1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文基于光電循跡的智能車(chē)硬件設(shè)計(jì)摘 要 新一代汽車(chē)研究與開(kāi)發(fā)將集中表現(xiàn)在信息技術(shù) 微電子技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)智能自動(dòng)化技術(shù)人工智能技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通信技術(shù)在汽車(chē)上的應(yīng)用智能汽車(chē)是是現(xiàn)代汽車(chē)開(kāi)展的方向 光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車(chē)系統(tǒng)采用光電傳感器作為道路信息的采集傳感器單片機(jī)為控制系統(tǒng)的核心來(lái)處理信號(hào)和控制小車(chē)行駛MC9S12系列單片機(jī)在汽車(chē)電子控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用本課題就是利用Freescale的MC9S12XS128微控制器對(duì)智能車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)智能車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件電路和控制軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)使用專門(mén)軟件Altium Designer設(shè)計(jì)硬件電路系統(tǒng)主要包括freescale單片機(jī)最小系

2、統(tǒng)電源管理系統(tǒng)路徑識(shí)別與檢測(cè)系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)的初始化PID控制算法路徑識(shí)別算法舵機(jī)控制算法速度控制算法軟件設(shè)計(jì)是用Freescale 公司的Codewarrior軟件作為軟件開(kāi)發(fā)和仿真下載的平臺(tái)最后完成了整個(gè)自動(dòng)循跡智能車(chē)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵字 智能車(chē)光電傳感器自動(dòng)循跡控制算法PIDThe design of autoguiding smartcar system based on photoelectric sensorAbstract New generation automobile development and researched focus on in

3、formation technology microelectronic technology computer technology intelligent automation technology artificial intelligence technology networking technology communication technology and so on The intelligent automobile is the direction in which the modern automobile developed We use the photoelect

4、ric sensor as gathering sensor to take path information The microcontroller is used as the control system core and process the signal and controls car to run signal-chip microcomputer MC9S12 series be widespread utilized in the automobile electronic control domain I use the Freescale microcontroller

5、 MC9S12XS128 to design the intelligent vehicle system The design of intelligent vehicle system including hardware circuit and control software system I adopt the software of electronics design Altium Designer to complete designing the hardware Hardware circuit system mainly includes the freescale 抯

6、Single-chip Microcomputer smallest system the power source management system the way recognition and the detecting system the motor-driven system But the control software system mainly includes Single-chip Microcomputer s initialization the PID control algorithm the way recognition algorithm the ste

7、ering engine control algorithm the speed control algorithm It uses Freescale Corporations Codewarrior as the software development the simulation and downloadings platform in the software designing Finally The design of auto track smartcar system based on photoelectric sensor is completed Keywords In

8、telligent vehicle photoelectric Sensor auto track Control algorithm PID目錄摘 要- 1 -引言- 7 -第1章 緒論- 8 -11 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文內(nèi)容及研究意義價(jià)值- 8 -12 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文研究現(xiàn)狀和開(kāi)展趨勢(shì)- 9 -第2章 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)- 9 -21 整體設(shè)計(jì)方案概述- 10 -22 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)- 11 -221 模型車(chē)硬件整體方案設(shè)計(jì)- 11 -222 系統(tǒng)軟件模塊分析- 14 -223 控制算法設(shè)計(jì)方案- 15 -第3章 硬件設(shè)計(jì)- 16 -31 電源模塊設(shè)計(jì)- 16 -311 智能車(chē)電源設(shè)計(jì)要求-

9、 16 -312 5V電路設(shè)計(jì)- 16 -313 33V電路設(shè)計(jì)- 17 -314 電源系統(tǒng)框圖- 19 -32 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 19 -33循跡模塊設(shè)計(jì)- 21 -331 激光傳感器的工作原理- 21 -332 激光傳感器硬件設(shè)計(jì)- 24 -34 舵機(jī)模塊設(shè)計(jì)- 25 -341 舵機(jī)工作原理- 25 -35電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)- 27 -36 測(cè)速模塊- 33 -37 調(diào)試模塊- 34 -371 LED和撥碼開(kāi)關(guān)電路- 35 -372 NOKIA5110液晶模塊- 36 -373 ZigBee無(wú)線通信模塊- 37 -38 起跑線識(shí)別模塊- 39 -第4章 開(kāi)發(fā)與調(diào)試- 42 -41智能車(chē)整

10、體調(diào)試- 42 -411 舵機(jī)調(diào)試- 42 -412 電機(jī)調(diào)試- 42 -413 動(dòng)靜態(tài)調(diào)試- 42 -結(jié)論與展望- 44 -致 謝- 45 -附錄A主要電路原理圖- 46 -參考文獻(xiàn)- 49 -5 熊慧 MC68單片機(jī)入門(mén)與實(shí)踐 M 北京航天航空大學(xué)出版社2006- 49 -8 趙負(fù)圖 機(jī)電控制集成電路手冊(cè)M 化學(xué)工業(yè)出版社 2003- 49 -主要參考文獻(xiàn)摘要- 51 -附錄B引用外文文獻(xiàn)及其譯文- 54 -外文翻譯- 56 -插圖清單圖2-1 系統(tǒng)信息的控制流程圖11圖2-2 智能車(chē)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖13圖2-3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖14圖2-4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)14圖3-1 LM2940-50

11、封裝和實(shí)物18圖3-2 兩路5V電壓電路18圖3-3 AMS1117的封裝和實(shí)物19圖3-4 33V電壓電路19圖3-5 電源系統(tǒng)框圖20圖3-6 單片機(jī)最小系統(tǒng)21圖3-7 激光透鏡調(diào)制管接收管22圖3-8 接收局部22圖3-9 發(fā)射局部23圖3-10 循跡原理示意圖電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖24圖3-11 激光傳感器原理圖25圖3-12 激光傳感器PCB25圖3-13舵機(jī)轉(zhuǎn)角示意圖27圖3-14 S-D5舵機(jī)實(shí)物圖28圖3-15 S-D5舵機(jī)參數(shù)28圖3-16 兩片MC33886并聯(lián)驅(qū)動(dòng)原理圖29圖3-17 L298N引腳圖30圖3-18 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路31圖3-19 BTS7970實(shí)物和引

12、腳32圖3-20 BTS7970內(nèi)部引腳結(jié)構(gòu)33圖3-21 H橋BTS7970電機(jī)驅(qū)動(dòng)34圖3-22 電機(jī)驅(qū)動(dòng)PCB效果圖35圖3-23光電編碼器原理示意圖35圖3-24 光電編碼器測(cè)速電路36圖3-25 貼片LED 左 和撥碼開(kāi)關(guān) 右 37圖3-26 LED電路37圖3-27 撥碼開(kāi)關(guān)電路38圖3-28 NOKIA5110實(shí)物圖39圖3-29 NOKIA5110接口電路40ZigBee無(wú)線通信模塊40圖3-31 起跑線41圖3-32 TCRT5000實(shí)物及內(nèi)部結(jié)構(gòu)41圖3-33 TCRT5000原理示意圖42圖3-34 起跑線檢測(cè)示意圖42引言 全國(guó)大學(xué)生飛思卡爾杯智能汽車(chē)競(jìng)賽是以立足培養(yǎng)重

