全國光電設計大賽報告

-.z.第四屆全國光電設計大賽理論方案報告編號：參賽題目：基于光電導航的智能移動測量小車參賽隊伍名稱：所在學校：隊員：指導教師：提交方案時間：2014-7-12摘要本設計是基于STM32F103VET6處理器的具有循跡和計數測量的智能小車。循跡局部，選擇了面陣CCD作為賽道圖像的的采集，并對圖像信息進展二值化處理，便于單片機進展圖像處理；根據圖像的處理情況，使用PID算法驅動電機和舵機矯正小車當前行駛狀況，按照賽道的要求行駛；道路旁樹數目的測量用到了激光反射傳感器，通過激光打在數目上而反射回來的原理進展數目的測量；對隧道長度的測量用到了光電旋轉編碼器，把這個編碼器加載到驅動軸上，由驅動軸的轉動來帶動編碼器的轉動從而測出小測的速度，在再用紅外對射傳感器來檢測隧道的到來和離開，用單片機記錄之間的時間，實現(xiàn)隧道長度的測量。關鍵詞：STM32F103VET6、面陣CCD、光電旋轉編碼器、紅外對射傳感器、二值化、PID算法目錄摘要2第一章系統(tǒng)硬件構造31.1系統(tǒng)分析31.2系統(tǒng)框圖3第二章硬件電路構造與方案設計32.1電源管理模塊32.2圖像采集模塊32.3電機驅動模塊32.4速度檢測模塊32.5舵機驅動模塊32.6激光傳感器模塊3第三章系統(tǒng)控制策略33.1路徑循跡33.1.1采集思路33.1.2路徑識別處理33.1.3舵機制動33.1.4電機驅動33.2樹木計數33.3測量隧道33.4停車3參考文獻3第一章系統(tǒng)硬件構造1.1系統(tǒng)分析整個系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能是循跡和測量。要實現(xiàn)循跡功能就必須可以讓小車檢測到不同的路況，再根據不同的路況特征進展調整，實現(xiàn)循跡行駛，循跡用到了面陣CCD，通過CCD的對整個賽道圖像進展采集，STM32單片機對圖像進展處理，通過PID算法對小車的電機和舵機進展控制。測量局部，要實現(xiàn)對隧道長度的測量，必須要知道兩個量，一個是進出隧道的時間，即時間量，在一個是，通過的速度，知道這兩個量，就能確定出隧道的長度，這里我們用到例了紅外對射傳感器，來感應隧道的到來和離去，以此來記錄小車通過隧道的時間，在用編碼器來測小車通過的速度，這樣就能計算出隧道的長度。在對道路旁樹木的個數進展測量時，考慮到小車快速的從樹木旁通過時，要有快速的判斷和計數，所以對傳感器的要求就很高，我們這里選擇了激光傳感器，通過激光的反射和承受來確定樹木，這樣做的好處是：一、激光有很好的方向性。二，激光的感應速度很快，敏感度高。其次是通過單片機的定時計數器來對樹木的個數進展計數，最后顯示在液晶屏上。最后就是通車問題，根據比賽要求小車要在指定的位置停下來，就要有一個感應裝置對指定位置設置的目標進展探測，并執(zhí)行停頓指令，在這里我們用到了紅外反射傳感器，對指定目標的進展障礙檢測。1.2系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖如圖1所示：面陣面陣CCDSTM32處理器液晶顯示距離和樹木個數紅外反射1測隧道編碼器紅外反射2檢測停頓激光檢測圖1系統(tǒng)框圖第二章硬件電路構造與方案設計2.1電源管理模塊機車主電源由7.2V2000mA的NI-Cd電池提供，把這個電池直接接到電機驅動模塊，為電機提供到電流，讓模塊上面的5V穩(wěn)壓源為單片機最小系統(tǒng)供電，同時用到了LM78O5芯片把電池的7.2V轉換為電壓為恒定5V，最大電流為1.5A的穩(wěn)壓源，來為舵機提供正常工作的電壓。