【正文】 ]；同濟大學研究的方向是在HIS顏色空間進行交通燈的顏色分割，利用交通燈被黑色矩形框包圍這一典型特征進行形狀分割，根據(jù)形狀分割所得位置對顏色分割候選區(qū)進行確認，從而精確定位交通燈位置以及亮燈在交通燈中的位置[7]。但總的來說，各種方案都是使用攝像頭來對交通燈進行信息采集的。因為在路徑采集模塊選用的是CCD攝像頭，為了減少智能車的硬件組成以及減少費用預算，所以在這里使用同樣的攝像頭，但對信息的處理算法卻迥然不同，在后續(xù)的論文中將會詳細介紹。 小車自動入庫方案分析這一部分要實現(xiàn)的主要功能是小車行駛的過程中能夠準確定位到空余車位。能夠?qū)崿F(xiàn)定位的傳感器數(shù)不勝數(shù)，最初試想的方案是利用光敏電阻來測量小車與車位的距離，具體做法是在車庫中央安裝發(fā)光二極管，車庫空著時二極管被點亮，在小車四周安裝八個光敏電阻，利用光敏電阻距離光源位置不同產(chǎn)生不同電阻的原理，進而產(chǎn)生電壓差，從而測出小車距離光源的位置。實際證明這種方案并不合理，首先在小車上安裝光敏電阻相對麻煩，而且電路連接較為混亂。最嚴重的問題是光敏電阻受環(huán)境影響很大，遠遠不能實現(xiàn)車庫的精確定位。最終確定的方案是使用紅外線對射管，這種對管的原理是點對點的發(fā)射接收，車庫空著時對管發(fā)射信號，車輛行駛至車庫時接收紅外信號。紅外對射管的接收范圍相對較小，所以并不受相鄰車庫對管的影響，精確度高，能夠?qū)崿F(xiàn)小車對車庫的精確定位[8]。 系統(tǒng)硬件安裝 智能車系統(tǒng)硬件安裝智能車上的硬件有：車輪、舵機、路徑采集攝像頭、交通燈采集攝像頭、電機、主控芯片、電源驅(qū)動一體化電路、紅外接收管、視頻分離電路。其中車輪、舵機和電機已經(jīng)安裝在車上，不需要進行調(diào)節(jié)機械結(jié)構(gòu)。車體本身機械參數(shù)如下：；車寬17cm；車輪直徑5cm；軸寬12cm[9]。智能車硬件安裝如圖22所示。圖22 智能車硬件安裝示意圖其中最關(guān)鍵的部分是攝像頭的安裝，出于對車身重心位置以及探測前瞻量的考慮，攝像頭最好裝在車體前部，以平衡重心并獲得較大的前瞻量。攝像頭安裝位置的高低對智能車行駛過程中路徑識別的范圍，以及路徑識別的準確性和實時性具有直接的影響。安裝位置過低，會導致視野不夠開闊，使得有效的路徑識別范圍縮??；安裝位置過高，又會導致黑色引導線變得過窄而無法被檢測到，而且會使智能車系統(tǒng)重心抬高，從而降低了其穩(wěn)定性。攝像頭又受到單片機采樣速率的影響，根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)用于路徑采集攝像頭的高度為10厘米、向下傾角30度為宜，用于交通燈信息采集攝像頭的高度為12厘米、向上傾角30度為宜。其次便是紅外對射管的安裝，智能車在兩處需要用紅外對管定位，一處是車庫門前，另一處是在路口。車庫有左右之分，所以在小車的左右兩側(cè)各需要一個對管，用以區(qū)分空余車位在車的左側(cè)還是右側(cè)。車庫中道路是按照雙車道設(shè)計的，所以檢測路口的紅外對管需要安裝在車的右側(cè)，又因為采用的對管是同一個型號，為了避免出現(xiàn)錯誤判斷，檢測路口的傳感器安裝位置要高于其余兩個對管。 車場硬件安裝智能車場的設(shè)計是獨立于自動入庫系統(tǒng)的，但本次設(shè)計需要車場相關(guān)硬件配合，所以這里對車場的硬件安裝提出簡單要求，其主要部分有：紅外對管、交通燈以及用于空位查詢的光電管。交通燈需要安裝十字路口，受到CCD攝像頭采集有效距離的影響，攝像頭要安裝在靠近車的路口，同時位置要高于攝像頭支桿。安裝在車庫門口的紅外對管，其裝在右側(cè)還是左側(cè)取決于該車庫相對于主干道的位置。用于定位路口的紅外對管需要安裝距離路口11cm的地方，這是由裝在車上對管的位置決定[10]?？瘴徊樵兊膫鞲衅靼惭b在車庫正中即可，車場系統(tǒng)硬件安裝如圖23所示。圖23 車場系統(tǒng)安裝示意圖第三章 硬件設(shè)計 單片機最小系統(tǒng)電路 單片機MC9S12XS128簡介我們選用飛思卡爾公司的MC9S12XS128作為系統(tǒng)的主控芯片，其隸屬于MC9S12X系列。