13、在參與鼓勵(lì)探索追求卓越為宗旨鼓勵(lì)創(chuàng)新的一項(xiàng)科技競(jìng)賽活動(dòng)競(jìng)賽要求在規(guī)定的汽車(chē)模型平臺(tái)上使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的微控制器作為核心控制模塊通過(guò)增加道路傳感器電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及編寫(xiě)相應(yīng)控制程序制作完成一個(gè)能夠自主識(shí)別道路的模型汽車(chē)智能汽車(chē)競(jìng)賽的賽道路面為寬度不小于45cm的白色面板賽道兩側(cè)邊沿有寬為25mm的連續(xù)黑線作為引導(dǎo)線目標(biāo)是模型汽車(chē)需要按照規(guī)那么以最短時(shí)間完成單圈賽道在本次設(shè)計(jì)中本組使用大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供的競(jìng)賽車(chē)模采用飛思卡爾16 位微控制器MC9S12XS128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(hào)采集處理控制算法及執(zhí)行動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)控制等最終實(shí)現(xiàn)一套能夠自主識(shí)別路線并且可

14、以實(shí)時(shí)輸出車(chē)體狀態(tài)的智能車(chē)控制硬件系統(tǒng)在制作小車(chē)的過(guò)程中對(duì)小車(chē)的整體構(gòu)架進(jìn)行了深入的研究分別在機(jī)械機(jī)構(gòu)硬件和軟件上都進(jìn)行過(guò)更進(jìn)硬件上主要是考慮并實(shí)踐各種傳感器的布局改良驅(qū)動(dòng)電路軟件上先后進(jìn)行了幾次大改小車(chē)的尋線方式從最先的線性擬合到現(xiàn)在位置加權(quán)最終確定的適應(yīng)性更強(qiáng)的優(yōu)化的位置加權(quán)的方法控制算法上從PID到Bang-Bang再到模糊PID都進(jìn)行了一些研究在這份畢業(yè)設(shè)計(jì)中我主要通過(guò)對(duì)整體方案機(jī)械硬件算法等方面的介紹詳細(xì)闡述我隊(duì)在此次智能汽車(chē)競(jìng)賽中的思想和創(chuàng)新具體表現(xiàn)在電路的創(chuàng)新設(shè)計(jì)算法以及輔助調(diào)試模塊等方面的創(chuàng)新通過(guò)查閱了大量的專業(yè)資料反復(fù)地調(diào)試汽車(chē)模型的各項(xiàng)參數(shù)為此次智能汽車(chē)畢業(yè)設(shè)計(jì)付出了艱苦的

15、勞動(dòng)這份報(bào)告凝聚著安徽工程大學(xué)智能汽車(chē)隊(duì)全體隊(duì)員的心血和智慧第1章 緒論 自動(dòng)循跡智能車(chē)是一個(gè)集環(huán)境感知規(guī)劃決策自動(dòng)駕駛等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)除了特殊潛在的軍用價(jià)值外還因其在公路交通運(yùn)輸中的應(yīng)用前景受到很多國(guó)家的普遍關(guān)注近年來(lái)其智能化研究取得了很大進(jìn)展而其智能主要表現(xiàn)為對(duì)路徑的自動(dòng)識(shí)別和跟蹤控制上路徑跟蹤問(wèn)題的研究正吸引著國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)視覺(jué)車(chē)輛工程與控制領(lǐng)域?qū)W者們?cè)絹?lái)越多的注意得出了很多有意義的成果這些方法可分為兩類(lèi)即傳統(tǒng)控制方法和智能控制方法傳統(tǒng)控制方法多建立在精確數(shù)學(xué)模型根底上而自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)系統(tǒng)具有復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)模型是一個(gè)非線性時(shí)延系統(tǒng)由于各種不確定因素的存在精確的數(shù)學(xué)模型難以獲得只能采用理

16、想化模型來(lái)近似所得到控制律較為繁瑣給實(shí)際應(yīng)用造成不便隨著近年智能控制論的興起一些智能控制方法如模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等逐步走向完善尤其是模糊控制理論在很多地方顯示出相當(dāng)?shù)膽?yīng)用價(jià)值以此為根底設(shè)計(jì)新概念的控制器受到人們很大關(guān)注同時(shí)人們也正考慮這在各種方面包括硬件和軟件的綜合技術(shù)開(kāi)發(fā)和研究探索智能車(chē)的技術(shù)將會(huì)趨于成熟并得到廣泛的應(yīng)用11 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文內(nèi)容及研究意義價(jià)值隨著經(jīng)濟(jì)的不斷開(kāi)展人們生活水平的不斷提高人口的急速增加膨脹從而使得汽車(chē)使用率將大大提高石油等不可再生能源的大量消耗和枯竭交通的擁堵不堪交通事故的接連不斷等這些問(wèn)題都擺在我們的面前而有待解決當(dāng)汽車(chē)電子得以迅猛開(kāi)展時(shí)智能車(chē)產(chǎn)生和不斷探索并效勞于人

17、類(lèi)的趨勢(shì)將不可阻擋智能車(chē)的研究將會(huì)給汽車(chē)這個(gè)產(chǎn)生了一百多年的交通工具帶來(lái)巨大的科技變革人們?cè)谛旭偲?chē)時(shí)不再只在乎它的速度和效率更多是注重駕駛時(shí)的平安性舒適性環(huán)保節(jié)能性和智能性等各國(guó)科學(xué)家和汽車(chē)工作人員以及汽車(chē)愛(ài)好者都在致力于智能車(chē)的研究研究的成果有很多都已應(yīng)用于人們的日常生活生產(chǎn)之中例如在2005年1月 美國(guó)發(fā)射的勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星探測(cè)器 實(shí)質(zhì)上都是裝備先進(jìn)的智能車(chē)輛同樣在很多特殊的場(chǎng)合人員不宜或不便行駛車(chē)輛等情況下智能車(chē)都發(fā)揮著它難以替代的作用因此研究智能車(chē)的實(shí)際意義和取得的價(jià)值都非常重大在我國(guó)現(xiàn)階段很多企業(yè)和學(xué)校也都意識(shí)到了研究智能車(chē)的重大意義和有著廣闊的研究前景企業(yè)與學(xué)校聯(lián)合研究共享資源

