【文章內(nèi)容簡介】 前 10cm處的信息，最遠(yuǎn)的視野范圍還可以達(dá)到車前 80cm，大大地增加了前瞻性；當(dāng)攝像頭安裝在車前，為了檢測到車前 10cm處的信息并且能有一定的前瞻性，就要增大攝像頭俯角、提高攝像頭高度，在攝像頭高度不至于使車身重心過高的前提下，視野范圍只能達(dá)到車前 40cm。 比較兩種安裝方式，可以發(fā)現(xiàn)，圖 (a)這樣將攝像頭安裝在車后部的做法比較可行，這樣，既能降低智能車重心，前瞻性上又遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于后一種安裝方式。當(dāng)然，采用攝像頭安裝在車后部的方式時(shí)，由于原始的電池位置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部 件都在車后部，會(huì)造成車身重心的進(jìn)一步后移，對(duì)智能車的制動(dòng)和操縱穩(wěn)定性不利。在實(shí)際使用中， 可以 將電池前移，以使車身的重心處在一個(gè)比較平衡的位置。 其它機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整 另外，在模型車的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面還有很多可以改進(jìn)的地方，比如說車輪、懸架、底盤、車身高度等。 模型車在高速的條件下 (2． 3m／ s~3． 5m／ s)，由于快速變化的加減速過程，使得模型車的輪胎與輪輞之間很容易發(fā)生相對(duì)位移，可能導(dǎo)致在加速時(shí)會(huì)損失部分驅(qū)動(dòng)力。在實(shí)第五章 開發(fā)工具及制作調(diào)試過程 驗(yàn)中調(diào)試表明，賽車在高速下每跑完一圈，輪胎與輪輞之間通常會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)厘米的相對(duì)位移，嚴(yán)重影響 了賽車的加速過程。為了解決這個(gè)問題，我們在實(shí)際調(diào)試過程中對(duì)車輪進(jìn)行了粘胎處理，可以有效地防止由于輪胎與輪輞錯(cuò)位而引起的驅(qū)動(dòng)力損失的情況。 此外，我們還對(duì)模型車的前后懸架彈簧的預(yù)緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)，選用不同彈性系統(tǒng)的彈簧等方法進(jìn)行了改進(jìn)，并且對(duì)車身高度，以及底盤的形狀和質(zhì)量、后輪的 輪距等，都進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)和調(diào)整，均取得了不錯(cuò)效果。 第四章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 硬件系統(tǒng)總體框圖 飛思卡爾 智能車 競賽 只 能 用唯一 指定 的 MCU（ 本屆為 MC9S12X系列 ）作為系統(tǒng)的中央處理單元，所以 智能車 的所有輸入量都必須最終讀入 MC9S12X單片機(jī) 進(jìn)行計(jì)算，而所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)全部由 MC9S12X直接進(jìn)行控制。如圖 41 為系統(tǒng)硬件 系統(tǒng)框 圖。 電源管理模塊 電源 管理 模塊的作用是為系統(tǒng)中其它各個(gè)模塊提供所需要的電源。設(shè)計(jì)中，除了需要考慮到電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲、防止干擾和電路簡單等方面進(jìn)行優(yōu)化。電源的穩(wěn)定、可靠是整個(gè)硬件電路穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。 根據(jù)智能車各硬件部分能源消耗的需求以及對(duì)可靠性的要求，對(duì)供電單元的設(shè)計(jì)提出了 以下幾點(diǎn)要求 : (1).可充電電池必須能夠提供足夠的功率，即使在各設(shè)備處于最大負(fù)荷的狀態(tài)； (2).各設(shè)備的供電電路應(yīng)該分開，彼此之間應(yīng)有有效隔離，不能相互影響，尤其要保證 MCU控制單元的供電電壓的穩(wěn)定； (3).應(yīng)考慮供電單元的散熱設(shè)計(jì)、 PCB走線的電流通過能力、以及過流、過壓、短路保護(hù)。同時(shí)，對(duì)電池電壓實(shí)時(shí)監(jiān)控，電壓過低時(shí)，有報(bào)警指示。 (4).在滿足以上 3條的基礎(chǔ)上，盡量減小體積，提高集成度。 根據(jù)選擇的攝像頭為路徑識(shí)別方案，其主要的 電源 管理 模塊 包括 ：主電源、舵機(jī)電源、攝像頭電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源、測速傳感器電源、各芯片 供電等組成。 