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智能车导航控制硬件设计与控制算法研究 摘要 全国智能车大赛是教育部资助电气信息类专业的九大竞赛之一，2 0 0 6 年由 教育部自动化专业教学指导委员会引进在国内举办，该竞赛旨在提高自动化专 业相关研究生、本科生的创新精神、协作精神和工程实践能力。 课题根据竞赛要求完成了赛车的电源、电机、舵机、速度检测、道路检测 硬件的设计制作，对智能车的导航控制硬件和控制算法进行了研究。智能车有 两种不同的硬件导航方式：红# l - $ n 视频，课题对视频导航的硬件、算法、以及 算法的单片机实现进行了重点研究。 竞赛规定赛道由2 5 c m 宽黑色线条指示，红外导航硬件选用发射、接收一 体式红外传感器r p r 2 2 0 来实现。通过黑色和白色反射强度的不同，来跟踪赛道。 论文给出了红外导航系统的硬件设计、赛道检测和赛车控制的算法。 视频导航硬件选用视频解码芯片s a a 7 11 3 来实现。s a a 7 11 3 完成从摄像头 采集到的模拟信号转换成数字信号，并从中提取出行有效信号和奇偶场有效信 号，设计算法对图像进行二值化、图像滤波、检测出赛道，研究导航算法给出 赛车最佳路径以及电机的转速和舵机转角控制模式，实现最佳路线、车速控制 策略。 实测结果表明，课题设计的智能车导航系统可以准确地判断赛道位置，导 航、控制算法满足竞赛要求。基于两种导航系统的智能车均能准确跟踪赛道快 速行驶。 关键词：智能车，红外导航，视频导航，s a a 7 11 3 ，控制策略 内蒙古人学硕l 学位论文 t h eh a r d a i 己ed e s i g na n da l g o r i t h mr e s e a r c hf o r n a v i g a t i o nc o n t r o la b o u ts m 队r tc a r a bs t r a c t t h en a t i o n a ls m a r tc a rc o m p e t i t i o ni so n eo ft h en i n ec o m p e t i t i o n si ne l e c t r i c i n f o r m a t i o nf i e l dw h i c hf u n d e db yt h ee d u c a t i o nm i n i s t r y ，a n di ti si n t r o d u c e db y a u t o m a t i o ns p e c i a l t yt e a c h i n gi n s t r u c t i o nc o m m i t t e eo fe d u c a t i o nm i n i s t r yi n2 0 0 6 t h i sc o m p e t i t i o ni sa i m e da te n h a n c i n gg r a d u a t ea n du n d e r g r a d u a t es t u d e n t s i n n o v a t i v es p i r i t ，t e a ms p i r i ta n da b i l i t yo fe n g i n e e r i n gp r a c t i c ew h or e l a t e dt o a u t o m a t i o ns p e c i a l t y a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d so fc o m p e t i t i o n ，t h eh a r d w a r ed e s i g n i n ga n dm a k i n g a r ea c c o m p l i s h e di nt h i sp r o j e c tf o rp o w e r ，m o t o rc o n t r o l ，s t e e r i n gg e a rc o n t r o l ，s p e e d d e t e c t i n ga n dr o a dd e t e c t i n g t h eh a r d w a r ea n dc o n t r o la l g o r i t h mf o rs m a r tc a r n a v i g a t i o ni s a l s or e s e a r c h e d t h e r ea r et w od i f f e r e n tm e t h o d sf o rs m a r tc a r n a v i g a t i o n ：i n f r a r e da n dv i d e o i ti sf o c u s e do nv i d e on a v i g a t i o ni nt h e s i s t h er o a di sd e n o t e db yab l a c kl i n ew i d eo f2 5 c mi nc o m p e t i t i o nr u l e s t h e i n f r a r e ds e n s o ri 冲i 也2 0w h i c hl a u