【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 占用 MCU 端口資源較多 容易受外界光線影響 激光傳感器 檢測(cè)前瞻距離遠(yuǎn) 受外界光干擾小 檢測(cè)信號(hào)數(shù)字化 電路設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜 成本高 質(zhì)量大 從表 中可以看出，激光具有大前瞻和受外界光干擾小等優(yōu)點(diǎn)。檢測(cè)信號(hào)的數(shù)字化具有比光電傳感器檢測(cè)到的模擬電壓信號(hào)更高的可靠性 ，所以本控制系統(tǒng)采用激光傳感器 。而激光傳感器主要面臨的就是大質(zhì)量的問(wèn)題，傳感器的質(zhì)量直接影響小車本身的重心，所以激光傳感器的安放高度和位置都必須合理。 激光傳感器工作原理 激光是 20 世紀(jì) 60 年代出現(xiàn)的最重大的科學(xué)技術(shù)成就之一。它 發(fā)展 迅速，已廣泛應(yīng)用于國(guó)防、 生產(chǎn) 、醫(yī)學(xué)和非電測(cè)量等各方面。激光與普通光不同，需要用激光器產(chǎn)生。激光器的 工作 物質(zhì)，在正常狀態(tài)下，多數(shù)原子處于穩(wěn)定的低能級(jí) E1， 在適當(dāng)頻率的外界光線的作用下，處于低能級(jí)的原子吸收光子能量受激發(fā)而躍遷到高能級(jí) E2。光子能量 E=E2E1=hv 式中 h 為普朗克常數(shù)， v 為光子頻率。反之，在頻率為 v 的光的誘發(fā)下，處于能級(jí) E2 的原子會(huì)躍遷到低能級(jí)釋放能量而發(fā)光，稱為受激輻射。激光器首先使工作物質(zhì)的原子反常地多數(shù)處于高能級(jí)（即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布），就能使受激輻射過(guò)程占優(yōu)勢(shì)，從而使頻率為 v 的誘發(fā)光得到增強(qiáng)并可通過(guò)平行的反射鏡形成雪崩式的放大作用而 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 產(chǎn)生強(qiáng)大的受激輻射光，簡(jiǎn)稱激光 。激光具有 3 個(gè)重要特性 : ① 高方向性（即高定向性，光速發(fā)散角?。す馐趲坠锿獾臄U(kuò)展范圍不過(guò)幾厘米； ② 高單色性，激光的頻率寬度比普通光小 10 倍以上； ③ 高亮度，利用激光束會(huì)聚最高可產(chǎn)生達(dá)幾百萬(wàn)度的溫度。 如圖 所示， 為 激光 發(fā)射管 的工作原理 圖 。 圖 激光發(fā)射管工作原理圖 如圖 ， IC1 是激光調(diào)制 器 ， OUT 輸出 200kHZ 的方波（調(diào)制脈沖）。 SET_BIT0的作用是選通該激光發(fā)射，也就是控制調(diào)制管 IC1 控制的三級(jí)管和激光是否通電，當(dāng)SET_BIT0 為高電平時(shí)， Q2(8050)導(dǎo)通，也就是將 Q1 的發(fā)射極與 GND 連接起來(lái)，此時(shí)調(diào)制管工作，輸出調(diào)制波，然后經(jīng)過(guò) Q1 的放大之后控制激光管調(diào)制發(fā)射。 其中，與激光發(fā)射管串聯(lián)的電阻 R1 可以用電位器代替，這樣，就可以調(diào)節(jié)激光發(fā)射管的發(fā)射功率。 如圖 所示， 為 激光接收管的工作原理圖。 由激光發(fā)射管發(fā)射的激光，照射到賽道上，如果照射到中心黑色引導(dǎo)線上，大部分的光被吸收，反射光強(qiáng)度非常小，而如果照射到白色賽道上，大部分的光將被反射，反射光強(qiáng)度大。對(duì)于激光管照射到賽道外部，反射光的強(qiáng)度會(huì)依賴于賽道外側(cè)的地面的材質(zhì)，所以反射光的強(qiáng)度不可知。 反射回來(lái)的光（與發(fā)射光頻率相同）經(jīng)過(guò)透鏡，然后經(jīng)過(guò) IC2 內(nèi)部處理，在 RECEIVE_0 口輸出數(shù)字信號(hào)，圖 中， D2 是為了測(cè)試用的。當(dāng)反射光強(qiáng)?。す庹丈涞胶诰€）， RECEIVE_0輸出高電平， D2 熄滅；當(dāng)反射光強(qiáng)大（激光照射到白線）， RECEIVE_0 輸出低電平， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) D2 點(diǎn)亮。在測(cè)量激光管的前瞻時(shí)，觀察 D2 的點(diǎn)亮與熄滅，便可方便的測(cè)出 不同激光管的前瞻。測(cè)試完畢，可以將 D2 去掉，然后將 電阻直接上拉到 VCC_5V。然后將RECEIVE_0 直接接到單片機(jī)的 IO 口。 圖 激光接受管工作原理圖 激光傳感器布局 由于往屆競(jìng)賽對(duì)光電傳感器排布方式研究已經(jīng)比較深入，傳統(tǒng)的“一”字型排布方式在眾多排布方式中效果顯著，是最常用的一種排布方式。模型車也充分利用了往年的成熟的傳感器技術(shù)，其排布方式如圖 。 