基于線性CCD傳感器檢測(cè)的智能車控制系統(tǒng)

1、青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）前言隨著現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展，無(wú)論在生活應(yīng)用還是在工業(yè)應(yīng)用中，智能化的概念越來(lái)越多的出現(xiàn)在我們的身邊。尤其是自上世紀(jì)80年代以來(lái)，汽車技術(shù)以突飛猛進(jìn)的速度在發(fā)展，汽車從原來(lái)的純機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成的代步工具逐漸演變成一個(gè)集各種高科技技術(shù)為一體的智能化的新時(shí)代產(chǎn)物。因此，智能車的概念也就越來(lái)越凸顯出來(lái)，智能汽車，顧名思義，就是在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐下，利用電子信息通信技術(shù)，智能微控制器，環(huán)境監(jiān)測(cè)控制技術(shù)，GPS導(dǎo)航技術(shù)等等組成的一個(gè)新意義的高新技術(shù)復(fù)合載體。它能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)，規(guī)劃處理，自動(dòng)行駛還有人工輔助駕駛等功能。現(xiàn)在汽車行業(yè)對(duì)智能汽車的研究主要在提高汽車的安全性和汽

2、車的駕駛輔助上，在汽車自動(dòng)駕駛方面的發(fā)展還沒(méi)有質(zhì)的飛躍，近年對(duì)于車輛自動(dòng)駕駛，智能導(dǎo)航的研發(fā)正大力進(jìn)行。智能車輛的研究成果現(xiàn)在已經(jīng)體現(xiàn)著一個(gè)研究團(tuán)體乃至整個(gè)國(guó)家科研實(shí)力水平。所以無(wú)論是中國(guó)還是國(guó)外很多國(guó)家已經(jīng)把智能汽車確定為重點(diǎn)發(fā)展的項(xiàng)目。1 智能車控制系統(tǒng)概況1.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)背景智能化，是現(xiàn)今社會(huì)前進(jìn)的一個(gè)目標(biāo)。對(duì)于汽車來(lái)說(shuō)智能化也會(huì)是未來(lái)發(fā)展的方向。對(duì)于國(guó)家來(lái)說(shuō)，大學(xué)生質(zhì)量的好壞是這個(gè)國(guó)家的發(fā)展動(dòng)力的重要指標(biāo)之一。大力發(fā)展國(guó)內(nèi)大學(xué)生的科技實(shí)踐能力一直是我國(guó)的一大政策。其中為促進(jìn)大學(xué)生的科研創(chuàng)新能力，一直在舉辦著各種各樣的科技競(jìng)賽。智能汽車方面，在中國(guó)的各種智能車機(jī)械車等的競(jìng)賽有很多，其中飛

3、思卡爾杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽在中國(guó)已經(jīng)舉辦了九屆。這項(xiàng)賽事主要探索的就是智能汽車，用智能汽車模型作為研究對(duì)象，讓學(xué)生們充分發(fā)揮學(xué)校中所學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識(shí)，對(duì)智能小車加以設(shè)計(jì)并改裝，完成一個(gè)能自動(dòng)識(shí)別比賽賽道路況并能夠進(jìn)行判斷并進(jìn)行相應(yīng)控制的小車。最終完成大賽的比賽要求。這項(xiàng)大賽其中包括了智能控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、傳感器技術(shù)等主要學(xué)科知識(shí)，還涉及到電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科。賽事用比賽的方式，大大提高了大學(xué)生參與者的積極性，鍛煉了大學(xué)生的實(shí)際操作能力。思維創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，使參賽的大學(xué)生比同類大學(xué)生具有更高的基本技能，使其更能夠適應(yīng)未來(lái)社會(huì)的發(fā)展需求。1.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是一個(gè)基

4、于線性CCD傳感器的智能小車的設(shè)計(jì)，最終成果是設(shè)計(jì)并制作出一個(gè)能夠通過(guò)傳感器識(shí)別兩邊帶黑色邊緣的道路信息，并能夠根據(jù)道路信息識(shí)別直路彎路，十字路口等信息，進(jìn)行判斷，自動(dòng)行進(jìn)的智能小車。本設(shè)計(jì)主要使用飛思卡爾大賽中使用的B型車模，使用飛思卡爾公司的K60微控制器，岱莫科技TSL1401CCD傳感器作為檢測(cè)器件，使用540電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車。通過(guò)硬件安裝調(diào)整和軟件設(shè)計(jì)，最終完成設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。本設(shè)計(jì)的總系統(tǒng)框圖如下：圖1-1 設(shè)計(jì)的總系統(tǒng)框圖Figure 1-1 total system block diagram1.3 微控制器簡(jiǎn)介及現(xiàn)狀MCU叫做微型控制器，國(guó)內(nèi)叫做單片機(jī)。上世紀(jì)70年代，電路集成技術(shù)

5、的發(fā)展已經(jīng)有了很大的成果，所以人們通常會(huì)把原來(lái)在微型計(jì)算機(jī)中零散分開(kāi)的一部分部件如處理器、閃存、存儲(chǔ)、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和各種端口集成在一個(gè)體積減少了很多的芯片上。也就成了現(xiàn)在我們所說(shuō)的微型控制器。微控制器其實(shí)就是一個(gè)芯片級(jí)別的微型計(jì)算機(jī)。MCU在近三十年的發(fā)展，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在我們的現(xiàn)代生活中，比如經(jīng)常使用的手機(jī)，收款機(jī)，掃碼器，汽車內(nèi)控制系統(tǒng)，MP3，MP4，數(shù)碼相機(jī)等等。這些家用工具內(nèi)都使用的了一個(gè)或者多個(gè)微控制器，讓這些產(chǎn)品成為智能化的產(chǎn)物。微控制器是近代影響最大的創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)品之一，根據(jù)微型控制器所發(fā)展起來(lái)的智能化產(chǎn)品在當(dāng)今社會(huì)已經(jīng)占據(jù)著非常大的比例，我們的生活已經(jīng)離不開(kāi)這些產(chǎn)品了。1.4

