基于光電傳感器尋跡智能車(chē)的研究

1、 . . . 基于光電傳感器尋跡智能車(chē)的研究摘 要隨著近年來(lái)，智能化交通工具被廣泛使用，智能汽車(chē)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，將從根本上改變現(xiàn)有汽車(chē)的信息采集處理、數(shù)據(jù)交換、行車(chē)導(dǎo)航與定位、車(chē)輛控制的技術(shù)方案與體系結(jié)構(gòu)。本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于Freescale公司HCS12單片機(jī)系列設(shè)計(jì)的無(wú)人控制式智能車(chē)系統(tǒng)模型，主要論述了采用MC9SXS128單片機(jī)控制，通過(guò)光電效應(yīng)識(shí)別有黑色引導(dǎo)線(xiàn)，白色路徑的道路方案，能夠過(guò)最小曲率半徑50厘米的小彎，同時(shí)采取減速策略，同時(shí)在過(guò)波浪彎的情況下，使車(chē)盡可能的穩(wěn)定，智能識(shí)別十字交叉黑線(xiàn)，在直道上采用加速策略。全文由制作智能車(chē)的背景概述、硬件電路的設(shè)計(jì)、機(jī)械的調(diào)整、軟件的設(shè)計(jì)

2、四部分組成。介紹了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)背景、單片機(jī)技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)；綜合論述了系統(tǒng)的要求和功能設(shè)計(jì)，并給出了系統(tǒng)整體構(gòu)架；對(duì)主要硬件電路系統(tǒng)進(jìn)行了電路原理圖的設(shè)計(jì)，通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)連接單片機(jī)系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行指令控制，并設(shè)計(jì)軟件的流程框圖，用C語(yǔ)言編程。并論述了傳感器在當(dāng)今智能系統(tǒng)中所承擔(dān)的重要地位。系統(tǒng)的制作過(guò)程中主要利用MC9SXS128的強(qiáng)大功能，如多級(jí)中斷，計(jì)數(shù)器實(shí)用，多通道PWM調(diào)制，鎖相環(huán)超頻工作燈功能。該設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用性與前瞻性，基于目前社會(huì)對(duì)于智能化的迫切需求，家用汽車(chē)將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)也將越來(lái)越趨向智能化，無(wú)人駕駛將會(huì)不再是夢(mèng)想。關(guān)鍵字：智能車(chē)；MC9SXS128；光電檢測(cè)；路徑識(shí)別；PWM調(diào)

3、制；C語(yǔ)言編程The Resarch Based On Photoelectric Sensor Of Tracking Intelligent CarABSTRACTFrom the beginning of these year, intelligent transportation is widely used, the design and development of intelligent vehicle will fundamentally change the existing the technology solutions and system structure of c

4、ar from information collection processing, data exchange, traffic navigation and positioning, vehicle control .This thesis put forword and design a microcontroller of unmanned intelligent vehicle system model based on Freescale company HCS12 family design , mainly discusses the intelligent car which

5、 takes control of MC9SXS128 MCU control through the photoelectric identification of road system of the black guide lines and the white path. The intelligent car can make a least curvature of minimumcurvature radius of 50 cm while taking the slow strategy which can make the car as steadily as possibl

6、e.It also take the intelligent identification of crossed black lines and make accelerated strategy on the straight path.The whole passage have four partsan background of intelligent vehicle,the hardware circuit design, the mechanical adjustment and software design. The thesis introduces the backgrou

7、nd of the system development,microcontroller technology,photoelectric detection,mainly discussing the system requirements and functional design,also giving the overall system architecture. The design includes the circuit design of main hardware circuit system and through the cablesystem via MCU syst

8、em it take control of the car by orders based on the block diagram design software with C language programming. The thesis discusses the important positon of intelligent sensor systems today.The producion process of system mainly uses MC9SXS128 powerful function, such as multi-level interrupts, coun

9、ters and practical, multi-channel PWM modulation, phase-locked loop overclocking features working lights.The program has some of the practical and forward-looking, intelligent, it is based on the current urgent need for intelligent. And I will surely believe in the near future family car will become

10、 more and more intelligent, unmanned vehicle will be no longer a dream.Key words: intelligent car ; MC9SXS128;photoelectric detecting;tracking; PWM control; programming by C第1章 綜 述汽車(chē)工業(yè)發(fā)展已有100多年的歷史。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，智能控制理論與技術(shù)在交通運(yùn)輸工程中越來(lái)越多地被應(yīng)用，在這一背景下，智能汽車(chē)的概念應(yīng)運(yùn)而生。所謂智能汽車(chē)，就是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用信息技術(shù)和智能控制技術(shù)武裝的汽車(chē)。智能汽車(chē)是一種高新技術(shù)密集

