【文章內容簡介】 制方法，其在智能車輛控制領域有著很大的應用，但 PID 控制器的采樣時間及各項系數對控制器調節(jié)能力影響很大，通過何種手段確定將是控制器研究的主要內容，經過大量試驗最終確定了各個參數并通過了各類型路徑的驗證。 五、進行整個智能小車進行調試，不斷的測試完善。 廣西大學學士學位論文 7 第二章 硬件電路的設計 智能小車的總體設計方案 硬件電路設計是智能小車的基礎，其 設計的好壞，不僅直接影響到小車功能的實現與否，而且對軟件系統(tǒng)的設計也起著決定性的作用。一種好的硬件電路設計方案，可以說對整個裝置的設計有著事半功倍的效果 [8]。 作為能夠自動識別道路運行的智能汽車，車模與控制器可以看成一個自動控制系統(tǒng)。它可分為傳感器，信息處理，控制算法，執(zhí)行機構四個部分。其中以微處理器為核心，配有傳感器，執(zhí)行機構及其驅動電路構成控制系統(tǒng)的硬件，信息處理與控制算法由運行在嵌入式處理器中的控制軟件完成的。 智能小車的硬件部分以車模為載體，功能模塊主要包括 :電源模塊、直流電機驅動模塊、路徑識別模塊 、速度檢測模塊、微處理器模塊以及調試輔助模塊。其中，轉向伺服電機一般由 CPU 直接驅動。智能車系統(tǒng)以STM32F103ZET6 為核心，為了使智能車能夠快速行駛，單片機必須把路徑的迅速判斷、相應的轉向伺服電機控制以及直流驅動電機的控制精密地結合在一起。智能小車系統(tǒng)結構框圖如圖 所示。 硬件電路設計包括以下五個部分： （ 1）電源電路。為各個模塊提供電源。 （ 2）路徑識別模塊。此模塊的主要任務是通過傳感器采集當前的道路信息，以方便智能小車根據道路情況做出實時處理。 （ 3）直流 電機驅動。對模型車上的后輪直流電機進行驅動，直流電機的驅動控制效果不好，也會造成直線路段速度上不去，彎曲路段速度過快等問題。 （ 4）轉向舵機驅動。對模型車上的舵機進行驅動，控制智能車車的方向和速度。轉向伺服電機控制的失當，都會造成模型車嚴重抖動甚至偏離路徑。 （ 5）速度檢測模塊。由于實際路徑存在多變性，為了使智能小車平穩(wěn)地運行，智能小車采用速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，速度檢測模塊能夠修正速度誤差，提高智能小車路徑跟蹤的準確性和實時性。 廣西大學學士學位論文 8 硬件系統(tǒng)電路框圖如下： 電 源 模 塊A R M 微 處 理 器S T M 3 2 F 1 0 3 Z E T 6傳 感 器模 塊速 度檢 測舵 機電 機 驅 動減 速電 機按 鍵指 示 燈圖 智能小車系統(tǒng)結構框圖 以上模塊是智能小車系統(tǒng)的核心模塊，也是智能小車系統(tǒng)具備良好的性能的關鍵所在。而有些模塊則對小車的行駛效果沒有太大影響，它們只是為了增強系統(tǒng)功能而設計的模塊，如電池監(jiān)控模塊，小車故障診斷模塊，數據顯示模塊以及調試輔助模塊，這些模塊統(tǒng)稱為小車系統(tǒng)的輔助模塊，可在實際調試時選擇使用。 微處理器的介紹 中央處理器 STM32F103ZET6的介紹 STM32F103ZET6 是 意法半導體有限公司 （ ST）生產的，相比而言STM32F103ZET6 功能更完善，資源更豐富，因此 ,我們使用 STM32F103ZET6微控制器。 STM32 系列 32 位閃存微控制器使用來自于 ARM 公司具有突破性的 CortexM3 內核，該內核是專門設計于滿足集高性能、低功耗、實時應用、具有競爭性價格于一體的嵌入式領域的要求。 CortexM3 在系統(tǒng)結構上的增強， 讓 STM32 受益無窮； Thumb2174。指令集帶來了更高的指令效率和更強的性能；通過緊耦合的嵌套矢量中斷控制器，對中斷事件的響應比以往更廣西大學學士學位論文 9 迅速；所有這些又都融入了業(yè)界領先的功耗水準。 在 CortexM3 內核開發(fā)期間，意法半導體是 ARM 公司的一個主要合作伙伴，現在也是第一個領先的 MCU 供應商宣布基于這個核的產品面世。STM32 產品系列基于行業(yè)標準的 ARM 32 位精簡指令結構 —— ARM 公司最新的內核 CortexM3。 CortexM3 瞄準單片機領域和嵌入式應用，得益于其先進的結構特性，以減少的代碼占用空間和行業(yè) 領先的高超性能，為我們帶來了一個小巧、低能耗的理想平臺，將特性差異的不同應用從傳統(tǒng)的平臺引領到 32 位的微控制器世界。 