（机械电子工程专业论文）智能小车控制系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 智能小车是智能行走机器人的一种，这种智能小车可以适应不同环境，不受温度、湿 度、空间、磁场辐射、重力等条件的影响，可以在人类无法进入或生存的环境中完成人类 无法完成的探测任务，适用于国防及民用多个领域。 本课题是智能小车控制系统的设计与实现，主要陈述了智能小车从硬件电路到软件控 制的设计和实现过程。本课题中，采用一款四轮的带有差速器的后轮驱动模型赛车作为智 能小车基本载体，系统采用了可靠性高，抗干扰能力强，工作频率较高，系统的实时性较 好的1 6 位单片机m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 作为控制核心。车前部安装的c m o s 摄像头负责采集 道路信号，作为小车的导航依据。设计目标是智能小车能在弯曲不平的道路上自主循迹运 行，不偏离道路，速度越快越好。 围绕着智能小车的设计目标，本文介绍了相应的软件系统和硬件电路设计，硬件电路 包括有电源模块，摄像头模块，测速模块，电机驱动模块，无线通讯模块，手动设置模块 等的电路。而软件控制系统中，首先设计了摄像头采集信息及处理图像的程序，根据道路 信息，采用不同的控制方法控制智能小车的速度和方向。小车的速度系统采用p i d 控制中 的快速最优( b a n g b a n g ) 控制来小车的速度；它结构简单，有非常强的灵活性，不需要 精确的数字模型；小车的方向控制则采用了模糊控制方法，并充分利用了采用了单片机 m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 中它本身自带有的模糊控制指令，简化了模糊运算速度和算法调整的过 程，缩短了运算时间，更有利于模糊推理机的实现。 在本课题中，系统硬件和软件都采用了模块化结构，整个系统的电路结构简单，可靠 性能高，并可按需求方便增加或删除功能；为提高系统的可靠性，系统在软、硬件方面采 用了抗干扰技术，如：光电隔离技术、电磁兼容性分析等。系统具有电源实时监控、欠压 状态自动断电功能。 关键词：智能小车；单片机：硬件电路；p i d 控制；模糊控制 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tv e h i c l ei st h ek i n do ft h ei n t e l l i g e n ts t e p p e dr o b o t s i tc a na d a p tv a r y c o n d i t i o n i tc a n tb ea f f e c t e db yt e m p e r a t u r e 。h u m i d i t y , i n t e r s p a c e s ，m a g n e t i cr a d i a n c e a n d g r a v i t y 1 tw i l lf i n i s ht h et a s ki na l lk i n de n v i r o n m e n tt h a th u m a nc a n n o tc o m ei n t oo r e x i s t e n t i ti su s e dw i d e l yi nm a n ya r e a s t h et a s ki st h a td e s i g na n di m p l e m e n tt h ec o n t r o ls y s t e mo fi n t e l l i g e n tv e h i c l e i t s t a t e s p r o c e s s o ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n e d i n t e l l i g e n tv e h i c l e i sa r e a r - w h e e l - d r i v ef o u r - w h e e l r a c i n g c a rw i t hd i f f e r e n t i a l t h e s y s t e m u s e s m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b ，af r e e s c a l e l 6 b i ts i n g l e - c h i pm a c h i n e ，a sm c u t h i ss i n g l e - c h i p m a c h i n ei sh i g h l yr e l i a b l ea n de f f i c i e n tw i t hs t r o n gi n t e r f e r e n c e - r e s i s t a n c e ，e n s u r i n gt h e s y s t e mt oo p e r a t eo nr e a l t i m e t h ec m o sc a m e r a ，u l t r a s o u n ds e n s o ra n di n f r a r e d s e n s o rm a k eu po ft h ee n v i r o n m e n td e t e c t i n gs y