6、 Freescale微控制器概述Freescale（飛思卡爾）公司是現(xiàn)在全世界范圍內(nèi)技術(shù)較為領(lǐng)先的生產(chǎn)半導(dǎo)體的公司之一，飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的嵌入式微控制器為全球的汽車、電子、工業(yè)、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域提供了技術(shù)支持與保障。在2005年，飛思卡爾公司總收入達(dá)到了58億美元，無(wú)論在8位、16位、還是32位單片機(jī)的領(lǐng)域都處在了技術(shù)領(lǐng)先的地位。Freescale公司的微控制器主要以8位和16位為主，其中，9S08系列和HC9S12系列在全世界單片機(jī)市場(chǎng)占有率都在同類產(chǎn)品中都一直很高。本次設(shè)計(jì)使用的芯片是飛思卡爾公司的一款32位K60系列MK60N512VMD100單片機(jī)。 圖1-2 Kinetis k60系

7、列微處理器內(nèi)部功能示意圖Figure 1-2 Kinetis K60series microprocessor internal functions1.5 線性CCD簡(jiǎn)介及選型CCD，就是電荷耦合器件的英文簡(jiǎn)稱。通常人們把它稱為CCD圖象傳感器。CCD傳感器的功能是能夠把外界能感知到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成微控制器等智能控制器多能分辨出的數(shù)字信號(hào)。CCD上每一個(gè)微小的感受光強(qiáng)的小物質(zhì)就是一個(gè)像素點(diǎn)（Pixel）。在一個(gè)CCD要想分辨率越高，就需要包含越多的像素點(diǎn)。所有像素點(diǎn)都在一排的CCD稱為線性CCD，線性CCD在像素?cái)?shù)量上雖然不高，但是因?yàn)槠湎袼刂挥幸粭l，檢測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)也比較簡(jiǎn)潔，在一些要求不高的信息處

8、理方面具有十分重要的作用。CCD傳感器中的光電二極管能夠把外界的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過(guò)其外接的電壓或電流放大電路和A/D電路轉(zhuǎn)換成的數(shù)字圖像信息，讓控制器讀取出并進(jìn)行分析。本設(shè)計(jì)選用的線性CCD傳感器是TAOS公司的TSL1401 CCD傳感器。這款產(chǎn)品具有體積小、重量輕、使用簡(jiǎn)單、比較容易固定、接口比較簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。這款傳感器經(jīng)過(guò)了非常嚴(yán)格的賽道類環(huán)境的檢驗(yàn)，它能夠采集到的路面信息清晰穩(wěn)定，能比較遠(yuǎn)距離的采集信息，而且在使用算法上，使用簡(jiǎn)單的算法就能輕易提取到道路中黑線的信息。圖1-3 TSL1401CCD傳感器Figure 1-3 TSL1401CCD sensor1.6 本章小結(jié)

9、本章主要介紹了智能車控制系統(tǒng)的大體概況，從智能車控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)背景介紹開(kāi)始，而后又從總體上介紹了本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并介紹了微控制器及Freescale微控制器的概況和線性CCD的概況。這一章內(nèi)容詳細(xì)介紹出了本人設(shè)計(jì)所研究的智能車控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)依據(jù)以及證明是具有研究?jī)r(jià)值的。2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安裝與調(diào)整本次設(shè)計(jì)的智能車使用的是飛思卡爾智能車競(jìng)賽指定的B型四輪車模。使用飛思卡爾公司的K60微控制器。傳感器使用的是TAOS（岱莫）公司的TSL1401系列的線性CCD傳感器，采用RS-540SH直流電機(jī)，S-D5舵機(jī)。為了使車能夠穩(wěn)定并且高速的運(yùn)行，我們對(duì)智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)配置進(jìn)行了詳細(xì)系統(tǒng)的分析。該模型的

10、精度不是很高，所以必須能夠改變它的模型，提高模型的整體準(zhǔn)確度。此外，在我后續(xù)的小車調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，前輪約束和主銷傾斜兩者角度的大小對(duì)于智能車在高速狀態(tài)下運(yùn)行狀況平穩(wěn)性具有很大影響作用。智能車速度達(dá)到很好的速度的時(shí)候，舵機(jī)控制智能車方向的轉(zhuǎn)變快慢也對(duì)智能車的快速回到預(yù)定軌道起到了具足輕重的作用。所以對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和調(diào)整要考慮以上幾個(gè)方面。關(guān)于安裝期間主要有安裝舵機(jī)、安裝線性CCD傳感器、編碼器的安裝、最小系統(tǒng)板電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的安裝位置預(yù)留等。智能車模的微小調(diào)整主要有前輪傾角的調(diào)整，對(duì)車模型的底部調(diào)整與地面的高度，和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和后輪差速的調(diào)整。2.1 舵機(jī)的安裝方式與安裝位置將舵機(jī)轉(zhuǎn)向器直接

