基于红外传感器的自动寻迹智能小车设计

东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 I 页 毕业设计 论文 基于红外传感器的自动寻迹智能小车设计 系 别 专 业 班级学号 姓 名 指导教师 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 II 页 基于红外传感器的自动寻迹智能小车设计 摘 要 介绍了一种自动寻迹智能车的设计 研究了采用红外反射式光电传感器作为路径采 集模块实现自动寻迹的软硬件设计方法 系统采用Freescale 16 位单片机 MC9S12DG128 为核心控制器 利用12个红外光电传感器构成的光电传感器阵列采集路 面信息 单片机获得传感器采集的路面信息和车速信息 经过分析后控制智能车的舵机 转向 同时对直流电机进行调速 从而实现智能车沿给定的黑线快速平稳地行驶 介绍 了光电传感器的寻迹原理 讨论了光电传感器排列方法 布局等对寻迹结果的影响及速 度和转向控制的PID算法的研究和参数整定 关键字 光电传感器 寻迹 路径识别 PWM PID 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 III 页 Design of autonomous tracing smart car based on infrared sensors Author Xue Changliang Tutor Gu Deying Abstract A design of autonomous tracing system in intelligent vehicle is introduced The software and hardware design method which realizes the autonomous tracing using the infrared Reflective photoelectric sensors as the path recognition module is researched The system employs Freescale HCS series 16 bit single chip microcomputer MC9SDG128 as its main controller and an array of photoelectric sensors for recognizing the path information Single chip Microcomputer energizes the PWM signal to steer and control the speed of the DC electric motor according to the analysis of the path and speed information from sensors Consequently this intelligent vehicle can track the black guide line automatically and move forward following the line quickly and smoothly The autonomous tracing principle of photoelectric sensor is presented The effects of sensor s array method overall arrangement on the autonomous trace are discussed And the use of PID algorithm in speed and steering control Key words photoelectric sensor autonomous tracing path recognition PWM PID 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 IV 页 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 课题的研究背景 1 1 2 国内外智能车的研究现状 1 1 3 本文内容及结构安排 3 第 2 章 红外传感器的寻迹原理及布局对寻迹的影响 4 2 1 红外传感器寻迹原理 4 2 2 传感器布局对路径识别的影响 6 2 2 1 布局相关参数 6 2 2 2 一字型与八字型布局研究 6 第 3 章 智能车机械结构的调整 9 3 1 赛车参数 9 3 2 舵机安装方式调整 10 3 3 前轮定位 10 3 3 1 主销后倾角 10 3 3 2 主销内倾角 11 3 3 3 前轮外倾角 12 3 3 4 前轮前束 13 3 4 重心位置 13 3 5 齿轮传动间距调整 14 3 6 后轮差速机构调整 14 第 4 章 系统硬件设计 15 4 1 S12 控制核心 16 4 2 电源管理模块 17 4 2 1 单片机稳压电源电路设计 17 4 2 2 舵机电源模块设计 19 4 3 电机驱动模块 20 4 4 速度检测模块 23 4 5 路径识别模块 25 第 5 章 系统软件设计 27 5 1 系统的模块化结构 28 5 1 1 时钟初始化 28 5 1 2 串口初始化 28 5 1 3 AD 初始化 29 5 1 4 PWM 初始化 30 5 2 路径信息处理 32 5 3 数字滤波算法 33 5 4 小车控制算法 35 5 4 1 