全國(guó)光電設(shè)計(jì)大賽報(bào)告

-.z.第四屆全國(guó)光電設(shè)計(jì)大賽理論方案報(bào)告編號(hào)：參賽題目：基于光電導(dǎo)航的智能移動(dòng)測(cè)量小車參賽隊(duì)伍名稱：所在學(xué)校：隊(duì)員：指導(dǎo)教師：提交方案時(shí)間：2014-7-12摘要本設(shè)計(jì)是基于STM32F103VET6處理器的具有循跡和計(jì)數(shù)測(cè)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(duì)圖像信息進(jìn)展二值化處理，便于單片機(jī)進(jìn)展圖像處理；根據(jù)圖像的處理情況，使用PID算法驅(qū)動(dòng)電機(jī)和舵機(jī)矯正小車當(dāng)前行駛狀況，按照賽道的要求行駛；道路旁樹(shù)數(shù)目的測(cè)量用到了激光反射傳感器，通過(guò)激光打在數(shù)目上而反射回來(lái)的原理進(jìn)展數(shù)目的測(cè)量；對(duì)隧道長(zhǎng)度的測(cè)量用到了光電旋轉(zhuǎn)編碼器，把這個(gè)編碼器加載到驅(qū)動(dòng)軸上，由驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)從而測(cè)出小測(cè)的速度，在再用紅外對(duì)射傳感器來(lái)檢測(cè)隧道的到來(lái)和離開(kāi)，用單片機(jī)記錄之間的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)隧道長(zhǎng)度的測(cè)量。關(guān)鍵詞：STM32F103VET6、面陣CCD、光電旋轉(zhuǎn)編碼器、紅外對(duì)射傳感器、二值化、PID算法目錄摘要2第一章系統(tǒng)硬件構(gòu)造31.1系統(tǒng)分析31.2系統(tǒng)框圖3第二章硬件電路構(gòu)造與方案設(shè)計(jì)32.1電源管理模塊32.2圖像采集模塊32.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊32.4速度檢測(cè)模塊32.5舵機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)別處理33.1.3舵機(jī)制動(dòng)33.1.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)33.2樹(shù)木計(jì)數(shù)33.3測(cè)量隧道33.4停車3參考文獻(xiàn)3第一章系統(tǒng)硬件構(gòu)造1.1系統(tǒng)分析整個(gè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能是循跡和測(cè)量。要實(shí)現(xiàn)循跡功能就必須可以讓小車檢測(cè)到不同的路況，再根據(jù)不同的路況特征進(jìn)展調(diào)整，實(shí)現(xiàn)循跡行駛，循跡用到了面陣CCD，通過(guò)CCD的對(duì)整個(gè)賽道圖像進(jìn)展采集，STM32單片機(jī)對(duì)圖像進(jìn)展處理，通過(guò)PID算法對(duì)小車的電機(jī)和舵機(jī)進(jìn)展控制。測(cè)量局部，要實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道長(zhǎng)度的測(cè)量，必須要知道兩個(gè)量，一個(gè)是進(jìn)出隧道的時(shí)間，即時(shí)間量，在一個(gè)是，通過(guò)的速度，知道這兩個(gè)量，就能確定出隧道的長(zhǎng)度，這里我們用到例了紅外對(duì)射傳感器，來(lái)感應(yīng)隧道的到來(lái)和離去，以此來(lái)記錄小車通過(guò)隧道的時(shí)間，在用編碼器來(lái)測(cè)小車通過(guò)的速度，這樣就能計(jì)算出隧道的長(zhǎng)度。在對(duì)道路旁樹(shù)木的個(gè)數(shù)進(jìn)展測(cè)量時(shí)，考慮到小車快速的從樹(shù)木旁通過(guò)時(shí)，要有快速的判斷和計(jì)數(shù)，所以對(duì)傳感器的要求就很高，我們這里選擇了激光傳感器，通過(guò)激光的反射和承受來(lái)確定樹(shù)木，這樣做的好處是：一、激光有很好的方向性。二，激光的感應(yīng)速度很快，敏感度高。其次是通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器來(lái)對(duì)樹(shù)木的個(gè)數(shù)進(jìn)展計(jì)數(shù)，最后顯示在液晶屏上。最后就是通車問(wèn)題，根據(jù)比賽要求小車要在指定的位置停下來(lái)，就要有一個(gè)感應(yīng)裝置對(duì)指定位置設(shè)置的目標(biāo)進(jìn)展探測(cè)，并執(zhí)行停頓指令，在這里我們用到了紅外反射傳感器，對(duì)指定目標(biāo)的進(jìn)展障礙檢測(cè)。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(shù)木個(gè)數(shù)紅外反射1測(cè)隧道編碼器紅外反射2檢測(cè)停頓激光檢測(cè)圖1系統(tǒng)框圖第二章硬件電路構(gòu)造與方案設(shè)計(jì)2.1電源管理模塊機(jī)車主電源由7.2V2000mA的NI-Cd電池提供，把這個(gè)電池直接接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，為電機(jī)提供到電流，讓模塊上面的5V穩(wěn)壓源為單片機(jī)最小系統(tǒng)供電，同時(shí)用到了LM78O5芯片把電池的7.2V轉(zhuǎn)換為電壓為恒定5V，最大電流為1.5A的穩(wěn)壓源，來(lái)為舵機(jī)提供正常工作的電壓。