11、直立安裝在車模的前部中間，即兩前輪的中間。舵機(jī)傳動(dòng)桿適當(dāng)延長(zhǎng)，這樣便提高了舵機(jī)轉(zhuǎn)向的控制精度和靈敏度。圖2-1 舵機(jī)安裝圖Figure 2-1 steering gear installation diagram2.2 線性CCD傳感器的安裝 智能車CCD傳感器支架選用了更輕更結(jié)實(shí)的材料，并且為了節(jié)省材料，小車配備的備件用來(lái)固定線性CCD傳感器并且將傳感器放置在智能小車的前輪后方，以便拉長(zhǎng)智能車的視野，對(duì)智能車的控制十分有利。圖2-2 CCD傳感器安裝方式Figure 2-2 CCD sensor installation2.3 測(cè)速編碼器的安裝圖2-3 測(cè)速安裝方式Figure 2-3 Sp

12、eed measurement installation method在速度的測(cè)量，為了能夠滿足我們的測(cè)試要求，并使速度測(cè)量裝置具有較高的精度。設(shè)計(jì)采用了歐姆龍E6A2-CW3E型500線光電編碼器的方法，并且將編碼器固定在電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上。這樣，通過(guò)設(shè)計(jì)，在測(cè)速方面能夠保證智能車有很高的測(cè)量精度和很高的靈敏度。2.4 前輪傾角的調(diào)整在調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)：由于前軸和重力中心在高速轉(zhuǎn)向車輪之間的巨大差距有很大的影響，將使高速轉(zhuǎn)向時(shí)車輛轉(zhuǎn)向角不足。為了減小舵機(jī)帶動(dòng)前車輪轉(zhuǎn)向時(shí)的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的大小，是轉(zhuǎn)彎時(shí)盡量能夠更快更準(zhǔn)確的達(dá)到預(yù)定的目的的，我對(duì)前輪定位進(jìn)行了稍微改變。前輪定位確保了小車的穩(wěn)定性，無(wú)論在直

13、道還是在轉(zhuǎn)向時(shí)都使得車輪轉(zhuǎn)向的輕松、自動(dòng)糾正方向和削減了車輪的接觸磨損。前輪在智能車中是轉(zhuǎn)向輪，它反映了前輪即轉(zhuǎn)向輪、主銷和前軸等三個(gè)主要因素在車架上的位置關(guān)系。主銷內(nèi)傾角是智能車主銷安裝在車模前軸車輪略微向內(nèi)傾斜的小角度，這個(gè)角度能夠讓智能車的前輪主動(dòng)回到正前方的位置。當(dāng)主銷內(nèi)傾角角度越大，前輪自動(dòng)回正的作用越明顯，但是同時(shí)對(duì)應(yīng)的是轉(zhuǎn)向舵機(jī)需要承擔(dān)的負(fù)荷越大，車輪胎磨損非常大。因此，尋找一個(gè)中間點(diǎn)，是回正作用能夠滿足智能車的需求，又使智能車車輪磨損不會(huì)太大。主銷后傾就是小車兩前輪支撐輪胎的立桿稍微偏離豎直方向傾斜的角度，大約在3左右。這個(gè)角度的轉(zhuǎn)彎的車輛造成的力矩，與車輪偏轉(zhuǎn)方向發(fā)生原因的離

14、心力，和車輪能自動(dòng)回到中間位置偏后。因此，主銷后傾角增大能夠使車速提高，前輪穩(wěn)定性也會(huì)更好。圖2-4 主銷后傾角調(diào)整圖Figure 2-4 Tilt angle adjustment chart after the main pin主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角都有智能車轉(zhuǎn)向自動(dòng)回正，保持智能車直線行駛的作用。它們之間的區(qū)別是主銷內(nèi)傾角在小車行駛過(guò)程中所產(chǎn)生的正作用力和速度沒(méi)有關(guān)系，主銷后傾角在小車行駛中產(chǎn)生的正作用力和速度相關(guān)，所以在智能車高速行駛時(shí)，主銷內(nèi)傾角起到的是主要正作用力，在低速行駛時(shí)，主銷后傾角起主要正作用。前輪的外傾，也就是“外八字”對(duì)智能車的轉(zhuǎn)彎性質(zhì)有著直接的作用，前輪的外傾有提高前

15、輪的轉(zhuǎn)彎靈活性的作用，使智能車可以更輕便的轉(zhuǎn)彎。這個(gè)角度大約在1度左右。前輪前束的功能是增加了智能車的行駛過(guò)程中的耐磨性。因?yàn)樾≤嚽懊娴妮喿釉谶\(yùn)動(dòng)時(shí)，輪子自身旋轉(zhuǎn)的慣性會(huì)自然而然的是自身向內(nèi)側(cè)偏斜，假如前束角度適當(dāng)，輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的偏斜力就會(huì)對(duì)消，便不會(huì)出現(xiàn)前輪輪胎與地面的磨損。2.5 地盤高度的調(diào)整底盤做適當(dāng)?shù)慕档?，在保證能夠通過(guò)上坡和下坡道的前提下，適當(dāng)?shù)慕档鸵幌碌妆P。這樣使整個(gè)小車降低了重心，智能小車能夠在各種路況下的直路或轉(zhuǎn)彎時(shí)能夠更加的穩(wěn)定和快速。我將智能車前車軸的中心降低了1.5毫米。2.6 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及后輪差速的調(diào)整智能小車選用540直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)軸為18個(gè)齒輪，后輪軸傳動(dòng)軸為

