【正文】 機械系統(tǒng)的模型車設(shè)計方案第一章 引言 本設(shè)計通過對以前歷屆智能小車的控制方案進行比較和分析之后，自主設(shè)計了控制方案，完成了系統(tǒng)設(shè)計。我們首先學習并掌握MC9S12XS128單片機的工作原理和實際應(yīng)用，同時制作智能車的硬件設(shè)計，如傳感器設(shè)計布局和支架設(shè)計、轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計、轉(zhuǎn)向舵機設(shè)計等；制作智能車的電路設(shè)計，如電源模塊設(shè)計、電機驅(qū)動設(shè)計、傳感器電路設(shè)計、轉(zhuǎn)速傳感器電路設(shè)計等；緊接著對小車各模塊編譯程序并調(diào)試，整合后實現(xiàn)智能車沿黑色引導線穩(wěn)定行駛；然后通過大量的測試，分析小車在測試跑道上的運行姿態(tài)，完成各種任務(wù)算法的軟件調(diào)試，并不斷的優(yōu)化、改進硬件部分，使小車保持良好的狀態(tài)。在參閱大量的文獻，涉獵控制、模式識別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計算機、機械等多個學科，我們小組最終完成了參賽小車的設(shè)計。這份報告中，我們通過對整體方案、電路、算法、調(diào)試、車輛參數(shù)的介紹，詳盡地闡述了我們的思想和創(chuàng)意，具體表現(xiàn)在電路的創(chuàng)新設(shè)計，以及算法方面的獨特想法。本文主要對以下幾個方面做研究：首先，介紹了研究背景、比賽規(guī)則和設(shè)計構(gòu)思。闡述了控制系統(tǒng)的資源配置、資源需求與分配和核心處理器的寄存器，MC9S12單片機寄存器資源。相比于其它類型的單片機，16位的MC9S12的功能更加強大，功能引腳較多，能夠很好地滿足智能車控制系統(tǒng)的需要。其次，設(shè)計了智能車控制系統(tǒng)的硬件電路，包括各個模塊的電路設(shè)計方案以及相關(guān)電路。采用的方案以MC9S12單片機為核心，包括總體控制系統(tǒng)的設(shè)計，各部件需要的供電電源設(shè)計，傳感器電路設(shè)計，速度檢測電路的設(shè)計等。然后，進行了軟件和算法的設(shè)計。根據(jù)傳感器采集的道路信息，經(jīng)處理分析之后，控制轉(zhuǎn)角和速度。實現(xiàn)智能汽車快速的完成賽道。 第二章 模型車設(shè)計方案概要系統(tǒng)由NTSC制式的CMOS攝像頭給出當前跑道的信息，并用LM1881視頻場行信號分離芯片將NTSC制式的行同步信號和場同步信號分別以中斷的形式提供MC9S12XS128智能核心，視頻信號經(jīng)過自行設(shè)計的硬件二值化電路連接到MC9S12XS128，單片機將圖像信息采集，獲得轉(zhuǎn)向信息，然后通過公式計算得到舵機應(yīng)該轉(zhuǎn)的角度，用PWM模塊向舵機發(fā)送控制信號，并根據(jù)前一次角度和次角度的變化來確定當前的理論速度，然后用光電編碼器測得當前的實際速度，將理論速度與實際速度進行比較，用bangbang控制策略控制速度，以使實 際速度值能夠達到當前計算的理論速度。3第三章 機械系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 第三章 機械系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 為了讓車能夠以更高的速度穩(wěn)定行駛，我們對A車車模進行了全面系統(tǒng)的 分析。今年的車模和以前大體相同，因此我們在借鑒以前車模改造經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對該車模進行了全新的改造。在實際調(diào)試 ，我們發(fā)現(xiàn)減震彈簧對車在高速運行 的穩(wěn)定性影響很大，并且高速運行 舵機的轉(zhuǎn)動速度對車轉(zhuǎn)向的靈活程度也有很大的影響。所以，我們在整車的機械結(jié)構(gòu)方面進行了如下的改進：，并用連桿支撐以降低重心。 ，并對其機械連接結(jié)構(gòu)進行改進。 底盤連接方式的調(diào)整 原車模本身的底盤采用的是軟連接，并有減震彈簧，由于減震彈簧彈性太大，因此車在行駛過程中重心變化很大，導致小車在高速行駛的過程中會發(fā)生顫動的情況。所以，我們?nèi)サ袅嗽嚹５膹椈桑妆P使用光刻板進行剛性連接。這樣可以保證車在行駛過程重心的穩(wěn)定性，對于攝像頭采集圖像的穩(wěn)定度有很大的提高，： 底盤連接方式的改裝 舵機安裝方式的調(diào)整我們組的舵機賽用直立安裝方案：該方案的優(yōu)點是：一、可以根據(jù)需要選擇舵機輸出桿的長度，從而獲得所需要的靈敏度，但是舵機輸出桿的長度也不能太長，因為這會對舵機的輸出力矩有較高的要求，太長會燒壞舵機。