毕业论文倒退行走式智能车速度控制算法设计(编辑修改稿)

毕业论文倒退行走式智能车速度控制算法设计(编辑修改稿)内容摘要：

 2 个八通道的数字 /模拟转换器，精度达到 10bit  外部转换触发功能 1M bit/s 第 3 章 图像 处理算法研究 9  4 个独立的中断通道，分别对应 Rx, Tx, error 和 wake_up  低通滤波器唤醒功能  增强型捕捉时钟功能  8 个可编程输入捕捉通道 /输出比较通道  4 个 8 位 /2 个 16 位脉冲累加器（ pulse accumulator）  8 个 PWM 通道：周期和占空比系数可编程控制  8 位八通道 /16 位 4 通道  串行 接口：异步 SCI 和同步 SPI  112 引脚封装 /80 引脚封装  带驱动能力的 5V I/O 线路和 5V A/D 转换  50MHz 工作频率，相当于 25MHz 总线速度 支持开发应用 MC9S12 单片机 主要有 3 个低电源模式 ： Stop, Pseudo Stop 和 Wait。 Stop: 执行 CPU stop 指令，停止所有时钟和振荡器，以此将芯片放在全静态模式。 通过复位和外部中断可以从该模式当中唤醒。 Pseudo Stop：通过执行 CPU STOP 指令进入该模式。 在该模式当中振荡器任然在工作，并且实时中断和（ RTI）和看门狗（ COP）可以停留在激活状态。 其他外设停止工作。 该模式比 full STOP 模式产生更多电流 ,但是唤醒时间很明显缩短。 [4] Wait：通过执行 CPU WAI 指令进入该模式。 该模式当中 CPU 不执行指令。 内部CPU 信号（地址和数据总线）处于全局静态状态。 所有外设保持激活状态。 为了减少功耗，所有外设可以分别停止其本地时钟。 电源管理 模块 稳定 的电源对于一个控制系统而言至关重要，电源的稳定性关系到 系统 能否正常工作。 系统中 各个电路模块所需的工作电流和工作电压各不相同， 因此 设计了多种 稳压 电路，将 电池电压转换为各个模块所需的电压。 在 设计 智能车系统 时 为各个功能模块配置了 稳定 、合适的电源并在电路的设计上 要 避免不同电源 之间 、相同电源不同模块之间的干扰，从而保证整个系统的稳定运行。 智能车系统 的总的电源 由 大容量 镍镉 电池，单片机最小系统、摄像头以及大多数芯片都需要 5V 供电， 伺服 电机工作电压为 5V，驱动电路 需要 12V 电源，电机 直接接 电池供电 ， 智能车电压调节电路框架图如图 33 所示。 第 3 章 图像 处理算法研究 10 图 33 电源 管理系统框架图 12V 稳压电路 电机 驱动电路采用 12V 电源供电，由 镍镉电池作为 12V 稳压电路 的 输入 电压 ，由于 电机驱动电路的电流较大，因此采用 MC34063 大电流升压变换器电路 得到12V 的输出电压，并且该电路 比较 稳定，相对较为可靠。 MC34063 是一单片双极型线性集成电路，用于直流 直流变换器控制部分。 MC34063 片内包含有温度补偿带隙基准源、 大电流 输出开光和驱动器、 一个占空比周期控制振荡器，能 够 输出 的开关电流。 MC34063 可以 使用 较 少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。 [5] MC34063 有 如下 特点：  能在 的输入电压下工作  工作振荡频 率从 100HZ 到 100KHZ  短路电流限制  输出电压可调  低静态电流  输出开关电流可达 （无外接三极管） MC34063 的电路原理如图 34 所示。 第 3 章 图像 处理算法研究 11 图 34 MC34063 的电路原理图 振荡器通过恒流源对外接在 CT 管脚 (3 脚 )上的定时电容不断地充电和放电以产生振 荡波形。 充电和放电 时 电流都是恒定的， 振荡器 的 振荡频率仅 仅由 外接定时电容的容量 决定。 在振荡器对外部 定时电容充电过程中， 与门的 C 输入端为高电平， 并且 在 比较器的输入电平低于阈值电平时 D 输入端为高电平 ，此时 C 和 D 输入端都变成高电平 ，触发器被置为高电平，输出开关管导通。 