【正文】 內(nèi)部的旋轉(zhuǎn) 軸 與 電機(jī)的 轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連，由旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)， 光源 發(fā)出的光透過(guò)旋轉(zhuǎn)盤(pán)上的長(zhǎng)方形孔 被 受光元件接 收 ，從而輸出 脈沖信號(hào) 。 本次 采用 的是透射式光電編碼器，其內(nèi)部是光電對(duì)管 加光柵 碼盤(pán)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高。使用測(cè)速模塊后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)模速度的閉環(huán)反饋 PID 控制， 就可以 消除上述因素 對(duì)智能車(chē)運(yùn)行所帶來(lái)的不利影響，是智能車(chē)運(yùn)行時(shí)更加穩(wěn)定。 如果 沒(méi)有測(cè)速模塊，開(kāi)環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，會(huì)受到很多因素影響 ， 如電機(jī)傳動(dòng)的摩擦力、道路摩擦力、電池電壓、前輪轉(zhuǎn)向角等 。 圖 39 實(shí)際 H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電路 第 3 章 圖像 處理算法研究 15 速度反饋模塊 為了 使智 能車(chē)能夠 平穩(wěn) 的 沿著 賽道行駛，需要 測(cè)試 智能車(chē)的速度，同過(guò) 測(cè)速模塊得到智能車(chē)的實(shí)際速度 ， 將其與給定速度進(jìn)行比較，形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車(chē)速度的控制 ， 從而使智能車(chē)在急轉(zhuǎn)彎時(shí)不會(huì)因?yàn)樗俣冗^(guò)快而沖出賽道。 IR2104 外接 自舉電路，輸出驅(qū)動(dòng)電壓在 10V 到 20V，具有剎車(chē)使能功能，能夠較好的保護(hù) ， 并且具有恰當(dāng)?shù)乃绤^(qū) ，外接電路也較為簡(jiǎn)單。 由于 9S12XSMAA單片機(jī) P 口驅(qū)動(dòng)能力 不夠大 ，所以要加 MOS 管驅(qū)動(dòng)芯片 IR2104來(lái) 驅(qū)動(dòng) MOS 管 。 第 3 章 圖像 處理算法研究 14 圖 38 H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 當(dāng) Q1 管和 Q4 管 導(dǎo)通時(shí)， 電流 就從電源正極經(jīng)過(guò) Q1 管 從左至右流過(guò)電機(jī)，再由Q4 流回到電源負(fù)極，此時(shí) 電機(jī)將 順指針轉(zhuǎn)動(dòng)。 MOS 管是 電壓驅(qū)動(dòng)器件， 使用 N 溝道 增強(qiáng)型 MOS 管 ， 其導(dǎo)通電阻小 ，當(dāng)柵極 電壓大于源極電壓時(shí) MOS 管導(dǎo)通 。 利用 IR 公司的 MOS 管IRLR783 和 MOS 管驅(qū)動(dòng)芯片 IR2104 搭建了 H 橋驅(qū)動(dòng)電路。 更換 直流電機(jī)的電流方向，可以控制直流電機(jī) 的 轉(zhuǎn)動(dòng)方向 。因?yàn)?在 智能車(chē)行駛過(guò)程中要改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ， 采用 一個(gè) PWM（ 脈寬調(diào)制 ） 方波， 施加 在 直流電 機(jī) 上 的 PWM 波的占空比對(duì)應(yīng)著 智能車(chē) 所需的速度， 電機(jī)起到 一個(gè)低通濾波器的作用，將 PWM 信號(hào) 轉(zhuǎn)換為有效的直流電平。 圖 37 LM2940 穩(wěn)壓電路 （ 轉(zhuǎn) 5V） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于智能車(chē)的速度 控制 有著至關(guān)重要的作用 ， 較好的制動(dòng)能力和加速對(duì)于提高小車(chē)的速度有著很大的幫助?？紤]到 舵機(jī)的堵轉(zhuǎn) 問(wèn)題 ， 本 電路采用 兩片 LM2940 芯片 搭建兩個(gè) 5V 穩(wěn)壓電路。 [6]這樣 既可以有效抑制電源紋波，又可以 消除 9S12XSMAA最小系統(tǒng) 和 OV7620 攝像頭 的 供電 電源 與其他元件 供電模塊 之間 產(chǎn)生 干擾， 保證 其工作的穩(wěn)定性。 