【正文】 基于光電傳感器自動循跡小車設(shè)計摘 要制作自動尋跡小車所涉及的專業(yè)知識包括控制、模式識別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計算機、機械等諸多學(xué)科。為了使小車能夠快速穩(wěn)定的行駛，設(shè)計制作了小車控制系統(tǒng)。在整個小車控制系統(tǒng)中，如何準確地識別路徑及實時地對智能車的速度和方向進行控制是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。由于此小車能夠自動尋跡,加速,，通過兩排光電傳感器檢測小車的位置和運動方向來獲取軌道信息，根據(jù)軌道信息判斷出相應(yīng)的軌道類型，并分配不同的速度給硬件電路加以控制，完成了在變負荷條件下對速度的快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)。紅外對射傳感器用于檢測智能車的速度，以脈寬調(diào)制控制方式（PWM）控制電機和舵機以達到控制智能車的行駛速度和偏轉(zhuǎn)方向。軟件是在CodeWarrior ，用PID控制算法調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和舵機的方向，完成對模型車運動速度和運動方向的閉環(huán)控制。智能車能夠準確迅速地識別特定的軌道，并沿著引導(dǎo)線以較高的速度穩(wěn)定行駛。整個智能車系統(tǒng)涉及車模機械結(jié)構(gòu)的改裝、傳感器電路設(shè)計及控制算法等多個方面。經(jīng)過多次反復(fù)的測試，最終確定了現(xiàn)有的智能車模型和各項控制參數(shù)。關(guān)鍵詞：MC9S12XS128；PID；PWM；光電傳感器；智能車ABSTRACTMaking automatic tracing car involved the professional knowledge including control, pattern recognition, sensing technology, automobile electronics, electrical, puter, machinery and so on many subjects. According to the technical requirements of the contest, we design the intelligent vehicle control system. In the entire control system of the smart car, how to accurately identify the road and realtime control the speed and direction of the Smart Car is the key to the whole control system. Because this car can automatic tracing, accelerate, slowing down. So it is also known as intelligent car this intelligent vehicle control system design take the MC9S12XS128 micro controller as a core, examines car39。s position and the heading through two row of photoelectric sensors gains the racecourse information, judges the corresponding racecourse type according to the racecourse information, and assigned the different speed to control for the hardware circuit, has pleted in changes under the load condition to the speed fast stable adjustment. The infrared correlation sensor uses in examining the intelligent vehicle39。s speed, (PWM) controls the electrical machinery and the servo by the pulseduration modulation control mode achieves the control intelligence vehicle39。s moving velocity and the deflection direction. The software is under the CodeWarrior environment with the C language pilation, actuates electrical machinery39。s rotational speed and servo39。