18、的智能車(chē)研究也已有較多的合作工程本課題利用傳感器識(shí)別路徑將賽道信息進(jìn)行存儲(chǔ)利用單片機(jī)控制智能車(chē)行進(jìn)本課題包括設(shè)計(jì)供電電路時(shí)鐘電路復(fù)位電路以及通信端口傳感器信號(hào)處理電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及相關(guān)控制和存儲(chǔ)軟件設(shè)計(jì)本課題的綜合性很強(qiáng)是以迅猛開(kāi)展的汽車(chē)電子為背景涵蓋了控制模式識(shí)別傳感電子電氣計(jì)算機(jī)和機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)意性設(shè)計(jì)這對(duì)進(jìn)一步深化高等工程教育改革培養(yǎng)本科生獲取知識(shí)應(yīng)用知識(shí)的能力及創(chuàng)新意識(shí)等具有重要意義12 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文研究現(xiàn)狀和開(kāi)展趨勢(shì) 隨著汽車(chē)電子技術(shù)的飛速開(kāi)展汽車(chē)智能化技術(shù)正在逐步得到應(yīng)用汽車(chē)智能化技術(shù)使汽車(chē)的操縱越來(lái)越簡(jiǎn)單動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越高行駛平安性越來(lái)越好這是未來(lái)汽車(chē)開(kāi)展的趨勢(shì)

19、而目前許多高校的學(xué)生和廣闊業(yè)余車(chē)模愛(ài)好者都在努力完成能自主識(shí)別道路并高速行駛的智能汽車(chē)收集了汽車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)自動(dòng)控制以及單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)等各領(lǐng)域?qū)＜业恼撝o出了車(chē)模的機(jī)械調(diào)整控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)軟件仿真控制策略以及單片機(jī)開(kāi)發(fā)等多方面的指導(dǎo)性意見(jiàn)和建議所以我們能夠看到智能車(chē)研究將會(huì)有一個(gè)很廣闊的前景和開(kāi)展各項(xiàng)新的技術(shù)也會(huì)不斷地被應(yīng)用于智能車(chē)的研究之中 而智能車(chē)的研究將會(huì)給未來(lái)的汽車(chē)帶來(lái)非常大的變化效勞于人類(lèi)相對(duì)于智能車(chē)設(shè)計(jì)的許多技術(shù)應(yīng)用本次設(shè)計(jì)的基于光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)只是應(yīng)用了其中的一些方面還有許多技術(shù)有待于我們?nèi)?chuàng)新和開(kāi)展總之智能車(chē)研究開(kāi)展的前景是廣闊的同樣又充滿著挑戰(zhàn)的第2章 控制

20、系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 在本次設(shè)計(jì)中要求所設(shè)計(jì)的小車(chē)具有自動(dòng)尋跡功能并且有路徑記憶的功能能在指定跑道上高速穩(wěn)定地運(yùn)行跑道為黑白兩色其背景色為白色跑道用兩條黑線作為小車(chē)行進(jìn)的依據(jù)很明顯要設(shè)計(jì)的小車(chē)是要能沿黑線的正常行駛并在此根底上盡量提高小車(chē)行駛速度21 整體設(shè)計(jì)方案概述 設(shè)計(jì)自動(dòng)控制器是制作智能車(chē)的核心環(huán)節(jié)在嚴(yán)格遵守規(guī)那么中對(duì)于電路限制條件保證智能車(chē)可靠運(yùn)行前提下電路設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔緊湊以減輕系統(tǒng)負(fù)載提高智能車(chē)的靈活性同時(shí)應(yīng)堅(jiān)持充分發(fā)揮創(chuàng)新原那么以簡(jiǎn)潔但功能完美為出發(fā)點(diǎn)并以穩(wěn)定性為首要前提實(shí)現(xiàn)智能車(chē)快速運(yùn)行作為能夠自動(dòng)識(shí)別道路運(yùn)行的智能汽車(chē)車(chē)模與控制器可以看成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)它可分為傳感器信息處理控制

21、算法和執(zhí)行機(jī)構(gòu)四個(gè)局部組成其中以單片機(jī)為核心配有傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及它們的驅(qū)動(dòng)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)中的控制軟件完成故而自動(dòng)控制器設(shè)計(jì)可以分為硬件電路設(shè)計(jì)和控制軟件兩局部硬件電路是整個(gè)設(shè)計(jì)的根底應(yīng)包括有至少以下四個(gè)局部單片機(jī)最小系統(tǒng)2電源電路為各個(gè)電路模塊提供電源3道路檢測(cè)電路用于完成對(duì)于賽道引導(dǎo)線的檢測(cè)主要采用光電檢測(cè)4舵機(jī)以及后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)模型車(chē)上的舵機(jī)和后輪電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制賽車(chē)的方向和速度除了以上四大局部還包括有車(chē)速車(chē)架速度電池電壓和舵機(jī)位置檢測(cè)等電路增加模型車(chē)參數(shù)檢測(cè)從而提高模型車(chē)控制性能也可增加調(diào)試電路方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 在硬件電路的根底上可以利用道路檢

22、測(cè)信息和車(chē)模運(yùn)行參數(shù)信息通過(guò)編寫(xiě)信息處理和控制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)于模型車(chē)轉(zhuǎn)向舵機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制使其能夠沿著賽道高速穩(wěn)定的運(yùn)行而在軟件方面主要功能包括系統(tǒng)軟件模塊分析以及控制策略算法下頁(yè)圖2-1所示即為智能車(chē)系統(tǒng)信息的控制流程 圖2-1 系統(tǒng)信息的控制流程圖22 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)221 模型車(chē)硬件整體方案設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)中的核心單片機(jī)將采用MC9S12XS128型號(hào)的單片機(jī)MC9S12XS-128是一款飛思卡爾16位的單片機(jī)其開(kāi)發(fā)方法和工作特點(diǎn)都與常用的8051單片機(jī)有一定的區(qū)別如何開(kāi)發(fā)這款單片機(jī)如何為單片機(jī)多個(gè)模塊寫(xiě)入底層的驅(qū)動(dòng)程序和編寫(xiě)優(yōu)良的上層控制算法是這一模塊的核心該微控制器是freesc

23、ale公司推出的S12系列單片機(jī)中具有增強(qiáng)型的16位單片機(jī)該系列單片機(jī)在汽車(chē)電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用S12系列單片機(jī)的中央處理器CPU12由以下三局部組成算術(shù)邏輯單元ALU控制單元存放器組CPU外部總線頻率為8MHZ或者 16MHZ通過(guò)內(nèi)部鎖相環(huán) PLL 可以使內(nèi)部總線速度可以到達(dá)25MHZ尋址方式有16種內(nèi)部存放器組中的存放器堆棧指針和變址存放器均為16位它具有很強(qiáng)的高級(jí)語(yǔ)言支持功能CPU12的累加器A和B是8位的也可以組成16位累加器D它的存放器組包括如下5個(gè)局部 l 8位累加器AB或16位的累加器D 2 16位尋址存放器X和Y是用來(lái)處理操作數(shù)的地址可分別用于源地址目的地址的指針型變量運(yùn)算

