智能小车系统设计大学毕业设计(编辑修改稿)

智能小车系统设计大学毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

1*AMS11171 161 16A1 161 16116A1 161 116AP1P2P3P4PWM1PWM2PWM3PWM4116A116A1 16A1 16A104普通电容470pF普通电容5VPWM5Lt?104470pF5VPWM1L104普通电容t?470pF普通电容5VPWM3L104普通电容t? t?470pF5VPWM7LM12M22M21M11 BTS7970 典型应用电路 桥臂上的 4 个场效应管相当于四个开关， P 型管在栅极为低电平时导通，高电平时关闭； N 型管在栅极为高电平时导通，低电平时关闭。 场效应管是电压控制型元件，栅极通过的电流几乎为“零“。 控制臂 1 置高电平（ U=VCC）、控制臂 2 置低电平（ U=0）时， Q Q4 关闭， Q Q3 导通，电机左端低电平，右端高电平，所以电流沿箭头方向流动。 设为电机正转，其图见图 1。 控制臂 1 置低电平、控制臂 2 置高电平时， Q Q3 关闭， Q Q4 导通，电机左端高电平，右端低电平，所以电流沿箭头方向流动。 设为电机反转，其图见图 2. 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 1 Q1MOSFET PQ3MOSFET NQ4MOSFET NQ2MOSFET PMB?Motor控制量 2控制量 1VCC电机驱动电路图 倾角检测模块 倾角检测模块由倾角传感器组成。 其中倾角传感器由速度传感器和陀螺仪组成。 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。 加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比 地球引力 ，也就是 重力。 加速力可以是个 常量 ，比如 g，也可以是 变量。 本系统加速度传感器。 该系列的传感器采用了半导体表面微机械加工和集成电路技术，传感器体积小重量轻。 加速度角度传感器是通过测量由于重力引起的加速度计算出器件相对于某一平面的倾斜角度。 角度传感器反应灵敏、输出数据准确。 利用加速度传感器进行角度测量分为 3 种：单轴倾角测量、双轴倾角测量和三轴倾角测量。 本次设河南理工大学毕业设计（论文）说明书 1 计中只需要知道小车与竖直方向的夹角 所以选用单轴倾角测量。 只要测量其中一个方向上的加速度值，就可以计算出车模的倾角。 比如使用 Z 轴方向上的加速度信号。 车模直立时，固定加速度器在 Z 轴水平方向，此时输出信号为零偏电压信号。 当车模发生倾斜时，重力加速度 g 便会在 Z 轴方向形成加速度分量，从而引起该轴输出电压变化。 车模运动引起加速度信号变化 陀螺仪可以用来测量物体倾斜过程中产生的角加速度，本系统使用ENC— 03 系列的加速度传感器。 该产品是一种应用科氏力原理的角加速度传感器，在不停自传的同时，还绕着另一个固定的转轴不停的旋转，内环说我选进角正比于弹簧的变形量。 它输出一个和角速度成正比的模拟电压信号。 体它利用了旋转坐标系中的物体会受到科里奥利力的原理，在器件中利用压电陶瓷做成振动单元。 当旋转器件时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度。 积和重量都非常的小，响应快，驱动电压、功耗低可以测量包含旋转的各种运动，供电电压河南理工大学毕业设计（论文）说明书 1 —。 安装时需要注意：不要把传感器安装在易变形的地方，不要把传感器安装在温度变化剧烈的地方，不要再剧烈冲击和振 动的环境下使用该传感器，安装时芯片的极性一定要正确，否则会烧毁芯片，传感器的敏感方向在安装时要和测量方向一致。 车模的倾角发生改变其输出电压会随角速度同比发生变化，将模拟信号通过 A/D 转化，然后输入单片机内就可以采集到角速度传感器产生的信号。 陀螺仪输出的是角速度值，在时间上的积分是角度值，若角速度信号存在微小的偏差和漂移，经过积分运算后变化成积累误差，这个误差会随着时间的延长逐步增加，可通过和加速度传感器获得的角度信息进行融合来进行校正。 10K90K100K1800p+*3V参考放大电路3241* 角速度传感器参考放大电路图 由于陀螺仪输出的是车模的角速度，不会受到车体运动的影响，因此该信号中噪声 很小。 模块原理图如下 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 1 2314*Component_110K51K51K10K100nF100nF+*LMV358+*10K10K51K51K100nF2314*2314*51K10K10K51K100nF100nF+*VREFVREFVREF470R470R470R100nF10uFVCCVREFVCCVCC*VCCVCCC?普通电容C?普通电容C?普通电容10137924加速度传感器 加速度计和陀螺仪原理图 加速度计在工作工程中存在噪声，陀螺仪存在温度漂移是的测量值在某种程度上存在误差采用卡尔曼滤波器对测量值进行滤波处理得到角度值和角速度值。 速度检测模块 电机速度传感器使用欧姆龙编码器。 由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取 ,获得四组正弦波信号组合成 A、 B、 C、 D每个正弦波相差 90度相位差（相对于一个周波为 360 度），将C、 D 信号反向，叠加在 A、 B 两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个 Z相脉冲以代表零位参考位。 由于 A、 B两相相差 90 度，可通过比较 A相在前还是 B 相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。 编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿河南理工大学毕业设计（论文）说明书 1 命均要差一些。 