智能車光電組硬件與機(jī)械設(shè)計(jì)專題

智能汽車光電組硬件與機(jī)械設(shè)計(jì)專題主講人：盧紅海2012年9月4號(hào)前排激光板光電車整體構(gòu)造圖前排接收管轉(zhuǎn)向舵機(jī)主激光板電池電機(jī)驅(qū)動(dòng)板測速編碼器主控板搖頭舵機(jī)透鏡內(nèi)容安排1光電車硬件設(shè)計(jì)2光電車機(jī)械設(shè)計(jì)3注意事項(xiàng)及答疑一、光電車硬件設(shè)計(jì)電源管理模塊單片機(jī)核心控制器電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊光電傳感器模塊舵機(jī)控制模塊速度檢測模塊人機(jī)交互模塊1.1硬件設(shè)計(jì)總體方案

硬件電路是智能車的基礎(chǔ)，只有完成了穩(wěn)定科學(xué)的硬件電路，才能在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件算法的設(shè)計(jì)，做出優(yōu)秀的智能車。

智能車硬件設(shè)計(jì)原則：盡量精減，采用簡單可靠的電路，選用性能優(yōu)秀而且性價(jià)比好的芯片，設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠兼容性好的電路板。

硬件設(shè)計(jì)主流方案：采用飛思卡爾16位XS128或32位微控制器MK60DN512作主控芯片。選用5mw—100mw激光作為路經(jīng)檢測傳感器，微控制器通過I/O口獲得激光傳感器采集的賽道信息，經(jīng)過處理后給出舵機(jī)轉(zhuǎn)角和電機(jī)轉(zhuǎn)速。通過人機(jī)接口可以方便的設(shè)置智能車運(yùn)行的參數(shù)，并獲得智能車運(yùn)行狀況。1.2單片機(jī)核心控制器按照大賽組委會(huì)的規(guī)定，車模控制電路只能采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位或32位MCU作為唯一微控制器。常用的MCU有:16位S12XS128、32位MK60DN512等。

核心控制器可以選擇購買設(shè)計(jì)良好的最小系統(tǒng)板，也可以自己設(shè)計(jì)包括濾波電路、復(fù)位電路和BDM下載端口等。1.3電源管理模塊智能車采用7.2V2000mAh鎳鎘蓄電池供電，由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此電源模塊應(yīng)該包含多個(gè)穩(wěn)壓電路，將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊所需要的電壓。

穩(wěn)壓芯片的選取原則：壓差不能太大，電壓要穩(wěn)定，電流要足夠，價(jià)格要適中。常用芯片有LM2940、LM2941、TL1963A等。1.3電源管理模塊電池7.2V-8.5V電機(jī)驅(qū)動(dòng)6V穩(wěn)壓5V穩(wěn)壓5.5V穩(wěn)壓電機(jī)搖頭舵機(jī)激光傳感器轉(zhuǎn)向舵機(jī)3.3穩(wěn)壓MCU常用電源模塊電壓分配圖：1.4光電傳感器模塊光電傳感器是利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。

光電傳感器工作時(shí)，先將被測量轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過光電器件再把光量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量變化，從而實(shí)現(xiàn)非電量的測量。

光電傳感器的核心（敏感元件）是光電器件，光電器件的基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，可靠性較高，能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的非接觸測量，因此廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)化儀表中。1.4光電傳感器模塊光電式傳感器由光路及電路兩大部分組成，光路部分實(shí)現(xiàn)被測量信號(hào)對(duì)光量的控制和調(diào)制，電路部分完成從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

常用的光電傳感器有：紅外對(duì)管和激光二極管。

紅外對(duì)管由紅外線發(fā)射管和光敏接收管集合在一起構(gòu)成。由于紅外對(duì)管測量距離有限，精度不高等缺點(diǎn)，慢慢退出了光電車的舞臺(tái)。1.4光電傳感器模塊激光傳感器模塊分為發(fā)射和接收兩部分。發(fā)射部分采用5mw—100mw功率的激光二極管，接收部分采用接收光線頻率為180KHZ的接收管。1.4光電傳感器模塊

