【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 控制是一種非常成熟的控制方法，其在智能車(chē)輛控制領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用，但 PID 控制器的采樣時(shí)間及各項(xiàng)系數(shù)對(duì)控制器調(diào)節(jié)能力影響很大，通過(guò)何種手段確定將是控制器研究的主要內(nèi)容，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)最終確定了各個(gè)參數(shù)并通過(guò)了各類(lèi)型路徑的驗(yàn)證。 五、進(jìn)行整個(gè)智能小車(chē)進(jìn)行調(diào)試，不斷的測(cè)試完善。 廣西大 學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 第二章 硬件電路的設(shè)計(jì) 智能小車(chē)的總體設(shè)計(jì)方案 硬件電路設(shè)計(jì)是智能小車(chē)的基礎(chǔ)，其 設(shè)計(jì)的好壞，不僅直接影響到小車(chē)功能的實(shí)現(xiàn)與否，而且對(duì)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也起著決定性的作用。一種好的硬件電路設(shè)計(jì)方案，可以說(shuō)對(duì)整個(gè)裝置的設(shè)計(jì)有著事半功倍的效果 [8]。 作為能夠自動(dòng)識(shí)別道路運(yùn)行的智能汽車(chē)，車(chē)模與控制器可以看成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。它可分為傳感器，信息處理，控制算法，執(zhí)行機(jī)構(gòu)四個(gè)部分。其中以微處理器為核心，配有傳感器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成控制系統(tǒng)的硬件，信息處理與控制算法由運(yùn)行在嵌入式處理器中的控制軟件完成的。 智能小車(chē)的硬件部分以車(chē)模為載體，功能模塊主要包括 :電源模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、路徑識(shí)別模塊 、速度檢測(cè)模塊、微處理器模塊以及調(diào)試輔助模塊。其中，轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)一般由 CPU 直接驅(qū)動(dòng)。智能車(chē)系統(tǒng)以STM32F103ZET6 為核心，為了使智能車(chē)能夠快速行駛，單片機(jī)必須把路徑的迅速判斷、相應(yīng)的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制以及直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制精密地結(jié)合在一起。智能小車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 硬件電路設(shè)計(jì)包括以下五個(gè)部分： （ 1）電源電路。為各個(gè)模塊提供電源。 （ 2）路徑識(shí)別模塊。此模塊的主要任務(wù)是通過(guò)傳感器采集當(dāng)前的道路信息，以方便智能小車(chē)根據(jù)道路情況做出實(shí)時(shí)處理。 （ 3）直流 電機(jī)驅(qū)動(dòng)。對(duì)模型車(chē)上的后輪直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制效果不好，也會(huì)造成直線路段速度上不去，彎曲路段速度過(guò)快等問(wèn)題。 （ 4）轉(zhuǎn)向舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。對(duì)模型車(chē)上的舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，控制智能車(chē)車(chē)的方向和速度。轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制的失當(dāng)，都會(huì)造成模型車(chē)嚴(yán)重抖動(dòng)甚至偏離路徑。 （ 5）速度檢測(cè)模塊。由于實(shí)際路徑存在多變性，為了使智能小車(chē)平穩(wěn)地運(yùn)行，智能小車(chē)采用速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，速度檢測(cè)模塊能夠修正速度誤差，提高智能小車(chē)路徑跟蹤的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。 廣西大 學(xué)學(xué)士學(xué)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(cè)舵 機(jī)電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng)減 速電 機(jī)按 鍵指 示 燈圖 智能小車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 以上模塊是智能小車(chē)系統(tǒng)的核心模塊，也是智能小車(chē)系統(tǒng)具備良好的性能的關(guān)鍵所在。而有些模塊則對(duì)小車(chē)的行駛效果沒(méi)有太大影響，它們只是為了增強(qiáng)系統(tǒng)功能而設(shè)計(jì)的模塊，如電池監(jiān)控模塊，小車(chē)故障診斷模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊以及調(diào)試輔助模塊，這些模塊統(tǒng)稱(chēng)為小車(chē)系統(tǒng)的輔助模塊，可在實(shí)際調(diào)試時(shí)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(dǎo)體有限公司 （ ST）生產(chǎn)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(lái)自于 ARM 公司具有突破性的 CortexM3 內(nèi)核，該內(nèi)核是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)于滿(mǎn)足集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)性?xún)r(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求。 CortexM3 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的增強(qiáng)， 讓 STM32 受益無(wú)窮； Thumb2174。指令集帶來(lái)了更高的指令效率和更強(qiáng)的性能；通過(guò)緊耦合的嵌套矢量中斷控制器，對(duì)中斷事件的響應(yīng)比以往更廣西大 學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 迅速；所有這些又都融入了業(yè)界領(lǐng)先的功耗水準(zhǔn)。 