11、的新型汽車(chē)，研究人員正從智能汽車(chē)的信息系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與智能結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面進(jìn)行研究。智能汽車(chē)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，將從根本上改變現(xiàn)有汽車(chē)的信息采集處理、數(shù)據(jù)交換、行車(chē)導(dǎo)航與定位、車(chē)輛控制的技術(shù)方案與體系結(jié)構(gòu)。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈程度的日益加劇和智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究的興起，國(guó)際上對(duì)于智能汽車(chē)與其相關(guān)技術(shù)的研究成為熱門(mén)，一批有實(shí)力、有遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)的汽車(chē)行業(yè)大公司、研究院所和高等院校也正在展開(kāi)智能汽車(chē)的研究。國(guó)外業(yè)界和學(xué)術(shù)界形成了共識(shí)，即現(xiàn)代汽車(chē)行業(yè)的新一輪競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)將是設(shè)計(jì)微電子技術(shù)、智能自動(dòng)化技術(shù)、通信技術(shù)等新技術(shù)領(lǐng)域的智能汽車(chē)的研究與開(kāi)發(fā)。1.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)背景1.1.1智能車(chē)設(shè)

12、計(jì)的意義21世紀(jì)的汽車(chē)概念將發(fā)生根本性的變化。現(xiàn)在的“汽車(chē)”是帶有一些電子控制的機(jī)械裝置，將來(lái)的“汽車(chē)”將轉(zhuǎn)變?yōu)閹в幸恍┹o助機(jī)械的機(jī)電一體化裝置，汽車(chē)的主要部分不再僅僅是個(gè)機(jī)械裝置，它正向消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)移。據(jù)HP公司統(tǒng)計(jì)，目前世界平均每輛汽車(chē)在電子方面的投資約為1200美元，而且正在以每年15%的速率增加。同時(shí)，智能汽車(chē)在傳統(tǒng)汽車(chē)上配備了遠(yuǎn)程信息處理器、傳感器和接收器，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)獲取前方交通狀況。引導(dǎo)汽車(chē)加速或減速。這樣，汽車(chē)就能更為平穩(wěn)地行駛，避免不斷剎車(chē)、啟動(dòng)的動(dòng)作，以降低油耗。隨著汽車(chē)電子控制技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)的汽車(chē)工業(yè)將面臨著巨大的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)，開(kāi)展智能汽車(chē)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)工作具有

13、重要意義。1.1.2 智能車(chē)開(kāi)發(fā)熱潮智能汽車(chē)是一種高新技術(shù)密集型的新型汽車(chē)，是今后的主流汽車(chē)產(chǎn)品。而研究智能汽車(chē)所必需的理論與技術(shù)支持條件大部分已經(jīng)基本具備。正是基于這一點(diǎn)，國(guó)家上正在形成智能汽車(chē)研究、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、競(jìng)賽的熱潮。美國(guó)是世界上對(duì)智能汽車(chē)最為關(guān)注的國(guó)家。美國(guó)交通部已開(kāi)始一項(xiàng)五年計(jì)劃，投入3500萬(wàn)美元，與通用汽車(chē)公司合作開(kāi)發(fā)一種前后防撞系統(tǒng)。同時(shí)，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)和加州大學(xué)以與其他一些研究機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行全自動(dòng)車(chē)輛的研制與改進(jìn)工作。CMU大學(xué)的NabLab5實(shí)驗(yàn)智能車(chē)是由Potiac運(yùn)動(dòng)跑車(chē)改裝而成的，裝有便攜式計(jì)算機(jī)、攝像頭、GPS全球定位系統(tǒng)、雷達(dá)和其他輔助設(shè)備。1995年6月，N

14、abLab5進(jìn)行了橫穿美國(guó)的實(shí)驗(yàn)NHAA（No Hands Across America）,從賓州的匹茲堡到加州的圣地亞哥，行程4587Km,其中自主駕駛部分占98.2%。美國(guó)移動(dòng)導(dǎo)航子系統(tǒng)（MNA）能計(jì)算出最佳的行駛路徑，還能不斷地接受現(xiàn)場(chǎng)的最新交通狀況，給出連續(xù)更新的指向，讓車(chē)輛始終沿著最理想的路線(xiàn)向前行駛。此外，美國(guó)還將智能汽車(chē)的研究用于軍事上，美國(guó)國(guó)防部采用無(wú)人車(chē)去執(zhí)行危險(xiǎn)地帶的巡邏任務(wù)，目前正在進(jìn)行第三代軍用智能汽車(chē)的研究，稱(chēng)為Demo III,能滿(mǎn)足有路和無(wú)路條件下的車(chē)輛自動(dòng)駕駛。1.2微控制器簡(jiǎn)介與現(xiàn)狀MCU是Microcontroller Unit的縮寫(xiě)，即微控制器，國(guó)又稱(chēng)單片

15、機(jī)（Single Chip Microcomputer）。在20世紀(jì)70年代末，隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)與發(fā)展，將微型計(jì)算機(jī)的核心部件CPU、RAM、ROM、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成了芯片級(jí)的微型計(jì)算機(jī)。微控制器已廣泛地應(yīng)用在人類(lèi)現(xiàn)代化生活上，例如：字母無(wú)繩、電子收款機(jī)、掃描儀、防盜與安全裝置、汽車(chē)控制、計(jì)算機(jī)以與外設(shè)、 機(jī)、乃至電子字典、MP3、MP4、DVD、數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)、智能冰箱、洗衣機(jī)、電視機(jī)、變頻空調(diào)、自動(dòng)豆?jié){機(jī)等，均采用了一片乃至多篇微控制器，使之成為智能化產(chǎn)品。在微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展過(guò)程中，數(shù)據(jù)處理和輸出/輸入控制一直是微型計(jì)算機(jī)功能提升的兩條主線(xiàn)，也