用到了一塊LM1117芯片把5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V的電壓源，來(lái)為補(bǔ)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(shí)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(qiáng)大的攝像頭采集道信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車高效精準(zhǔn)的循跡導(dǎo)航。2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用高電壓，大電流的電壓驅(qū)動(dòng)芯片L298N，該芯片采用15腳封裝。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)。采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制。原理如圖2所示：圖2電壓驅(qū)動(dòng)原理圖2.4速度檢測(cè)模塊編碼器可分為接觸式和非接觸式，可以用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)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(guò)光電轉(zhuǎn)換，以透光和非透光分別表示二進(jìn)制代碼"1〞和"0〞，將角速度、角位移等物理信息轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)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(jī)輸出軸上及相應(yīng)組合的對(duì)射光電器件，轉(zhuǎn)一圈輸出200個(gè)脈沖方波，加上相應(yīng)硬件電路和軟件控制可實(shí)現(xiàn)測(cè)速與測(cè)距。2.5舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊舵機(jī)內(nèi)部包括了一個(gè)小型直流馬達(dá)；一組變速齒輪組；一個(gè)反響可調(diào)電位器；及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的直流馬達(dá)提供了原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速〔減速〕齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，舵機(jī)的輸出扭力也愈大，也就是說(shuō)越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也愈低。舵機(jī)的電機(jī)選用空心杯電動(dòng)機(jī)，屬于直流永磁、伺服微特電機(jī)，具有能量轉(zhuǎn)換效率大，制動(dòng)靈活，電磁干擾少等優(yōu)點(diǎn)。該舵機(jī)是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。原理如圖3所示：圖3舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖2.6激光傳感器模塊激光發(fā)射電路上采用74ls04驅(qū)動(dòng)放大調(diào)制后的信號(hào)，該驅(qū)動(dòng)動(dòng)力強(qiáng)，光點(diǎn)能量大、亮度高，探測(cè)距離大大提高。其具有以下優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，頻率響應(yīng)快，瞬變過(guò)程短，輸出功率大。前瞻范圍很大。適當(dāng)?shù)恼{(diào)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(kāi)關(guān)模塊在選擇該模塊時(shí)，我們考慮使用光敏電阻，光敏電阻屬于光導(dǎo)型，光電導(dǎo)效應(yīng)是非衡載流子的效應(yīng)，存在一定的弛豫現(xiàn)象——光電導(dǎo)材料從光照開(kāi)場(chǎng)到獲得穩(wěn)定的光電流需要一定的時(shí)間，同理，在光照停頓后，光電流也是停頓消失的。但是針對(duì)這次比賽，對(duì)隧道長(zhǎng)度的測(cè)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(duì)于車速弛豫時(shí)間是非常短暫的，當(dāng)小車進(jìn)入隧道與出隧道都存在弛豫現(xiàn)象，因?yàn)槭且粋€(gè)雙向過(guò)程，我們可以認(rèn)為出隧道與進(jìn)隧道的弛豫時(shí)間相互抵消。矩形脈沖光照下光電導(dǎo)弛豫過(guò)程如圖6所示：圖6光電導(dǎo)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(shí)，從左到右，由上到下逐個(gè)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(chǎng)中斷，DMA傳輸。需要采集圖像時(shí)開(kāi)場(chǎng)中斷；等待場(chǎng)中斷來(lái)了，啟動(dòng)DMA傳輸；每個(gè)PLCK上升沿來(lái)了都出發(fā)DMA傳輸，把攝像頭輸出的值讀取到內(nèi)存數(shù)組里，當(dāng)觸發(fā)N〔N=圖像像素?cái)?shù)目〕次就停頓傳輸；DMA停頓傳輸時(shí)觸發(fā)中斷，關(guān)閉場(chǎng)中斷，圖像采集完成?；虻却乱粋€(gè)場(chǎng)中斷降臨時(shí)關(guān)閉場(chǎng)中斷，標(biāo)記圖像采集完畢。