基于MC9S12XS128单片机的智能小车设计-毕业论文

1、基于mc9s12xs128单片机的智能小车设计-毕业论文 广东工业大学华立学院本科毕业设计(论文) 基于mc9s12xs128单片机的智能小车设计 论文题目 基于mc9s12xs128单片机的智能小车设计 系 部 机械电气学部 专 业自动化 班 级 09自动化1班 学 号 学生姓名 指导教师 二0一三 年 五 月 摘要 本文以第六届飞思卡尔杯智能汽车竞赛为背景详细介绍了智能小车系统的软硬件结构和开发流程。采用1:10 的仿真车模,以飞思卡尔半导体公司生产的16 位单片机mc9s12xs128 为核心控制器,在codewarrior ide 开发环境中进行软件开发,使赛车在跑道上沿着黑线以最快的

2、速度行驶。论文介绍了总体方案设计、机械结构设计、硬件电路设计、软件设计、无线通信子系统设计、上位机监控子系统设计以及系统的调试与分析。机械结构设计部分主要介绍了对车模的改进和三舵机随动系统的机械结构。硬件电路设计部分主要介绍了智能小车系统的硬件电路设计原理,包括原理图和 pcb 设计。 软件设计方面,主要介绍了三随动舵机的控制原理和电机的 pid 控制策略。无线通信子系统设计则以 nrf24l01 的介绍和应用为主,阐述了无线技术在智能小车系统中的应用思路。 在制作小车的过程中,通过不断的测试调整了车模轮胎的角度,经过调整以后,小车能更好地适应直线和弯道;舵机采用了调转放置的方式,减小了力臂,

3、能更加灵活、快速的转动。软件方面采用了pid控制算法,控制更加地灵活简单,最主要的是小车寻轨迹更加地稳定、精确。最终本设计能够适应各种赛道,直道速度能达到3.5m/s,平均速度接近2.9m/s。 关键词:智能小车, 激光传感器,mc9s12xs128,上位机,pid abstract this paper introduces the hardware and software structure of smart car system and development process in the sixth freescale cup competition for intelligent

4、vehicle. using 1:10 simulation models, with freescale semiconductor companys 16?bit mcu mc9s12xs128 as the core, do the software development in the codewarrior ide development environment and make car on the black line with the fastest speedthis paper introduces the overall design, mechanical design

5、, hardware design, software design, wireless communication subsystem design, host computer monitoring subsystem design and system debug and analysis. mechanical design shows the improvement of the car models, as well as mechanical structures of the three servo system. the section of hardware design

6、introduces the principle of hardware circuit, including schematic and pcb design. for the software design, it introduces the theory of three-servo control and the strategy of pid control. the section of wireless communication subsystem design mainly described the application of wireless technologies

7、 in the smart car system, based on the introduction of property and the application of the nrf24l01 in the process of making the car, adjust the tires angle of the models through a series of tests. after adjustment, the car can better adapt to straight lines and corner, steering gear used jerked pla

8、ced way, reduced the behavior, can be more flexible, rapid rotation. software adopted pid control algorithm, control to more and more flexible simple, the most is the car can find more stable trajectory, precise. finally this design can adapt to all kinds of circuit, until can reach speeds of up to

9、3.5 m/s, the average speed of close to 2.9 m/s. key words: smart car, laser sensor,mc9s12xs128, host computer目录1 绪 论11.1 课题背景11.2 课题研究的目的和意义21.3 本设计的内容及意义31.3.1 设计内容31.3.2 设计意义31.4 论文各部分的主要内容42 智能循迹小车系统52.1 系统设计任务与设计要求52.1.1 系统设计任务52.1.2 系统设计要求52.2 系统方案论证52.2.1 控制器方案论证52.2.2 供电单元方案论证52.2.3电源总分布图62.2

10、.4 主控板和数字传感器电源模块62.2.5 舵机电源模块72.2.6 电机驱动系统82.2.7 循迹单元方案论证93 智能小车机械结构设计113.1 车模整体结构113.2 转向舵机的安装113.3 车轮及底盘的调整123.3.1 主销后倾角123.3.2 主销内倾角133.3.3 前轮前束133.4 底盘部分设计143.5 pcb 板尺寸设计及其安装144 硬件电路设计方案164.1 mc9s12xs128单片机最小系统设计164.2 电源模块174.3 拨码开关和蜂鸣器电路194.4 激光传感器设计194.5 驱动电路设计194.6 速度检测模块设计204.7 液晶键盘模块设计215 智