STM32 的主要優(yōu)點： （ 1）使用 ARM 最新的、先進架構的 CortexM3 內核； （ 2）優(yōu)異的實時性能； （ 3）杰出的功耗控制； （ 4）出眾及創(chuàng)新的外設； （ 5）最大程度的集成整合； （ 6）易于開發(fā)，可使產品快速進入市場； STM32F103 是增強型系列，工作在 72 MHz，帶有片內 RAM 和豐富的外設。 STM32F101 是基本型系列， 工作在 36 MHz。兩個系列的產品擁有相同的片內閃存選 項，在軟件和引腳封裝方面兼容。 本文采用 STM32F103 是增強型系列 STM32F103ZET6 微處理器，完全能滿足本系統(tǒng)的要求。它擁有 3 個 12 位模數轉換器， 1μ s 轉換時間 (多達輸入通道 )；多達 4 個 16 位定時器，每個定時器有多達 4 個用于輸入捕獲 /輸出比較 /PWM 或脈沖計數的通道， 2 個 16 位 6 通道高級控制定時器，多達 6 路PWM 輸出，帶死區(qū)控制；還包含標準和先進的通信接口：多達 2 個 I2C、 3個 SPI、 2 個 I2S、 1 個 SDIO、 5 個 USART、一個 USB 和一個 CAN；內置高速存儲器 (高達 512K 字節(jié)的閃存和 64K 字節(jié)的 SRAM)，豐富的增強 I/O端口和聯接到兩條 APB 總線的外設。這些豐富的外設配置，使得STM32F103ZET6 微處理器增強型微控制器更適合于電機驅動和應用控制[10]。 廣西大學學士學位論文 10 STM32F103系列軟件開發(fā)平臺 意法半導體以及眾多第三方為 32位 STM32微控制器提供了從低成本到高端的全套開發(fā)工具，包括簡單易用的入門套件，完整的開發(fā)工具方案，編程工具以及嵌入式操作系統(tǒng)，所有這些都是為基于 ARM CortexM3 內核的STM32 專門定制的。用戶可從全系列開發(fā)方案中選擇開發(fā)工具，它將幫助用戶自始至 終地在單一集成環(huán)境下完成應用開發(fā)。第三方的開發(fā)環(huán)境包含適合STM32 和其它 ARM 內核產品的 C/C++編譯器和在線仿真器 [10] [11]。 在本系統(tǒng)的軟件開發(fā)中采用了 ARM公司于 2021年推出的嵌入式開發(fā)工具 MDK（ Microcontroller Development Kit） ,是用來開發(fā)基于 ARM 內核微控制器的嵌入式應用程序開發(fā)工具。 MDK 集 ARM 公司的 RealView 編譯工具 和 Keil 公司的 IDE 環(huán)境 uVision3 兩者的優(yōu)勢于一體，適合不同層次的開發(fā)者使用，包括專業(yè)的應用程序開發(fā)工程師 和嵌入式軟件開發(fā)的入門者。作為 ARM 嵌入式的主流開發(fā)工具， MDK 也是目前為數不多的完全支持 CortexM3 處理器開發(fā)的企業(yè)級開發(fā)工具，并內含 STM32F103x系列處理器片上外圍接口固件庫和完整的數據手冊 [11]。 電源模塊 本小車的總電源采用兩節(jié) 鋰電池供電，總共是 的電源。小車需供電的模塊包括 :單片機最小系統(tǒng)、路徑識別傳感電路、車速檢測傳感電路、伺服轉向電機電路、直流電機驅動電路。整個系統(tǒng)的電源供電方框圖如下圖 所示： 廣西大學學士學位論文 11 7 . 4 V 電 池L M 2 5 7 6 _ ６ VL M 2 5 7 6 _ 3 . 3 V電 機 驅 動舵 機 減 速 電 機S T M 3 2 最 小 系 統(tǒng)路 徑 識 別 傳 感 電 路車 速 檢 測 傳 感 電 路圖 電源模塊結構圖 首先應該選擇穩(wěn)壓芯片。因為電池的電壓僅為 而傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，如 78xx 系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓高出 2V－ 3V 以上，否則就不能正常工作。 而此時若要穩(wěn)壓器輸出 +5V 的電壓，則輸入輸出的差值僅為 。當電路會產生干擾波動時可能會不滿足此類芯片的使用，可能會導致單片機的頻繁復位，所以顯然不能選用通常的 78 系列芯片。 特別是在可能會產生脈沖電流干擾的電路中，如驅動電機的干擾。我們知道電池的輸出電壓為 U=EIR，其中 R為電池的內阻，當電機的 H 驅動橋電路剛接通的瞬間，會 產生很大的瞬時電流。從而此時電池的輸出在瞬間內會產生波動 (變小 )，因為當 I 增大， R 不變，則輸出 U 則會變小。從而可能會造成系統(tǒng)不能正常工作。故本系統(tǒng)必須選用一些 LDO 芯片。 LDO 即 low dropout regulator，意為低壓差線性穩(wěn)壓器。 