s direction with the PID control algorithm adjustment, pletes to the model vehicle velocity of movement and the heading closedloop control. The intelligent vehicle can distinguish the specific racecourse rapidly accurately, and along inlet line by the high speed control travel. The entire intelligent vehicle system involves the vehicle mold mechanism the reequipping, the sensor circuit design and the control algorithm and so on many aspects. After the repeated test, has determined the existing intelligent vehicle model and each controlled variable finally many times. Keywords：MC9S12XS128。 PID；PWM；photoelectric sensor。 smart car 3江西理工大學(xué)2011屆本科生畢業(yè)設(shè)計第一章 緒論思路及技術(shù)方案是一個工程項目的靈魂。因此，在設(shè)計和制作伊始對思路與方案的選擇要非常的仔細,謹慎。作為一個快速的隨動控制系統(tǒng)。結(jié)合智能車設(shè)計的實際情況以及前人對自動控制系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗。得出簡單、穩(wěn)定、快速、智能八字方針作為智能車方案設(shè)計的指導(dǎo)原則。智能車是一個快速的隨動控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)分為兩個大的子控制系統(tǒng)，分別為：方向控制系統(tǒng)與速度控制系統(tǒng)。方向控制的作用就好比是駕駛員和他所控制的方向盤；速度控制系統(tǒng)的作用就好比是駕駛員和他腳下的油門與剎車。方向控制系統(tǒng)能使智能車沿著導(dǎo)引黑線行駛而不至偏移。速度控制能使智能車在直道上加速行駛而在入彎時剎車減速以盡量提高行駛速度和避免因入彎速度過快而造成的沖出跑道。本次制作的智能車是以光電傳感器捕獲路徑信息的。經(jīng)過數(shù)月的設(shè)計與調(diào)試，終于完成了這個作品。在設(shè)計與制作的過程中以穩(wěn)定為前提進行軟硬件優(yōu)化設(shè)計與參數(shù)調(diào)整。經(jīng)過分析認為在路徑檢測信息非常完備的條件下進行速度優(yōu)化會對小車的性能有很大提高。由于小車在彎道與直道以及不同曲率半徑的弧道的通過速度是不同的。經(jīng)過研究對于小車的速度控制我們采取的閉環(huán)的速度優(yōu)化控制，利用路徑監(jiān)測信息來給出不同路況下的速度設(shè)定值，使小車速度有了很大改善。本文第二章主要介紹系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，第三章介紹智能車的硬件電路設(shè)計，第四章介紹系統(tǒng)軟件的設(shè)計，第五章介紹完成智能車設(shè)計所需開發(fā)調(diào)試工具及調(diào)試過程，第六章對此次設(shè)計做出總結(jié)，并給出智能車的相關(guān)參數(shù)。圖11 系統(tǒng)框架圖如上圖11所示，該智能小車系統(tǒng)主要分為以下三大塊：（1）信息采集模塊：在該模塊主要是對智能車的所處位置進行采集，并將采集到的信息傳送給MCU，其核心是光電傳感器。（2）信息處理模塊：信息處理模塊包括信息處理和控制模塊，其核心MCU，MCU接收到采集來的信號，對信號進行處理后作出判斷，并發(fā)出控制信號。（3）執(zhí)行模塊：該模塊包括了驅(qū)動電機和舵機，當接收到MCU的命令后便執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時信息采集模塊又采集到電機和舵機的狀態(tài)信息，反饋給MCU。從而整個系統(tǒng)構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，在運行過程中，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)而達到智能車快速穩(wěn)定行使的目的。方案一：采用CCD傳感器來采集路面信息使用CCD傳感器，可以獲取大量的圖像信息，可以全面完整的掌握路徑信息，可以進行較遠距離的預(yù)測和識別圖像復(fù)雜的路面，而且抗干擾能力強。但是對于本項目來說，使用CCD傳感器也有其不足之處。首先使用CCD傳感器需要有大量圖像處理的工作，需要進行大量數(shù)據(jù)的存儲和計算。因為是以實現(xiàn)小車視覺為目的，實現(xiàn)起來工作量較大，相當繁瑣。方案二：使用光電傳感器來采集路面信息使用紅外傳感器最大的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡明，實現(xiàn)方便，成本低廉，免去了繁復(fù)的圖像處理工作，反應(yīng)靈敏，響應(yīng)時間低，便于近距離路面情況的檢測。但紅外傳感器的缺點是，它所獲取的信息是不完全的，只能對路面情況作簡單的黑白判別，檢測范圍有限，而且容易受到諸多擾動的影響，抗干擾能力較差，背景光源，器件之間的差異，傳感器高度位置的差異等都將對其產(chǎn)生干擾。方案三：采用電感與電容諧振來采集路面信息使用電感與電容諧振的優(yōu)點是原理簡單（通過電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與電感線圈所處位置的關(guān)系），價格便宜，體積相對較小，頻率響應(yīng)快。缺點是電磁干擾嚴重，電感線圈感應(yīng)的信號很小需要相應(yīng)的放大電路將信號放大，故傳感器電路較復(fù)雜。