【文章內(nèi)容簡介】 控制是一種非常成熟的控制方法，其在智能車輛控制領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用，但 PID 控制器的采樣時間及各項系數(shù)對控制器調(diào)節(jié)能力影響很大，通過何種手段確定將是控制器研究的主要內(nèi)容，經(jīng)過大量試驗最終確定了各個參數(shù)并通過了各類型路徑的驗證。 五、進行整個智能小車進行調(diào)試，不斷的測試完善。 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 智能小車的總體設(shè)計方案 硬件電路設(shè)計是智能小車的基礎(chǔ)，其 設(shè)計的好壞，不僅直接影響到小車功能的實現(xiàn)與否，而且對軟件系統(tǒng)的設(shè)計也起著決定性的作用。一種好的硬件電路設(shè)計方案，可以說對整個裝置的設(shè)計有著事半功倍的效果 [8]。 作為能夠自動識別道路運行的智能汽車，車模與控制器可以看成一個自動控制系統(tǒng)。它可分為傳感器，信息處理，控制算法，執(zhí)行機構(gòu)四個部分。其中以微處理器為核心，配有傳感器，執(zhí)行機構(gòu)及其驅(qū)動電路構(gòu)成控制系統(tǒng)的硬件，信息處理與控制算法由運行在嵌入式處理器中的控制軟件完成的。 智能小車的硬件部分以車模為載體，功能模塊主要包括 :電源模塊、直流電機驅(qū)動模塊、路徑識別模塊 、速度檢測模塊、微處理器模塊以及調(diào)試輔助模塊。其中，轉(zhuǎn)向伺服電機一般由 CPU 直接驅(qū)動。智能車系統(tǒng)以STM32F103ZET6 為核心，為了使智能車能夠快速行駛，單片機必須把路徑的迅速判斷、相應(yīng)的轉(zhuǎn)向伺服電機控制以及直流驅(qū)動電機的控制精密地結(jié)合在一起。智能小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 硬件電路設(shè)計包括以下五個部分： （ 1）電源電路。為各個模塊提供電源。 （ 2）路徑識別模塊。此模塊的主要任務(wù)是通過傳感器采集當(dāng)前的道路信息，以方便智能小車根據(jù)道路情況做出實時處理。 （ 3）直流 電機驅(qū)動。對模型車上的后輪直流電機進行驅(qū)動，直流電機的驅(qū)動控制效果不好，也會造成直線路段速度上不去，彎曲路段速度過快等問題。 （ 4）轉(zhuǎn)向舵機驅(qū)動。對模型車上的舵機進行驅(qū)動，控制智能車車的方向和速度。轉(zhuǎn)向伺服電機控制的失當(dāng)，都會造成模型車嚴重抖動甚至偏離路徑。 （ 5）速度檢測模塊。由于實際路徑存在多變性，為了使智能小車平穩(wěn)地運行，智能小車采用速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，速度檢測模塊能夠修正速度誤差，提高智能小車路徑跟蹤的準確性和實時性。 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 測舵 機電 機 驅(qū) 動減 速電 機按 鍵指 示 燈圖 智能小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 以上模塊是智能小車系統(tǒng)的核心模塊，也是智能小車系統(tǒng)具備良好的性能的關(guān)鍵所在。而有些模塊則對小車的行駛效果沒有太大影響，它們只是為了增強系統(tǒng)功能而設(shè)計的模塊，如電池監(jiān)控模塊，小車故障診斷模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊以及調(diào)試輔助模塊，這些模塊統(tǒng)稱為小車系統(tǒng)的輔助模塊，可在實際調(diào)試時選擇使用。 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自于 ARM 公司具有突破性的 CortexM3 內(nèi)核，該內(nèi)核是專門設(shè)計于滿足集高性能、低功耗、實時應(yīng)用、具有競爭性價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， 讓 STM32 受益無窮； Thumb2174。指令集帶來了更高的指令效率和更強的性能；通過緊耦合的嵌套矢量中斷控制器，對中斷事件的響應(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。 在 CortexM3 內(nèi)核開發(fā)期間，意法半導(dǎo)體是 ARM 公司的一個主要合作伙伴，現(xiàn)在也是第一個領(lǐng)先的 MCU 供應(yīng)商宣布基于這個核的產(chǎn)品面世。STM32 產(chǎn)品系列基于行業(yè)標準的 ARM 32 位精簡指令結(jié)構(gòu) —— ARM 公司最新的內(nèi)核 CortexM3。 CortexM3 瞄準單片機領(lǐng)域和嵌入式應(yīng)用，得益于其先進的結(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，為我們帶來了一個小巧、低能耗的理想平臺，將特性差異的不同應(yīng)用從傳統(tǒng)的平臺引領(lǐng)到 32 位的微控制器世界。 STM32 的主要優(yōu)點： （ 1）使用 ARM 最新的、先進架構(gòu)的 CortexM3 內(nèi)核； （ 2）優(yōu)異的實時性能； （ 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）易于開發(fā)，可使產(chǎn)品快速進入市場； STM32F103 是增強型系列，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。兩個系列的產(chǎn)品擁有相同的片內(nèi)閃存選 項，在軟件和引腳封裝方面兼容。 本文采用 STM32F103 是增強型系列 STM32F103ZET6 微處理器，完全能滿足本系統(tǒng)的要求。它擁有 3 個 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 1μ s 轉(zhuǎn)換時間 (多達輸入通道 )；多達 4 個 16 位定時器，每個定時器有多達 4 個用于輸入捕獲 /輸出比較 /PWM 或脈沖計數(shù)的通道， 2 個 16 位 6 通道高級控制定時器，多達 6 路PWM 輸出，帶死區(qū)控制；還包含標準和先進的通信接口：多達 2 個 I2C、 3個 SPI、 2 個 I2S、 1 個 SDIO、 5 個 USART、一個 USB 和一個 CAN；內(nèi)置高速存儲器 (高達 512K 字節(jié)的閃存和 64K 字節(jié)的 SRAM)，豐富的增強 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 微處理器增強型微控制器更適合于電機驅(qū)動和應(yīng)用控制[10]。 