PID 算法 37 5 4 2 舵机控制 39 5 4 3 电机控制 39 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 V 页 第 6 章 系统调试 40 6 1 开发调试工具 40 6 2 无线调试模块 42 6 3 拨码开关调试 42 6 4 试验结果分析 42 结 论 44 致 谢 45 参考文献 46 附 录 47 附录 A 硬件原理图 47 附录 B 程序源代码 49 附录 C Sorting out PID controller differences 69 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 1 页 第 1 章 绪论 1 1 课题的研究背景 汽车工业发展已有100多年的历史 1953年 世界上第一台无人驾驶牵引车诞生 这是一部采用埋线电磁感应方式跟踪路径的自动导向车 20世纪80年代以来 智能控 制理论与技术在交通运输工程中越来越多的被应用 在这一背景下 智能汽车的概念 应运而生 智能车即轮式移动机器人 是一种集环境感知 决策规划 自动行驶等功能于一体 的综合智能系统 智能车集中地运用了自动控制 模式识别 传感器技术 汽车电子 电气 计算机 机械等多个学科的知识 随着控制技术 计算机技术和信息技术的发 展 智能车在工业生产和日常生活中已经扮演了非常重要的角色 近年来 智能车在野外 道路 现代物流及柔性制造系统中都有广泛运用 已成为人工智能领域研究和发展的热 点 目前 智能车领域的研究已经能够在具有一定标记的道路上为司机提供辅助驾驶系 统甚至实现无人驾驶 这些智能车的设计通常依靠特定道路标记完成识别 通过推理判 断模仿人工驾驶进行操作 1 1 2 国内外智能车的研究现状 智能汽车是一种高新技术密集型的新型汽车 是今后的主流汽车产品 而研究智 能汽车所必需的理论与技术支持大部分已经基本具备 正是基于这一点 国际上正在 形成智能汽车研究 设计 开发 竞赛的热潮 美国是世界上对智能汽车最为关注的国家 美国交通部已开始一项五年计划 投 入3500万美元 与通用汽车公司合作开发一种前后防撞系统 同时 美国俄亥俄州立 大学和加州大学以及其他一些研究机构正在进行全自动车辆的研制和改进工作 CMU 大学的NabLab5实验智能车是由Potiac运动跑车改装而成的 装有便携式计算机 摄像 头 GPS全球定位系统 雷达和其他辅助设备 1995年6月 NabLab5进行了横穿美国 的NHAA No Hands Across America 从宾州的匹茨堡到加州的圣地亚哥 行程 4587km 其中自主驾驶部分占98 2 美国移动导航子系统 MNA 能计算出最佳行 驶路径 还能不断地接收现场的最新交通状况 给出连续更新的指向 让车辆始终沿 着理想的路径向前行驶 此外 美国还将智能汽车的研究用于军事上 美国国防部采 用无人车去执行危险地带的巡逻任务 目前正在进行第三代军用智能汽车的研究 称 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 2 页 为Demo 能满足有路和无路条件下的车辆自动驾驶 在此基础上 美国国防部与民间的大学 企业和发明家联合开展了全球领先的智 能汽车竞赛 2007年11月 美国第三届智能汽车大赛在加利福尼亚州维克托尔举行 参赛的无人驾驶车俩的头顶有旋转的激光器 两边还有转动的照相机 内部安装有电 脑装置 这些无人驾驶的汽车完全由电脑控制 利用卫星导航 摄像 雷达和激光 人工智能系统可判断出汽车的位置和方向 随后将指令传输到负责驾驶车辆的系统 丝毫不受人的干涉 用传感器策划和选择它们的路线 参赛的无人驾驶智能汽车沿着 附近的公路飞奔 欧洲开发基金资助进行驾驶员监测 道路环境的感知 视觉增强 前车距控制以 及传感器融合方面的研究 同时 欧洲的一些国家正试验智能速度适应 Intelligent Speed Adaptation ISA 作为提高车辆安全性的手段 其构想是通过路边标志信息或卫 星定位信息以及车载数字地图进行车辆导航 并自动控制车辆速度 实验结果表明 采用该系统能使交通事故减少20 德国慕尼黑联邦国防大学与奔驰汽车公司合作研 制开发了VaMP试验车 它是由一辆豪华型的奔驰500SEL改装而成 视觉系统主要包 括道路检测与跟踪RDT和障碍物检测与跟踪ODT两个模块 在整个试验中 系统行使 了1600公里 其中95 的部分是自动驾驶的 目前在日本 夜视和后视报警系统已应用在某些汽车上 三菱公司和尼桑公司已 发布其近期可使用的防撞设备 前方防撞和车道偏离有望在1 2年内实现 本田公司 尼桑公司和丰田公司也在各自先进安全性车辆计划中发展行车安全子系统 它们包括 车道定位系统 前车距离控制系统 自动控制系统 障碍物报警系统 驾驶员打盹报 警系统和夜间行人报警系统等 日本智能公路 SmartWay 计划中 提出车辆上采用 诸如 车道保持 十字路口防撞 行人避让和车距保持等 项技术 2003年日本将开 始实施一个示范计划 到2015年将在日本全国范围内实施SmartWay计划 韩国借助于本国当前蓬勃发展的汽车工业 致力于全新的智能汽车技术在年轻一 代中的跨越式发展 在全国率先开展了大学智能汽车竞赛 每年韩国大约有100余支队 伍参赛 该项赛事得到了众多高校和大学生的欢迎 也逐渐得到了企业的关注 2 国内智能汽车的研究也不断发展 清华大学汽车研究所是国内最早成立的主要从 事智能汽车及智能交通的研究单位之一 在汽车导航 主动避撞 车载微机等方面进 行了广泛而深入的研究 清华智能车THMR V 采用分层递阶的体系结构 基于以大网 