11、能小车软件设计225.1主程序流程图225.2信号分析与识别235.3 pid 控制算法235.4 各模块初始化245.4.1 时钟模块初始化245.4.2 ect模块初始化245.4.3 舵机控制?pwm01初始化255.4.4 电机控制?pwm6初始化255.5 软件开发环境和调试266 结 论28参考文献30参考文献30致谢311 绪 论1.1 课题背景 在科学技术不断飞速发展、企业生产技术要求不断提高、对自动化技术依赖不断加深的环境下,智能车辆以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备。如今世界上大多国家都投入了大量的人力、物力在积极进行智能车

12、辆的研究和开发设计,抢占智能控制市场先机。移动机器人是机器人学中的一个重要分支,出现于20世纪06年代。当时斯坦福研究院sri的nils nilssen和charles rosen等人,在1966年至1972年中研制出了取名shakey的自主式移动机器人,目的是将人工智能技术应用在复杂环境下,完成机器人系统的自主推理、规划和控制。从此,移动机器人从无到有,数量不断增多,智能车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到越来越多的关注。 智能小车,是一个集环境感知、规划决策,自动行驶等功能于一体的综合系统,它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航及白动控制等技术,是典型的高新技术综合体。 智能车辆也

13、叫无人车辆,是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆的主要特点是在复杂的道路情况下,能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的道路轨迹行进。智能车辆在原有车辆系统的基础上增加了一些智能化技术设备: 1计算机处理系统,主要完成对来自摄像机所获取的图像的预处理、增强、分析、识别等工作; 2摄像机,用来获得道路图像信息; 3传感器设备,车速传感器用来获得当前车速,障碍物传感器用来获得前方、侧方、后方障碍物等信息。 智能车辆技术按功能可分为三层,即智能感知/预警系统、车辆驾驶系统和全

14、自动操作系统团。上一层技术是下一层技术的基础。三个层次具体如下: 1智能感知系统,利用各种传感器来获得车辆自身、车辆行驶的周围环境及驾驶员本身的状态信息,必要时发出预警信息。主要包括碰撞预警系统和驾驶员状态监控系统。碰撞预警系统可以给出前方碰撞警告、盲点警告、车道偏离警告、换道/并道警告、十字路口警告、行人检测与警告、后方碰撞警告等。驾驶员状态监控系统包括驾驶员打吨警告系统、驾驶员位置占有状态监测系统等。 2辅助驾驶系统,利用智能感知系统的信息进行决策规划,给驾驶员提出驾驶建议或部分地代替驾驶员进行车辆控制操作。主要包括:巡航控制、车辆跟踪系统、准确泊车系统及精确机动系统。 3车辆自动驾驶系统

15、,这是智能车辆技术的最高层次,它由车载计算机全部自动地实现车辆操作功能。目前,主要发展用于拥挤交通时低速自动驾驶系统、近距离车辆排队驾驶系统等1。 智能小车的主要应用领域包括以下几个方面: 1军事侦察与环境探测 现代战争对军事侦察提出了更高的要求,世界各国普遍重视对军事侦察的建设,采取各种有效措施预防敌方的突然袭击,并广泛应用先进科学技术,不断研制多用途的侦察器材和探测设备,在车上装备摄像机、安全激光测距仪、夜视装置和卫星全球定位仪等设备,通过光缆操纵,完成侦察和监视敌情、情报收集、目标搜索和自主巡逻等任务,进一步扩大侦察的范围,提高侦察的时效性和准确性。 2探测危险与排除险情 在战场上或工程

16、中,常常会遇到各种各样的意外。这时,智能化探测小车就会发挥很好的作用。战场上,可以使用智能车辆扫除路边炸弹、寻找和销毁地雷。民用方面,可以探测化学泄漏物质,可以进行地铁灭火,以及在强烈地震发生后到废墟中寻找被埋人员等。 3安全检测受损评估 在工程建设领域,可对高速公路自动巡迹,进行道路质量检测和破坏分析检测;对水库堤坝、海岸护岸堤、江河大坝进行质量和安全性检测。在制造领域,可用于工业管道中机械损伤,裂纹等缺陷的探寻,对输油和输气管线的泄漏和破损点的查找和定位等。 4智能家居 在家庭中,可以用智能小车进行家具、远程控制家中的家用电器,控制室温等等。1.2 课题研究的目的和意义 目前,国内外的许多