在本次設(shè)計的跑道只有黑白兩種顏色，小車只要能區(qū)分黑白兩色就可以 采集到準確的路面信息。經(jīng)過綜合考慮，在本項目中采用紅外光電傳感器作為信息采集元件。光電檢測方案： 對于智能車尋跡來說，路徑檢測的成敗歸功于光電傳感器的選擇與使用。目前，用于光電檢測的傳感器主要有可見光管、反射式紅外光電管、激光管等。可見光管抗干擾能力差，容易受到外界光線影響，因此不能被用做路徑檢測。反射式紅外光電管抗干擾能力強，對自然光和燈光變化的反應(yīng)較小，并且電路也比較簡單。激光管的抗干擾能力強，由于光線聚集故射程較遠，但價格較紅外光電管貴并且電路也較復(fù)雜。綜合考慮，最后決定選擇反射式紅外光電管作為檢測器件。反射式紅外光電管一般有直流驅(qū)動和光電驅(qū)動兩種不同的驅(qū)動方式。其中，直流驅(qū)動的特點是電路簡單，但對外界光線的反應(yīng)相對較大，不過通過在光電管上加套熱縮管以及軟件處理可以極大降低這種影響；光電驅(qū)動的特點是光電管具有更高的功率，探測距離相對較遠，抗干擾能力也較強，不過電路復(fù)雜且難于控制。因此，我們采用了直流驅(qū)動的方式，并利用相應(yīng)措施降低了外界光線的影響。方案一：15對光電管均勻分布于一排。由于跑道的寬度小于25cm，故光電管陣列之間不需要排的太開。因此我們選擇光電管對的間隔為15mm，所以15對光電管排布下來的寬度只有大概21cm，符合規(guī)則要求。運用15對光電管的好處就是采集的跑道信息精度較高，信息比較連續(xù)，因此賽車跑起來不會出現(xiàn)明顯的“抖”的現(xiàn)象；但是使用單排光電管陣列的前瞻性比較差，使得賽車不能進行比較提前的判斷和控制，因此限制了智能車的速度，同時所有的傳感器做成一排做出來的輔助板過大，不宜固定。方案二：15對光電管均勻分布于兩排。將7對光電管均勻分布的陣列放在近排，8對光電管對均勻分布的陣列放在遠排。近排的光電管陣列就架設(shè)在車的前端3040mm；而遠排的則架的較高并且伸出90110 mm。在這樣的光電管陣列下，賽車的前瞻性得到了很好的提高，速度比單排光電陣列情況下高了較多。但是由于光電采集的精度不夠，賽車即使在直線上行駛的時候，也容易出現(xiàn)“抖動”的現(xiàn)象，通過調(diào)整舵機控制的參數(shù)，使得賽車“抖動”的程度明顯減少，而且速度也有一定的保證。綜合考慮了以上兩種方案并通過觀察試驗效果，我們選擇了方案二中的光電管陣列排布。效果如圖12所示。圖12 雙排光電管陣列效果圖方案一：比例控制這種控制方法就是在檢測到車體偏離的信息時給小車一個預(yù)置的反向偏移量，讓其回到跑道。比例算法簡單有效，參數(shù)容易調(diào)整，算法實現(xiàn)簡單，不需復(fù)雜的數(shù)字計算。在實際應(yīng)用中，由于傳感器的個數(shù)與布局的限制，其控制量的輸出是一個離散值，不能對舵機進行精確的控制，容易引起舵機左右搖擺，造成小車行使過程中的振蕩，而且其收斂速度也有限。 方案二：PD控制PD控制在比例控制的基礎(chǔ)上加入了微分控制，可以抑制振蕩，加快收斂速度，調(diào)節(jié)適當?shù)膮?shù)可以有效地解決方案一的不足。不過，P、D兩個參數(shù)的設(shè)定較難，需要不斷進行調(diào)試，憑經(jīng)驗來設(shè)定，因此其適應(yīng)性較差。方案三：PID控制PID控制在PD控制的基礎(chǔ)上加入了積分分控制，在階躍信號的作用下，首先產(chǎn)生的是比例微分作用，使調(diào)節(jié)作用加強，直到最后達到消除靜養(yǎng)的效果。因此PID調(diào)節(jié)從動態(tài)，靜態(tài)都有所改善。當然 P、I、D三個參數(shù)的設(shè)定更難，也需要不斷進行調(diào)試，憑經(jīng)驗來設(shè)定，因此其適應(yīng)性不好 ，但是可以使被小車更穩(wěn)定的行駛。由于跑道模型與相關(guān)參數(shù)已給定，即小車運行的環(huán)境基本上已經(jīng)確定，可通過不斷調(diào)試來獲得最優(yōu)的參數(shù)。因此我們選用的是PID算法來對舵機和速度進行控制。第二章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計在小車行駛過程中，判斷小車制作的成功與否是根據(jù)小車運行的速度與小車在運行過程中的穩(wěn)定性，而車輛的機械結(jié)構(gòu)無疑是影響速度的一個關(guān)鍵因素。鑒于這個原因，在后續(xù)的工作中對小車的機械結(jié)構(gòu)方面做了一些改進。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，在車模過彎時，轉(zhuǎn)向舵機的負載會因為車輪轉(zhuǎn)向角度增大而增大。為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機負載，對前輪的安裝角度，即前輪定位進行調(diào)整。前輪定位的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。前輪是轉(zhuǎn)向輪，它的安裝位置由主銷內(nèi)傾、主銷后傾、前輪外傾和前輪前束等4 個項目決定，反映了轉(zhuǎn)向輪、主銷和前軸等三者在車架上的位置關(guān)系。主銷后傾是指主銷裝在前軸，上端略向后傾斜的角度。它使車輛轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的離心力所形成的力矩方向與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反，迫使車輪偏轉(zhuǎn)后自動恢復(fù)到原