實(shí)際 設(shè)計(jì)的 DCDC 升壓電路 如下圖 35 所示， 升壓得到的 12V 電壓 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電路 的電源 ， 該 升壓電路 采用大電流升壓控制 ， 輸出電流能滿足電機(jī) 所需 的電流要求。 電流限制通過(guò)檢測(cè)連接在 VCC 和 5 腳之間電阻上的壓降來(lái)完成功能。 在振蕩器對(duì)外部 定時(shí)電容充電過(guò)程中， 與門(mén)的 C 輸入端為高電平， 并且 在 比較器的輸入電平低于閾值電平時(shí) D 輸入端為高電平 ，此時(shí) C 和 D 輸入端都變成高電平 ，觸發(fā)器被置為高電平，輸出開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通 。 第 3 章 圖像 處理算法研究 11 圖 34 MC34063 的電路原理圖 振蕩器通過(guò)恒流源對(duì)外接在 CT 管腳 (3 腳 )上的定時(shí)電容不斷地充電和放電以產(chǎn)生振 蕩波形。 MC34063 可以 使用 較 少的外接元件構(gòu)成開(kāi)關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。 MC34063 是一單片雙極型線性集成電路，用于直流 直流變換器控制部分。 智能車(chē)系統(tǒng) 的總的電源 由 大容量 鎳鎘 電池，單片機(jī)最小系統(tǒng)、攝像頭以及大多數(shù)芯片都需要 5V 供電， 伺服 電機(jī)工作電壓為 5V，驅(qū)動(dòng)電路 需要 12V 電源，電機(jī) 直接接 電池供電 ， 智能車(chē)電壓調(diào)節(jié)電路框架圖如圖 33 所示 。系統(tǒng)中 各個(gè)電路模塊所需的工作電流和工作電壓各不相同， 因此 設(shè)計(jì)了多種 穩(wěn)壓 電路，將 電池電壓轉(zhuǎn)換為各個(gè)模塊所需的電壓。為了減少功耗，所有外設(shè)可以分別停止其本地時(shí)鐘。內(nèi)部CPU 信號(hào)（地址和數(shù)據(jù)總線）處于全局靜態(tài)狀態(tài)。 [4] Wait：通過(guò)執(zhí)行 CPU WAI 指令進(jìn)入該模式。其他外設(shè)停止工作。 Pseudo Stop：通過(guò)執(zhí)行 CPU STOP 指令進(jìn)入該模式。 Stop: 執(zhí)行 CPU stop 指令，停止所有時(shí)鐘和振蕩器，以此將芯片放在全靜態(tài)模式。該系列 單片機(jī) 具 有很高的集成度 ， 片上 集成 了很多功能模塊，如 串行設(shè)備接口、串行通信接口 、 A/D 轉(zhuǎn)換器、 USB 接口、 CAN、 SPI 和 PWM 等。 此外 MC9S12 還 具有靈活的定制模式，對(duì) C 進(jìn)行完全優(yōu)化的壓縮代碼的優(yōu)點(diǎn)。 MC9S12 系列 采用 Motorola 第三代Flash，容量為 32KB 到 512KB，具備在線編程能力以及保密機(jī)制，不需要外加編程電壓，典型的 HC12 總線 速率為 8MHz，而 MC9S12 內(nèi)部 總線速率最高可以達(dá)到 25MHz，即 40ns 的 最小指令周期。利用 位置式 PD 控制算法 ，由 單片機(jī)輸出 PWM 波來(lái)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向；利用增量式 PID 控制算法 ，由 單片機(jī)輸出 PWM 波來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 在 設(shè)計(jì) PCB 板圖 時(shí)，為了減輕 接線 的負(fù)擔(dān)和簡(jiǎn)化 電路調(diào)試，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路與主板 分離 開(kāi)來(lái) 。 實(shí)現(xiàn) 功能算法的前提是要設(shè)計(jì)好功能模塊的電路，進(jìn)行電路調(diào)試后再實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制算法。智能車(chē) 的 速度控制系統(tǒng)的 如圖 31 所示 。好的 硬件 電路設(shè)計(jì)能夠減輕很多控制算法上的負(fù)擔(dān)。 選取 適當(dāng) 長(zhǎng)度的連接桿，得到了較快的反應(yīng)速度和足夠大的輸出力矩。 智能車(chē) 的舵機(jī)采用直立放置的方式， 將 第 2 章 車(chē)模 系統(tǒng) 機(jī)械 設(shè)計(jì) 6 舵機(jī)安放在車(chē)模的前部中間位置， 這樣可以 保證車(chē)模轉(zhuǎn)向 時(shí) 的機(jī)械對(duì)稱性。