基于单片机的智能寻迹小车设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)

基于单片机的智能寻迹小车设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

作模式的各按钮状态；顶视显示系统安装于汽车挡风玻璃上，可以为驾驶员传递路况信息、卫星导航信息，控制中心显示系统的液晶显示触摸屏能够为驾驶员提供各种信息界面显示，如电话、温度控制、电视 、车辆状态信息、车载移动办公、导航、网站浏览、娱乐等。 乘客通过连接在座椅上的通讯接口，也能享受这些功能。 信息融合技术是当今智能汽车的发展前景，信息融合技术使得车辆能够利用多传感器集成技术以及融合技术，结合环境信息、交通状况信息做出一个最优决策，实现车辆自动感知前方的障碍物，及时采取措施进行避让；通过对前方信号的识别，自动停车或继续运行；通过对路标的自动识别，避免违章行为等，从而可以大大降低车辆事故的发生，同时减轻司机驾驶的负担，尽量降低司机疲劳驾驶的可能性。 当然，智能汽车的发展还有很长的路要走，但是未来交 通必然是由智能车主宰，再配合上智能交通系统，人们的梦想 —— 高速安全便捷的交通运输将不再是梦。 安徽理工大学毕业设计 6 2 系统方案论证 本文所述的智能车是一种自动导引小车，能够在给定的区域内沿着轨迹自动行进。 小车运行过程由方向检测和电机驱动两个部分进行控制，采用与白色地面颜色有较大差别的黑色线条作为引导。 智能车寻迹系统采用红外反射式光电管识别路径上的黑线，并以最短的时间完成寻迹，用 MC9S12XS128 单片机扫描光电传感器组，对采集到的信号进行分析处理并作出逻辑判断后，得到行进方向，再通过加长转臂的舵机驱动前轮转向，实现智能车的寻 迹行进。 智能车的驱动采用直流电机，并采用 PWM 实现直流电机的调速，为使智能车快速、平稳地行驶，系统必须把路径识别、相应的转向伺服电机控制以及直流驱动电机控制准确地结合在一起。 本文对智能车的寻迹、避障及速度控制等进行了研究。 设计自动控制器是制作智能车的核心环节。 自动控制器是以单片机为核心，配合有传感器、电机、舵机、电池、以及相应的驱动电路，它能够自主识别路径，控制模型车高速稳定运行在跑道上。 道路检测方案设计 智能小车需要实现自主寻迹，因而需要选择合适的寻线传感器。 针对这个系统，传感器主要负责采集路面 信息。 赛道路面用专用白色基板制作，跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽 25mm。 由于探测条件比较宽松，所以传感器的选择余地很大。 大致可以分为两种方案。 （ 1）红外发射 /接收管检测方式，也即光电传感器检测方式。 通过红外发光管发射红外线光照射跑道，跑道表面与中心线具有不同的反射强度，白色反射回来，而遇黑色吸收，利用红外接收管可以检测到这些信息。 这种光电传感器一般安装在小车的前端，可以安装一排，也可以前后安装两排，总共大约十几个，这样，可以根据道路颜色反射回来的信息来确定小车中心与黑色中心线之间的位置关 系。 通过合理安排红外发射 /接收管的空间位置就可以检测到模型车前方道路相对小车的位置。 （ 2） CCD/CMOS 摄像头检测方式。 将摄像头认为是一种传感器，利用单片机采集道路前面的图像，通过软件处理获取赛道的各种参数。 由于赛道本身只包括黑白两种颜色，采用黑白图像传感器即可满足要求。 CCD/CMOS 摄像头有面阵和线阵两种类型，它们在接口电路、输出信号以及检测信息等方面有着较大的区别，面阵摄像头可以获取前方赛道图像信息，而线阵 CCD 只能获取赛道一条直线上的图像信息。 所以线阵的 CCD 可以看做分辨率很高的红外检测方式。 道路 检测也可以采用红外与摄像头混合检测方式，但是这种方式安装有很大的难度。 光电传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快，但是其前瞻距离有限；光电管通过红外收发管检测接收到的反射光强弱，以此判断赛道黑线，具有反应速度快，电路简单，检测信息速度快，成本低的优点； CCD 摄像头则是通过图像采集，动态拾取安徽理工大学毕业设计 7 路径信息来进行寻线判断。 采用 CCD 摄像头寻迹则能大幅度提升小车的前瞻距离，有利于小车提高车速。 但是它是以实现小车视觉为目的的，电路设计复杂，检测信息更新速度慢，数据处理量比较大，算法较为复杂。 如何对摄像头 记录的图像进行处理和识别，加快处理速度是摄像头方案的难点之一。 比较见表 21 所示。 表 21 两种道路检测方法优劣比较 资料来源： 学做 智能车 — 挑战“飞思卡尔”杯 在比较了两种传感器优劣之后，考虑到光电传感器前瞻比较近单行扫描，视野比较小而且检测精度不够高，决定选用摄像头，相信通过选用合适的摄像头，加之精简的程序控制和较快的信息处理速度，摄像头还是可以极好的控制效果的。 