【正文】 ]；同濟(jì)大學(xué)研究的方向是在HIS顏色空間進(jìn)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(jìn)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(jìn)行確認(rèn)，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(jìn)行信息采集的。因?yàn)樵诼窂讲杉K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(fèi)用預(yù)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(xì)介紹。 小車自動入庫方案分析這一部分要實(shí)現(xiàn)的主要功能是小車行駛的過程中能夠準(zhǔn)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(shí)二極管被點(diǎn)亮，在小車四周安裝八個(gè)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(jìn)而產(chǎn)生電壓差，從而測出小車距離光源的位置。實(shí)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(yán)重的問題是光敏電阻受環(huán)境影響很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實(shí)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(diǎn)對點(diǎn)的發(fā)射接收，車庫空著時(shí)對管發(fā)射信號，車輛行駛至車庫時(shí)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(jī)、路徑采集攝像頭、交通燈采集攝像頭、電機(jī)、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(jī)和電機(jī)已經(jīng)安裝在車上，不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)。車體本身機(jī)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(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性具有直接的影響。安裝位置過低，會導(dǎo)致視野不夠開闊，使得有效的路徑識別范圍縮?。话惭b位置過高，又會導(dǎo)致黑色引導(dǎo)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(jī)采樣速率的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(gè)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(jì)的，所以檢測路口的紅外對管需要安裝在車的右側(cè)，又因?yàn)椴捎玫膶苁峭粋€(gè)型號，為了避免出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷，檢測路口的傳感器安裝位置要高于其余兩個(gè)對管。 車場硬件安裝智能車場的設(shè)計(jì)是獨(dú)立于自動入庫系統(tǒng)的，但本次設(shè)計(jì)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(shí)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]。空位查詢的傳感器安裝在車庫正中即可，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(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 單片機(jī)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(qiáng)產(chǎn)品，其基于S12CPU內(nèi)核，可以達(dá)到之前產(chǎn)品2到5倍的性能。S12X系列單片機(jī)增加了172條指令，可以執(zhí)行32位計(jì)算，總線頻率最高可達(dá)40MHz，并完全具備了CAN功能，改進(jìn)了中斷處理能力。S12X單片機(jī)的CPU以復(fù)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(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是添加了一個(gè)平行處理的外圍處理器XGATE模塊，該模塊是一個(gè)可編程的16位RISC核心，設(shè)計(jì)的最高運(yùn)行速率可達(dá)100MHz。此模塊是一個(gè)可編程的、智能的直接內(nèi)存存取模塊，可以進(jìn)行通信處理、中斷處理和數(shù)據(jù)預(yù)處理。MC9S12X系列單片機(jī)目前有一下幾個(gè)子系列：MC9S12XA系列、MC9S12XB系列、MC9S12XD系列、MC9S12XE系列、MC9S12XS系列[11]。MC9S12XS128單片機(jī)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?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)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?yàn)閱纹瑱C(jī)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(gè)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(fù)用功能；中斷模塊實(shí)現(xiàn)了7級嵌套，每個(gè)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(shí)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(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊分為輸入捕捉/輸出比較模塊和周期中斷定時(shí)模塊；內(nèi)部集成了系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行，從而可以保證出錯(cuò)后系統(tǒng)快速恢復(fù)；工作環(huán)境溫度范圍寬等[12]。 單片機(jī)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路是單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)不合理會使其工作時(shí)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?xí)率箚纹瑱C(jī)系統(tǒng)無法正常工作。通常時(shí)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(shí)鐘電路圖中晶振的大小選用16MHz，電容CC2稱為負(fù)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(jì)時(shí)鐘電路PCB時(shí)要注意下面三點(diǎn)：（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(jī)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(fù)位電路設(shè)計(jì)單片機(jī)要正常工作需要在上電的時(shí)候給它一個(gè)復(fù)位信號，使CPU和其他部件都置為一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。此外，在調(diào)試程序的時(shí)候經(jīng)常需要手動對單片機(jī)復(fù)位，所以復(fù)位電路的設(shè)計(jì)必不可少。S12單片機(jī)的復(fù)位引腳是低電平有效，即在正常狀態(tài)時(shí)要求該引腳被上拉至高電平，在對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位時(shí)其要保持一定時(shí)間的低電平[14]。