【文章內(nèi)容簡介】 前 10cm處的信息，最遠的視野范圍還可以達到車前 80cm，大大地增加了前瞻性；當攝像頭安裝在車前，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，前瞻性上又遠遠優(yōu)于后一種安裝方式。當然，采用攝像頭安裝在車后部的方式時，由于原始的電池位置、驅動電機等部 件都在車后部，會造成車身重心的進一步后移，對智能車的制動和操縱穩(wěn)定性不利。在實際使用中， 可以 將電池前移，以使車身的重心處在一個比較平衡的位置。 其它機械結構的調整 另外，在模型車的機械結構方面還有很多可以改進的地方，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)生相對位移，可能導致在加速時會損失部分驅動力。在實第五章 開發(fā)工具及制作調試過程 驗中調試表明，賽車在高速下每跑完一圈，輪胎與輪輞之間通常會產(chǎn)生幾個厘米的相對位移，嚴重影響 了賽車的加速過程。為了解決這個問題，我們在實際調試過程中對車輪進行了粘胎處理，可以有效地防止由于輪胎與輪輞錯位而引起的驅動力損失的情況。 此外，我們還對模型車的前后懸架彈簧的預緊力進行調節(jié)，選用不同彈性系統(tǒng)的彈簧等方法進行了改進，并且對車身高度，以及底盤的形狀和質量、后輪的 輪距等，都進行了相應的改進和調整，均取得了不錯效果。 第四章 硬件系統(tǒng)設計方案 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 進行計算，而所有的執(zhí)行機構全部由 MC9S12X直接進行控制。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)中其它各個模塊提供所需要的電源。設計中，除了需要考慮到電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還要在電源轉換效率、降低噪聲、防止干擾和電路簡單等方面進行優(yōu)化。電源的穩(wěn)定、可靠是整個硬件電路穩(wěn)定運行的基礎。 根據(jù)智能車各硬件部分能源消耗的需求以及對可靠性的要求，對供電單元的設計提出了 以下幾點要求 : (1).可充電電池必須能夠提供足夠的功率，即使在各設備處于最大負荷的狀態(tài)； (2).各設備的供電電路應該分開，彼此之間應有有效隔離，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).應考慮供電單元的散熱設計、 PCB走線的電流通過能力、以及過流、過壓、短路保護。同時，對電池電壓實時監(jiān)控，電壓過低時，有報警指示。 (4).在滿足以上 3條的基礎上，盡量減小體積，提高集成度。 根據(jù)選擇的攝像頭為路徑識別方案，其主要的 電源 管理 模塊 包括 ：主電源、舵機電源、攝像頭電源、電機驅動電源、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，當電池電壓低至 便無法使小車正常行駛。 舵機電源：由于舵機的反應速度和電壓有關，為了使舵機的反應延遲最小，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調試與測試模塊 主控制器 模塊 MC9S12X 圖像采集視頻信號分離 檢測 速度傳感器模塊 舵機轉向控制模塊 直流電機驅動模塊 電源管理模塊 第五章 開發(fā)工具及制作調試過程 供給攝像頭。 電機驅動電源：由于比賽規(guī)定不能使用 DCDC 升壓給電機驅動，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、電機驅動芯片 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系如下框圖： 在電路設計中，考慮到由于電機驅動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。為了避免由于驅動電機轉動時所引起的電磁干擾，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 及外界濾波電容構成。芯片 LM2940 的特點是低壓差，即正常工作時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 構成的 BOOST 型升壓電路。運用公式 V=*（ 1+R2/R1）其中通過改變 R1,R2 的阻值可得到相應的電壓。電路中通過調節(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 測速傳感器 舵機 驅動電機 第五章 開發(fā)工具及制作調試過程 到合適的 R2/R1 的值。 圖 MC34063 構成的 BOOST 型升壓電路 電壓轉換及穩(wěn)壓電路設計應考慮的幾點問題： 一、 如何獲得相對穩(wěn)定可靠的 DCDC 電路 ？ 首先， DCDC 電路 設計至少 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，對于一個 電源紋波相對較小、對系統(tǒng)其他電路干擾相對較小，而且相對穩(wěn)定可靠的DCDC 電路，需要對以一般的 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 管的開關及電感在瞬間的變化會造成輸入電源的波動，尤其是在系統(tǒng)耗電波動較大時，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原來的電源做一個 LC 濾波，會得到一個紋波更小的電源。 二、 穩(wěn)壓電路的主要穩(wěn)壓芯片 總結歸納如下 ： ? 序號芯片型號輸出電壓特點 ? 1 LM78055 串聯(lián)穩(wěn)壓，輸入電壓需大于 7V ? 2 LM2575, LM25765 開關穩(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 開關穩(wěn)壓，可構成升壓、降壓斬波電路 ? 