智能车设计课题论文剖析

1、鬲昌丸爭课程报告课 程：智能车设计与实践专业班级：通信134班修课班级：临班547学生姓名：学 号：2015年12月14日智能车设计与实践总结报告、兄冃尽为加强大学生实践、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，由教育部高等学校 自动化专业教学指导分委员会 （以下简称自动化分教指委） 主办 全国大学生智能汽车竞赛。该竞赛是以智能汽车为研究对象的创 意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活 动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。 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，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

2、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、求真务实的学风和团队协作的人文精神，为优秀人才的脱颖而出创造条件。全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛由竞赛秘书处设 计、规范标准硬软件技术平台，竞赛过程包括理论设计、实际制 作、整车调试、现场比赛等环节，要求学生组成团队，协同工作， 初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的全过程。该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广 阔的汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电 子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。该竞赛规则透明，评价标准客观，坚持公开、公平

3、、公正的原则， 力求向健康、普及、持续的方向发展。该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，得到了教育部相 关领导、 飞思卡尔公司领导与各高校师生的高度评价， 已发展成 全国 30 个省市自治区近 300 所高校广泛参与的全国大学生智能 汽车竞赛。 2008 年起被教育部批准列入国家教学质量与教学改 革工程资助项目中科技人文竞赛之一。全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的高 等学校（包括港、澳地区的高校）参赛。竞赛首先在各个分赛区 进行报名、预赛，各分赛区的优胜队将参加全国总决赛。每届比 赛根据参赛队伍和队员情况，分别设立光电组、摄像头组、电磁 组、创意组等多个赛题组别。 每个学校可以根据

4、竞赛规则选报不 同组别的参赛队伍。 全国大学生智能汽车竞赛组织运行模式贯彻 “政府倡导、专家主办、学生主体、社会参与”的 16 字方针， 充分调动各方面参与的积极性。全国大学生智能汽车竞赛一般在每年的 10 月份公布次年 竞赛的题目和组织方式， 并开始接受报名， 次年的 3 月份进行相 关技术培训， 7 月份进行分赛区竞赛， 8 月份进行全国总决赛。 全国大学生“飞思卡尔” 杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平 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

5、 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。“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛以飞思卡尔半导体公司为协 办方，自 2006 年首届举办以来，成功举办了七届，得到了教育 部吴启迪副部长、 张尧学司长及理工处领导、 飞思卡尔公司领导 与各高校师生的高度评价，已发展成全国 30 个省市自治区 200 余所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。 2008 年第三届 被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中 9 个科技人文竞赛之一， 2009 年第四届被邀申请列入国家教学质 量与教学改革工程资助项目。二、道路检测方式2.1

6、 传感器概述光电传感器与 CCD/CM OS图像传感器是较为常见的应用于 路径识别的传感器。 光电传感器物理结构、 信号处理方式简单但 检测距离近。CCD/CMOS能更早感知前方路径信息，但数据处理 方式复杂，将CCD/CMO图像传感器应用于路径识别是发展趋势。 红外传感器分为数字与模拟两种。 数字红外传感器硬件电路简单 但采集路径信息粗糙， 模拟式通过将多个模拟红外传感器进行适 当组合，可以再现赛道准确信息，但需占用微处理器较多的 AD 端口。CCD/CMOSS像传感器可分为线阵式与面阵式两种。线阵 式图像传感器应用于系统对检测精度有特殊要求的场合， 一般价 格较昂贵。 面阵式图像传感器应用

7、于普通的视频检测， 价格较便宜。对于HCS12单片机的处理能力，在这里只能选用CCD/CMOS图像传感器的信号输出格式为电视信号。2.2 设计方案针对第一届全国大学生智能车竞赛的赛道特色，基于上述 对传感器的说明，下面讨论红外传感器与CCD/CM O图像传感器的路径识别方案。基于反射式红外传感器的数字光电传感器阵列的路径检测 方法具有较高的可靠性与稳定性， 且单片机易于处理。 虽然大赛 限制传感器为 16 个，但仍不足以解决精度问题，而且光电传感 器本身存在着检测距离近的问题，不能对远方的路径进行识别， 降低了对环境的适应能力， 影响了智能车的快速性和稳定性。 它 利用传感器对白色和黑色的反射

8、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 值的组合基本能够 确定智能车的位置 , 从而对位置和行驶方向都能做较精确的控 制。但这种方法对识别道路的计算量大，计算时间较长，且检测 距离也不是很远基于图像传感器的智能控制， 利用CCD/CMO图像传感器的 特点在小车前方虚拟出 24 个光电传感器，能够精确地感知智能 车的位置，并且硬件安装简单，调试方便。基于CCD/CMO传感器的路径检测方法具有探测距离远的优势， 能够尽可能早的感知 前方的路径信息进行预判断， 再现路径的真实信息。 与光电传感 器阵列配合使用具有远近结合的优势 , 且具有较高的稳