本小車中選定 LM2576(低壓差 )芯片 , LM2576 系列的穩(wěn)壓器是單片的集成電路，能提供降壓開關穩(wěn)壓器的各種功能，能驅動 3A 的負載，有優(yōu)異的線性和負載調整能力。本系統(tǒng)選定 LM2576 芯片的輸出電壓可調的型號LM2576TADJ。由于控制器 STM32 采用的是 的工作電壓，因此，我們選擇一片為控制器及其它外設供電，另一片調到 6V 為舵機供電，直流減速電機直接采用 的電源供電。 LM2576TADJ 的封裝管腳圖如下圖 所示， LM2576TADJ 組成的可調電壓輸出的電路如下圖 所示。 廣西大學學士學位論文 12 圖 LM2576TADJ 的封裝管腳圖 圖 LM2576TADJ 可調電壓輸出電路 由圖 所示，改變 LM2576TADJ 的 4 腳上的電壓大小就可以改變輸出電壓 Vout 的大小 ,輸出電壓的公式如下： 2( 1 )1RVo ut Vre f R?? (式 2－ 1) 其中 Vref=，即輸出的電壓 Vout 大于或等于 ， R2 等于可調變阻器 W1 的阻值，所以本電源電路的設計完全可以滿足整個系統(tǒng)的供電要求。 廣西大學學士學位論文 13 傳感器設計方案 路徑識別模塊是智能車控制系統(tǒng)的關鍵模塊之一，它將路況的信息傳送給主控制模塊。路徑識別方案的好壞，直接影響著小車的控制效果。在智能車控制系統(tǒng)中，小車有多種尋跡方案。包括光電傳感器尋跡方案，單獨采用攝像頭尋跡方案以及攝像頭尋跡與光電傳感器尋跡結合在一起的尋跡方案。下 面依次具體介紹前兩種尋跡方案： 方案一：使用 CCD 傳感器來采集路面信息。就是通過攝像頭把智能車前面的路徑信息傳輸到控制系統(tǒng)，來進行路徑識別的一種尋跡方法。由于跑道只有黑白兩種顏色，采用黑白圖像傳感器即可滿足要求。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測和識別圖像復雜的路面，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，需要進行大量數據的存儲和計算。因為是以實現小車視覺為目的 ，實現起來工作量較大，相當繁瑣 [12]。 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)點就是結構簡明，實現方便，成本低廉，免去了繁復的圖像處理工作，反應靈敏，響應時間低，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，檢測距離有限，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造成干擾。 在本次比賽中，賽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。經過綜合 兩種方案比較，在本項目中采用紅外光電傳感器作為信息采集元件。，其外型如圖 所示。其內部電路如圖 所示。 廣西大學學士學位論文 14 圖 STl88 的外觀示意圖 圖 STl88 的內部電路示意圖 光電傳感器由 1 個紅外發(fā)射管 (發(fā)射器 )和 1 個光電二極管 (接收器 )構成。紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光在遇到反光性較強的物體 (表面為白色或近白色 )后被折回，被光電二極管接收到，引起光電二極管光生電流的增大。將這個變化轉為電壓信號，就可以被處理器接受并處理，進而實現對反光性差別較大的兩種顏色 (如黑白兩色 )的識別。 STl88 反射式紅外光電傳感器具有以下特點： (1)采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成。 (2)檢測距離可調整范圍大， 4～ 13ram可用。 (3)采用非接觸檢測方式。 廣西大學學士學位論文 15 光電傳感器的電路圖如圖 所示： 圖 光電傳感器的電路圖 采用 LM339 比較器電路采集光電傳感器電信號并將此信號轉為數字信號輸出給 CPU 的 I/O 口輸入。光電傳感器電路中 R0 為紅外發(fā)射管的限流電阻，當檢測到黑線時，紅外接收三極管處于截止的狀態(tài)，從而 LM339 的正輸入端為低電平；相反 ，當檢測到白線時，紅外接收三極管處于導通的狀態(tài)，從而 LM339 的正輸入端為高電平。 LM339 的負輸入端為基準的電壓，一般調節(jié)為 CPU 的 I/O 口高電平的一半，將些基準電壓與 ST188 采集輸出的電壓經 LM339 比較輸出，從而可以識別出黑線與白線。通過調節(jié) W3 可以調節(jié)光電傳感器的靈敏度。