用到了一塊LM1117芯片把5V電壓轉換為3.3V的電壓源，來為補光燈提供電壓。下列圖為電源模塊的示意圖：圖2電源模塊電路圖2.2圖像采集模塊由于道路信息狀況不確定，紅外傳感器和普通的光耦器件不能識別道路信息，摒棄其作為循跡方案，改用反響更加靈敏功能更加強大的攝像頭采集道信息，實現(xiàn)對小車高效精準的循跡導航。2.3電機驅動模塊采用高電壓，大電流的電壓驅動芯片L298N，該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機。采用標準邏輯電平信號控制。原理如圖2所示：圖2電壓驅動原理圖2.4速度檢測模塊編碼器可分為接觸式和非接觸式，可以用來測量轉速。我們采用的是非接觸式，用光敏元件作為接收敏感元件，通過光電轉換，以透光和非透光分別表示二進制代碼"1〞和"0〞，將角速度、角位移等物理信息轉換為機器語言"1〞或"0〞輸出用于通訊等功能。采用自制的速度傳感器。光碼盤固定在電機輸出軸上及相應組合的對射光電器件，轉一圈輸出200個脈沖方波，加上相應硬件電路和軟件控制可實現(xiàn)測速與測距。2.5舵機驅動模塊舵機內部包括了一個小型直流馬達；一組變速齒輪組；一個反響可調電位器；及一塊電子控制板。其中，高速轉動的直流馬達提供了原始動力，帶動變速〔減速〕齒輪組，使之產生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，舵機的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，但轉動的速度也愈低。舵機的電機選用空心杯電動機，屬于直流永磁、伺服微特電機，具有能量轉換效率大，制動靈活，電磁干擾少等優(yōu)點。該舵機是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。原理如圖3所示：圖3舵機驅動原理圖2.6激光傳感器模塊激光發(fā)射電路上采用74ls04驅動放大調制后的信號，該驅動動力強，光點能量大、亮度高，探測距離大大提高。其具有以下優(yōu)點：靈敏度高，頻率響應快，瞬變過程短，輸出功率大。前瞻范圍很大。適當的調整可以滿足比賽要求。發(fā)射局部如圖4，接收局部如圖5：圖4激光發(fā)射局部原理圖圖5激光接收局部原理圖2.7光電開關模塊在選擇該模塊時，我們考慮使用光敏電阻，光敏電阻屬于光導型，光電導效應是非衡載流子的效應，存在一定的弛豫現(xiàn)象——光電導材料從光照開場到獲得穩(wěn)定的光電流需要一定的時間，同理，在光照停頓后，光電流也是停頓消失的。但是針對這次比賽，對隧道長度的測量，我們恰可利用光敏電阻的弛豫現(xiàn)象，在車速一定的情況下，相對于車速弛豫時間是非常短暫的，當小車進入隧道與出隧道都存在弛豫現(xiàn)象，因為是一個雙向過程，我們可以認為出隧道與進隧道的弛豫時間相互抵消。矩形脈沖光照下光電導弛豫過程如圖6所示：圖6光電導弛豫圖第三章系統(tǒng)控制策略3.1路徑循跡3.1.1采集思路MOS攝像頭輸出圖像時，從左到右，由上到下逐個輸出。方法如圖7所示:圖7攝像頭輸出圖像方法采集圖像思路是：使用場中斷，DMA傳輸。需要采集圖像時開場中斷；等待場中斷來了，啟動DMA傳輸；每個PLCK上升沿來了都出發(fā)DMA傳輸，把攝像頭輸出的值讀取到內存數組里，當觸發(fā)N〔N=圖像像素數目〕次就停頓傳輸；DMA停頓傳輸時觸發(fā)中斷，關閉場中斷，圖像采集完成?；虻却乱粋€場中斷降臨時關閉場中斷，標記圖像采集完畢。場中斷時序圖如圖8所示:圖8場中斷時序圖3.1.2路徑識別處理本方案所采用攝像頭輸出的是二值化圖像，一次傳輸8個像素。