n c ha n dr e c e i v ea 1 1 i n o n ei ss e l e c t e df o r t h er o a d i st r a c k e db yc a rt h r o u g ht h ed i f f e r e n tc o l o rr e f l e c t i o ni n t e n s i t yo fb l a c ka n dw h i t e b a s e do ni n f r a r e dn a v i g a t i o n ，i ti sc o m p l e t e dt h a th a r d w a r ed e s i g n ，t h ea l g o r i t h mf o r r o a dd e t e c t sa n dc a rc o n t r o l i nt h e s i s t h ec h i ps a a 71 13 ，av i d e od e c o d e r ，i su s e di nv i d e on a v i g a t i o n t h ea n a l o g 内蒙古人学硕上学位论文 v i d e os i g n a l sc o l l e c t i o nf r o mc a m e r ai sc o n v e r t e di n t od i g i t a lt h r o u g ht h es a a 71 13 ， a n dt h ev a l i dr o ws i g n a l sa n dp a r i t yf i e l ds i g n a l sa r ee x t r a c t e d t h ea l g o r i t h m sa r e d e s i g n e df o ri m a g et h r e s h o l d i n g ，i m a g ef i l t e ra n dr o a dd e t e c t i n g i ti sg i v e nt h a t o p t i m a lr o u t es e l e c t i o n ，m o t o rs p e e da n ds t e e r i n gg e a ra n g l ec o n t r o lb yr e s e a r c h i n g n a v i g a t i o na l g o r i t h m s ，a n dt h es h o r t e rp a t ha n ds p e e dc o n t r o lp o l i c ya r ef u l f i l l e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v es h o w e dt h a tt h es m a r tc a rn a v i g a t i o ns y s t e md e s i g n e d i nt h ep r o j e c tc a nj u d g er o a dl o c a t i o na c c u r a t e l y t h ea l g o r i t h m sf o rn a v i g a t i o na n d p o s eo f c a ra r em e tt h en e e d o fr a c e w i t ht w od if f e r e n tn a v i g a t i o ns y s t e m s ，s m a r tc a r c a nd r i v ea l o n gt h et r a c kq u i c k l ya n d a c c u r a t e l y k e y w o r d s ：s m a r t c a r ，i n f r a r e dn a v i g a t i o n ，v i d e on a v i g a t i o n ，s a a 7 1 13 ，c o n t r o l s t r a t e g y 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除本文已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得凼苤直太堂及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名；猛望 指导教师签名 f t 期：趟! ：呈 f 1 期 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将 学位论文的全部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允 许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。 为保护学院和导师的知识产权，作者在学期间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使 用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古大学就读期间导师的同意；若用于 发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公丌发表。 