主電源：是一塊鎳鎘電池。它的額定輸出電壓為 ，這種電池一般充滿電后電壓多在 左右，當(dāng)電池電壓低至 便無法使小車正常行駛。 舵機(jī)電源：由于舵機(jī)的反應(yīng)速度和電壓有關(guān)，為了使舵機(jī)的反應(yīng)延遲最小，可以采用主電源直接供給的方法，即直接取電池 直流電壓。 攝像頭電源：采用 MC34063DCDC 升壓芯片，將電源電壓由額定電壓值的 升到 12V調(diào)試與測試模塊 主控制器 模塊 MC9S12X 圖像采集視頻信號(hào)分離 檢測 速度傳感器模塊 舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制模塊 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 電源管理模塊 第五章 開發(fā)工具及制作調(diào)試過程 供給攝像頭。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源：由于比賽規(guī)定不能使用 DCDC 升壓給電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用直接取自 的鎳鎘電池。 主控制板電源：主控制板主要使用 5V 供電，其中主要包括微控制器電源、視頻分離電路電源、測速傳感器電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 33886 電源。 5V 電源由穩(wěn)壓芯片 LM2940 提供 。 各電源模塊與主電源之間的關(guān)系如下框圖： 在電路設(shè)計(jì)中，考慮到由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)所引起的電源輸出不穩(wěn)定 (主要為瞬態(tài)脈沖 )，在電源輸出端，各芯片電源引腳都加入了濾波電路。為了避免由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所引起的電磁干擾，在印制板上做了敷銅處理，將電路中的 “ 地 ” 與敷銅面相連接。 4． 2 .1 5V穩(wěn)壓電路 5V 電源由低壓差穩(wěn)壓芯片 LM2940 及外界濾波電容構(gòu)成。芯片 LM2940 的特點(diǎn)是低壓差，即正常工作時(shí)所需的輸入端與輸出端間壓差較低，僅為 ，只要電池電壓高于 ，它就可以提供穩(wěn)定的 5V 電源。此外，它最大可以提供 1A 的輸出電流，可以很好的滿足該系統(tǒng)的要求。如下圖 。 圖 LM2940接線圖 4 .2 .2 9V穩(wěn)壓 電路 通常情況下一般電池的電壓低于 8V，需要使用 DCDC升壓電路產(chǎn)生 9V電壓供給 CMOS攝像頭。 可以 選擇使用 MC34063 作為升壓電路的控制芯片。使用不同的外圍電路可以產(chǎn)生不同的電壓值。如下圖 是由 MC34064 構(gòu)成的 BOOST 型升壓電路。運(yùn)用公式 V=*（ 1+R2/R1）其中通過改變 R1,R2 的阻值可得到相應(yīng)的電壓。電路中通過調(diào)節(jié)變阻器 R7 得7. 2V主電源 912V 升壓電路 5V 降壓 穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電路 攝像頭 視頻分離 單片機(jī) 測速傳感器 舵機(jī) 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 第五章 開發(fā)工具及制作調(diào)試過程 到合適的 R2/R1 的值。 圖 MC34063 構(gòu)成的 BOOST 型升壓電路 電壓轉(zhuǎn)換及穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的幾點(diǎn)問題： 一、 如何獲得相對(duì)穩(wěn)定可靠的 DCDC 電路 ？ 首先， DCDC 電路 設(shè)計(jì)至少 需 要考慮以下條件： 1. 外部輸入電源電壓的范圍，輸出電流的大小。 2. DCDC 輸出的電壓，電流，系統(tǒng)的功率最大值。 然后，對(duì)于一個(gè) 電源紋波相對(duì)較小、對(duì)系統(tǒng)其他電路干擾相對(duì)較小，而且相對(duì)穩(wěn)定可靠的DCDC 電路，需要對(duì)以一般的 DCDC 變換典型原理電路 （見下圖） 做如下修改： 1. 輸入部分：電源輸入端需要加電感電容濾波。目的：由于 MOS 管的開關(guān)及電感在瞬間的變化會(huì)造成輸入電源的波動(dòng)，尤其是在系統(tǒng)耗電波動(dòng)較大時(shí)，影響更為明顯。 ： （ 1）假定 C2 的選擇的 100uF 是正確的，我們想得到更小的紋波，可以將 100uF 的電容改成兩顆 47uF 的電容（基于相同類型的電容）；如果 100uF 電容采用的是鋁電解，可以在原來的基礎(chǔ)上加一顆 10uF 的磁片電容或鉭電容。 （ 2） 在輸出端再加一顆電容和一顆電容對(duì)原來的電源做一個(gè) LC 濾波，會(huì)得到一個(gè)紋波更小的電源。 二、 穩(wěn)壓電路的主要穩(wěn)壓芯片 總結(jié)歸納如下 ： ? 