基于光電檢測(cè)智能車(chē)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

1、裝訂線安徽工業(yè)大學(xué)工商學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū)安徽工業(yè)大學(xué)工商學(xué)院本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）題 目：基于光電檢測(cè)的智能車(chē)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)學(xué) 院：電氣信息學(xué)院專(zhuān) 業(yè)：自動(dòng)化班 級(jí)：自1241學(xué) 號(hào)：121842413學(xué) 生：唐磊指導(dǎo)教師：劉一帆 摘 要制作光電檢測(cè)的智能小車(chē)所涉及的專(zhuān)業(yè)知識(shí)包括控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽車(chē)電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等諸多學(xué)科。為了使小車(chē)能夠快速穩(wěn)定的行駛，設(shè)計(jì)制作了小車(chē)控制系統(tǒng)。在整個(gè)小車(chē)控制系統(tǒng)中，如何準(zhǔn)確地識(shí)別路徑及實(shí)時(shí)地對(duì)智能車(chē)的速度和方向進(jìn)行控制是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。由于此小車(chē)能夠自動(dòng)尋跡,加速,減速.故又被稱(chēng)作為智能車(chē).本智能車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以MC9S1

2、2XS128微控制器為核心，通過(guò)兩排光電傳感器檢測(cè)小車(chē)的位置和運(yùn)動(dòng)方向來(lái)獲取軌道信息，根據(jù)軌道信息判斷出相應(yīng)的軌道類(lèi)型，并分配不同的速度給硬件電路加以控制，完成了在變負(fù)荷條件下對(duì)速度的快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)。紅外對(duì)射傳感器用于檢測(cè)智能車(chē)的速度，以脈寬調(diào)制控制方式（PWM）控制電機(jī)和舵機(jī)以達(dá)到控制智能車(chē)的行駛速度和偏轉(zhuǎn)方向。軟件是在Code Warrior 5.0的環(huán)境下用C語(yǔ)言編寫(xiě)的，用PID控制算法調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的方向，完成對(duì)模型車(chē)運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的閉環(huán)控制。智能車(chē)能夠準(zhǔn)確迅速地識(shí)別特定的軌道，并沿著引導(dǎo)線以較高的速度穩(wěn)定行駛。整個(gè)智能車(chē)系統(tǒng)涉及車(chē)模機(jī)械結(jié)構(gòu)的改裝、傳感器電路設(shè)計(jì)及控制算法

3、等多個(gè)方面。經(jīng)過(guò)多次反復(fù)的測(cè)試，最終確定了現(xiàn)有的智能車(chē)模型和各項(xiàng)控制參數(shù)。關(guān)鍵詞：MC9S12XS128；PID；PWM；光電傳感器；智能車(chē)ABSTRACTMaking automatic tracing car involved the professional knowledge including control, pattern recognition, sensing technology, automobile electronics, electrical, computer, machinery and so on many subjects. According to the

4、 technical requirements of the contest, we design the intelligent vehicle control system. In the entire control system of the smart car, how to accurately identify the road and real-time control the speed and direction of the Smart Car is the key to the whole control system. Because this car can aut

5、omatic tracing, accelerate, slowing down. So it is also known as intelligent car this intelligent vehicle control system design take the MC9S12XS128 micro controller as a core, examines car's position and the heading through two row of photoelectric sensors gains the racecourse information, judg

6、es the corresponding racecourse type according to the racecourse information, and assigned the different speed to control for the hardware circuit, has completed in changes under the load condition to the speed fast stable adjustment. The infrared correlation sensor uses in examining the intelligent

7、 vehicle's speed, (PWM) controls the electrical machinery and the servo by the pulse-duration modulation control mode achieves the control intelligence vehicle's moving velocity and the deflection direction. The software is under the Code Warrior 5.0 environment with the C language compilati

8、on, actuates electrical machinery's rotational speed and servo's direction with the PID control algorithm adjustment, completes to the model vehicle velocity of movement and the heading closed-loop control. The intelligent vehicle can distinguish the specific racecourse rapidly accurately, a

9、nd along inlet line by the high speed control travel. The entire intelligent vehicle system involves the vehicle mold mechanism the re-equipping, the sensor circuit design and the control algorithm and so on many aspects. After the repeated test, has determined the existing intelligent vehicle model

10、 and each controlled variable finally many times. Keywords：MC9S12XS128; PID；PWM；photoelectric sensor; smart car目 錄1.緒論61.1引言61.2.1總體設(shè)計(jì)71.2.2傳感器設(shè)計(jì)方案71.2.3控制算法設(shè)計(jì)方案8第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)82.1前輪傾角的調(diào)整82.2齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整92.3后輪差速機(jī)構(gòu)調(diào)整92.4紅外傳感器的固定102.5小車(chē)重心的調(diào)整102.6齒輪嚙合間隙的調(diào)整10第三章 硬件電路的設(shè)計(jì)113.1系統(tǒng)硬件概述113.2電源模塊的設(shè)計(jì)113.2.1 LM2940供電電路1

11、23.2.2 LM2596供電電路133.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊143.3.1模塊介紹143.3.2使用說(shuō)明153.4路徑識(shí)別模塊163.6單片機(jī)模塊的設(shè)計(jì)183.7硬件電路部分總結(jié)19第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)204.1智能車(chē)控制算法監(jiān)測(cè)平臺(tái)204.2主程序流程圖204.3系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)214.3.1時(shí)鐘初始化214.3.2串口初始化224.3.3 PWM初始化234.4中斷處理流程244.5小車(chē)控制算法244.5.1舵機(jī)控制254.5.2速度控制264.7彎道策略分析28第五章 開(kāi)發(fā)與調(diào)試295.1軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹295.2智能車(chē)整體調(diào)試325.2.1 舵機(jī)調(diào)試325.2.2 電機(jī)調(diào)試325.2.3

12、動(dòng)靜態(tài)調(diào)試32第六章 結(jié)論346.1智能車(chē)的主要技術(shù)參數(shù)說(shuō)明346.2總結(jié)346.3不足與展望34參考文獻(xiàn)35致 謝361.緒論1.1引言思路及技術(shù)方案是一個(gè)工程項(xiàng)目的靈魂。因此，在設(shè)計(jì)和制作伊始對(duì)思路與方案的選擇要非常的仔細(xì),謹(jǐn)慎。作為一個(gè)快速的隨動(dòng)控制系統(tǒng)。結(jié)合智能車(chē)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況以及前人對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。得出"簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、快速、智能"八字方針作為智能車(chē)方案設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則。 智能車(chē)是一個(gè)快速的隨動(dòng)控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)分為兩個(gè)大的子控制系統(tǒng)，分別為：方向控制系統(tǒng)與速度控制系統(tǒng)。方向控制的作用就好比是駕駛員和他所控制的方向盤(pán)；速度控制系統(tǒng)的作用就好比是駕駛員和他腳下