16、76個(gè)齒輪，這使得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為9比38。如果齒輪傳動(dòng)部份是不合適的，也就是接觸不恰當(dāng)，則電機(jī)在后輪的負(fù)載損耗會(huì)增加。齒輪之間間隙過(guò)松容易造成齒輪不能很好的嚙合，造成分離，兩者較緊卻會(huì)增加傳輸阻力，造成能量損失。因此電機(jī)裝配的過(guò)程中盡可能使得傳動(dòng)軸保持接觸平衡，傳遞動(dòng)力部分順暢，接觸松緊程度適當(dāng)。后輪差速結(jié)構(gòu)的使車模在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，后輪與地面之間不產(chǎn)生滑動(dòng)，兩輪能夠有一個(gè)速度的差。它也可以確保即使在后輪輪胎由于路況或機(jī)械故障下不動(dòng)的情況下卡死而不損壞電機(jī)。在差速器的調(diào)整方面，通過(guò)后續(xù)調(diào)試中通過(guò)調(diào)節(jié)滾珠輪盤間的間隙，使它不能過(guò)松或者過(guò)緊，從而找到一個(gè)比較適當(dāng)?shù)某潭?。一個(gè)調(diào)整好的裝置，在不給電機(jī)

17、通電的前提下，使后輪旋轉(zhuǎn)測(cè)試，右輪和左輪旋轉(zhuǎn)過(guò)的角偏移相差極小，不會(huì)出現(xiàn)兩輪的遲鈍的感覺(jué)和輪胎摩擦地面的現(xiàn)象。一個(gè)調(diào)整好的電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)使電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪空轉(zhuǎn)時(shí)，等待后輪速度穩(wěn)定，辨別裝置運(yùn)動(dòng)發(fā)出的聲音。如果發(fā)出的聲音比較尖銳、聲響，這表明齒輪間的接觸間隙太大，傳動(dòng)過(guò)程中會(huì)有電機(jī)齒輪和后輪齒輪嚙合不穩(wěn)，會(huì)有脫齒現(xiàn)象；假如其發(fā)出的聲音比較悶，聲音也會(huì)比較之后，齒輪之間的接觸間隙太少，或兩齒輪軸線不平行。而調(diào)試穩(wěn)定的齒輪傳送裝置所發(fā)出的聲音很小，并且不會(huì)有滯后等現(xiàn)象，或者比較刺耳的聲音。2.7 本章小結(jié)本章主要介紹了智能車控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安裝與調(diào)整，根據(jù)各個(gè)部分的安裝位置的調(diào)整，使其

18、能夠達(dá)到最佳的使用效果，主要有舵機(jī)安裝，線性CCD傳感器安裝，編碼器安裝，最小系統(tǒng)板電路安裝，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的安裝。另外還有對(duì)車模的微小調(diào)整，如前輪傾角和、底盤高度與齒輪傳動(dòng)等機(jī)構(gòu)的調(diào)整。通過(guò)機(jī)械調(diào)整與安裝，使本設(shè)計(jì)的智能車控制系統(tǒng)能夠更好的滿足了該系統(tǒng)的適應(yīng)性，是設(shè)計(jì)系能更加優(yōu)越。3 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)智能車硬件電路設(shè)計(jì)是智能車的主體支撐，本設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)主要以微控制器K60為主的系統(tǒng)板為中心，另外還有路徑檢測(cè)傳感器模塊，多路電源轉(zhuǎn)換模塊，單電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊，舵機(jī)控制模塊，藍(lán)牙模塊，測(cè)速模塊等。本章詳細(xì)敘述智能車總體硬件電路設(shè)計(jì)以及著重講述最小系統(tǒng)板電路，路徑檢測(cè)傳感器模塊，單電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和多

19、路電源轉(zhuǎn)換模塊。3.1 智能小車功能設(shè)計(jì)隨著當(dāng)前的社會(huì)智能化的發(fā)展進(jìn)步，在未來(lái)家庭汽車上將越來(lái)越智能化，汽車沒(méi)有駕駛室將不再是一個(gè)夢(mèng)。所以智能汽車系統(tǒng)的概念，總結(jié)要完成其需求，本設(shè)計(jì)作為智能汽車的微小雛形需要滿足的設(shè)計(jì)要求如下：1、根據(jù)光電原理，在本次設(shè)計(jì)中的白色路面兩側(cè)有兩條寬度為2CM黑色邊沿的道路上，能夠自動(dòng)分辨道路兩側(cè)的黑線相對(duì)于智能車的位置，并進(jìn)行判斷控制路徑。2、根據(jù)線性CCD傳感器檢測(cè)送回的路面信息并進(jìn)行分析判斷，能夠?qū)τ谑欠袷侵钡?，十字路口，彎道，以及加速減速的判斷。3、根據(jù)小車的機(jī)構(gòu)裝置的外形性能，對(duì)于測(cè)試的路面有的在最小曲率半徑為50CM的彎路上小車能順利通過(guò)。4、根據(jù)小車