16、是一對(duì)矛盾。受功能、功耗、體積、重量、速度等指標(biāo)的限制，要求每一種微型計(jì)算機(jī)同時(shí)具有這兩方面的優(yōu)異性能是極其困難的，也會(huì)限制其性?xún)r(jià)比的提升。自1976年Intel公司首先推出MCS-48系列微控制器以來(lái)，微控制器以可靠性高，體積小，功能全、價(jià)格低等特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用，為消費(fèi)類(lèi)和工業(yè)類(lèi)智能化電子產(chǎn)品的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)也真正開(kāi)始沿著微控制器和微處理器兩個(gè)相互獨(dú)立、完全不同的方向突飛猛進(jìn)地發(fā)展。世界微控制器的著名供應(yīng)商主要有Intel、Freescale、Microchip、原三菱、ST、Philips、Zilog、Atmel、NEC、TI等。近年來(lái)，國(guó)、中國(guó)地區(qū)的一些企業(yè)也開(kāi)始生產(chǎn)一

17、些與上述著名企業(yè)兼容且更為廉價(jià)的微控制器。以搶奪一些低端產(chǎn)品市場(chǎng)。1.3 Freescale微控制器概述Freescale公司是目前全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司之一，它為汽車(chē)電子、消費(fèi)電子、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)設(shè)計(jì)并制造了眾多的嵌入式半導(dǎo)體產(chǎn)品，擁有多達(dá)19000種產(chǎn)品。Freescale公司是全球十大芯片制造商之一，2005年的收入達(dá)58億美元，在8位，16位和32位微控制器領(lǐng)域均處于技術(shù)領(lǐng)先地位。Freescale公司的MC家族以8位、16位、32位機(jī)位主，采用CISC體系，目前的主流8位機(jī)時(shí)9S08系列，16位機(jī)時(shí)HC9S12(X)系列，高級(jí)16位機(jī)時(shí)56F系列。Freescale微控制器產(chǎn)

18、品的技術(shù)根基課追溯到32年前。1974年，F(xiàn)reescale推出了首款8位MC6800微處理器，之后便相繼推出多種系列微控制器。 圖1-1 MC9S12XS128部功能示意圖第2章 硬件電路設(shè)計(jì)2.1 功能設(shè)計(jì)基于目前社會(huì)對(duì)于智能化的迫切需求，家用汽車(chē)將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)也將越來(lái)越趨向智能化，無(wú)人駕駛將會(huì)不再是夢(mèng)想。根據(jù)系統(tǒng)需求，需要滿(mǎn)足的設(shè)計(jì)要求如下：l 通過(guò)光電原理，在黑白分明的道路上，能夠自動(dòng)追蹤黑線(xiàn)，并進(jìn)行判斷路徑。l 能夠自動(dòng)識(shí)別直道，與彎道，并進(jìn)行是否做加速度或者減速度的判斷。l 根據(jù)機(jī)械性能，使其能夠過(guò)最小曲率半徑為50CM的彎道。l 在十字交叉的黑線(xiàn)情況，能夠智能識(shí)別路徑。l 電池壓

19、降在7.8V時(shí)，能夠穩(wěn)定供電給電機(jī)，舵機(jī)以與微控制器。2.2 傳感器系統(tǒng)所謂傳感器，即是將被測(cè)量按照一定的物理或化學(xué)原理轉(zhuǎn)換成某種規(guī)定的輸出信號(hào)的裝置或器件。通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件能夠隨著被測(cè)量的變化而引起某種易被測(cè)量的信號(hào)的變化，而轉(zhuǎn)換元件則將敏感元件感受或相應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分，具體的電量形式取決于敏感元件的原理。除此之外，由于轉(zhuǎn)換元件的輸出信號(hào)一般都很微弱，為方便傳輸、轉(zhuǎn)換、處理與顯示，通常有信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路、輔助電路等，將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大或運(yùn)算調(diào)制。因此，傳感器的組成通常包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路和輔助電路，隨著半

20、導(dǎo)體器件與集成技術(shù)的發(fā)展，傳感器的信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與敏感元件、轉(zhuǎn)換元件等一起集成在同一芯片上，安裝在傳感器的殼體里。2.2.1 光電式傳感器光電式傳感器是利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。光電式傳感器工作時(shí)，先將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過(guò)光電器件再把光量的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量變化，從而實(shí)現(xiàn)非電量的測(cè)量。光電式傳感器的核心（敏感元件）是光電器件，光電器件，光電器件的基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電式傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度塊，可靠性較高，能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的非接觸測(cè)量，因此廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)化儀表中。光電式傳感器課用來(lái)測(cè)量光學(xué)兩或測(cè)量已先行轉(zhuǎn)換為光學(xué)量的其他被測(cè)量，然后輸出一定形式的電信號(hào)。在測(cè)