s t e mo ft h ei n t e l l i g e n tv e h i c l e ，w h i c hc a n d e t e c tt h ed i r e c t i o no ft h ec a ra n dp l a nas a f ed r i v i n gr o u t e t h em o d e lc a rc a nm o v e a u t o m a t i c a l l ya l o n gt h er u n w a yw i t hg u a r a n t e e ds t a b i l i t y ，e s p e c i a l l yi nh i g hs p e e d t og i r dt h ed e s i g ng o a l ，i ts t a t et h er e l a t e ds o f t w a r ea n dd r i v i n gc i r c u i td e s i g n t h e s y s t e ma l s ou s e sd i g i t a lp i dc o n t r o l l e r ( b a n g - b a n gc o n t r o l l e r ) t oc o n t r o ld i r e c tc u r r e n t m o t o r p i dc o n t r o l l e rt e c h n o l o g yi sw e l ld e v e l o p e dw i t hs i m p l es t r u c t u r ea n dv e r yh i g h f l e x i b i l i t y t h ec o n t r o l l e rc a na d j u s tp a r a m e t e r so n l i n e b a s e do ne x p e r i m e n t sa n d e x p e r i e n c ei n s t e a do fa na c c u r a t ed i g i t a lm o d e l t h ed i r e c t i o nc o n t r o l l i n gm o d u l eo ft h e s y s t e ma d o p t saf u z z yi n f e r e n c ee n g i n e t h es y s t e mu s e sm c 9 s 1 2 d g l 2 8 bi n s t r u c t i o n t op r e d i g e s ta n ds h o r t e nf u z z yo p e r a t i o n ，t ob ep r o p i t i o u st or e a l i z ef u z z yi n f e r e n c e t os u m m a r i z e ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e ma r eo fm o d u l es t r u c t u r et h a t c a ne a s i l ya d do rr e m o v ef u n c t i o n sb a s e do nd e m a n d i n t e r f e r e n c er e s i s t a n c e t e c h n o l o g i e s ，s u c ha so p t o e l e c t r o n i ci s o l a t i n gt e c h n o l o g y d i g i t a lf i l t r a t i o nt e c h n o l o g ya n d e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t ya n a l y s i s ，a r ea l s oa p p l i e dt ot h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f t h es y s t e mt oi n c r e a s ei t sr e l i a b i l i t y t h es y s t e mh a sr e a l t i m e m o n i t o r i n go fp o w e r s u p p l ya n da u t o m a t i c - s h u t d o w nw h e nu n d e rp r e s s u r e d k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tv e h i c l e ；s i n g l e - c h i p ；h a r d w a r ec i r c u i t ；p i dc o n t r o l ；f u z z y c o n t r o i i i 广东下业大学t 学硕：l 学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指 导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的 成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明，并表 示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归 广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 指导教师签字： ) 粕8 5 2 第一章绪论 1 1 选题的背景 第一章绪论 随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省 内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。 