分辨率 — 编码器以每旋转 360 度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度 5~10000 线，我们使用的是 157 线。 其特点是易于接线的连接装置型。 其内部原理图如下所示： Pin Color of Lead Wire Description 1 2 3 4 Black Brown Red Orange Anode Cathode Collector Emitter 编码器内部原理图 由于光电管器件直接输出数字脉冲信号，因此可以直接将这些脉冲信号连接到单片机的脉冲计数器端口。 但是 MC9S12XS128 的内部只有一个脉冲计数器，所以必须要外接一个外部的脉冲计数器，将 CD4520 级联后可以得到 8 位的脉冲计数器，如图 所示： 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 1 CLK1EN2R7Q03Q14Q25Q36U?A4518CLK1EN2R7Q03Q14Q25Q36U?A451812345678P?Header 8HVCCR?10KVCC编码器输入VCC计数清零 CD4520 的 8 位脉冲计数器电路图 路径检测模块 路径检测模块是智能车系统信号的输入模块主要检测的赛道对道路偏离量，这些信息是小车沿赛道运行的信息基础获得更多、更远、更精确的塞到信息是提高车模运行速度的关键。 所以，路径检测的好坏直接关系到最终性能的优劣。 对于小车路径信息的采集的方式如下所示： 方案一：红外传感器的检测方式，优点：电路设计相对简单、检测速度信息快、调试简单、成本低。 缺点：道路参数检测精度低、道路参数检测种类少、传感器的个数较多、检测距离前瞻较短、耗电量较大。 方案二：摄像头检测方 法，优点：检测前瞻距离大、检测范围宽、检测道路参数较多。 缺点：电路设计复杂、软件计算量大、监测信息更新速度快。 综上所述每个方案都有自己的优缺点，综合考虑摄像头检测方法比较好，它能够使检测到的道路信息更加的精确，有利于小车的速度提高。 其中摄像头检测方案中可任意用线阵 CCD 也可以用面阵 CCD。 线性 CCD 通常将 CCD 内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。 所河南理工大学毕业设计（论文）说明书 1 需相数由 CCD 芯片内部结构决定，结构相异的 CCD 可满足不同场合的使用要求。 线阵 CCD 有单沟道和双沟道之分，其光敏区是 MOS 电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。 它由光敏去阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制。 可以同时储存一行电视信号 .由于其单排感光单元的数目可以做得很多，在同等测量精度的前提下，其测量范围可以做的较大，并且由于线阵 CCD 实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率响应高，能够实现动态测量，并能在低照度下工作。 面阵 CCD 量。 面阵 CCD 的优点是可以获取二维图像信息，测量图像直观。 缺点是像元总数多，而每行的像元数一般较线阵少，帧幅率受到限制。 ，线阵CCD 获取图像的方 案在以下几方面仍有其特有的优势：线阵 CCD 加上扫描机构及位置反馈环节，其成本仍然大大低于同等面积、同等分辨率的面阵 CCD；扫描行的坐标由光栅提供，高精度的光栅尺的示值精度可高于面阵 CCD 像元间距的制造精度，从这个意义上讲，线阵 CCD 获取的图像在扫描方向上的精度可高于面阵 CCD 图像。 本系统要求对数据的处理速度较快，而且精度要求较高，所以本系统采用 TSL1401 线性 CCD 来采集路面信息。 试验表明 TSL1401 线性 CCD 的输出信号和环境光线密切相关，在自然光条件比晚上灯光下 AO 引脚输出电压值高出很多，正对着光线比背着光线输出电压高，白炽灯光下比日光灯下输出电压高。 因此，同一参数（曝光时间、镜头光圈）难以适应各种环境，在光线较弱环境下的参数在强光下会出现输出饱和，在较强光线下调节好的参数在弱光下输出电压过低，甚至处于截止状态。 在智能车应用中，白天自然光环境和晚上灯光环境、正对光和背光、不同的比赛场地之间都不能采用相同的曝光参数。 与输出电压密切相关的参数是曝光量，曝光量取决于 CCD 模块所采用的镜头光圈大小和程序所控制的曝光时间。 智能车为适应各种运行环境，必须实时感知环境，并根据环境闭环调节曝光量，使得在不同环境中曝光量都处于一个合理的范围，这样才能保证在不同环境中 CCD 输出电压在合理范围，以利于算法提取黑线信息。 镜头相关参数一旦选定在智能车运行难以改变，曝光时间比较容易通过河南理工大学毕业设计（论文）说明书 1 程序控制，因此比较容易实现的调整曝光量方法是通过软件调整曝光时间。 根据上一节所述，可以通过调整曝光时间来适应各种环境，在弱光环境增大曝光时间，在强光下减小曝光时间。 但是曝光时间不能无限增 大的，因为增大曝光时间势必降低采样率（每秒采样次数）采样率低控制周期就长，智能车反应就慢。 根据历届摄像头车参赛经验， 1 米的前瞻， 情况下，控制周期不得高于 20ms（采样率不得低于 50Hz），否则智能车转向机构反应再快也无法很好跟随赛道而冲出赛道。 控制周期不高于 20ms 就意味着曝光时间不能超过 20ms。 试验时，我们将 TSL1401 线性 CCD 曝光时间调整到 20ms（采用周期 20ms），分别在强光、弱光、灯光不同环境进行采用，采样数据表明环境光线较弱时 CCD 输出信号较 低，以致赛道黑线信息不够明显，晚上日光灯环境下输出信号电压值更低，几乎接近 0，根本无法辨别赛道信息。 由于智能车制作和调试很大部分时间都是在晚上，因此必须在不降低采样率的情况下，增大晚上弱光环境下线性 CCD 的输出电压。 要增大输出电压，简单有效的方法就是放大输出信号，我们可以采用运放来放大。