智能電動模型車硬件模塊設(shè)計

1、    智能電動模型車硬件模塊設(shè)計    馮帆 馮瑤摘 要：“恩智浦杯”智能汽車競賽是以智能汽車為研究對象的創(chuàng)意性科技競賽，學生以汽車電子相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計制作一輛智能電動模型車。本文介紹了一種攝像頭智能車的硬件模塊構(gòu)架，從整體層面上提供設(shè)計思路。關(guān)鍵詞：智能車；硬件模塊；設(shè)計思路doi：10.16640/ki.37-1222/t.2018.07.036攝像頭智能模型車是基于模擬和數(shù)字攝像頭來感知賽道邊界線，進而模型車自主規(guī)劃運行路徑來完成比賽，是全國大學生智能汽車競賽賽車的一種。智能車的控制分為兩部分：直行和轉(zhuǎn)向，直流電動機可以作為直行部分的執(zhí)行機構(gòu)

2、，舵機可以作為轉(zhuǎn)向部分的執(zhí)行機構(gòu)。車速的檢測采用編碼器實現(xiàn)，整個過程形成閉環(huán)控制?？傮w構(gòu)架為：電源模塊、系統(tǒng)控制板、編碼器、攝像頭模塊、舵機模塊、7.2v電源、電機模塊、電機驅(qū)動模塊。1 攝像頭模塊設(shè)計攝像頭工作原理為：通過光學鏡頭對景物成像，投射到圖像傳感器表面，形成電信號，經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號，控制器再進行加工處理。圖像傳感器分為兩類：ccd和cmos，兩者的差異之處為ccd采用連續(xù)掃描，只有在最后一個像素掃描完成后才進行放大；而cmos傳感器的每個像素都有一個將電荷放大為電信號的轉(zhuǎn)換器。ov7620模塊是cmos彩色/黑白圖像傳感器，支持連續(xù)和隔行掃描兩種方式，最高像素為66

3、4x492，幀速率為30fps；數(shù)據(jù)格式包括yuv，ycrcb、rgb三種，滿足了智能車的圖像采集系統(tǒng)要求。ov7620的電平兼容3.3v和5v。目前智能車采用的xs128和k60單片機工作電平為5v和3.3v，所以無需做電平匹配。對于學生制作的智能車不一定攝像頭幀率越快越好，ov7620，其pclk（像素中斷）的周期是73ns，較容易被k60的i/o捕捉，相反，幀率越快的攝像頭，其plck的周期會越小，不容易被k60i/o捕捉。ov7620有兩組并行的數(shù)據(jù)口y70和uv70，輸出的灰度信號是y，色度信號是uv，對于全白的賽道背景，采集回來的數(shù)據(jù)是255，對于黑色賽道，采集回來的數(shù)據(jù)是0，這樣

4、就能很好的區(qū)別開賽道與背景。2 電機驅(qū)動電路設(shè)計一般的電機驅(qū)動電路由mcu+預(yù)驅(qū)動+mosfet+閉環(huán)檢測電路構(gòu)成。具體可分為：預(yù)驅(qū)動芯片+外置mosfet的方式，這種方案散熱較好，另一種是預(yù)驅(qū)動和mosfet集成在一起，這種類型所占空間小，內(nèi)設(shè)保護電路。本方案選擇bts7960集成芯片，為原裝進口英飛凌芯片。最大電流輸出為43-70a，與單片機5v隔離，能有效保護單片機，電機驅(qū)動輸出端電壓可顯示，可以焊接散熱片，兼容bts7960b、btn7960b、bts7970b。bts7960的5v隔離芯片電壓可以與單片機5v共用，驅(qū)動模塊到單片機的4根線為（gnd、5v、pwm1、pwm2），板子上

5、預(yù)留4個小孔，可直接固定在智能車a車模和b車模尾部。3 舵機模塊設(shè)計智能車實現(xiàn)良好的軌跡控制，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是關(guān)鍵一環(huán)，轉(zhuǎn)向性能的好壞和轉(zhuǎn)向控制的精確對車速和行車穩(wěn)定性影響很大。舵機主要由舵盤、變速齒輪組、位置反饋電位計、小型直流電機、控制電路板組成?？刂齐娐钒褰邮諄碜詥纹瑱C的控制信號，控制電機轉(zhuǎn)動，電機帶動齒輪組轉(zhuǎn)動，減速后傳遞至輸出舵盤。舵機輸出為三條線：紅色是供電線，黑色是接地線，還有一根是信號線。舵機的控制信號是周期為20ms的脈寬調(diào)制（pwm）信號，其中脈寬從0.5到2.5ms，相對于舵盤的位置是0到180度，呈線性變化。當給舵機提供一定的脈寬，輸出軸就會保持在一個相對應(yīng)的角度上，當外界轉(zhuǎn)

6、矩發(fā)生變化時，輸出角度依然不變。只有當提供另外一種寬度的脈沖信號，他才會改變輸出角度到新的對應(yīng)的位置上。舵機是智能車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行單元，由單片機給出pwm信號控制舵機轉(zhuǎn)角實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，而舵機又是外購件，所以按照對應(yīng)的接口把舵機和單片機連接即可。4 編碼器模塊設(shè)計編碼器（encoder）是把信號和數(shù)據(jù)進行編制，轉(zhuǎn)換為可用于通信、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。編碼器把角位移或者線位移轉(zhuǎn)化為電信號，稱為碼盤或碼尺。歐姆龍（omron）編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速的裝置，光電式旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出。編碼器的中心軸有光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，

7、由光電發(fā)射和接收器件讀取，得到四組正弦波，組成a、b、c、d，每個正弦波相差90度，將c、d信號反向，疊加在a、b兩相上，可增強信號的穩(wěn)定性；另外，每轉(zhuǎn)輸出一個z相脈沖以代表零位參考。藍宇編碼器的輸出端有5根線：褐色線、黑色線、白色線、黃色線和藍色線。其中，白色和黃色是b相和z相，褐色、黑色和藍色3根線與單片機相連，在單片機底板上“轉(zhuǎn)速1”和“轉(zhuǎn)速2”選擇任意一個插接口即可。在攝像頭智能車上僅用到3根線：褐色線（電源vcc）、黑色線（a相）和藍色線（gnd）。5 系統(tǒng)控制板k60系列具有ieee1588以太網(wǎng)，可全速和高速usb2.0on-the-go帶設(shè)備充電探測，具有硬件加密和防篡改探測能力，以及豐富的模擬、通信、定時和控制外設(shè)。芯片使用多組電源引腳，分別為內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器、i/o引腳驅(qū)動、a/d轉(zhuǎn)換電路等電路供電，內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器為內(nèi)核和振蕩器等供電。系統(tǒng)板根據(jù)一定的算法，控制舵機、電機和lcd顯示，控制各種參數(shù)的設(shè)置。智能車設(shè)計需要機械、電子、控制、信號處理和汽車相關(guān)的綜合方面的知識，學生通過完成此項目，可以對所學知識有系統(tǒng)的了解，并能通過實際操作掌握