【正文】 ................................................................. 30 無線通信 ...................................................................................................... 30 液晶顯示 ...................................................................................................... 32 5 制作與調(diào)試 ..........................................................................................................................1 硬件部分制作 ............................................................................................................. 1 系統(tǒng)調(diào)試 ..................................................................................................................... 1 硬件調(diào)試 ........................................................................................................ 1 軟件參數(shù)調(diào)試 ................................................................................................ 3 實際測試 ........................................................................................................ 3 6 結(jié)論 ..................................................................................................................................... 1 致謝 ........................................................................................................................................... 1 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................... 1 附錄 A 英文文獻(xiàn)翻譯 .............................................................................................................. 1 附錄 B 程序源代碼 .................................................................................................................. 4 附錄 C 電路原理圖 ................................................................................................................ 58 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 1 引言 研究背景和意義 智能控制技術(shù)指在無人 （或少量） 干預(yù)的情況下能自主地驅(qū)動智能機器實現(xiàn)控制目標(biāo)的自動控制技術(shù)。 智能汽車是當(dāng)今車輛工程領(lǐng)域研究的前沿， 20 世紀(jì) 80 年代以來，隨著 計算機技術(shù)、 信息技術(shù)、 通信 和 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展 以 及其他學(xué)科的 相互發(fā)展和 滲透， 使得 控制科學(xué)與工程研究的 研究不斷深入，控制系統(tǒng)向智能化 的發(fā)展已成為一種趨勢。在此基礎(chǔ)上，智能控制的車輛也越來越受到工業(yè)、交通、國防、能源等領(lǐng)域的青睞，得到了 蓬勃發(fā)展 。 智能車輛在普通車輛的基礎(chǔ)上增加了先進(jìn)的傳感器、控制器、執(zhí)行器 和無線通信 等裝置，通過車載傳感系統(tǒng)和信息終端，實現(xiàn)與人、車、路等的智能信息交換，使車輛 能夠 智能的 感知周圍 環(huán)境，自動分析車輛行駛的安全及危險狀態(tài)，并使車輛按照人的意愿到達(dá)目的地，最終實現(xiàn)替代人來操作的目的。 目前對智能車輛的研究主要致力于提高汽車的安全性、舒適性，以及提供優(yōu)良的人車交互界面 [1]。