可见其研究意义很大。 本文的研究对象为智能小车是智能行走机器人的一种，智能小车在各个领域都具有广 泛的应用前景。例如，在工业生产中，可以代替人类完成恶劣环境下的货物搬运、设备检 测等任务；在军事上，可以在危险地带代替人类完成侦察、排雷等任务；在民用上，可以 作为导盲车为盲人提供帮助；在科学研究方面，可以代替人类完成外星球勘探或者矿藏勘 探等。智能小车按照工作环境主要分为室内和室外两种，这两种环境有着较大的区别。室 内环境一般较狭窄，光线较稳定，室内环境复杂程度有限，一般视作结构化环境。室外环 境一般较开阔，受光照、大气、时间等的影响，环境变化很大，既包括简单的结构化环境 也包括复杂的非结构化环境。室外智能行走机器人导航一般要求更高的智能。 根据统计，人类接受的信息大部分来自于视觉。同样，对于智能行走机器人来说，利 用视觉传感器获取环境信息有多方面的优势，图像的信息含量丰富，如果在图像识别算法 上取得突破，就可以减少整个系统的运算时间，同时可以提高道路检测的正确率，所以利 用图像处理来理解道路环境是一个很有前途的研究方向，而依赖视觉导航的智能小车也将 成为智能行走机器人中极具“智慧 的机器人之一曙，。 首先，对于导航来说，视觉信息不仅包含了视野内物体的距离信息，而且包含有物体 的颜色，外形等信息，这些信息是其他主动传感器不能提供的，而这些信息为移动机器人 具有更高智能打下了坚实的基础。其次，对于导航而言，视觉信息里包含有道路边缘和道 路方向信息，这些信息使得高层的路径规划可以更符合人类的交通规则。尽管目前智能小 车的能够实际运行的范围还比较有限，但视觉信息为机器人具有更高的智能提供了足够的 信息，使得这种发展成为可能b ，。 近年来视觉导航领域研究获取的成就反映了视觉导航方式的巨大潜力。视觉导航是高 级生物最常见的导航方式，视觉导航的重大突破，对于实现移动机器人的高度智能化以及 提高当前的科技水平都具有重大意义h ，。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 2 本课题研究的目的和意义 本研究课题是“自动道路识别智能小车的设计与实现”，目的是寻求开发智能小车上 的电子自动控制系统实现的可能。近年来，人们在充分享受汽车所带来的巨大便利的同时， 也开始为汽车引发的诸多安全问题感到忧虑，汽车保有量迅速攀升，道路拥挤，事故频发。 根据产美国国家公路交通安全管理局2 0 0 6 年4 月发布的报告表明，8 0 的碰撞和6 5 的近 距离碰撞都与驾驶员注意力不集中有关，这可能是疲劳驾驭、使用手机以及其他分散注意 力的因素有关，由此可见，安全控制变得越来越重要。安全、节能、环保以及智能化和信 息化是未来汽车的发展趋势。最新调查表明，大部分用户认为最需要考虑的问题是汽车的 安全性，它比汽车性能、车载娱乐和燃油效率都更重要，汽车安全系统是汽车电子领域增 长最强劲的需求之一，传感器系统更是大幅度增加以提高冲撞检测能力并提高乘车的稳定 性。国际汽车安全系统市场正呈现主动和被动安全系统分别发展，并走向融合的趋势。可 见与汽车行驶安全和控制相关性不大的车载娱乐和导航信息系统、车身电子是中国汽车电 子产品市场的主要发展方向哺，。 综上所述，随着消费者对主动、被动安全性能要求的提高，安全已成为汽车设计的推 动力之一，开发车辆智能、灵敏和自动的驾驶安全系统已成为各界不断追逐的目标，随着 现行技术和产品的不断推陈出新，提供技术上的支持，从传感器和模拟集成电路，到高级 微处理器，使自动驾驭车辆的高安全性成为可能。 “自动道路识别智能小车的设计与实现 课题中，是利用模型小车、传感器、单片机 以及所需的硬件电路组成智能小车。其核心是自动控制系统，它是一个由传感器和处理器 组成的网络，可以根据其他车辆的间隔距离、速度以及路面情况，自动调节行驶速度，而 无需驾驶员介入。自动道路识别智能小车的设计与实现，在提高汽车安全性，舒适性和驾 驭效率方面，控制系统起着重要的作用。 1 。3 本课题的主要内容 本课题智能小车使用的是一款四轮的带有差速器的后轮驱动模型塞车，小车上装有视 觉单元c m o s 摄像头、超声波传感器和红外线传感器，构成智能小车的环境探测系统，感 知车体行驶方向，规划出安全的行驶路径。通过设计嵌有单片机的自动控制器，控制模型 车在跑道上自主循迹运行，并保证模型车运行稳定，不偏离道路，速度越快越好。 本智能车控制系统采用摩托罗拉公司生产的m c 9 s 1 2 d g l 2 8 的1 6 位单片机作为核心 2 第一章绪论 控制单元，配合有相应的硬件及驱动电路，组成一个自动控制系统，由传感器、信息处理、 控制算法、执行机构四个部分组成。 由安装在车前部的光电传感器及c m o s 摄像头负责采集道路信号；智能车后轮上还安 装有光电编码器，用来采集车轮的转速。