13、的油門(mén)與剎車(chē)。方向控制系統(tǒng)能使智能車(chē)沿著導(dǎo)引黑線行駛而不至偏移。速度控制能使智能車(chē)在直道上加速行駛而在入彎時(shí)剎車(chē)減速以盡量提高行駛速度和避免因入彎速度過(guò)快而造成的沖出跑道。本次制作的智能車(chē)是以光電傳感器捕獲路徑信息的。經(jīng)過(guò)數(shù)月的設(shè)計(jì)與調(diào)試，終于完成了這個(gè)作品。在設(shè)計(jì)與制作的過(guò)程中以穩(wěn)定為前提進(jìn)行軟硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)與參數(shù)調(diào)整。經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為在路徑檢測(cè)信息非常完備的條件下進(jìn)行速度優(yōu)化會(huì)對(duì)小車(chē)的性能有很大提高。由于小車(chē)在彎道與直道以及不同曲率半徑的弧道的通過(guò)速度是不同的。經(jīng)過(guò)研究對(duì)于小車(chē)的速度控制我們采取的閉環(huán)的速度優(yōu)化控制，利用路徑監(jiān)測(cè)信息來(lái)給出不同路況下的速度設(shè)定值，使小車(chē)速度有了很大改善。1.2.1

14、總體設(shè)計(jì)圖1-1 系統(tǒng)框架圖如上圖1-1所示，該智能小車(chē)系統(tǒng)主要分為以下三大塊：（1）信息采集模塊：在該模塊主要是對(duì)智能車(chē)的所處位置進(jìn)行采集，并將采集到的信息傳送給MCU，其核心是光電傳感器。（2）信息處理模塊：信息處理模塊包括信息處理和控制模塊，其核心MCU，MCU接收到采集來(lái)的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后作出判斷，并發(fā)出控制信號(hào)。（3）執(zhí)行模塊：該模塊包括了驅(qū)動(dòng)電機(jī)和舵機(jī)，當(dāng)接收到MCU的命令后便執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時(shí)信息采集模塊又采集到電機(jī)和舵機(jī)的狀態(tài)信息，反饋給MCU。從而整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，在運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)而達(dá)到智能車(chē)快速穩(wěn)定行使的目的。1.2.2傳感器設(shè)計(jì)方案方案一：采用C

15、CD傳感器來(lái)采集路面信息使用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。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)范圍有

16、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)其產(chǎn)生干擾。方案三：采用電感與電容諧振來(lái)采集路面信息使用電感與電容諧振的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單（通過(guò)電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電感線圈所處位置的關(guān)系），價(jià)格便宜，體積相對(duì)較小，頻率響應(yīng)快。缺點(diǎn)是電磁干擾嚴(yán)重，電感線圈感應(yīng)的信號(hào)很小需要相應(yīng)的放大電路將信號(hào)放大，故傳感器電路較復(fù)雜。在本次設(shè)計(jì)的跑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)綜合考慮，在本項(xiàng)目中采用紅外光電傳感器作為信息采集元件。光電檢測(cè)方案：1.光電傳感器的選擇 對(duì)于智能車(chē)尋跡來(lái)說(shuō)，路徑檢測(cè)的成敗歸功于光電傳感

17、器的選擇與使用。目前，用于光電檢測(cè)的傳感器主要有可見(jiàn)光管、反射式紅外光電管、激光管等。可見(jiàn)光管抗干擾能力差，容易受到外界光線影響，因此不能被用做路徑檢測(cè)。反射式紅外光電管抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)自然光和燈光變化的反應(yīng)較小，并且電路也比較簡(jiǎn)單。激光管的抗干擾能力強(qiáng)，由于光線聚集故射程較遠(yuǎn)，但價(jià)格較紅外光電管貴并且電路也較復(fù)雜。綜合考慮，最后決定選擇反射式紅外光電管作為檢測(cè)器件。2.驅(qū)動(dòng)方式的選擇反射式紅外光電管一般有直流驅(qū)動(dòng)和光電驅(qū)動(dòng)兩種不同的驅(qū)動(dòng)方式。其中，直流驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，但對(duì)外界光線的反應(yīng)相對(duì)較大，不過(guò)通過(guò)在光電管上加套熱縮管以及軟件處理可以極大降低這種影響；光電驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是光電管具有更高

18、的功率，探測(cè)距離相對(duì)較遠(yuǎn)，抗干擾能力也較強(qiáng)，不過(guò)電路復(fù)雜且難于控制。因此，我們采用了直流驅(qū)動(dòng)的方式，并利用相應(yīng)措施降低了外界光線的影響。3.光電管排布方式的選擇方案一：15對(duì)光電管均勻分布于一排。由于跑道的寬度小于25cm，故光電管陣列之間不需要排的太開(kāi)。因此我們選擇光電管對(duì)的間隔為15mm，所以15對(duì)光電管排布下來(lái)的寬度只有大概21cm，符合規(guī)則要求。運(yùn)用15對(duì)光電管的好處就是采集的跑道信息精度較高，信息比較連續(xù)，因此賽車(chē)跑起來(lái)不會(huì)出現(xiàn)明顯的“抖”的現(xiàn)象；但是使用單排光電管陣列的前瞻性比較差，使得賽車(chē)不能進(jìn)行比較提前的判斷和控制，因此限制了智能車(chē)的速度，同時(shí)所有的傳感器做成一排做出來(lái)的輔助板

19、過(guò)大，不宜固定。方案二：15對(duì)光電管均勻分布于兩排。將7對(duì)光電管均勻分布的陣列放在近排，8對(duì)光電管對(duì)均勻分布的陣列放在遠(yuǎn)排。近排的光電管陣列就架設(shè)在車(chē)的前端30-40mm；而遠(yuǎn)排的則架的較高并且伸出90-110 mm。在這樣的光電管陣列下，賽車(chē)的前瞻性得到了很好的提高，速度比單排光電陣列情況下高了較多。但是由于光電采集的精度不夠，賽車(chē)即使在直線上行駛的時(shí)候，也容易出現(xiàn)“抖動(dòng)”的現(xiàn)象，通過(guò)調(diào)整舵機(jī)控制的參數(shù)，使得賽車(chē)“抖動(dòng)”的程度明顯減少，而且速度也有一定的保證。綜合考慮了以上兩種方案并通過(guò)觀察試驗(yàn)效果，我們選擇了方案二中的光電管陣列排布。效果如圖1-2所示。圖1-2 雙排光電管陣列效果圖1.2

