基于光电传感器的自动循迹小车设计.doc

2010-2011 第二学期光电传感技术 院系 电子工程学院光电子技术系 班级 科技0803班 姓名 熊浩 学号 05082081 班内序号 10 考核成绩 基于光电传感器的自动循迹小车设计摘要新一代汽车研究与开发将集中表现在信息技术、微电子技术、计算机技术、智能自动化技术、人工智能技术、网络技术、通信技术在汽车上的应用。智能汽车是是现代汽车发展的方向。 本系统采用光电传感器作为道路信息的采集传感器，单片机为控制系统的核心来处理信号和控制小车行驶。MC9S12系列单片机在汽车电子控制领域得到广泛应用。本论文是利用Freescale的MC9S12XS128微控制器对智能车系统进行设计。智能车系统设计包括硬件电路和控制软件系统的设计。关键字： 智能车；光电传感器；自动循迹；控制算法；PID；- 8 -引言自动循迹智能车是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等多种功能于一体的综合系统。除了特殊潜在的军用价值外，还因其在公路交通运输中的应用前景受到很多国家的普遍关注。近年来其智能化研究取得了很大进展，而其智能主要表现为对路径的自动识别和跟踪控制上。路径跟踪问题的研究正吸引着国内外计算机视觉、车辆工程与控制领域学者们越来越多的注意，得出了很多有意义的成果。这些方法可分为两类，即传统控制方法和智能控制方法。传统控制方法多建立在精确数学模型基础上，而自动引导车系统具有复杂的动力学模型，是一个非线性、时延系统，由于各种不确定因素的存在，精确的数学模型难以获得，只能采用理想化模型来近似，所得到控制律较为繁琐，给实际应用造成不便。随着近年智能控制论的兴起，一些智能控制方法如模糊控制，神经网络等逐步走向完善，尤其是模糊控制理论在很多地方显示出相当的应用价值，以此为基础，设计新概念的控制器受到人们很大关注。同时，人们也正考虑这在各种方面包括硬件和软件的综合技术开发和研究探索，智能车的技术将会趋于成熟并得到广泛的应用。本课题利用传感器识别路径，将赛道信息进行存储，利用单片机控制智能车行进。本课题包括设计供电电路、时钟电路、复位电路、以及通信端口，传感器信号处理电路，电机驱动电路，以及相关控制和存储软件设计。本课题的综合性很强，是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感、电子、电气、计算机和机械等多个学科交叉的科技创意性设计，这对进一步深化高等工程教育改革，培养本科生获取知识、应用知识的能力及创新意识等具有重要意义。 随着汽车电子技术的飞速发展，汽车智能化技术正在逐步得到应用。汽车智能化技术使汽车的操纵越来越简单,动力性和经济性越来越高，行驶安全性越来越好，这是未来汽车发展的趋势。而目前许多高校的学生和广大业余车模爱好者都在努力完成能自主识别道路并高速行驶的智能汽车，收集了汽车机械结构、自动控制以及单片机应用开发等各领域专家的论著，给出了车模的机械调整、控制系统硬件电路设计、软件仿真、控制策略以及单片机开发等多方面的指导性意见和建议。所以我们能够看到智能车研究将会有一个很广阔的前景和发展，各项新的技术也会不断地被应用于智能车的研究之中，而智能车的研究将会给未来的汽车带来非常大的变化，服务于人类。相对于智能车设计的许多技术应用，本次设计的基于光电传感器的自动循迹智能车系统设计只是应用了其中的一些方面，还有许多技术有待于我们去创新和发展。总之，智能车研究发展的前景是广阔的，同样又充满着挑战的。一、系统硬件的结构图2-3 系统硬件结构图二、系统软件模块分析单片机初始化光电信号的采集光电信号的处理霍尔轮速传感器信号输入控制驱动电机转速控制舵机转向图2-4 系统软件结构从该结构图中可以看出，系统的软件模块主要有：1. 单片机系统的初始化，包括单片机系统时钟的初始化、ATD模块的初始化、PWM模块的初始化、增强型时钟模块的初始化，还有一些输入输出口的初始化；2. 光电信号的采集：通过对红外接收管接收道路反射的红外光后产生电压的变化，采集到了有效的智能车位置信号。3. 光电信号的处理：将采集到的电压信号存储在单片机中，通过对光电信号的分析和判断来识别路径，判断黑线中间位置，判断道路是直线还是曲线，以及通过计算判断出曲线的斜率，从而进一步的控制舵机的转角和驱动电机的转速。4. 舵机转角的控制和电机转速的控制：通过控制PWM口的信号输出可以实现对舵机转角和轮速的控制5. 霍尔轮速传感信号的输入：通过对输入信号的捕捉和计算实现对驱动电机的转速的测算。三、路径识别模块和测速检测模块路径识别模块路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣。本设计采用的是光电传感器实现智能车路径识别功能。所谓光电传感器寻迹方案，即路径识别电路由一系列发光二极管、接收二极管组成，由于赛道中存在轨迹指示黑线，落在黑线区域内的光电二极管接收到的反射光线强度与白色的赛道不同，由此判断行车的方向。光电传感器光电传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。光电传感器工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量的变化,从而实现非电量的测量。光电传感器的基本组成如下：光电元件光学元件光学元件调制件或被测件 测量 电路物理量 图5-1 光电传感器的基本组成光电传感器发射与接收电路设计本项目中，选用的是红外对管RPR-220作为传感元件。RPR-220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二级管，而接收器是高灵敏度硅平面光电三级管。 它有如下三大特点:1. 塑料透镜以提高灵敏度2. 