20、各不同模塊需要不同的電壓等級(jí)來(lái)驅(qū)動(dòng)。對(duì)于電池電壓在7.2V時(shí)，通過(guò)電源變換系統(tǒng)能夠做到為各不同模塊供給穩(wěn)定并合適的電壓。3.2 硬件電路總體設(shè)計(jì)組裝硬件電路之前，首先應(yīng)該了解硬件電路總體設(shè)計(jì)，根據(jù)上節(jié)敘述的智能小車的功能需求，電路總體設(shè)計(jì)應(yīng)該以微控制器K60位核心，周圍分別連接檢測(cè)模塊，電源模塊，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，測(cè)速模塊，顯示模塊等。硬件電路整體架構(gòu)框圖如下圖所示：圖3-1硬件電路整體架構(gòu)框圖Figure 3-1 Hardware circuit monolithic frame diagram3.3 微控制器最小系統(tǒng)板電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)使用的是飛思卡爾半導(dǎo)體公司的單片機(jī)K60系列的M

21、K60N512VMD100單片機(jī)。設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)板的目的是，通過(guò)為微控制器提供時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，外界I/O接口使其能夠正常運(yùn)行，外接搭配主要設(shè)置了連接外置其他幾大主要模塊的接口：線性CCD傳感器模塊，測(cè)速模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，舵機(jī)模塊，藍(lán)牙模塊，按鍵模塊等。而最小系統(tǒng)板也是整個(gè)智能車硬件電路設(shè)計(jì)的中心，以最小系統(tǒng)板為中心，其他模塊分別通過(guò)接口與之相連接，組成整個(gè)智能車的電路設(shè)計(jì)。最小系統(tǒng)版電路原理圖與系統(tǒng)板接口圖如下：圖3-2 最小系統(tǒng)版電路原理圖Figure 3-2 Minimum system version of circuit diagram圖3-3 系統(tǒng)版接口電路原理圖Figure 3

22、-3 System version of the interface circuit diagram3.4 傳感器系統(tǒng)傳感器，就是能夠?qū)⒈粶y(cè)量的量按照一定的物理或化學(xué)原理轉(zhuǎn)換成一種規(guī)定的輸出信號(hào)的裝置或器件。一般來(lái)說(shuō)，傳感器分為兩個(gè)部分，敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。敏感元件與被測(cè)量的量的變化而引起的信號(hào)的容易被測(cè)量的變化，而轉(zhuǎn)換元件將其產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)以便于傳輸所需的信號(hào)，具體輸出的信號(hào)要看敏感元件的不同種類而會(huì)存在差異。因?yàn)檗D(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換出來(lái)的信號(hào)比較微弱為了讓這些信號(hào)容易的傳遞、轉(zhuǎn)變、顯示和交互。一般情況后面還有轉(zhuǎn)換電路和輔助電路等，這樣才能夠讓交換元件輸出的信號(hào)能夠放大，易于傳輸。隨著現(xiàn)代半

23、導(dǎo)體工業(yè)的先進(jìn)技術(shù)和高集成技術(shù)的發(fā)展，敏感元件、轉(zhuǎn)換元件以及信號(hào)放大電路等往往都嵌入在一個(gè)器件上，使用這些傳感器時(shí)只需要搭配不同輔助電路就了可以了。3.4.1 線性CCD傳感器線性CCD傳感器是使用敏感元件把光信號(hào)變化成電信號(hào)的裝置。線性CCD傳感器工作時(shí)，先將外界的光（可以是物體發(fā)出的光，也可以是物體反射的光）在敏感元件上變化成電量的相應(yīng)不同，然后傳感器中的轉(zhuǎn)換元件把光的強(qiáng)弱不同轉(zhuǎn)換成電量的不同，在輔助以轉(zhuǎn)換輔助電路，使得把光的信息完全轉(zhuǎn)變成控制器能夠識(shí)別的電量的高低，這樣就有利于對(duì)外界情況加以處理并進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。線性CCD由光線檢測(cè)線路及信號(hào)轉(zhuǎn)換線路兩部分組成，光線檢測(cè)線路部分完成對(duì)環(huán)境被

24、測(cè)光線的檢測(cè)，信號(hào)轉(zhuǎn)換線路部分把從光線檢測(cè)部分檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成能夠被控制器讀出的電信號(hào)。見(jiàn)下圖圖3-4 ccd傳感器環(huán)境監(jiān)測(cè)示意圖Figure 3-4 CCD sensor environment monitoring schematic diagram采用CCD傳感器的形式取決于參數(shù)的測(cè)量靈敏度的要求、所要求的響應(yīng)速度，以及測(cè)量環(huán)境和條件特征來(lái)源。3.4.2 光電式傳感器的選擇線性CCD傳感器的選擇主要取決于對(duì)所測(cè)光線的亮度，需要辨識(shí)光線的分辨率，響應(yīng)時(shí)間，以及對(duì)于光線變化而引起的傳感器采集信息的適應(yīng)寬度等特性。綜合以上因素，本次設(shè)計(jì)我選擇了TAOS（岱莫）公司的TSL1401，該傳感器

25、具有128個(gè)排列成一排的光電二極管陣列，放大器電路和一個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)內(nèi)部保持功能部件，同時(shí)提供所有像素的儲(chǔ)存的時(shí)間。同時(shí)為了簡(jiǎn)單的操作，內(nèi)部處理程序下把信號(hào)處理完畢后，輸如輸出端口只有一個(gè)串行輸入端（SI）信號(hào)和時(shí)鐘CLK。圖3-5 TSL1401功能框圖Figure 3-5 TSL1401 function block diagram對(duì)于這次檢驗(yàn)智能車的兩邊黑色中間白色的道路識(shí)別，TSL 1401的精度和靈敏度足以滿足要求，故線性CCD傳感器選定。對(duì)于以TSL1401為主體的線性CCD傳感器模塊的設(shè)計(jì)主要依據(jù)線性傳感器的設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)的，具體設(shè)計(jì)電路原理圖如下：圖3-6 TSL1401電路原理圖F