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 3 页 通信 集成有CCD 摄像机 激光雷达 磁罗盘 光码盘 GPS 等多种传感器 并建立 了相应的方向 油门 刹车三个自动控制系统 基于扩充转移网络 ATN 的道路理解 技术和基于混合模糊逻辑的控制方法 实现了车道线自动跟踪的平均车速为100km h 最高车速达到150km h 清华智能车THMR V 课题组在车道线自动跟踪技术研究方 面处于国内领先 达到国际先进的水平 上海市 智能汽车车内自主导航系统 的一种 样车 2000年7月19日通过市科委鉴定 它标志着上海智能交通系统进入实质性实施阶 段 国防科大成功试验了第四代无人驾驶汽车 它的最高时速达到了75 6km 同时 以韩国大学生智能汽车竞赛为蓝本 我国也组织了自己国内的大学生智能汽车竞赛 并受到了众多高校和大学生的欢迎 1 3 本文内容及结构安排 本文所述智能车就是一种自动导引小车 能够在给定的区域内沿着轨迹自动进行行 进 小车运行过程由方向检测和电机驱动两个部分控制 采用与白色地面颜色有较大差 别的黑色线条作引导 智能车寻迹系统采用红外反射式光电管识别路径上的黑线 并以 最短的时间完成寻迹 用单片机MC9S12DG128扫描光电传感器组 对采集到的信号进 行分析处理并做出逻辑判断后 得到行进方向 再通过加长转臂的舵机驱动前轮转向 实现智能车的循迹行进 智能车的驱动采用直流电机 并采用PWM 实现直流电机的调 速 为了使智能车快速 平稳地行驶 系统必须把路径识别 相应的转向伺服电机控制 以及直流驱动电机控制准确地结合在一起 论文共六章 包括小车的框架结构 智能车模型的调整 小车的硬件和软件的设 计和控制算法的研究等 其中 第一章为引言 主要介绍了智能车研究背景和发展现 状 第二章为红外传感器寻迹原理及布局对寻迹的影响 主要介绍了路径检测传感器 的原理及布局对寻迹的影响 第三章为智能车模型的机械结构调整 分别介绍了智能 车模型的基本参数 以及车体前轮倾角 舵机力臂 车体重心 后轮差速和齿轮不同 程度调整对智能车性能的影响 第四章为智能车的硬件系统设计 介绍了构成系统的 电源管理模块 路径识别模块 车速检测模块 显示模块 转向舵机控制模块和直流 电机驱动模块 第五章为智能车软件系统设计 包括小车软件设计的整体流程 时钟 模块初始化 A D 模块初始化 PWM 模块初始化 ECT 模块初始化 以及小车控制算 法的研究 第六章介绍了在智能车设计过程中遇到的一系列问题和解决办法 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 4 页 第 2 章 红外传感器的寻迹原理及布局对寻迹的影响 路径识别系统相当于智能车的眼睛 是整车设计的关键 实现智能车的路径识别 功能有多种方式 针对此大体有以下两种方案 1 使用CCD摄像头进行图像采集和识别 具体识别过程还涉及图像采集 图像处 理及识别等步骤 此种方法虽然有分辨率比较高 对路面的信息处理准确等优点 但 对硬件处理速度和软件算法的要求都比较严格 实时性欠佳 且成本较大 2 使用反射式光电传感器进行路径识别 这种传感器在智能识别技术中有着广泛 的应用 它可以用来检测地面明暗和颜色的变化 也可以探测有无接近的物体采用这 种方法易于实现 响应速度较快 算法相对于 CCD 较简单 实时性比较好 成本较低 缺点也是显而易见的 分辨率不高 易受外界环境光线影响 同时占用单片机端口比 较多 经过慎重分析选择 最终选定了第二种识别方案 即采用反射式传感器进行路 径识别 2 1 红外传感器寻迹原理 光电传感器按检测方式通常分为对射式和反射式 反射式光电传感器的光源有多 种 常见的有红外发光二极管 普通发光二极管和激光二极管 前两种光源容易受到外 界光源的干扰 而激光二极管发出的光的频率较集中 传感器只接收很窄的频率范围信 号 不容易被干扰 但价格较贵 红外反射式光电传感器工作时会受到多种不确定因素 的影响 如反射表面的形状 颜色 光洁度 以及日光等 因此 为了提高系统的可靠性 和准确性 通常是将发射信号经调制后送红外管发射 再由光敏管接收调制的红外信号 3 同时 要保证发射管和接收管的波长匹配 接收的反射光强度经检测电路转换得到的 输出信号电压Vout 是反射面与传感器之间距离 x 的函数 当反射面物质为同种物质时 x 与Vout 的响应曲线是非线性的 如图1 所示 设定输出电压达到某一阈值时作为目 标 不同的目标距离阈值电压是不同的 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 5 页 图2 1 输出信号与距离的关系曲线 当x 一定时 接收的反射光强度还与反射面的特性有关 在智能车系统中 红外 发射管发射的红外线具有一定的方向性 当红外线照射到白色地面时会有较大的反射 如果距离x 取值合适 红外接收管接收到反射回的红外线强度就较大 如果红外线照射 黑色标志线 黑色标志线会吸收大部分红外光 红外接收管接收到红外线强度就很弱 这样 利用红外光电传感器检测智能车行驶道路上的黑色标志线 就可以实现智能车的 自动寻迹 红外光电传感器的输出可分为数字式与模拟式两种 数字式红外传感器具有与微 处理器相对应的接口 硬件电路简单 但存在采集路径信息粗糙 丢失路径信息的缺点 模拟式红外传感器输出的模拟信号 通过将多个模拟式红外传感器进行适当的组合形成 光电传感器阵列 可以再现道路的准确信息 具有较高的可靠性与稳定性 图2 为沿车 道黑色标志线分布的阵列光电传感器的输出 实际工作时利用传感器对白色和黑色的 反射率大小 把最大 最小值之间分为n 个index 