用升壓斬波電路自己制作 雖然這樣成本低，但是制作周期長，精度差，穩(wěn)定性也不是很好，所以放棄該方案。    

32、     （2）利用MAX632將5V（電池電壓通過LM2940-5降壓而得）升壓到12V，然后利用LM7809或者LM2940-9降壓得到9V。該方法可以達(dá)到效果，但是這樣“繞來繞去”會(huì)增加電路的功耗，使電池使用時(shí)間減少。所以放棄該方案。         （3）市場上可以訂做升壓模塊，而且為開關(guān)式，具有保護(hù)功能，輸出電壓 穩(wěn)定，價(jià)格也可以接受（30元左右）。所以，綜合考慮后選擇該升壓模塊，其輸入為+5V，輸出為+9V。該模塊外形如圖4.6所示： 4.4 本章小結(jié) 

33、        電源是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的必要條件，也是尤為重要的前提。電源管理的原則是： 當(dāng)電池電壓逐漸下降時(shí)，依然能提供穩(wěn)定的電壓輸出，自身熱消耗小，使用效率高。 第五章 舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用 S3010 型舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其外觀圖和各項(xiàng)參數(shù)如圖5.1和表 5.1所示。         在硬件連接上共有三根線，使用方便：         （1） 紅線：電源線，接+6

34、V供電；         （2） 黑線：地線         （3） 白線：控制信號(hào)線，接單片機(jī)一路PWM輸出。         舵機(jī)電流變化大，是個(gè)很大的干擾源，其供電最好與其他模塊分開，本設(shè)計(jì) 采用LM1085-ADJ輸出的+6V電壓供電，地線通過一個(gè)0歐姆電阻與主電路板共 地。 5.2 軟件控制     

35、;    舵機(jī)的控制即是在控制線輸入一個(gè)周期性的正向脈沖PWM信號(hào)，這個(gè)周期性 脈沖信號(hào)的高電平時(shí)間通常在0.5ms2.5ms之間，而舵機(jī)的控制頻率在50Hz 200Hz之間，其控制要求如圖5.2所示。圖5.3表示了一個(gè)典型的20ms周期性脈沖的正脈沖寬度與舵機(jī)的輸出臂位置的關(guān)系。           由于車模在轉(zhuǎn)向的時(shí)候不僅受到舵機(jī)轉(zhuǎn)向極限位置的影響，而且還受到車模 前輪轉(zhuǎn)向硬件條件的影響，通過測試得出，舵機(jī)不能轉(zhuǎn)向到其自由的極限位置，系統(tǒng)中其左右極限位置為36度。而其每個(gè)

36、轉(zhuǎn)角對應(yīng)的脈沖寬度近似地成一線性關(guān)系，約為45°/s，其極限轉(zhuǎn)角對應(yīng)脈寬約為1.18ms1.82ms，如圖5.4所示。因此可以通過軟件來限定舵機(jī)的左右轉(zhuǎn)向極限位置，防止舵機(jī)因堵轉(zhuǎn)而燒壞。舵機(jī)的控制線即白線線接到MC9S12DG128B的PWM5口，由MC9S12DG128B的PWM 通道4和通道5聯(lián)合成16位的PWM控制，提高舵機(jī)控制的精度，控制頻率采用200Hz以提高舵機(jī)的反應(yīng)速度。           理論依據(jù)：舵機(jī)脈寬與轉(zhuǎn)角在-45度到+45度范圍內(nèi)大致成線性變化的規(guī)律。單片機(jī)通過PLL將總線頻率倍

37、頻到36M，有         ClockSA=ClockA/(2*PWMSCLA)=BusClock/192 20ms時(shí)間需要計(jì)數(shù)22500。由舵機(jī)的線性關(guān)系可以知道，         PWMDTY01=3450+K*angle（正轉(zhuǎn)的時(shí)候）         PWMDTY01=3450-K*angle（反轉(zhuǎn)的時(shí)候）    &#