26、igure 3-6 TSL1401 schematic diagram3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊在智能小車的制作中，由于對(duì)于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流要求過(guò)高，直接讓電機(jī)和電源相連不能滿足功能的需求，所以需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。通過(guò)電機(jī)的功率決定了驅(qū)動(dòng)電路芯片的選擇決定，由從控制器輸出的PWM信號(hào)的占空比決定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。因此，電機(jī)的速度可以通過(guò)改變微控制器發(fā)出的PWM信號(hào)的占空比大小的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)。在智能車通過(guò)彎道時(shí)，為了達(dá)到穩(wěn)定的效果，因?yàn)樵谥钡烙幸粋€(gè)較高的車速，所以需要在即將過(guò)彎道時(shí)，有一個(gè)制動(dòng)過(guò)程，是小車的車速降低下來(lái)。為此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)電路。我選擇了BTN7971B全橋驅(qū)動(dòng)電路1、BTN7971是一

27、個(gè)應(yīng)用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)上的大電流和集成度高的半橋控制芯片， BTN7971通常情況下的電阻典型值為16m，驅(qū)動(dòng)電流可以高至70A。該芯片具有過(guò)溫過(guò)欠壓過(guò)流和短路保護(hù)功能。2、BTN7971芯片的out1和out2兩個(gè)輸出端連接電機(jī)的兩根輸入線，芯片的PWM1端口輸入PWM波來(lái)控制out1電壓U1的高低，芯片的PWM2端口輸入PWM2波來(lái)控制out2電壓U2的高低。U1，U2的大小通過(guò)PWM1，PWM2占空比乘電池電壓7.2V決定。因此，U2和U1之間的差異決定了電機(jī)的速度。因?yàn)檫@樣的驅(qū)動(dòng)方式具有很好的加減速特性，所以采用這個(gè)驅(qū)動(dòng)方式作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要應(yīng)用電路原理圖設(shè)計(jì)如下：圖3-7單

28、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖Figure 3-7 Schematic diagram of single motor drive circuit3.6 供電模塊3.6.1 穩(wěn)壓芯片的選擇在智能車的系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)中，因?yàn)殡姵仉妷菏?.2V，然而系統(tǒng)的各個(gè)部分所需要的電壓等級(jí)是不同的：微控制器電路所需要的是3.3V電壓、路況檢測(cè)電路模塊是5V電壓以及舵機(jī)控制電路所使用的是6V電壓，如何才能給予系統(tǒng)穩(wěn)定并且不同等級(jí)的電壓，是一個(gè)必須解決的問(wèn)題。在之前學(xué)習(xí)到的知識(shí)以及實(shí)踐中使用的電壓調(diào)節(jié)電路中最多的是例如78系列三個(gè)接線端的線性穩(wěn)壓器件。線性穩(wěn)壓器具有紋波小，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但效率很低，耗電量大，導(dǎo)致大量的能量損

29、失，導(dǎo)致功率利用率不高，工作效率低。而對(duì)于智能車這樣的以后智能化的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，節(jié)能是最基本的要求，所以不選擇這類穩(wěn)壓器件。與線性穩(wěn)壓器件相對(duì)比，開(kāi)關(guān)電源調(diào)節(jié)器則是在以完全打開(kāi)或關(guān)閉狀態(tài)，有效地降低了“熱損失”，也很好的保證了低功耗，保證供電的高利用率。開(kāi)關(guān)電源調(diào)節(jié)器具有在高頻電壓范圍具有通斷的特性以及和它串聯(lián)的有一個(gè)能夠?yàn)V波的電容，所以在使用過(guò)程中來(lái)自電源中的高頻率的干擾具有很強(qiáng)的抑制功能。同時(shí)正因?yàn)樗牡凸奶攸c(diǎn)，使其在發(fā)熱方面完全不用考慮是否會(huì)有安全問(wèn)題，在設(shè)計(jì)PCB板的時(shí)候也可以把電路設(shè)計(jì)的緊湊一些，使其能夠更小巧靈便，符合移動(dòng)智能設(shè)備的便攜性與安全性的要求。但是由于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓的方法工作是的

30、電壓差值要求在1.0V以上，這樣在一些隨身攜帶設(shè)備上，電壓等級(jí)一般很小，所以這種方案不適用與所有的隨身設(shè)備。因?yàn)榫€性的穩(wěn)壓電源與開(kāi)關(guān)電源都不能工作在電壓壓降在1V一下，所以都不容易廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備中，所以我為智能小車選用了一個(gè)線性電源芯片lm1117。它和LM317具有相同的輸出角。LM1117另有可以輸出不同電壓的版本，可以改變與其外接的電阻的阻值大小能有1.313.8V的輸出。所以這是對(duì)于智能車電源調(diào)節(jié)完全滿足條件。3.6.2 LM1117系列概述LM1117系列芯片具有限制輸出和熱保護(hù)的功能。電路中含有一個(gè)參考電壓器件來(lái)保證輸出的電壓精度在1%范圍內(nèi)。輸出端需要外接一個(gè)電容保證穩(wěn)定性