在 振荡器在 定时电容 放电期间， C 输入端 变为低电平，触发器 的 R 端 变为低电平，触发器 被复位， 触发器的 Q 端 变为高电平，此时 输出开关管处于关闭状态。 电流限制通过检测连接在 VCC 和 5 脚之间电阻上的压降来完成功能。 当检测到 7 脚之间电阻上的电压降接近 超过 300 mV 时，芯片将启动内部过流保护功能 ， 电流限制电路开始工作。 实际 设计的 DCDC 升压电路 如下图 35 所示， 升压得到的 12V 电压 作为电机驱动 电路 的电源 ， 该 升压电路 采用大电流升压控制 ， 输出电流能满足电机 所需 的电流要求。 第 3 章 图像 处理算法研究 12 图 35 DCDC 升压电路 （ 转 12V） TPS7350Q 稳压电路 9S12XSMAA 最小系统 和 OV7620 摄像头 的 供电电压均为 5V， 由于 单片机 是 整个控制系统的核心，因此单片机 供电电源 的稳定性尤其重要，并且考虑到 单片机 和摄像头的额定电流较小，所以采用 TPS7350Q 搭建 稳压电路 专为 9S12XSMAA 最小系统 和OV7620 摄像头 进行供电。 [6]这样 既可以有效抑制电源纹波，又可以 消除 9S12XSMAA最小系统 和 OV7620 摄像头 的 供电 电源 与其他元件 供电模块 之间 产生 干扰， 保证 其工作的稳定性。 图 36 TPS7350Q 稳压 电路（ 转 5V） LM2940 稳压电路 舵机 SD5 的 工作电压只能在 以下，正常工作电流为 200mA，具有 堵 转 保护第 3 章 图像 处理算法研究 13 功能 ，堵转电流 为 800mA， 舵机在 堵转后 3s 开始 启用保护功能，降低电流， 保护 马达和电板。 考虑到 舵机的堵转 问题 ， 本 电路采用 两片 LM2940 芯片 搭建两个 5V 稳压电路。 利用 一个稳压 电路 专门 用于舵机 SD5 供电 ，另一个 5V 稳压电路 则用于给液晶 、蓝牙、拨码开关等其他外设及芯片的供电。 图 37 LM2940 稳压电路 （ 转 5V） 电机驱动模块 电机 驱动电路对于智能车的速度 控制 有着至关重要的作用 ， 较好的制动能力和加速对于提高小车的速度有着很大的帮助。 电机 的速度与施加在电机上的电压 成正比 ，输出转矩与电机的电流成正比。 因为 在 智能车行驶过程中要改变直流电机的转速 ， 采用 一个 PWM（ 脉宽调制 ） 方波， 施加 在 直流电 机 上 的 PWM 波的占空比对应着 智能车 所需的速度， 电机起到 一个低通滤波器的作用，将 PWM 信号 转换为有效的直流电平。 PWM 信号可以 由 9S12XSMAA 单片机 产生， 用精准 的脉冲宽度可以调节直流电机的转速，并且要优化 PWM 信号 的 频率 ，以防止电机抖动。 更换 直流电机的电流方向，可以控制直流电机 的 转动方向。 智能车采用了 540 电机 ， 该电机 的工作电压为 12V。 利用 IR 公司的 MOS 管IRLR783 和 MOS 管驱动芯片 IR2104 搭建了 H 桥驱动电路。 H 桥驱动电路 主要包括 4个 MOS 管 和 两片 MOS 管驱动芯片 ， MOS 管具有内阻小、开关速度快 等优点， 并且方便加散热片。 MOS 管是 电压驱动器件， 使用 N 沟道 增强型 MOS 管 ， 其导通电阻小 ，当栅极 电压大于源极电压时 MOS 管导通。 如图 38 所示 ，要是电机 M 转动， 必须导通 对角线 上 的一对 MOS 管 ，根据 不同的 MOS 管 对 的导通情况，电流可能会从左至右或者从右至左 流过 电机，从而控制电机的正转和反转。 第 3 章 图像 处理算法研究 14 图 38 H 桥电机驱动电路 当 Q1 管和 Q4 管 导通时， 电流 就从电源正极经过 Q1 管 从左至右流过电机，再由Q4 流回到电源负极，此时 电机将 顺指针转动。 当 Q2 管和 Q3 管 导通时， 电流 就从电源正极经过 Q3 管从右至左 流过电机，再由Q2 流回到电源负极，此时 电机将逆 指针转动。 由于 9S12XSMAA单片机 P 口驱动能力 不够大 ，所以要加 MOS 管驱动芯片 IR2104来 驱动 MOS 管。 IRLR7843 的 最小内部只有 毫欧姆 ，最大允许连续源极电流为161A， 远远能满足 要求 ， 并且 IRLR7843 具有 很 强 的驱动能力。 