MC9S12X系列是HCS12系列的增強產(chǎn)品，其基于S12CPU內(nèi)核，可以達到之前產(chǎn)品2到5倍的性能。S12X系列單片機增加了172條指令，可以執(zhí)行32位計算，總線頻率最高可達40MHz，并完全具備了CAN功能，改進了中斷處理能力。S12X單片機的CPU以復雜指令集CISC為架構(gòu)，集成了中斷控制器，有豐富的尋址方式。其系列單片機最大的優(yōu)點是添加了一個平行處理的外圍處理器XGATE模塊，該模塊是一個可編程的16位RISC核心，設(shè)計的最高運行速率可達100MHz。此模塊是一個可編程的、智能的直接內(nèi)存存取模塊，可以進行通信處理、中斷處理和數(shù)據(jù)預處理。MC9S12X系列單片機目前有一下幾個子系列：MC9S12XA系列、MC9S12XB系列、MC9S12XD系列、MC9S12XE系列、MC9S12XS系列[11]。MC9S12XS128單片機存在三種不同的引腳封裝：112引腳LQFP封裝、80引腳QFP封裝、64引腳LQFP封裝，他們的功能基本相同。因為本次設(shè)計需要的引腳較多，所以選用的是112引腳的封裝。其主要功能如下：中央處理器是高速的16位處理單元，數(shù)據(jù)總線也是16位，由算數(shù)邏輯單元（ALU）、核心寄存器組以及控制單元三部分組成；因為單片機的地址總線是16位的，所以基本存儲器的尋址范圍是0x0000～0xFFFF,尋址空間為64KB。這些地址空間分給了數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器EPROM、數(shù)據(jù)閃存器EEPROM和I/O口寄存器；共有十一個并行I/O口，分別是：A、B、E、K、T、S、M、P、H、J和AD，其中除了A、B和H作為通用I/O口，其他端口都存在復用功能；中斷模塊實現(xiàn)了7級嵌套，每個中斷源靈活分配中斷級別，中斷源又分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷；串行通信SCI模塊由13位的波特率選擇，同時支持LIN總線協(xié)議；16通道的AD轉(zhuǎn)換位數(shù)有8位/10位/12位可選，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)左對齊或右對齊，存在單次或連續(xù)轉(zhuǎn)換兩種方式；8通道8位的脈沖寬度調(diào)制器PWM可轉(zhuǎn)換成4通道16位；定時器/計數(shù)器模塊分為輸入捕捉/輸出比較模塊和周期中斷定時模塊；內(nèi)部集成了系統(tǒng)運行監(jiān)視功能，即看門狗功能，用硬件監(jiān)視軟件是否正常運行，從而可以保證出錯后系統(tǒng)快速恢復；工作環(huán)境溫度范圍寬等[12]。 單片機時鐘電路設(shè)計時鐘電路是單片機最小系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于使用的晶振體工作頻率很高，如果電路設(shè)計不合理會使其工作時產(chǎn)生的高頻信號對其他電路造成干擾，特別對模擬部分的干擾較大，甚至會致使單片機系統(tǒng)無法正常工作。通常時鐘電路的連接方法有三種：串聯(lián)型、并聯(lián)型和使用外部有源振蕩器[13]。并聯(lián)型電路連接如圖31所示。圖31 時鐘電路圖中晶振的大小選用16MHz，電容CC2稱為負載電容，將它們分別與晶振連接后接地，作用是消減諧波對電路穩(wěn)定性的影響，其典型值為22pF。R3的作用是保證晶體正常起振，它的大小一般為10MΩ。在設(shè)計時鐘電路PCB時要注意下面三點：（1） 晶振體的周圍盡量不要有線路，特別是對信號質(zhì)量要求高的器件連線；（2） 為了保證單片機的穩(wěn)定性和避免晶振對周圍電路造成干擾，它們之間的連線要盡量短，盡量寬；（3） 為了阻擋晶振體的噪聲，可以將地線包圍和覆蓋在其周圍，這樣也可以避免其他信號的干擾。 