区间 通过对各个传感器index 值的 组合来获得车身相对路径标志线的位置 从而对位置和行驶方向都能做较精确的控制 图 2 2 沿黑色标志线分布的阵列光电传感器输出 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 6 页 2 2 传感器布局对路径识别的影响 使用光电传感器实现智能车的路径识别 除了要求使用的发射 接收器件的波长 特性一致 发射 接收传感器组对时 各方面性能尽量接近外 传感器的安装布局对寻迹 效果也有非常大的影响 4 2 2 1 布局相关参数 1 传感器间隔 各个传感器的布局间隔对智能车行车是有一定的影响的 道路中间黑色导引线的 宽度为 25mm 因此如果要求传感器间不出现同时感应现象 即每次采集只出现一个 传感器值为 1 那么传感器间隔就必须大于 25mm 如果将间隔设计成小于 25mm 从而产生更多的情况 有利于模型车与道路偏移距离的判断 此外 如果间隔过大 还会出现另一种情况 即在间隔之间出现空白对于防飞车能力 可以用最大限制速度 来衡量 20mm 间隔的最大限制速度在 3m s 40mm 间隔的最大限制速度则为 3 3m s 经过分析后可知 这是由于传感器间隔大造成车的横向控制范围较大 40mm 的车控 制在 13mm 内 而 20mm 的则在 7mm 内 因此它不易造成迷失 2 径向探出距离 径向探出距离是指光电传感器离车头的径向距离 它主要影响智能车的预测性能 对于未知的路径 如果能早一步了解到前方道路的情况 那么就可以早些做出调整 从而使车以相应最优策略通过道路 所以 理论上探出距离是越大越好 但是如果距 离过大 智能车可能会发生重心偏移 造成行驶不稳 振动等一系列问题 因此 为 了既能增加径向距离 又不引起重心偏移 本文可以采用带倾角的传感器安装方式 2 2 2 一字型与八字型布局研究 1 一字型布局 一字型布局是传感器最常用的布局形式 即各个传感器都在一条直线上 从而保 证纵向的一致性 使其控制策略主要集中在横向上 对于不同的间隔选择 其出现情 况数也相对不同 本文仿真试验采用的是间隔大于 25mm 且两两并列的布局方式 这 样在跑车时可以产生 13 种不同的情况 首先 对于传感器有输出值的 即其中有一传 感器照到黑道 情况 则根据其所在的位置进行相应控制 其次 对于迷失情况 可利 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 7 页 用之前哪个传感器输出情况来推断模型车时进入了哪一段区域 本文选用两两并列就 是为了能明确区分出具体区域 如果不这样排列 则当出现迷失时 将无法判断黑道 在左边还是右边 2 八字型布局 八字型布局从横向来看与一字型类似 但它增加了纵向的特性 从而具有了一定 的前瞻性 将中间两传感器进行前置的主要目的在于能够早一步了解到车前方是否为 直道 从而可以进行加速 值得一提的是 由于纵向的排列不一致 就比一字型更增加了多传感器同时感应 的可能性 一字型只可能是所有传感器同时感应 而八字型则可能出现几个传感器同时 感应的现象 因此 在决定控制策略时 必须要考虑这种情况 但反过来说 我们也可以利用 这种情况的发生来完成一些特定的判断 比如某弯道角度的确定等 最终选定一字型排布方式 发射管选择台湾亿光生产的大功率红外管 HIR383 如 图 2 3 在应用时串联一个 50 的限流电阻 发射电流增大到 100mA 对应选取波长 与 HIR383 相近的 pt334 作为接收管 并且把接收电阻增大到 50K 放大接收到的光 电信号 此外 由于采用分离式红外接收管 增大了发射功率和发射半径 相邻的红 外发射管会对同一个接收管产生干扰 因此 给每个接收管套上热缩管 使得每个接 收管只在相对应的一小块区域内接受红外信号 图 2 3 HIR383C 发射管 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 8 页 图 2 4 单排 HIR333C 红外光电管实物图 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 9 页 第 3 章 智能车机械结构的调整 车体结构是硬件中一个很重要的方面 从控制的角度来说 这部分既是系统的执 行机构又是被控对象 车模底盘参数优化和前轮参数优化等调整可以保证车体在机械 结构方面具有良好的性能 使其拥有较强的执行能力 其重要性丝毫不亚于良好的控 制决策 而保证被控对象的轻便与灵活同样有利于提高控制效果 所以 在整车的机 械结构方面 我们对转向机构 前轮定位 重心位置 车模底盘 后轮差速及齿轮传 动进行了改进 3 1 赛车参数 我们选用 1 10 Matiz 仿真车模 车模基本尺寸参数如表 3 1 表表 3 1 车模基本尺寸车模基本尺寸 基本参数尺寸 轴距197mm 前轮距124mm 后轮距136mm 车轮直径5cm 车长316mm 车宽172mm 传动比18 76 智能车参数 如表 3 2 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 10 页 表表 3 2 模型车主要技术参数说明模型车主要技术参数说明 车模长 cm 38 5 车模宽 cm 24 5 车模高 cm 13 电路功耗2A 探测距离 cm 32 传感器个数13 车模重量 kg 1 2 增加电机个数0 赛道检测精度5ms 赛道检测频率 次 S 20 3 2 舵机安装方式调整 舵机转动一定角度有时间延时 时间延时正比于旋转过的角度 反比于舵机的响 应速度 通过控制策略分析可知 舵机的响应速度直接影响模型车通过转弯通道时的 