基于飞思卡尔单片机的智能车设计.doc

毕业设计 论 文 基于飞思卡尔单片机的智能车设计 系 别自动化工程系 专 业测控技术与仪器 班 级5060815 姓 名李毅楠 指导教师马淑华 2010 年 6 月 16 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 1 页 基于飞思卡尔单片机的智能车设计 摘 要 本论文以第四届全国大学生飞思卡尔杯智能车竞赛为基础 围绕飞思卡尔单片机 MC9S12DG128B 通过一个CMOS摄像头检测模型车的运动位置和运动方向 用光电 传感器检测模型车的速度并使用PID控制算法调节驱动电机的转速和舵机的方向 完成 对模型车运动速度和运动方向的闭环控制 在系统设计中 我们自行设计了硬件电路板 在总结了设计过程中的经验教训后 我们将电源设计和电机驱动设计做了很大的调整 经过反复测试对比后 在电源模块 选用了更加稳定的线性电源模块TPS7350 电机驱动模块由最初组委会提供的单片 MC33886发展到了由分立元件制作的可逆双极型桥式驱动H桥电路 额定工作电流可以 轻易达到70安以上 相对于MC33886能提供的最大6A的电流来说 大大提高了电动机 的工作转矩和转速 在软件设计上我们使用PID控制算法调节驱动电机的转速和舵机的 方向 并通过识别路径对参数进行更改 完成对模型车运动速度和运动方向的闭环控 制 经过试验对比 实验结果表明 系统设计方案可行 关键词 智能车 MC9S12DG128 CMOS 摄像头 PID 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 I 页 The Design and Research of Intelligent Vehicle Based on 16 bit MCU MC9S12DG128B Author LiYinan Tutor Ma shuhua Abstract We will demonstrate a intelligent vehicle system based on the micro controller unit MC9S12DG128 in this paper through a CMOS camera movement detection model vehicles the location and movement direction photoelectric sensor detection model with the speed of vehicles and use the PID control algorithm for adjustment drive motor speed and direction of the steering gear model cars to complete the movement speed and direction of movement of the closed loop control In system design we design a hardware circuit board at the conclusion of the design lessons learned in the process we will supply the design and motor drive design has done a lot of adjustment contrast after repeated tests the power supply module in the selected more stable linear power supply module TPS7350 motor drive modules provided by the organizing committee from the initial development of the MC33886 single chip discrete components produced by the reversible bipolar H bridge driver bridge circuit rated operating current can easily reach more than 70A the relative with the MC33886 can provide the greatest 6A of the current term greatly enhanced the work of the motor torque and speed In software design we use the PID control algorithm for adjustment drive motor speed and direction of the steering gear model cars to complete the movement speed and direction of movement of the closed loop control Trial comparing the experimental results show that the system design is feasible Key Words Intelligent Vehicle MC9S12DG128B CMOS camera PID 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 