9、定性和可 靠性。但大赛所要求的 MC9S12DG128总线时钟最高25M,无法 实现高级的图像算法和控制算法 , 且硬件电路较为复杂。将以上各方案结合 MC9S12DG128 MC的运算能力，在追求 系统简洁性的基础上实现智能车控制系统路径识别的准确性， 选 择基于CCD/CM OS图像传感器的智能控制方案应用于最终的大 赛。2.3 具体应用采取基于图像传感器的路径识别方案，其参赛的智能车的 整体实物照片如图 1 所示。邀请赛指定唯一微处理器为 Freesca le HCS12DG128B16位 MCU 128K字节的 Flash EEPROM 8K字节 的 RAM，2K 字节的 EEPROM

10、2 个异步串行通信接口 (SCI) ，2 个 串行外围接口 (SPI) ，1 个 8 通道的输入捕捉 /输出比较 (IC/OC) 增强型捕捉定时器， 2 个 8 通道、10 位转换精度的模数转换器 (A DC)，1 个 8 通道的脉冲调制器 (PWM) 丰富的 I/O 资源，内部集 成PLL锁相环，可以提高系统时钟工作频率。然而， S12单片机 的上限内部总线频率25MHz在此限制条件下，将微处理器的总 线时钟设定为 24MHz。根据智能车赛道引导线与其背景的巨大反差的特点，这里 只需要选择具有全电视信号输出的黑白图像传感器即可。 由于所 选的黑白图像传感器为 PAL制，故行频为64ms,场频

11、20ms行 同步为12ms(行消隐脉冲4.7mS)，场同步脉冲宽度为 25个行周 期(2.048 ms) ，去掉行同步时间，则每行的有效信息时间是 52ms。通过将图像传感器输出的视频信号接至视频同步分离芯片LM1881的视频输入端，就可以得到行同步、场同步、奇 / 偶场同步 信号等，这里只使用行同步、奇 / 偶场同步信号作为单片机进行 视频AD采集的控制信号。处理器MC9S12DG12进行AD采样与转换的时间要求，这里 使用24MHZ的总线速度，这样每采集一个点的时间大约是2ms，每行的扫描时间是64ms去掉行消隐与行同步时间 12ms,每行 有效信息时间为52ms。从数据可靠性与稳定性的角

12、度考虑，我 们选择每行采集 24 个点，每场采集 200 行，但在实际应用中， 每场采取每间隔 10 行采集一行数据的策略，如此操作就能够满 足控制系统的精度要求。图像传感器每场的数据变换成一个 20 行、24列的一个二维数组。由于微处理器 HCS12DG128的AD默 认参考电压为5V左右，而视频信号的白电平为1.2V左右、黑电 平0.5V左右，为了体现白黑的巨大差异，这里将 A/D采集的参 考电压调整为1.5V，从而使得AD采集的正常结果通常是在 85 204 之间。三、智能车设计的一般方法（一）方案论述3.1 电动机的选择方案一：采用步进电机，步进电机的一个显著特点就是具 有快速启停能力

13、， 如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩 值，就能够立即使步进电机启动或反转。 另一个显著特点是转换 精度高，正转反转控制灵活。方案二：采用普通直流电机。直流电动机具有优良的调速 特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁 的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足 各种不同的特殊运行要求。3.2 电动机驱动方案的选择 方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压， 从而达到调速目的。 但是电阻网络只能实现有级调速， 而数字电 阻的元器件价格比较昂贵， 且可能存在干扰。 更主要的问题在于 一般电动机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率， 而且实现很困

14、难。方案二：采用继电器对电动机的开与关进行控制，通过控 制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。 这个电路的优点 是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较 短，可靠性不高。方案三：采用四个大功率晶体管组成 H 桥电路，四个大功 率晶体管分为两组， 交替导通和截止， 用单片机控制使之工作在 开关状态， 进而控制电动机的运行。 该控制电路由于四个大功率 晶体管只工作在饱和与截止状态下， 效率非常高， 并且大功率晶 体管开关的速度很快， 稳定性也极强， 是一种广泛采用的电路。3.3 供电电源方案的选择方案一：采用两个电源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周电路电源完全隔离， 利用

15、光电耦合器传输信号。 这样可 以使电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性， 但是多一组电池，增加了车身重量，增大了小车的惯性。方案二：采用单一电源供电。电源直接给电动机供电，因 电动机启动瞬间电流较大， 会造成电源电压波动， 因而控制与检 测部分电路通过集成稳压块供电。其供电电路比较简单。3.4 路面情况检测方案的选择 探测路面黑线的基本原理：光线照射到路面并反射，由于 黑线和白纸对光的反射系数不同， 可根据接收到的反射光强弱来 判断黑线，可实现的方案有以下几种： 方案一：采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收 方案，电路如图 1-1 所示。该方案在实际使用时，容易受到外界 光