并将信号传到核心控制单元进行判别处理后，由 p w m 发生模块发出p w m 波，分别对舵机和直流电机进行控制，完成智能车的转向、前 进和制动。 ( 1 ) 机械部分及硬件设计 对控制转向的舵机进行机械改造，提高其响应速度；调整底盘刚度；通过多次测试安 装好摄像头的位置，使它既能全面探测路面情况，又能使小车稳定行驶，以及测速装置中 的自制码盘及红外传感器的安装等有关机械部分的 在硬件电路中，需要设计电源模块，摄像头模块，测速模块，电机驱动模块，无线通 讯模块，手动设置模块等的电路， ( 2 ) 小车自动道路识别软件设计 系统软件设计主要有三大部分：小车状态检测；控制算法；执行控制。状态信息检测 部分包括道路信息检测、速度检测，其中道路信息检测由c m o s 摄像头视频信号采集和处 理，利用了单片机m c 9 s 1 2 d g l 2 8 的a t d 模块、e c t 模块、p w m 模块、外部中断和s c i 串口模块等。系统在电机控制模块中采用了数字p i d 控制器，该控制器技术成熟，结构简 单，参数容易调整，不一定需要系统的确切数字模型，在工业中有着很广泛的应用。在方 向控制模块中，系统利用了f r e e s a c l e $ 1 2 系列单片机提供的模糊推理机。为了提高系统的 可靠性，系统在软硬件方面都采用了抗干扰技术。包括光电隔离技术、电磁兼容性分析、 数字滤波技术等哺，。 1 4 本课题的使用平台 要想开发一个单片机开发系统，首先要有配套的软硬件平台，开发单片机的硬件平台 就是所说的最小硬件系统，通过这个最小硬件系统，就可以与单片机通讯。最小系统一般 包括供电电路、时钟电路、复位电路、以及通信端口。对于f r e e s c a l e l 6 位单片机，其最原 始的通讯手段是b d m ( b a c k g r o u dd e b u g m o d e ) ，b d m 也是当代单片机普遍采用的调试方式 之一。开发工具是m e t r o w e r k s 的c o d ew a r r i o ri d ev 4 5 编译器，主要用c 语言进行代码的 编写。其中控制算法中采用模糊控制算法，模糊控制算法用汇编语言编写。调试工具使用 3 广东工业大学工学硕士学位论文 清华大学摩托罗拉m c u 应用开发中心的b d m 调试套件。同时，在调试过程中利用了无 线串口通信模块等h ，。 另外也可采用软件c o d e w a r r i o rf o rs 1 2 ，c o d e w a r r i o r 是m e t r o w e r k s 公司的，专门面 向f r e e s c a l e 所有m c u 与d s p 嵌入式应用开发的软件工具，c o d e w a r r i o r f o rs 1 2 是面向以h c l 2 或s 1 2 为c p u 的单片机嵌入式应用开发的软件包。包括集成开发环境i d e 、处理器专家库、 全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理器、c 交叉编译器、汇编器、链接器以 及调试器。 系统主控制核心采用了f r e e s c a l e1 6 位单片机m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 。该系统是在 c o d e w a r r i o r 软件平台基础上设计完成的，采用c 和汇编语言混合编程，它提供非常强大 的辅助模块。包括电池监控模块、小车故障诊断模块、l c d 数据显示模块以及调试辅助模 块。 1 5 智能小车的国内及国外的发展状况 随着计算机和智能技术的发展，研制智能小车大致经过三代的演变： 第一代是可编程的示教再现型智能小车。目前己经普及化，它是依靠人们给子程序， 能重复进行多种操作的系统。由于其不具有传感器的反馈信息，因此不能在作业过程中从 外界不断获取信息，来改善其自身的行动品质，故其应用范围和精度受到限制阳，。 第二代是具有一定感觉功能和自适应能力的离线编程智能小车。此种机器人配备了简 单的内、外部传感器，能对自身的实际位置、方向等进行测量，能通过“视觉”、“触觉” 等传感能力对外部环境进行实际探测，从而由这些反馈信息在事先编好的算法和程序指导 下对操作过程进行调整。它与这几年迅速发展起来的传感器、微机技术和仿生学、控制理 论等有密切关系汹。 第三代智能小车是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自 己行为做出自主决策能力的智能小车。这种智能小车装有多种传感器，并能将多种传感器 探测到的信息进行“融合 ( 多传感器的信息融合) 并做出相应决策，自主完成某一项任务。 它能有效地适应变化的环境，具有很强自适应能力，是具有自学习和自主决策功能的智能 机器人呻，。 在国内，吉林大学( 原吉林工业大学) 1 9 9 2 年起开始智能车辆方面的研究，先后开发出 4 种型号智能车辆，其中几y t i v 3 型为实用型视觉导航车，己投入工厂进行测试，现正进 4 第一章绪论 行商品化开发。t 4 型高速智能车辆己完成整车安装调试，其无人驾驶视觉导航系统 设计速度在5 0 k m h 以上，装备有世界先进水平的3 d 激光成像仪，利用多传感器信息融合、 人工智能、最优控制理论，深入研究在非结构化道路环境下的路径识别和跟踪、安全车距 保持、换道超车等技术归，。 在外国，在1 9 9 4 年，由奔驰汽车公司与u b m 合作开发的第二代维塔( v i t a ) 智能 车辆。