二、效率較高，舵機的單邊（例如取左邊）效率,對于長連桿方案來說，左輪角在增大的同時，右輪角在減小，而且角是在 045度之間，同時的變動也比較?。?5度135度），因此長連桿的效率變動較小且效率較高。三、轉(zhuǎn)角大，由于長連桿方案中舵機輸出桿的轉(zhuǎn)動在同一個平面內(nèi)，當其到達極限位置時，轉(zhuǎn)角比平行四邊形方案要大。 轉(zhuǎn)向更靈敏，因為放大倍數(shù)較平行四邊形方案要大。舵機的安裝方式如圖所示 舵機的機械調(diào)整 舵機轉(zhuǎn)向是整個控制系統(tǒng) 延遲較大的一個環(huán)節(jié)，為了減小此時間常數(shù)，通過改變舵機的安裝位置，而并非改變舵機本身結(jié)構(gòu)的方法可以提高舵機的響應(yīng)3第三章 機械系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)速度。分析舵機控制轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向的原理可以發(fā)現(xiàn)，在相同的舵機轉(zhuǎn)向條件，轉(zhuǎn)向連桿在舵機一端的連接點離舵機軸心距離越遠，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向變化越快。這相當于增大力臂長度，提高線速度。針對上述特性，加長了舵機臂，抬高了舵機，使得舵機的兩個桿基本在一個水平面。這樣安裝的優(yōu)點是改變了舵機的力臂，使轉(zhuǎn)向更靈敏,讓前輪轉(zhuǎn)向響應(yīng)更快。經(jīng)過上述改裝，可使整個小車在尋跡轉(zhuǎn)向 更加精確快速。 ： 舵機的機械調(diào)整 攝像頭的安裝 為了降低并穩(wěn)定整車重心，需要嚴格控制CMOS攝像頭的安裝位置和重量，因此我們自行設(shè)計了輕巧的夾持組件，這樣可以獲得最大的圖像采集穩(wěn)定度。在確定攝像頭安裝位置時，我們兼顧攝像頭采集圖像的失真程度與整車的重心的位置，最終確定了一個比較合適的安裝位置。攝像頭的安裝位置如圖所示 攝像頭的安裝 底盤高度調(diào)整 在保證小車能夠正常過坡道的前提下，最大程度地降低小車底盤高度，使重心盡量降低，從而使車在轉(zhuǎn)彎時可以更加穩(wěn)定、快速。 5第四章 硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)第四章硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 系統(tǒng)除大賽提供的MC9S12XS128的單片機最小系統(tǒng)以外，主要還包括四 個部分，即電源部分、視頻分離部分、電機驅(qū)動部分和測速部分。 電源部分 驅(qū)動電路板的電源模塊為系統(tǒng)其它各個模塊提供所需要的電源。設(shè)計中，噪聲、防止干擾和電路簡單等方面進行優(yōu)化?？煽康碾娫捶桨甘钦麄€硬件電路穩(wěn)定可靠運行的基礎(chǔ)。 、2A/h的可充電蓄電池提供，然而 電路不同電路模塊的工作電壓和電流容量各不相同，因此需要將電池電壓轉(zhuǎn)換成各個模塊所需電壓。 ： 降壓電路設(shè)計、2A/h的可充電鎳鎘的蓄電池供電，輸入電壓比較低，所以電源芯片宜選用低壓降的電源管理芯片。5V電源的獲得采用比較常見的穩(wěn)壓芯片有LM7805（輸入電壓需要大于7V）、LM2941,當電源電壓不太低時它們就能正常工作。由于7805功耗較大，所以本系統(tǒng)采用LM2941穩(wěn)壓。LM2941為典型的TO220封裝，輸入、地、輸出三個引腳，使用也比較方便，并且穩(wěn)壓芯片LM2941（）能提供比較穩(wěn)定的5V電壓以滿足穩(wěn)定性的要求。三片LM2941穩(wěn)壓后的電源分配情況如下：；供5V電源；電壓并且為撥碼開關(guān)的上拉電阻提供5V電源。位。，電壓越高響應(yīng)越快，舵機在6V供電時，響應(yīng)速度最快，所以對舵機采用6V供電。舵機在實際工作中，所需工作電流一般在幾十毫安左右，電壓無需十分穩(wěn)定。我們選用LM2941作為6V的電源管理芯片,它能通過改變可調(diào)電阻阻值調(diào)整輸出電壓。5V和6V的穩(wěn)壓電路如圖圖 降壓電路原理圖7第四章 硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 穩(wěn)壓電路設(shè)計LM2941是凌特公司生產(chǎn)的DC—DC直流電壓轉(zhuǎn)換控制器。內(nèi)部含有震蕩電路，通過對外圍器件的選擇可以調(diào)節(jié)開關(guān)頻率；而改變外圍器件的接法可以組成升壓、降壓等多種電路；此外通過反饋該集成電路可以調(diào)整輸出。因此它是非常便于使用的一種DCDC直流電壓轉(zhuǎn)換控制器。： 視頻分離部分 攝像頭有兩個重要的指標：分辨率和有效像素。分辨率實際上就是每場行同步脈沖數(shù)，這是因為行同步脈沖數(shù)越多，對每場圖像掃描的行數(shù)也越多，分辨率也就