激光傳感器檢測路面信息的原理是由發(fā)射管發(fā)射一定頻率的紅外線，經(jīng)地面反射到接收管。由于黑色和白色的反射系數(shù)不同，在黑色上大部分光線被吸收了，而在白色上大部分光線被反射回來了，所以接收到的光線強(qiáng)度是不一樣的，進(jìn)而導(dǎo)致接收管特性曲線變化程度不同，從外部觀測可近似認(rèn)為接收管兩端的輸出電阻不同，經(jīng)過分壓后電壓就不一樣了，這樣就也可以把黑白路面識(shí)別出來了。1.4光電傳感器模塊激光發(fā)射電路激光接收電路1.4光電傳感器模塊由于激光二極管數(shù)量較多，同時(shí)發(fā)射時(shí)激光傳感器會(huì)相互干擾。解決的辦法是采用分時(shí)點(diǎn)亮，使用74LS138或154作為分時(shí)控制器，由控制器的3個(gè)IO口來控制激光傳感器的開斷，同一時(shí)間控制每組相鄰最遠(yuǎn)的傳感器發(fā)光，這樣就可避免接收管接收到相鄰傳感器發(fā)射的激光了。

具體實(shí)現(xiàn)過程，將在下午光電組智能車軟件設(shè)計(jì)專題中講解。1.東5電機(jī)欠驅(qū)動(dòng)恩模塊直流舟驅(qū)動(dòng)服電機(jī)廳控制俊電路偵主要尊用來子控制櫻直流鉤電動(dòng)兵機(jī)的叢轉(zhuǎn)動(dòng)觸方向藏和轉(zhuǎn)塵動(dòng)速氧度。改變妻直流育電動(dòng)索機(jī)兩勾端的論電壓垃可以充控制累電動(dòng)災(zāi)機(jī)的枝轉(zhuǎn)動(dòng)艱方向權(quán)；而請控制繪直流耍電動(dòng)嗎機(jī)的紙轉(zhuǎn)速井，則顯有不文同的妄方案景，較溪常規(guī)壯的方傲法是浩采用PW澤M（脈嗚沖寬甜度調(diào)鄉(xiāng)豐制）銜控制甲。驅(qū)阿動(dòng)電舍路既遲可以鄭直接告采用MC膏33朗88暢6電機(jī)王驅(qū)動(dòng)蘭芯片乏，也歡可以旱采用靠大功等率MO舍S管來美自行抽設(shè)計(jì)玻電機(jī)依驅(qū)動(dòng)槐電路壓。MC押33版88拒6使用耕簡單折方便玻、功復(fù)能強(qiáng)輛大。厘但其豪不足森在于已最大走電流輔只能懶達(dá)到5A，即吊使采謊用多薯片并絡(luò)聯(lián)，哪其壓癥降還善是比麗較大孫，不借利于值智能兔車加昆速和膝制動(dòng)詠性能拔的提粱升；由功逗率MO因SF蒙ET管搭墊建H橋電何路作租為電懂機(jī)驅(qū)錘動(dòng)，譽(yù)橋電挖路采剖用門鞭電路鈴控制像，使陷得電嗚機(jī)驅(qū)俗動(dòng)使滴用更天加方縮慧便、豪安全擦。1.朽5電機(jī)折驅(qū)動(dòng)殼模塊電路援得名袖于“H橋驅(qū)出動(dòng)電記路”是因紋為它魔的形脹狀酷生似字勇母H。4個(gè)三游極管少組成H的4條垂鑒直腿枝，而惑電機(jī)孩就是H中的袋橫杠。1.砍5電機(jī)俗驅(qū)動(dòng)型模塊要使極電機(jī)猾運(yùn)轉(zhuǎn)扁，必何須使皺對(duì)角適線上預(yù)的一敗對(duì)三旨極管狂導(dǎo)通酬。如竊圖所殘示，漏當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)粒通時(shí)愈，電躺流就況從電拉源正膏極經(jīng)Q1從左臨至右再穿過且電機(jī)特，然塌后再卷經(jīng)Q4回到求電源伐負(fù)極辮。按男圖中辣電流兄箭頭智所示臟，該虛流向踢的電竄流將綠驅(qū)動(dòng)隸電機(jī)渣順時(shí)婦針轉(zhuǎn)甜動(dòng)。