在这些智能车辆系统中最引人注目的进展是t u a n s p u t e u s 处理器的大规模应用，实 现了自动超车。同时，这个系统拥有不同焦距的摄像机跟踪各自目标、分工协作。通过使 用广角摄像机实现道路大范围检测，障碍物检测利用具有高分辨率的短焦摄像机来解决憎，。 近年来，智能行走机器人的研究呈现一些新的特点。首先，随着计算机硬件技术的提 高，硬件结构由最初的专用板卡或芯片逐渐向通用板卡或芯片过渡，为了提高运算速度， 出现了专用的运算指令。其次，在控制系统方面，随着网络传输速度的提高，出现了基于 网络传输信号控制的机器人，而不再是以往一成不变的“单机式 控制模式。最后，机器 人的控制算法的和鲁棒性成为研究的一个重点。 目前智能行走机器人智能小车的研究正向复杂型、智能型、自主型发展，智能车 与人类生活联系得越来越紧密。作为现代机器人中一个重要分支的移动式机器人是一个相 当活跃的研究领域n “。 5 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章智能车系统总体概述 2 1 智能车系统组成 本智能车控制系统采用摩托罗拉公司生产的m c 9 s 1 2 d g l 2 8 的1 6 位单片机作为核心 控制单元，由安装在车前部的光电传感器及c m o s 摄像头负责采集信号，并将信号传到核 心控制单元进行判别处理后，由p w m 发生模块发出p w m 波，分别对舵机和直流电机进行 控制，完成智能车的转向、前进和制动。智能车后轮上还安装有光电编码器，用来采集车 轮的转速。 智能车系统主要由以下几部分构成：中央处理器单元、道路识别单元、速度检测单元、 直流电机驱动单元、舵机驱动单元、调试电路模块。 系统总体框图如图2 - 1 所示。 图2 - 1 系统总体框图 f i g u r e2 一ls y s t e mc o ll e c t i v i t yc h a r t 为了使智能车能够快速行驶，单片机必须把路径的迅速判断、相应转向电机的控制及 直流驱动电机的控制结合在一起。否则会使小车偏离道路或弯路速度过快冲出道路。 2 2 系统各部分的主要功能 系统主要由以下几个部分组成： ( 1 ) 中央处理器单元。采用飞思卡尔公司的m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 型号的1 6 位单片机， ( 2 ) 道路识别单元。智能小车在行驶过程中，使用车上安装的摄像头采集路面信息， 并反馈给单片机控制单元，由控制单元判断黑线位置，以控制小车的速度和转向。 ( 3 ) 速度检测单元。采用光电编码器对驱动轮的转速进行实时检测，将信息反馈到 控制单元， 6 第二章智能车系统总体概述 ( 4 ) 直流电机驱动单元。根据速度检测单元反馈的信息，驱动直流电机的运转、加 速、减速和停止。 ( 5 ) 舵机驱动单元。采用一系列的控制算法，通过摄像头反馈路面信息，经过控制 单元调用控制算法进行计算，将结果传给控制舵机的p w m d t y x ，从而准确地控制舵机的 转角使小车实现转弯。 ( 6 ) 电源模块单元。电源模块为系统其他各模块提供所需电源。设计中要考虑电压 范围和电流容量等基本参数，以及要考虑电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单 方面的优化，可靠的电源方案是整个电路稳定可靠运行的基础。 ( 7 ) 调试电路模块。用于小车开发调试的工作，它一方面可以显示小车控制电路的 各种信息以及工作参数，另一方面可以现场修改工作参数。 2 3 智能车的主要参数 项目参数 车模几何尺寸( 长、宽、高) ( 毫米) ( 2 8 0 、1 7 0 、3 7 5 ) 车模轴距轮距( 毫米) 2 0 5 、1 4 0 车模平均电流( 匀速行驶) ( 毫安) 6 0 0 电路电容总量( 微法) 1 6 9 6 6 7 8 传感器种类及个数 c m o s 摄相头1 个，测速光电对管1 对 新增加伺服电机个数 o 道路信息检测空间精度( 毫米) 6 5 0 道路信息检测频率( 次秒) 3 3 次秒 除m c 9 s 1 2 d g l 2 8 之外其它主要芯片m c 3 3 8 8 6 、l m l 8 8 1 、7 4 l s 0 4 、m 魄x 7 3 4 、 l m 2 5 7 6 、l m 2 5 7 5 、l m 7 8 0 6 车模重量( 带有电池) ( 千克) 1 4 2 4 系统的主要特点 1 系统采用了f r e e s c a l e l 6 位单片机m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 作为m c u ，该系统单片机可靠性高， 抗干扰能力强，工作频率最高达到2 5 m h z ，保证了系统的实时性。 2 系统采用数字p i d 控制器来控制直流驱动电机。p i d 控制器技术成熟，结构简单，有非 7 广东工业大学工学硕士学位论文 常强的灵活性，可根据实验和经验在线调整参数，不需要精确的数字模型，因此可得 到更好的控制性能。 3 系统的方向控制模块采用了模糊推理机，模糊推理机是f r e e s c a l es 1 2 系列单片机提供 的内部资源。 4 系统硬件和软件都采用了模块化结构，可按需求方便增加或删除功能。 5 为提高系统的可靠性，系统在软、硬件方面采用了抗干扰技术，如：光电隔离技术、 数字滤波技术、电磁兼容性分析等。