轉(zhuǎn)向 在 智能車(chē)的行駛過(guò)程中是至關(guān)重要的， 連 桿的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到智能車(chē)的轉(zhuǎn)向靈敏度。車(chē)身 簡(jiǎn)潔 、底盤(pán)低穩(wěn) 、 轉(zhuǎn)向靈活 、 協(xié)調(diào)配合是 智能車(chē) 車(chē)模的設(shè)計(jì)原則。舵機(jī)的安裝對(duì)智能車(chē)行駛 過(guò)程的 快速性和靈活性 起著 非常 重要 的作用。 舵機(jī)的 安裝 舵機(jī) 是操控 車(chē)模行駛 的方向盤(pán)， 舵機(jī) 的輸出轉(zhuǎn)角 通過(guò)連桿傳動(dòng) 來(lái)控制前輪轉(zhuǎn)向。 左右 。外傾角 越正，智能 車(chē)過(guò)彎道時(shí) 受到 的 摩擦力就越小 ，過(guò)彎道時(shí)就越平穩(wěn)。調(diào)整 外傾角能 改善車(chē)模的過(guò)彎特性。 采用 的車(chē)模是后輪驅(qū)動(dòng)，前輪是轉(zhuǎn)向輪。 在 實(shí)際過(guò)程中，智能車(chē)一般采用正外傾角，主要目的是 使 承載車(chē)輛車(chē)輪磨損均勻。 如果 輪胎垂直地面即前輪外傾角等于 0176。 前輪 外傾角對(duì)智能車(chē)的 彎道性能 有直接影響。 （ 2） 前輪 外傾 通過(guò) 車(chē)輪中心的智能車(chē)橫向 平面 與車(chē)輪 平面 的交線與地面垂線之間的夾角 α，稱之為 “前輪 外傾角 ”， 如圖 25 所示 。 [2] Toe 角度的 大小會(huì)影響智能車(chē)的轉(zhuǎn)向反應(yīng)速度和直道行駛的穩(wěn)定性。由于轉(zhuǎn)向 橫拉桿和車(chē)橋的約束 使車(chē)輪 不可能向外滾開(kāi)，車(chē)輪將在地面上出現(xiàn)滾邊 向 內(nèi)滑移的現(xiàn)象， 從而 增加了 輪胎的 磨損。車(chē)輪前端向 內(nèi)傾（ 內(nèi)八字 ） ，稱為 Toe_in； 車(chē)輪前輪向外傾（ 外八字 ） ， 稱為 Toe_out。 （ 1） 前輪前束 圖 23 前輪約束 示意圖 前輪前束 是指兩輪后邊緣距離 A 與 前邊緣距離 R 之差 。 行星齒輪 的 公轉(zhuǎn) 加自身的自轉(zhuǎn) 將導(dǎo)致 右側(cè)半軸齒輪會(huì)在差速器殼體轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上增速，因此右側(cè)車(chē)輪比左側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)得快，從而實(shí)現(xiàn)智能車(chē)順利通過(guò)左彎道。 [1] 第 2 章 車(chē)模 系統(tǒng) 機(jī)械 設(shè)計(jì) 3 圖 22 一側(cè)車(chē)輪遇到阻力 差速器 殼體通過(guò)齒輪和輸出軸相連，在傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速不變情況下差速器殼體的轉(zhuǎn)速也不 變 ， 假設(shè) 智能車(chē)現(xiàn)在向左轉(zhuǎn)，左側(cè)的車(chē)輪行駛的距離短， 左側(cè) 驅(qū)動(dòng)輪會(huì)受到更大的阻力 。 差速器的作用就在于允許左右兩邊的驅(qū)動(dòng)輪以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。 差速器 差速器處于傳動(dòng)軸與左右半軸的交匯點(diǎn)，從變速箱輸出的動(dòng)力在這里被分配到左右兩個(gè)半軸。 第 2 章 車(chē)模 系統(tǒng) 機(jī)械 設(shè)計(jì) 2 第 2 章 車(chē)模系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì) 模型車(chē) 的 機(jī)械機(jī)構(gòu) 和組裝形式是整個(gè)模型車(chē)身的基礎(chǔ)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的好壞對(duì)智能車(chē)的運(yùn)行速度有直接的影響 。 “飛思卡爾杯 ”智能汽車(chē)競(jìng)賽 賽道用專(zhuān)用的白色 KT基板 制作 ，賽道 兩邊有黑線 。 整體思路和 總體介紹 本文 分章節(jié)介紹了智能車(chē)系統(tǒng) 用于 速度控制的各個(gè)模塊，包括 智能車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及 調(diào)整 、智能車(chē)系統(tǒng)架構(gòu) 及其 硬件設(shè)計(jì)、智能車(chē) 速度 控制軟件設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)調(diào)試。 