目當(dāng)三油極管Q1和Q4導(dǎo)通爽時(shí)，掙電流襪將從厲左至張右流廳過電鉗機(jī)，瞧從而肌驅(qū)動(dòng)尺電機(jī)邪按特敲定方漆向轉(zhuǎn)序動(dòng)（乎電機(jī)嘗周圍漏的箭猶頭指街示為懶順時(shí)娛針方企向）融。1.灑5電機(jī)畢驅(qū)動(dòng)摧模塊驅(qū)動(dòng)巨電機(jī)篇時(shí)，針保證H橋上變兩個(gè)蟻同側(cè)違的三嗽極管稻不會(huì)軌同時(shí)挑導(dǎo)通正非常洋重要碗。如仇果三往極管Q1和Q2同時(shí)胸導(dǎo)通仆，那膨么電紛流就政會(huì)從馳正極蘿穿過灣兩個(gè)呆三極堤管直宵接回宋到負(fù)硬極。摩此時(shí)驚，電卸路中繪除了尼三極營管外抱沒有棋其他尿任何怪負(fù)載喂，因昂此電旁路上畜的電虹流就娘可能誰達(dá)到宜最大形值（租該電議流僅敵受電壓源性重能限坐制）解，甚舟至燒音壞三吹極管侮?；M于上券述原聯(lián)因，殖在實(shí)睛際驅(qū)椒動(dòng)電拴路中范通常瀉要用科硬件殺電路踐方便茂地控途制三冰極管醋的開喇關(guān)。1.藥5電機(jī)策驅(qū)動(dòng)深模塊如圖所倉示就裁是基認(rèn)于這石種考仍慮的雹改進(jìn)循電路酒，它歷在基者本H橋電聽路的筍基礎(chǔ)乞上增智加了4個(gè)與己門和2個(gè)非伙門。4個(gè)與沈門同譜一個(gè)“使能”導(dǎo)通效信號(hào)鍛相接網(wǎng)，這揉樣，維用這姨一個(gè)泛信號(hào)置就能斗控制名整個(gè)蠅電路博的開局關(guān)。溜而2個(gè)非吧門通迎過提般供一肥種方脅向輸液人，加可以存保證尿任何棵時(shí)候委在H橋的醒同側(cè)鵝腿上寒都只尊有一艙個(gè)三錘極管胸能導(dǎo)界通。1.府5電機(jī)砌驅(qū)動(dòng)駁模塊簡單H橋電茄路1.雄6速度咬檢測糊模塊為了繞使模閃型車捕能夠范平穩(wěn)飾地沿寨著賽緒道運(yùn)譜行，愿除了偽控制星前輪衡轉(zhuǎn)向關(guān)舵機(jī)廣以外是，還行需要疫控制甚車速胖。通憲過對(duì)隙速度命的檢享測，益可以簽對(duì)車虎模速艷度進(jìn)熱行閉依環(huán)反拐饋控肯制。1.腫6速度歷檢測視模塊車速毀檢測據(jù)一般趙是通核過檢術(shù)測驅(qū)襯動(dòng)電靠機(jī)轉(zhuǎn)鞭速來惡實(shí)現(xiàn)絡(luò)的。葛比賽嘩中所呆使用苗的常念見測未速方伶法有擔(dān)霍爾博傳感呼器和絲式光電解式脈歷沖編丟碼器籍。我們壯采用吉的就影是光謹(jǐn)電編拾碼器蓄。1.內(nèi)6速度勵(lì)檢測使模塊光電符式脈可沖編月碼器揪原理肚：如奮下圖神，在卸發(fā)光呆元件鋼和光出電接衛(wèi)收元井件中低間，至有一然個(gè)直蘆接裝包在旋胞轉(zhuǎn)軸膚上的兼具有際相當(dāng)魄數(shù)量拐的透性光扇退形區(qū)肅的編莊碼盤幫，在腹光源議經(jīng)光歪學(xué)系支統(tǒng)形泊成一姿束平艘行光噸投在影透光洲和不礎(chǔ)透光膀區(qū)的晝碼盤翻上時(shí)辭，轉(zhuǎn)談動(dòng)碼觸盤，膀在碼憤盤的壓另一靜側(cè)就蠟形成腿光脈明沖，奶脈沖道光照寶射在師光電脫元件忠上就售產(chǎn)生蜻與之和對(duì)應(yīng)火的電虎脈沖徑信號(hào)燭。1.諸7舵機(jī)崇控制坡模塊舵機(jī)晉本身論是一斑個(gè)位頁置隨垮動(dòng)系怠統(tǒng)。巷它是殼由舵喘盤、搞減速求齒輪英組、扒位置應(yīng)反饋?zhàn)镫娢唤钟?jì)、陽直流高電機(jī)徒和控航制電蔽路組見成的裳。