IR2104 外接 自举电路，输出驱动电压在 10V 到 20V，具有刹车使能功能，能够较好的保护 ， 并且具有恰当的死区 ，外接电路也较为简单。 具体 的 H 桥电机驱动电路如图 39 所示。 图 39 实际 H 桥电机驱动 电路 第 3 章 图像 处理算法研究 15 速度反馈模块 为了 使智 能车能够 平稳 的 沿着 赛道行驶，需要 测试 智能车的速度，同过 测速模块得到智能车的实际速度 ， 将其与给定速度进行比较，形成闭环反馈系统，实现对智能车速度的控制 ， 从而使智能车在急转弯时不会因为速度过快而冲出赛道。 通过 控制 电机 驱动中 PWM 信号的占空比 来 控制电机的平均电压，从而控制电机的转速即控制智能车的 车速。 如果 没有测速模块，开环控制电机转速，会受到很多因素影响 ， 如电机传动的摩擦力、道路摩擦力、电池电压、前轮转向角等。 这些 因素 都会造成智能车运行不稳定。 使用测速模块后，可以实现对车模速度的闭环反馈 PID 控制， 就可以 消除上述因素 对智能车运行所带来的不利影响，是智能车运行时更加稳定。 检测 测速的方法有很多种， 例如 用测速发动机、反射式光电检测、 透射式 光电检测等。 本次 采用 的是透射式光电编码器，其内部是光电对管 加光栅 码盘构成，结构简单，稳定性高。 其 内部结构如图 310 所示。 将编码器 内部的旋转 轴 与 电机的 转动轴相连，由旋转轴带动旋转盘进行旋转， 光源 发出的光透过旋转盘上的长方形孔 被 受光元件接 收 ，从而输出 脉冲信号。 通过计算 每秒 光电编码器输出的 脉冲个数 就可以计算 出电机的转速。 图 310 光电编码器 内部结构 通过光电 编码器测量出智 能车的车速，在软件中编写速度控制程序，通过改变PWM 波的占空比来调节车速。 第 4 章 智能车速度 控制 软件设计 16 第 4 章 智能车速度 控制软件设计 速度控制 整体程序框架 智能车 速度控制系统的框架图如图 41 所示 ， 9S12XSMAA 单片机 为控制系统的核心， 由 单片机给电机一个给定速度即理论速度，建立模糊 PID 控制器， 利用 模糊 PID控制器来控制电机的转速，即控制智能车的实际速度。 再 利用 光电编码器来测量智能车的实际车速，并将实际车速反馈 给 模糊 PID 控制器，形成闭环负反馈回路，根据实际车速与理论速度的偏差来调节由单片机 P 口输出的 PWM 波的占 空比 ， 从而 使智能能够 高速平稳运行。 SD5 舵机 采用 位置式 PD 控制 ， 舵角控制器对理论舵角进行处理得到舵角增量，通过 PWM 波传给 SD5 舵机 ，舵机通过自带的控制系统将舵角改变为控制 值。 图 41 控制系统 框架图 编译开发 环境 CodeWarrior 是完整的用于编程应用 集成开发环境。 采用 CodeWarrior IDE，开发人员可以得益于采用各种处理器和平台（从 Motorola 到 TI 到 Intel）间的通用功能性。 根据 Gartner Dataquest 的报告， CodeWarrior 编译器和调试器在商用嵌 入式软件开发工具的使用率方面排名第一。 而这只是流行的 CodeWarrior 软件开发工具中的两个。 在整个开发调试过程中，除汇编语言开发的方式以外，使用 Metrowerks 公司为 第 4 章 智能车速度 控制 软件设计 17 MC9S12 系列专门提供的全套开发工具（ Metrowerks CodeWarrior IDE）。 CodeWarrior 是由 Metrowerks 公司开发的专门面向 Freescale 所有 DSP 与 MCU嵌入式应用开发的一种软件工具，它支持摩托罗拉汇编语言、 C++语言和 ANSI C 语言。 本系统在软件开发过程中使用的是 CodeWarrior。 其主要包括集成开发环境 IDE、全芯片仿真、处理器专家、项目工程管理、可视化参数显示工具、 C 交叉编译器、专家生成系统、链接器、汇编器以及调试器。 CodeWarrior IDE 可以自动地检查代码中的明显错误，它利用一个集成的调试器和编辑器来扫描代码，从而找到并减少明显的错误，然后编译并链接程序使计算机能够理解并执行编辑的程序。 每个应用程序都经过了使用例如 CodeWarrior 这样的开发工具进行编。