在 CortexM3 內(nèi)核開(kāi)發(fā)期間，意法半導(dǎo)體是 ARM 公司的一個(gè)主要合作伙伴，現(xiàn)在也是第一個(gè)領(lǐng)先的 MCU 供應(yīng)商宣布基于這個(gè)核的產(chǎn)品面世。STM32 產(chǎn)品系列基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 ARM 32 位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu) —— ARM 公司最新的內(nèi)核 CortexM3。 CortexM3 瞄準(zhǔn)單片機(jī)領(lǐng)域和嵌入式應(yīng)用，得益于其先進(jìn)的結(jié)構(gòu)特性，以減少的代碼占用空間和行業(yè) 領(lǐng)先的高超性能，為我們帶來(lái)了一個(gè)小巧、低能耗的理想平臺(tái)，將特性差異的不同應(yīng)用從傳統(tǒng)的平臺(tái)引領(lǐng)到 32 位的微控制器世界。 STM32 的主要優(yōu)點(diǎn)： （ 1）使用 ARM 最新的、先進(jìn)架構(gòu)的 CortexM3 內(nèi)核； （ 2）優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能； （ 3）杰出的功耗控制； （ 4）出眾及創(chuàng)新的外設(shè)； （ 5）最大程度的集成整合； （ 6）易于開(kāi)發(fā)，可使產(chǎn)品快速進(jìn)入市場(chǎng)； STM32F103 是增強(qiáng)型系列，工作在 72 MHz，帶有片內(nèi) RAM 和豐富的外設(shè)。 STM32F101 是基本型系列， 工作在 36 MHz。兩個(gè)系列的產(chǎn)品擁有相同的片內(nèi)閃存選 項(xiàng)，在軟件和引腳封裝方面兼容。 本文采用 STM32F103 是增強(qiáng)型系列 STM32F103ZET6 微處理器，完全能滿(mǎn)足本系統(tǒng)的要求。它擁有 3 個(gè) 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 1μ s 轉(zhuǎn)換時(shí)間 (多達(dá)輸入通道 )；多達(dá) 4 個(gè) 16 位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá) 4 個(gè)用于輸入捕獲 /輸出比較 /PWM 或脈沖計(jì)數(shù)的通道， 2 個(gè) 16 位 6 通道高級(jí)控制定時(shí)器，多達(dá) 6 路PWM 輸出，帶死區(qū)控制；還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá) 2 個(gè) I2C、 3個(gè) SPI、 2 個(gè) I2S、 1 個(gè) SDIO、 5 個(gè) USART、一個(gè) USB 和一個(gè) CAN；內(nèi)置高速存儲(chǔ)器 (高達(dá) 512K 字節(jié)的閃存和 64K 字節(jié)的 SRAM)，豐富的增強(qiáng) I/O端口和聯(lián)接到兩條 APB 總線的外設(shè)。這些豐富的外設(shè)配置，使得STM32F103ZET6 微處理器增強(qiáng)型微控制器更適合于電機(jī)驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用控制[10]。 廣西大 學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 STM32F103系列軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái) 意法半導(dǎo)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(kāi)發(fā)工具，包括簡(jiǎn)單易用的入門(mén)套件，完整的開(kāi)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(nèi)核的STM32 專(zhuān)門(mén)定制的。用戶(hù)可從全系列開(kāi)發(fā)方案中選擇開(kāi)發(fā)工具，它將幫助用戶(hù)自始至 終地在單一集成環(huán)境下完成應(yīng)用開(kāi)發(fā)。第三方的開(kāi)發(fā)環(huán)境包含適合STM32 和其它 ARM 內(nèi)核產(chǎn)品的 C/C++編譯器和在線仿真器 [10] [11]。 在本系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)中采用了 ARM公司于 2021年推出的嵌入式開(kāi)發(fā)工具 MDK（ Microcontroller Development Kit） ,是用來(lái)開(kāi)發(fā)基于 ARM 內(nèi)核微控制器的嵌入式應(yīng)用程序開(kāi)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(shì)于一體，適合不同層次的開(kāi)發(fā)者使用，包括專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工程師 和嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的入門(mén)者。作為 ARM 嵌入式的主流開(kāi)發(fā)工具， MDK 也是目前為數(shù)不多的完全支持 CortexM3 處理器開(kāi)發(fā)的企業(yè)級(jí)開(kāi)發(fā)工具，并內(nèi)含 STM32F103x系列處理器片上外圍接口固件庫(kù)和完整的數(shù)據(jù)手冊(cè) [11]。 電源模塊 本小車(chē)的總電源采用兩節(jié) ，總共是 的電源。小車(chē)需供電的模塊包括 :單片機(jī)最小系統(tǒng)、路徑識(shí)別傳感電路、車(chē)速檢測(cè)傳感電路、伺服轉(zhuǎn)向電機(jī)電路、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。整個(gè)系統(tǒng)的電源供電方框圖如下圖 所示： 廣西大 學(xué)學(xué)士學(xué)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(jī) 驅(qū) 動(dòng)舵 機(jī) 減 速 電 機(jī)S T M 3 2 最 小 系 統(tǒng)路 徑 識(shí) 別 傳 感 電 路車(chē) 速 檢 測(cè) 傳 感 電 路圖 電源模塊結(jié)構(gòu)圖 首先應(yīng)該選擇穩(wěn)壓芯片。因?yàn)殡姵氐碾妷簝H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(shí)若要穩(wěn)壓器輸出 +5V 的電壓，則輸入輸出的差值僅為 。當(dāng)電路會(huì)產(chǎn)生干擾波動(dòng)時(shí)可能會(huì)不滿(mǎn)足此類(lèi)芯片的使用，可能會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)的頻繁復(fù)位，所以顯然不能選用通常的 78 系列芯片。 