從圖 可以看出，激光發(fā)射管的排布是中間密集（ 10mm 一個(gè)），兩邊稀疏（ 20mm一個(gè)），這么做的目的是：在規(guī)定使用的傳感器個(gè)數(shù)（ 16 個(gè) ） 范圍內(nèi)，使經(jīng)常檢測(cè)到黑線的中心位置具有較高的分辨率，增大檢測(cè)精度，而兩側(cè)激光管間距加大是為了小車具有較寬的檢測(cè)范圍，以使小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)黑線不至于經(jīng)常丟失。 圖 激光發(fā)射管分布圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) 激光 接收 管理論上需要 16 個(gè)，即一個(gè)發(fā)射管對(duì)應(yīng)一個(gè)接收管，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證，激光接收管不必安裝在激光發(fā)射管的正上方或者 正 下方才能接受到反射光， 可以安裝在激光發(fā)射管向左或者向右 6cm 范圍內(nèi)，均可接受到反射光，所以接收管的安裝方案為：在相間的 8 個(gè)發(fā)射管的下方安裝 8 個(gè)激光接收管，每個(gè)接收管用于接收其上方發(fā)射管發(fā)射光的反射光和其相鄰發(fā)射管發(fā)射光的反射光。這樣，傳感器的總個(gè)數(shù)等于激光接收管的個(gè)數(shù)，為 8 個(gè)。既增加了賽道檢測(cè)點(diǎn)（一個(gè)激光發(fā)射管對(duì)應(yīng)賽道上的一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)）個(gè)數(shù)，又滿足比賽要求的傳感器個(gè)數(shù)。 激光傳感器信號(hào)讀取方式 激光 接收 管接收到反射光之后，以數(shù)字量的形式將反射光的強(qiáng)弱反映給單片機(jī)。此時(shí)，單片機(jī)只需要使用普通的 IO 口讀取接受管傳回來(lái)的 0、 1 信號(hào)即可知道當(dāng)前發(fā)射管照射到黑色中心線上，還是白色賽道上。其中，需要注意的是激光管的點(diǎn)亮方式，上文以及提到激光接收管不僅能夠接受其正上（下）方的發(fā)射管的反射光，而且可以接收相鄰發(fā)射管的反射光，如果距離太近的發(fā)射管同時(shí)發(fā)射，勢(shì)必會(huì) 產(chǎn)生互相影響，從而產(chǎn) 生錯(cuò)誤的檢測(cè)結(jié)果。故采用循環(huán)點(diǎn)亮的方式，即每次只點(diǎn)亮一個(gè)發(fā)射管和其對(duì)應(yīng)的接收管，實(shí)驗(yàn)測(cè)定每個(gè)激光管從發(fā)射到接受到信號(hào)需要 100μs ～ 900μs不等的時(shí)間，從而需要試驗(yàn)獲得每個(gè)激光管需要點(diǎn)亮的時(shí)間。這樣，就避免了相近發(fā)射管互相干擾的情況，使檢測(cè)結(jié)果正確。 圖 信號(hào)采集程序截選 圖 如圖 所示，信號(hào)采集程序截選， 用 MC9S12XS128 的 PORTB_PB7 輸出高電平點(diǎn)亮其中一個(gè)激光發(fā)射管，即是圖 中的 SET_BIT0 為高電平。等待 850μs，即等到接收管接收到反射光， PORTA_PA7 接接收管的 RECEIVE_0（如圖 ），如果該口為高電平（即 PORTA_PA7 == 1），則將已經(jīng)初始化為 0 的傳感器狀態(tài)數(shù)組 sensorss 對(duì)應(yīng)的位置 1，即表示此 時(shí)發(fā)射管照射到了黑線上。如果 PORTA_PA7 == 0，則 sensorss 保持初始化值不變（即為 0），表示此時(shí)發(fā)射管照射到了白線上。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 舵機(jī)控制模塊 舵機(jī) （伺服馬達(dá)） 使用智能汽車大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供的 T170A， 是一個(gè)模擬伺服馬達(dá)。 舵機(jī)在小車控制系統(tǒng)中起著重要的作用，它決定了小車的行進(jìn)方向。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，對(duì)舵機(jī)的控制就是對(duì)一個(gè)積分環(huán)節(jié) 的控制 ，舵機(jī)這種特性導(dǎo)致舵機(jī)必須采用 PD 控制，來(lái)消除舵機(jī)的滯后。 舵機(jī)工作原理 伺服馬達(dá)內(nèi)部包括了一個(gè)小型直流馬達(dá)；一組變速齒輪組；一個(gè)反饋可調(diào)電位器；及一塊電子控制板 ，如圖 所示 。其中，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的直流馬達(dá)提供了原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達(dá)的輸出扭力也愈大，也就是說(shuō)越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也愈低 。 圖 伺服馬達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 伺服馬達(dá)是一個(gè)典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理可由圖 表示。 