20、.3控制算法設(shè)計(jì)方案方案一：比例控制這種控制方法就是在檢測(cè)到車(chē)體偏離的信息時(shí)給小車(chē)一個(gè)預(yù)置的反向偏移量，讓其回到跑道。比例算法簡(jiǎn)單有效，參數(shù)容易調(diào)整，算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需復(fù)雜的數(shù)字計(jì)算。在實(shí)際應(yīng)用中，由于傳感器的個(gè)數(shù)與布局的限制，其控制量的輸出是一個(gè)離散值，不能對(duì)舵機(jī)進(jìn)行精確的控制，容易引起舵機(jī)左右搖擺，造成小車(chē)行使過(guò)程中的振蕩，而且其收斂速度也有限。 方案二：PD控制PD控制在比例控制的基礎(chǔ)上加入了微分控制，可以抑制振蕩，加快收斂速度，調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膮?shù)可以有效地解決方案一的不足。不過(guò)，P、D兩個(gè)參數(shù)的設(shè)定較難，需要不斷進(jìn)行調(diào)試，憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)定，因此其適應(yīng)性較差。方案三：PID控制PID控制在PD控

21、制的基礎(chǔ)上加入了積分分控制，在階躍信號(hào)的作用下，首先產(chǎn)生的是比例-微分作用，使調(diào)節(jié)作用加強(qiáng)，直到最后達(dá)到消除靜養(yǎng)的效果。因此PID調(diào)節(jié)從動(dòng)態(tài)，靜態(tài)都有所改善。當(dāng)然 P、I、D三個(gè)參數(shù)的設(shè)定更難，也需要不斷進(jìn)行調(diào)試，憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)定，因此其適應(yīng)性不好 ，但是可以使被小車(chē)更穩(wěn)定的行駛。由于跑道模型與相關(guān)參數(shù)已給定，即小車(chē)運(yùn)行的環(huán)境基本上已經(jīng)確定，可通過(guò)不斷調(diào)試來(lái)獲得最優(yōu)的參數(shù)。因此我們選用的是PID算法來(lái)對(duì)舵機(jī)和速度進(jìn)行控制。第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在小車(chē)行駛過(guò)程中，判斷小車(chē)制作的成功與否是根據(jù)小車(chē)運(yùn)行的速度與小車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性，而車(chē)輛的機(jī)械結(jié)構(gòu)無(wú)疑是影響速度的一個(gè)關(guān)鍵因素。鑒于這個(gè)原因，在后續(xù)的工

22、作中對(duì)小車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面做了一些改進(jìn)。2.1前輪傾角的調(diào)整調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，在車(chē)模過(guò)彎時(shí)，轉(zhuǎn)向舵機(jī)的負(fù)載會(huì)因?yàn)檐?chē)輪轉(zhuǎn)向角度增大而增大。為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機(jī)負(fù)載，對(duì)前輪的安裝角度，即前輪定位進(jìn)行調(diào)整。前輪定位的作用是保障汽車(chē)直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。前輪是轉(zhuǎn)向輪，它的安裝位置由主銷(xiāo)內(nèi)傾、主銷(xiāo)后傾、前輪外傾和前輪前束等4 個(gè)項(xiàng)目決定，反映了轉(zhuǎn)向輪、主銷(xiāo)和前軸等三者在車(chē)架上的位置關(guān)系。主銷(xiāo)后傾是指主銷(xiāo)裝在前軸，上端略向后傾斜的角度。它使車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的離心力所形成的力矩方向與車(chē)輪偏轉(zhuǎn)方向相反，迫使車(chē)輪偏轉(zhuǎn)后自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的中間位置上。由此，主銷(xiāo)后傾角越大，車(chē)速越高，前輪穩(wěn)定性也愈好。主

23、銷(xiāo)內(nèi)傾和主銷(xiāo)后傾都有使汽車(chē)轉(zhuǎn)向自動(dòng)回正，保持直線行駛的功能。不同之處是主銷(xiāo)內(nèi)傾的回正與車(chē)速無(wú)關(guān)，主銷(xiāo)后傾的回正與車(chē)速有關(guān)，因此高速時(shí)后傾的回正作用大，低速時(shí)內(nèi)傾的回正作用大。前輪外傾角對(duì)汽車(chē)的轉(zhuǎn)彎性能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安全性和轉(zhuǎn)向操縱的輕便性。前輪外傾角俗稱(chēng)“外八字”，如果車(chē)輪垂直地面一旦滿載就易產(chǎn)生變形，可能引起車(chē)輪上部向內(nèi)傾側(cè)，導(dǎo)致車(chē)輪聯(lián)接件損壞。所以事先將車(chē)輪校偏一個(gè)外八字角度，這個(gè)角度約在1°左右。所謂前束是指兩輪之間的后距離數(shù)值與前距離數(shù)值之差，也指前輪中心線與縱向中心線的夾角。前輪前束的作用是保證汽車(chē)的行駛性能，減少輪胎的磨損。前輪在滾動(dòng)時(shí)，其慣性力會(huì)自

24、然將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動(dòng)時(shí)的偏斜方向就會(huì)抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象會(huì)減少。2.2齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整電機(jī)軸與后輪軸之間的傳動(dòng)比為 9：38（電機(jī)軸齒輪齒數(shù)為18，后輪軸傳動(dòng)輪齒數(shù)為76）。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)車(chē)模的驅(qū)動(dòng)能力有很大的影響。齒輪傳動(dòng)-部分安裝位置的不恰當(dāng)，會(huì)大大增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪的負(fù)載，從而影響到最終成績(jī)。調(diào)整的原則是：兩傳動(dòng)齒輪軸保持平行, 齒輪間的配合間隙要合適，過(guò)松容易打壞齒輪，過(guò)緊又會(huì)增加傳動(dòng)阻力，白白浪費(fèi)動(dòng)力;傳動(dòng)部分要輕松、順暢，容易轉(zhuǎn)動(dòng)，不能有卡住或遲滯現(xiàn)象.判斷齒輪傳動(dòng)是否調(diào)整好的一個(gè)依據(jù)是,聽(tīng)一下電機(jī)帶動(dòng)后輪空轉(zhuǎn)時(shí)的聲音。聲音刺耳響亮，說(shuō)明齒輪間的配合間隙過(guò)大

