【正文】 ..................... 3 實際測試 ........................................................................................................ 3 6 結(jié)論 ..................................................................................................................................... 1 致謝 ........................................................................................................................................... 1 參考文獻 ................................................................................................................................... 1 附錄 A 英文文獻翻譯 .............................................................................................................. 1 附錄 B 程序源代碼 .................................................................................................................. 4 附錄 C 電路原理圖 ................................................................................................................ 58 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 1 引言 研究背景和意義 智能控制技術(shù)指在無人 （或少量） 干預(yù)的情況下能自主地驅(qū)動智能機器實現(xiàn)控制目標的自動控制技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，智能控制的車輛也越來越受到工業(yè)、交通、國防、能源等領(lǐng)域的青睞，得到了 蓬勃發(fā)展 。 目前對智能車輛的研究主要致力于提高汽車的安全性、舒適性，以及提供優(yōu)良的人車交互界面 [1]。 汽車產(chǎn)業(yè)，作為一個有著一百多年歷史的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，在新的環(huán)境下，必然需要不斷的自我革新，緊跟時代潮流。隨著人民生活水平不斷的提高，消費力的提升，智能汽車的產(chǎn)業(yè)前途不可限量。目前國際上發(fā)展智能汽車設(shè)計思路都是一 致的，即在成熟可靠的傳統(tǒng)汽車平臺上，改裝其控制系統(tǒng)，加裝傳感器和智能模塊。 因此本文研究 的 智能玩具車忽略其機械、電氣性能，著重于自動控制硬件系統(tǒng)和軟件算法的研究。良好的硬件設(shè)計是智能玩具車穩(wěn)定運行的基本保證。另外，在硬件設(shè)計過程中也有很多需要考慮的因素，如強弱電的分離，模擬、數(shù)字信號的隔離，布線的合理性等。 方案一 ：采用目前廣泛運用，成本低廉的 51 系列單片機作為主控芯片。但是，目前看來， 51 平臺已經(jīng)過于老舊了，硬件性能也開始捉襟見肘，軟件開發(fā)局限性較大，不利于后續(xù)產(chǎn)品升級。 方案二：采用 ARM Cortex M 系列 核心的嵌入式處理器。并且，由于 ARM 的開放授權(quán)，大量芯片廠商陸續(xù)跟進，使得該系列芯片成本大大降低，目前價格已經(jīng) 能做到和傳統(tǒng)單片機一樣的量級。目前 廣泛運用的主要是線性電源和開關(guān)電源。線性穩(wěn)壓電源是 一種 工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源，是 經(jīng)典的 、 較早使用的電源電路。 方案二：開關(guān)穩(wěn)壓電源。 開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 （ PWM）控制 芯片 和 功率場效應(yīng)管（ MOSFET） 構(gòu)成。開關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點是存在較為嚴重的開關(guān)干擾。 電機和驅(qū)動模塊 方案 一 ：采用電阻網(wǎng)絡(luò) 和 數(shù)字 繼電器 構(gòu)成驅(qū)動電路 ， 通過改變繼電器的開關(guān)狀態(tài)，從而達到分壓的目的。 還有一個問題在于 電動機 工作 電流很大， 這種方案效率較低 ， 工作損耗大， 而且使用壽命不高 。 