最高速度 提高舵机的响应速度是提高模型车平均速度的一个关键 提高舵机响应速 度有二个方法 一是提高舵机的工作电压 二是在机械上进行调整 根据杠杆原理 将舵机的输出舵盘适当加长 将转向传动杆连接在加长的输出盘的末端 这样就可以 在舵机输出较小的转角下 取得最大的前轮转角 提高了舵机的响应的灵敏度 3 3 前轮定位 现代汽车在正常行驶过程中 为了使汽车直线行驶稳定 转向轻便 转向后能自 动回正 并减少轮胎和转向零件的磨损等 在转向轮 转向节和前轴之间须形成一定 的相对安装位置 称作车轮定位 其主要定位参数包括 主销后倾 主销内倾 车轮外 倾和前束 Matiz 车模前轮的四项定位参数均可调 5 3 3 1 主销后倾角 主销指转向轮在转向是围绕其转动的轴 主销在汽车的纵向平面内由一个向后的 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 11 页 倾角 即主销轴线与地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角 成为 主销后倾角 如 图 3 1 所示 采用主销后请的原因是由于汽车在车轮偏转后会产生一回正力矩 纠正车 轮的偏转 后倾角 越大 车速越高 车轮偏转后自动恢复能力越强 而回正力矩过 大 会引起前轮回正过猛 加速前轮摆震 并导致转向沉重 图 3 1 主销后倾角 实验中发现 在其他情况相同的条件下 主销后倾角对车体的影响主要有以下三 个方面 l 主销后倾角太小造成不稳定 主销后倾角 接近 0 甚至小于 0 的情况下 当车 模在较高速度行驶时 转向后车模缺乏自动回正能力 舵机对转向控制过于灵活 车 速高时发飘 更容易在直道行驶时产生震荡 2 主销后倾角太大造成转向不灵活 主销后倾角 大于 6 的情况下 前轮的转向 能力明显受到限制 表现为转向沉重 控制滞后严重 3 主销后倾角不对称造成跑偏 左 右两轮之主销后倾角不相等时 车模出现跑 偏 跑偏方向朝向主销后倾角较小的一侧 基于以上分析 结合试验 将主销后倾角 调整为 2 左右 这种情况下 汽车转 向较灵活 而且在高速行驶的时候 转向后车体有一定的自动回正能力 可以使车体 运动轨迹更加平稳 行驶路线平滑 3 3 2 主销内倾角 主销在汽车的横向平面内向内侧倾斜一个 角 即主销轴线与地面垂直线在汽车 横向断面内的夹角 成为 主销内倾角 如图 3 2 所示 主销内倾角 也有利于车轮 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 12 页 自动回正作用 当转向轮在外力作用下发生偏转时 由于主销内倾的原因 车轮连同 整个汽车的前部将被抬起一定高度 当外力消失后 车轮就会在重力作用下恢复到原 来的正中位置 另外 主销内倾还会使主销轴线延长线与路面的交点到车轮中心平面 的距离减小 同时转向时路面作用在转向轮上的阻力矩也会减小 从而可减小转向时 驾驶员 舵机 施加在方向盘上的力 使转向操纵轻便 同时也减小了由于路面不平而 从转向轮输出到转向盘上的力反馈 但是主销内倾角不宜过大 否则在转向时车轮绕 主销偏转的过程中 轮胎与路面间将产生较大的滑动 从而增加轮胎与路面之间的摩 擦阻力 这不仅会使转向变的沉重 还将加速轮胎的磨损 也容易在转向是造成前轮 的滑移 图 3 2 主销内倾角与前轮外倾角 模型车通过调整前轮定位螺杆长度来改变主销内倾角 通过实验证实 6 8 的 主销内倾角对于智能车对期望轨迹跟踪的稳定性 行驶路线的平滑性以及汽车的控制 能力都比较有利 在实际调试的过程中也选择了这样的主销内倾角 3 3 3 前轮外倾角 通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角 称为 前轮外倾角 如图 3 2 所示 前轮外倾角一方面可以在汽车重载时减小或者消除主 销与衬套 轮与轴承等处的装配间隙 使车轮接近垂直路面滚动而滑动 同时减小转 向阻力 使汽车转向轻便 另一方面还可以防止由于路面对车轮垂直反作用力的轴向分 力对外端轴承的压迫 减少轴承及其锁紧螺母的载荷 从而增加这部分零件的使用寿 命 提高汽车的安全性 一般前轮外倾角为 1 左右 而现代汽车高速化 急转向等工 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 13 页 况要求前轮外倾角减小甚至为负值 模型车前轮某配件用来调整前轮外倾角 实验中发现 由于智能车主要用于竞速 在设计中必然要求尽可能减轻重量 所以底盘承重不大 而且前轮外倾角只有两档可 调 故设定为 0 即可 关键是前轮前束要与之匹配 3 3 4 前轮前束 当车轮有了外倾角后 在滚动是就类似于圆锥滚动 从而导致两侧车轮向外滚开 由于转向横拉杆和车桥的约束使车轮不可能向外滚开 车轮将在地面上出现边滚动边 滑移的现象 从而增加轮胎的磨损 在安装车轮是 为消除车轮外倾带来的这种不良 后果 可以使汽车两前轮的中心面不平行 并使两轮前边缘距离小于后边缘距离 距 离之差称为 车轮前束 内八字样的前端小后端大的称为 前束 而外八字样后端 小前端大的称为 后束 或者 负前束 图 3 3 前轮前束 3 4 重心位置 汽车重心的位置通常用重心距前轴中心线的水平距离和重心距水平路面的高度来 表示 可通过实验法 估算法测出重心位置 模型车的控制方面 如果重心靠近后轴 对模型车的动力性能有益 后轮抓地力 增加 增大转向灵敏度 但会减少转向 如果重心靠近前轴 则对模型车的制动性和 操纵稳定性有益 会增加转向 但会降低转向灵敏度 并且降低了后轮的抓地力 考 