復(fù)位電路如圖32所示。圖32 單片機(jī)復(fù)位電路系統(tǒng)上電時(shí)，復(fù)位按鈕處于松開狀態(tài)，由于電容C1要進(jìn)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(fù)位引腳上保持一段時(shí)間的低電平。當(dāng)按鈕被按下時(shí)，復(fù)位引腳被拉到低電平，單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。但是該電路不具備低壓復(fù)位保護(hù)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(hù)二極管[15]。 BDM接口電路設(shè)計(jì)BDM模塊可以實(shí)現(xiàn)程序下載、讀寫存儲器/寄存器、硬件斷點(diǎn)、條件斷點(diǎn)、單步運(yùn)行、連續(xù)運(yùn)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(jì)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(jī)上下載到單片機(jī)里，并可實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，同時(shí)它還可以給單片機(jī)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(xué)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(yán)重的后果。按照第二種方式設(shè)計(jì)的BDM接口電路如圖33所示。圖33 BDM接口電路為了充分保護(hù)單片機(jī)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(dāng)使用BDM下載程序時(shí)，單片機(jī)需要處于調(diào)試模式，即要求MODC引腳處于低電平，實(shí)現(xiàn)過程是BDM調(diào)試器的對應(yīng)引腳自動將其拉低。當(dāng)單片機(jī)與調(diào)試器分離時(shí)，單片機(jī)就會自動回到普通模式。 電源電路設(shè)計(jì)電源模塊的設(shè)計(jì)是為整個(gè)系統(tǒng)提供所需的電源，所以首先需要設(shè)計(jì)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(gè)硬件電路穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。電源管理模塊主要包括：主電源、舵機(jī)電源、攝像頭電源、電機(jī)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(jià)格便宜，其額定容量為1300mAh。 5V電源電路設(shè)計(jì)，主要為單片機(jī)、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?，F(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(dá)1A，并且具有短路保護(hù)的特點(diǎn)。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(jì) 6V電源只給前輪舵機(jī)提供工作電壓。舵機(jī)工作時(shí)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(dá)26V；具有短路保護(hù)、熱過載保護(hù)和自我保護(hù)功能。此外當(dāng)輸入輸出壓差超過3V 時(shí), 芯片內(nèi)部有專門的電路將引腳地的靜態(tài)電流減小。當(dāng)輸出電流為1A 并且輸入輸出壓差為5V 時(shí),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(dāng)引腳ON/OFF為高電平時(shí)，芯片被關(guān)閉，引腳OUTPUT輸出電壓為0V，反之當(dāng)其接低電平時(shí)， 芯片被開啟，有電壓輸出。輸出電壓的計(jì)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(shí)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(gè)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(shí)要原理調(diào)節(jié)端。 12V電源電路設(shè)計(jì)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(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓源和比較器、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(zhǔn)度為2%。MC34063片內(nèi)的恒流源不斷對接在CT引腳上的定時(shí)電容進(jìn)行充電和放電，從而使振蕩器產(chǎn)生震蕩波。因?yàn)槌潆姾头烹姷碾娏鞫际呛愣ǖ?，所以振蕩器的振蕩頻率完全取決于定時(shí)電容的容量。當(dāng)振蕩器對外充電時(shí)，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(dāng)比較器的輸入電平低于閥值電平時(shí)，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(dāng)C端和D端都為高電平時(shí)，片內(nèi)觸發(fā)器被置為高電平，從而使輸出開關(guān)管導(dǎo)通。當(dāng)C端和D端有一端為低電平時(shí)，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(dāng)該電阻上的壓降接近于300mV時(shí)，電流限制功能便被啟用，主要是通過對CT引腳上定時(shí)電容進(jìn)行快速充電，從而減少充電時(shí)間和輸出開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，其結(jié)果是輸出開關(guān)的關(guān)閉時(shí)間減少，電路中的電流大小下降，達(dá)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(dǎo)致輸出端的負(fù)載能力下降。這里選用電阻R1R2的大小分別為2K和18K，具體計(jì)算方法按式32所示。 （32）根據(jù)MC34063工作頻率等特性，可以計(jì)算出定時(shí)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(jī)及電機(jī)驅(qū)動電路 電機(jī)RS380簡介 直流電機(jī)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(jī)運(yùn)行時(shí)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(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等。運(yùn)行時(shí)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(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)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(jī)是小車動作的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在這我們選用RS380直流電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。因?yàn)橹绷麟姍C(jī)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(fù)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?！罗D(zhuǎn)電流可達(dá)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(fù)載轉(zhuǎn)矩；（2）電機(jī)速度調(diào)整范圍寬且精度高，