学位论文作者签名：丕韪蜂 e t期：挫窆：宝 指导教师签名 日 内蒙古人学硕一i ：学位论文 第一章引言 1 1 智能车比赛简介 为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革，受教育部高 等教育司委托，由教育部高等自动化专业教学指导分委员会主办“飞思卡尔杯 全国大学生 智能汽车竞赛。该竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，是以 智能汽车为竞赛平台的多学科专业交叉的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探 索性的工程实践活动，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本 工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能，倡导理论联系实 际、求真务实的学j x l 和团队协作的人文精神。 该竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用f r e e s c a l e 半导体公司的8 位、1 6 位微控制器作 为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件，制作一个能够自 主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。因而该竞赛是涵盖 了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科的比赛。 1 2 智能车比赛的发展 f r e e s c a l e 半导体公司2 0 0 0 年在韩国首次赞助智能车比赛，2 0 0 6 年开始在我国赞助智能 车竞赛。首届智能车竞赛于2 0 0 6 年8 月2 0 只至2 1 日在清华大学进行，要求国内自动化专业 有博士点的高校组队参加，共有来自全国5 7 所高校的1 1 2 支参赛队参加。比赛采用规定车模 和c p u 芯片，以f r e e s c a l e 公司的m c 9 s 1 2 d g l 2 8 作为主控芯片，相比于韩国比赛使用的 m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 的2 5 6 k 程序存储空间，m c 9 s 1 2 d g l 2 8 只有1 2 8 k 程序存储空间。赛车模型、 舵机和驱动电机与韩国2 0 0 5 年汉阳大学比赛时几乎相同，赛道参照韩国比赛的赛道，比较简 单，只有直道和弯道。清华大学夺得第一届比赛的冠军。 第二届比赛于2 0 0 7 年8 月2 6 同在上海交通大学举行。为了使更多的高校、更多的大学 生参与到这一活动中来，第二届智能汽车竞赛由全国有自动化专业的理工类高等本科学校( 包 括港、澳地区的高校) 约2 7 0 余所参赛，每个参赛学校限2 个队，分五大赛区进行预赛，各 分赛区的优胜队将参加决赛。比赛的赛道添加了1 5 度的坡道，赛道难度有所增加，但是，参 内蒙古人学硕t ：学位论文 赛队伍的成绩普遍超过了第一届，采用摄像头识别路径的队伍成绩普遍好于采用光电管的队 伍。上海交大的队伍夺得了本届比赛的前两名。 基于前两届的比赛经验，在2 0 0 8 年8 月举行的第三届比赛中，组委会将比赛队伍进行了 分组，分为摄像头组和光电组。此次比赛在规模、覆盖院校和参与人数上较上届比赛都有很 大的提高。在本届比赛中，上届比赛成绩普遍不好的光电组有了较大起色，有些队伍的成绩 甚至可以与摄像头队媲美。此次比赛的赛道更加复杂，并且在规则中加入了智能车跑完赛道 自动停车的要求，使得智能车的控制精度要求进一步提高。东北大学获得了摄像头组的冠军， 光电组的冠军被武汉大学夺得。 第四届智能车比赛，将于2 0 0 9 年8 月在北京科技大学进行，本届比赛对智能车的控制提 出了更高的要求，在赛道类型中加入了宽为4 5 c m 的窄道。同时本届比赛采用了频率更高的 单片机9 s 1 2 x s l 2 8 ，超频频率可以达到9 0 m 左右。 1 3 智能车的研究情况 智能车的比赛在不断升级，研究在不断地深入，技术也在不断创新。 第一届比赛中，各参赛队伍对智能车的硬件电路、信息处理、控制策略与算法进行了深 入的分析。清华大学设计的大前瞻红外发光管智能车首次使用了路径记忆算法，将光电管无 法获得全局信息的缺点克服。东北大学、上海交大设计的摄像头智能车采用l m l 8 8 1 进行视 频信号的分离，提取出有用的行场有效信号，同时利用片内a d 将图像模拟信号转换成数字 信号进行智能车的控制。华南理工设计出c m o s 和红外传感器融合的智能车。北京科技大学 在机械结构上对智能车加以改造，自己设计了双闸制动机构，使智能车的制动性能得到了提 升。武汉科技大学、北京工商大学使用了模糊控制算法对智能车进行了智能控制，使控制算 法更加优化。广东工业大学更是在单片机控制中加入r t o s 。 第二届比赛中，清华大学对摄像头信号的采集电路作了改进，设计出硬件二值化电路， 对视频模拟信号进行硬件二值化。