【文章內(nèi)容簡介】 另外小車車體中加載 9V 可充電電池（環(huán)保且可持續(xù)利用），通過穩(wěn)壓模塊穩(wěn)定為 5V和 ，分別給小車驅(qū)動和 M3 處理器等模塊供電。車輪表面貼有碼盤，可用紅外實時感測車輪的運動狀態(tài)，并輸入單片機進行實時調(diào)整。 電機選擇與驅(qū)動模塊的介紹 方案一，使用直流電機。直流電機機械特性的線性度好，速度快，反應(yīng)靈敏，轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，成本低，另外，直流電機帶負載能力強，調(diào)速平滑， PWM 調(diào)整范圍廣。缺點： 不易于精確調(diào)節(jié)和準(zhǔn)確定位。 方案二，使用步進電機。步進電機是將脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的器件，其精度高，效率高，可靠性高，另外，步進電機只有周期誤差而無積累誤差，可以精確的控制轉(zhuǎn)動的角度和位移。缺點：體積大，力矩小，速度慢，且力矩在高轉(zhuǎn)速時急劇下降。 我們選擇直流電機，利用 L298 集成芯片組成驅(qū)動電路可產(chǎn)生 PWM 脈沖。利用 PWM脈沖驅(qū)動直流電機，可以提高直流電機的精確度，又不會影響其速度的優(yōu)勢。用于提供小車行駛的動力，速度快，靈敏度高，使之滿足題目要求。 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 7 路徑識別的方案設(shè)計與論證 方案一：基于光 電傳感器陣列的智能控制 光電傳感器的排列方法、個數(shù)、彼此之間的間隔都與控制方法密切相關(guān)。但一般的認識是：在不受外部因素影響的情況下、能夠感知前方的距離越遠，行駛的效率越高。 由于光電傳感器電路板的大小有限，其延伸的距離太短，因此大多制作者通過調(diào)整了光電傳感器與地面信息的的方向，從而使光電傳感器可以獲得更遠地方的路面的跑道情況。 [3] 下圖 和 是兩種典型的光電循跡的方案，圖 中模型車采用了 8 對光電傳感器分布得比較寬；圖 中模型車只采用了 3 對光電傳感器，放置在向外伸出的小電路板 上，探測的范圍比較小。具體在實際中將采用哪種方案更合適，這個與光電傳感器掃描前方的距離和寬度以及所控制的策略是十分相關(guān)的。 下面的圖 為 8 路紅外發(fā)射管方案，圖 為 3 路紅外發(fā)射管方案。 圖 8 路 紅外發(fā)射管方案 圖 3 路 攝像頭方案 在光電循跡方案中，為了得到質(zhì)量較高的接收信號，一般還附加一些電阻電容組成的RC高通濾波器。這樣就能夠在一定程度上避免由外部光線引起的路線識別不正確的問題。有的模型車設(shè)計的傳感器離地面距離較遠，為了能夠接 收到更多的從發(fā)光傳感器發(fā)射過來的光線，也有使用凸透鏡的情況。 基于反射式紅外傳感器的光電傳感器陣列的路徑檢測方法具有較高的可靠性與穩(wěn)定性，信息更新速度快且易于單片機處理。但是它易受環(huán)境光線的干擾，而且存在著檢測距離近的的問題，硬件電路復(fù)雜。為了獲得遠方的信息需要將傳感器伸的盡可能遠，從而增加了車體高速行駛時的轉(zhuǎn)動慣量，限制了智能車的最高速度。 方案二：基于面陣 CCD 傳感器的控制 基于面陣 CCD 傳感器的路徑檢測方法具有探測距離遠（后文將這種前方探測距離稱煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 8 為“前瞻“）的優(yōu)勢，能夠盡可能早地感知前方路徑的信息并進 行預(yù)判斷，實現(xiàn)提前減速過彎。而且這樣還可以提高轉(zhuǎn)彎的最高速度。同時還可以結(jié)合利用單片機內(nèi)部的 A/D,在小車的前方虛擬出 24 個光電傳感器，采用單一傳感器，硬件結(jié)構(gòu)簡單且高速運行時轉(zhuǎn)動慣量小，從而增加了小車的最高速度。這樣不僅能夠克服傳統(tǒng)光電傳感器的缺點，又能夠精確的感知黑色引導(dǎo)線的位置，為智能車的穩(wěn)定運行提供保障。但是，在調(diào)試過程中我們發(fā)現(xiàn)這樣面陣攝像頭在市場上很少，不易購買。 圖 CMOS 攝像頭小車 方案三：基于面陣 CMOS 傳感器的控制 基于黑白面陣 CMOS 攝像頭傳感器的路徑檢測方法具有以上 兩種方案的所有優(yōu)點，同時面陣 CMOS 攝像頭輸出的復(fù)合視頻信號，采集到的信息將是前方整個一副圖像。利用單片機內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換器，并配合從視頻信號分離出的同步信息，該單片機可以直接將圖像信號采集到內(nèi)部的 RAM 中，然后通過軟件對圖像信息進行處理。這樣不僅可以識別道路的中心位置，同時還可以得到跑道的方向，跑道的曲率等信息。這樣可以有效地對車模進行運動控制，提高車模路徑跟蹤速度和運行速度。但是面陣 CMOS 攝像頭的延時比較大（ 20ms），因此對信息的采集和處理有一定的約束。圖 為 CMOS 攝像頭小車。 綜合以上分 析，為了更好的獲得路況信息和取得大的前瞻，本設(shè)計選擇方案三，并對其進行可改進。 