31、。LM1117特點(diǎn)：輸出電壓：1.25 13.8V；電流限制和熱保護(hù)功能；輸出電流最高能夠到達(dá)800mA；線性調(diào)整率：0.2%（最大）；負(fù)載調(diào)整率：0.4%（最大）；溫度范圍：LM1117：0125、LM1117I：-40125本設(shè)計(jì)對(duì)于多電源模塊的設(shè)計(jì)為一下幾個(gè)方面：（1）使用穩(wěn)壓芯片LM1117加部分電阻電容穩(wěn)壓，輸出3.3V 電壓，分別對(duì)單片機(jī)供電。 （2）使用穩(wěn)壓芯片LM1117加部分電阻電容穩(wěn)壓，輸出5V電壓，對(duì)傳感器和速度檢測(cè)部分進(jìn)行供電。（3）使用穩(wěn)壓芯片LM1117穩(wěn)壓，輸出6V 電壓，對(duì)舵機(jī)供電。（4）電源驅(qū)動(dòng)模塊直接使用電池供電多電源模塊電路原理圖如下：圖3-8 基于 LM

32、1117多電源穩(wěn)壓電路Figure 3-8 LM1117 based power regulator circuit3.7 本章小結(jié)本章主要介紹了智能車控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，主要是用微控制器K60為主的系統(tǒng)板為核心，另外還有路徑檢測(cè)傳感器模塊，多路電源轉(zhuǎn)換模塊，單電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊，舵機(jī)控制模塊，藍(lán)牙模塊，測(cè)速模塊等。硬件電路是智能車控制系統(tǒng)的支撐所在，所以本文對(duì)主要部件進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，有使用器件介紹、電路原理圖等。4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 智能車控制系統(tǒng)軟件分析本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)之前，必須先對(duì)軟件控制的對(duì)象有一個(gè)全面的了解和分析，也就是對(duì)之前設(shè)計(jì)并組裝好的智能小車進(jìn)行分析，這樣才能通過(guò)智能

33、車模型的分析得到軟件的大體架構(gòu)和需求。同樣，通過(guò)編寫軟件，在過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)很多有利于智能車在機(jī)械結(jié)構(gòu)等先前設(shè)計(jì)的不足。可以根據(jù)這些問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整，在實(shí)際設(shè)計(jì)中不斷的調(diào)整、還進(jìn)、優(yōu)化，從而能夠提高智能車整體的設(shè)計(jì)。智能車系統(tǒng)是基于線性CCD傳感器，使傳感器采集的信息是通過(guò)線性CCD傳感器采集道路信息的重要組成部分，把光電信號(hào)變?yōu)榭梢员伙w思卡爾32位K60單片機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后單片機(jī)使用二值化程序進(jìn)行圖像數(shù)字的處理，這樣就使得道路信息能夠清晰明朗的被識(shí)別出來(lái)，然后控制器通過(guò)其擁有的ECT模塊發(fā)出PWM波形來(lái)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，從而來(lái)控制電機(jī)。另外采取速度編碼器檢測(cè)賽車的實(shí)時(shí)速度，并回傳給控制器，這樣

34、速度就形成了一個(gè)具有反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，完成智能汽車速度的閉環(huán)控制。另外，本設(shè)計(jì)使用了PID速度控制算法，使得智能小車在直道具有加速前進(jìn)，過(guò)彎先減速后轉(zhuǎn)彎的方式運(yùn)行。除了這些以外，設(shè)計(jì)還添加了鍵盤等外部調(diào)節(jié)器件，使其能夠在外部實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)速度等參數(shù)，通過(guò)人工調(diào)節(jié)，適應(yīng)各種路況信息。通過(guò)以上的分析可以得到小車軟件要實(shí)現(xiàn)的功能應(yīng)包括： 智能車車模環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)；PWM輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)；智能車輛的運(yùn)行狀態(tài)，包括速度控制和方向控制；對(duì)智能車的運(yùn)行流程：程序初始化，智能車運(yùn)行的開(kāi)始和結(jié)束；系統(tǒng)界面：狀態(tài)顯示，上位機(jī)監(jiān)控，參數(shù)設(shè)置，等等。4.2 軟件開(kāi)發(fā)工具IAR簡(jiǎn)述工欲善其事，必先利其器。本設(shè)計(jì)采用Emb

35、edded Workbench IDE開(kāi)發(fā)的軟件IAR設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的軟件部分。它能夠支持多種主流微處理芯片，例如ARM，AVR，MSP430等類型的芯片。這個(gè)軟件支持K60芯片的開(kāi)發(fā)，并且功能較為完整?；窘缑嫒缦拢簣D4-1 IAR Embedded Workbench IDE基本界面Figure 4-1 IAR Embedded Workbench IDE Basic interface4.3 路況分析道路信息為中間為白色賽道，道路邊緣為黑色。線性CCD采集到的是不同的電壓信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)A/D接口讀入并進(jìn)行二值化處理，進(jìn)而判斷路況信息。對(duì)于我們的模型車，在不同的路況情況下線性CCD傳感器檢測(cè)