17、大学及研究机构都在积极投入人力、财力研制开发针对特殊条件下的安全监测系统。其中包括研究使用远程、无人的方法来进行实现,如机器人、远程监控等。无线传输的发展使得测量变得相对简单而且使得处理数据的速度变得很快甚至可以达到实时处理。 智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分:传感器检测部分、执行部分、cpu。机器人要实现自动避障功能,还可以扩展循迹等功能,感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线,选择正确的行进路线,并检测到障碍物自动躲避。 通过构建智能小车系统,培养设计并实现自动控制系统的能力。在实践过程中,熟悉以单片机为核心控制芯片设计小车的检测、驱动和显示等外围电路,采用智

18、能控制算法实现小车的智能循迹的方法。灵活应用机电等相关学科的理论知识,联系实际实现具体电路设计,达到理论与实践的统一,加深对控制理论的理解和认识。1.3 本设计的内容及意义1.3.1 设计内容 路面检测模块; 电源模块为5v,6v; 直流电机的驱动模块电路及相应的驱动程序; 测速模块; 循线迹功能电路及程序; 复位电路模块;1.3.2 设计意义 世界各国在智能微型车领域进行了很多研究,己经应用于各个领域,在探测和军事领域使用特别多。我国也开展了很多研究工作,以满足不同用途的需要。美国和前苏联是从20世纪60年代末期开始进行月球表面探测任务的。美国曾在1966-1968年间,向月球成功发射了两次

19、无人巡游探测器。1997年,由美国jpl全称jetpropulsion laboratory,美国太空总署喷气推进实验室研制的sojourner号探测车登上了火星。它验证了小型火星车的性能,并完成了一系列技术试验。2004年1月,美国的“勇气号”和“机遇号”火星探测车再度登陆火星。前苏联在1959-1976年间,总共成功发射了两个月球探测车。 单片机的应用领域越来越广泛,无论是在生活、生产上,单片机无处不在。飞思卡尔公司的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。mc9s12xs128可以说是单片机领域的主流产品 ,其应用如此广泛,所以有必要去学

20、习和应用该单片机,以满足实际产品开发的需要,也是适应社会智能化、自动化的趋势。 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。本设计就是在这样的背景下提出的,本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。本设计采用了比较先进的飞思卡尔公司的mc9s12xs128单片机为控制核心,飞思卡尔主要为汽车、网络、无线通信、工业控制和消费电子等行业提供产品。通过嵌入式处理器和辅助产品,为客户提供复杂多样的半导体和软件集成方案,即飞思卡尔所谓的“平台级产品”。该设计具有很好的现实意义,广

21、泛应用于考古、机器人、医疗器械等智能设备许多方面。尤其是在机器人方面研究方面具有很好的发展前景,在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。所以本设计与实际相结合,现实意义很强。1.4 论文各部分的主要内容 第1章对智能循迹小车的现状、研究意义和设计要求进行简单阐述。 第2章介绍了该智能循迹小车系设计方案比较和选择,分析了各模块的功能。 第3章阐述了智能车机械结构设计和调整优化方案,包括车模整体结构、转向舵机的安装、车轮及底盘的调整、随动舵机及激光传感器的安装、测速模块的安装等。 第4章阐述了智能小车系统的硬件电路的设计,其中包括单片机最小系统模块电路、电机驱动模块电路、速度检测电路等。 第5章

22、介绍了该系统程序设计的流程、所选用的pid算法、各个功能模块的初始化等。最后介绍调试过程中所用到的程序调试软件及其调试环境。2 智能循迹小车系统2.1 系统设计任务与设计要求2.1.1 系统设计任务 1.熟悉飞思卡尔mc9s12xs128单片机集成开发环境,运用c语言编写工程文件; 2.熟练应用所选用单片机的内部结构、资源,以及软硬件调试设备的基本方法; 3.自行构建基于单片机的最小系统,完成相关硬件电路的设计实现; 4.了解电机、路面检测的原理和实现方法。2.1.2 系统设计要求 1.完成单片机最小系统设计; 2.完成外围应用电路(包括系统供电单元、运动控制单元、循迹检测单元)的设计和实现;