25、，傳動(dòng)中有撞齒現(xiàn)象；聲音悶而且有遲滯，則說(shuō)明齒輪間的配合間隙過(guò)小，或者兩齒輪軸不平行，電機(jī)負(fù)載加大。調(diào)整好的齒輪傳動(dòng)噪音小，并且不會(huì)有碰撞類(lèi)的雜音。2.3后輪差速機(jī)構(gòu)調(diào)整差速機(jī)構(gòu)的作用是在車(chē)模轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，降低后輪與地面之間的滑動(dòng)；并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會(huì)損害到電機(jī)。當(dāng)車(chē)輛在正常的過(guò)彎行進(jìn)中 (假設(shè)：無(wú)轉(zhuǎn)向不足亦無(wú)轉(zhuǎn)向過(guò)度)，此時(shí)4 個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速(輪速)皆不相同，依序?yàn)椋和鈧?cè)前輪外側(cè)后輪內(nèi)側(cè)前輪內(nèi)側(cè)后輪。此次所使用車(chē)模配備的是后輪差速機(jī)構(gòu)。差速器的特性是：阻力越大的一側(cè)，驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速越低；而阻力越小的一側(cè)，驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速越高以此次使用的后輪差速器為例，在過(guò)彎時(shí)，因外側(cè)前輪輪胎所遇的

26、阻力較小，輪速便較高；而內(nèi)側(cè)前輪輪胎所遇的阻力較大，輪速便較低。差速器的調(diào)整中要注意滾珠輪盤(pán)間的間隙，過(guò)松過(guò)緊都會(huì)使差速器性能降低，轉(zhuǎn)彎時(shí)阻力小的車(chē)輪會(huì)打滑，從而影響車(chē)模的過(guò)彎性能。好的差速機(jī)構(gòu)，在電機(jī)不轉(zhuǎn)的情況下，右輪向前轉(zhuǎn)過(guò)的角度與左輪向后轉(zhuǎn)過(guò)的角度之間誤差很小，不會(huì)有遲滯或者過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)情況發(fā)生。2.4紅外傳感器的固定為了獲取更多的前探距離，我們采用傳感器前伸，在規(guī)定的范圍內(nèi)盡可能的獲取更多的前探距離。但是前伸也帶來(lái)了其他問(wèn)題，如車(chē)在行駛過(guò)程中顛簸引起傳感器的晃動(dòng)。為此我們的固定支架采用了擰紋的形式，從硬件上減少外部環(huán)境對(duì)傳感器的影響。除此之外，我們還把紅外管放置與水平成一定傾角，進(jìn)一步增加前

27、探距離。然而并非傾角越大越好，傾角的增大會(huì)導(dǎo)致紅外接收管接收到的光減少，背景與黑線之間的壓差降低，影響路徑的識(shí)別。我們使用55度的傾角配合上一定的高度取得了較好的效果。2.5小車(chē)重心的調(diào)整在智能車(chē)各部分零部件大體完成的時(shí)候，我們通過(guò)移動(dòng)車(chē)上零部件的位置，對(duì)其重心進(jìn)行了調(diào)整，通過(guò)大量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：不論使重心偏左還是偏右，賽車(chē)在彎道較多的跑道上都會(huì)出現(xiàn)不同程度的滑移和轉(zhuǎn)向不足。因此，重心應(yīng)當(dāng)盡量處在相對(duì)車(chē)模左右對(duì)稱(chēng)的中心平面內(nèi)。另外，此次車(chē)模為四輪驅(qū)動(dòng)，重心在車(chē)上的分布對(duì)車(chē)的動(dòng)力影響不是很明顯。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)賽車(chē)重心偏后時(shí)，由于前輪上所分配的載荷較輕，使賽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)前輪滑移，造成過(guò)彎時(shí)間變長(zhǎng)。

28、在華東區(qū)的比賽中我們也發(fā)現(xiàn)，此車(chē)模的重心偏高，若不對(duì)其進(jìn)行改造，會(huì)造成過(guò)急彎時(shí)車(chē)輪離地，對(duì)抓地力造成很大影響，從而使車(chē)模過(guò)彎時(shí)間變長(zhǎng)。綜上考慮，根據(jù)賽車(chē)的實(shí)際情況調(diào)整車(chē)體重心，使其處于中心偏前優(yōu)化其轉(zhuǎn)向能力，使底盤(pán)離地 1.3cm 左右優(yōu)化其過(guò)彎能力。2.6齒輪嚙合間隙的調(diào)整車(chē)模電機(jī)傳動(dòng)軸和賽車(chē)分動(dòng)器之間采用齒輪嚙合傳動(dòng)，另外，光學(xué)編碼器和分動(dòng)器齒輪之間同樣采用齒輪嚙合，前后差速器中也存在多個(gè)齒輪副。齒輪嚙合性能的好壞，直接影響電機(jī)的驅(qū)動(dòng)效率。嚙合齒輪的輪軸不平行，將直接導(dǎo)致齒輪間嚙合平穩(wěn)性不足，傳動(dòng)效率低，影響賽車(chē)速度的提升。嚙合齒輪間隙過(guò)大，將導(dǎo)致打齒輪，過(guò)小則將導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)阻力增加，兩者

29、都不利于提高賽車(chē)的驅(qū)動(dòng)性能。因此，對(duì)于嚙合的齒輪，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)整齒輪間隙和齒輪軸間的平行度，使齒輪嚙合順暢，噪聲小。按照第四屆部分報(bào)告中提到的思想，以放在平地上行駛時(shí)的聲音作為判斷齒輪嚙合情況最為合適。對(duì)差速器，考慮到其性能對(duì)車(chē)輪運(yùn)動(dòng)有較大的影響，我們采用多個(gè)車(chē)模進(jìn)行測(cè)試的方法，挑選出其中較好的差速器，并使用差速器油進(jìn)行潤(rùn)滑，以獲得較好的性能。第三章 硬件電路的設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)硬件概述系統(tǒng)硬件框架圖如圖3-1所示： 圖3-1 系統(tǒng)硬件框架圖控制核心是飛思卡爾公司推出的MC9S12 D系列的增強(qiáng)型16位64個(gè)管腳單片機(jī)MC9S12XS128這款芯片，片內(nèi)資源豐富，包括PWM模塊可設(shè)置成8路8位或者拼