復位電路設(shè)計單片機要正常工作需要在上電的時候給它一個復位信號，使CPU和其他部件都置為一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。此外，在調(diào)試程序的時候經(jīng)常需要手動對單片機復位，所以復位電路的設(shè)計必不可少。S12單片機的復位引腳是低電平有效，即在正常狀態(tài)時要求該引腳被上拉至高電平，在對單片機進行復位時其要保持一定時間的低電平[14]。復位電路如圖32所示。圖32 單片機復位電路系統(tǒng)上電時，復位按鈕處于松開狀態(tài)，由于電容C1要進行充電，所以電壓不會突然變化而只能緩慢上升，這樣就可以在復位引腳上保持一段時間的低電平。當按鈕被按下時，復位引腳被拉到低電平，單片機進入復位狀態(tài)。但是該電路不具備低壓復位保護功能，而且在對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高的場所，需要在R1兩端并聯(lián)反向保護二極管[15]。 BDM接口電路設(shè)計BDM模塊可以實現(xiàn)程序下載、讀寫存儲器/寄存器、硬件斷點、條件斷點、單步運行、連續(xù)運行等全部在線調(diào)試功能，而只需要簡單的外部接口電路。此部分電路設(shè)計就是為了連接BDM調(diào)試器的，BDM調(diào)試器的功能是將程序從微機上下載到單片機里，并可實現(xiàn)在線調(diào)試，同時它還可以給單片機供電[16]。BDM接頭存在兩種定義方式，一是飛思卡爾的方式，方法是將通訊口BKGD設(shè)置在第一腳，VDD在第六腳，若BDM插反，VDD將直接與BKGD短接，很可能引起芯片BDM模塊故障，甚至燒毀芯片。第二種方法是清華大學提出的，該方式將BKGD設(shè)置到第三腳，這樣即使BDM頭插反，也不會引起任何嚴重的后果。按照第二種方式設(shè)計的BDM接口電路如圖33所示。圖33 BDM接口電路為了充分保護單片機的引腳，通常串聯(lián)如圖所示的電阻R13，其典型阻值為51歐姆。當使用BDM下載程序時，單片機需要處于調(diào)試模式，即要求MODC引腳處于低電平，實現(xiàn)過程是BDM調(diào)試器的對應引腳自動將其拉低。當單片機與調(diào)試器分離時，單片機就會自動回到普通模式。 電源電路設(shè)計電源模塊的設(shè)計是為整個系統(tǒng)提供所需的電源，所以首先需要設(shè)計出滿足要求的電壓電流，其次需要考慮電源轉(zhuǎn)換率和噪聲等方面，穩(wěn)定可靠的電源是整個硬件電路穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。電源管理模塊主要包括：主電源、舵機電源、攝像頭電源、電機驅(qū)動電源以及各芯片供電電源[17]。其中主電源需要一塊充電電池，現(xiàn)在市場上常見的充電電池有鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、堿性電池和封閉式鉛酸電池等幾類，其中鎳氫電池電路簡單、技術(shù)成熟而且價格便宜，其額定容量為1300mAh。 5V電源電路設(shè)計，主要為單片機、視頻分離電路以及輔助電路提供穩(wěn)定電壓，所以要求電壓穩(wěn)定、噪聲小、電流容量大。現(xiàn)在常用的5V穩(wěn)壓芯片有LM780LM2940等，其中LM7805內(nèi)部功率損耗大，全部壓降均轉(zhuǎn)換成熱量損失了，電源效率比較低，因此選用LM2940作為5V穩(wěn)壓芯片。，其最大輸出輸出電流可達1A，并且具有短路保護的特點。5V穩(wěn)壓電路原理圖如圖34所示。圖34 5V穩(wěn)壓電路圖 6V電源電路設(shè)計 6V電源只給前輪舵機提供工作電壓。舵機工作時需要的工作電流一般在幾十毫安左右，且電壓無需十分穩(wěn)定，所以這里選用LM2941作為穩(wěn)壓芯片。LM2941是一種可調(diào)式低壓穩(wěn)壓器，其優(yōu)勢主要在于：；；輸出電壓范圍為0～20V，最大輸出電壓可達26V；具有短路保護、熱過載保護和自我保護功能。此外當輸入輸出壓差超過3V 時, 芯片內(nèi)部有專門的電路將引腳地的靜態(tài)電流減小。當輸出電流為1A 并且輸入輸出壓差為5V 時,靜態(tài)電流僅為30mA。