北京科技大学使用片外a d 芯片和c p u 超频，使每行采集 的数据增加到1 2 0 个，日i 瞻距离也扩展到1 6 米。 第三届比赛中，光电组进步不小，武汉大学、北京理工等大学采用了激光管作为路径检 测传感器，使光电管的探测距离可以达到5 0 c m ，远大于普通的红外传感器。上海大学采用 c c d 摄像头和片外a d 芯片t t l c 5 5 1 0 的组合，使每行数据可以采集到1 4 0 个点。在驱动电 路上，电子调速器也被使用在电机的调速上。 内蒙古人学顾 ：学位论文 1 4 本论文的内容安排 本课题的主要目的是研究智能车的导航系统的硬件和控制算法。通过所设计的红外导航 系统和视频导航系统，可以准确地得到前方赛道的信息，计算出赛道的相关参数，用于舵机 和电机的控制，从而实现智能车在给定跑道上的流畅运行。 1 4 1 主要研究工作 1 设计智能车的硬件驱动电路。 2 红外导航硬件和软件设计。 3 视频导航硬件和软件设计。 4 导航控制算法与软件设计。 5 智能车的组装和调试。 1 4 2 论文结构安排 第一章主要介绍智能车比赛的基本情况与智能车比赛发展的不同阶段，归类并总结了国 内各大学的智能车研究情况，为课题的进一步研究奠定了基础，最后给出本论文的主要研究 工作及论文的结构安排。 第二章主要介绍智能车总体设计方案，首先介绍系统设计的原则和系统的框图，然后着 重分析各模块设计的方案，分析其优缺点，给出选定的设计方案。 第三章主要介绍智能车的硬件驱动电路的设计方案，包括电源模块、单片机最小系统、 电机驱动模块、测速模块、无线串口模块等。 第四章主要介绍红外导航的硬件和软件设计。 第五章详细介绍视频导航的硬件和软件设计，硬件设计主要是搭建s a a 7 11 3 的最小系 统。软件设计主要指利用m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 的硬件1 2 c 模块，实现s a a 7 11 3 的初始化，并给 出视频采集的流程。 第六章详细介绍智能车的导航控制算法与软件设计，首先介绍系统的初始化，然后着重 分析图像处理的一些算法。最后，对系统的舵机和电机控制策略进行分析。 第七章主要介绍智能车的性能测试。 第八章对全部工作进行总结。 内蒙古人学硕f j 学位论文 第二章智能车总体设计方案 2 1 系统设计的原则 智能车比赛是一场实时比赛，要求智能车在规定的时间内表现出最佳的状态，最佳状态 要求系统具有以下特性：硬件电路的稳定性、机械结构参数的最优化、软件设计的鲁棒性。 硬件电路的稳定指设计电路时，充分考虑并满足电路抗干扰的要求，给系统留有一定的 裕量。使得智能车在运行时，能保持功能电路的稳定，不会出现发热过大、单片机重启等异 常情况。 机械结构参数的最优化指在机械结构改造时，找到各种机械结构参数的最优化值，其中 包括前轮定位参数、转向舵机、底盘重心位置调整等各种机械参数。 软件设计的鲁棒性指软件设计的适应性尽可能强，在不同坏境下，都可以准确提取出赛 道的各种信息，完全适应各种不同赛道的要求，顺利跑完全部赛道。 2 2 系统总体结构框架 智能车系统由核心处理器m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 、路径检测模块、车速检测模块、电源模块， 电机驱动模块、舵机驱动模块组成。其中路径检测传感器包括红外导航和视频导航两种。红 外导航由传感器r p r 2 2 0 实现；视频导航由专用视频解码芯片s a a 7 11 3 设计而成，s a a 7 11 3 可以将视频模拟信号转换成数字信号，供单片机进行处理。车速检测模块由光电对射管制作 而成，实现速度的实时采集。电机驱动模块由两片m c 3 3 8 8 6 来实现。电源模块由多种电压模 块组成。 智能车由路径传感器采集得到前方道路的图像，从中提取出有用信息，判断所处的跑道 类型( 直道，大弯道，s 弯道，u 型道，坡道) ，确定小车的舵机转向及车速。从而通过电 机和舵机驱动小车流畅地在跑道上行进。小车是一个闭坏控制系统，由测速传感器和路径传 感器对小车的位置和速度进行测量，反馈给小车的控制系统，对小车的方向和速度进行不断 调整，达到最优效果。系统框图如图2 1 所示： 内蒙古人学硕 j 学位论文 图2 1 总体结构框图 f i g u r e 2 1m a c r o d i a g r a mo ft h es y s t e m 2 3 核心处理器m c 9 s1 2 d g1 2 8 b 智能车的核心处理器采用的是f r e e s c a l e 公司的1 6 位单片机m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b ，该芯片为 工业级芯片，广泛使用于汽车行业，具有很强的抗干扰能力。m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 包含一个1 6 位的中央处理单元，1 2 8 k 字节的闪存，8 k 字节的r a m ，2 k 的e e p r o m ，两个异步串行接 口( s c i ) 两路外围串行接口( s p i ) ，一个8 通道i c o c 增强型捕捉计时器，两个8 通道 1 0 位模拟数字转换器( a d c ) ，一个8 通道脉宽调$ i ( p w m ) h 等2 1 。 