24、3 堆棧指針SP是16位存放器 4 程序計(jì)數(shù)器PC是16位存放器它表示下一條指令或下一個(gè)操作數(shù)的地址 5 條件碼存放器CCRMC9S12XS128是Freescale公司推出的S12 系列單片機(jī)中的一款增強(qiáng)型16 位單片機(jī)片內(nèi)資源豐富接口模塊包括SPISCIIICADPWM 等單片機(jī)采用增強(qiáng)型16 位HCS12 CPU片內(nèi)總線時(shí)鐘最高可達(dá)25MHz片內(nèi)資源包括8K RAM128K Flash2K EEPROM SCISPIPWM 串行接口模塊脈寬調(diào)制 PWM 模塊可設(shè)置成4 路8 位或者2 路16 位邏輯時(shí)鐘選擇頻率寬它包括兩個(gè)8 路10 位精度AD 轉(zhuǎn)換器控制器局域網(wǎng)模塊 CAN 增強(qiáng)型捕捉

25、定時(shí)器并支持背景調(diào)試模式本次設(shè)計(jì)所提到的智能車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)就是基于此芯片設(shè)計(jì)賽車(chē)硬件電路作為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其一系列控制功能的根底其設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到最終系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定的運(yùn)行通過(guò)分析得到系統(tǒng)各主要功能模塊電路及其與微處理器之間的邏輯關(guān)系系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如下列圖2-2所示 圖智能車(chē)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖方案一比例控制 這種控制方法就是在檢測(cè)到車(chē)體偏離的信息時(shí)給小車(chē)一個(gè)預(yù)置的反向偏移量讓其回到賽道比例算法簡(jiǎn)單有效參數(shù)容易調(diào)整算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單不需復(fù)雜的數(shù)字計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中由于傳感器的個(gè)數(shù)與布局方式的限制其控制量的輸出是一個(gè)離散值不能對(duì)舵機(jī)進(jìn)行精確的控制容易引起舵機(jī)左右搖擺造成小車(chē)行駛過(guò)程中的振蕩而且其收

26、斂速度也有限 方案二PID控制 PID控制在比例控制的根底上參加了積分和微分控制可以抑制振蕩加快收斂速度調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膮?shù)可以 有效地解決方案一的缺乏不過(guò)PID三個(gè)參數(shù)的設(shè)定較難需要不斷進(jìn)行調(diào)試憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)定因此其適應(yīng)性較差 在考慮選擇中根據(jù)設(shè)計(jì)的賽道規(guī)那么賽道模型與相關(guān)參數(shù)已給定即小車(chē)運(yùn)行的環(huán)境根本上已經(jīng)確定可通過(guò)不斷調(diào)試來(lái)獲得最優(yōu)的參數(shù)因此選用的是PID算法來(lái)對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制即速度控制要到達(dá)的目的就是在行駛過(guò)程中小車(chē)要有最有效的加速和減速機(jī)制高效的加速算法使小車(chē)能在直道上高速行駛而快速減速那么保證了小車(chē)運(yùn)行的穩(wěn)定流暢為了精確控制速度同時(shí)對(duì)速度進(jìn)行監(jiān)控本次設(shè)計(jì)中還引入了閉環(huán)控制的思想

27、所以在硬件設(shè)計(jì)增加了速度傳感器實(shí)時(shí)采集速度信息第3章 硬件設(shè)計(jì)31 電源模塊設(shè)計(jì)311 智能車(chē)電源設(shè)計(jì)要求電源是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提因此必須有一個(gè)合理的電源設(shè)計(jì)對(duì)于小車(chē)來(lái)說(shuō)電源設(shè)計(jì)應(yīng)注意兩點(diǎn)1 與一般的穩(wěn)壓電源不同小車(chē)的電池電壓一般在6-8V 左右還要考慮在電池?fù)p耗的情況下電壓的降低因此常用的78系列穩(wěn)壓芯片不再能夠滿足要求因此必須采用低壓差的穩(wěn)壓芯片 2 單片機(jī)必須與大電流器件分開(kāi)供電防止大電流器件對(duì)單片機(jī)造成干擾影響單片機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行電源設(shè)計(jì)應(yīng)該主要注意穩(wěn)壓壓差和最大輸出電流兩個(gè)指標(biāo)能否滿足設(shè)計(jì)要求由于智能車(chē)使用72V鎳鎘電池根據(jù)設(shè)計(jì)需求要把72V電壓穩(wěn)壓到5V和33V兩種電壓然后給不同模

28、塊分別供電312 5V電路設(shè)計(jì)根據(jù)電源設(shè)計(jì)要求采用5V低壓差穩(wěn)壓芯片LM2940-50LM2940 系列是輸出電壓固定的低壓差三端端穩(wěn)壓器輸出電壓有5V8V10V 多種最大輸出電流1A輸出電流1A 時(shí)最小輸入輸出電壓差小于08V最大輸入電壓26V工作度-40125內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路電流限制過(guò)熱保護(hù)電池反接和反插入保護(hù)電路同時(shí)LM2940 價(jià)格適中而且較容易購(gòu)置非常適合在本設(shè)計(jì)中使用LM2940-50 封裝和實(shí)物圖如圖3-1所示3-1 LM2940-50 封裝和實(shí)物如圖可以看出LM2940-50 封裝和實(shí)物和78系列穩(wěn)壓芯片大同小異但是LM2940比78系列穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換效率高由于LM2940是

29、低壓差穩(wěn)壓芯片所以在電池?fù)p耗情況下也有較好的穩(wěn)壓效果在實(shí)際設(shè)計(jì)中由于所需要的供電模塊較多并且在激光傳感器局部必須要精確地5V電壓如果電壓稍低就會(huì)影響激光的亮度和接收效果所以在設(shè)計(jì)電路中使用了兩邊LM2940-50給不通的的模塊分別供電保證各個(gè)模塊具有穩(wěn)定電壓如下列圖3-2是兩路5V電壓電路設(shè)計(jì)圖3-2 兩路5V電壓電路313 33V電路設(shè)計(jì)由于設(shè)計(jì)中用到NOKIA5110液晶和ZigBee模塊這兩個(gè)模塊需要33V電壓供電所以針對(duì)這兩個(gè)模塊設(shè)計(jì)出33V穩(wěn)壓電路所選用的穩(wěn)壓芯片為AMS1117-33AMS1117是一款正電壓輸出低壓差的三端線性穩(wěn)壓電路在輸出1A電流時(shí)輸入輸出的電壓差典型值為18V

30、AMS1117分為兩個(gè)版本固定電壓輸出版本和可調(diào)電壓輸出版本固定輸出版本的輸出電壓可以為18V33V和50V可調(diào)電壓輸出版本能提供的輸出電壓范圍為18V55VAMS1117內(nèi)部集成過(guò)熱保護(hù)和限流電路確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性AMS1117能提供包括固定電壓輸出版本限流功能該器件廣泛適用于各種電子產(chǎn)品中圖3-3 AMS1117的封裝和實(shí)物圖3-4 33V電壓電路314 電源系統(tǒng)框圖本設(shè)計(jì)主要涉及到的電壓為72V5V和33V分別給不同模塊供電如下列圖3-5詳細(xì)的描述了本設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)框圖圖3-5 電源系統(tǒng)框圖32 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)是小車(chē)的控制中心單片機(jī)最小系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)是小車(chē)平穩(wěn)運(yùn)行的前提