21、量光學(xué)量時(shí)，光學(xué)器件是作為敏感元件使用；而測(cè)量其他物理量時(shí)，它是作為轉(zhuǎn)換元件使用。光電式傳感器由光路與電路兩大部分組成，光路部分實(shí)現(xiàn)被測(cè)量信號(hào)對(duì)光亮的控制和調(diào)制，電路部分完成從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。見(jiàn)下圖 圖2-1 環(huán)境監(jiān)測(cè)示意圖常用的光電轉(zhuǎn)換元件有真空光電管、充氣光電管、光電倍增管、光敏電阻、光電二極管與光電三極管等，它們的作用是檢測(cè)照射在其上的光通量。選用何種形式的光電轉(zhuǎn)換元件取決于被測(cè)參數(shù)所需的靈敏度、響應(yīng)的速度、光源的特性與測(cè)量環(huán)境和條件等。2.2.2 光電式傳感器的選擇光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時(shí)間、峰值探測(cè)率和溫度特性來(lái)描述。其中，伏安特性、光照特性和光

22、譜特性是選擇光電器件的主要指標(biāo)。針對(duì)以上因素，我起初選用了億光PT334-6B（接收管）以與IR333-A的發(fā)射管。PT334-6B接收管的敏感波長(zhǎng)峰值達(dá)980nm，有小波長(zhǎng)圍在840-1200nm之間，導(dǎo)通電流為2.0mA20mA,擊穿特性:Bvceo>30V Bveco>5V,飽和特性：Vce(sat)<0.4V，上升/下降時(shí)間：15us，暗電流：100nA(遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有光照的條件下的電流)。而IR333-A的導(dǎo)通電壓為1.2V1.5V之間。為了使對(duì)地接收黑色引導(dǎo)線(xiàn)的效果更為明顯，我還是用了LM324運(yùn)算放大器，使信號(hào)放大后給MCU處理。效果更優(yōu)。針對(duì)尋跡檢測(cè)路徑這一特殊的

23、前提，主要兩種方案，一種是光電式的，一種是攝像頭式的，使用攝像頭式的檢測(cè)方案不僅能夠得到豐富的路徑信息，而且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的前瞻，對(duì)車(chē)模重量與穩(wěn)定性的影響也很小。是否光電方案就真的不可得到連續(xù)的、前瞻性好的信息呢？答案不是絕對(duì)的。為了擁有更好的前瞻性，我大膽的采用了激光檢測(cè)這一新型的方法。利用激光檢測(cè)的方法，可以通過(guò)收發(fā)激光信號(hào)達(dá)到更遠(yuǎn)的距離，加上透鏡的接收管甚至可以接收到直徑1米以外的距離。接收發(fā)射原理見(jiàn)下圖圖2-2激光發(fā)射電路圖2-3激光接收電路該電路中，R5、R8為限流電阻，R6用于分壓（可去除），三極管Q2當(dāng)做開(kāi)關(guān)來(lái)使用，J4是一個(gè)激光調(diào)制管，經(jīng)過(guò)測(cè)試，輸出一個(gè)190KHZ左右的頻率信號(hào)

24、（另外，因?yàn)楫a(chǎn)品的批號(hào)不齊，有些輸出的頻率僅為170KHZ）。激光接收部分，我使用了一種非常方便的接收管，它的輸出只有1和0兩種狀態(tài)，當(dāng)照射在黑線(xiàn)上時(shí)，接收管打開(kāi)，輸出高電平，反之，則輸出低電平。因?yàn)橄到y(tǒng)的使用環(huán)境比較偏向于二值化，因此，使用起來(lái)也更為簡(jiǎn)便。但是也有一定的弊端，當(dāng)遇到污漬等外部環(huán)境干擾時(shí)，容易出錯(cuò)，這時(shí)，需要進(jìn)行軟件清除。另外，由于激光管的略微差異，可能接收信號(hào)時(shí)會(huì)因?yàn)榄h(huán)境光影響，而接收不到，因此接一個(gè)500歐的電位器進(jìn)行條件。由于激光管的功率比較小，其實(shí)理論上可以接一個(gè)更小值的電位器，使之精度更高。C1為旁路電容，主要起濾波作用。R3和D1構(gòu)成了一個(gè)可視化的測(cè)試界面，在畫(huà)PC

25、B圖時(shí)，我將每個(gè)接收管電路中加入了一個(gè)LED，這樣大大的簡(jiǎn)化了調(diào)試的工作。2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊在小車(chē)的制作中，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的要求較高，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路必不可少。功率管的選擇由電機(jī)的功率決定，PWM信號(hào)的占空比決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，故電機(jī)的調(diào)速可通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)。在我的設(shè)計(jì)當(dāng)中，為了達(dá)到一個(gè)很好的過(guò)彎效果，需要在直線(xiàn)以高速運(yùn)行，在過(guò)彎時(shí)的動(dòng)作時(shí)急剎，減速之后過(guò)彎。因此，電機(jī)的反轉(zhuǎn)就由為重要。為此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)電路。我第一次的設(shè)計(jì)中，是使用了一種比較簡(jiǎn)便的電路，采用了飛思卡爾的MC3886芯片做全橋驅(qū)動(dòng)，其部建構(gòu)由一組MOS管構(gòu)成，見(jiàn)下圖。圖2-4 MC33886部結(jié)構(gòu)V+為電源電壓