廣西大 學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 STM32F103系列軟件開發(fā)平臺 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發(fā)工具，包括簡單易用的入門套件，完整的開發(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 專門定制的。用戶可從全系列開發(fā)方案中選擇開發(fā)工具，它將幫助用戶自始至 終地在單一集成環(huán)境下完成應(yīng)用開發(fā)。第三方的開發(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)的軟件開發(fā)中采用了 ARM公司于 2021年推出的嵌入式開發(fā)工具 MDK（ Microcontroller Development Kit） ,是用來開發(fā)基于 ARM 內(nèi)核微控制器的嵌入式應(yīng)用程序開發(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)勢于一體，適合不同層次的開發(fā)者使用，包括專業(yè)的應(yīng)用程序開發(fā)工程師 和嵌入式軟件開發(fā)的入門者。作為 ARM 嵌入式的主流開發(fā)工具， MDK 也是目前為數(shù)不多的完全支持 CortexM3 處理器開發(fā)的企業(yè)級開發(fā)工具，并內(nèi)含 STM32F103x系列處理器片上外圍接口固件庫和完整的數(shù)據(jù)手冊 [11]。 電源模塊 本小車的總電源采用兩節(jié) ，總共是 的電源。小車需供電的模塊包括 :單片機最小系統(tǒng)、路徑識別傳感電路、車速檢測傳感電路、伺服轉(zhuǎn)向電機電路、直流電機驅(qū)動電路。整個系統(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 驅(qū) 動舵 機 減 速 電 機S T M 3 2 最 小 系 統(tǒng)路 徑 識 別 傳 感 電 路車 速 檢 測 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。因為電池的電壓僅為 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)電路會產(chǎn)生干擾波動時可能會不滿足此類芯片的使用，可能會導(dǎo)致單片機的頻繁復(fù)位，所以顯然不能選用通常的 78 系列芯片。 特別是在可能會產(chǎn)生脈沖電流干擾的電路中，如驅(qū)動電機的干擾。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)電機的 H 驅(qū)動橋電路剛接通的瞬間，會 產(chǎn)生很大的瞬時電流。從而此時電池的輸出在瞬間內(nèi)會產(chǎn)生波動 (變小 )，因為當(dāng) I 增大， R 不變，則輸出 U 則會變小。從而可能會造成系統(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，能提供降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的各種功能，能驅(qū)動 3A 的負載，有優(yōu)異的線性和負載調(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為舵機供電，直流減速電機直接采用 。 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)計完全可以滿足整個系統(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)計方案 路徑識別模塊是智能車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，它將路況的信息傳送給主控制模塊。路徑識別方案的好壞，直接影響著小車的控制效果。在智能車控制系統(tǒng)中，小車有多種尋跡方案。包括光電傳感器尋跡方案，單獨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 傳感器來采集路面信息。就是通過攝像頭把智能車前面的路徑信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，來進行路徑識別的一種尋跡方法。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，可以進行較遠距離的預(yù)測和識別圖像復(fù)雜的路面，而且抗干擾能力強。但是對于本項目來說，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，需要進行大量數(shù)據(jù)的存儲和計算。因為是以實現(xiàn)小車視覺為目的 ，實現(xiàn)起來工作量較大，相當(dāng)繁瑣 [12]。 方案二：使用光電傳感器來采集路面信息。使用紅外傳感器最大的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡明，實現(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)時間低，便于近距離路面情況的檢測。但紅外傳感器的缺點是，它所獲取的信息是不完全的，只能對路面情況作簡單的黑白判別，檢測距離有限，而且容易受到諸多擾動的影響，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其造成干擾。 在本次比賽中，賽道只有黑白兩種顏色，小車只要能區(qū)分黑白兩色就可以采集到準確的路面信息。經(jīng)過綜合 兩種方案比較，在本項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 個紅外發(fā)射管 (發(fā)射器 )和 1 個光電二極管 (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。將這個變化轉(zhuǎn)為電壓信號，就可以被處理器接受并處理，進而實現(xiàn)對反光性差別較大的兩種顏色 (如黑白兩色 )的識別。 STl88 反射式紅外光電傳感器具有以下特點： (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)檢測距離可調(diào)整范圍大， 4～ 13ram可用。 (3)采用非接觸檢測方式。 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并將此信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號輸出給 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)檢測到黑線時，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)檢測到白線時，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 的負輸入端為基準的電壓，一般調(diào)節(jié)為 CPU 的 I/O 口高電平的一半，將些基準電壓與 ST188 采集輸出的電壓經(jīng) LM339 比較輸出，從而可以識別出黑線與白線。通過調(diào)節(jié) W3 可以調(diào)節(jié)光電