31、所謂最小系統(tǒng)就是能夠保證單片機(jī)運(yùn)行的最精簡(jiǎn)的硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)選擇飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MC9S12XS128該單片機(jī)專為汽車(chē)電子應(yīng)用設(shè)計(jì)它體積小80pinQFP寬電壓 3135V-55V 運(yùn)算速度快16bit40MHz具有豐富的外設(shè)很適合車(chē)?？刂浦饕瑑?nèi)資源包括1PWM8路8bit PWM或4路16bit PWM輸出2AD8路12bit10位轉(zhuǎn)換時(shí)間3us3定時(shí)計(jì)數(shù)器8路16bit定時(shí)器1路16bit脈沖計(jì)數(shù)器4SPI1路UART兩路5最多59個(gè)普通IO口可與5V器件直接相連6BDM background debug mode 程序下載調(diào)試接口7時(shí)鐘倍頻電路可將總線頻率穩(wěn)定升至96MHz電源檢測(cè)電

32、路看門(mén)狗等8128KB Flash8KB Data Flash12KB RAMMC9S12XS128如圖3所示圖3-6 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖3-6 中的單片機(jī)最小系統(tǒng)由以下幾個(gè)局部組成1 晶振電路單片機(jī)要想工作必須有一個(gè)外部的時(shí)鐘源這個(gè)時(shí)鐘源由外部晶振產(chǎn)生具體電路為圖36中的Y1C11C12在做電路板時(shí)應(yīng)注意晶振和電容要靠近單片機(jī)放置如果放置過(guò)遠(yuǎn)可能會(huì)造成晶振不能起振或工作不穩(wěn)定晶振電路采用12MHZ晶振2 復(fù)位電路就是利用它把電路恢復(fù)到起始狀態(tài) 3 下載接口該下載接口在實(shí)際制作時(shí)可以用雙排的32的排針代替電路是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的USBDM下載線來(lái)設(shè)計(jì)的只需將下載線接口插到本接口上就可以直接向單片機(jī)燒寫(xiě)程

33、序免去了不斷拔插單片機(jī)芯片的煩惱33循跡模塊設(shè)計(jì)331 激光傳感器的工作原理激光傳感器模塊主要完成賽道信息采集包括發(fā)射模塊和接收模塊兩個(gè)局部發(fā)射局部有一個(gè)調(diào)制管發(fā)出180KHZ頻率的震蕩波后經(jīng)過(guò)三激光放大激光管發(fā)光接收局部由一個(gè)相匹配180KHZ的接收管接收返回的光經(jīng)過(guò)電容濾波后接入單片機(jī)的IO口檢測(cè)返回電壓的上下電平實(shí)物圖如圖3-7由于激光傳感器進(jìn)行了調(diào)制接收管只能接受相同頻率的反射光因此可以有效防止可見(jiàn)光對(duì)反射激光的影響另外配合透鏡使用接收效果和抗干擾能力更強(qiáng)激光傳感器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能到達(dá)60CM前瞻保證智能車(chē)入彎時(shí)提前減速電路圖如圖3-83-9圖3-7 激光透鏡調(diào)制管接收管圖3-8 接收局

34、部圖3-9 發(fā)射局部電路說(shuō)明如圖3-10發(fā)射局部經(jīng)過(guò)調(diào)制管便輸出180khz的頻率經(jīng)過(guò)三極管8050放大之后驅(qū)動(dòng)發(fā)射管使發(fā)射管以180KHZ的頻率20-30的占空比發(fā)射出650nm的光線經(jīng)過(guò)反射后接收管接收到反射回來(lái)的黑白信號(hào)輸出上下電平由單片機(jī)識(shí)別從而到達(dá)識(shí)別路徑的功能接收局部接收管要上拉47k左右的電阻這是因?yàn)槿绻唤由侠娮钑?huì)引起邏輯混亂就是說(shuō)如果不接這個(gè)上拉電阻會(huì)出現(xiàn)無(wú)論照到黑的還是白的接收管接收到的都是同一個(gè)電平上拉電阻旁邊的指示燈起指示作用讓我們比擬直觀的看到接收管接收回來(lái)的信號(hào)明顯的變化另外接收管的電源接的電容104起到濾波作用圖3-10 循跡原理示意圖332 激光傳感器硬件設(shè)計(jì)

35、圖3-11 激光傳感器原理圖圖3-12 激光傳感器PCB說(shuō)明圖3-11激光傳感器原理圖為圖3-12激光傳感器PCB左邊一半的原理圖本設(shè)計(jì)總共使用16個(gè)5MW激光左右各一半使用了8個(gè)接收管其中每個(gè)接收管對(duì)應(yīng)相鄰的兩個(gè)激光具體效果如圖3-12所示電路工作原理分析調(diào)制管產(chǎn)生一個(gè)頻率為180KHZ占空比比為2030的方波輸入到74HC138譯碼器的使能端74HC138譯碼器的三個(gè)輸入端P1P3接單片機(jī)的IO口譯碼器的8個(gè)輸出經(jīng)過(guò)8550三極管接8個(gè)激光單片機(jī)向兩個(gè)譯碼器輸出000B111B這樣16個(gè)激光每次以兩個(gè)為一組從內(nèi)到外依次點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)接收管會(huì)接收對(duì)應(yīng)的兩個(gè)激光的狀態(tài)并發(fā)送給單片機(jī)單片機(jī)識(shí)別出上下電

36、平做出相應(yīng)處理這種發(fā)送模式成為分時(shí)發(fā)射有效防止相鄰兩個(gè)激光的干擾34 舵機(jī)模塊設(shè)計(jì)概述本智能車(chē)設(shè)計(jì)使用了兩個(gè)舵機(jī)型號(hào)為S-D5其中一個(gè)為轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制智能車(chē)轉(zhuǎn)向另一個(gè)為搖頭舵機(jī)控制傳感器循跡通過(guò)兩個(gè)舵機(jī)的協(xié)調(diào)配合控制智能車(chē)以最正確路線跑完賽道全程341 舵機(jī)工作原理工作原理控制電路板接受來(lái)自信號(hào)線的控制信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組減速后傳動(dòng)至輸出舵盤(pán)舵機(jī)的輸出軸和位置反響電位計(jì)是相連的舵盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)位置反響電位計(jì)電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板進(jìn)行反響然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度從而到達(dá)目標(biāo)停止舵機(jī)的輸入線共有三條紅色中間是電源線一邊黑色的是地線這兩根線給舵