26、（此處使用電池供電），IN1和IN2分別為MC33886的PWM信號(hào)輸入端口。MC33886的輸出端口OUT1和OUT2分別接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的兩端。D1和/D2為芯片的使能端。圖2-5 MC33886并聯(lián)電路但經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試和使用之后，發(fā)現(xiàn)效果并不十分理想。首先是導(dǎo)線(xiàn)的分布需要均勻的到達(dá)芯片的兩端，不可一端過(guò)長(zhǎng)、一端過(guò)短，否則將會(huì)出現(xiàn)芯片冷熱不均勻的狀態(tài)。達(dá)不到最好的驅(qū)動(dòng)效果。其次，由于MC33886畢竟是集成芯片，將一個(gè)全橋集成在單個(gè)芯片中，當(dāng)負(fù)載過(guò)大時(shí)，拉力明顯不夠。于是我進(jìn)行了第二次的改進(jìn)。我的第二次改進(jìn)參考使用了P溝道的MOS管和N溝道的MOS管搭建全橋。見(jiàn)下圖。圖2-6 mc33886+H橋

27、電路P管IRF4905最大74A，N管IRF3205最大110A，所以電路理論上最大電流能達(dá)到74A，并且這兩款MOS管的阻都很小，開(kāi)啟電壓也足夠低，因此效果較好。在這里，33886只起到MOS管的柵極驅(qū)動(dòng)作用，所以同時(shí)也解決了發(fā)熱問(wèn)題。R1,R2電阻上拉使能。當(dāng)OUT1PWM信號(hào)時(shí)，當(dāng)為高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通，VCC經(jīng)過(guò)Q2流向MOTOR的2號(hào)接口，然后從回路流向Q3，因?yàn)镺UT2口是低電平，所以N溝道增強(qiáng)型MOS管此時(shí)處于工作狀態(tài)，電流導(dǎo)通至地。當(dāng)OUT2口輸出時(shí)，原理一樣。2.4 供電模塊2.4.1 穩(wěn)壓芯片的選擇在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，因?yàn)殡姵仉妷菏?.8V，而微控制器、激光收發(fā)電路以與舵機(jī)控

28、制電路所使用的均是5V電壓，如果能夠給予系統(tǒng)穩(wěn)定的電壓，是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。電壓調(diào)節(jié)器件使用最多的是線(xiàn)性穩(wěn)壓器件（如78XX系列的三端穩(wěn)壓器件）雖然這種線(xiàn)性穩(wěn)壓器具有輸出電壓恒定或可調(diào)、穩(wěn)壓精度高的優(yōu)點(diǎn)，但足由于其線(xiàn)性調(diào)整工作方式在工作中會(huì)造成較大的“熱損失”(其值為V壓降×I負(fù)荷)，導(dǎo)致其電源利用率不高、工作效率低下，不易達(dá)到便攜式設(shè)備對(duì)低功耗的要求。于線(xiàn)性穩(wěn)壓器件相比，開(kāi)關(guān)電源調(diào)節(jié)器以完全導(dǎo)通與截止時(shí)間，有效的介紹工作中的“熱損失”，保證了較高的電源利用率。開(kāi)關(guān)管的高頻通斷特性以與串聯(lián)濾波電感的使用對(duì)來(lái)自于電源的糕餅干擾具有較強(qiáng)的抑制只用。同時(shí)由于其低功耗特點(diǎn)，在進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)

29、時(shí)，可以減少散熱片的體積和PCB板的面積，有時(shí)甚至不需要加裝散熱片，方便了電路設(shè)計(jì)與使用，但是由于其工作降壓要求在1.0V以上，卻限制了該類(lèi)型開(kāi)關(guān)電源在某些便攜式移動(dòng)設(shè)備上的使用。針對(duì)線(xiàn)性穩(wěn)壓電源與開(kāi)關(guān)電源存在較高工作降壓的問(wèn)題使得這兩類(lèi)電源調(diào)節(jié)期間不易廣泛應(yīng)用于便攜式移動(dòng)設(shè)備中，我采用了一種低壓差線(xiàn)性電源芯片TPS76850來(lái)作為智能車(chē)的電源調(diào)節(jié)器件。TPS76850具有輸入電壓圍大，過(guò)熱，過(guò)流與電壓反接保護(hù)，輸出電流為150mA時(shí)壓差小于0.1V等特點(diǎn)，特別是黨其輸出電流為100mA時(shí)，壓差僅為0.035V，TPS76850能夠保證電池電壓在+7V- +5.1V圍變化時(shí)，輸出穩(wěn)定的5V電壓