1 页 目目 录录 1 绪论 1 1 1智能车竞赛背景介绍及意义 1 1 2智能车系统设计思路及方案分析 1 1 3系统章节安排 3 2硬件电路的设计与实现 4 2 1以 S12 为核心的单片机最小系统 4 2 2电源稳压电路 7 2 3摄像头 8 2 4摄像头采集模块 8 2 5电机驱动电路 9 2 6速度传感器 14 2 7加速度传感器 15 2 8去抖动电路 16 3图像采集 18 3 1CCD 摄像头和 CMOS 摄像头 18 3 2视频信号传输格式 19 3 3图像采集算法 20 3 4图像处理算法 22 3 5根生长法黑线轨迹提取 23 4道路类型识别及决策与控制 27 4 1直道识别 27 4 2弯道识别 29 4 3小 S 道识别 30 4 4大 S 道识别 32 4 5方向决策与控制 32 4 6速度决策与控制 34 5系统调试 35 5 1软件开发环境 35 5 1 1 CodeWarrior IDE 35 5 1 2 调试器 36 5 2辅助调试工具 36 5 2 1 LED 指示灯 36 5 2 2 拨码开关 37 5 2 3 无线调试模块 37 5 2 4 示波器 38 结 语 39 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 2 页 致 谢 40 参考文献 41 附 录 42 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 1 页 1 绪论 1 1智能车竞赛背景介绍及意义 全国大学生飞思卡尔杯智能车竞赛是教育部主办的面向全国大学生的五大赛事之 一 另外四个 数学建模 电子设计 机械设计 结构设计 全国大学生智能汽车 竞赛是在竞赛组委会提供的统一汽车模型平台上 使用飞思卡尔半导体公司的 8 位 16 位微控制器作为核心控制模块 通过设计道路识别传感器和电机驱动电路 编写相 应软件及装配模型车 制作一个能够自主识别道路的模型汽车 按照规定路线 路线 赛前未知 行进 以完成时间最短者为优胜 Freescale公司是目前全球领先的半导体公司之一 它为汽车电子 消费电子 工 业控制 网络和无线市场设计并制造了众多的嵌入式半导体产品 拥有多达19 000种 产品 Freescale公司是全球十大芯片制造商之一 在8位 16位和32位微控制器领域 处于领先地位 智能汽车竞赛所使用的自动控制器是以单片机MC9S12DG128为核心 配合有传感器 电机 舵机 电池以及相应的驱动电路 它能够自主识别路径 控制模型车高速稳定 运行在跑道上 比赛按照赛车进行道路检测方式的不同分为光电组和摄像头组 如果 赛车使用了透镜成像原理进行道路检测则属于摄像头组 其余属于光电组 全国大学生智能车竞赛已经成功举办了四届 比赛规模不断扩大 比赛成绩不断 提高 通过比赛 促进了高等学校素质教育 培养了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 激发了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 求真务实的学风和团队协作的人文精神 为优秀人才的脱颖而出创造了 条件 1 2智能车系统设计思路及方案分析 智能车竞赛已成功举办了四届 水平越来越高 每一届都能有很多创意值得学习 也会有一些教训需要吸取 我们对所能找到的资料进行了认真的分析和总结 从而确 定了我们的设计思路 首先 采用低重心设计 前几届的比赛中 不乏因重心过高而翻车的例子 重心 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 2 页 成了进一步加快智能车弯道速度的限制之一 反观一些速度很快的赛车 重心一般都 比较低 有个别例外 因此 尽可能降低重心成为我们设计智能车过程中始终重点 考虑的问题之一 对智能车重心影响最大的当属摄像头及其支架 支架选择轻质材料 制作 且在不影响道路识别的情况下 尽量降低支架高度 还可以通过减小PCB版面积 低位安装来降低重心 第二 提高图像的分辨率 增强摄像头及算法对光线的适应性 在赛场上 智能 车因无法适应场地光线 从而无法完成比赛 是一件很可惜的事情 我们从摄像头的 选型到程序的编写 再到平时的调试 始终注意了提高智能车道路检测系统对场地光 线的适应性 我们选用了CMOS摄像头 它一方面可以提供很高的分辨率 另一方面对 光线的适应性也很好 第三 在算法设计上 要实现 抄近道 的跑法 所谓 抄近道 是指智能车 并不是严格沿着黑线行进 而是在保证不犯规的情况下 走最短的路径 抄近道 也就是路径优化 如何实现路径优化 是我们软件设计中重点解决的问题之一 最后 减轻车重 调整车模机械结构 也可以有效地提高智能车的平均速度 在智能车硬件电路的设计上 我们采用了模块化的设计思想 将整个系统分为最 小系统板 电源模块 驱动模块 图像采集模块等若干模块 每个模块只负责完成特 定的功能 与其他模块之间相对独立 这种 分而治之 的模块化硬件设计思想 把 复杂的系统分为若干功能模块 方便了小组内进行分工设计 同时 由于进行了模块 化划分 电路规模也相对变小了 减小了出错的几率 增大了成功率 在前期开发阶 段 可以对各个模块进行单独测试 保持各模块间接口定义不变 各模块可以单独升 级换代 具有一定的通用性 在调试过程中 每一模块均有备件 且拆装替换方便 如果某一模块出故障或需 要升级 可以马上替换 不会出现因一点小故障导致调试工作无法进行的问题 这也 保证了我们的调试进度 比如 我们针对驱动模块 