内置的可见光过滤器以减小离散光的影响3. 体积小结构紧凑传感器电路如下图5-2所示： 图5-2 单对红外传感器电路图工作原理： 当小车在白色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号，经白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，那么图中光敏三极管将导通，比较器输出为低电平；当小车行驶到黑色引导线时，红外线信号被黑色吸收后，光敏三极管截止，比较器输出高电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。将检测到的信号送到单片机I/O口，当I/O口检测到的信号为高电平时，表明红外光被地上的黑色引导线吸收了，表明小车处在黑色的引导线上；同理，当I/O口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在白色地面上。路径识别传感器布局设计通过分析可知：寻迹传感器模块的设计是整个智能小车设计中的最重要的一部分，其作用相当于人的眼睛和耳朵，采集外部路面的信息并将其送入MCU微控制器进行数据处理，其能否正常工作直接影响着小车对路面的判断以及小车下一步的行动，因而其布局的合理性与有效性对小车稳定而又快速的行驶起着至关重要的作用。个人认为在传感器的布局中，要解决两个问题：信息检测的精确度和信息检测的前瞻性。 一般寻迹传感器的布局常见的有以下几种方案 ：方案一：一字形布局 反射式光电传感器在小车前方一字形简单排布。在一字形中传感器的间隔有均匀布局和非均匀布局两种方式，均匀布局不利于弯道信息的准确采集，通常采取的是非均匀布局。考虑到弧度信息采集的连贯性，非均匀布局的理论依据是等角度分布原则，即先确定一合适的定点，从顶点依次等角度画射线，射线与传感器水平线相交的位置即为传感器的位置。这种方案信息检测相对连贯，准确，使控制程序算法简单，小车运行连贯，稳定。 方案二：M形布局 传感器呈M形排布。这种方案的优点在于拓宽了边沿传感器的检测范围，更适合于小车快速行进中的弯道检测，但相对一字形布局来说，M形布局不利于信息检测的稳定，易于产生振荡，不利于小车行驶的稳定。 方案三：活动式传感器布局 前面两种方案都是固定的布局方式，使传感器对赛道有一定的依赖。在这个方案中，传感器的位置是可以在一定范围内灵活排布的。这种方案的布局思路是传感器在安装板上的位置是可调的，先将传感器排布成为矩形点阵，根据不同的赛道情况而灵活地作出调整，就可以设计出不同的布局方式而适应不同的赛道。这样对不同赛道有更强的适应性。但这种方案可调性大，临时调节较难，其次机械设计中体积较大，增加了小车的重量，不利于加减速。 在方案选择中，最终采用的是上述第一种方案。通过比较，得到的结论是：对第一种、第二种和第三种方案进行综合考虑，由于本次比赛的赛道相关参数已知，而且赛道只有直道和弯倒两种，可以在测试中对赛道进行模拟，赛道变化不大，因此没有必要采取比较复杂的第二种和第三种方案。方案具体布局的PCB图如图5-3 图5-3 红外探测布局的PCB图测速检测模块为了使得模型车能够平稳地沿着赛道运行，除了控制前轮转向舵机以外，还需要控制车速。通过对速度的检测，可以对车模速度进行闭环反馈控制。在车轮没有打滑的情况下，车速正比于驱动电机的转速。车速检测一般是通过检测驱动电机转速来实现的。比赛中所使用的常见测速方法如下：1、霍尔传感器霍尔传感器是一种磁传感器。它的工作原理是霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。如图1所示，在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压，它们之间的关系为U=kBUIB图5-4 霍尔原理式中d 为薄片的厚度，k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。通过对一定时间内脉冲信号数量的捕捉可以计算出车轮的转速。霍尔具有体积小，成本低，反应快，获取信号准确等优点，只是霍尔元件与磁钢之间距离不一调节。2. 测速电机测速电机实际上是一种微型直流发电机，其输出电压和电机转速成正比，测速发电机的输出电动势具有斜率高、特性成线性、无信号区小或剩余电压小、正转和反转时输出电压不对称度小、对温度敏感低等特点。但是测速电机成本高，体积大，不易安装等缺点。3.光电编码器光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点，但是安装需要体积较大，在小车上安装不方便。综上所述，我选择了简单且易于实现的霍尔传感器作为轮速传感器，其电路图如下：图5-5 霍尔测速电路图其工作原理：霍尔传感器接收到速度转化的电压信号经LM324N差分放大器放大传递给单片机进行速度信号的处理。二、智能车软件的设计光电传感器方案主流程图如图所示：开始MCU初始化驱动电机控制信号输出驱动电机控制算法速度采样定时中断否舵机控制信号输出 舵机控制算法 路径识别算法实时路径检测 启动定时器定时中断使能图7-1 光电传感器方案主程序流程结论自20世纪90年代中期以来，智能电子产品在汽车中的应用越来越广泛，已迅速发展为汽车综合电子控制技术。它以大规模集成电路和控制器局域网为特征，包括单片机、灵巧的电源及智能的传感器，它运用计算机网络和通信技术，既能将原来有限的综合性电子控制系统扩大成汽车整体综合控制系统，又可与汽车外部道路、交通、通信条件联结起来，使汽车成为智能交通系统或智能道路系统的一部分。通过本次智能车系统的设计对汽车电子设计有了总体的理解，嵌入式开发技术将会促进汽车电子领域向前高速发展，软件和硬件的完美结合需要汽车电子工程师用心去探究和试验。由传感器到控制电路再到执行部件是整个智能控制系统的