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 9 3 智能車系統(tǒng)硬件設(shè)計 智能車系統(tǒng)硬件設(shè)計總體結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)是利用了市面上很流行的處理器 STM32 作為本系統(tǒng)的主要控制模塊，我們采用了 CMOS 攝像頭作為識別路面信息的傳感器，通過控制器 STM32 對攝像頭采集過來的信息進行分析和判別，才實現(xiàn)對智能小車直流電機的控制從而達到實現(xiàn)自動循跡的目的。眾所周知，一個系統(tǒng)的硬件是一個系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，在設(shè)計智能車硬件的總體架構(gòu)時，該系統(tǒng)充分考慮了這方面的因素，使該系統(tǒng)能夠很好的運 行，使小車的行駛速度更快更穩(wěn)定。如圖 ，并在此基礎(chǔ)上選擇了最佳的硬件電路和器件，后面將分成各個模塊加以介紹。圖 為系統(tǒng)硬件整體框圖。 [4] 電源管理M C U電 池舵機電 機C M O S傳 感器轉(zhuǎn) 速 測 量+ 5 V+ 3 . 3 V+ 3 . 3 V驅(qū) 動 芯 片+ 5 V+ 5 V 圖 系統(tǒng)硬件整體框圖 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 10 STM32 最小系統(tǒng)的設(shè)計 方案總結(jié) 1 電機模塊：直流電機 2 控制模塊： Cortexm3 3 車體選擇：四輪圓形車身 4 攝像頭模塊： OV7670 模塊 方案框圖 圖 為方案框圖。 電 源 模 塊電 機 模 塊C O R TE X —— M 3攝 像頭 模速 度控 制 圖 方案框圖 電路設(shè)計與原理 直流電機應(yīng)用 L298 為雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片，內(nèi)含 4 信道邏輯驅(qū)動電路，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL邏輯信號，可驅(qū)動 46V、 2A 以下的步進電機，且可直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓。然而本電路將 M3 控制器與 L298 驅(qū)動結(jié)合，產(chǎn)生 PWM 脈沖，用于驅(qū)動直流電機，在不影響直流電機速度快、帶負載能力強的同時，實現(xiàn)較精確調(diào)節(jié)，可達到很好的效果。 L298 作為小車電機驅(qū)動芯片，驅(qū)動能力很強，廣泛被智能小車控制作用，硬件簡單，操作性極強，而且價格也適合，非常適合初學(xué)者來 應(yīng)用，在該課題中，小車的驅(qū)動主要依靠該模塊來實現(xiàn)，攝像頭采集的信息通過 CPU 的處理，從而調(diào)節(jié)小車的運行情況，是該課題的主要模塊。其電路原理圖如 圖。 L298 是 ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用 15 腳封裝。主要特點是：高的工作電壓最大可達 46V；比較大的輸出電流，具有 3A 瞬間峰值電流，實驗報告檢測其持續(xù)工作電流可達 2A，具有 25W 額定功率。內(nèi)涵兩個 H 的高電壓大電煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 11 流全橋式驅(qū)動器，能夠?qū)崿F(xiàn)對直流電動機和步進電機和步進電機的驅(qū)動，繼電器線圈等感性負載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制：具有兩 個智能控制端，在輸入信號合理的情況下允許或者禁止期間工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分工作在低電壓下模式下；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路，使用 L298 芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進電機或者四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機。圖 為電機驅(qū)動模塊。 [6] 78109561211341413121615U1TLP5214Vss9Vs4OUT12OUT23OUT313OUT414IS EN A1IS EN B15IN15IN27IN310IN412EN A6EN B11GND8U2L2989VENAENBGNDD1 D2 D3 D4D5 D6 D7 D810ufC3104C4GND10ufC1104C21234OUT10KR510KR610KR710KR81KR1Res11KR2Res11KR3Res11KR4Res1VCCVCCGND129vVCCENAENB12345678910P1GNDVCCIN1IN2IN3IN4IN1IN2IN3IN4CON1CON2CON3CON4CON1CON2CON3CON4 圖 電機驅(qū)動模塊 電源分配電路設(shè)計 電源分配電路中，所用的電池是蓄電池，電池要通過一些電壓的轉(zhuǎn)化電路來實現(xiàn)對電機的驅(qū)動作用，由于 STM32 的最小系統(tǒng)的驅(qū)動電壓時 的直流電壓，攝像頭的驅(qū)動是 到 5V 的直流電壓，需要將蓄電池的電壓轉(zhuǎn)換過去，這部分，該系統(tǒng)利用了 的轉(zhuǎn)換芯片，能夠得到穩(wěn)定性和波紋都很好的 3,3V 直流電壓，可直接利用該直流電壓給單片機和 CMOS 攝像頭傳感器供電。