36、到的也會(huì)不同。由于賽道識(shí)別賽道的信息非常復(fù)雜，情況也顯得錯(cuò)綜復(fù)雜。我們的小車僅采用一路CCD對(duì)賽道信息進(jìn)行識(shí)別，一個(gè)CCD包含128個(gè)像素點(diǎn)，但這128個(gè)點(diǎn)并不是所有的點(diǎn)都能夠被準(zhǔn)確獲取灰度值，我們選擇采用左右各48個(gè)像素點(diǎn)來(lái)對(duì)賽道信息進(jìn)行采集。這些像素點(diǎn)中每個(gè)點(diǎn)的灰度值理論上都有0到255這28種狀態(tài)（實(shí)際上我們只能取到不到50的返回值），分別取左右分別44個(gè)像素點(diǎn)。4.3.1 直道路況分析小車在直道時(shí)，道路兩側(cè)的黑色邊緣與白色賽道被傳感器檢測(cè)到的圖像為左右對(duì)稱的，但是由于小車的輕微的左右搖擺，圖像會(huì)有小小的左右擺動(dòng)，在經(jīng)過(guò)處理器識(shí)別時(shí)，能夠智能的分析出是知道，控制舵機(jī)保持平穩(wěn)或者輕微偏轉(zhuǎn)。

37、這時(shí)通過(guò)PID速度控制會(huì)有一個(gè)加速的速度控制。線性CCD傳感器檢測(cè)直道路況下的原始圖像如下圖：圖4-2 線性CCD傳感器直道檢測(cè)圖像Figure 4-2 Linear CCD sensor direct detection image4.3.2 彎道路況分析在小車前方是彎道時(shí)，道路兩側(cè)的黑線都會(huì)被線性CCD傳感器檢測(cè)到，但在檢測(cè)到的畫面中會(huì)有大小不同的幅度地左右變化，這時(shí)的處理方式便是根據(jù)兩側(cè)黑線的不均勻情況適量調(diào)整舵機(jī)控制賽車回到中心跑道上去；而在很大彎度的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)一側(cè)黑線丟失的情況。這時(shí)主要依靠一側(cè)CCD進(jìn)行巡線，控制舵機(jī)向丟線方向最大限度的轉(zhuǎn)彎，先使兩側(cè)黑線能夠再檢測(cè)到，再按照普通彎道

38、的策略進(jìn)行方向控制；另外，在檢測(cè)到前方彎道的時(shí)候，使用速度控制，提前減速，然后利于轉(zhuǎn)彎的穩(wěn)定性。4.3.3 十字路口路況分析在智能小車處在十字路口時(shí)，會(huì)出現(xiàn)整個(gè)檢測(cè)界面上出現(xiàn)全白的情況，這時(shí)說(shuō)明小車位置端正，處理器發(fā)出指令繼續(xù)直行；假如在小車位置稍微不正的情況下，也會(huì)在一側(cè)出現(xiàn)些許黑色的情況，這時(shí)按照小車在大彎時(shí)的情況處理，向白色區(qū)域打方向，然后當(dāng)出現(xiàn)全白時(shí)，便可以調(diào)整舵機(jī)，使小車直行。4.4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.4.1 系統(tǒng)軟件主要流程圖根據(jù)上述智能車系統(tǒng)的需求分析，根據(jù)具體需要實(shí)現(xiàn)的流程，畫出下面流程圖主程序流程圖為：圖4-3 智能車軟件設(shè)計(jì)流程框圖Figure 4-3 Flow cha

39、rt of software design for intelligent vehicle4.4.2路況信息采集及處理線性CCD傳感器屬于在方向控制的軌道信息采集的主要傳感器，由于它采用串行接口，所以需要對(duì)時(shí)間序列信號(hào)進(jìn)行匹配。本設(shè)計(jì)通過(guò)使用單片機(jī)的若干個(gè)輸入輸出接口來(lái)讀取傳感器檢測(cè)到的信息。使用模數(shù)轉(zhuǎn)換接口采集線性CCD傳感器傳回的數(shù)字信息。線性CCD TSL1401的時(shí)間序列圖如下：圖4-4 線性CCD傳感器時(shí)序圖Figure 4-4 Linear CCD sensor timing diagram時(shí)序圖中CLK信號(hào)為采樣時(shí)鐘信號(hào)，在每一個(gè)下降沿上可以得到一個(gè)采集信息的模擬值。可以用處理器

40、模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行采樣。SI接口是控制CCD傳感器的曝光時(shí)間的，當(dāng)該接口的電平是高電平時(shí)，傳感器內(nèi)部的電路就會(huì)清空傳感器內(nèi)的相應(yīng)電荷，所以當(dāng)外界環(huán)境光照過(guò)強(qiáng)或者過(guò)弱的情況下，調(diào)節(jié)SI的值可以改變曝光時(shí)間，以便傳感器能夠清晰的采集到道路信息。利用AD采樣采集CCD數(shù)據(jù)流程圖為：圖4-5 采集CCD數(shù)據(jù)流程圖 Figure 4-5 CCD data flow chart利用AD采樣采集CCD數(shù)據(jù)的程序邏輯如下：圖4-6 CCD數(shù)據(jù)采集程序Figure 4-6 CCD data acquisition program路況信息圖像處理方法本設(shè)計(jì)采用二值化處理圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)節(jié)選擇適當(dāng)?shù)拈撝荡笮?，再根?jù)程序把圖像數(shù)據(jù)二值化，提取黑線，圖像濾波，具體流程圖與處理程序如下：圖4-6 二值化圖像軟件流程圖Figure 4-6 Two valued image software flow chart二值化處理圖像程序如下： 圖4-7 二值化處理圖像軟件程序Figure 4-7 Two value processing image software program圖4-8 通過(guò)二值化處理后的數(shù)據(jù)Figure 4-8 Data after two value processing4.4.3 智能車舵機(jī)及速度軟件控制程序舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制：在本設(shè)計(jì)中，運(yùn)用圖像二值化處理后的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行曝光時(shí)間，均