电源模块在调试过程中出现的问 题 对这两个模块进行了改进 此外 对数字摄像头模块也进行过改进 提高了图像 的质量 这些改动都没有对我们的调试进度产生大的影响 对于系统软件的设计 我们也力图使软件模块化 层次化 在程序中 有一个专 门的 h和 c文件负责和硬件的接口 如果在调试中改动了硬件 只需改变这两个文件 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 3 页 中的部分设置 其他部分程序不需要改动 这样的设计方便了我们调试软件 提高了 代码的可重用性 也减小了出错的几率 1 3系统章节安排 本文在第二章对MC9S12DG128单片机各个模块进行介绍 第三章介绍摄像头的信号 传输并对摄像头信号的采集进行研究 第四章介绍路径识别与控制相关内容 第五章 介绍软件环境及硬件辅助工具 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 4 页 2硬件电路的设计与实现 按照比赛要求 我们设计了整个硬件电路的结构图 如图3 1所示 系统力求简单 高效 在满足比赛要求的情况下 使硬件结构最简单 减少因硬件而出现的问题 图 2 1 智能车系统结构图 2 1以 S12 为核心的单片机最小系统 单片机最小系统板使用 MC9S12DG128 单片机 80 引脚封装 MC9S12DG128 是 Freescale 公司推出的 S12 系列微控制器中的一款增强型 16 位微 控制器 其集成度高 片内资源丰富 接口模块包括 SPI SCI I2C A D PWM 等 它不仅在汽车电子 工业控制 中高档机电产品等应用领域有广泛的用途 而且在 FLASH 存储控制及加密方面也有很强的功能 MC9S12DG128 微控制器采用增强型 16 位 S12CPU 片内总线时钟频率最高可达 25MHz 片内资源包括 8KB RAM 128KBFLASH 2KBEEPROM SCI SPI PWM 串 行接口模块 PWM 模块可设置成 4 路 8 位或 2 路 16 位 可宽范围选择逻辑始终频率 它还提供 2 个 8 路 10 位精度 A D 转换器 控制器局域网模块 CAN 和增强型捕捉定时 器 并支持背景调试模式 BDM 下面主要介绍 S12 系列的特点 基本结构 引脚功能 操作模式 振荡电路 系 统运行监视 实时中断 复位电路等 1 S12 的核心 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 5 页 16 位 S12CPU 20 位 ALU 指令队列 增强型索引寻址 多种外部总线接口 MEBI 模块映射控制机制 MMC 中断控制 INT 断点 BKP 背景调试模块 BDM 2 CGR 时钟和复位发生器 锁相环 PLL 看门狗 COP watchdog 实时中断 RTI 时钟监视器 CM 3 带中断功能的 8 位和 4 位端口 可编程的上升沿或下降沿触发 4 存储器 128 KB FLASH 2 KB EEPROM 8 KB RAM 5 2 个 8 通道模 数转换器 10 位精度 外部触发转变功能 6 3 个 1Mbps 的 CAN 总线模块 兼容 CAN2 0 A B 5 个接受缓冲器 3 个发送缓冲器 4 个独立的中断通道 分别是发送中断 接受中断 错误中断和唤醒中断 低通滤波器唤醒功能 7 增强型捕捉定时器 16 位计数器 7 位预分频功能 8 个可编程输入捕捉或输出比较通道 4 个 8 位或 2 个 16 位脉冲累加器 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 6 页 8 8 个 PWM 通道 每个通道的周期和占空比由程序决定 8 位 8 通道或 16 位 4 通道 各通道独立控制 脉冲在周期内中心对称或左对齐输出 可编程时钟选择逻辑 紧急事件关断输入 可作为中断输入 9 串行口 2 个异步串行通信接口 SCI 2 个同步串行设备接口 SPI Byteflight 模块 10 I2C 总线 兼容 I2C 总线标准 多主 I2C 总线模块 11 LQFP 112 和 QFP 80 封装选择 5V 输入和带驱动能力 I O 5VA D 转换器输入 50MHz 系统频率 相当于 25MHz 总线频率 单线背景调试模块 片上硬件断点 图 2 2 最小系统 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 7 页 2 2电源稳压电路 本系统中电源稳压电路有三路 一路为 5V 稳压电路 第二路为 9V 稳压电路 为整个智能模型车自动控制系统中除后轮驱动电机 转向舵机外的所有设备供电 其中 5V 稳压电路采用 TPS7350 TPS7350 是微功耗低压差线性电源芯片 具有 完善的保护电路 包括过流 过压 电压反接保护 使用这个芯片只需要极少的外围 元件就能构成高效稳压电路 TPS7350 具有较低的工作压降和更小的静态工作电流 可以使电池获得相对更长的使用时间 由于热损失小 因此无需专门考虑散热问题 RESET 8 SENSE 7 OUT 6 OUT 5 GND 1 EN 2 IN 3 IN 4 U4B 串串5V串串 0 1uF C16 Cap 7 10uF C17 Cap Pol1 VCC 100uF C19 Cap 图 2 3 TPS7350 电源稳压电路 为了保证单片机在低电压供电时的可靠性 我们进一步选择 DC DC 电源稳压电路 DC DC 是开关型稳压电路 它的优点是电路结构简单 对电源的高频干扰有较强的抑 制作用 效率高 