主要特性： 1 h c s l 2 内核 1 ) 1 6 - b i th c s l 2c p u 与m 6 8 h c ll 指令兼容 中断堆栈与编程模式与m 6 8 h c l1 兼容 具有2 0 位的算术逻辑单元( a l u ) 指令队列 增强型变址寻址 2 ) m e b i ( m u l t i p l e x e de x t e r n a lb u si n t e r f a c e ) 多；路复用外部总线接e l 3 ) i n t ( i n t e r r u p tc o n t r 0 1 ) 4 ) b d m ( b a c k g r o u n dd e b u gm o d e ) 内蒙古人学硕 ：学位论文 2 时钟和复位发生器c r g ( c l o c ka n dr e s e tg e n e r a t o r ) 1 ) 具有锁相环功能 2 ) c o p 看门狗电路 3 ) 实时中断 3 存储器 1 ) 1 2 8 kf l a s he e p r o m 2 ) 2 kb y t ee e p r o m 3 ) 8 kb y t er a m 4 两个8 通道a d 转换器 1 ) 1 0 位分辨率 2 ) 外部转换触发功能 5 增强型捕捉计数器 1 ) 具有7 位比例因子的1 6 位主计数器 2 ) 8 个可编程输入捕捉或输出比较通道 3 ) 两个8 位或1 6 位脉冲计数器 6 8 个p w m 通道 1 ) 周期和占空比可编程调整 2 ) 8 个8 位通道或4 个1 6 位通道 3 ) 每个通道可单独设定周期和占空比 4 ) 可作为中断输入使用 7 串行接口 1 ) 2 个s c i 2 ) 2 个s p i 8 1 2 c 总线 1 ) 与1 2 c 总线标准兼容 2 ) 多主机操作 9 1 1 2 引脚的l q f p 封装和8 0 引脚的q f p 封装可选 基于m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 的上述硬件功能，使得在设计智能车时，可以节省很多软件资源， 本设计用到的硬件资源主要有： 1 两路p w m 输出口( 一个1 6 位和一个8 位) 用于驱动舵机和电机。 内蒙古大学硕f j 学位论义 2 一个1 6 位脉冲计数器，用于测量智能车速度。 3 个输入捕捉口，用于捕捉视频信号的奇偶场同步信号。 4 一个外部中断口，用于捕捉视频信号的行同步信号。 5 个1 2 c 接口，用于对s a a 7 1 1 3 进行初始化。 6 一个串行接口，用于无线传感器的接口。 7 一个a d 采集口，用于采集电池电压。 2 4 设计方案的选定 智能车各模块的设计都有多种选择，选择一种适合的方案尤其重要。 2 4 1 路径识别模块 为了能使智能车快速流畅地在跑道上运行，就需要j 下确识别出黑色跑道的信息，提取出 其中的有效信息，计算出赛道的相关参数。路径识别模块主要有以下几种方案： 1 使用光电管作为传感器 通过光电发光管发射光线照射跑道，跑道表面与中心线具有不同的反射强度，利用光电 接收管可以检测到这些信息。通过合理安排光电管的空间位置可以检测到智能车前方道路相 对车模的位置【1 4 】。 优点：抗干扰能力强、可靠性高，不会因为周围环境的差别而产生不同的结果，可以减 少在安装时产生的差异带来的误差和干扰，使安装更加简便。 缺点：作用距离有限，不能对黑线进行远距离探测，预测性弱，速度快时很容易冲出跑 道；而且规定传感器最多只可以用1 6 个，所以它对黑线的探测不能完全覆盖，可能出现漏检。 2 直接采用摄像头 单独使用摄像头作为信号采集的传感器，需要对摄像头采集的图像进行精密计算，确定 速度参考和舵机转向参考。 优点：作用距离远，道路信息预测能力强，不易出现由于黑线检测不及时而冲出赛道的 情况；而且摄像头对道路的探测精细，视角范围大不易出现黑线漏检的情况。 缺点：容易被干扰，受周围光线的影响大；运算量大，算法复杂，需要占用较多的m c u 资源。 3 采用红外传感器与c c d ( 或c m o s ) 摄像头相结合 用红外传感器来检测近处的道路，用c c d 传感器来检测远处的道路，从而给小车提前 内蒙古人学硕j ：学位论文 设定速度。 优点：兼顾了红外传感器抗干扰能力强以及摄像头作用距离远、视角范围大的长处。 缺点：设计难度大，红外传感器与摄像头需要配合寻迹，它们对舵机和电机在方向和速 度上的控制需要巧妙的仲裁算法( 对采集的信息判断优先级) 进行区分；运算量大，需要占 用相当多的m c u 资源【1 3 】。 2 4 2 测速传感器模块 智能车的速度控制是一个闭环控制，因此需要精确地测量出智能车行驶的实时速度。测 速方案主要有以下几种： 1 测速发电机 采用同轴直连或者齿轮传动等方式，将测速发电机与驱动电机相连，它的输出电压正比 于转速。 2 光电编码器 一般使用增量式编码盘，它输出脉冲的个数正比于电机转动的角度，从而使它的输出脉 冲的频率正比于转速。可以通过测量单位周期内脉冲个数来得到脉冲的频率，由此，可以测 得速度值。 3 光电检测方式 利用光电管对射来对自制编码盘或从动齿轮的缝隙的检测，可以得出车轮在单位周期获 得的脉冲数，从而算出智能车速度。 4 霍尔传感器 在后轮输出齿轮轴上粘贴永磁体，附近固定一个霍尔传感器，通过计算单位周期的脉冲 数，计算速度1 1 4 】。 