近年來， 隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展， 智能車輛 與下一代移動通信技術(shù)和云計算相結(jié)合， 己經(jīng)成為世界車輛工程領(lǐng)域研究的熱點和汽車工業(yè)增長的新動力，很多發(fā)達(dá)國家都將其納入到重點發(fā)展的智能交通系統(tǒng)當(dāng)中 [2]。 汽車產(chǎn)業(yè)，作為一個有著一百多年歷史的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，在新的環(huán)境下，必然需要不斷的自我革新，緊跟時代潮流。智能汽車正式兩種產(chǎn)業(yè)的有機結(jié)合，必然會的到蓬勃的發(fā)展。隨著人民生活水平不斷的提高，消費力的提升，智能汽車的產(chǎn)業(yè)前途不可限量。 研究內(nèi)容 本文主要通過對玩具小車的控制系統(tǒng)設(shè)計研究，以達(dá)到模擬智能汽車的目的。目前國際上發(fā)展智能汽車設(shè)計思路都是一 致的，即在成熟可靠的傳統(tǒng)汽車平臺上，改裝其控制系統(tǒng)，加裝傳感器和智能模塊。智能汽車是一個綜合的浩大的工程， 包括傳感器的應(yīng)用、電動機的應(yīng)用、電路設(shè)計、自動控制原理、系統(tǒng)調(diào)試、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計等。 因此本文研究 的 智能玩具車忽略其機械、電氣性能，著重于自動控制硬件系統(tǒng)和軟件算法的研究。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 2 設(shè)計方案 硬件設(shè)計方案 在智能玩具小車的整體設(shè)計中硬件的設(shè)計至關(guān)重要。良好的硬件設(shè)計是智能玩具車穩(wěn)定運行的基本保證。智能玩具車的硬件模塊大體可以分為三部分，即傳感器電路、驅(qū)動電路和輔助電路。另外，在硬件設(shè)計過程中也有很多需要考慮的因素，如強弱電的分離，模擬、數(shù)字信號的隔離，布線的合理性等。 主控芯片 智能玩具車中的 主控芯片是 該系統(tǒng) 的 核心 ，它負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的信息獲取、處理和控制。 方案一 ：采用目前廣泛運用，成本低廉的 51 系列單片機作為主控芯片。 51 系列單片機作為一種經(jīng)典的單片機品種，技術(shù)成熟且技術(shù)資料豐富，開發(fā)周期短， 特別適合低端智能玩具上使用。但是，目前看來， 51 平臺已經(jīng)過于老舊了，硬件性能也開始捉襟見肘，軟件開發(fā)局限性較大，不利于后續(xù)產(chǎn)品升級。并且，片上系統(tǒng)集成度較低，實際運用需要大量的外圍電路，不利于系統(tǒng)的小型化和穩(wěn)定性。 方案二：采用 ARM Cortex M 系列 核心的嵌入式處理器。 Cortex M 系列是 ARM 專為工業(yè)控制、智能電器等領(lǐng)域特別推出的嵌入式核心，繼承了 ARM 芯片一貫的優(yōu)點，具有高性能，低功耗的優(yōu)點，系統(tǒng)集成度高。并且，由于 ARM 的開放授權(quán)，大量芯片廠商陸續(xù)跟進(jìn)，使得該系列芯片成本大大降低，目前價格已經(jīng) 能做到和傳統(tǒng)單片機一樣的量級。 電源電路 電源電路的好壞關(guān)乎著整個系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，是整個系統(tǒng)最基礎(chǔ)的一環(huán)。目前 廣泛運用的主要是線性電源和開關(guān)電源。 方案一：線性穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源是 一種 工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源，是 經(jīng)典的 、 較早使用的電源電路。線性穩(wěn)壓直流電源的 優(yōu) 點是 反應(yīng)速度 最 快、輸出紋波小，工作噪聲低；然而，它的的缺點是 在大功率條件下電源 效率較低、發(fā)熱量大。 方案二：開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源是現(xiàn)代電力電子技術(shù) 發(fā)展而成的新型電源 ， 通過控制開關(guān)管開關(guān)斷的時間 占比 ， 來持續(xù)輸出 穩(wěn)定 電壓。 開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 （ PWM）控制 芯片 和 功率場效應(yīng)管（ MOSFET） 構(gòu)成。開關(guān)電源的優(yōu)點是：功耗小、效率高；穩(wěn)壓范圍寬；效率 高，濾波電容的容量和體積 少；電路形式多樣 靈活 。開關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點是存在較為嚴(yán)重的開關(guān)干擾。開關(guān)穩(wěn)壓電源 工作 中 會產(chǎn)生高頻 交流電壓和電流 ，導(dǎo)致 尖峰干擾和庇振干擾， 如果不采取一定的措施進(jìn)行抑制和屏蔽，就會嚴(yán)重地影響電源的安全有效輸出 [3]。 