系统具有电源实时监控、欠压状态自动断电功能。 综上所述，智能车控制系统在理论上和实践上具有一定的创新点，其功能完善，运行 稳定，可靠性高，并提供了强大的辅助功能。 8 第三章智能车系统硬件电路设计 第三章智能车系统硬件电路设计 智能车控制系统设计的第一步是硬件系统的设计，这对系统运行的稳定、控制的精确 有着重要的作用。智能车系统主要由以下几部分构成：中央处理器单元、道路识别单元、 速度检测单元、直流电机驱动单元、舵机驱动单元。智能小车硬件系统模块如图3 - 1 所示。 下面就具体介绍智能车各模块的设计方案。 图3 1 智能小车硬件系统模块 f i g u r e3 1h a r d w a r es y s t e mm o d u l eo fi n t e lli g e n tv e h i c l e 3 1 硬件电路主要器件 电源管理模块 电池：7 2 v 镍镉电池2 0 0 0 m a h 稳压芯片：l m 2 5 7 6 ( 5 v ) 、l m 3 1 7 ( 6 v ) 控制模块 目标板：h c s l 2 最小系统 微控制器：m c 9 sl2 3 d g l2 8 b ( f r e e s c a l e ) 路径识别模块 c m o s 摄像头 m a x 7 3 4 转换器( 美国m a x i m 公司生产) 后轮驱动和速度检测模块 9 广东工业大学工学硕士学位论文 直流电机：r s 3 8 0 编码器：光电开关和码盘 直流电机驱动芯片：m c 3 3 8 8 6 ( m o t o r o l a 公司生产) 令转向舵机模块 舵机：h s 9 2 5 ( s a n w r a ) 尺寸：3 9 4 m m x 3 7 8 m m 2 7 8 m m 重量：5 6 9 响应速度：0 2 s 6 0 0 堵转力矩： 工作角度：4 5 0 4 0 0 l - t s 电源电压检测模块 光电耦合芯片：t l p 5 2 1 2 运算放大器：l m 3 2 4 辅助调试模块 红外遥控器 红外接收器：h s 0 0 3 8 a 3 2 电源管理模块设计 电源是小车的动力来源，为小车上的控制器、执行器、传感器提供可靠的工作电源， 现在市面上常见的充电电池有镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、碱性电池和封闭式铅酸 电池等几类。其中镍镉电池具有价格低、技术成熟、电路简单、瞬间大电流供应能力强等 优势，而占据了大部分的消费性电子产品市场，因此我们选用国产的镍镉可充电电池选为 智能车的电源，。 电源管理模块的功能是对镍镉可充电电池进行电压调节，为系统其他各个模块提供所 需要的电源。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源降 低噪声、防止干扰等方面进行优化。可靠的电源是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。 电路中不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，主要有1 2 v 、7 2 v 、6 v 和5 v 几种。智能小车电源分配如图3 - 2 所示。1 2 v 电压主要为摄像头模块提供电源；电 机驱动模块( m c 3 3 8 8 6 ) 则需要7 2 v ；舵机则需要6 v 的工作电压；单片机、信号调理电 1 0 第三章智能车系统硬件电路设计 路以及部分接口电路都需要5 v 电源。 由于各个电压所供给的电路大不相同，相互之间会产生干扰，因此在设计电路时，各 个不同电压的电路应单独走线，尽量减小干扰。 镍镉可充电 电池( 7 。2 v ) ( 7 2 v ) l m 2 5 7 6 ( 5 v ) 懈7 3 4 ( 1 2 v ) l m 3 1 7 ( 6 v ) 单片机主板1f 红外传感器1f 编码器 1f摄像头1f舵机 图3 - 2 智能小车电源分配图 m c 3 3 8 8 6 直流电机 f i g u r e3 - 2i n t e l1i g e n tv e h i c l ep o w e rs u p p l ya s s i g n 3 2 17 2 v 电源 7 2 v 电源是由可充电镍镉蓄电池提供的，主要是为全部硬件电路提供电源。7 2 v 电源 经过电源模块处理，产生各个不同电压值的电源供给其它电路。7 2 v 电源可以直接供给电 机驱动模块。 单个镍镉蓄电池只能提供1 2 v 的供电电压，采用6 节相同型号的电池串联起来，得到 7 2 v 的电池组，其电流容量为2 0 0 0 m a h ，也就是说该电池组在2 a 的供电电流下持续供 电l 小时。 3 2 25 v 稳压电源模块的设计 在整个系统中，5 v 电源是用得最多的一个电源。不仅单片机要用5 v 电源，而且光电 传感器模块、测速模块、电机驱动模块等很多电路都要用到5 v 电源。所以，在整个电源 模块中，5 v 电源是要求最高的一个，也是最重要的一个。 在设计中有两个方案： 方案一：采用常用的7 8 0 5 三端稳压电路： 采用7 8 0 5 构成的三端稳压电路有以下优缺点：外围元件简单，价格便宜；但内部功 率损耗大，全部压降均转换成热量消耗掉，发出的大量热能容易烧坏电子元件及电路板， 造成电源效率低；核心元件7 8 0 5 的工作速度不高，对输入电压或者负载电流的急剧变化 响应慢。 