減速齒輪組由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其終端（輸出端）帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作位置檢測(cè)，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)馬達(dá)正 向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于 0，從而達(dá)到使伺服馬達(dá)精確定位的目的。 圖 伺服馬達(dá)工作原理圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 標(biāo)準(zhǔn)的微型伺服馬達(dá)有三條控制線，分別為：電源 線 、地 線 及控制 信號(hào)線 。 其中 白色 的線是控制線，接到控制芯片上 ， 中間的是 SERVO 工作電源線 （紅色） ，一般工作電源是 5V， 第三條是地線 。 電源線與地線用于提供內(nèi)部的直流馬達(dá)及控制線路所需的能源，電壓通常介于 4V— 6V 之間，該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因?yàn)樗欧R達(dá)會(huì)產(chǎn)生噪音）。甚至小伺服馬達(dá)在重負(fù)載時(shí)也會(huì)拉低放大器的電壓，所以整個(gè)系統(tǒng)的電源供應(yīng)的比例必須合理。 輸入一個(gè)周期性的正向脈沖信號(hào)，這個(gè)周期性脈沖信號(hào)的高電平時(shí)間通常在 1ms～2ms 之間，而低電平時(shí)間應(yīng)在 5ms～ 20ms 之間，并不很嚴(yán)格， 圖 表示出一個(gè)典型的20ms 周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達(dá)的輸出臂位置的關(guān)系。 圖 輸入正脈沖寬度與伺服馬達(dá)輸出臂關(guān) 系 伺服馬達(dá)的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度是由其內(nèi)部的直流馬達(dá)和變速齒輪組的配合決定的，在恒定的電壓驅(qū)動(dòng)下，其數(shù)值唯一。但其平均運(yùn)動(dòng)速度可通過(guò)分段停頓的控制方式來(lái)改變，例如，我們可把動(dòng)作幅度為 90176。 的轉(zhuǎn)動(dòng)細(xì)分為 128 個(gè)停頓點(diǎn)，通過(guò)控制每個(gè)停頓點(diǎn)的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)實(shí)現(xiàn) 0176。 ~90176。 變化的平均速度。對(duì)于多數(shù)伺服馬達(dá)來(lái)說(shuō)，速度的單位由 “ 度數(shù)/秒 ” 來(lái)決定。 使用模擬伺服馬達(dá)時(shí)需要注意： 伺服馬達(dá)輸出臂位置只是一個(gè)不準(zhǔn)確的大約數(shù)。 普通的模擬微型伺服馬達(dá)不是一個(gè)精確的定位器件，即使是使用同一品牌型號(hào)的微型伺服馬達(dá)產(chǎn)品，他們之間的差別也是非常大 的，在同一脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)，不同的伺服馬達(dá)存在 177。 10176。的偏差也是正常的。 正因上述的原因， 應(yīng)該不 使用小于 1ms 及大于 2ms 的脈沖作為驅(qū) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè) 動(dòng)信號(hào)，實(shí)際上，伺服馬達(dá)的最初設(shè)計(jì)表也只是在 177。 45176。 的范 圍。而且，超出此范圍時(shí)，脈沖寬度轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的線性關(guān)系也會(huì)變差 。 要特別注意，絕不可加載讓伺服馬達(dá)輸出位置超過(guò) 177。 90176。 的脈沖信號(hào)，否則會(huì)損壞伺服馬達(dá)的輸出限位機(jī)構(gòu)或齒輪組等機(jī)械部件。 舵機(jī)的安裝及其 轉(zhuǎn)角的擴(kuò)大 通過(guò)實(shí)驗(yàn) 測(cè)試了加長(zhǎng)舵機(jī)臂的效果，加長(zhǎng)舵機(jī)臂對(duì)提高舵機(jī)的響應(yīng) 速度確實(shí)有一定的效果。 而舵機(jī)臂加長(zhǎng)會(huì)降低舵機(jī)定位的精度、提高重心、造成舵機(jī)損壞等。所以 不采用 加長(zhǎng) 的 舵機(jī)臂，將舵機(jī)從車頭移到車的 前端 ，直接安裝在車的底盤上 ，如圖 所示 。這樣既可以降低車的重心， 又可以提高定位精度 。同時(shí)兩邊使用相同長(zhǎng)度的舵機(jī)臂，保證轉(zhuǎn)向的一致性。 圖 舵機(jī)安裝圖 第五屆智能汽車大賽的光電組車模，由于受到轉(zhuǎn)向外套和前橋的影響，舵機(jī)的轉(zhuǎn)角只有 177。 