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 14 页 虑到模型车频繁转向 对于智能车的动力性要求没有操纵稳定性和制动性的要求高 所以在不增加车重和重心垂直位置尽量低的前提下 通过电路板设计安装来使模型车 的重心适当前移 通过理论分析并结合大量实验 我们将汽车模型的重心调整在前后轴之间五分之 二左右的位置 并使其靠近前轴 这时智能车的行驶比较稳定 转向也比较灵活 行 驶路线平滑 3 5 齿轮传动间距调整 车模后轮采用 RS 380SH 4045 电机驱动 电机轴与后轮轴之间的传动比为 9 38 电机轴齿轮齿数为 18 后轮轴传动轮齿数为 76 齿轮传动机构对车模的驱动 能力有很大的影响 齿轮传动部分安装位置的不恰当 会大大增加电机驱动后轮的负 载 从而影响到最终成绩 调整的原则是 两传动齿轮轴保持平行 齿轮间的配合间 隙要合适 过松容易打坏齿轮 过紧又会增加传动阻力 白白浪费动力 传动部分要轻 松 顺畅 容易转动 不能有卡住或迟滞现象 判断齿轮传动是否调整好的一个依据是 听一下电机带动后轮空转时的声音 声音 刺耳响亮 说明齿轮间的配合间隙过大 传动中有撞齿现象 声音闷而且有迟滞 则 说明齿轮间的配合间隙过小 或者两齿轮轴不平行 电机负载加大 调整好的齿轮传 动噪音小 并且不会有碰撞类的杂音 3 6 后轮差速机构调整 差速机构的作用是在车模转弯的时候 降低后轮与地面之间的滑动 并且还可以 保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机 当车辆在正常的过弯行进中 假设 无转向不足亦无转向过度 此时 4 个轮子的 转速 轮速 皆不相同 依序为 外侧前轮 外侧后轮 内侧前轮 内侧后轮 此次所 使用车模配备的是后轮差速机构 差速器的特性是 阻力越大的一侧 驱动齿轮的转 速越低 而阻力越小的一侧 驱动齿轮的转速越高 以此次使用的后轮差速器为例 在 过弯时 因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小 轮速便较高 而内侧前轮轮胎所遇的阻力 较大 轮速便较低 差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙 过松过紧都会使差速器性能降低 转 弯时阻力小的车轮会打滑 从而影响车模的过弯性能 好的差速机构 在电机不转的 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 15 页 情况下 右轮向前转过的角度与左轮向后转过的角度之间误差很小 不会有迟滞或者 过转动情况发生 第 4 章 系统硬件设计 该智能车系统采用飞思卡尔 MC9S12DG128B 单片机为检测和控制核心 以红外传 感器为路径检测传感器 自动检测跑道上的黑线 并根据采集到的黑线信息 通过软 件对小车进行转向和速度的控制 再通过速度反馈和小车的位置 实时监控调节智能 车的行进状态 整体结构框图如下 MC9S12 单片机控 制 核心 路径识别模块 块块 测速模块 直流电机驱动模块 舵机驱动模块 车速信号 舵机控 制信号 后轮驱动 PWM 方波信 号 图 4 1 智能车整体框架结构图 硬件系统是智能车中除机械结构以外的另一个重要的部分 是智能车系统可靠 稳定运行的基础 简单 合理而抗干扰能力较强的电路对于电子系运行的稳定 控制 的精度都有着直接的影响 本系统硬件结构主要由 S12 控制核心 电源管理模块 路 径识别模块 车速检测模块 显示模块 转向舵机控制模块和直流电机驱动模块组成 其系统硬件结构简图如下所示 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 16 页 5V PWM 信 号 TD340 电机 TPS7350舵机 6V MOSFET 驱动路径识别模块7 2V 电源TPS7350 速度检测模块 MC9S12DG128TPS7350 显示模块 PWM 信 号 PWM 信 号 信号 信号 5V5V 5V 5V 图 4 2 硬件电路框图 4 1 S12 控制核心 系统的控制芯片采用飞思卡尔公司的 MC9S12DG128B 该芯片采用增强型 16 位 S12CPU 片内总线时钟频率最高可达 25MHZ 片内资源包括 8KBRAM 128KB FLASH 2KBEEPROM SCI SPI PWM 串行接口模块 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 并支持背景调试模块 BDM 本系统 I O 的具体分配如下 PWM1 输出舵机的控制信号 PWM2 PWM3 输出光电发射管的驱动脉冲 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 17 页 PWM4 PWM5 输出电机控制信号 PAD0 PAD11 用于小车前面路面识别的输入口 PH0 PH3 用于设置不同的速度 I O1 口用于速度检测信号的输入口 ADDR0 ADDR10 输出显示电路的控制信号 4 2 电源管理模块 高性能的电源管理系统对于电子系统稳定运行是至关重要的 作为智能车动力的 来源 电源模块为系统的控制器 执行机构 传感器等各个模块提供可靠的工作电压 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 还要在电源转换效率 降低噪声 防止干扰和电路简单等方面进行优化 电源管理模块的功能是对电池进行分配和电压调节 为其他各个模块的正常工作 提供可靠的工作电压 智能车控制系统中 不同电路模块需要的工作电压和电流容量 各不相同 