输入电压的范围宽 输出电压 电流的纹波值较小 DC DC 电源稳 压电路原理图如图 3 4 所示 图 2 4 DC DC 稳压电路原理图 整个系统中只有摄像头采用 9V 电压 因为自己设计的可调的电源稳压电路使用的 元器件比较多 在设计 PCB 电路板的时候会占用很大的空间 所以我们使用了比较简 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 8 页 单的办法 直接用 DC DC 为摄像头供电 电路图和 2 4 相同 只是采用的是 0509 的 型号 输入电压相同 输出电压不同而已 舵机的工作电压为 4 6V 在舵机稳定工作的前提下 电压越高舵机的响应速度越高 因此我们设计了 6V 的工作电压 并保留了电池电压的接口 6V 的电压采用 TPS7350 芯片 在接地端串联两个二极管 使端电压抬高 1V 电路图不再重复 2 3摄像头 在选择摄像头时 我们对目前可选的各种摄像头进行了比较和实验 目前市面上 常见的摄像头主要有 CMOS 和 CCD 两种 上届比赛我们采用的是 CCD 摄像头 CCD 摄像头具有对比度高 动态特性好的优点 但需要工作在 12V 电压下 对于整个系统 来说过于耗电 且图像稳定性不高 CMOS 摄像头体积小 耗电量小 图像稳定性较 高 因此 经过实验论证之后我们决定采用 CMOS 摄像头 对于 CMOS 摄像头又分数 字和模拟两种 在华北区预赛中 我们看到有不少队采用了数字摄像头的方案 本着 严谨的态度 我们在预赛之后选用了 OV7620 进行实验 对数字摄像头的可行性进行 论证 实验之后 得出结论 数字摄像头 OV7620 可以直接输出 8 路数字图像信号 使主板硬件电路的简化成为可能 且能够达到 60 帧 S 的帧速率 但需要对其内部寄存 器进行适当设置 且受环境影响较大 适应性较差 因此 最终我们采用了 CMOS 模 拟图像传感器方案 最终采用的 SS2000A 2 B 2 摄像头具体参数如下 摄像头参数 320 线 照度 0 5LUX 0 01LUX 输出制式 PAL 制式标准视频信号 镜头及视角 3 6mm 92 供电电压 消耗功率 9V 20mA 2 4摄像头采集模块 我们使用了 LM1881 芯片对黑白全电视信号进行视频同步分离 得到行同步 场 同步信号 由 LM1881 及其外围电路构成的摄像头采样电路如图 2 5 所示 摄像头视频 信号端接 LM1881 的视频信号输入端 同时也接入 S12 的一路 AD 转换端口 选用 AD0 LM1881 的行同步信号端 引脚 1 接入外部中断引脚 IRQ 同时将 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 9 页 LM1881 的场同步信号和奇 偶场同步信号输入到 ECT 模块中 选用 PT1 PT2 这 样 既可以采用查询方式获取奇偶场信号跳变 又可以采用脉冲捕捉方式获取电平变 化 通过这样的接线 为软件开发提供了多种选择的机会 使程序更加灵活 510pF C7 Cap 0 1u C9 0 1u C8 750 R14 Res1 680k R13 Res1 COMP SYNC O 1 COMP VID IN 2 VERT SYNC O 3 GND 4 BACK PORCH 5 RST 6 ODD EVEN O 7 VCC 8 U1 LM1881N AD1 VCC hangxinhao PE1 图 2 5 视频同步分离电路 其中 引脚 2 为视频信号输入端 引脚 1 为行同步信号输出端 引脚 3 为场同步 信号输出端 当摄像头信号的场同步脉冲到来时 该端将变为低电平 一般维持 230us 然后重新变回高电平 引脚 7 为奇 偶场同步信号输出端 当摄像头信号处于奇 场时 该端为高电平 当处于偶场时 为低电平 事实上 不仅可以用场同步信号作 为换场的标志 也可以用奇 偶场间的交替作为换场的标志 2 5电机驱动电路 第一代驱动电路采用一片组委会提供的 MC33886 驱动电机 33886 作为一个单片电路 H 桥 是理想的功率分流直流马达和双向推力电磁铁控 制器 它的集成电路包含内部逻辑控制 电荷泵 门控驱动 及低读选通 on 金属 氧化物半 导体场效应晶体管输出电路 33886 能够控制连续感应直流负载上升到 5 0 安培 输出负载脉宽调制 PWM ed 的频率可达 10 千赫一个故障状态输出可以报告欠压 短路 过热的情况 两路独立输入 控制两个半桥的推拉输出电路的输出 两个无效输入使 H 桥产生三态输出 呈现高阻抗 33886 制定的参数范围是 40 C TA 125 C 5 0V V 28V 集成电路也可以工作 在 40V 通过降低规定的定额值 特点 与 MC33186DH1 类似的增强特性 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 10 页 5 0v 至 40v 连续运转 120m RDS ON H 桥 MOSFETs TTL CMOS 兼容输入 PWM 的频率可达 10 千赫 通过内部常定时关闭对 PWM 有源电流限制 依靠降低温度的阈值 输出短路保护 欠压关闭 故障状况报告 33886 简化内部结构图如图 2 6 所示 图 2 6 MC33886 芯片内部封装图 芯片的封装如图 2 7 所示 图 2 7 MC33886 芯片外部引脚的封装图 各个引脚的功能如表 2 8 所示 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 11 页 表 2 8 MC33886 引脚对应功能列表 