38、160;    舵機(jī)有25ms的延遲，5%左右的誤差，所以精確到11.5度是合適的，可以將 angle定義為現(xiàn)實(shí)角度的11.5倍。         創(chuàng)新點(diǎn)：通過倍頻后，可以提高角度控制的精度，能夠滿足要求。第六章 紅外檢測模塊6.1 該模塊的功用         該模塊主要用于檢測跑道的起跑線，CMOS攝像頭通過軟件算法也可以找出起 跑線，但計(jì)算起來要麻煩一些，相比而言，通過在車尾安裝兩個(gè)紅外傳感器更容 易

39、達(dá)到目的。檢測起跑線的目的是：小車進(jìn)入第二圈后采用另一種速度方案或算法，通常第一圈采用“保守”的方案前行，確保小車能跑完全程而獲得成績，第二圈可以“冒險(xiǎn)性”的嘗試新的算法和更快的速度。檢測起跑線另一個(gè)用處是：當(dāng)小車跑完全程后能自動(dòng)停止下來，而不用人為的去“追趕”。 6.2 硬件電路         由于比賽中存在坡道，所以傳感器的安裝和選型很重要。安裝在前排很容易 在上下坡道的時(shí)候“擱地”，安裝在底盤容易在上坡道后進(jìn)入平道的轉(zhuǎn)折處擱地，經(jīng)考慮，本設(shè)計(jì)選擇安裝在車尾處，選擇檢測距離為12cm左右的TCRT5000紅外

40、傳感器。         該傳感器的工作原理和一般紅外傳感器一樣，具有一個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)紅外接收管，當(dāng)發(fā)射管的紅外線經(jīng)反射被接收管接收后，接收管的電阻會(huì)引起變化，在電路上常體現(xiàn)為電壓的變化，進(jìn)而通過AD轉(zhuǎn)換或者經(jīng)LM324N等電路整形后得到處理后的結(jié)果。電阻的變化取決于接收管所接收的紅外線強(qiáng)度，常表現(xiàn)在反射面的顏色和反射面離接收管的距離兩個(gè)方面。硬件電路原理如圖5.1所示：         實(shí)際硬件電路及安裝位置如圖5.2所示：  &

41、#160;      說明：上述電路板中，我們僅用到最左邊與最右邊兩個(gè)傳感器來檢測起跑線， 兩者之間的間隔為：。該電路板早期制作的目的是與一個(gè)單排9個(gè)的紅外 傳感器電路板一起用來檢測跑道信息的，但是后來改成了攝像頭方案，所以該電路板就擱置沒用了。 6.3 算法實(shí)現(xiàn)         由于傳感器安裝的特殊位置，小車在直道，彎道，S道運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)傳感器 不會(huì)同時(shí)檢測到黑線，而僅當(dāng)通過起跑線，“十”子路時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)紅外傳感器檢測到黑線后會(huì)傳給單片機(jī)一個(gè)邏輯“1”電平（通常

42、為邏輯“0”電平），通過計(jì)數(shù)就可以判斷第二圈是否到來。由于初賽和決賽的賽道有所不同，進(jìn)而出現(xiàn)兩個(gè)傳感器同時(shí)檢測到黑線的次數(shù)N也不相同，我們通過鍵盤設(shè)定N的值，比如預(yù)賽時(shí)為4，決賽時(shí)為6。小車跑完全程自動(dòng)停止時(shí)的計(jì)數(shù)，預(yù)賽為7，決賽為11，在程序上可以用N+3，N+5表示。第七章 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊7.1 硬件電路         電機(jī)是小車前行的直接動(dòng)力源，電機(jī)的控制效果直接影響小車的速度以及前行的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)最終選用了Freescale公司的MC33886作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片內(nèi)部具有過流保護(hù)電路，剎車效果好

43、，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，接口簡單易用等特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)電路由兩片MC33886組成，目的是為了得到更大的驅(qū)動(dòng)能力，試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)電路如圖7.1所示，只要通過程序改變IN1與IN2的PWM波形占空比，就能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速與正反轉(zhuǎn)。7.2 PWM初始化設(shè)置         單片機(jī)通過PWM1、PWM3來控制電機(jī)的調(diào)速與正反轉(zhuǎn)控制，初始化代碼代碼如 下： 第八章 攝像頭采樣模塊攝像頭采集賽道黑線信息是本系統(tǒng)賽道信息獲取的主要途徑，本章將從攝像頭工作原理、圖像采樣電路設(shè)計(jì)、和采樣程序流程圖三個(gè)方面進(jìn)行介紹。 8.1 攝像頭工作原理 