因此电源模块应该包含多个稳压电路 电源模块的框图如图 4 3 所示 电源 主电源 7 2V 2Ah 镍镉电 池 稳压器 TPS7350 5V TPS7350 5V TPS7350 6V 用电 模块 速度传 感器模 块 路径传 感器模 块 单片 机模 块 驱动 电机 模块 转向 舵机 模块 显示 模块 图 4 3 系统电源模块框图 4 2 1 单片机稳压电源电路设计 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 18 页 单片机是整个智能车的核心部分 它的性能是否稳定性直接关系到赛车的行驶状 况 如果稳压电源选择不好 将会导致单片机容易复位 抗干扰性能差 单片机工作 电压范围为 4 5 5 25V 典型电压是 5 V 工作电流为 80mA 150mA 电流大小 跟 I O 端口对外围驱动以及系统超频有关 适合的芯片有 7805 LM2576 TPS7350 等 选择芯片主要以电源特性 输入电压范围 压差 输出电流大小为标准 电源特 性主要分为线性稳压器和开关稳压器 其中线性稳压器稳压精度高 但在工作中会造 成较大的 热损失 其值为 V 压降 I 负荷 效率较低 开关稳压器效率较高 但有 较高的电源噪音耗音 耗电量较大的电路适合采用 输入电压范围主要考虑电池两端 的电压在模型车运行过程中会逐渐降低 特别是在模型车启动或制动过程中 电池提 供大的电流时 电池两端电压会降低很多 当电压降到某一值时 稳压芯片不能正常 工作 所以需要选择一些工作压差小的稳压芯片 压差即芯片能正常工作时的输入电 压与输出电压的差值 输出电流大小主要考虑满足负载需求 如果负载电流大于稳压 芯片电流 则负载不能正常工作 甚至可能会芯片内自带过流保护启动 没有电流输 出 在都可以实现其功能时 稳压电路的设计需要简单可靠 同时便于检测 所以还 会以其芯片外围电路的相对复杂程度选用尽可能简单的芯片 以下为这几种芯片的性能比较 表表 4 1 7805 LM2576 TPS7350 性能比较性能比较 7805LM2576TPS7350 最小压降1 7V1 0V0 035V 最小静态工作电流6mA5mA340uA 输出噪声40uV与滤波元件有关2uV 使用外围元件个数342 输出电容的容量中高低 成本低高中 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 19 页 通过上表可以看出 在相同的输出条件下 TPS7350具有更低的工作压降和最小的 静态工作电流 也就体现了其低功耗的优点 在智能车控制系统中 由于系统电源为 电池供电 自然TPS7350 也就成为电源调节器件的首选 TPS73XX 是美国TI 公司生产的微功耗 低压差电源管理芯片 它具有节电关断 模式与输出电压监控功能 极低的静态电流且不随负载变化 集成延时微处理器复位 功能保证系统的正常工作 具有完善的保护电路 包括过热 过流及电压反接保护 利 用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路 TPS73XX 具有输入电压范围大 过热 过流及电压反接保护 输出电流为150mA 时压差小于0 1V 等特点 特别是当其输出电流为100mA时 压差仅仅为0 035V 如 TPS73XX系列中的TPS7350 可保证电池电压在 7V 5 1V 范围内变化时 输出稳定的 5V电压 显著的提高了电源的利用效率 本智能车控制系统的电源管理都是围绕 TPS7350的使用而展开的 单片机的供电电压为5V 由TPS7350供电 供电电路如图4 4 图 4 4 单片机供电电路 4 2 2 舵机电源模块设计 舵机型号 Futaba S3010 舵机本身是一个位置随动系统 它由舵盘 减速齿轮组 位置反馈电位计 直流 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 20 页 电机和控制电路组成 通过内部的位置反馈 使它的舵盘输出转角正比于给定的控制 信号 因此对于它的控制可以使用开环控制 在负载力矩小于其最大输出力矩的情况 下 它的输出转角正比于给定的脉冲宽度 舵机接口一般采用三线连接方法 黑线为地线 红线为电源线 另外一根为控制 信号线 控制信号是周期在 20ms 左右的脉冲信号 脉冲信号的宽度决定舵机输出舵盘 的角度 舵机输入电压为 4 0V 6 0V 下表为舵机的速度和转矩参数 表表 4 2 舵机主要参数舵机主要参数 0 20 sec 60 4 8V速度 0 16 sec 60 6 0V 72 oz in 5 2kg cm 4 8V转矩 90 oz in 6 5kg cm 6V 由上表数据可以看出随着舵机输入电压的提高 舵机的速度和转矩也随着增大 因此设计舵机的输入电压为6V 然而TPS7350的输出电压为 5V 为了实现 6V 输出 需要在图4 4的基础上增加2个二极管 提高对地参考电位 即可满足稳定 6V 输出的 要求 体现了使用TPS7350进行电路设计的简洁性 舵机电源供电电路如图4 5 图 4 5 舵机供电电路 4 3 电机驱动模块 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 21 页 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 4 6 所示为可逆的 PWM 变换器主电路 的 型结构形式 IN1 输入的 PWM 占空比控制电机的转速 IN2 输入高低电平控制电 机的正反转 图 4 6 H 桥电路原理图 图中 4 个 MOSFET 管的基极驱动电压分为两组 