通涂過內(nèi)貍部的泊位置奸反饋遷，使輩它的開舵盤無輸出罰轉(zhuǎn)角疑正比喪于給附定的啞控制選信號(hào)啄，因繪此對(duì)創(chuàng)于它繁的控濃制可纏以使豎用開丈環(huán)控病制方訪式。書在負(fù)轎載力與矩小只于其然最大糕輸出疼力矩刊的情扁況下岔，它出的輸侵出轉(zhuǎn)比角正咐比于社給定練的脈辜沖寬濕度。二、奇光電挑車機(jī)邀械設(shè)究計(jì)2.義1光電尺車機(jī)性械設(shè)該計(jì)概籍述隨著瞧智能銷車的梨速度循不斷貧提升臭，智鹿能車冰的機(jī)魚械結(jié)腫構(gòu)越日來越殲被重令視，束智能衣車機(jī)裳械結(jié)兔構(gòu)的肆好壞凳對(duì)車粉的速宗度有斃著很遮大的棵影響蛛。機(jī)械抖設(shè)計(jì)黃應(yīng)遵納從的賴三個(gè)近基本血點(diǎn)：1、車?yán)眢w重麻量盡揉量輕傳：在驅(qū)宜動(dòng)力訓(xùn)一定麻的情拒況下千，盡裝量減輸輕車抖體的越重量史會(huì)提乘高賽冰車的龍加減匪速性訊能。2、重向心應(yīng)辨該盡顏量低伸：要使究得智舌能車路能在愉彎道陸上高徒速通韻過，淡必須帶防止屈側(cè)滑宗和側(cè)郵翻，粒尤其程是側(cè)撕翻。宴重心潛位置販?zhǔn)怯皾h響側(cè)捉翻的守最關(guān)床鍵的歸因素仿，所象以設(shè)僚計(jì)中粱應(yīng)盡緊量降為低智勞能車雨的重御心。3、前犧輪轉(zhuǎn)籠向盡巨量靈無活2.做2轉(zhuǎn)向乎舵機(jī)隱的安原裝舵機(jī)裝響應(yīng)射速度葛是整希車過遼彎速困度的鏟一個(gè)百瓶頸溉。為平了加左快車今輪轉(zhuǎn)涉向速繪度，攪我們貌設(shè)計(jì)狡并安寒裝了摸舵機(jī)監(jiān)轉(zhuǎn)向孕機(jī)構(gòu)芹。在劫并非驕改變淡舵機(jī)程本身靜結(jié)構(gòu)補(bǔ)的條管件下萌，改蔬變了洲舵機(jī)探的安故裝位抬置，留安裝責(zé)更長秋的舵嘩機(jī)輸向出臂懶。采窩用杠膝桿原售理，爬在舵勉機(jī)的榮輸出渣舵盤載上安趨裝一亮個(gè)較誕長的頭輸出安臂，狐將轉(zhuǎn)暈向傳凈動(dòng)桿均連接瘋在輸層出臂杰末端誕。這約樣就因可以擴(kuò)在舵濟(jì)機(jī)輸固出較婦小的李轉(zhuǎn)角尖下，透取得女較大鳴的前基輪轉(zhuǎn)透角，角從而傭提高很了整閉個(gè)車還模轉(zhuǎn)呼向控北制的盒速度[2郊]。如扣圖2-仇3所示斯，這使種方孝法是原通過殘機(jī)械育方式咸，利鐘用舵味機(jī)的鳴輸出促轉(zhuǎn)距注余量董，將冒角度姥進(jìn)行祝放大躲，加浸快了果舵機(jī)蠅響應(yīng)器速度影。轉(zhuǎn)向遼舵機(jī)粉安裝撫情況心如下飛圖：2.漁3測速財(cái)傳感旦器的仿安裝本智塌能車暈采用校光電瓶編碼溜器作徐為測鑒速傳刊感器布，它擴(kuò)能提塘供較芬高的是精度肅并且示通過饅一定興的處印理后貞可以棋識(shí)別乖正反勻轉(zhuǎn)。宜光電竿編碼賤器通脆過齒松輪和蟻后軸騰齒輪喝相連材，檢皇測車相輪轉(zhuǎn)套速。2.節(jié)4差速今機(jī)構(gòu)炭的調(diào)舅整后輪慢差速帳機(jī)構(gòu)土的作截用是鏈在車忍模轉(zhuǎn)齒彎的咳時(shí)候矛，減略少后擇輪與桂地面亡之間盞的滑掌動(dòng)，芽使轉(zhuǎn)泡向輕覽便。重車輛擊在正窄常的突過彎職行駛咱時(shí)四疏個(gè)輪緒子的咐轉(zhuǎn)速燙皆不楚相同秘，順般序?yàn)槭撸和饽X側(cè)前搏輪＞籌外側(cè)地后輪爪＞內(nèi)鹽