該 驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu) 方案成熟、 原理簡單， 載電流 能力強。 由于 電路工作在管子的飽和截止狀態(tài) ， 因此效率 高 。 可以選用大量成熟方案的 H 橋驅(qū)動模塊。 然而 光敏二極管 精度不夠， 受 外界 光的 干擾 影響較大，線性程度不好 。另外，該方案集成度較低，體積比較大，不適合智能小車的安裝使用。 若在小車底部安裝該光電傳感器，當 底部的遇到黑 色路徑 時， 傳感器 輸出 高電平，遇到 白色地 面時， 輸出 低電平。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 最終方案選擇 綜合以上各個方案的優(yōu)缺點和本論文設(shè)計的智能玩具小車的實際要求，現(xiàn)將最終決定的設(shè)計方案列出： 硬件方案： （ 1） 主控芯片采用 ARM CortexM3 內(nèi)核的 STM32F103 嵌入式處理器； （ 2） 電源方案采用線性穩(wěn)壓模塊與 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓模塊相結(jié)合。 總體設(shè)計框圖 經(jīng)過上訴方案論證的過程之后， 其系統(tǒng)總方框圖如圖 所示。 另外處理器還通過 I/O 口控制直流電機、舵機 、無線通信 和 LCDSTM32F103 主控芯片 光電傳感器陣列 舵機控制 電機驅(qū)動 LCD 顯示 編碼器 無線通信 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 的顯示。這個部分主要對傳感器獲得的賽道信息采集處理，為下一步動作控制部分的基礎(chǔ)。這個部分是該智能小車系統(tǒng)的執(zhí)行部門，它將上一部分處理的電信號轉(zhuǎn)換為實際的速度、角度等物理量。這個部分主要作用是系統(tǒng)的測試和參數(shù)調(diào)整，能夠直觀快速的顯示系統(tǒng)的各項狀態(tài)。主控電路硬件系統(tǒng)包括 MCU 芯片及外圍接口電路、電源電路和對應(yīng)的程序下載與 ISP通信接口電路。 存儲器 512K 字節(jié) ROM， 64K 字節(jié) SRAM； 外 設(shè) （ 1） 2 個 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ， 1 個 溫度傳感器 ， 2 個 DMA 控制器； （ 2） 64 個 通用 快速 I/O 端口； （ 3） 1 個 串行單線調(diào)試和 JTAG 接口； （ 4） 6 個 通用 定時器 和 2 個高級定時器 ； 通信接口 （ 1） 2 個 I2C 總線 接口 ； 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 （ 2） 3 個 USART 通信 接口 ； （ 3） 2 個 SPI 總線 接口； （ 4） 2 個 CAN 總線 接口； （ 5） 1 個 USB 全速接口。 表 給出了智能玩具車常用模塊的供電需求情況。由于 STM32 的功耗很小，所以不需要大電流穩(wěn)壓，但主控芯片需要一個穩(wěn)定的電壓保持平穩(wěn)工作，所以供電設(shè)計為獨立供電，避免與其他負載并聯(lián)導(dǎo)致負載變化時影響芯片供電引起問題。 圖 芯片圖 圖 基本應(yīng)用電路圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 如圖 所示為 的基本應(yīng)用電路，只要把 正輸入電壓加到集成穩(wěn)壓器輸入端輸入端，公共端接地，其輸出端則可以輸出 正電壓。 圖 所示的為最終制成的 最小系統(tǒng)電路板。想實現(xiàn)電動機調(diào)速，并不能像普通玩具車一樣用恒定電壓對電動機進行供電。 單片機 芯片在接收并處理完成 傳感器傳回的道路信息后得出預(yù)期速度，通過脈寬調(diào)制信號來控制電動機的轉(zhuǎn)速。 驅(qū)動電路原理 圖 所示的是一個典型直流驅(qū)動調(diào)速電路。 PWM 信號的占空比決定電動機的轉(zhuǎn)速，故電動機的轉(zhuǎn)速可以通過調(diào)節(jié) PWM 占空比來實現(xiàn)。 圖 H 橋原理電路 如圖 所示為最基本的 H 橋原理電路圖 ， H 橋 電機驅(qū)動電路 是用 4 個 功率開關(guān)管（ 三極管 或 MOSFET）倆倆級聯(lián)， 電機 兩端分別接上下兩個開關(guān)管 。根據(jù)個管不同 的導(dǎo)通 情況 ，電流可能會從左 到 右或從右 到 左流過電機，從而控制電機的 不同方向 。 電機驅(qū)動模塊 在智能車的設(shè)計過程中，廣泛采用的驅(qū)動方式是使用集成 MOSFET 全橋驅(qū)動芯片。 該 直流電機驅(qū)動模塊功能特點 如下 ： （ 1） 尺寸 設(shè)計盡量小，易于模塊的放置與安裝； （ 2） 支持電機電壓 寬泛， 724V 均可以使用 ， 加 防反接 功能 ； （ 3） 雙路電機接口，每路最大負載電流 3A，每路有獨立的 3A 過流保護； （ 4） 與 L298N 驅(qū)動芯片控制信號同邏輯，每路都支持控制使能、正反轉(zhuǎn)及制動； （ 5） 使能信號可外接 PWM，正反轉(zhuǎn)控制信號可串聯(lián)限位開關(guān)； （ 6） 控制信號使用灌電流驅(qū)動方式，支持絕大多數(shù)單片機直接驅(qū)動； （ 7） 使用光耦對全部控制信號進行隔離。