序號(hào)芯片型號(hào)輸出電壓特點(diǎn) ? 1 LM78055 串聯(lián)穩(wěn)壓，輸入電壓需大于 7V ? 2 LM2575, LM25765 開關(guān)穩(wěn)壓，輸入大于可低至 ? 3 LM294055 串聯(lián)穩(wěn)壓，工作要差可小于 ? 4 LM1117 ～ 5 可調(diào)整輸出 800 mA 電流壓差可小于 ? 5 LM78066 串聯(lián)穩(wěn)壓 第五章 開發(fā)工具及制作調(diào)試過程 ? 6 LM1085, LM10845 串聯(lián)穩(wěn)壓， 3A, 壓差 ? 7 ～ 5 低壓差穩(wěn)壓芯片， 35mV/100mA ? 8 MC34063API3 ~ 40V 開關(guān)穩(wěn)壓，可構(gòu)成升壓、降壓斬波電路 ? 9 MAX6385 開關(guān)穩(wěn)壓，壓差可以低至 1V ? 10 MAX758A5 開關(guān)穩(wěn)壓，輸入電壓寬： 4～ 16V ? 11 MAX734, MAX63212 開關(guān)穩(wěn)壓，輸入電壓 ～ 12V ? 12 Μ pc24A055 輸出 2A 時(shí)，壓差小于 1V ? 13 MC339895V 可調(diào)整串聯(lián)穩(wěn)壓，低壓差，可以提供兩路穩(wěn)壓電源 圖像 處理 模塊 圖像 處理 原理： 攝像頭按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采集圖像上的點(diǎn)，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，圖像傳感芯片就將該點(diǎn)圖像的灰度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓值，并通過視頻信號(hào)端輸出 [2]. 輸出的視頻信號(hào)有著固定的格式，某一幀數(shù)據(jù)的視頻信號(hào)，除了包含圖像信號(hào)之外，還包括了行同步信號(hào)、行消隱信號(hào)、場同步信號(hào)以及場消隱信號(hào)等； 因此要對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采集，就必須準(zhǔn)確地把握各種信號(hào)間的邏輯關(guān)系 . 視頻同步信號(hào)分離芯片的作用就是從攝像頭采集的視頻信號(hào)中分離出行信號(hào)和場信號(hào)，再由微控制器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量存儲(chǔ)在 RAM 中 .系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 . 圖 1 實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 圖像采集及 視頻分離電路，參見《基于攝像頭的智能車路徑識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》一文詳細(xì)方案。 圖像處理及視頻分離，信號(hào)控制參見下一章對(duì)軟件控制系統(tǒng)的介紹。 速度檢測模塊 4． 4． 1 測速傳感器 的選擇 在速度檢測方案上，考慮的測速方法主要有雀爾傳感器測速、光電傳感器測速、光電編碼器測選。 (1)霍爾傳感器 霍爾傳感器是種采用半導(dǎo)體材料制成的磁電轉(zhuǎn)換裝簧。在主后輪驅(qū)動(dòng)齒輪處，通過打孔，將幾塊很小的稀土磁鋼鑲在旱面，然后將霍爾元件安裝在附近，通過檢測磁場變化，可以得到電脈沖信號(hào)，獲取后輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：獲取信息準(zhǔn)確，體積小，不增加后輪負(fù)載。其缺點(diǎn)是：驅(qū)動(dòng)齒輪處靠近行進(jìn)電機(jī)，容易受磁場干擾，而且對(duì)齒輪打孔易損壞齒輪。 (2)光電傳感器 光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。它分為 直射式和反射式兩類。直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的讀數(shù)盤和測量盤有間隔相同的縫隙。測量盤隨被測物體轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)過一條縫隙，從光源投射到光敏元件上的光線產(chǎn)生一次明暗變化，光敏元件即輸出電流脈沖信號(hào)。反射式光電傳感器在被測轉(zhuǎn)軸上設(shè)有反射記號(hào)，由光源發(fā)出的光線通過透鏡和半透膜入射到被測轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反射記號(hào)對(duì)投射光點(diǎn)的反射率發(fā)生變化。反射率變大時(shí)，反射光線經(jīng)透鏡投射到光敏元件上即發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)；反射率變小時(shí)，光敏元件無信號(hào)。