44、;        攝像頭常分為彩色和黑白兩種攝像頭，主要工作原理是：按一定的分辨率， 以隔行掃描的方式采樣圖像上的點(diǎn)，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度成一一對應(yīng)關(guān)系的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號(hào)端輸出。         在示波器上觀察可知攝像頭信號(hào)如圖8.1所示。攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的 一行，就輸出一段連續(xù)的電壓視頻信號(hào)，該電壓信號(hào)的高低起伏正反映了該行圖像的灰度變化情況。當(dāng)掃描完一行，視頻信號(hào)端就輸出一低于最低視頻

45、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，緊接著每行圖像對應(yīng)的電壓信號(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，跳過一行后（因?yàn)閿z像頭是隔行掃描的方式），開始掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場的視頻信號(hào)，接著就會(huì)出現(xiàn)一段場消隱區(qū)。此區(qū)中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖（簡稱消隱脈沖），在這些消隱脈沖中，有個(gè)脈沖，它遠(yuǎn)寬于（即持續(xù)時(shí)間長于）其他的消隱脈沖，該消隱脈沖又稱為場同步脈沖，它是掃描換場的標(biāo)志。場同步脈沖標(biāo)志著新的一場的到來，不過，場消隱區(qū)恰好跨在上一場的結(jié)尾部分和下一場的開始部分，得等場消隱區(qū)過去，下一場的視頻信號(hào)才真正到來。攝像頭每秒掃描2

46、5 幅圖像，每幅又分奇、偶兩場，先奇場后偶場，故每秒掃描50 場圖像。奇場時(shí)只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場時(shí)則只掃描偶數(shù)行。 8.2 圖像采樣電路設(shè)計(jì)         在本次比賽中賽道僅由黑白兩色組成，為了獲得賽道特征，只需提取探測畫 面的灰度信息，而不必提取其色彩信息，所以本設(shè)計(jì)中采用黑白攝像頭。型號(hào)為： XB-2001B，分辨率為320*240。為了有效地獲取攝像頭的視頻信號(hào)，我們采用LM1881提取行同步脈沖，消隱脈沖和場同步脈沖，電路原理圖8.2所示。將視頻信號(hào)通過一個(gè)電容接至LM1881的2腳，即可得到控制單

47、片機(jī)進(jìn)行A/D采樣的控制信號(hào)行同步HS與奇偶場同步號(hào)  ODD/EVEN。         攝像頭視頻信號(hào)端接LM1881 的視頻信號(hào)輸入端VIDEO_IN，同時(shí)也接入S12 的一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器口PAD0。LM1881的行同步信號(hào)端（引腳1）接入S12的中斷口 PT2。之所以選用帶中斷的I/O口是因?yàn)?，行同步信?hào)（即對應(yīng)攝像頭信號(hào)的行同步脈沖）持續(xù)時(shí)間較短，為了不漏檢到行同步信號(hào)，若使用普通I/O口，則只能使用等待查詢的方式來檢測到行同步信號(hào)，這會(huì)浪費(fèi)不少S12 的CPU 資源。LM1881的奇-偶場同步信

48、號(hào)輸出端接S12中斷口PT1由此作為奇-偶場同步信號(hào)的換場的標(biāo)志信號(hào)，也可作為場信號(hào)到來的標(biāo)志。上述攝像頭、LM1881電路構(gòu)成了本智能車定位系統(tǒng)的圖像采樣模塊。 8.3 采樣程序流程圖         攝像頭每秒25幀圖像，每幀分為奇、偶兩場，每秒供50場，奇場時(shí)只掃描圖 像中的奇數(shù)行，偶場時(shí)則只掃描偶數(shù)行。由于奇偶場所得的圖像差別很小，故沒有對奇場偶場的圖像分開分析，即沒有區(qū)分奇偶場。為了減輕S12的負(fù)擔(dān)，我們沒有必要對所有行都進(jìn)行采樣，只需對每場采樣 30行即滿足要求。由于每場開始的前22行為場消隱信號(hào)，故開