23、 3.完成软件对硬件检测和调试工作; 4.查阅国内外的研究动态和发展前沿信息,阅读相关外文文献。2.2 系统方案论证2.2.1 控制器方案论证 按照题目要求,控制器主要用于控制电机,通过相关传感器对路面的轨迹信息进行处理,并将处理信号传输给控制器,然后控制器做出相应的处理,实现电机的前进和后退,保证在允许范围内实现跷跷板的平衡。 方案一:可以采用arm为系统的控制器,优点是该系统功能强大,片上外设集成度搞密度高,提高了稳定性,系统的处理速度也很高,适合作为大规模实时系统的控制核心。 方案二:采用飞思卡尔mc9s12xs128作为系统控制的方案。飞思卡尔mc9s12xs128单片机算术运算功能强

24、,软件编程灵活、自由度大,功耗低、体积小、技术成熟。 考虑到性价比问题,本设计选用飞思卡尔mc9s12xs128单片机做控制器2。2.2.2 供电单元方案论证 方案一:采用单电源供电,通过单电源同时对单片机和直流电机进行供电。此方案的优点是,减少机身的重量,操作简单。其缺点是,这样会使单片机的波动变大,影响单片机的性能,稳定性比较弱。 方案二:采用双电源供电,通过两个独立的电源分别对单片机和直流电机进行供电。此方案的优点是,减少波动,稳定性比较好,可以让小车更好的运作起来,唯一的缺点就是会增加小车的重量。 综合以上的优点和缺点,本设计决定采用第二种方案。2.2.3电源总分布图 图2.1电源部分

25、系统框图2.2.4 主控板和数字传感器电源模块 为了保证主控制器不受其它模块影响,本设计采用 2940 为主控制器单独供电,用另一片2940为其它的数字传感器供电,如图2.2所示。图2.2 5v供电系统 三端稳压集成电路lm7804电子产品中,常见的三端稳压集成电路有正电压输出的lm78 系列和负电压输出的lm79系列。顾名思义,三端ic是指这种稳压用的集成电路,只有三条引脚输出,分别是输入端、接地端和输出端。它的样子像是普通的三极管to- 220 的标准封装,也有lm9013样子的to-92封装。图2.3 lm7804封装 用lm78/lm79系列三端稳压ic来组成稳压电源所需的外围元件极少

26、,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路,所以使用起来安全,可靠,而且很方便方便,最主要的是价格非常便宜。从实用性和节约成本考虑本设计选用了此芯片3。该系列集成稳压ic型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压,如lm7806表示输出电压为正6v,lm7909表示输出电压为负9v。因为三端固定集成稳压电路的使用方便,电子制作中经常采用。 在实际应用中,应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器(当然小功率 的条件下不用)。当稳压管温度过高时,稳压性能将变差,甚至损坏。当制作中需要一个能输出1.5a以上电流的稳压电源,通常采用几块三端稳压电路并联起来,使其最大输出电流为

27、n个1.5a,但应用时需注意:并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品,以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量,以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。2.2.5 舵机电源模块 电压越高,舵机的反应越灵敏,很多人都直接给舵机加电源电压,来获得更好的转向效果,本设计也尝试过,但这样特别容易烧坏舵机,而且非常不稳定。 所以必须选择低压差,而且输出电流大于 2a 以上的稳压芯片。由于线性电源电路简单,而且稳定,所以本设计首先考虑的是线性电源。 然而线性电源往往是低压差的输出电流小,输出电流大的压差又比较大,不能很好的满足要求。 为了达到理想中的效果,使控制芯片更加稳

28、定地工作。本设计最终选择了开关电源,选择的开关电源输出最大电流可以达到 5a,输出电压大范围可调,最高可以接近电源电压,完全满足要求。而且开关电源还具有效率高的优点,特别是在转弯的时候,不至于让电流以热量的形式白白浪费掉。如图2.4所示。 图2.4 开关电源模块2.2.6 电机驱动系统 方案一:采用直流电机,配合lm293驱动芯片组合。优点在于硬件电路的设计简单。当外加额定直流电压时,转速几乎相等。这类电机用于录音机、录相机、唱机或激光唱机等固定转速的机器或设备中,也用于变速范围很宽的驱动装置,但是容易受到外部因素干扰,影响稳定的转速和转矩输出。电路如图2.5所示。图2.5 电机驱动系统 方案

29、二:采用步进电机,配合lm298驱动芯片组合。步进电机可以实现精确的转脚输出,只要施加合适的脉冲序列,电机可以按照人们的预定的速度或方向进行连续的转动,便于控速,但是软件程序的编写较直流电机稍显复杂。而且lm298芯片的硬件电路比较复杂,输出杂波比较多。最主要的致命缺点是它的控制精度不高,因此本设计最终放弃了这种方案。电路图如图2.6所示图2.6 电机驱动系统 方案三:用通俗的话来说,驱动模块就是一个电子开关。所说的驱动能力强,其实就是减小导通等效电阻。市场上有很多低内阻的驱动芯片供选择,如mc33886,bts7970 等。为了追求更低内阻,可以选择低内阻的 nmos 来搭建驱动电路。本设计