攝像頭 組智能車(chē)是搭建基于視覺(jué)導(dǎo)航的智能汽車(chē)系統(tǒng)，通過(guò)攝像頭對(duì)賽道圖像的有效采集，然后再利用控制器 進(jìn)一步 進(jìn)行處理信息，作出相應(yīng)的決策，控制小車(chē)尋 跡。 “飛思卡爾杯 ”智能汽車(chē) 是以自動(dòng) 導(dǎo)航 技術(shù)、汽車(chē)電子技術(shù)為背景，涉及自動(dòng)控制 、計(jì)算 機(jī)、 機(jī)械 等多個(gè)學(xué)科 。汽車(chē) 的 電子化已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，它包括了汽車(chē)電子控制裝置，通過(guò)電子裝置控制汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)身、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 以及制動(dòng)防抱死等。 飛思卡爾智能車(chē)的背景 ............................................................................................. 1 整體思路和總體介紹 ................................................................................................. 1 第 2 章 車(chē)模系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì) .................................................................................................... 2 差速器 ......................................................................................................................... 2 車(chē)輪定位 ..................................................................................................................... 3 舵機(jī)的安裝 ................................................................................................................. 5 第 3 章 智能車(chē)硬件電路設(shè)計(jì) ................................................................................................ 7 9S12XSMAA 最小系統(tǒng) .............................................................................................. 7 電源管理模塊 ............................................................................................................. 9 12V 穩(wěn)壓電路 ................................................................................................. 10 TPS7350Q 穩(wěn)壓電路 ...................................................................................... 12 LM2940 穩(wěn)壓電路 .......................................................................................... 12 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 ........................................................................................................... 13 速度反饋模塊 ........................................................................................................... 15 第 4 章