49、始采樣行需從22行以后開始，我們選擇從31行開始，并且每間隔8行采一次。結(jié)合圖8.2，當(dāng)PT1有變化時(shí)，說明新的一場開始了，并且此時(shí)開始對行同步信號(hào)重新計(jì)數(shù)。當(dāng)PT2口每檢測到一個(gè)上升沿，表明一個(gè)行同步信號(hào)剛過去，讓 計(jì)數(shù)變量加一。當(dāng)計(jì)數(shù)變量增為30時(shí)，表明第31行視頻信號(hào)開始了，并對此行信號(hào)進(jìn)行采樣。然后根據(jù)計(jì)數(shù)變量的值來控制每隔8行采一行視頻信號(hào)。由于采用中斷的方式，單片機(jī)不會(huì)因?yàn)樘幚砥渌绦蚨┑糍惖赖牟蓸印?        ECT中斷初始化設(shè)置如下：      

50、60;  程序流程圖如圖8.3所示。 8.4 AD采樣設(shè)置         由于行同步脈沖出現(xiàn)的間隔時(shí)間是一定的，約為62us，因此為了保證每行采 集的點(diǎn)數(shù)達(dá)到有效指導(dǎo)小車前行的數(shù)目（取每行40個(gè)點(diǎn)），AD采樣的周期不應(yīng)大于62/40=1.43us。每行采樣點(diǎn)數(shù)的確定原則是：不會(huì)出現(xiàn)漏檢黑線的情況，保證每行采集的點(diǎn)中至少有12個(gè)是黑線信息。選取每行檢測40個(gè)點(diǎn)是滿足要求的。 這里需要注意的是，由于行消隱信號(hào)出現(xiàn)每行開始的4.2us內(nèi)，因此采集的前幾個(gè)點(diǎn)要去掉，不然可能會(huì)誤認(rèn)為是黑線信息。 由此可以看出，A

51、D采樣的頻率設(shè)置是尤為重要的，下面是關(guān)于的AD的初始化 設(shè)置：第九章 車速檢測模塊在第二章的方案論證中提到，測速模塊的設(shè)計(jì)欲采用基于反射式的光電編碼盤測速模式。在主驅(qū)動(dòng)齒輪的軸上安裝一張黑白相間的碼盤，將反射型光電傳感器安裝車尾的架子上，當(dāng)黑白碼盤交替通過時(shí)，產(chǎn)生一系列電脈沖，由此獲取轉(zhuǎn)動(dòng)角度。 9.1 傳感器的設(shè)計(jì)與安裝          反射型光電傳感器檢測速度的原理和檢測賽道黑白線時(shí)的原理是一樣的，不 同的是這里只要采用連續(xù)工作方式就可以了。經(jīng)過長時(shí)間的測試，收發(fā)管選用適合近距離檢測的G-105光電

52、傳感器，另外發(fā)射管的限流電阻為470歐姆，接受管的分壓電阻為10K歐，這樣選擇電阻的好處是發(fā)射管電流適中，接受管信號(hào)可以不經(jīng)比較器直接輸入S12單片機(jī)的引腳，而且得到的信號(hào)即為邏輯高低電平。編碼盤的制作很方便，在電腦上用AutoCAD軟件繪制直徑為15CM的圓，然后等分為32份，間隔涂上黑色后打印出來。取一張廢舊的電話卡，用雙面膠把打印出來的紙質(zhì)碼盤粘上，然后沿邊緣剪下。用小刀在碼盤中心打孔，然后安裝在輪軸上，安裝后輪的螺絲會(huì)將碼盤牢牢的固定住，制作方便可靠。編碼盤及傳感器的安裝如圖9.1，圖9.2所示：        &#

53、160; 當(dāng)圓盤隨著齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電管接收到的反射光將強(qiáng)弱交替變化，由此可以得到一系列高低電脈沖。設(shè)置S12的ECT模塊，同時(shí)捕捉光電管輸出的電脈沖的上升沿和下降沿。通過累計(jì)一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，或者記錄相鄰脈沖的間隔時(shí)間，可以得到和速度等價(jià)的參數(shù)值。          我們已知：輪胎一圈直徑為52mm，編碼盤共有32個(gè)黑白邊緣，即輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)一圈將引起64個(gè)脈沖數(shù)累積。假設(shè)對脈沖數(shù)累積的時(shí)間為t，在這段時(shí)間內(nèi)共獲取了n個(gè)脈沖數(shù)累積。則賽車速度為 9.2 硬件電路設(shè)計(jì)   