终端终端名称正式名称定义 1AGND模拟接地低电流模拟信号接地 2FSH 桥故障状态故障状态场效应管低电平有效 要求上拉电阻上升到 5V 3IN1逻辑输入控制 1 实际逻辑输入控制的 1 口 4 5 1 6 V 电源供电正电源连接 6 7OUT1H 桥输出 1H 桥输出 1 8 20DNC静止连接在应用中不连接或者接地 9 12PGND电源接地装置电流高功率接地 13D2无效 2输入低电位有效 用于使两个 H 桥输出同时三态无效 当 D2 为逻辑低 输出都是三态 14 15OUT2H 桥输出 2H 桥输出 2 17CCP电荷泵电容器外部充电电容器连接内部电荷泵电容器 18D1无效 1输入低电位有效 用于使两个 H 桥输出同时三态无效 当 D1 为逻辑低 输出都是三态 19IN2逻辑输入控制 2 实际逻辑输入控制的 2 口 在调速过程中发现 芯片内通过电流太大 MC33886 发热量很大 导致 MC33886 的 FS 引脚置位 从而使其不工作 反向制动后这种情况更为严重 第二代驱动电路改用两片 MC33886 并联 使用两片 MC33886 将堵转时通过电流 的极限值提升了 这需要在设计 PCB 板时采用合理的布线方案 以提高整个驱动系统 的可靠性 在设计 PCB 时还要为 MC33886 添加散热盘 降低其工作时的温度 为增 强驱动能力 我们设计了第三代驱动电路 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 12 页 第三代电机驱动板为一个由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器 其功率元件由四支 N 沟道功率 MOSFET 管组成 额定工作电流可以轻易达到 70A 以 上 相对与 MC33886 能提供的最大 6A 的电流来说 大大提高了电动机的工作转矩和 转速 该驱动器主要由以下部分组成 PWM 信号输入接口 功率 MOSFET 管栅极驱 动电路 桥式功率驱动电路等 功率 MOSFET 管的驱动芯片为 TD340 由功率 MOSFET 管搭建的驱动电路原理如图 2 8 所示 图 2 8 由 MOSFET 管构成的 H 型 PWM 变换器电路 直流电机脉宽调速通过改变控制电压的脉冲宽度来改变加在直流电机上的平均电 枢电压的大小 从而改变直流电机的转速 图 3 13 所示为可逆的 PWM 变换器主电路的 H 型结构形式 图中 4 个 MOSFET 管的基极驱动电压分为两组 其中 Q2L 和 Q1H 为一 组 当 Q2L 接收 PWM 信号导通时 Q1H 常开 而 Q2H 和 Q1L 截止 这时 电机两端得到 电压而旋转 而且占空比越大 转速越高 由于直流电机是一个感性负载 当 MOSFET 关 断时 电机中的电流不能立即降到零 所以必须给这个电流提供一条释放通路 否则将产生 高压破坏器件 处理这种情况的通常方法是在 MOSFET 管旁边并联一个二极管 使电流 流过二极管 最后通过欧姆耗散的方式在二极管中消失 对于大电流 耗散是重要的排 放方法 这里必须使用高速二极管 电机反转时道理相同 TD340 的模拟输入控制电路如图 2 9 所示 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 13 页 图 2 9 TD340 的模拟输入控制电路 TD340 驱动器芯片是 ST 微电子公司推出的一种用于直流电机的控制器件 TD340 芯片是 N 沟道功率 MOS 管驱动器 适合于直流电机控制 图 2 10 为 TD340 的输入电 压与输出 PWM 间的特性曲线 该器件内集成有可驱动 N 沟道高边功率 MOS 管的电荷 泵和内部 PWM 发生器 可进行速度和方向控制而且功耗很低 同时具有过压 20V 欠压 6 2V 保护功能 以及反向电源有源保护功能 TD340 内含可调的频率开关 0 25kHz 及待机模式 且集成有看门狗和复位电路 除此之外 TD340 芯片还具有 H 桥直流电机部分和微控制器之间的必要接口 直流电机的速度和方向可由外界输入 给 TD340 的信号来控制 其中速度由 PWM 来控制 当然 也可以接受外部的 PWM 信号 当 TD340 的 CF 端通过电容接地时 0 5V 的模拟输入即可产生 PWM 输出 实 际上 当 CF 端直接接地时 输入 TD340 的数字信号就可直接产生 PWM 信号 图 2 10 TD340 的电压 占空比特性曲线 本文所设计的直流电机调速系统框图如图 2 11 所示 该系统由信号输入电路 TD340 和 H 桥电路组成 TD340 用于构成 PWM 发生器 功率放大电路是由 4 个 MOSFET 管组成的 H 桥电路 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 14 页 TD340 负载直流电机 信号输入 H桥功率 放大电路 图 2 11 直流电机 PWM 调速系统框图 图 2 12 为本系统中直流电机 PWM 调速系统的电路原理图 图中的 MOSFET 管采 用 STP100NE04L STP100NE04L 的优点是开关速度快 通路电阻低和电压门信号低 适 合于大电流和低电压运行 当加上一个足够的门信号电压时 功率 MOSFET 的通路电阻 小于常规二极管 而在没有门信号电压的情况下 它具有常规二极管的反向特性 开关 K 用于控制直流电机 M 的正反转 开关向上时 电机正转 开关向下时 电机反转 可调 电阻 R1 用于调节 TD340 的模拟电压输入值 进而输出可调 PWM 信号 同时给 