30、，顯著的提高了電源的利用效率。2.4.2 TPS768XX系列概述TPS768XX是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的微功耗，低壓差電源管理芯片，它具有節(jié)電關(guān)斷模式與輸出電壓監(jiān)控功能，極低的靜態(tài)電流且不隨負(fù)載變化；集成延時(shí)微處理器復(fù)位功能保證系統(tǒng)的正常工作；具有完善的保護(hù)電路，包括過(guò)熱、過(guò)流與電壓反接保護(hù)。利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。TPS768XX系列的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓集成電路的主要特性如下：l 有2.5V、3V、3.3V、4.85V與5V這幾種固定輸出型器件；l 集成的精密電源電壓監(jiān)控器，可對(duì)穩(wěn)壓器的輸出電壓進(jìn)行監(jiān)控；l 低電平有效的復(fù)位信號(hào)，脈沖寬度為200MS;l 極低壓差為100mA時(shí)

31、，最大值為35mV;l 低靜態(tài)電流與負(fù)載無(wú)關(guān)，典型值為340uA;l 極低的休眠狀態(tài)電流最大值為0.5uA;l 在整個(gè)負(fù)載，電源與溫度圍，固定輸出型器件的容積為2%；l 輸出電流圍為:0mA500mA；l 在要求嚴(yán)格的應(yīng)用中，TSSOP封裝課降低元件的高度。TPS768XX部框圖如下：圖2-7 TPS768XX部結(jié)構(gòu)圖由于TPS768XX系列產(chǎn)品采用了PMOS工藝，保證了該器件在全負(fù)載圍極低的工作電流，甚至在穩(wěn)壓器下降時(shí)也能保證其低靜態(tài)電流不變的特點(diǎn)。TPS768XX的部比較器監(jiān)控穩(wěn)壓器的輸出電壓，以此來(lái)檢測(cè)欠壓情況。正因?yàn)楦碾娐繁O(jiān)控著穩(wěn)壓器的輸出電壓，RESET輸出端也可以通過(guò)禁止穩(wěn)壓器或者

32、通過(guò)任何導(dǎo)致輸出電壓下降到低于Vn的故障條件來(lái)處罰。這些故障情形包括，輸出端的短路活輸入電壓低。一旦輸出電壓被重新配置，無(wú)論是通過(guò)重新使能穩(wěn)壓器還是通過(guò)排除故障條件，部定時(shí)器都會(huì)被啟動(dòng)，這樣就會(huì)被RESET信號(hào)在200ms（典型值）的超時(shí)周期處于有效狀態(tài)，將該RESET引腳接至微處理器的復(fù)位端，課在微型新計(jì)算機(jī)與微處理器系統(tǒng)中啟動(dòng)一次復(fù)位操作，實(shí)現(xiàn)電源電壓的復(fù)位。使用該復(fù)位操作，不僅能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠工作，而且減少外部復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。在對(duì)輸出噪聲有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)合，選用了TPS768XX是最佳選擇。2.4.3 性能比較為了能夠更好的說(shuō)明TPS768XX在實(shí)際使用的優(yōu)點(diǎn)，我比較了一樣溫度

33、、一樣輸出電壓條件按下7805，LM2576，TPS76850的性能。表2-1 穩(wěn)壓電源芯片比較7805LM2576TPS7350最小壓降1.7V 1.0V0.035V最小靜態(tài)工作電流6mA5mA340uA輸出噪音40uV與濾波元件有關(guān)2uV使用外圍元件個(gè)數(shù)342輸出電容的容量中高低成本低高中通過(guò)表中可以看出，在一樣的輸出條件下，TPS76850具有更低的工作壓降和最小的靜態(tài)工作電流，也就體現(xiàn)了其低功耗的優(yōu)點(diǎn)。在智能車(chē)控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)電源為電池供電，自然TPS76850也就成為了電源調(diào)節(jié)器件的首選。實(shí)用TPS76850作為系統(tǒng)的電源管理的芯片具有相當(dāng)突出的優(yōu)點(diǎn)。首先TPS76850只需要很

34、少的外圍器件即可以達(dá)到應(yīng)用系統(tǒng)的要求，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出。實(shí)用該芯片的典型電路如下圖。由于“熱損失”小，在設(shè)計(jì)中基本可以不考慮電源芯片的散熱問(wèn)題，為電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)了方便。圖2-8 768XX典型電路2.5 車(chē)模機(jī)械調(diào)整與安裝為了完成智能車(chē)的模型，我需要一輛遙控玩具車(chē)進(jìn)行改裝，為此，我選用了生產(chǎn)的一部越野模型車(chē)作為我的智能車(chē)主體。車(chē)身總長(zhǎng)21CM，后輪中心軸15CM，前后輪均具有避震器。為了達(dá)到我想要的要求，我進(jìn)行了一定的改裝。首先，我去除了對(duì)我來(lái)說(shuō)沒(méi)有用處的尾翼以與一些重要零件的固定器件。在我的設(shè)想中，為了達(dá)到能使檢測(cè)模塊盡可能的探測(cè)到前方，我用許多H型的鋁合金材料做了一些可調(diào)節(jié)的支架，在達(dá)到