圖 為電源模塊。 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 12 圖 電源模塊 H 橋電機的驅(qū)動 本系統(tǒng)的直流電機的驅(qū)動電路采用 H 型 PWM 電路，用 STM32 處理器來控制驅(qū)動電路，使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，從而實現(xiàn)對電動機的轉(zhuǎn)速的精確調(diào)整。其 實就是把波形作用于電機驅(qū)動的使用端， PWM 控制是一種在控制領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的控制方式，通過對波形或者說是脈沖的占空比加以控制，從而實現(xiàn)對電機速度的控制，靈活應(yīng)用合理分配是 PWM 波的一種很強的優(yōu)勢，因此對于電機運行的速度，我們可以通過對 PWM波的占空比來實現(xiàn)對脈沖頻率的控制，來達到轉(zhuǎn)速的合理控制。 圖 為 L298 H 橋內(nèi)部電路 。 圖 H 橋內(nèi)部電路 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 13 4 智能車系統(tǒng)軟件設(shè)計 控制算法的簡要介紹 智能小車的控制，實際上就是對智能車的運行車速和運行方向的控制，本課題通過對各種算法的 比較，最終采用了比較適合的算法 —— PID 控制， PID 控制是一種新型的算法，這種算法來源于模糊數(shù)學(xué)模型，模糊推理的控制就是利用了這種算法來實現(xiàn)對圖像的合理處理的。 在對驅(qū)動電機和舵機控制之前，需要利用道路檢測信息來制定各種路況下的控制策略，道路路況不外乎 4 種，如圖 所示為跑道的 4 種情況。 圖 跑道的 4種情況 要實現(xiàn)在最短的時間能實現(xiàn)對智能小車的控制，并完成所要達到的任務(wù)，那么這就要求我們在直道上要用全速的狀態(tài)來行駛，同時在“ S”道轉(zhuǎn)向不 大的情況下要盡量做到直道行駛的速度來行駛，最后在進入彎道時要合理的減速，既不能太大也不能過小，以使得在彎道上能夠及時的轉(zhuǎn)向，在彎道中和出彎的時候要及時的提高小車的速度，以使得在小車在進入直道時候就能夠很快達到最高速度。對于十字交叉道路，可以按是直道處理，避免橫線的干擾。 [6] ① PID 控制介紹 PID 控制算法是根據(jù)偏差的值，按照一定的函數(shù)關(guān)系進行計算，用所得的運算結(jié)果對系統(tǒng)進行控制。 PID 控制有位置式控制和增量式控制，方程如下： 021i 2u uuZZeK ii ??????? ???錯誤 !未找到引用源。 (41) ?????? ??????? ??? )2( 211 iiidiiii eeeTTeTTeeKu 錯誤 !未找到引用源。 (42) 利用 PID 控制器步驟如下： (1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 14 (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過公式計算得到 PID 控制器的參數(shù)。 在實際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個經(jīng)驗值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果 修改。 ②模糊控制介紹 模糊控制實質(zhì)上是一種人性化的控制策略，其要求用計算機去按照操作人員的思想來控制小車的運行，這樣可以很好的避開了對復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型的處理，而是著力于對操作員想要的控制問題進行研究，使控制問題能夠跟好的實現(xiàn)，使成功的幾率更方便，總結(jié)出知識，從中提煉出控制規(guī)則，實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的控制。 模糊控制有以下的特點： 1. 盡管模糊控制的算法是運用模糊集理論來進行的的計算方法，但是最終得到的控制數(shù)據(jù)時確定的，定量的。 2. 對于一些實際系統(tǒng)，需要系統(tǒng)建立一些數(shù)學(xué)模型，而模糊控制算法則不需要根據(jù)機理與分析建立數(shù)學(xué)模型，從而簡化了處理的復(fù)雜度。更加具有使用性。 ，模糊控制系統(tǒng)是設(shè)計員利用自然語言表達出來的規(guī)則，更加的人性化，此算法更接近于人的的思維方法和推理習(xí)慣，因此，便于現(xiàn)場操作人員的理解和使用，便于人機對話，以得到更有效的控制規(guī)律。 速度控制算法 由上面對 PI