其中 Q1H 和 Q4L 为一组 Q2H 和 Q3L 为一组 当 IN2 接收低电平信号时 Q2H 常开 而 Q4L 截止 Q3L 接收 到 IN1 输入的 PWM 信号时 脉冲波的高电平导通 Q1H 则相反 高电平时截止 这 时 电机两端得到电压而旋转 而且占空比越大 转速越高 电机反转时道理相同 电机型号为 RS 380 工作电压为 7 2V 空载电流为 0 5A 转速 16200r min 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 22 页 图 4 7 电机特性曲线 由上图可以看出 当负载转矩较大时所需电流也较大 所需功率较大 因而采用 TD340 芯片和四片 N 沟道 MOSFET 管构成的 H 桥直流电机方案 此电路具有元件需 求少 所占空间小 装配成本低等优点 实践证明 此电路可靠性高 控制方便 效 率高 驱动电流大 具有较高的实用价值 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 可用于 驱动 N 沟道 MOSFET 管 图 4 8 为 TD340 外形和引脚图 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 23 页 图 4 8 TD340 引脚封装 各引脚具体说明如下表 表表 4 3 TD340 各引脚功能各引脚功能 L1 L2 低边门极驱动VOUT 用于微处理器的 5V 电压 H1 H2 高边门极驱动CF 设置 PWM 频率的外部电容接入端 STBY 待机模式IN1 模拟或数字信号输入 WD 看门狗信号输入IN2 电机旋转方向控制端 CWD 设置看门狗电容端VBATT GND 电源正端和地端 由 TD340 构成的电机驱动电路如图 4 9 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 24 页 图 4 9 电机驱动电路 TD340 内集成有可驱动 沟道高边功率 MOS 管的电荷泵和内部 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 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 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 上图中的 MOSFET 管采用 IRF3205 IRF3205 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 每个 MOSFET 并联一个稳压管 使得任何一个通路导通时直流电 机两端电压恒定 4 4 速度检测模块 测速原理 速度传感模块采用光电传感器加法兰盘的方式实现 把具有 20 个齿的 法兰盘安装在小车后轮轴 随电机驱动后轴转动使法兰盘随之等速度转动 利用红外 透射式传感器检测到的通断脉冲个数就能测量出小车后轮转速 再结合已知轮胎直径 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 25 页 5cm 就能计算出小车的行驶速度 达到测速的目的 小车后轮旋转带动光码盘旋转 当红外发射管发射出的红外光遇到法兰盘的齿的 时候 红外光被遮挡 至红外接收管接收不到发射管发射的红外光 光电开关处于断 开状态 而当红外光遇到间隙的时候 接收管便可接受到红外光线 红外接收管处于 导通状态 这样 红外接收管输出间隔的高低电平 将此信号再通过 CD40106 进行整 形 送入单片机中 便可实现对车速的检测 速度检测原理图如图 4 10 3 2 1 13 11 14 4 5 6 78 9 10 12 CD40106 cesu VDD other 10k R6 IOC1 R16 120 1 2 4 3 U6 图 4 10 速度检测原理图 假设 n 为后轴的转速 单位为 r s N 为一个采样周期 T 内 ECT 模块记录的脉 冲的个数 P 为法兰盘的齿数 T 为采样周期 单位为 s 则 N T n P 因此小车后轮的转速为 n N P T 那么 小车的瞬时速度为 V 3 14 n D 这样 就完成了对小车速度的测量 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 26 页 4 5 路径识别模块 本系统采用 12 个 HIR383 设计的单排一字型排列方式 在设计检测电路 PCB 板的 时候 考虑到小车重心应尽量靠近小车后轴 这样不但可以防止小车前倾 稳定性下 降 转弯不稳的状况 同时 也可以提高小车的动力性能 所以将检测电路的 PCB 板 尽量简化 并设计接口电路 使得检测电路与小车的控制电路连接简单 准确 采集 板原理图如图 4 11 图 4 11 采集板原理图 考虑到红外传感器的检测范围 应注意安装的相对地面高度 探出距离与角度 安装红外传感器的过程中 做了反复的测试 从检测结果来看 将传感器安装在距为 最佳位置 在此位置 红外接收管可接受到良好的红外光 光电检测电路板的支架采 用具有一定硬度的铝合金制作 安装牢固可靠 使在小车发生急转弯或撞车的时候 检测电路板不至发生晃动 甚至变形 影响检测效果 采集板安装实物图如图 4 12 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 27 页 图 4 12 采集板安装实物图 对于外界环境对光电管的影响 以及相邻发射管的相互干扰问题 除了选用发射 与接收一体化的红外传感器 用它们的外壳来抑制相