37、機(jī)提供最根本的能源保證主要是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)消耗電源有兩種規(guī)格一是48V一是60V分別對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩標(biāo)準(zhǔn)即輸出力矩不同60V 對(duì)應(yīng)的要大一些具體看應(yīng)用條件另外一根線是控制信號(hào)線舵機(jī)的控制信號(hào)為周期是20ms 的脈寬調(diào)制PWM信號(hào)其中脈沖寬度從05ms-25ms相對(duì)應(yīng)舵盤(pán)的位置為0180 度呈線性變化也就是說(shuō)給它提供一定的脈寬它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)的位置上舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路產(chǎn)生周期20ms寬度15ms 的基準(zhǔn)信號(hào)有一個(gè)比擬器將外加信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相比擬判斷出方向和大小從而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)由此可見(jiàn)舵機(jī)是

38、一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)范圍不能超過(guò)180 度適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的驅(qū)動(dòng)當(dāng)中比方說(shuō)機(jī)器人的關(guān)節(jié)飛機(jī)的舵面等舵機(jī)的控制舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖該脈沖的高電平局部一般為05ms25ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖局部以180度角度伺服為例那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的05ms-0度10ms-45度15ms-90度20ms-135度25ms-180度根據(jù)設(shè)計(jì)需求所選用舵機(jī)為S-D5數(shù)碼舵機(jī)實(shí)物如下列圖3-14舵機(jī)參數(shù)如圖3-15所示圖3-14 S-D5舵機(jī)實(shí)物圖S-D5舵機(jī)參數(shù)圖3-15 S-D5舵機(jī)參數(shù)35電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力缺乏無(wú)法驅(qū)動(dòng)像電機(jī)這樣的大功率外

39、部器件因此必須外加驅(qū)動(dòng)電路本次電機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)芯片很多例如MC33886L298NBTS79670等根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)三種方案最終選擇一種最正確方案方案一采用MC33886和MOS管構(gòu)成H橋驅(qū)動(dòng)電路MC33886 是典型的針對(duì)小功率直流電機(jī)控制的單片集成H橋芯片內(nèi)部包含了集成控制邏輯模塊電荷泵驅(qū)動(dòng)門(mén)和低RDS ON MOSFET輸出電路MC33886能夠控制連續(xù)的直流感性負(fù)載電流到達(dá)5A輸出端能夠?qū)崿F(xiàn)頻率為10KHz的PWM 波該芯片還具有錯(cuò)誤輸出報(bào)告內(nèi)容包括低電壓短路電流和過(guò)熱等情況兩個(gè)獨(dú)立的輸入控制兩個(gè)半H橋?qū)崿F(xiàn)推挽輸出MC33886的設(shè)計(jì)工作電壓為5V至28V在MC33886的驅(qū)動(dòng)電路中常常

40、使用兩片甚至更多的MC33886并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)大電流驅(qū)動(dòng)降低芯片的發(fā)熱但是更多的使用者會(huì)發(fā)現(xiàn)這種方 法也有很?chē)?yán)重的缺乏之處有的是一片在工作一段時(shí)間以后很燙另一片卻沒(méi)有發(fā)熱這種問(wèn)題主要有以下幾個(gè)原因造成的 首先兩個(gè)功率驅(qū)動(dòng)芯片是不能直接并聯(lián)時(shí)用的因?yàn)樾酒托酒g的電路不是完全對(duì)稱的在同時(shí)加電源的時(shí)候電流會(huì)從電阻較小的芯片流過(guò)造成發(fā)熱不均其次由于電路板在布線的時(shí)候兩個(gè)芯片的電路板布線不是完全一樣的這就造成PWM傳輸信號(hào)線路的阻抗和干擾不一樣尤其是智能車(chē)在賽道上需要反向制動(dòng)的時(shí)候兩個(gè)輸出端口12 輸出發(fā)生交替就會(huì)造成兩個(gè)并聯(lián)的H 橋一側(cè)的兩個(gè)MOSFET同時(shí)導(dǎo)通瞬間就會(huì)使芯片發(fā)燙 針對(duì)MC33886芯

41、片的驅(qū)動(dòng)電流只有5A易于發(fā)熱的的缺點(diǎn)并且MC33886的導(dǎo)通電阻比擬大產(chǎn)生了較大的壓降使芯片容易發(fā)熱為了增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力利用多塊MC33886并聯(lián)使用如下列圖 圖3 兩片MC33886并聯(lián)驅(qū)動(dòng)原理圖H 橋集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片該芯片采用15腳封裝如下列圖3-17主要特點(diǎn)是工作電壓高最高工作電壓可達(dá)46V輸出電流大瞬間峰值電流可達(dá)3A持續(xù)工作電流為2A額定功率25W內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繼電器線圈等感性負(fù)載采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制具有兩個(gè)使能控制端在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁

42、止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端使內(nèi)部邏輯電路局部在低電 壓下工作可以外接檢測(cè)電阻將變化量反響給控制電路使用L298N 芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)圖3 L298N引腳圖圖3 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 方案三兩片BTS7970構(gòu)成H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如下圖采用2個(gè)半橋智能功率驅(qū)動(dòng)芯片BTS7970B組合成一個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)BTS7970B是應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大電流半橋集成芯片它帶有一個(gè)P溝道的高邊MOSFET一個(gè)N溝道的低邊MOSFET和一個(gè)驅(qū)動(dòng)ICP溝道高邊開(kāi)關(guān)省去了電荷泵的需求因而減少了電磁干擾 EMI 集成的驅(qū)動(dòng)IC具有邏輯電平輸入電流

43、診斷斜率調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生和超溫過(guò)壓欠壓過(guò)流及短路保護(hù)功能BTS7960B的通態(tài)電阻典型值為16m驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)60A調(diào)節(jié)SR引腳外接電阻的大小可以調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間具有防電磁干擾功能IS引腳是電流檢測(cè)輸出引腳INH引腳為使能引腳IN引腳用于確定哪個(gè)MOSFET導(dǎo)通當(dāng)IN 1且INH 1時(shí)高邊MOSFET導(dǎo)通輸出高電平當(dāng)IN 0且INH 1時(shí)低邊MOSFET導(dǎo)通輸出低電平通過(guò)對(duì)下橋臂開(kāi)關(guān)管進(jìn)行頻率為25kHz的脈寬調(diào)制 PWM 信號(hào)控制BTS7970B的開(kāi)關(guān)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正反向PWM驅(qū)動(dòng)反接制動(dòng)能耗制動(dòng)等控制狀態(tài)BTS7970是半橋結(jié)構(gòu)其如下列圖圖圖H橋BTS7970電機(jī)驅(qū)動(dòng)H橋BTS7