9 MAX6385 開關穩(wěn)壓，壓差可以低至 1V ? 10 MAX758A5 開關穩(wěn)壓，輸入電壓寬： 4～ 16V ? 11 MAX734, MAX63212 開關穩(wěn)壓，輸入電壓 ～ 12V ? 12 Μ pc24A055 輸出 2A 時，壓差小于 1V ? 13 MC339895V 可調整串聯(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，當掃描到某點時，圖像傳感芯片就將該點圖像的灰度轉換成對應的電壓值，并通過視頻信號端輸出 [2]. 輸出的視頻信號有著固定的格式，某一幀數(shù)據(jù)的視頻信號，除了包含圖像信號之外，還包括了行同步信號、行消隱信號、場同步信號以及場消隱信號等； 因此要對視頻信號進行采集，就必須準確地把握各種信號間的邏輯關系 . 視頻同步信號分離芯片的作用就是從攝像頭采集的視頻信號中分離出行信號和場信號，再由微控制器將模擬信號轉換成對應的數(shù)字量存儲在 RAM 中 .系統(tǒng)的整體結構如圖 1 所示 . 圖 1 實時圖像處理系統(tǒng)的整體結構 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別系統(tǒng)的設計》一文詳細方案。 圖像處理及視頻分離，信號控制參見下一章對軟件控制系統(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體材料制成的磁電轉換裝簧。在主后輪驅動齒輪處，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，獲取后輪轉動速度。該方案的優(yōu)點是：獲取信息準確，體積小，不增加后輪負載。其缺點是：驅動齒輪處靠近行進電機，容易受磁場干擾，而且對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動，每轉過一條縫隙，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。反射式光電傳感器在被測轉軸上設有反射記號，由光源發(fā)出的光線通過透鏡和半透膜入射到被測轉軸上。轉軸轉動時，反射記號對投射光點的反射率發(fā)生變化。反射率變大時，反射光線經(jīng)透鏡投射到光敏元件上即發(fā)出一個脈沖信號；反射率變小時，光敏元件無信號。在 一 定時間 內(nèi)對信號計數(shù)便可測出轉軸的轉速值。光電傳感器檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu) 點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣。其缺點是：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。光柵盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光 攝像頭 視頻分離 微控制器 第五章 開發(fā)工具及制作調試過程 柵盤與電動機同速旋轉，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，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉速。該方案的優(yōu)點是：獲取信息準確，精度高，實現(xiàn)容易。其缺點是：增加后輪負載；光電編碼器體積較大，導致車重增加。 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，因為主后輪傳動 齒輪為塑料質地，打孔比較危險，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。 測速電路的設計 一般對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，且接收管信號可以不經(jīng)比較器直接輸入單片機的引腳 PT3。為了得到和小車速度一致的脈沖信號，在主驅動齒輪上粘貼紙 質黑白碼盤。當碼盤隨著主驅動齒輪轉動時，光電管接收到的反射光強弱交替變化，由此可以得到一系列脈沖信號，將此脈沖信號輸入到單片機的 EcT 模塊中，利用其強大的脈沖捕捉功能，同時捕捉脈沖的上升沿和下降沿。根據(jù)上述原理，后輪轉動一圈，采用如圖 4． 11 的圓盤，可獲得 32 個脈沖邊沿觸發(fā)信號。通過累計一定時間內(nèi)的脈沖數(shù)，或者記錄相鄰脈沖的間隔時間，可以得到和車速相對應的參數(shù)值。 其中 一對紅外發(fā)射／接收管和貼在行進電機齒輪上的黑白紙質碼盤 的相對安裝位置如圖 所示， 紅外發(fā)射／接收管用細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 對于賽車速度的控制有以下三種方方案： (一 )：通過機械接觸車輪實現(xiàn)減速。這種方案使用的范圍很廣，也很有效，但機械加工復雜，需要對車體作改造。 (二 )：使行進電機短時間停機實現(xiàn)減速。這種方案可控性強，適合于輪軸自鎖的電機，如減速電機與步進電機，但由于車體的慣性作用，從剎車到停止需要一段緩沖時間，容易造成賽車由直道進入彎道時沖出跑道，限制了直道車速，而且使其彎道運行時連貫性很差。 (三 )：使行進電機瞬時反 轉來快速實現(xiàn)減速。這種方案適合于直流電機，相當于給車輪一個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)實驗驗證，其速度上連貫性也優(yōu)于方案二。 經(jīng)過比較 ，考慮到 進一步精確控制賽車 的 速度， 決定 采用方案二與方案三相融合的賽車速度策略，同時引入速度閉環(huán)控制，即通過對速度傳感器獲取的當前實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，調整行進電機 PwM 驅動信號的