6V穩(wěn)壓電路原理圖如圖35所示。圖35 6V穩(wěn)壓電路圖當引腳ON/OFF為高電平時，芯片被關(guān)閉，引腳OUTPUT輸出電壓為0V，反之當其接低電平時， 芯片被開啟，有電壓輸出。輸出電壓的計算方法如式31所示。 （31）從上式可以看出LM2941輸出電壓的大小取決于R2與R1比值的大小，實際電路中R1通常取1K，[18]。此外輸出電壓的穩(wěn)定性；也取決于R1和R2的穩(wěn)定性；即電阻穩(wěn)定性好，則電路就不會因溫度等因素而引起輸出電壓的不穩(wěn)定，所以這兩個電阻不能太小或者不接。需要注意的是電路中的電源濾波電容在布線時要原理調(diào)節(jié)端。 12V電源電路設(shè)計CCD攝像頭的額定工作電壓是12V，在這里我們使用MC34063構(gòu)成直流升壓電路，這款芯片使用不同的外圍電路可產(chǎn)生不同的電壓值。MC34063是一塊高效的開關(guān)型DC/DC變換控制電路，內(nèi)部含有直流到直流變換器所要求的主要功能，即具有溫度補償?shù)幕鶞孰妷涸春捅容^器、具有激勵電流限制的占空比可控的振蕩器和驅(qū)動器以及大電流輸出開關(guān)等。其輸入的工作電壓為3～40V，工作頻率為100KHz，基準度為2%。MC34063片內(nèi)的恒流源不斷對接在CT引腳上的定時電容進行充電和放電，從而使振蕩器產(chǎn)生震蕩波。因為充電和放電的電流都是恒定的，所以振蕩器的振蕩頻率完全取決于定時電容的容量。當振蕩器對外充電時，片內(nèi)與門的C輸入端呈現(xiàn)為高電平，反之，則呈現(xiàn)出低電平。當比較器的輸入電平低于閥值電平時，與門的D輸入端表現(xiàn)為高電平，反之，則表現(xiàn)為低電平。當C端和D端都為高電平時，片內(nèi)觸發(fā)器被置為高電平，從而使輸出開關(guān)管導通。當C端和D端有一端為低電平時，觸發(fā)器被置為低電平，輸出開關(guān)管就被關(guān)閉。通過判斷連接在5V電源與SI檢測口的電阻上的壓降來完成電流限制的功能。當該電阻上的壓降接近于300mV時，電流限制功能便被啟用，主要是通過對CT引腳上定時電容進行快速充電，從而減少充電時間和輸出開關(guān)管的導通時間，其結(jié)果是輸出開關(guān)的關(guān)閉時間減少，電路中的電流大小下降，達到電流限制功能[19]。12V穩(wěn)壓電路如圖36所示。圖36 12V穩(wěn)壓電路圖，根據(jù)MC34063的工作原理可知，電路輸出電壓的大小只與電阻R1和R2有關(guān)，但R1R2的阻值不能過小，否則支路的分流電流將會變大，導致輸出端的負載能力下降。這里選用電阻R1R2的大小分別為2K和18K，具體計算方法按式32所示。 （32）根據(jù)MC34063工作頻率等特性，可以計算出定時電容CT的大小為470pF,濾波電容C和C0的大小都為100uF。，將電感L的大小設(shè)置為100uH。 直流電機及電機驅(qū)動電路 電機RS380簡介 直流電機的結(jié)構(gòu)可以分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，組成部分有機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等。運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，組成部分有轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器等。電機是小車動作的主要執(zhí)行機構(gòu)，在這我們選用RS380直流電機作為驅(qū)動電機。因為直流電機速度控制性能優(yōu)良，其輸出轉(zhuǎn)矩較大，可直接拖動后輪負載，重要的是可通過調(diào)節(jié)控制脈沖直接控制轉(zhuǎn)速和方向。,工作電壓范圍3～8V?！?，堵轉(zhuǎn)電流可達24A。其在很多方面有優(yōu)越性，具體如下：（1）較大的轉(zhuǎn)矩能夠克服傳動裝置的摩擦和負載轉(zhuǎn)矩；（2）電機速度調(diào)整范圍寬且精度高，