場(chǎng)中斷時(shí)序圖如圖8所示:圖8場(chǎng)中斷時(shí)序圖3.1.2路徑識(shí)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(gè)像素。最高速為每秒30幀，并且微光靈敏度高。常用的路徑識(shí)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(jiǎn)要介紹。路徑處理通過(guò)檢測(cè)中心線的位置實(shí)現(xiàn)，進(jìn)展邊緣處理。建立坐標(biāo)如圖9所示：圖9最小二乘法坐標(biāo)(z0,w0)為中心點(diǎn)，應(yīng)用最小二乘法進(jìn)展曲線擬合，得出中心線方程：Az+Bw+C=0轉(zhuǎn)化到*y坐標(biāo)，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(shù)。由此得出側(cè)向偏差e和反向偏差re=〔m-1〕/2+B(n-1)/2a+C/2A/B>0時(shí)，r=3.14/2-|arctan(A/B)|A/B<0時(shí)，r=|arctan(A/B)|-3.14/2。通過(guò)這種方法來(lái)控制車輛的行駛路線，保持在偏差范圍之內(nèi)，車輛可以按預(yù)想行使，完成循跡目標(biāo)。改良的斜率算法是針對(duì)最小二乘法導(dǎo)致的小車滯后問(wèn)題。我們假設(shè)小車循跡控制算法執(zhí)行周期是30ms，小車當(dāng)前速度為2m/s，兩次周期之間，則小車前進(jìn)0.06m，小車位移將改變，于是智能車的控制存在滯后性。應(yīng)在當(dāng)前根底上將小車位置前移，使得賽車沿彎道內(nèi)圈行駛，到達(dá)快速過(guò)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(chǎng)圖像最遠(yuǎn)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(diào)整系數(shù)。a越大，智能車轉(zhuǎn)彎曲率越大。改良斜率算法示圖如圖10所示:3.1.3舵機(jī)制動(dòng)在本方案中實(shí)現(xiàn)計(jì)算出中心線位置與PWM的二維映射表，智能車行駛時(shí)通過(guò)攝像頭采集道路信息，結(jié)合側(cè)向偏差e，對(duì)舵機(jī)進(jìn)展pid控制。本設(shè)計(jì)采增量性控制算法。算法中不出現(xiàn)累積效應(yīng)，防止了積分累積效應(yīng)。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(jī)控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)脈寬的調(diào)整，結(jié)合舵機(jī)自身所帶的比例電位器形成一個(gè)閉環(huán)反響系統(tǒng)，調(diào)整前輪轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)靈活機(jī)動(dòng)的彎道行駛。3.1.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)本方案采用的是高速數(shù)字式攝像頭，電機(jī)直道全速前進(jìn)，遇轉(zhuǎn)彎時(shí)，根據(jù)舵機(jī)的二維映射表，調(diào)制脈寬實(shí)現(xiàn)減速。3.2樹(shù)木計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)通過(guò)傳感器發(fā)出的光脈沖數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以傳感器在小車快速行駛過(guò)中能夠檢測(cè)到每根樹(shù)木是關(guān)鍵。這里存在以下幾個(gè)問(wèn)題。一；光感器所發(fā)出的光必須能夠打到樹(shù)木〔鉛筆〕上，同時(shí)光傳播的距離不應(yīng)過(guò)遠(yuǎn)，以免打到其他物體上，將其誤判為鉛筆，輸出光脈沖，導(dǎo)致多檢。二；觸感器發(fā)出的光發(fā)散角不能過(guò)大即光斑應(yīng)盡量小。假設(shè)鉛筆直徑0.5厘米，當(dāng)小車經(jīng)過(guò)鉛筆時(shí)，由于鉛筆距離過(guò)近，一束光覆蓋了兩只鉛筆，導(dǎo)致漏檢。三；假設(shè)小車通過(guò)檢測(cè)區(qū)時(shí)，傳感器輸出的光脈沖持續(xù)時(shí)間很多，例如只有1~2ms，而系統(tǒng)計(jì)數(shù)的一個(gè)工作周期遠(yuǎn)大于2ms，這時(shí)便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)?shù)诙U筆進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，系統(tǒng)上一個(gè)執(zhí)行過(guò)程還沒(méi)完，第二跟鉛筆的信號(hào)已故去，但系統(tǒng)沒(méi)來(lái)得及響應(yīng)，導(dǎo)致漏檢。針對(duì)以上問(wèn)題我們決定采用激光傳感器。其傳播距離遠(yuǎn)，我們通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算，根據(jù)賽題要求，保證前瞻性足夠好的前提下，調(diào)整傳感器傾角，可解決問(wèn)題一。由于激光發(fā)散角小即光斑斑點(diǎn)小，可解決問(wèn)題二。再者，針對(duì)問(wèn)題三，我們有兩種解決方法；方法1：激光傳感器頻率響應(yīng)快，瞬變過(guò)程短，STM-32處理速度快，方法2：我們還可以通過(guò)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