MOSFET 的门极施加开关驱动信号并通过调节占空比的大小来调节直流电机 M 的转速 电阻 R1 R4 用于控制 MOS 门的升降时间 也有利于避免门电压的振荡 门电压的振荡通常是 与门电容处的连接线的平行电感所引起的 R1 R4 的值通常为 10 100 电容 C6 用 于存储能量并对通过电桥的电压进行滤波 在电压上升和下降期间 为了保证系统的可 靠性 可在两个低端 MOS 管的门极各接一个下拉电阻以确保电桥保持关断 但高端 MOS 管不能接下拉电阻 因为电荷泵不能为其提供必要的电流 10uF C1 C6 220nF R422 R022 R322 R15 6K R222 C2 22nF C3 22nF Vbat 1 Vout 2 Reset 3 Cwd 4 Wd 5 Stby 6 Temp 7 In1 8 In2 9 Cf 10 Gnd 11 L1 12 L2 13 S2 14 H2 15 Cb2 16 S1 17 H1 18 Cb1 19 Ocs 20 TD1 TD340 PP3 PP2 D 2 G 1 S 3 Q2 IRF3205Q1 IRF3205 D 2 G 1 S 3 Q3IRF3205Q4 IRF3205 1 2 Moto1 MOTOR C4 470uF L1 L1 C5 0 1uF 7 0 7 0 7 0H1H1 S1 S1 H2 H2 S2 L2 L2 图 2 12 直流电机 PWM 调速系统原理图 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 15 页 经试验证明 由 TD340 和 H 桥构成的直流电机调速系统具有元件需求少 所占空 间小 装配成本低等优点 此电路可靠性高 控制方便 具有较高的实用价值 2 6速度传感器 由于我们在测试过程中发现智能车在实际速度控制中对反应车速的控制信号波形 要求不是太高 因此在满足比赛要求的基础上尽量简化电路 使用自制的光电编码器 来测速 我们使用线切割在直径为 30mm 的圆盘周围加工出 20 个细缝 使用红外光电 对射管作为采集码盘脉冲可鉴向的传感器 在实际测试中得到了较好的效果 速度传 感器实物图如图 2 7 所示 图 2 7 测速安装方式 2 7加速度传感器 由于决赛的赛道增加了坡道 而赛车在通过坡道时由于车体上仰 摄像头有一定 时间无法扫描到赛道 这段时间内很难对舵机做出正确的控制 因此在高速通过坡道 时很有可能会出现跌落坡道的危险 同时 如果通过坡道速度过快 赛车会飞离赛道 当赛车再次回到赛道时产生的剧烈震动会对赛车状态产生极大影响 在第四届的比赛 规则中又增加了窄赛道和 0 5cm 的突起提示赛道 综合以上三方面因素 赛车通过坡 道和窄赛道时 应当适当减速 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 16 页 图 2 8 模型小车坐标系示意图 为了准确识别坡道和窄赛道 我们采用了加速度传感器 MMA7620Q NC 11 NC 10 NC 9 SLEEP 12 NC 8 NC 7 NC 6 NC 5 VSS 4 VDD 3 G2 2 G1 1 NC 16 Xout 15 Yout 14 Zout 13 U7 Component 1 0 1uF C23 Cap 1K R23 Res2 0 1uF C27 Cap 1K R24 Res2 0 1uF C24 Cap 1K R22 Res2 串串串串串 AD0 AD2 AD3 3 3v 3 3v 1 2 3 P14 Header 3 1 2 3 P15 Header 3 3 3v 3 3v 图 2 9 加速度传感器电路 MMA7620 芯片能够以模拟信号方式输出 X Y Z 三个方向上的加速度 可通过 拨码开关选择合适的量程 在赛车通过坡道和窄赛道时 会在 Z 方向上产生一个比较 明显的加速度信号 通过检测这个信号就可以比较准确地识别赛道 从而在通过时适 当减速 确保赛车能够安全平稳地通过 2 8去抖动电路 理想开关在外部敞励作用下瞬时发生状态改变 导通电阻为零 当然 这种开关 在实际应用中是找不到的 实际开关都有一定大小的电阻 通常称之为接触电阻 阻 值随时间 开关次数的增加而变大 新的开关 其接触电阻范用通常为 50 毫欧 100 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 17 页 毫欧 具体阻值大小与开关的触点材料 流过电流大小 环境条件及使用场合都有关 系一开关改变开 合状态时 都要经历几个不稳定周期 即 接触抖动 才能进入稳态 在开关闭合瞬间会产生比稳态时高出 2 9 倍的浪涌电流 抖动现象在开关的断开和闭 合过程中都会出现 产生的电弧会导致接触磨损 增大接触电阻 降低可靠性 在按下单片机复位开关时 也会发生这种情况 因此为复位开关加上一个去抖动 电路显得很有必要 在经过反复比较之后 我们选用了 MAXIM 公司生产的 MAX6816 芯片 如图 2 10 所示 图 2 10 去抖动电路 MAX6816 是一个 CMOS 开关去抖芯片 直接与 SPST 开关相连 输入端内部集成 了 63k 上拉电阻 保证开关断开时提供逻辑高电平输出信号 节省了 PCB 板面积 闭 合开关将使输出端产生逻辑低电平 直到输入端稳定 40ms 以上的时间后 OUT 端大 的状态才改变 消除了开关抖动的影响 由于开关负载是内部一个 63kW 的阻性负载 保证了开关使用寿命 而且 有研究结果表明 因 ESD 静电释放 引起的电子器件或系统失效占总失 效的比率大约为 10 30 物体产生静电的形式多种多样 