30、就采用了两块bts7970电机驱动芯片来驱动电机,不仅输出功率大,而且有控制简单,精度高的优点。2.2.7 循迹单元方案论证 方案一:用光敏电阻组成光敏探测器 用光敏电阻组成光敏探测器,光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时,光线发射强烈,光线照射到黑线上面时,光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时,阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大,不能够稳定的工作。本设计排除了这种做法。 方案二:采用rpr220型光电对管 rpr220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极管,而接收器是

31、一个高灵敏度,硅平面光电三极管。这种方案的缺点是探测范围小,小车速度不能很好的提升。 方案三:采用激光头探测 对于智能小车,传感器是至关重要的,就像人的眼睛一样,如果让一个患有眼疾或近视的人去开赛车,后果是不堪设想的。传感器主要追求三个指标:稳定、前瞻和测量精度。开始接触激光的时候,往往觉得难以琢磨它的脾气,一不小心就烧了,其实熟悉它后,完全可以把它当做发光二极管来对待。激光头探测不仅仅探测半径大,而且传输信号稳定,受干扰小,本设计因此采用了激光头探测4。激光分布如图2.7所示。 图2.7 激光分布图 传感器由两部份构成,一部份为发射部份,一部分为接收部份。发射部份由一个振荡管发出 180kh

32、z 频率的振荡波后,经放大电路放大,激光管放射。接收部份由一个相匹配 180khz 的接收管接收返回的光强,经过电容滤波后直接接入单片机用以判别电压高低。由于接收的波属于高频段的波,因此电容是必须的,否则电磁干扰会非常的严重,指示灯会常亮或者闪烁,实际过程中要不断试验电容的大小,选择合适的值以使接收管正常工作。 3 智能小车机械结构设计 资本论中提到有“经济基础决定上层建筑”的论断。不错,在智能小车系统中,车子的机械结构就是决定智能小车整体性能的基础。以往的经验告诉我们,机械结构调校的好,对软件的编写有很大地促进。从整个系统上考虑:软件驾驭硬件,而硬件却依赖于机械结构。要想提高智能小车的速度,

33、软件要调的好,而机械结构上的一些优化,在很大程度上可以简化软件的编写。合理优良的机械结构能让智能小车在直道和弯道上高速稳定的通过,而且转弯灵巧快速。本章将主要介绍赛车车模的机械结构设计和调整优化方案:车模整体结构,转向舵机的安装、车轮及底盘的调整、随动舵机及激光传感器的安装、测速模块的安装等。3.1 车模整体结构 车模选用的是“飞思卡尔”杯智能车大赛组委会指定的 1:10 仿真车模。车模底盘结构如图 3.1所示。 图3.1 车模底盘3.2 转向舵机的安装 转向舵机是控制智能小车转向的关键部分,其安装性能的优劣直接影响到智能小车转向的灵活性和稳定性,这也就对智能小车舵机安装的机械结构提出了较高的

34、要求。舵机的在车模上必须完全固定,不允许它与车模之间有相对移动;同时,舵机的传动力臂在保证提供足够转向力矩的前提下还要做到更加灵活。 首先,对于同样的舵机,其传动力臂越长,响应速度越高。增加舵机传动力臂的长度意味着舵机只要转动更小的角度就能产生较大的横向位移,从而使车轮转过更大的角度。但是,根据力矩公式 mf?l ,舵机传动力臂加长会使舵机的负载转矩增大,从而降低舵机定位的精度,且容易造成舵机损坏。因此,舵机传动力臂的长度并不是跟舵机转向的灵活性成正比的,传动力臂太长反而会影响其转向性能。综合考虑,最终选择适当加长舵机的传动力臂,在提高智能小车转弯的灵活度的同时不会对舵机定位的精度有太大影响。