35、我想要的角度后，進(jìn)行了固定。光電部分的檢測(cè)我采用了W型雙列矩陣。盡可能將激光管調(diào)節(jié)到我想要的照射角度，這樣，在一些曲率情況下，我能夠判斷出需要的舵機(jī)轉(zhuǎn)角值。具體激光管的每一個(gè)對(duì)地距離與角度，將在數(shù)學(xué)建模部分闡述。為了使我的電路在反復(fù)使用中，不斷找到更好的方案，我將每一個(gè)電路均獨(dú)立化，這樣不僅能夠便于更換，更有利于安裝。我的各個(gè)模塊的安裝可以稱(chēng)得上見(jiàn)縫插針，分別安裝在車(chē)體的各個(gè)部分。下圖是我的作品實(shí)物圖。在實(shí)際測(cè)試了車(chē)的轉(zhuǎn)角后，我發(fā)現(xiàn)由于右輪的機(jī)械性質(zhì)，當(dāng)轉(zhuǎn)角向一個(gè)方向發(fā)生變化，再像另一個(gè)地方偏轉(zhuǎn)，就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向不足的問(wèn)題，對(duì)此，我有針對(duì)性的調(diào)短了右輪的聯(lián)動(dòng)桿，這樣舵機(jī)拉動(dòng)右輪時(shí)，轉(zhuǎn)向就更為靈敏。

36、第3章軟件設(shè)計(jì)3.1 數(shù)據(jù)分析并建立模型因?yàn)橹皇褂昧?6個(gè)發(fā)射管與16個(gè)接收管，因此在采集數(shù)據(jù)時(shí)，能夠采集到的信息相當(dāng)有限。以下的數(shù)據(jù)均在此硬件基礎(chǔ)上測(cè)量得到。在電路的實(shí)際設(shè)計(jì)中，我希望得到的是上排等間距，下排也均等間距排列的激光接收發(fā)射，但在實(shí)際安裝時(shí)，由于性能差異，發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)起來(lái)相當(dāng)困難，因此只能做到大致相等。這對(duì)我之后的建模產(chǎn)生了相當(dāng)大的影響。下圖為我的檢測(cè)電路PCB板布局。圖2-8 激光檢測(cè)電路從左第1排開(kāi)始的一組電路分別為A B C D E F,從左第2排的一組電路分別為G H I J K，一下為測(cè)量數(shù)據(jù)。另外，為了使單片機(jī)的工作效率更快，我進(jìn)行了超頻處理，由于超頻后的鎖相環(huán)時(shí)鐘作為了

37、總線(xiàn)時(shí)鐘，因此PWM脈寬需要進(jìn)行匹配處理。3.1.1 基本數(shù)據(jù)測(cè)量使用手冊(cè)中說(shuō)明，當(dāng)PWM輸出脈寬為1ms時(shí)，左轉(zhuǎn)打死，當(dāng)為2ms時(shí)，右打死，1.5ms時(shí)，居中。實(shí)際測(cè)試情況與理論資料差距不大。在鎖相環(huán)超頻之后,角度與實(shí)際轉(zhuǎn)角建立以下數(shù)學(xué)公式，Y為實(shí)際轉(zhuǎn)角，X為對(duì)應(yīng)PWM高電平值。PWM一個(gè)周期為20000。表3-1 數(shù)學(xué)建模公式（X-36）*55/2=Y中心到各點(diǎn)各點(diǎn)垂直車(chē)前沿距離偏移中心水平距離角度對(duì)應(yīng)舵機(jī)值A(chǔ)34.5cm11.4cm71.7°982B29cm7.3cm76°1100C34.3cm6cm80.1°1213D29.9cm3.6cm83.13

38、76;1296E36.4cm1.7cm80.1°1213F29.9cm0cm90°1485G34.1cm2.3cm93.9°1591H29.9cm5cm99.5°1746I34.5cm7.7cm102.6°1831J29.9cm6.9cm103°1842K34cm12.7cm110.5°20483.1.2 情況分析一、兩燈同時(shí)被接收情況分析因?yàn)楹谏龑?dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)2.5cm,而上下2個(gè)相鄰燈的實(shí)際距離不足2.5CM，并且在實(shí)際過(guò)彎道時(shí)，也會(huì)發(fā)生2個(gè)燈同時(shí)檢測(cè)到的情況。因此，還要將2燈同滅的情況考慮進(jìn)去。此時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種情況，同時(shí)理論上

39、可以排除相鄰的左右兩激光管同時(shí)接收到信號(hào)（車(chē)的傾向情況不足以出現(xiàn)該種情況）1）當(dāng)上下相鄰2個(gè)激光接收管同時(shí)檢測(cè)到是黑色尋跡線(xiàn)，如A、H接管管同時(shí)接受到，可判定此時(shí)的斜率為A、H點(diǎn)至車(chē)前軸中心點(diǎn)角度的中間值。2）當(dāng)出現(xiàn)如B、H激光接收管同時(shí)檢測(cè)到黑色尋跡線(xiàn)時(shí)，需要進(jìn)行特殊處理，第一種情況是車(chē)身自?xún)A斜，假設(shè)忽略該種情況，車(chē)反偏，當(dāng)進(jìn)入下一次檢測(cè)，車(chē)仍進(jìn)行常態(tài)角度的工作狀態(tài)。第一種情況是由于速度過(guò)快，當(dāng)直道變彎道時(shí)，舵機(jī)還未開(kāi)始轉(zhuǎn)向，此時(shí)車(chē)借助該種情況，車(chē)依然保持逆轉(zhuǎn)向情況不變。記錄一般情況數(shù)據(jù)如下：表 3-2 接收管可能發(fā)生的點(diǎn)重合角度兩個(gè)接收管同時(shí)接收情況兩點(diǎn)間中心對(duì)應(yīng)角度對(duì)應(yīng)舵機(jī)值（正向接收情