30、接成4路16位,2個(gè)10位8通道A/D轉(zhuǎn)換器，8通道輸入捕捉/輸出比較定時(shí)器，2 個(gè)異步串行通信接口 SCI,1個(gè)同步串行通信接口SPI,1個(gè)1 Mb/s的CAN總線模塊，兼容CAN2.0 A/B等等。利用片內(nèi)資源結(jié)合具體模塊的功能要求具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線如下：（1)電源管理：核心板最小系統(tǒng)供電、傳感器供電、舵機(jī)供電和直流電機(jī)供電。要求：（a) 低壓差，實(shí)現(xiàn)6.5V7.2V 電池到5V轉(zhuǎn)換；（b)可提供足夠電流輸出，驅(qū)動(dòng)發(fā)射光電管，并考慮一定的安全余量；（c) 考慮芯片散熱的問(wèn)題，提供熱關(guān)斷、短路保護(hù)和安全操作保護(hù)等功能。（2)舵機(jī)控制：模塊化模型舵機(jī)利用信號(hào)輸入端的占空比不同調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)角，可以通過(guò)單

31、片機(jī)芯片內(nèi)置PWM模塊配合編程實(shí)現(xiàn)。（3)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)：采用PWM 驅(qū)動(dòng)。要求：（a) 開(kāi)斷電流能力強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)功率大，質(zhì)量可靠；（b) 具有過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)、熱關(guān)斷的能力，各種功能使用方便。結(jié)合集成功率芯片選擇要求和直流電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，選用大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 ZNCD-10433.2電源模塊的設(shè)計(jì)電源是一個(gè)智能車(chē)系統(tǒng)得以運(yùn)行的關(guān)鍵及動(dòng)力所在。根據(jù)“硬件設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)”的原則，需要完善電源設(shè)計(jì)方案。整個(gè)智能車(chē)的電源是由一塊7.2V 2000mAh Ni-cd蓄電池提供，為了使智能車(chē)系統(tǒng)各部件能正常的工作，故需對(duì)7.2V 2000mAh Ni-cd蓄電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。其中，中央控制系統(tǒng)（最小系統(tǒng)）、路徑識(shí)

32、別的光電傳感器和接收器電路、需要5V電壓，伺服電機(jī)工作電壓范圍4.8V到6V根據(jù)多次調(diào)試決定使用5V電源給供電，直流電機(jī)可以使用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄電池直接供電。 電源供電部分關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，由于采用的是鎳鎘電池供電，內(nèi)阻比較大，電機(jī)啟動(dòng)或者突然加速的瞬間，電池輸出的電流很大，電池兩端電壓突然會(huì)降低。為了保證單片機(jī)和其他模塊工作正常，所以在對(duì)電源供電的設(shè)計(jì)方面，要求電路工作效率高，輸出電壓穩(wěn)定。而且隨著車(chē)子在跑道上跑，隨著電池電量的消耗，電池兩端的電壓也會(huì)慢慢降低，這就要求穩(wěn)壓芯片的選取要工作壓差小。本系統(tǒng)所需電壓有5V、7.2V，其中7.2V部分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓，

33、可由電池直接提供；5V部分為路徑識(shí)別模塊，舵機(jī)控制模塊，串口通信模塊，單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊等。系統(tǒng)電源供電分配如圖3-2所示：圖3-2 系統(tǒng)電源供電分配框圖5V電源是整個(gè)智能車(chē)系統(tǒng)電源模塊中電流需求最大的一個(gè)部分。要求大電流、低壓差、低噪聲等特性。在此將根據(jù)各種不同穩(wěn)壓芯片的特性選款符合此智能小車(chē)各個(gè)模塊的工作要求。根據(jù)不同的工作原理可將電源分成兩類(lèi)：線性穩(wěn)壓電源、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。3.2.1 LM2940供電電路LM2940是一個(gè)輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器；輸出電壓5V；輸出電流1A；輸出電流1A時(shí)，最小輸入輸出電壓差小于0.5V；最大輸入電壓26V；工作溫度-40+125；內(nèi)含靜態(tài)電流降低電

34、路、電流限制、過(guò)熱保護(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路等功能。其封裝形式有標(biāo)準(zhǔn)的3腳直插TO-220與3腳表貼封裝SOT-223兩種。由于穩(wěn)壓芯片LM2940是屬于LDO(低壓差)線性穩(wěn)壓器，即使電池電壓下降到5.5V也可以輸出穩(wěn)定的5V電壓供給單片機(jī)保證單片機(jī)能正常的工作，使智能車(chē)能正常的行駛，同時(shí)LM2940輸出的電壓紋波也很小，這樣干擾也大大減小，能減少單片機(jī)沒(méi)必要的復(fù)位，符合單片機(jī)的供電要求。同時(shí)由于LM2940也能輸出高達(dá)1A左右的電流，故讓此電源同時(shí)給串口通信模塊，測(cè)速測(cè)量模塊等其他模塊給予供電，達(dá)到電源的充分利用。LM2940供電電路如圖3-3所示： 圖3-3 LM2940供電電路3.

35、2.2 LM2596供電電路LM2596開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A 的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。固定輸出版本有3.3V、5V、12V，可調(diào)版本可以輸出 1.2V37V 之間的各種電壓。該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開(kāi)關(guān)頻率為 150KHz，與低頻開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需4個(gè)外接元件，可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，這更優(yōu)化了LM2596 的使用，極大地簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)。其封裝形式包括標(biāo)準(zhǔn)的5腳TO-220 封裝（DIP）和5腳TO-263表貼封裝 （SMD）。該器件還有其他一些特點(diǎn)：在特定的輸入電壓和

36、輸出負(fù)載的條件下，輸出 電壓的誤差可以保證在±4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在±15%的范圍內(nèi)；可以用僅80 A的待機(jī)電流， 實(shí)現(xiàn)外部斷電；具有自我保護(hù)電路（一個(gè)兩級(jí)降頻限流保護(hù)和一個(gè)在異常情況下斷電的過(guò)溫完全保護(hù)電路）。特點(diǎn)：Ø3.3V、5V、12V 的固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出Ø可調(diào)輸出電壓范圍 1.2V37V±4%Ø輸出線性好且負(fù)載可調(diào)節(jié)Ø輸出電流可高達(dá) 3AØ輸入電壓可高達(dá) 40VØ采用150KHz的內(nèi)部振蕩頻率，屬于第二代開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，功耗小 低功耗待機(jī)模式，IQ的典型值為80 AØTT