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 圖 2403ND 直流 電機驅(qū)動模塊 實物圖 接口定義 在 2403ND 驅(qū)動模塊的接口 定義 中， +5V 和 GND 為控制信號電源，如果控制信號為 ，那么 +5V 接 ； ENA、 ENB 分別為電機接口 1 和電機接口 2 的使能信號，可以外接 PWM； IN1~IN4 為兩路電機正反轉(zhuǎn)、制動 （ 或稱剎車 ） 控制信號。其中 0 為低電平、 1 為高平、 為任意電平，懸空時為高電平，如表 所示。 舵機 通過 接收的 發(fā)送信號， 輸出 指定 的 軸旋轉(zhuǎn)角度。 舵機可以 反饋轉(zhuǎn)動的角度信息，而 普通直流電機不能做到 。 圖 舵機實物圖 圖 舵機的伺服系統(tǒng) 舵機的伺服系統(tǒng)由可變寬度的脈沖來進行控制， 其波形類似與驅(qū)動電機的 PWM 波形。脈沖有最小值，最大值，和頻率 三個參數(shù) 。 中間脈沖的寬度為 ， 這個基準信號定義的位置為中間位置 ，如圖 所示 。速度反饋值可以通過 PID 算法（詳見軟件設(shè)計部分）更加迅速的調(diào)整小車的加速與減速。 光電式脈沖傳感器可以將機械唯一、轉(zhuǎn)角或速度變化轉(zhuǎn)換成點脈沖輸出。 圖 光電脈沖測速原理示意圖 光電編碼器采用光電 接收技術(shù) ，將轉(zhuǎn)角和位移轉(zhuǎn)換為 不同角度極性的 數(shù)字脈沖，如圖 所示的是為光電脈沖測速原理示意圖，在發(fā)光元件和光電接收元件中間有一個 扇沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 形的 碼盤， 碼盤上均 勻的刻有透明光柵， 轉(zhuǎn)動碼盤形成光脈沖，產(chǎn)生對應(yīng)的電信號?，F(xiàn)在常用的編碼器為歐姆龍公司生產(chǎn)的 100 線、 200 線或 500 線編 碼器，這里采用的是歐姆龍 EA62CW3C 型 100 線編碼器， 圖 是該編碼器的實物圖。供電電壓為 5~12V，完全兼容智能玩具車的供電需求。 圖 光電對管檢測電路原理圖 小車循跡原理是 當 小車在畫有黑線的白 色 路面上行駛 時 ，由于黑線和白 色地板 對 紅外 光線的反射系數(shù)不同， 因此 可根據(jù) 傳感器 接收到的反射光的強弱來判斷黑線。紅外發(fā)射管向地面發(fā)射紅外光，遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)射， 紅外 接收管接收 到了發(fā)射光 ，輸出 較低的 電壓 ； 當 遇到黑線 時， 則紅外光被吸收， 紅外 接收管接收不到信號， 則輸出 高 電壓。因此 遇到黑線沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 時輸出高電平，白色輸出低電平，從而實現(xiàn) 了黑白路徑 的檢測 。 該傳感器模塊的電路設(shè)計如圖 所示。 最終經(jīng)過 PCB 設(shè)計制 做 的模塊實物如圖 所示。 液晶顯示 器 液晶顯示是智能車對外界反饋信息最好的方式，快捷且直觀，可以將液晶顯示模塊與單片機進行連接，將要監(jiān)視的數(shù)據(jù)發(fā)送到液晶顯示模塊上，從而可以脫離在線仿真監(jiān)視變量的變化。 該款液晶顯示器自身重量輕，占用面積小且顯示區(qū)域大，編程自由。 圖 Nokia 5110 液晶顯示模塊實物圖 無線通信 使用串口通信可以將智能車采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機進行處理，然而其弊端在于線纜的限制。為了 擺脫 線纜的束縛，可以采用無線通信方式。 該模塊使用 SPI 協(xié)議與單片機通信。 該無 線通信模塊與 MCU 的接口 應(yīng)用電路 設(shè)計 如圖 所示。本章闡述了智能車軟件部分的原理和算法設(shè)計思路，最后 在附錄中 給出了各模塊的代碼。整體的控制使用 5ms 定時器中斷，所有的控制環(huán)節(jié)都在中斷服務(wù)子程序中運行。 結(jié)束 是否到終點線？ 開始 方向控制 硬件初始化 定時器中斷 獲取傳感器值 速度控制 N Y 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 for(。 液晶顯示讀取的數(shù)值 ()。 } } 定義的 中斷服務(wù)子程序 如下： void EXTI2_IRQHandler(void) { 轉(zhuǎn)向控制 ()。 } 下面列出的是整個程序的宏定義以及全局變量定義： define CLP // 定義的是觸碰開關(guān)端口 CLP define Near // 定義的是接近傳感器端口 Near define SS1 // 下面定義的是 SS1~SS5 這 5 個光電傳感器的端口 define SS2 define SS3 define SS4 define SS5 define S