2 4 3 电机驱动模块 电机驱动模块为智能车提供动力，优良的加减速性能将直接影响到智能车成绩的好坏。 稳定性也是电机驱动模块需要重点考虑的。 1 专用电机驱动芯片m c 3 3 8 8 6 m c 3 3 8 8 6 是f r e e s c a l e 公司设计的专用电机驱动芯片，驱动电压为5 - 4 0 v ，承载电流为5 a ， 该芯片还具有短路保护、欠压保护、过温保护等功能。但是m c 3 3 8 8 6 发热量较大，容易烧毁 片子。因此，可以将m c 3 3 8 8 6 并联以提供更大的驱动电流。 内蒙古人学硕l 学位论文 2 用m o s f e t 管搭h 桥 采用大功率m o s 管组成的电机驱动电路，可以提供更大的瞬间加速电流，但是电路设计 相对复杂，而且体积比较大。 3 电子驱动器 电子调速器的工作承载电流可以达到9 0 a 以上，p w m 频率为1 5 k h z ，性能明显优于上 述两种调速电路，但是电子调速器的价格偏高。 2 4 4 选定的设计方案 经过前面几节的分析及比较，智能车选定的设计方案如下： 1 分别采用红外和摄像头作为导航模块，完成相应的硬件和软件设计。 2 采用凹槽型的光电对射管作为测速传感器，通过检测从动齿轮的齿缝来检测当前速 度。 3 采用两片m c 3 3 8 8 6 并联组成全桥电路，进行电机调速控制。 2 5 本章小结 本章主要介绍了智能车的总体设计方案，首先分析了系统的设计所基于的原则，系统的 总体结构框架。其次，介绍本系统所采用的核心处理器m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 的主要特性，最后， 对各模块的设计方案进行了比较，给出本课题的设计方案。 内蒙古人学顾- 二学位论文 第三章智能车硬件驱动电路设计 3 1 电源模块 电源模块为系统其它各个模块提供所需要的电源，设计中，除了要考虑到电压范围和电 流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行 优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础【1 5 】。 大赛规定使用标准的7 2 v 、1 8 0 0 m a h 的镍镉电池为智能车供电，由于不同的模块需要不 同的电压供电，故对电池做降压处理，使其满足系统的要求。系统的供电模块结构如图3 1 所示。 3 1 13 3 v 电源 图3 1 系统供电模块结构 f i g u r e 3 1s t r u c t u r eo f p o w e rs y s t e m 3 3 v 电源，为s a a 7 11 3 、m m a 7 2 6 0 供电。s a a 7 11 3 需要分别提供模拟3 3 v 和数字3 3 v 内蒙古人学硕一i 二学位论文 电源，采用两片l m l1 1 7 3 3 v 来实现。m m a 7 2 6 0 由数字3 3 v 供电。l m l l1 7 3 3 v 是低压差 电压调节芯片，它具有电流限制和热保护功能，输出电流可达8 0 0 m a ，电压的输出精度为4 - 1 以内。l m l l l 7 电路如图3 2 所示。 3 1 25 v 电源 = 图3 23 3 v 电源电路 f i g u r e 3 23 3 vp o w e rc i r c u i t d 啦 址【 、 5 v 电源，为单片机、摄像头、无线传感模块提供电源。为了保证系统的稳定，防止芯片 发热过大，故决定对单片机和摄像头分开供电，使用两片l m 2 9 4 0 供电。l m 2 9 4 0 是一种低压 差线性稳压器电源芯片，最大输出电流可以达到1 a ，典型的输入输出压降为0 5 v ，同时还具 有过流保护，过压保护等功能。l m 2 9 4 0 电路图如图所示。 3 1 36 v 电源 = f 图3 35 v 电源电路 f i g u r e 3 35 vp o w e rc i r c u i t 6 v 电源，为舵机提供电源。大赛采用的舵机型号为$ 3 0 1 0 ，是一种低成本，高扭矩的通 用伺服器，使用电压为4 - 6 v ，当采用6 v 电压供电时，舵机的效应速度会较快，最快可以达 到0 1 8 s 6 0 度。所以，需要为舵机设计一个6 v 稳压电源。参考东北大学的做法，采用两个二 极管来提高对地电压，稳压芯片仍然采用l m 2 9 4 0 ，电路如图3 4 所示。 蒙古人学硪j 岸位论史 $ 3 2 单片机最小系统 为了方便电路调试，将单片机最小系统设计成独立的模块。最小模块将单片机所用接口 电路引出，包括a de l 、p ae l 、p b 口、p w m 口、1 2 c 接口、s c ir l 等。设计的最小系统可 以满足小车的要求，面积约为5 0 m m 5 0 m m ，远小于清华的小系统板。可以节约很多的空间 和重量。为了减轻重量，将系统的串口模块取消，预留接口，采用无线模块传输。最小系统 实物图如图35 所示，设计好的最小系统运行稳定超频到3 2 m 。仍然可以正常运行。 广i 焉 i i ； “”。”1 5 f 引 l。峨“峨。，| l 口| | | ! 型型 图3 5 单h 机最小系统 f i g u r e 35m i n i m a lm c us y s t e m 3 3 电机驱动模块 本次大赛是一次竞速比赛。跑完仝程用时最短者即为胜者。