35、 经过多次改动实验,发现将舵机垂直安装于车身头部正中央位置效果最佳。这样安装使舵机连接杆与传动力臂处于同一平面内并接近垂直,保证了舵机产生的转矩最大程度上作用于前轮的转向。舵机安装在中央位置使前轮左右转向平衡,避免了车模转向的左右不对称,提高了智能小车适应不同赛道的能力。另外,舵机前置使重心前移,增大了前轮对地面的压力,从而增大了前轮的抓地力更加利于转向。舵机安装实物图如图 3.2 所示。 图3.2 舵机安装实物图3.3 车轮及底盘的调整 为了使智能小车在高速行驶时仍然具有较高的稳定性和灵活性,本设计需要对车模的车轮和底盘进行必要的调整。这里主要介绍主销后倾角、主销内倾角、前轮前束、底盘调整。

36、3.3.1 主销后倾角 转向轮围绕主销进行旋转,前轴的轴荷通过主销传给转向车轮,具备这两点的就叫做主销。 主销后倾角是指在纵向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角。前轮重心在主销的轴线上,由于主销向后倾斜使前轮的重心不在车轮与地面的接触点上,于是产生了离心力。主销后倾形成的离心力,可以保证车子直线行驶的稳定性,还可以帮助车轮自动回正。在车辆转弯时会产生与车轮偏转方向相反的回正力矩,使车轮自动恢复到原来的中间位置上。总之,主销后倾角越大,车速越高前轮自动回正的能力就越强,但是过大的回正力矩会使车辆转向沉重。通常主销后倾角值设定在1到3。3.3.2 主销内倾角 主销内倾角是指主销的轴线相对于车轮的

37、中心线向内倾斜的角度。主销内倾角示意图如图 3.3 所示。 图3.3 主销内倾角示意图 由于主销轴线向内倾斜,使前轴荷更接近前轮中心线。当转向轮在外力作用下发生偏转时,由于主销内倾的原因,车轮连同整个车身前部将被抬起一定高度,外力消失后,车轮就会在重力作用下恢复到原来的中间位置。故主销内倾角可以保证车子直线行驶的稳定性,还可以帮助车轮自动回正。但是,主销内倾角不宜过大,否则在转向时车轮主销偏转的过程中,轮胎与地面将产生较大的滑动,从而增加轮胎与路面间的摩擦阻力,不仅会使转向变得沉重,还将加速轮胎的磨损通常汽车领域主销内倾角不大于 85。3.3.3 前轮前束 车轮前束是指两轮之间的后距离数值与前

38、距离数值之差,也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。前轮前束的作用是保证车子的行驶性能,减少轮胎的磨损前轮在滚动时,其惯性力自然将轮胎向内偏斜,如果前束适当,轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消,轮胎内外侧磨损的现象会减少。像内八字那样前端小后端大的称为“前束”,反之则称为“后束”或“负前束”。在实际的汽车中,一般前束为0-12mm。前轮前束示意图如图3-4所示。 图 3.4 前轮前束示意图 调节合适的前轮前束在转向时有利过弯,还能提高减速性。将前轮前束调节成明显的“内八字”,运动阻力加大,提高减速性能。由于阻力比不调节前束时增大,所以直线加速会变慢。智能小车采用稳定速度策略或者采用在直道高速弯道慢速的策

39、略时,应该调节不同的前束。3.4 底盘部分设计 车模底盘部分的设计,主要目的在于调节车模后轮的重心。一般会使后轮重心升高,使车身前倾,这样,车身前倾,一定程度上增加了车的稳定性,减小前轮在过弯时的震动,同时,还能减缓车体过弯时的甩尾和倾侧趋势,尤其是对光电车而言,车子的稳定对接收信号的稳定程度影响很大。a车模的是通过增减前轮部分黄色垫片的数量来降低前轮底盘高度的,因此通过这种方法适当地降低了车模前轮的底盘高度,从而克服了前轮在过弯时的抖动问题。而且接受回来的信号也更加地稳定。底盘前部重心调节见图3.4所示。图3.4 底盘前部重心3.5 pcb 板尺寸设计及其安装 对本模型车的信号采集电路,本设

40、计设计了两块 pcb 板。分别是上排主激光pcb板和下排辅激光pcb 板。分别安装在车模中前部和打角舵机上方。综合考虑激光管的探测距离、模型车的行驶速度以及更好的配合软件的控制算法,而且也着重考虑了双排激光方案的信号干扰问题。所以将光电传感器信号采集电路中上排主激光的 pcb 板安装在距车模前端的距离为 100mm,距路面的距离为 150mm 的位置。pcb 板上均匀分布了 14个激光发射管和 7 个接收管。将下排辅激光的pcb板安装在距车模前端的距离30mm,距路面的距离为 60mm 的位置。此外还设计了三块 pcb 板,一块是包含了电源管理模块电路和最小系统电路的主板,一块包含直流电机驱动