54、0;      檢測電路和制作的電路板如圖9.3、圖9.4所示： 9.3 ECT 模塊初始化設(shè)置          本設(shè)計(jì)采用PT3口作為脈沖信號(hào)輸入。首先通過設(shè)置寄存器TIOS，設(shè)置PT3 針腳為輸入；然后設(shè)置TCTL4 寄存器，選擇既獲取上升沿又獲取下降沿。之后，設(shè)置ICOVW_NOVW，保護(hù)脈沖累加器的數(shù)據(jù)。通過ICPAR，對脈沖累加器進(jìn)行使能，使其開始工作。設(shè)置此寄存器之后，脈沖累加器開始計(jì)數(shù)。之后通過讀取PACN3 這個(gè)寄存器，獲取當(dāng)前的脈沖累加

55、值。 第十章 坡度檢測模塊本屆智能車競賽賽道與第一屆相比，主要的變化是增加了坡道，由此可以看出比賽的難度將逐年加大。坡道處理的好壞將影響小車最終成績，因此本參賽隊(duì)對坡道進(jìn)行了單獨(dú)的處理。本章將從方案論證、硬件電路和算法處理三個(gè)方面對小車過坡道的情況進(jìn)行分析。 10.1 方案論證         坡道檢測有很多方法，方案確定初期本隊(duì)伍考慮了三個(gè)方案。         方案一：安裝不同角度的水銀開關(guān)管   &#

56、160;     水銀開關(guān)是由玻璃管，水銀滴和引腳線組成的一個(gè)開關(guān)元件，主要利用水銀的導(dǎo)電性和可流動(dòng)性原理。如圖10.1所示。          為了檢測坡道傾斜程度，我們可以安裝兩個(gè)不同傾斜角度的水銀開關(guān)在車 上，電路處理上只需要接一個(gè)電阻形成上拉或下拉，然后引到單片機(jī)I/O口即可，非常方便。因?yàn)楸荣惖钠露仍?2°至15°之間，故可以將水銀開關(guān)安裝在+12°和-12°上。     &#

57、160;   當(dāng)小車所處的賽道平面與水平面所成的角度大于+12°或者小于-12°時(shí)，水銀開關(guān)便會(huì)將開關(guān)打開或者關(guān)閉，單片機(jī)I/O口的電平也就會(huì)跟著變化，進(jìn)而可以檢測處坡道。這里需要注意的是，水銀開關(guān)的玻璃管長度有所要求，如果過短，那么在小車急加速或者急減速的時(shí)候，由于慣性的作用，水銀滴可能出現(xiàn)不希望看見的打開或關(guān)閉現(xiàn)象，即出現(xiàn)誤判。         本方案的優(yōu)缺點(diǎn)：該方案實(shí)現(xiàn)方便，電路以及算法都很容易實(shí)現(xiàn)，而且成本低廉。經(jīng)驗(yàn)證，該方案可以實(shí)現(xiàn)+12°以上和-12°以

58、下的坡度檢測。本方案對水銀開關(guān)安裝位置有很嚴(yán)格的要求，由于是離散的檢測，如果需要檢測更多的、不同的坡度，則需要更多的水銀開關(guān)和單片機(jī)資源。本方案只能進(jìn)行粗略的檢測，精度不夠高，但是對于本次比賽這種坡度單一的賽道是完全可以勝任的。         方案二：采用加速度傳感器MMA1260D         該芯片為Freescale公司生產(chǎn)的單軸加速度傳感器，主要用于檢測Z（豎直方向）的加速度，可以實(shí)現(xiàn)本次比賽坡度的檢測，通過AD轉(zhuǎn)換檢測坡

59、道，精確度高，使用方便。         方案三：采用加速度傳感器MMA7260Q         該芯片為Freescale公司生產(chǎn)的三軸加速度傳感器，主要用于檢測X，Y，Z三個(gè)方向的加速度，主辦方提供了集成的STAR模塊，如圖10.3所示。         如果使用該模塊，需仔細(xì)閱讀該模塊的電路原理和使用方法，而且涉及串口通訊，開發(fā)周期要長一些。由于比賽僅需要檢測