广东工业大学工学硕士学位论文 方案二：采用l m 2 5 7 5 t 5 0 构成的稳压开关。 智能车的控制系统采用的是镍镉可充电电池供电，蓄电池的充放电次数是有限的，电 能利用效率愈显重要，要尽可能的延长蓄电池的使用时间，提高蓄电池的利用率。另外由 于考虑到光电传感器模块的功耗比较大，容易产生电压波动，对电压产生干扰，而单片机 对电压要求比较高n 引1 “，。 另外，小车电源只7 5 v 左右，一旦下降到7 v 以下，7 8 0 5 输出的5 v 稳压就难已保证， 容易造成单片机复位。如果使用开关稳压管l m 2 5 7 5 来输出5 v 稳压，稳压管的输入电压 在下降到6 5 v 时，依然可以稳定输出5 v 的电压。同时小车的驱动电流较大，尤其在小车起 动与加速时，可能会造成电池较大的输出压降，所以这里采用方案二叫，m 2 5 7 6 t 5 o 作 为5 v 电压的转换芯片。 l m 2 5 7 6 t - 5 0 是美国n s 公司生产的单片降压式开关稳压器，由振荡器、取样放大 器、比较器、p w n 调制器、功率开关等部分组成。其输入电压为3 5 4 0 v ，输出电压 为s v ，负荷电流最大可达3 a ，振荡器固定频率5 2 k h z 。其电路图如图3 - 3 所示。 3 2 3摄像头电源 ： 图3 - 3l m 2 5 7 6 t - 5 0 电路 f i g u r e3 - 3l m 2 5 7 6 t 一5 0c i r c u i t 1 2 v 电压是为摄像头模块提供电源，它需要通过直流斩波升压电路产生。m a x 7 3 4 是 美国m a x i m 公司生产的高效d c d c 转换器，它具有独特的限流脉冲频率调制功能，可 直接驱动m o s f e t ，其负荷电流最大可达1 2 0 m a 。 m a x 7 3 4 的输入电压范围为4 7 5 v - - 一1 2 v ，输出电压为1 2 v ，其转换频率可以高达 1 7 0 舷。m a x 7 3 4 的应用电路图如图3 4 所示。 1 2 第三章智能车系统硬件电路设计 = - 图3 - 4m a x 7 3 4 电路 f i g u r e3 - 4m a x 7 3 4c i r c u i t 3 2 46 v 稳压电源的设计 在智能车中，6 v 电源是为舵机提供电源的，它是由直流稳压电路产生。在实际工作中， 舵机所需要的工作电流一般在几十毫安左右，电压无需十分稳定，因此用l m 7 8 0 6 就可以 满足要求了。 l m 7 8 0 6 是一个应用非常方便的直流稳压芯片，它电路简单，稳压特性好，得到了广 泛应用。其电路图如图3 5 所示。 7 2 vi f 7 8 0 66 v ： 图3 - 5l m 7 8 0 6 电路 f i g u r e3 - 5l m 7 8 0 6c i r c u i t 3 3 系统控制模块 智能车使用的微控制器是f r e e s c a l e 公司推出增强型的1 6 位单片机m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b ， 该系列单片机主要用于工业控制，特别在汽车电子领域有着广泛的应用。该系列单片机的特 点是丰富的i o 模块和工业控制专用的通信模块。 s 1 2 系列单片机的中央处理器c p u1 2 由以下三部分组成：算术逻辑单元a l u ，控制单 元和寄存器组。c p u 外部总线频率为8 m h z ，内部运算速度可达2 5 m h z 。寻址方式有1 6 1 3 广东工业大学工学硕士学位论文 种。内部寄存器组中的寄存器、堆栈指针和变址寄存器均为1 6 位。它具有很强的高级语 言支持功能。c p u1 2 的累加器a 和b 是8 位的，也可以组成1 6 位累加器d 。 3 3 1单片机m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 的内部资源 m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 作为s 1 2 系列的单片机，内部资源非常丰富，简要介绍如下 ( 1 ) 时钟和复位模块 - p l l ( 锁相环频率合成器) c o p 看门狗 时钟监控 ( 2 ) 存储器 12 8 k bf l a s he e p r o m 2 k be e p r o m 8 k br a m ( 3 ) 两个8 路a d 转换器 1 0 位精度 具有外部触发转换功能 ( 4 ) 增强型捕捉定时器 1 6 位主计数器，7 位分频系数 8 个输入捕捉通道或输出比较通道 一个8 位或1 个1 6 位脉冲计数器 ( 5 ) 8 路p w m 通道 可编程周期以及占空比 8 位8 路1 6 位4 路p w m 独立控制各路p w m 的周期和占空比 中间对齐和左对齐输出 频率范围宽的可编程时钟选择逻辑 紧急时刻快速关闭输出 ( 6 ) 串行接口 两个异步串行通信接口模块s c i 1 个i i c 总线接口 1 4 第三章智能车系统硬件电路设计 _ 2 个同步串行外设接口s p i ( 7 ) 3 个1 m s ，c a n 2 o a ，c a n 2 0 b 兼容模块 ( 8 ) s a ej 1 8 5 0 网络通一讯口 m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 支持在线编程，即在线写入、擦除、在线下载程序。