44、970電機(jī)驅(qū)動(dòng)圖另外驅(qū)動(dòng)功率芯片供電電源和地之間并聯(lián)大容量電容以保證電源電壓的平穩(wěn)圖光電編碼器是通過(guò)讀取光電編碼盤(pán)上的圖案或編碼信息來(lái)表示與光電編碼器相連的電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息的根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對(duì)式光電編碼器與增量式光電編碼器圖3-23光電編碼器光電編碼器PCD8544PCD8544是一塊低功耗的CMOS LCD控制驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)48行84列的圖形顯示所有必須的顯示功能集成在一塊芯片上包括LCD 電壓及偏置電壓發(fā)生器只須很少外部元件且功耗小PCD8544 與微控制器的接口使用串行總線PCD8544 采用CMOS 工藝使用Nokia5110液晶的四大理由性價(jià)比高LC

45、D1602可以顯示32個(gè)字符而Nokia5110可以顯示15個(gè)漢字30個(gè)字符Nokia5110裸屏僅88元LCD1602一般15元左右LCD12864一般507元接口簡(jiǎn)單僅四根IO線即可驅(qū)動(dòng)LCD1602需11根IO線LCD12864需12根速度快是LCD12864的20倍是LCD1602的40倍Nokia5110工作電壓33V正常顯示時(shí)工作電流200uA以下具有掉電模式適合電池供電的便攜式移動(dòng)設(shè)備可以在市場(chǎng)上買(mǎi)到Nokia5110的裸屏和帶PCB的Nokia5110屏幕因?yàn)镹okia5110是不帶背光的所以通常商家會(huì)在PCB上按了幾個(gè)背光LED上電就能亮圖3-28 NOKIA5110實(shí)物圖圖

46、3-29 NOKIA5110接口電路373 ZigBee無(wú)線通信模塊ZigBee無(wú)線通信模塊主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)功能單片機(jī)將采集到的信息通過(guò)ZigBee發(fā)送個(gè)上位機(jī)這樣就可以在上位機(jī)實(shí)時(shí)看出智能車(chē)在行駛過(guò)程中個(gè)各個(gè)信息參數(shù)例如實(shí)時(shí)速度賽道位置等上位機(jī)可以通過(guò)ZigBee模塊發(fā)送數(shù)據(jù)個(gè)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)調(diào)試這一局部對(duì)以后PID參數(shù)調(diào)節(jié)和速度控制有很大的幫助Zigbee是基于IEEE802154標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離低功耗的無(wú)線通信技術(shù)主要用于距離短功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)間歇性數(shù)據(jù)和低反響時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用它的傳輸距離在

47、10-75m的范圍內(nèi)ZigBee具有如下特點(diǎn)低功耗 由于ZigBee的傳輸速率低發(fā)射功率僅為1mW而且采用了休眠模式功耗低因此ZigBee設(shè)備非常省電據(jù)估算ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間這是其它無(wú)線設(shè)備望塵莫及的通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms休眠激活的時(shí)延是15ms 活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無(wú)線控制 如工業(yè)控制場(chǎng)合等 應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)容量大一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò) 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活無(wú)線

48、通信模塊選用SZ-05系列Zigbee模塊SZ05系列無(wú)線通信模塊數(shù)據(jù)接口包括TTL電平收發(fā)接口標(biāo)準(zhǔn)串口RS232數(shù)據(jù)接口可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的播送方式發(fā)送按照目標(biāo)地址發(fā)送模式除可實(shí)現(xiàn)一般的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信功能外還可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通訊串口通信使用方法簡(jiǎn)單便利可以大大簡(jiǎn)短模塊的嵌入匹配時(shí)間進(jìn)程ZigBee無(wú)線通信模塊38 起跑線識(shí)別模塊賽道有一個(gè)長(zhǎng)為1m的出發(fā)區(qū)如下列圖3-31所示計(jì)時(shí)起始點(diǎn)兩邊分別有一個(gè)長(zhǎng)度10cm黑色計(jì)時(shí)起始線賽車(chē)前端通過(guò)起始線作為比賽計(jì)時(shí)開(kāi)始或者結(jié)束時(shí)刻圖3-31 起跑線根據(jù)圖3-31起跑線參數(shù)可以采用紅外對(duì)管對(duì)起跑線進(jìn)行識(shí)別紅外光電對(duì)管型號(hào)為T(mén)CRT5000TCRT5000是將

49、紅外發(fā)射管和接收管集成在一體的紅外反射式光電傳感器TCRT5000紅外光電傳感器采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成輸出信號(hào)經(jīng)施密特電路整形穩(wěn)定可靠圖3-32 TCRT5000實(shí)物及內(nèi)部結(jié)構(gòu)紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線具有一定的方向性當(dāng)紅外線照到白色外表上會(huì)有較大的反射紅外對(duì)管可以接收到反射回來(lái)的紅外線在利用紅外接收管的電氣特性在電路中處理紅外線的接收信息如果反射外表為黑色紅外光會(huì)被外表將其大局部吸收紅外接收管就難以接收到紅外線這樣就可以做到檢測(cè)到黑色起跑線紅外對(duì)管接收原理如圖3-33圖3-33 TCRT5000原理示意圖根據(jù)起跑線的特點(diǎn)只需要三個(gè)紅外對(duì)管就能檢測(cè)到起跑線紅外對(duì)管的排

50、布如下列圖3-34只要兩邊光電對(duì)管檢測(cè)到黑線中間檢測(cè)不到那么判斷為起跑線經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)這種方法既簡(jiǎn)單成功率又高圖3-34 起跑線檢測(cè)示意圖圖3-35 起跑線檢測(cè)電路圖電路說(shuō)明由于單片機(jī)在輸入電壓在4V以上認(rèn)為是高電平在1V一下才認(rèn)為是低電平但是TCRT5000輸出電壓不一定在單片機(jī)識(shí)別上下電平范圍內(nèi)所以在設(shè)計(jì)的電路中參加了比擬器TCRT5000將輸出的電壓輸入到比擬器通過(guò)滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)比擬電壓這樣通過(guò)比擬比擬器會(huì)直接輸出高電平和低電平更利于單片機(jī)檢測(cè)第4章 開(kāi)發(fā)與調(diào)試41智能車(chē)整體調(diào)試411 舵機(jī)調(diào)試首先在程序里不斷的修改舵機(jī)的控制量確定舵機(jī)左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)極限的PWM值記下該值留著在程序里設(shè)定左轉(zhuǎn)和