比如 两个物体相互摩擦 会产生静电 即通常的摩擦生电 我们所用的赛车在比赛过程中会因为轮胎和 KT 板 的摩擦产生很多的静电 避免 ESD 损坏必须考虑环境因素 例如湿度 湿度大可以减 少 ESD 现象 但不能完全杜绝 如果要从根本上解决问题 必须在电路中采用某种形 式的 ESD 保护措施 以防止带静电的物体直接或间接碰到系统 I O 口线 MAX6816 允许的输入信号电压范围高达 25V 同时具有 15KV 的 ESD 保护能力 它提供的 ESD 保护在各种状态都发挥作用 无论是正常工作期间 还是上电 掉电过程 采用 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 18 页 这种把 ESD 保护和开关去抖动功能集成一体的器件 能够大大减小电路板的面积 减 少元件数量 从而提高系统的可靠性 改善系统性能 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 19 页 3图像采集 3 1CCD 摄像头和 CMOS 摄像头 摄象头的作用是将通过镜头聚焦于像平面的光线生成图像 本小节将主要讨论CCD change coupled device 和CMOS complementary metal oxide semiconductor 两 种重要的转感器技术 两者的主要区别是从芯片中读出数据的方式即读出结构不同 CCD 传感器 介绍 CCD 传感器为便于理解须从线阵式摄象机这种简单结构开始 此 CCD 传感 器由一行光线敏感的光电探测器组成 光电探测器一般为光栅晶体管或光电二极管 我们的讨论不涉及光电探测器所包含的物理方面的问题 我们仅把光电探测器看成是 能将光子转换为电子并将电子转为电流的设备 每种光电探测器都有最多可以贮存电 子在数量的限制 常取决于光电探测器的大小 暴光时光点探测器累积电荷 通过转 移门电路 电荷被移至串行读出寄存器从而读出 每个光电探测器对应一个读出寄存 器 读出过程是将电荷转移到电荷转换单元 转换单元将电荷转换为电压 并将电压 放大 转移门电路及串行读出电路是电子耦合设备 每个 CCD 最多由 4 个门组成 这些门在一定方向上传输电荷 电荷转换为电压并放大后 就可以转换为模拟或者数 字视频信号 对于数字视频信号 是由模拟电压通过 ADC 转换为数字电压的 线阵传感器只能生成维数为 1 n 的图像 在实际中用途有限 因此常通过多行组合 成 m n 维图象 为得到有效图像 线阵传感器必须作相对于物体的运动 平板扫描仪 即是利用此种原理 使用线阵传感器采集图像时 传感器必须与被测物体平面平行并 与运动方向垂直以保证得到矩形像素 同时根据线阵传感器的分辨率 线采集必须与 摄象机 被测物体间相对速度匹配以得到方形图像 假设运动速度是恒定的 这样可 以保证所有像素采集到的图像具有一致性 面阵式传感器 与线阵所不同的是 面阵式传感器转换完成后的电荷是按行的顺 序转移到串行读出电路寄存器 然后与线阵传感器的方式一样转换为视频信号 在读 出过程中 光电传感器还在曝光仍然有电荷在积累 由于上面的像素要经过下面的像 素移位移出 因此像素积累的全部场景信息就会发生拖影现象 为了避免拖影现象 必须加上闪光灯或者机械快门 这是全帧转移性面阵传感器的最大缺点 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 20 页 为了避免全帧转移型传感器的拖影问题 全帧转移型传感器加上另外的传感器用 于储存 在这个传感器上覆盖有金属光屏蔽层 构成帧转移型面阵传感器 对于这种 类型传感器 图像产生于光敏传感器 然后转移至有光屏蔽的存储阵列 在空闲时将 图像对应的电压数值从存储阵列读出 CMOS 传感器 CMOS 传感器通常采用光电二极管作为光电传感器 与 CCD 传感器不同 光电二 极管中的电荷不是顺序的转移到读出寄存器 CMOS 传感器的每一行都可以通过行和 列选择电路直接选择读出 在这方面 CMOS 传感器可作为一个 RAM 来使用 CMOS 传感器的随机读取特性使其容易实现图像的矩形感兴趣区域读出的 AOI Area Of Interest 方式 3 2视频信号传输格式 上文已经有所提及 视频信号分模拟和数字信号两种 区别在于摄像头内部是否 存在 ADC 转换芯片并进行了 AD 转换 输出模拟视频信号 Analog Video Signals 的 模拟式摄像头内部不进行数模转换而直接输出信号 数字式摄像头恰是内部存在 ADC 转换而输出数字视频信号 Digital Video Signals 下面分述两种信号特点 模拟视频信号 Analog Video Signals 模拟视频标准制定于 20 世纪 40 年代初始 由于该标准应用时间长 制作模拟摄 像机的器件相对便宜 因此许多摄像机还是采用模拟信号进行信号传输 尽管对于电 视机有多种模拟视频标准 但对于机器用视觉来说 有 4 种是比较重要的 即是 EIA 170 和 CCIR 此两为黑白视频标准 以及 PAL 和 NTSC 制式 此两为彩色视频 标准 这几种标准的主要区别在于 EIA 170 制式和 NTSC 制式帧率为 30Hz 每幅图 像有 525 行 Line 而 CCIR 制式和 PAL 制式帧率为 25Hz 每幅图像有 625 行 在 此 4 个标准中 每行的传输时间基本相同 在 525 和 625 行中 有 40 或 50 行有名无 实 被用作同步信号来表示新的一帧的开始 EIA 170 和 NTSC 每行中的 10 9 us 以及 CCIR 和 PAL 制式中每行的 12us 