在线编程的基本 原理是：单片机片内的c p u 有能力对片内f l a s h 进行写入、擦除操作，用户需以某种方式， 一般为串行地将命令和数据传送给单片机就可以了，单片机的编程接口除完成f l a s h 写入、 擦除功能外，还可用于应用程序的调试，甚至可以在应用程序中运行时，动态地获取c p u 寄存器的值，存储器等的瞬态信息，这就是所谓的后台调试模式b d m ( b a c k g r o u n dd e b u g m o d e ) 调试方式。除此之外，可以先通过b d m 把监控程序写入f l a s h ，然后可以脱离b d m ， 通过r s 2 3 2 下载程序，调试等【1 5 1 。 3 3 2单片机m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 的硬件设计 ( 1 ) 时钟电路。单片机及系统运行需要两个最基本的条件：电源和时钟。其中时钟 电路的设计甚为关键。单片机内部有时钟电路，但不如使用外部晶振稳定，把一个1 6 m h z 的外部晶振接在单片机的外部晶振输入接口e x t a l 和x t a l 上，利用m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 内部的压控振荡器和锁相环( p l l ) 把这个频率提高到2 5 m h z ，作为单片机工作的内部总 线时钟。 ( 2 ) 串行口的r s 2 3 2 驱动电路。通过r s 2 3 2 电平转换芯片，单片机可以利用异步 串行通信协议同p c 通信。r s 2 3 2 电平转换芯片可以实现t t l 电平与r s 3 2 3 电平之间的 转换，再通过9 芯串行口和p c 进行通信。在智能车控制系统中，上位机通过r s 2 3 2 向控 制主板下载程序 ( 3 ) 复位电路。单片机内集成有上电复位电路，但使用专门的复位电路使系统上电 复位更加可靠。在智能车控制系统主板电路中，外部复位电路使用按钮加阻容电路，具体 电路如图3 5 所示。 ( 4 ) 电源电路。单片机m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 的供电是靠外部的+ 5 v 电源。其电路已在电 源管理模块中说明。单片机芯片内部使用3 v 电压，较低的片内电压使c p u 运行速度快， 功耗低；较高的i o 电压有利于抗外界干扰。 ( 5 ) b d m ( b a c k g r o u n dd e b u gm o d 卜后台调试模式) 调试接口。b d m 头接口是接 b d m 调试工具的，向单片机m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 下载程序，进行在线调试。b d m 是单片机 最根本的调试方式n ”。 1 5 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 6 ) 单片机运行模式选择。f r e e s c a l e 公司的m c 9 s 1 2 系列单片机有两种工作模式， 分别是单片运行模式和扩展运行模式。单片运行模式是m c 9 s 1 2 系列单片机最常用的运行 模式。单片运行模式又分为普通单片模式和特殊单片模式，普通单片模式是正常运行应用 程序时使用的模式，特殊单片模式是指b d m 调试模式。在这里，当插上b d m 头时，可 进入特殊单片模式；当不插上b d m 头时，自动进入普通单片模式。扩展运行模式允许通 过c p u 外部总路线扩展r a m 、f l a s h 、i o 等。单片机m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 片内有足够存储器 资源，所以在智能车控制系统中只需要工作在单片运行模式。表3 1 可知单片机 m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 工作模式的选择。 表3 1m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 工作模式的选择 t a b l e3 - 1c h o o s et h ep a t t e r no fm c 9 s 1 2 d g l 2 8 b p e 5 = m o d ap e 6 = m o d bb k g d = m o d c工作模式描述 ooo 特殊单片模式，允许b d m 001 普通单片模式 olo特殊测试扩展模式，允许b d m o11特殊外围，b d m 不能被使用 100 窄的竞争扩展模式，允许b d m 1ol 一般窄的扩展模式，允许b d m l10宽的竞争扩展模式，允许b d m 11l一般宽的扩展模式，允许b d m 3 4 路径识别模块 3 4 1 路径识别方案的选择 路径识别模块是智能车控制系统的关键模块之一，它将路况的信息输给控制模块，获 取更多、更远、更精确的道路信息以提高智能车的运行速度和运行稳定性。智能车寻迹有 多种方案，主要有这三种：红外检测方式、c c d c m o s 摄像头检测方式、红外检测与摄像头 相结合方式。 1 c c d c m o s 摄像头检测方式，简称摄像头方式。 1 6 第三章智能车系统硬件电路设计 通过摄像头把智能车前面的路径信息传输到控制系统，通过软件处理获取道路的各种 参数，来进行路径识别的一种寻迹方法。c c d c m o s 摄像头有面阵和线阵两种类型，它们