41、电路,还有一块包含液晶按键电路。由于 a 型车底盘空间宽敞,所以尽可能地保持电路的一体化,简化布线,根据车模重心合理分配pcb板上左右放置器件的重量,让pcb板完全贴合车模底盘的形状,降低重心,也提高了车模的美观性。为了按键方便,可以把包含液晶按键电路的pcb板安装在车模电机上方。另外考虑到驱动电路的散热问题和驱动效率问题,可以把含直流电机驱动电路的pcb板从主板上独立出来,然后安装在靠近电机的左后轮处。在多次尝试之后,最终电路板尽量地贴合车模,放低重心,增加车模的美观性,使车模结构简洁,条理清晰,便于检查和维修6。 4 硬件电路设计方案 赛道上的虚线对硬件电路方案设计来说是个不小的考验,以前

42、的单排方案过虚线的成功率是很低的,要将解决虚线问题,首先要在传感器的布局上下工夫,结合软件算法的处理思想来设计传感器布局电路。经过多种方案的不断尝试,综合考虑稳定性和高效性等多种因素后决定采用双排循迹的方案。本方案的电路设计采用集成加模块化的设计思想。针对各模块电路维修频率,调车时拆卸的方便程度以及各芯片的散热能力,合理地调整电路布局,将容易损坏而体积小的电路模块独立出来,方便及时更换和维修,还能通过各校模块的位置调整来调配车模的重心。但总体上是尽量地将电路集成,简化布线,减少电路板面积,并贴合a车模的底盘形状,使车子的电路简洁高效又美观。4.1 mc9s12xs128单片机最小系统设计 mc

43、9s12xs128 单片机最小系统包括以下几个部分:单片机供电与时钟电路,复位电路、bdm 接口、无线模块接口。图4.1 单片机及其时钟电路 s12 单片机片内 cpu 使用1.8v电压,闪存操作使用 2.8v 电压,为了提高抗干扰能力,片外 i/o 口可使用 5v 电压,较低的片内电压使 cpu 运算速度快、功耗低;较高的 i/0 电平有利于抗外界干扰,故 s12 单片机特别适合于那些工作环境恶劣的控制系统7。 图4.2 最小系统pcb板4.2 电源模块 车模附带的直流电池正常输出电压约为 7.2v-8.0v,而智能小车系统中,单片机最小系统、激光传感器模块、测速模块以及计数器、译码器等大部

44、分数字芯片均使用 5v 供电;转向舵机和两个随动舵机使用 6v 供电;电机驱动模块mosfet 驱动芯片 ir2104 则需要 12v 电源。综上所述,本设计采用了多路电路供电。系统电源框图如图 4.3 所示。图4.3 系统电源框图 5v 电源部分,考虑到单片机工作的稳定性,设计了两路 5v 电源。一路使用 reg1117-5v 线性稳压芯片为单片机最小系统供电,另一路使用 lm7804线性稳压芯片为其他 5v 芯片供电,如图 4.4 所示。 图4.4 两路5v 电源 6v 电源部分设计使用 lm7806 线性稳压芯片搭建。lm7806和了lm7805的芯片性能大概一致,前面已经介绍。电路图如

45、图 4.5所示。 图4.5 6v电源 12v 电源部分设计使用 mc34063 开关稳压芯片,通过 dc-dc 升压得到 12v电源。如图 4.6 所示。图4.6 12v电源4.3 拨码开关和蜂鸣器电路 当智能小车在赛道上行驶时,可以通过蜂鸣器发声来提示操作人员车子的某种运行状态。拨码开关可以允许操作者给智能小车输入一些简单的指令,给调试带来了很大的方便。蜂鸣器及拨码开关电路如图 4.7 所示。 图 4.7 蜂鸣器及拨码开关电路原理图4.4 激光传感器设计 激光管发射特定波长的激光,经过跑道的反射被接收管接收。由于黑色和白色对光的反射系数不同,发射到黑色引导线上的光线大部分被吸收,而白色跑道上

46、的光线则大部分被反射回来。使用的接收管是内部集成了放大电路和比较电路的光敏元件,根据接收到反射光的多少判断检测到的是“黑”还是“白”,输出信号是数字信号。激光传感器是智能小车的“眼睛”,它的形状、大小、传感器个数、重量等数都将直接影响到激光传感器的性能。经过多次实验,绘制了三个版本的 pcb电路板,终于确定了 15 个激光管、3 个接收管、长约 175mm 的 pcb 电路方案pcb 电路。4.5 驱动电路设计 使用独立的 mosfet 搭建 h 桥的方案具有低阻抗、高电流负载能力等优势ir2104 型半桥驱动芯片可以驱动高端和低端两个 n 沟道 mosfet,两片 ir2104型半桥驱动芯片