也被用作同步信号 因此 EIA 170 和 NTSC 制式的图 像大小为 640 480 而 CCIR 和 PAL 制式图像大小为 768 576 从以上特征可以看出 每个像素的采样时间大约为 82 ns 和 68 ns 一幅图像是以两场隔行传输的 对于 EIA 170 第一场包括所有偶数行 第二场 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 21 页 包括所有奇数行 对于 CCIR 顺序先是奇数行然后是偶数行 每行都由含有水平同步 信息的水平消隐间隔和包含实际图像信号的行有效间隔组成 水平消隐间隔由消隐前 肩 水平同步脉冲以及消隐后肩组成 消隐前肩视频信号被置为消隐电平 水平同步 脉冲时视频信号被置为同步电平 消隐后肩视频信号又被置为消隐电平 对于 CCIR 消隐前肩和消隐后肩为 1 5 us 和 5 8 us 消隐前肩的作用是使老式的电视机的视频信号 稳定下来 以避免行间串扰 水平同步脉冲用于表示每行有效信号的开始 消隐后肩 的作用是使早期的电视定时器中较慢的电子器件有时间相应同步脉冲并为有效信号作 好准备 在有效行周期 信号在黑白电平之间变化 对于 CCIR 黑电平为 0 而对于 EIA 170 为 7 5 每场都是以几个垂直同步脉冲序列开始的即存在消隐行 EIA 170 存在 20 个消隐行 CCIR 为 25 行 数字视频信号 Digital Video Singals 模拟视频的同步信息是包含在信号中的 与其相反 数字视频的同步信息是分离 的 相当与一个模拟视频摄像头外加一个视频信号分离芯片 同样 表示一行持续时 间的行有效信号取代了水平同步信号 对于数字摄像机 图像像素的宽高比与摄像机 的宽高比相同 而且不会产生列抖动 为了生成数字视频信号 摄像机会将传感器输 出的电压进行模数转换 然后将产生的数值串行或并行的的传输到图像采集卡 3 3图像采集算法 摄像头采用隔行扫描模式 625 行数据分为两场传输 每场数据前 21 行为场消隐 区 为无效数据 第 22 行至第 307 行为有效数据 第 307 行之后为场消隐区 其中这 285 行有效数据的数据量远远超出货单片机的运算能力 并且经过试验 40 到 60 行数据 已经可以满足要求 最终每隔 5 行采集一行数据 实际采样为 57 行 每行 43 个点 为了完成采集工作 我们使用了 2 个输入捕捉端口和一个 AD 采集端口 一个输 入捕捉用于识别场同步信号 另一个用于识别行同步信号 AD 采集端口用于读取摄像 头的灰度电平 具体流程如图 3 1 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 22 页 初始化 IC0 判断 IC0 无场上升沿 有 开启 ic0 等 待 无行上升沿 有 开启 ATD AD 转换 未完等待 存储结果至 数组 行下降 无行下降沿 有 关 AD 清 L 关 IC0 和 1 清计数器 行第 287到达 未到最后采集行 行 counter 等 待 不符合条件行 符合 图 3 1 图像采集流程图 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 23 页 3 4图像处理算法 我们需要的数据只有黑色和白色两种 而图像采集到以后是以 8 位灰度表示的 既不直观又增大了程序的运算量 所以我们要对采集到的数据进行阈值分割 采集到 的原始图像如图 3 2 所示 图 3 2 原始图像 由于摄像头是与赛道呈一定角度采集图像 远处的图像对比度小而近处的图像对 比度大 反应到图像上就是上半部分的黑线与赛道灰度相差很小 下半部分相对较大 所以在进行阈值分割的时候需要选取不同阈值进行分割 阈值分割有动态阈值分割和静态阈值分割两种方法 动态阈值是指将整行或整幅 数据经过运算得到一个平均值 作为阈值分割的分割点 静态阈值是指通过实验测得 一个符合阈值分割的值 作为分割点 动态阈值与静态阈值相比有光线适应性强的优 势 但同时也增大了程序的运算量 降低了系统的实时性 经过考虑 我们选取了带 有自动白平衡功能的 CMOS 摄像头 既提高了对光线的适应性又降低了程序运算量 阈值分割程序如下 void zero 阈值分割 int m n for m 0 m 17 m 距离小车较远的 17 行 for n 0 n 43 n if result m n 42 对比度较低处阈值分割点 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 24 页 result m n 0 x01 else result m n 0 x00 for m 170 m 57 m 距离小车较近的 40 行 for n 0 n 43 n if result m n 35 对比度较高处阈值分割点 result m n 0 x01 else result m n 0 x00 阈值分割结果如图 3 3 图 3 3 阈值分割后的图像 3 5根生长法黑线轨迹提取 阈值分割虽然可以清晰的分辨出赛道轨迹 但是并不能有效的去除干扰 赛道上 的灰尘 反光 凹凸等因素引起的干扰依然会被保留下来 做整幅图像滤波又会耗费 大量的资源和时间 经过试验我们发现 根据赛道轨迹连续性去除干扰可以达到高效 准确的提取赛道有效信息的目的 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 25 页 我们采用根生长法来提取赛道轨迹信息 根生长法是指以最靠近小车部分的图像 这部分图像距离摄像头的距离最近 对比度最高 也最可靠 为