16、源的干扰， 有时甚至检测不到。 主要是因为可见光的反射效果 跟地表的平坦程度、 地表材料的反射情况均对检测效果产生直接 影响。 虽然可采取超高亮度发光二极管降低一定的干扰， 但这有 增加额外的功率损耗。方案二：脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用该 有交流分量的调制信号， 则可大幅度减少外界干扰； 另外红外发 射接受管的最大工作电流取决与平均电流， 如果采用占空比小的 调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（ 50100mA),则大大提高了信噪比。并且其反映灵敏，外围电路也很简单。比较以上两种方案，方案二占有很大的优势，市场上很多 红外光电探头也都是基于这个原理。这样不但能准确完成

17、测量， 而且能避免电路的复杂性。3.5 路程检测方案的选择方案一：采用霍尔元件集成片，该器件内部由三片霍尔元 件组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔反应，可以产生电流的 变化，对此加以判断，但需要在车轮上安装磁片，将霍尔集成片 安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行对车速的测量。 方案二：采用光电码盘进行检测。旋轴转动，带动码盘转 动，码盘上刻有许多狭缝， 码盘转动时发射光透过狭缝被接受元 件接受。 用计数器对接受到的信号进行计数。 用这种方案能很精 确的算出小车已经走过的距离。3.6 障碍物探测方案的选择方案一：脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用该 有交流分量的调制信号， 则可大幅度减少外

18、界干扰； 另外红外发 射接受管的最大工作电流取决与平均电流，如果采用占空比小 的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大( 5010 0mA，贝V大大提高了信噪比。并且其反映灵敏，外围电路也很 简单。方案二：采用超声波传感器，如果传感器接受到反射的超 声波，则通知单片机前方有障碍物， 否则通知单片机可以向前行 驶。（二）具体设计 单片机为小车的控制核心，系统由黑线检测模块、电机驱 动模块、LED指示模块、数码管显示模块、红外检测避障模块等 几部分构成。3.7 系统硬件设计3.7.1 路面黑线检测设计与实现 路面黑线检测主要通过黑白线检测传感器实现，黑白线检 测传感器有效探测距离达 5cm

19、通过调节电位器，最远可以达到 10cm （该距离下，探测黑白线的精度降低）。这款黑白线传感器 受可见光干扰小，输出信号为开关量，信号处理简单，使用非常 方便外，还增加了探测距离调节器、改进了探测距离、加强了探 测精度（在有效量程内，可对报纸大标题进行感应）。注意事项：1. 该传感器为开关量传感器，输出为 TTL电平，可以直接 和单片机连接， 但需要在输出端加上拉电阻， 使用方法如红外避 障传感器。（如不加上拉电阻会出现不规则电平输出）2. 一定不要把线接错，否则容易烧掉传感器。当检测到黑线时， 红外光管接收到反射回来的红外光， 其输出立 即发生高低电平跳变，该信号经逻辑比较后送单片机分析处理。

20、为保证小车延黑线行驶， 采用了两个检测器并行排列。 在小车行 走过程中，若向左方向偏离黑线， 则右侧的探头就会检测到黑线， 把信号传给单片机。单片机控制车头向右转。3.7.2 电动机驱动电路设计与实现考虑到电压、 电流的等级及尺寸、 外观等因素 , 可选用集成电机驱动芯片L298。L298是双H桥高电压大电流集成电路，其输 出脚（SENSEA和SENSEB用来连接电流检测电阻。Vss接逻辑控 制部分的电源，常用+5Vo Vs为电机驱动电源。IN1-IN4输入引脚 采用标准 TTL 逻辑电平信号 , 用来控制 H 桥的开与关 ,EnA、EnB 引脚则为使能控制端，功率集成电路采用了 SGB公司特有的Mult iwatt 塑料封装 ,15 个引脚。3.7.3 车轮检速与路程计算 车轮检速与路程计算主要通过霍尔传感器实现。磁场由磁 钢提供， 所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。 在非磁材料的圆 盘边上粘贴一块磁钢， 霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。 圆盘每 转动一圈， 霍尔传感器便输出一个脉冲。 通过单片机测量产生脉 冲的频率就可以得出圆盘的转速。提醒：当没有信号产生时，可以改变一下磁钢的方向，霍 尔对磁钢方向有要求。 没有磁钢时输出高电平， 有磁钢时输出低 电平。在车体和车轮上分别固定霍尔元件和磁钢，测量小车轮周 长，在单片机控制时， 每检测到一个脉冲，