60、Z方向的加速度，所以沒有必要選擇該模塊，而且該模塊體積較大，使電路板安裝不便，另外也會(huì)增加小車的重量。 結(jié)論：經(jīng)比較，本隊(duì)伍選擇方案二實(shí)現(xiàn)小車坡道的檢測。 10.2 硬件電路         圖10.4所示電路為MMA1260D的典型應(yīng)用電路，該電路連接方便，Vout腳接S12的PAD1口即可。         使用時(shí)注意以下幾點(diǎn)：         1）在VDD和地直

61、接接一個(gè)0.1uf電容為了減小電源雜波，保持電源穩(wěn)定；         2）芯片的信號(hào)引入到單片機(jī)的連線要盡量短；         3）使用一個(gè)由1K歐姆電阻和0.01uf電容組成的RC濾波電路減小加速度計(jì)的時(shí)鐘噪聲。         4）PCB布線要注意噪聲對電源和地線的影響。      

62、0;  5）如果是開關(guān)電源供電，注意AD采樣的頻率盡量不要與電源的開關(guān)頻率相同。 10.3 算法處理         為了讓小車識(shí)別坡道，關(guān)鍵是要了解該芯片的工作特性，AD轉(zhuǎn)換后要進(jìn)行實(shí)地檢測，進(jìn)而找出不同坡道所對應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換后的值。根據(jù)MMA1260D資料的說明，可以知道該芯片的靜態(tài)加速度和輸出電壓與芯片相對于地心引力的位置有關(guān)，如圖10.5所示。         AD轉(zhuǎn)換后，將小車放置在不同傾斜的坡道上，并用LCD適時(shí)顯示AD轉(zhuǎn)換的

63、結(jié)果，進(jìn)而可以可以實(shí)現(xiàn)坡道的檢測。當(dāng)小車檢測到上坡時(shí)，應(yīng)加大驅(qū)動(dòng)力，即需要增大PWM占空比，反之，檢測到下坡時(shí)則需相應(yīng)減小速度。 第十一章 軟件系統(tǒng)與控制策略前面幾章分別從硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)等方面闡述了各模塊的功能以 及實(shí)現(xiàn)方法，那么對于小車這個(gè)系統(tǒng)而言，接下來最重要的就是如何將上述各模塊整合在一起，高效合理地指揮小車快速前進(jìn)了。本章將主要從S12單片機(jī)資源分配、賽道分析、舵機(jī)轉(zhuǎn)向策略和電機(jī)閉環(huán)控制幾個(gè)方面來說明整車的控制策略。 11.1 S12開發(fā)工具（環(huán)境）說明以及資源分配說明         本次大賽統(tǒng)一使用MC

64、9S12DG128B為主控制器，軟件編譯及調(diào)試平臺(tái)如下：         (1)編譯軟件：Metrowerks，CodeWarrior4.5。         (2)調(diào)試工具：BDMforS12。         (3)調(diào)試系統(tǒng)：P42.4GHz，256RAM，WindowsXP。      

65、60;  MC9S12DG128B模塊及端口使用如下：         (1)時(shí)鐘模塊產(chǎn)生實(shí)時(shí)中斷。         (2)定時(shí)器模塊         共使用了3個(gè)ECT中斷，設(shè)置為輸入捕捉模式。一個(gè)用于CMOS攝像頭場中斷信號(hào)檢測，一個(gè)用于CMOS攝像頭行中斷信號(hào)檢測，一個(gè)用于測速脈沖的檢測。    

66、60;    (3)PWM模塊         使用了3個(gè)通道。一個(gè)16位輸出用于舵機(jī)控制，2個(gè)8位輸出用于電動(dòng)機(jī)雙極性控制。         (4)ATD模塊         使用了兩個(gè)AD轉(zhuǎn)換口，分辨率為8位，一個(gè)用于檢測CMOS視頻信號(hào)，一個(gè)用于檢測MMA1260D的坡度信號(hào)。         (5)H端口、A端口、B口用于4*4鍵盤，LCD數(shù)據(jù)及控制端口。