电机驱动电路的性能往往决 定着小车的速度。智能车所选用的电机为r s 一3 8 0 s h ，电机的转矩与电流成正比，与转速成 反比：电机的最大效率点时，电流可达到3 2 9 a 。堵转时，电流最大可达1 6 a 。所以必须设 内蒙古人学硕l ：学位论文 计输出电流大的驱动电路。 电机模块采用大赛推荐的专用芯片m c 3 3 8 8 6 ，m c 3 3 8 8 6 是h 桥式小功率直流电机驱动 芯片。其特性为： 1 工作电压：5 - 4 0 v 2 导通电阻：1 2 0 m o h m 3 输入信号：t t l c m o s 4 p w m 频率： 1 0 l z 5 具有短路保护、欠压保护、过温保护 m c 3 3 8 8 6 额定输出电流为5 a ，而电机堵转电流最大可以达到1 6 a 。使用一片m c 3 3 8 8 6 ， 会产生发热太大的现象，故采用两片m c 3 3 8 8 6 来组成全桥电路，有效降低导通电流，提高驱 动能力。全桥驱动电路如图3 6 所示，p w m l 端用于控制电机j 下转，p w m 2 用于控制电机制动。 7 7 图3 6m c 3 3 8 8 6 全桥电路 f i g u r e 3 6m c 3 3 8 8 6 sf u l l - b r i d g ec i r c u i t 在试验过程中认识到m c 3 3 8 8 6 并联使用时常常会遇到诸如各芯片发热不均等问题，这主 要是不同的芯片之间因静态和动态参数的差异，以及p c b 走线长度不相等等因素导致了各 芯片分流不均。实际应用中抓住以下两要点就能有效避免不均流的现象： 1 使用同一批次的芯片，使芯片之间的各种参数尽量接近 2 p c b 走线一致，使m c 3 3 8 8 6 的导通时问尽量一列1 6 1 。 内蒙古人学颂i j 学位论文 3 4 测速模块 智能车的速度是一个闭环控制。因此，必须精确地检测出智能车的实时速度。智能车的 转动轴上连有传动齿轮，传动齿轮上有7 6 个深度为2 m m 的齿轮缝，鉴于以上特点，选择凹槽 型光电丌关来检测速度，将光电开关置于传动齿轮的缝隙上，通过齿轮转动时光电开关的通 断，可在光电丌关的输出端输出一系列脉冲。测速电路如图3 7 所示，当齿轮缝隙刚好在凹槽 型传感器中间时，三极管不导通，在s p e e d 输出端输出高电平，反之，则输出低电平。 u 2 图3 7 测速电路 f i g u r e3 7s p e e d - m e a s u r ec i r c u i t 3 5 无线串口模块 本设计采用桑锐公司的s w f 一5 0 1 型无线模块实现数据的动态传输。该模块提供一个9 针的连接器。基于终端的连接方法如表3 1 所示f 1 7 1 。 s r w f 5 0 1 的右下角有一组5 位的短路跳线( j 1 ) ，分别定义为a b c d e ，则配置方法如下： 1 信道配置：j l 的a b c 三位跳线提供8 种选择，用户可以通过a b c 确定使用的0 7 号信道。 2 接口方式选择：s r w f 5 0 1 提供两个串口，可通过j l 的d 位来选择接口方式。这里 选择的是t t l 接口方式，把d 位不插短路器。 3 j 1 的e 位是用来选择校验方式的：即8 e 1 8 0 1 和8 n 1 的选择，这里选择的是8 n 1 ，不 带校验位的方式。 塑茎直叁兰堡：! ：兰竺笙兰 无线模块的技术参数如表3 2 所示，由于只要求在实验室使用，干扰较小，经试验，该 模块完全符合应用要求，可以有效地传输数据。 表3 is w f 5 0 1 型无线模块终端连接 t a b l e3 1t e r m i n a lc o n n e c t i o no fs w f 5 0l 序号s r w f 5 0 1 端说明电平连接剑终端备注 lg n d 电源地电源地 2v c c电源d c+ 3 5 v 3i 己x d 厂i t l串行数据接收端t t lt x d 4t x d 厂1 1 l串行数据发射端t t lr x d 5s g n d信号地 模拟地可与电源地相连 6 a ( t x )r s 2 3 2 的t x a ( r x ) 7 b ( r x ) r s 2 3 2 的r x b ( 1 x ) 8s l e e p 休眠控制 t t l 休眠信号低有效1 5 m s 9r e s e t 复位控制 t t l 复何信号负脉冲l m s 3 6 电压监控模块 电池电压的高低，对舵机和电机的控制精度有着重要的影响。在电池电压降低的时候， 也会出现舵机响应速度慢，转向角度不足和电机的加速度小等一些特点，这些常常会引起对 程序的合理性的质疑，因此，有必要对电池电压进行检测。本设计使用单片机的片内a d 设 计了一个电压监控模块，这样可以在电压不足时，对舵机和电机的控制量进行补偿。电路见 附录1 主电路图。 3 7 本章小结 本章介绍了智能车的硬件驱动电路设计方案，主要设计的模块有电源模块、单片机最小 系统、电机驱动模块、测速模块、无线串口模块和电压检测模块等。 