51、右轉(zhuǎn)的極限值然后用一小段跑道來(lái)測(cè)試舵機(jī)的轉(zhuǎn)向用不同的跑道段來(lái)測(cè)試模型車(chē)的轉(zhuǎn)向是否符合要求當(dāng)用的是直道時(shí)候要保證模型車(chē)的舵機(jī)位置絕對(duì)的居中小S道時(shí)候模型車(chē)給出的轉(zhuǎn)角應(yīng)該足夠的小大S時(shí)候轉(zhuǎn)角應(yīng)該近似為圓弧弦的角度彎道時(shí)候要給足轉(zhuǎn)角412 電機(jī)調(diào)試像測(cè)試舵機(jī)一樣用不同的軌道來(lái)測(cè)試電機(jī)給出的轉(zhuǎn)速是否滿足實(shí)際控制的需要當(dāng)用的是小S道時(shí)候模型車(chē)應(yīng)該保持直道上的速度大S時(shí)候應(yīng)該適當(dāng)?shù)臏p速以使得通過(guò)時(shí)候不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)彎道時(shí)候要能夠很快的將速度降下來(lái)如果是急轉(zhuǎn)彎時(shí)可以不給控制量或者讓電機(jī)反轉(zhuǎn)以到達(dá)剎車(chē)的效果413 動(dòng)靜態(tài)調(diào)試小車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝好后就進(jìn)入調(diào)試階段整車(chē)調(diào)試分為靜態(tài)調(diào)試和動(dòng)態(tài)調(diào)試兩局部靜態(tài)調(diào)試過(guò)程中

52、主要測(cè)試軟件功能是否正確電路中的供電電路速度控制電路傳感器等是否正常先用萬(wàn)用表測(cè)量各組電源電壓是否符合設(shè)計(jì)要求再將智能車(chē)放置在支架上讓車(chē)輪懸空啟動(dòng)智能車(chē)用移動(dòng)的跑道黑線測(cè)試控制程序是否能完成根本的控制動(dòng)作這樣就可以確定傳感器控制程序電機(jī)及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)是否正常最后調(diào)整運(yùn)行參數(shù)使智能車(chē)根本正常工作根本的靜態(tài)測(cè)試完成后就可以在賽道上進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試了動(dòng)態(tài)調(diào)試主要是調(diào)節(jié)PIDPID控制器參數(shù)選擇的方法很多例如試湊法臨界比例度法擴(kuò)充臨界比例度法等但是對(duì)于PID控制而言參數(shù)的選擇始終是一件非常煩雜的工作需要經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)整才能得到較為滿意的控制效果依據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般PID參數(shù)確定的步驟如下 1 確定比例系數(shù)Kp確定比例系

53、數(shù)Kp時(shí)首先去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可以令Ti 0Td 0使之成為純比例調(diào)節(jié)輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許輸出最大值的6070比例系數(shù)Kp由0開(kāi)始逐漸增大直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩再反過(guò)來(lái)從此時(shí)的比例系數(shù)Kp逐漸減小直至系統(tǒng)振蕩消失記錄此時(shí)的比例系數(shù)Kp設(shè)定PID的比例系數(shù)Kp為當(dāng)前值的6070 2 確定積分時(shí)間常數(shù)Ti比例系數(shù)Kp確定之后設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù)Ti然后逐漸減小Ti直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩然后再反過(guò)來(lái)逐漸增大Ti直至系統(tǒng)振蕩消失記錄此時(shí)的Ti設(shè)定PID的積分時(shí)間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的150180 3 確定微分時(shí)間常數(shù)Td微分時(shí)間常數(shù)Td一般不用設(shè)定為0即可此時(shí)PID調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換為PI調(diào)節(jié)如果需要設(shè)定那么與確定

54、Kp的方法相同取不振蕩時(shí)其值的30 4 系統(tǒng)空載帶載聯(lián)調(diào)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行微調(diào)直到滿足性能要求結(jié)論與展望經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力完成了智能車(chē)系統(tǒng)的制作整個(gè)車(chē)模硬件電路簡(jiǎn)單采用反射式紅外光電管檢測(cè)道路信息經(jīng)過(guò)軟件處理使賽車(chē)轉(zhuǎn)向準(zhǔn)確穩(wěn)定能夠順利通過(guò)各種彎道和十字交叉路口且準(zhǔn)確地識(shí)別起始線該賽車(chē)在滿足大賽規(guī)那么的前提下具有良好的自主道路識(shí)別能力和穩(wěn)定性并能夠以較快的速度行駛在最初的方案選擇階段通過(guò)比擬不同方法可能得到的結(jié)果明確了我們研究的方向在機(jī)械設(shè)計(jì)方面我們對(duì)模型車(chē)的性能不斷的探索改良了前輪定位差速舵機(jī)力矩等使得舵機(jī)的轉(zhuǎn)向更加靈活更容易控制打滑現(xiàn)象根本解決在控制算法方面我們通過(guò)建模和仿真最終確定使用PID和

55、模糊控制算法分別對(duì)模型車(chē)的方向和速度進(jìn)行控制作為一個(gè)新興的學(xué)科領(lǐng)域智能車(chē)智能自動(dòng)控制技術(shù)是一個(gè)集環(huán)境感知規(guī)劃決策多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)是典型的多學(xué)科的綜合性的高科技和高新技術(shù)的結(jié)合體參考文獻(xiàn)1 邱關(guān)源電路北京高等教育出版社20032 卓晴黃開(kāi)勝 邵貝貝挑戰(zhàn)飛思卡爾杯M 北京航天航空大學(xué)出版社200611 劉偉 飛思卡爾S12系列單片機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 智能車(chē)制作網(wǎng)站出版 202112 雷伏容 51單片機(jī)常用模塊設(shè)計(jì)查詢手冊(cè) 清華大學(xué)出版社 202113 神龍工作室編著新編Protel 2004入門(mén)與提高北京人民郵電出版社200414 邵貝貝龔光華單片機(jī)認(rèn)識(shí)與實(shí)踐北京北京航空航天大學(xué)出

56、版社200615 邵貝貝單片機(jī)嵌入式的在線開(kāi)發(fā)方法的應(yīng)用北京清華大學(xué)出版社200416 雷玉堂王慶有光電檢測(cè)技術(shù)北京中國(guó)計(jì)量出版社199717 趙景波 薛平 趙景輝 王勁松Protel 2004電路設(shè)計(jì)應(yīng)用范例M北京清華大學(xué)出版社2006 18 秦曾煌電工學(xué) 上 北京高等教育出版社200619 秦曾煌電工學(xué) 下 北京高等教育出版社200620 譚浩強(qiáng)C語(yǔ)言程序與設(shè)計(jì)北京清華大學(xué)出版社199921 陶永華新型PID控制及其應(yīng)用M北京機(jī)械工業(yè)出版社200322 胡壽松自動(dòng)控制原理M北京科技出版社200123 李寧劉啟新電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)M北京機(jī)械工業(yè)出版社200324 董維杰白鳳仙電路分析M北京科學(xué)

57、出版社200725 趙福堂汽車(chē)電器與電子設(shè)備北京北京理工大學(xué)出版社202126 周云山鐘勇汽車(chē)電子控制技術(shù)北京機(jī)械工業(yè)出版社202127 Sebulke A The Two-Mass Flywheel-A Torsional Vibration Damper for the Power Train of Passenger Cars-State of the Art and Further Technical DevelopmentSAE Transactions1987 2 89-9828 National SemiconductorLM1881 Video Sync Separator General Description M200129 Yasu