47、可以组成完整的直流电机 h 桥式驱动电路,故选择它作为mosfet 驱动芯片。 mosfet 方面选择了 ir 公司的 n 沟道 mosfet,型号irlr7843。irlr7843 的优点在于9: 当 vgs 为 4.5v 时,rds 非常低;具有非常低的门电阻,正因为 irlr7843 具有以上特性,因此最终选用 irlr7843,驱动模块就是一个电子开关。所说的驱动能力能力强,其实就是减小导通等效电阻。不仅驱动电流大,而且更加容易控制,作为驱动电机的 mosfet电路原理图如图 4.8所示。图4.8驱动电路原理图4.6 速度检测模块设计 在这一模块上本文尝试了三种方案:1.用光栅;2.自

48、制速度传感器;3.编码器。初期用光栅来测速,因为光栅的优点在于体积小,重量轻。但是多次试后发现光栅的对固定的位置要求很高,而且检测回来的信号不是很稳,安装也很麻烦这严重影响了赛车闭环控制的准确性。值得一提的是,我们曾经自制过速度传感器,当初在修舵机的时候发现里面的减速电机其实也能当发电机用,因为电机里面有磁铁和线圈,根据法拉第原理,车模行驶时,后部的差速齿轮带动减速电机转动,这样电机会自主发电,然后在电机的两引脚会产生电压,电压大小和行驶速度成正比。但是这种想法毕竟有待成熟,实行发现还是有很多问题的于是,经过多次尝试性试验后,最终还是选用光电型卡盘式的光电码盘。主要看中它稳定性高,控制简单,安

49、装方便。而且供电电压为5v,很适合在车模上使用,如图4.9所示。图 4.9 编码器安装图4.7 液晶键盘模块设计 这一模块的设计上采用4*4矩阵键盘+nokia(84*48)液晶。这样能给调试车子带来很大的便捷,可以随时根据不同的赛道信息更改参数,甚至在比赛的时候,也能根据赛道中弯道、直道数量及时调整参数,能大大提高调车效率。液晶键盘模块图4.10所示。图4.10 液晶显示屏 调试的方式界面可以有数字按键,拨码开关等,显示界面也可以是液晶或者数码管,而且数字按键也有不同的形状及尺寸,在多次尝试后,发现大的方块形数字按键操作起来更加地便捷而快速,而液晶显示屏能更好地显示所需的信息量。5 智能小车

50、软件设计 智能小车控制系统主要使用了 mc9s12xs128 单片机的 pwm 模块、crg 时钟模块、ect 脉冲计数、spi 模块、a/d 模块以及部分 i/o 口。5.1主程序流程图 主程序流程图如图 5.1 所示。图 5.1 主程序结构示意图 总体的思路如下:打开电源开关后,大循环主程序先对全车硬件系统进行初始化,然后pit定时中断,然后让主激光扫描,扫描完14个点之后再处理采样回来的数据,确定横线的位置,然后计算出车身相对于赛道中心黑线的偏移量,然后单片机输出相应的pwm波控制上舵机打角,使车子能紧跟住黑线,而不跑出赛道。同时单片机根据前一时刻上舵机和光电的综合位置输出对应的pwm波

51、来控制下面打角舵机的打角度数,从而掌控车子的行驶方向。然后经过大量算法代码的处理对行驶速度进行闭环控制。 软件的总体思路是考虑到车子在高速行驶的状态下,如果用3010舵机来做摆头舵机,那么外部的阻力会把舵机拉回来,舵机不能打到单片机所赋给的值,这样容易造成丢线,所以选用高速舵机来做摆头舵机,这样能使车子牢牢地跟线,速度有了很大的提升。高速舵机会因分辨率过高而产生抖动的情况,所以在舵机下部垫了海绵来去抖。 在速度控制上,采用了 pd 控制来达到了快速加速和制动的效果,基本思想是入弯减速,出弯加速。特别是在长直道接急弯的时候,应该提前地快速制动将速度值降到期望过弯速度。所以在程序中利用了记忆标志位的方式,在突然看到弯道后给电机一个较小的期望速度值,这样在 pd调节