内蒙古人学硕i ：学位论文 表3 2s w f 5 0 1 型无线模块技术指标 t a b l e3 2t e c h n i c a lp r e f e r e n c e so fs w f 5 0l 序号技术指标参数 l 调制方式g f s k f s k 2 l ：作频率4 2 0 0 0 - - - 4 5 0 3 0 m h z 3 发射功率 1 0 d b m ( 1 0 r o w ) 4 接收灵敏度1 1 5 1 1 8 d b m 5信道数 8 信道 6 发射电流 4 0 m a 7 接收电流 2 0 m a 8 睡眠电流2 0 u a 9 接口速率9 6 0 0 1 0 接口类型u a r tt r m t s 一2 3 2 r s - 4 8 5 1 1 i ：作电源+ 3 5 v d c 1 2 l ：作温度 2 5 8 0 1 3 i ：作湿度1 0 9 0 相对湿度，无冷凝 1 4 外形尺寸 4 7 m m 2 6 m m 10 m m 1 5 可靠传输距离 8 0 0 m 1 6 内釜古人学删l 学位论史 第四章红外导航的硬件、软件设计 4 1 红外导航硬件设计 红外传感器具有电路简单，反应灵敏。信号干扰小等优点，网此对近处的信号采集有 相对优势。 本设计采用发射接收一体式红外传感器r p r 2 2 0 为传感器。r p r 2 2 0 由一个发光二极管和 光敏三极管组成。电路如图4l 所示，当反射强度大时，三极管导通：反之，三极管截止。 加上比较器和硬件去抖动调理电路，就可以在输出端输出高低电平。硬件去抖动电路由施密 特整形电路及反门电路组成。 所示 图4 i 缸外传感器电路 h g u r e 41 i n f r a r e ds e n s o r c i r ；u i t 本设计共使用了十一个传感器，传感器呈一字型排列方式，成型后的传感嚣电路板如图 出4 2 红外特惑器电路扳 f i g u r e 42p c bo f i n f r a r e ds e n s o r 内蒙古人学硕j j 学位论文 4 2 红外导航软件设计 1 1 个传感器返回值均为数字量，单片机通过采集i o 端口的数字信号，可以对赛道的情 况进行分析判断。 为各传感器设定不同的权值，通过加权可以计算出权值和，计算公式为 i | 权值和 = 口，x ， ( 4 1 ) ，= l 其中a ，为各传感器的权值，x ，为各传感器的返回值，为数字量。权值不是均匀选取的， 越靠近中心，权值越小，中间值对智能车的方向影响较小。越靠近两端，权值越大，两端的 边界值对智能车的影响最大，当智能车两端传感器发现黑色中心，则需对智能车迅速进行方 向调整。 通过判断权值和的正负和大小，可以判断出智能车所处的位置及偏移量，通过权值的大 小，可以判断偏移量的大小。 红外导航的控制周期为1 0 m s ，在1 0 m s 内，对道路信息进行统计，通过权值来计算参数， 计算公式如下，当其中的一个参数大于1 0 时，说明智能车具有向前方某一方向的前进的趋势。 权值仨； 偏左 中间 偏右 偏左参数= 偏左参数 + l 中间参数= 中间参数 + l 偏右参数= 偏右参数 + l 4 3 本章小结 ( 4 2 ) 本章主要设计智能车的红外导航系统，红外导航硬件选用发射、接收一体式红外传感器 r p r 2 2 0 来实现。通过黑色和白色反射强度的不同，来跟踪赛道。本章还给出了红外导航系统 的硬件设计和赛道检测算法。 内蒙古大学硕t - 学位论文 第五章视频导航硬件、软件设计 5 1 视频信号原理 视频即活动的图像，狭义的视频信号即电视信号。电视就是根据人眼视觉特性以一定的 信号形式实时传送活动景物( 或图像) 的技术。在发送端，用电视摄像机把景物( 或图像) 转变成相应的电信号，电信号通过一定的途径传输到接收端，再由显示设备显示出原景物( 或 图像) 。 5 1 1 黑白全电视信号的组成 1 图像信号 图像信号就是携带景物亮、暗信息的电信号。按照景物亮度与图像信号电平之间的对应 关系，可将图像信号分成j 下极性和负极性两种。正极性图像信号指图像信号的大小与景物的 亮暗成f 比，即景物越亮，信号电平越高；负极性图像信号指图像信号的大小与景物的亮暗 成反比，即景物越亮，信号电平越低【1 8 】。 图像信号波形随景物内容不同而不同。正极性图像信号中黑电平低，白电平高，负极性 图像信号中黑电平高，白电平低。从黑电平到白电平的范围是图像信号的峰峰电平值，一般 规定为o 7 v p p 。图像信号只在正程期间传送。 2 复合消隐信号 电视系统中，正程期间传送图像信号，逆程期间不传送图像信号。因此，若不采取措施， 在使用电子束扫描的显像管中，电子束在逆程期间的扫描就会在屏幕上产生回扫线，从而对 正程图像造成干扰，影响图像的清晰度。复合消隐脉冲的作用就是在行、场逆程期间使显像 管中的扫描电子束截止，使其不干扰正程的图像信号。 3 复合同步信号 为了j 下确重现图像，要求收、发两端扫描必须严格同步。为此，发送端在传送图像信号 和复合消隐信号的同时，还要提供一种称为复合同步信号的脉冲信号。复合同步信号也分为 行同步和场同步两部分，分别叠加在行、场消隐脉冲之上，与消隐脉冲信号一起在逆程期间 传送。 复合消隐信号和复合同步信号与图像信号一起构成黑白全电视信号。其中，图像信号提 内蒙古人学硕1 ：学位论文 供画面的内容信息，复合消隐信号使扫描电子束在逆程期间截止，复合同步信号可使接收端 的扫描与发送端完全同步。全电视信号采用时分方式传送，即在j 下程传送图像信号，逆程传 送复合消隐及复合同步信号。因为整个信号处于视频频带之内，所以又称视频信号。 4 黑白全电视信号的波形 一帧电视信号中奇、偶场以及扫描行序号是有明确规定的。当场同步脉冲与f j