在 一 定時(shí)間 內(nèi)對(duì)信號(hào)計(jì)數(shù)便可測出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速值。光電傳感器檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu) 點(diǎn)，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣。其缺點(diǎn)是：精度受到光電管體積的限制。 (3)光電編碼器 光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光 攝像頭 視頻分離 微控制器 第五章 開發(fā)工具及制作調(diào)試過程 柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號(hào)，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：獲取信息準(zhǔn)確，精度高，實(shí)現(xiàn)容易。其缺點(diǎn)是：增加后輪負(fù)載；光電編碼器體積較大，導(dǎo)致車重增加。 通過比較以上三種方案，考慮到系統(tǒng)的可靠性，首先排除霍爾元件方案，因?yàn)橹骱筝唫鲃?dòng) 齒輪為塑料質(zhì)地，打孔比較危險(xiǎn)，同理排除光電傳感器的直射型方案。由于賽車車體空間限制，而光電編碼器體積較大，考慮到車重的任何增加都有可能影響到車速，因此放棄光電編碼器方案。最終，采用反射型光電傳感器方案。 測速電路的設(shè)計(jì) 一般對(duì)于反射型光電傳感器測速方案， 選用紅外發(fā)射／接收管 STl 88 作為傳感元件，發(fā)射管的限流電阻為 500 Q，接受管的分壓電阻為 25 歐 ，這樣選擇電阻的好處是發(fā)射管電流適中，且接收管信號(hào)可以不經(jīng)比較器直接輸入單片機(jī)的引腳 PT3。為了得到和小車速度一致的脈沖信號(hào)，在主驅(qū)動(dòng)齒輪上粘貼紙 質(zhì)黑白碼盤。當(dāng)碼盤隨著主驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電管接收到的反射光強(qiáng)弱交替變化，由此可以得到一系列脈沖信號(hào)，將此脈沖信號(hào)輸入到單片機(jī)的 EcT 模塊中，利用其強(qiáng)大的脈沖捕捉功能，同時(shí)捕捉脈沖的上升沿和下降沿。根據(jù)上述原理，后輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，采用如圖 4． 11 的圓盤，可獲得 32 個(gè)脈沖邊沿觸發(fā)信號(hào)。通過累計(jì)一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，或者記錄相鄰脈沖的間隔時(shí)間，可以得到和車速相對(duì)應(yīng)的參數(shù)值。 其中 一對(duì)紅外發(fā)射／接收管和貼在行進(jìn)電機(jī)齒輪上的黑白紙質(zhì)碼盤 的相對(duì)安裝位置如圖 所示， 紅外發(fā)射／接收管用細(xì)鐵絲綁在兩根鋁條做成的固定支架上，支 架用螺釘固定在車尾。這樣固定好之后，速度傳感器就有了很好的穩(wěn)定性。 速度控制方案的選擇 對(duì)于賽車速度的控制有以下三種方方案： (一 )：通過機(jī)械接觸車輪實(shí)現(xiàn)減速。這種方案使用的范圍很廣，也很有效，但機(jī)械加工復(fù)雜，需要對(duì)車體作改造。 (二 )：使行進(jìn)電機(jī)短時(shí)間停機(jī)實(shí)現(xiàn)減速。這種方案可控性強(qiáng)，適合于輪軸自鎖的電機(jī)，如減速電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)，但由于車體的慣性作用，從剎車到停止需要一段緩沖時(shí)間，容易造成賽車由直道進(jìn)入彎道時(shí)沖出跑道，限制了直道車速，而且使其彎道運(yùn)行時(shí)連貫性很差。 (三 )：使行進(jìn)電機(jī)瞬時(shí)反 轉(zhuǎn)來快速實(shí)現(xiàn)減速。這種方案適合于直流電機(jī)，相當(dāng)于給車輪一個(gè)反向力矩來迅速降低小車的速度，其減速效率明顯優(yōu)于方案二。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其速度上連貫性也優(yōu)于方案二。 經(jīng)過比較 ，考慮到 進(jìn)一步精確控制賽車 的 速度， 決定 采用方案二與方案三相融合的賽車速度策略，同時(shí)引入速度閉環(huán)控制，即通過對(duì)速度傳感器獲取的當(dāng)前實(shí)際車速與期望車速度的比較來確定車速的增加量或減少量，調(diào)整行進(jìn)電機(jī) PwM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的