37、L 斷電能力Ø具有過(guò)熱保護(hù)和限流保護(hù)功能Ø封裝形式：TO-220（T）和TO-263（S）Ø外圍電路簡(jiǎn)單，僅需4個(gè)外接元件，且使用容易購(gòu)買(mǎi)的標(biāo)準(zhǔn)電感應(yīng)用 領(lǐng)域 LM2596供電電路如圖3-4所示： 圖3-4 LM2596供電電路由于兩排15對(duì)光電傳感器與舵機(jī)的功耗太大，因此電源輸出的電流要足夠大才能滿足這些負(fù)載的需求，由于LM2596的輸出電流可達(dá)3A左右，通過(guò)大概計(jì)算符合我們的設(shè)計(jì)要求，故我們選用LM2596。上圖為L(zhǎng)M2596輸出的5V電源給舵機(jī)供電的截圖。3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊本設(shè)計(jì)采用大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 ZNCD-1043對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。3.3.1模塊介紹ZN

38、CD-1043大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板專(zhuān)為小型大功率直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，具有內(nèi)阻低，驅(qū)動(dòng)電流大，和發(fā)熱極低等特點(diǎn)，H橋電路，可使電機(jī)四象限運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)電壓范圍為5.5-25V，能明顯提高電動(dòng)機(jī)的加速和制動(dòng)效果。它內(nèi)部同MC33886一樣具備各種保護(hù)措施，該模塊在驅(qū)動(dòng)芯片與信號(hào)輸入端之間加裝了隔離電路，可有效保護(hù)單片機(jī)。如表3-1所示，以下為ZNCD-1043的具體參數(shù)。 表3-1 ZNCD-1043電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊具體參數(shù)通態(tài)內(nèi)阻16 毫歐驅(qū)動(dòng)電流0-43 安培工作電壓5.5-25V工作頻率0-25Khz驅(qū)動(dòng)類(lèi)型MOSFET板卡尺寸5.5*3.3cm3.3.2使用說(shuō)明(1)引腳說(shuō)明 （a）ZNCD-1043

39、的功率接口如圖3-5所示：圖3-5 ZNCD-1043的功率接口其中電源正接 DCIN，電源負(fù)接 GND，電源電壓不得超過(guò) 10V；電機(jī)兩端接 OUT1 和 OUT2，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與 PWM 輸入相對(duì)應(yīng)，該模塊在 OUT1，OUT2 安裝有諧波吸收電容。（b）ZNCD-1043 的信號(hào)接口如圖3-6所示：圖3-6 ZNCD-1043的信號(hào)接口其中IN1,IN2 為 PWM 信號(hào)輸入端，IN1 對(duì)應(yīng) OUT1,IN2 對(duì)應(yīng) OUT2；+5V 和 GND 之間要加 5V 電源以給板上隔離電路供電。EE1,EE2 為模塊過(guò)流或短路報(bào)錯(cuò)輸出信號(hào)，可不接。上圖左側(cè) EN 為使能設(shè)置跳線，將 3.3K 電

40、阻焊至上側(cè)帶圓點(diǎn)處為默認(rèn)使能，焊至下側(cè)則為默認(rèn)不使能，上圖右側(cè) EN 為單片機(jī)控制使能輸入引腳，單片機(jī)輸出高電平則模塊使能，輸出低電平則不能使用。(2)安裝步驟首先用信號(hào)線將模塊信號(hào)輸入端子與 5V 電源與單片機(jī) PWM 輸出引腳接好，其次將電池和電機(jī)接線插入功率接口并用螺絲刀旋緊，注意電池與電池引線線徑要足夠粗以保證大電流順利通過(guò)，最后輸出相應(yīng)PWM 信號(hào)即可驅(qū)動(dòng)電機(jī)。板上有四個(gè) 3mm 標(biāo)準(zhǔn)螺絲孔，可以方便的安裝在平臺(tái)或地盤(pán)上，注意安裝時(shí)保證板背面良好的絕緣性和散熱性。3.4路徑識(shí)別模塊 路徑識(shí)別模塊是智能車(chē)系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識(shí)別方案的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣。我們組選擇的是光

41、電組。傳感器的收發(fā)距離對(duì)于車(chē)子的前瞻性有著直接的影響。參考過(guò)往屆光電組的設(shè)計(jì)報(bào)告，發(fā)覺(jué)大多數(shù)采用的傳感器都是紅外傳感器，說(shuō)明相對(duì)于超聲波傳感器等其他類(lèi)型的傳感器還是有一定優(yōu)勢(shì)的，所以我們重點(diǎn)放在紅外傳感器的設(shè)計(jì)和測(cè)試，選取了不同廠家不同型號(hào)的紅外管來(lái)測(cè)試路徑識(shí)別的性能。對(duì)于紅外對(duì)管的選取和電路設(shè)計(jì)，我們作了幾個(gè)方案論證。方案一：通過(guò)38K載波發(fā)射和一體接收頭接收。優(yōu)點(diǎn)： 發(fā)射距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)；缺點(diǎn)：接收方向范圍過(guò)大（大于135度），不利于對(duì)道路黑線位置檢測(cè)，硬件軟件較復(fù)雜。方案二：一體化發(fā)射/接收管。優(yōu)點(diǎn)：硬件電路簡(jiǎn)單，方便；缺點(diǎn)：可以收發(fā)距離太近。方案三：二極管形式發(fā)射接收管。優(yōu)點(diǎn)：發(fā)射

42、功率大，距離比一體化發(fā)射/接收管稍遠(yuǎn)；缺點(diǎn)：硬件電路稍復(fù)雜。最后經(jīng)過(guò)分析比較，我們決定采用第三種方案。紅外傳感器作為智能車(chē)上的“眼睛”，對(duì)小車(chē)的路徑識(shí)別起了決定性的作用。由于我們?cè)跈C(jī)械設(shè)計(jì)的時(shí)候把紅外傳感器安裝與水平方向有一定傾角，因此我們也必須增大發(fā)射的功率才能使接收管接收到更多發(fā)射回來(lái)的光。下圖為反射式紅外傳感器電路原理圖圖3-7 紅外光電管檢測(cè)電路上圖為紅外光電管檢測(cè)電路主要用來(lái)獲取路徑信息，工作原理是左邊的發(fā)光二極管通電產(chǎn)生光源，根據(jù)跑道黑白顏色的不同，黑色跑道吸收光線，白色跑道反射光線的不同，由于黑色跑道吸收全部的光線，而使右邊的光敏三極管截止，使比較器LM339的同相輸入端為高電平