電機和驅(qū)動模塊 方案 一 ：采用電阻網(wǎng)絡(luò) 和 數(shù)字 繼電器 構(gòu)成驅(qū)動電路 ， 通過改變繼電器的開關(guān)狀態(tài)，從而達(dá)到分壓的目的。但 該方案的缺點就是繼電器的工作頻率有限，無法實現(xiàn)高頻 PWM調(diào)節(jié) 。 還有一個問題在于 電動機 工作 電流很大， 這種方案效率較低 ， 工作損耗大， 而且使用壽命不高 。 方案 二 ：采用功率三極管或 MOSFET 構(gòu)成 H 橋 驅(qū)動電路 。 該 驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu) 方案成熟、 原理簡單， 載電流 能力強。用由 MOSFET 管組成的 H 型橋式電路，用單片機 或可編程芯片輸出占空比可調(diào)的脈沖控制信號 ， 即可以 精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。 由于 電路工作在管子的飽和截止?fàn)顟B(tài) ， 因此效率 高 。采用 H 型橋式電路 可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開關(guān)速度 快 、 穩(wěn)定性強， 因此 是一種廣泛采用的 電機 調(diào)速技術(shù)。 可以選用大量成熟方案的 H 橋驅(qū)動模塊。 循跡電路 方案一：采用發(fā)光二極管 （ LED） 或著 鹵素?zé)舻?其他外部光源 ，用光敏二極管 或顏色傳感器 接收 發(fā)射的光線信息 。 然而 光敏二極管 精度不夠， 受 外界 光的 干擾 影響較大，線性程度不好 。 而顏色傳感器雖然能夠檢測出顏色信息，但是由于外界環(huán)境和光線強弱的變化，極易出現(xiàn)傳感器判斷失誤的現(xiàn)象。另外，該方案集成度較低，體積比較大，不適合智能小車的安裝使用。 方案二：利用紅外對管 傳感器 作為尋跡 方案 ， 紅外光電對管 集成了紅外發(fā)射管和接收管， 因為 傳感器 發(fā)射 出的是紅外光 ， 所以 接收信號 對 外界 可見光 的影響較小， 并且光電對管輸出 對信號 可以通過電平轉(zhuǎn)換電路變成數(shù)字信號輸出 ，可靠性高 ，適合單片機的接收控制 。 若在小車底部安裝該光電傳感器，當(dāng) 底部的遇到黑 色路徑 時， 傳感器 輸出 高電平，遇到 白色地 面時， 輸出 低電平。 通過 單片機 I/O 接口接收信息 ，程序控制小車改變方向。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 最終方案選擇 綜合以上各個方案的優(yōu)缺點和本論文設(shè)計的智能玩具小車的實際要求，現(xiàn)將最終決定的設(shè)計方案列出： 硬件方案： （ 1） 主控芯片采用 ARM CortexM3 內(nèi)核的 STM32F103 嵌入式處理器； （ 2） 電源方案采用線性穩(wěn)壓模塊與 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓模塊相結(jié)合。 （ 3） 電機 和 驅(qū)動 模塊 采用 集成 MOS 管電機驅(qū)動 ，小車轉(zhuǎn)向采用舵機控制； （ 4） 循跡電路 傳感器采用集成式光電傳感器，小車行駛時記錄編碼器的輸出脈沖； 軟件方案： （ 1） 開發(fā)軟件 采用 MDKARM 集成開發(fā)環(huán)境 （ 2） 調(diào)試軟件采用 串口調(diào)試助手軟件 和 JLINK 仿真軟件 。 總體設(shè)計框圖 經(jīng)過上訴方案論證的過程之后， 其系統(tǒng)總方框圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)組成框圖 主控芯片 接收傳感器輸入的信號 ，其中紅外傳感器陣列用來檢測線路，編碼器用來檢測電機運動路程信息； 接收到的傳感器信息由 MCU 處理，輸出控制信號，控制舵機和電機進(jìn)行相應(yīng)的動作。 另外處理器還通過 I/O 口控制直流電機、舵機 、無線通信 和 LCDSTM32F103 主控芯片 光電傳感器陣列 舵機控制 電機驅(qū)動 LCD 顯示 編碼器 無線通信 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 的顯示。在功能和作用上，系統(tǒng)成了 分成了三個 主要部分 ，即信息獲取 與處理部分、動作控制部分和信息交互部分 ： （ 1） 信息獲取和處理部分包括兩種傳感器：光電傳感器陣列和編碼器，以及擔(dān)任信息處理作用的 STM32F103 主控芯片。這個部分主要對傳感器獲得的賽道信息采集處理，為下一步動作控制部分的基礎(chǔ)。 （ 2） 動作控制部分包括舵機控制與電機驅(qū)動。這個部分是該智能小車系統(tǒng)的執(zhí)行部門，它將上一部分處理的電信號轉(zhuǎn)換為實際的速度、角度等物理量。 （ 3） 信息交互部分包括 LCD 顯示模塊和無線通信模塊。這個部分主要作用是系統(tǒng)的測試和參數(shù)調(diào)整，能夠直觀快速的顯示系統(tǒng)的各項狀態(tài)。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 3 硬件設(shè)計 主控電路設(shè)計 主控電路是智能小車系統(tǒng)各功能模塊的控制中心，它負(fù)責(zé)信息的獲取、處理和執(zhí)行。主控電路硬件系統(tǒng)包括 MCU 芯片及外圍接口電路、電源電路和對應(yīng)的程序下載與 ISP通信接口電路。