特別是在可能會(huì)產(chǎn)生脈沖電流干擾的電路中，如驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(nèi)阻，當(dāng)電機(jī)的 H 驅(qū)動(dòng)橋電路剛接通的瞬間，會(huì) 產(chǎn)生很大的瞬時(shí)電流。從而此時(shí)電池的輸出在瞬間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生波動(dòng) (變小 )，因?yàn)楫?dāng) I 增大， R 不變，則輸出 U 則會(huì)變小。從而可能會(huì)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(chē)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的各種功能，能驅(qū)動(dòng) 3A 的負(fù)載，有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力。本系統(tǒng)選定 LM2576 芯片的輸出電壓可調(diào)的型號(hào)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(shè)供電，另一片調(diào)到 6V為舵機(jī)供電，直流減速電機(jī)直接采用 。 LM2576TADJ 的封裝管腳圖如下圖 所示， LM2576TADJ 組成的可調(diào)電壓輸出的電路如下圖 所示。 廣西大 學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 圖 LM2576TADJ 的封裝管腳圖 圖 LM2576TADJ 可調(diào)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 )1RV o u t V re 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(diào)變阻器 W1 的阻值，所以本電源電路的設(shè)計(jì)完全可以滿(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)的供電要求。 廣西大 學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 傳感器設(shè)計(jì)方案 路徑識(shí)別模塊是智能車(chē)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，它將路況的信息傳送給主控制模塊。路徑識(shí)別方案的好壞，直接影響著小車(chē)的控制效果。在智能車(chē)控制系統(tǒng)中，小車(chē)有多種尋跡方案。包括光電傳感器尋跡方案，單獨(dú)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(jié)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(lái)采集路面信息。就是通過(guò)攝像頭把智能車(chē)前面的路徑信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，來(lái)進(jìn)行路徑識(shí)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(mǎn)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(jìn)行較遠(yuǎn)距離的預(yù)測(cè)和識(shí)別圖像復(fù)雜的路面，而且抗干擾能力強(qiáng)。但是對(duì)于本項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，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(jìn)行大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算。因?yàn)槭且詫?shí)現(xiàn)小車(chē)視覺(jué)為目的 ，實(shí)現(xiàn)起來(lái)工作量較大，相當(dāng)繁瑣 [12]。 方案二：使用光電傳感器來(lái)采集路面信息。使用紅外傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，實(shí)現(xiàn)方便，成本低廉，免去了繁復(fù)的圖像處理工作，反應(yīng)靈敏，響應(yīng)時(shí)間低，便于近距離路面情況的檢測(cè)。但紅外傳感器的缺點(diǎn)是，它所獲取的信息是不完全的，只能對(duì)路面情況作簡(jiǎn)單的黑白判別，檢測(cè)距離有限，而且容易受到諸多擾動(dòng)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(duì)其造成干擾。 在本次比賽中，賽道只有黑白兩種顏色，小車(chē)只要能區(qū)分黑白兩色就可以采集到準(zhǔn)確的路面信息。經(jīng)過(guò)綜合 兩種方案比較，在本項(xiàng)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(nèi)部電路如圖 所示。 廣西大 學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 圖 STl88 的外觀示意圖 圖 STl88 的內(nèi)部電路示意圖 光電傳感器由 1 個(gè)紅外發(fā)射管 (發(fā)射器 )和 1 個(gè)光電二極管 (接收器 )構(gòu)成。紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光在遇到反光性較強(qiáng)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(gè)變化轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，就可以被處理器接受并處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)反光性差別較大的兩種顏色 (如黑白兩色 )的識(shí)別。 STl88 反射式紅外光電傳感器具有以下特點(diǎn)： (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(cè)距離可調(diào)整范圍大， 4～ 13ram可用。 (3)采用非接觸檢測(cè)方式。 廣西大 學(xué)學(xué)士學(xué)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(hào)并將此信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)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(dāng)檢測(cè)到黑線時(shí)，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(dāng)檢測(cè)到白線時(shí)，紅外接收三極管處于導(dǎo)通的狀態(tài)，從而 LM339 的正輸入端為高電平。 LM339 的負(fù)輸入端為基準(zhǔn)的電壓，一般調(diào)節(jié)為 CPU 的 I/O 口高電平的一半，將些基準(zhǔn)電壓與 ST188 采集輸出的電壓經(jīng) LM339 比較輸出，從而可以識(shí)別出黑線與白線。通過(guò)調(diào)節(jié) W3 可以調(diào)節(jié)光電