43、接近5V，通過(guò)比較器LM339使輸出為1告知單片機(jī)MC9S12XS128，智能車(chē)現(xiàn)處在黑色位置上。白色跑道由于光線被反射使光敏三極管導(dǎo)通。從而使LM339同相輸入端為低電平接近零伏，通過(guò)比較器LM339使輸出為0告知單片機(jī)MC9S12XS128，智能車(chē)現(xiàn)處在白色位置上。這樣智能車(chē)就可以時(shí)刻獲取跑道的信息。3.5速度測(cè)量模塊為了實(shí)現(xiàn)小車(chē)的智能化，必須利用傳感器來(lái)采集跑道信息，再把車(chē)模運(yùn)動(dòng)的速度采集給單片機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能調(diào)速，實(shí)現(xiàn)車(chē)模的智能化。以下是測(cè)量速度方案的比較與選擇。方案一：利用霍爾傳感器和磁鋼測(cè)量速度：將霍爾傳感器和磁鋼分別安裝在車(chē)架和車(chē)軸的適當(dāng)位置，小車(chē)行駛時(shí)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，霍爾傳感器產(chǎn)

44、生開(kāi)關(guān)信號(hào)，通過(guò)在單位時(shí)間對(duì)其計(jì)數(shù)可計(jì)算出車(chē)輛行駛的瞬時(shí)速度。優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路較簡(jiǎn)單，成本較低；缺點(diǎn)：對(duì)于磁鋼的安裝工藝要求較高；方案二：采用光電編碼器測(cè)量速度：利用安裝第五個(gè)輪子，通過(guò)第五個(gè)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)光電編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，后輪每轉(zhuǎn)一圈，光電編碼器就會(huì)輸出一定的光電數(shù)，通過(guò)計(jì)算在一定時(shí)間內(nèi)編碼器輸出的光電數(shù)，就可以算出車(chē)子運(yùn)行的速度。優(yōu)點(diǎn)：精度高，安裝簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：成本較高；通過(guò)比較，采用霍爾傳感器測(cè)量速度，磁鋼如果粘的不穩(wěn)的話，車(chē)子速度太快磁鋼容易脫落，整個(gè)速度測(cè)量系統(tǒng)將產(chǎn)生很大誤差。而光電編碼器的測(cè)量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比霍爾傳感器的精度高，而且采用光電編碼器測(cè)量車(chē)子速度，電路簡(jiǎn)單，安裝方便穩(wěn)定，適合車(chē)

45、模的機(jī)械結(jié)構(gòu)，綜合考慮后決定采用光電編碼器來(lái)測(cè)量智能車(chē)的速度。速度傳感器的工作原理：此次設(shè)計(jì)用到的速度傳感器是光電編碼器。它是一種集光、機(jī)、電為一體的數(shù)字化檢測(cè)裝置，它具有分辨率高、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用可靠、易于維護(hù)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。近10幾年來(lái)，發(fā)展為一種成熟的多規(guī)格、高性能的系列工業(yè)化產(chǎn)品，在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀、地面指揮儀、高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。光電編碼器可以定義為：一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，將輸至軸上的機(jī)械、幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，它主要用于速度或位置（角度）的檢測(cè)。典型的光電編碼器由碼盤(pán)（Disk）、檢測(cè)光柵（Mask

46、）、光電轉(zhuǎn)換電路（包括光源、光敏器件、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路）、機(jī)械部件等組成。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)光電編碼器產(chǎn)生脈沖的方式不同，可以分為增量式、絕對(duì)式以及復(fù)合式三大類(lèi)。按編碼器運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)方式來(lái)分，可以分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。由于直線式運(yùn)動(dòng)可以借助機(jī)械連接轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)，反之亦然。因此，只有在那些結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)方式都有利于使用直線式光電編碼器的場(chǎng)合才予使用。旋轉(zhuǎn)式光電編碼器容易做成全封閉型式，易于實(shí)現(xiàn)小型化，傳感長(zhǎng)度較長(zhǎng)，具有較長(zhǎng)的環(huán)境適用能力，因而在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，此次設(shè)計(jì)用到的就是旋轉(zhuǎn)式光電編碼器。也是目前應(yīng)用最多的傳感器。其工作原理是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或

47、數(shù)字量的傳感器。光電編碼器是由光柵和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤(pán)是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤(pán)與被測(cè)對(duì)象同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前被測(cè)對(duì)象的轉(zhuǎn)速。3.6單片機(jī)模塊的設(shè)計(jì) 單片機(jī)模塊主要負(fù)責(zé)道路的識(shí)別、獲取智能車(chē)的速度、輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制信號(hào)和算法的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)串口驅(qū)動(dòng)電路中的RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片，單片機(jī)可以利用異步通信協(xié)議與PC機(jī)通信。RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片可以實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換，然后再通過(guò)9芯串行口與PC進(jìn)行串口通信。單片機(jī)及外圍電路如圖3-8所示：圖3-

48、8 單片機(jī)MC9S12XS128及外圍電路3.7硬件電路部分總結(jié)對(duì)于硬件電路部分，一定要做的足夠穩(wěn)定，這對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性占著至關(guān)重要的位置。而整個(gè)電路中，電源電路更加重要，特別是為單片機(jī)供電，一定要穩(wěn)定。不讓?zhuān)?dāng)電機(jī)啟動(dòng)的瞬間，或者舵機(jī)打角的時(shí)候，電機(jī)和舵機(jī)拉去很大的電流，這樣會(huì)使電池電壓瞬時(shí)拉到一個(gè)低電壓狀態(tài)，很可能會(huì)造成單片機(jī)供電不穩(wěn)，而使單片機(jī)復(fù)位。對(duì)于提高電源穩(wěn)定性，并上幾個(gè)電容當(dāng)然是好的，但是電容的最大電容量有限制。在整個(gè)主板上，既有數(shù)字部分，又有模擬部分，所以，系統(tǒng)的穩(wěn)定性與主板的電路布局布線也有很大關(guān)系。為提高整板的穩(wěn)定性，自己設(shè)計(jì)電路，繪制 PCB 版圖，然后通過(guò)三氯化鐵腐