40、況）E、F86.57°1391E、G91.93°1538C、D81.15°1251H、I101.05°1789A、B79.51°1196J、K106.24°1932當(dāng)出現(xiàn)第二種情況時(shí)，已經(jīng)證明應(yīng)該反向偏轉(zhuǎn)，可是舵機(jī)值給多少合適呢？為此，我建立了一個(gè)幾何模型。如下圖。圖3-1 角度偏移示意圖方法：建立直角坐標(biāo)系，將車(chē)軸中心點(diǎn)0作為絕對(duì)中心點(diǎn)，同時(shí)做直線(xiàn)垂直于車(chē)前軸，將A點(diǎn)以等距離作抽對(duì)稱(chēng)點(diǎn)A，B點(diǎn)同理B，得到角AO與垂線(xiàn)的角度與BO與垂線(xiàn)的角度，取中值便可得到理論逆向角度值。數(shù)據(jù)見(jiàn)下表。表3-2 兩點(diǎn)間的距離與占空比關(guān)系兩接收管前點(diǎn)距離

41、0點(diǎn)后點(diǎn)距離0點(diǎn)兩點(diǎn)間水平偏差作軸對(duì)稱(chēng)平行線(xiàn)對(duì)應(yīng)角度舵機(jī)占空比E、D36.4330.11.9cm94.77°1616C、B34.8229.91cm101.95°1814G、H34.230.32.7cm83.32°1301A、B35.430.70.8cm77.2°1133二、調(diào)整參數(shù)實(shí)際測(cè)試表明，由于車(chē)在前進(jìn)的過(guò)程中，舵機(jī)的響應(yīng)速度有限，因此，需要加權(quán)處理。越是靠外的激光接收管，對(duì)應(yīng)的舵機(jī)值應(yīng)線(xiàn)性增大，從而解決前瞻與舵機(jī)轉(zhuǎn)向的匹配問(wèn)題。譬如：中心接收管參數(shù)保持不變，而最左邊2個(gè)舵機(jī)值全部調(diào)整至最小值800。表3-3各種數(shù)據(jù)接收情況處理接收管接收情況理論舵機(jī)

42、值實(shí)際加權(quán)后舵機(jī)值A(chǔ)982800B1100800C1213900D12961200E14121350F14851480G15911600H17461750I18312000J18422190K20482190E、F13911400E、G15381610C、D12511200H、I17892190A、B1932800J、K16162190E、D18141400C、B13011650G、H13011300A、B113312503.2 PLL鎖相環(huán)由于芯片部自帶鎖相環(huán)功能，因此，用戶(hù)可以很方便的進(jìn)行一些設(shè)置，對(duì)其進(jìn)行超頻處理。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，該電路中，單片機(jī)可超頻至40M。代碼如下：該代碼功能用于將總

43、線(xiàn)時(shí)鐘16M的單片機(jī)超頻至40M3.3 策略情況分析將之前得到的所有數(shù)據(jù)作為我的核心數(shù)據(jù)(這在之后的實(shí)際分析中非常有用)，現(xiàn)在我需要考慮的就是如何讓小車(chē)能夠能順暢的在有條件的跑道上跑動(dòng)。首先，由于電池的電量始終是一個(gè)變化的值，并且，我的設(shè)計(jì)中沒(méi)有將閉環(huán)控制考慮進(jìn)去，因此，我首先要做的是必須將電池電壓保持在7.6-7.8V之間，否則接下來(lái)的分析將沒(méi)有任何意義。在未進(jìn)行錯(cuò)誤忽略處理時(shí)，車(chē)會(huì)因?yàn)橐恍┉h(huán)境情況，造成不必要的問(wèn)題，這些問(wèn)題是在經(jīng)驗(yàn)的積累與反復(fù)的總結(jié)下才逐一排除的。首先，值得一提的是，我講每一次的接收狀態(tài)都賦給了前一次進(jìn)行保留，一共保留3個(gè)值，前一次，當(dāng)前，以與未來(lái)態(tài)。代碼如下：圖3-2 部分處理代碼3.3.1直道判斷在安裝激光管時(shí)，我刻意將E、F、G的距離調(diào)整的相當(dāng)近，因此，我可以默認(rèn)當(dāng)3個(gè)單個(gè)被接收到或者出現(xiàn)2個(gè)同時(shí)接收到，并且上一次接收到的狀態(tài)也只是這5種情況之一的話(huà)，則判斷這是直道，進(jìn)入全速開(kāi)啟模式。3.3.2 彎道判斷方法與直道判斷大致雷同，只是需要將判斷條件更改即可。同時(shí)，根據(jù)過(guò)彎大小情況，給予低速過(guò)彎。并且，為了防止直道進(jìn)入彎道后，速度過(guò)快，而丟失賽道