最高速為每秒30幀，并且微光靈敏度高。常用的路徑識別算法有平均值法、最小二乘法等。我們主要考慮了兩種算法,—最小二乘法和改良斜率算法。這里分別作簡要介紹。路徑處理通過檢測中心線的位置實現(xiàn)，進展邊緣處理。建立坐標如圖9所示：圖9最小二乘法坐標(z0,w0)為中心點，應用最小二乘法進展曲線擬合，得出中心線方程：Az+Bw+C=0轉化到*y坐標，方程為A*-By+A(m-1)/2+B(n-1)/2+C=0其中m,n分別為所采集圖像的行和列數。由此得出側向偏差e和反向偏差re=〔m-1〕/2+B(n-1)/2a+C/2A/B>0時，r=3.14/2-|arctan(A/B)|A/B<0時，r=|arctan(A/B)|-3.14/2。通過這種方法來控制車輛的行駛路線，保持在偏差范圍之內，車輛可以按預想行使，完成循跡目標。改良的斜率算法是針對最小二乘法導致的小車滯后問題。我們假設小車循跡控制算法執(zhí)行周期是30ms，小車當前速度為2m/s，兩次周期之間，則小車前進0.06m，小車位移將改變，于是智能車的控制存在滯后性。應在當前根底上將小車位置前移，使得賽車沿彎道內圈行駛，到達快速過彎的目的。圖示為智能車偏離路徑中心示意圖。粗線為路徑線，梯形中線為小車的中軸線。小車中軸線與循跡線的偏移線斜率為K=(a*d)/h+b*od為每場圖像最遠行白線的中心位置值與最近一行白線中心位置值差，o為小車此刻位置與循跡線的偏差。a、b均為待定調整系數。a越大，智能車轉彎曲率越大。改良斜率算法示圖如圖10所示:3.1.3舵機制動在本方案中實現(xiàn)計算出中心線位置與PWM的二維映射表，智能車行駛時通過攝像頭采集道路信息，結合側向偏差e，對舵機進展pid控制。本設計采增量性控制算法。算法中不出現(xiàn)累積效應，防止了積分累積效應。算法如下示Un=Kp(en-en-1)+Kien+Kd(en-2en-1+en-2).框圖如圖11所示：圖10改良斜率算法圖11舵機控制算法實現(xiàn)對脈寬的調整，結合舵機自身所帶的比例電位器形成一個閉環(huán)反響系統(tǒng)，調整前輪轉角，實現(xiàn)靈活機動的彎道行駛。3.1.4電機驅動本方案采用的是高速數字式攝像頭，電機直道全速前進，遇轉彎時，根據舵機的二維映射表，調制脈寬實現(xiàn)減速。3.2樹木計數計數通過傳感器發(fā)出的光脈沖數量來實現(xiàn)，所以傳感器在小車快速行駛過中能夠檢測到每根樹木是關鍵。這里存在以下幾個問題。一；光感器所發(fā)出的光必須能夠打到樹木〔鉛筆〕上，同時光傳播的距離不應過遠，以免打到其他物體上，將其誤判為鉛筆，輸出光脈沖，導致多檢。二；觸感器發(fā)出的光發(fā)散角不能過大即光斑應盡量小。假設鉛筆直徑0.5厘米，當小車經過鉛筆時，由于鉛筆距離過近，一束光覆蓋了兩只鉛筆，導致漏檢。三；假設小車通過檢測區(qū)時，傳感器輸出的光脈沖持續(xù)時間很多，例如只有1~2ms，而系統(tǒng)計數的一個工作周期遠大于2ms，這時便會產生一個問題，當第二根鉛筆進入檢測區(qū)時，系統(tǒng)上一個執(zhí)行過程還沒完，第二跟鉛筆的信號已故去，但系統(tǒng)沒來得及響應，導致漏檢。針對以上問題我們決定采用激光傳感器。其傳播距離遠，我們通過簡單的數學計算，根據賽題要求，保證前瞻性足夠好的前提下，調整傳感器傾角，可解決問題一。由于激光發(fā)散角小即光斑斑點小，可解決問題二。再者，針對問題三，我們有兩種解決方法；方法1：激光傳感器頻率響應快，瞬變過程短，STM-32處理速度快，方法2：我們還可以通過硬件電路將光脈沖展寬，但由于2操作比擬綴余，我們選擇方