49、蝕成板。在整個(gè)電路板的制作過(guò)程中，我們是先從總體上考慮電路布局，電路實(shí)現(xiàn)的功能，電路總體性能，然后再分模塊繪圖制作，最后通過(guò)排針排母，排線或者杜邦線連接在一起，整體構(gòu)架穩(wěn)定。第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)的基本原則是，首先考慮小車(chē)的穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上，盡量提高小車(chē)的速度。智能小車(chē)的控制軟件采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)上看，系統(tǒng)程序主要包括一個(gè)主體循環(huán)程序，增量式PID速度控制程序，中斷服務(wù)程序，循線控制算法程序，速度控制算法程序以及其他一些控制程序。作為此次設(shè)計(jì)所用到的處理器MC9S12XS128采用S12X V2 CPU內(nèi)核，可運(yùn)行在40MHz總線頻率上，帶有錯(cuò)誤校正功能（ECC）的、4KB至

50、8KB DataFlash，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或程序存儲(chǔ)，可配置8、10或12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），轉(zhuǎn)換時(shí)間為3s，支持控制區(qū)域網(wǎng)（CAN）、本地互聯(lián)網(wǎng)（LIN）和串行外設(shè)接口（SPI）協(xié)議模塊，帶有16位計(jì)數(shù)器、8通道定時(shí)器。這些卓越的性能，完全足夠滿足此次設(shè)計(jì)的要求。在本次制作中用到MC9S12XS128單片機(jī)硬件資源如表4-1所示。表4-1 控制模塊說(shuō)明程序?qū)崿F(xiàn)的功能使用的模塊電機(jī)轉(zhuǎn)速控制PWM模塊舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制PWM模塊PID反饋光電計(jì)數(shù)定時(shí)器模塊，光電累加器人機(jī)交互SCI模塊光電傳感器信號(hào)處理普通I/O端口4.1智能車(chē)控制算法監(jiān)測(cè)平臺(tái)智能車(chē)的控制系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，人的思維很難想象車(chē)在

51、行進(jìn)過(guò)程中所處的狀態(tài)，因此針對(duì)某個(gè)控制算法，如果在測(cè)試中出現(xiàn)問(wèn)題，很難確定具體出在哪個(gè)環(huán)節(jié)。這樣，一個(gè)可以時(shí)時(shí)反映智能車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)就顯得非常必要了。監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以將智能車(chē)的采集信息，控制算法計(jì)算得到的控制信息以及其他調(diào)試時(shí)的有用信息發(fā)送到PC端，用于觀察、記錄，以便反復(fù)分析、改進(jìn)。監(jiān)測(cè)平臺(tái)工作流程如下：智能車(chē)采集信息、控制信息àRS232àPC端數(shù)據(jù)處理軟件4.2主程序流程圖本智能車(chē)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序的主流程是：先完成單片機(jī)初始化（包括I/O模塊、PWM模塊、計(jì)時(shí)器模塊、定時(shí)中斷模塊初始化）之后，通過(guò)無(wú)限循環(huán)語(yǔ)句不斷地重復(fù)執(zhí)行路徑檢測(cè)程序、數(shù)據(jù)處理程序、控制算法程序

52、、舵機(jī)輸出及驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出程序。其中，定時(shí)中斷用于檢測(cè)小車(chē)當(dāng)前速度，作為小車(chē)速度閉環(huán)控制的反饋信號(hào)。 主程序流程圖如圖4-1所示。 圖 4-1 小車(chē)主程序流程圖4.3系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)為了體現(xiàn)程序的系統(tǒng)性和連貫性，智能小車(chē)的控制軟件采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)。各個(gè)模塊有相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，方便其它模塊調(diào)用，這樣，系統(tǒng)條理顯得清晰。主要包括：系統(tǒng)初始化模塊、路徑數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、起跑線識(shí)別模塊，再有，為了系統(tǒng)調(diào)試方便，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了串口調(diào)試模塊等。4.3.1時(shí)鐘初始化單片機(jī)的晶振是16MHz，MC9S12XS128在時(shí)鐘初始化后可以通過(guò)鎖相環(huán)將系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行倍頻，可以提高單片機(jī)的工作頻率，從而

53、提高單片機(jī)的運(yùn)行速度。在安全允許范圍內(nèi)，我們使用鎖相環(huán)超可倍頻到48MHZ。這里就用到了一些寄存器中的某些位，倍頻公式如下： （4-1）其中，OSCCLK_VALUE系統(tǒng)的外部晶振；REFDV_VALUE系統(tǒng)時(shí)鐘分頻系數(shù)SYNR_VALUE倍頻系數(shù)SYNR=SYNR_VALUE，REFDV=REFDV_VALUE，SYNR、REFDV就是寄存器中的對(duì)應(yīng)位。void CLK_init(void) /鎖相環(huán)24M SYNR=2; REFDV=1; /PLL=2*OSC*(SYNR+1)/(REFDV+1) while(!(CRGFLG & 0x08) /等待鎖相環(huán)穩(wěn)定 CLKSEL=CLK

54、SEL_PLLSEL; /設(shè)置總線時(shí)鐘為PLL/24.3.2串口初始化可以看到，不論8位、16位還是32位單片機(jī)的最小系統(tǒng)都是通過(guò)異步串行口與人溝通的。使用串行通信接口SCI(Serial Communication Interface)通信是計(jì)算機(jī)與人對(duì)話最傳統(tǒng)、最基本的方法，異步通信接口也成為通用異步接受器/發(fā)送器UART(Universal Asynchronous Receiver/Tansmitter)。為了便于調(diào)試，本系統(tǒng)利用串口通信接口SCI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。串口部分程序主要是初始化各寄存器，其中包括設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)格式、接受發(fā)送功能使能、設(shè)置接受模式等。以下是與串口有關(guān)的幾個(gè)初始

55、化函數(shù):/*串口初始化*/void SCIinit(void)SCI1BD=208; /32M總線 波特率9600SCI1CR1=0;SCI1CR2=0x2C; /只允許接收中斷/*讀串口*/unsigned char Sci1Read()unsigned char redata;while(SCI1SR1_RDRF!=1);redata=SCI1DRL;return redata;/*寫(xiě)串口*/void Sci1Write(unsigned char chSend)while(SCI1SR1_TC!=1);while(SCI1SR1_TDRE!=1);SCI1DRL=chSend; 4.3.3 PWM初始化PWM(Pulse Width Modulation)即脈寬調(diào)制，脈寬調(diào)制波是一種可用程序來(lái)控制波形占空比、周期