26176。，當(dāng)小車過(guò)大彎時(shí)，不得不減速，以求平穩(wěn)得過(guò)彎，否則小車就有沖出賽道的危險(xiǎn)，因此嚴(yán)重影響了小車在轉(zhuǎn)大彎時(shí)的速度。從舵機(jī)的工作原理中可以了解到，舵機(jī)最初設(shè)計(jì)表的范圍是 177。 45176。，此范圍內(nèi)舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角與輸入的周期性正脈沖寬度具有良好線性關(guān)系。因此，對(duì)小車的機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，把前輪的轉(zhuǎn)向外套和前橋削去一部分而增加輪胎左右擺動(dòng)的角度至 177。 45176。 機(jī)械結(jié)構(gòu)更改后的如圖 所示。 圖 轉(zhuǎn)向外套消除 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁(yè) 舵機(jī)模型 由于 T170A 從給定一個(gè)脈沖到舵機(jī)轉(zhuǎn)角到達(dá)給定脈沖對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角，具有較長(zhǎng)的反應(yīng)與調(diào)節(jié)時(shí)間。為了更好得 給出 PD 參數(shù)，有必要建立舵機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 建立舵機(jī)模型，首先需要知道舵機(jī)的控制量，它為周期 20ms，具有一定正脈沖寬度的 PWM 波，正脈沖的寬度 D/20ms 為 PWM 波的占空比，由于周期固定，程序中設(shè)定舵機(jī)控制量時(shí)直接給定 D 即可， D 的單位為 μs。然后需要知道的是舵機(jī)的輸出量，即為舵機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度 φ ，亦可用弧度表示 θ 。則可認(rèn)為舵機(jī)的輸入量為 D，輸出量為 θ 。 舵機(jī)是具有 內(nèi)部 閉環(huán)反饋 的 系統(tǒng) ，也就是說(shuō)給定一個(gè) D，也就有固定的 θ 與 D 相對(duì)應(yīng)， 不具有穩(wěn)態(tài)誤差。而動(dòng)態(tài)的，給定一個(gè)新的 D 以后，舵機(jī)需要一定的反應(yīng)時(shí)間才能到達(dá)預(yù)定的 θ ，這個(gè)反應(yīng)時(shí)間正是需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的?，F(xiàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得舵機(jī)在帶載情況下 D 變化 1， θ 到達(dá)預(yù)定值的平均反應(yīng)時(shí)間。（注：此實(shí)驗(yàn)是針對(duì)一個(gè)特定的舵機(jī)，不同的舵機(jī)經(jīng)過(guò)同樣的實(shí)驗(yàn)可能得出不同的平均反應(yīng)時(shí)間） 實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：將激光管貼到小車一邊輪胎上，激光管照射到白色墻面上，墻面上事先粘貼一條黑色膠帶，首先讓激光照射到白色墻面上，然后給定一個(gè)輸入量 D， 同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，讓舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并在結(jié)束時(shí)激光照射到黑色膠帶上，讓 IO 口獲得一個(gè)上升沿的同時(shí)停止 計(jì)時(shí)，記錄此時(shí)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)所需要的時(shí)間。 （ 1） 定義舵機(jī)延時(shí)時(shí)間檢測(cè)需要的變量以及對(duì)涉及到的函數(shù)進(jìn)行聲明。 ulong DelayTime = 0。//舵機(jī)延時(shí)時(shí)間（測(cè)量值） uint Time = 0。 //記錄舵機(jī)到達(dá)目的角度時(shí)自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器溢出次數(shù) uint TimeFirst = 0。 //記錄舵機(jī)在開(kāi)始角度時(shí)自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器溢出次數(shù) uint TCNT_Time_First = 0。//記錄舵機(jī)在開(kāi)始角度時(shí)自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器中的值 uint TCNT_Time = 0。//記錄舵機(jī)到達(dá)目的角度時(shí)自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器中的值 //延時(shí)測(cè)量函數(shù)，讓舵機(jī)在