选择光摄像头需要分析比较解决以下几个方面的问题。 （ 1）根据其原理不同分摄像头主要分为两种： CCD(Charge Coupled Device)摄像头， CMOS 摄像头。 CCD 也称电耦合器件，其工作原理是：被摄物体反射光线到摄像头上，经过镜头聚焦到 CCD 感光芯片上，感光芯片根据 光线的强弱积聚相应电荷，经周期性放电而产生表示图像的电信号。 CMOS摄像头其实跟 CCD 差不多，也是将光转换成电信号的器件。 它们的差异之处就是图像的扫描方式不同， CCD 是采用连续扫描方式，即它只有等到最后一个像素扫描完成后才进行放大； CMOS 传感器的每个像素都有一个将电荷放大为电信号的转换器。 所以 CMOS 的功耗比 CCD 要小。 但是 CCD 摄像头可以通过升压电路来解决这个问题（ 2）在小车行进的过程中由于车身的抖动， CMOS 摄像头采集到的图像有可能模糊不清，这样将会导致在处理采集到的数据时产生误差，最终影响小车的前进 路线。 而 CCD 摄像头则稳定得多。 所以最终决定选择 CCD 摄像头。 （ 2）消除外界环境光线的干扰。 摄像头采集图像的过程中对外界环境光线的要求很高，因为摄像头很容易受外界光线的干扰，从而导致采集的数据不准确。 可以采取的措施有：在摄像头的前端镜片上固定一个偏光片，这也就可以避免外界一些光线的干扰道路检测方法 优点 缺点 红外检测方法 1. 电路设计相对简单； 2. 检测信息速度快； 3. 调试简单； 4. 成本低 1. 道路参数检测精度低； 2. 道路参数检测种类少； 3. 传感器个数多； 4. 检测前瞻距离较短； 5. 耗电量较大 摄像头检测方法 1. 检测前瞻距离大； 2. 检测范围宽； 3. 检测道路参数多 1. 电路设计复杂，需要视频信号同步分离、工作 12电源电路等辅助电路； 2. 软件计算量大； 3. 检测信息更新速度慢 安徽理工大学毕业设计 8 （ 3）图像接收信号的接口电路。 摄像头采集图像后根据图像的灰度会产生变化的电压，它可以反映出赛道中心线的位置。 这个电压信息可以通过外部的电压比较器变成高低电平有单片机的 I/O 口端口读取，也可以通过单片机的 A/D 端口直 接读取。 通常单片机的I/O 口数量比较多，可并行输入传感器的状态，读取速度快，这种方式需要增加多路电压比较电路，增加了接口电路的复杂性，同时也将摄像头上连续变化的电压信息由于整形而丢失了。 通过单片机的 A/D 口直接读取电压的变化量，不仅可以简化外部电路的设计，同时还可以保留摄像头的连续变化电压信息，通过软件算法进行位置插值细化，不仅可以得到更加精确的位置信息，同时还可以消除环境光线的影响。 动力电机驱动电路设计 直流电机是智能车前行的动力所在。 要驱动、控制一个直流电动机需要设计直流电机驱动电路。 要驱动、 控制一个直流电机驱动电路，既可以使用分立的功率元件如 MOSFET搭建驱动电路，如半桥或 H 桥等；也可以使用集成的直流电动机功率驱动芯片。 由于使用分立的功率元件构成电路会使得整个智能小车的设计变得复杂，因而使用集成的芯片会使小车的系统更简单明了。 在此智能车系统中，采用的是 BTS7970 芯片来驱动直流电机。 BTS7970 是一种集成的 H 桥功率驱动芯片，应用的是 PWM 模块来控制直流电动机，芯片内部是 H 桥结构 ,内部结构图如图 21 所示。 图 21 BTS7970 内部结构图 安徽理工大学毕业设计 9 转向舵机控制 伺服电动机是把输入 的电压信号变为转轴的角位移或角速度输出，转轴的转 向与转速随信号电压的方向和大小而改变。 对舵机的驱动为一路 PWM 波，本设计采用两种供电方式，即一路 6V供电一路 供电，平时使用 6V。 由于额定电压为 5v～ 6v，但稍微高于额定电压会有更好的响应速度和扭力。 测速电路选择 为了使模型车能够平稳地沿着赛道运行，除了控制前轮转向舵机以外，还需控制车速，使模型车在急转弯时速度不要过快而冲出赛道。 在车轮没有打滑情况下，车速正比于驱动电机的转速。 车速检测一般式通过检测驱动电机实现的。 电机转速检测方法很多，大致 有以下方法： （ 1） 测速发电机。 采用同轴直连或者齿轮传动等方法，将测速发电机与驱动电机相连，它的输出电压正比与转速。 （ 2） 透射式光电检测。 相比反射式光电检测，它是具有齿槽结构的圆盘固定在后轮驱动机的输出轴上，采用直射式红外传感器读取齿槽圆盘转动脉冲，比如 ST130 传感器。 （ 3） 反射式光电检测。 在后轮齿轮传动盘上粘贴一个黑白相间的光码盘，通过固定在附近的反射式红外传感器读取光码盘转动的脉冲。 （ 4） 转角编码器。 分为绝对位置输出或者增量式位置输出两种。 一般可使用增量式编码盘。 它的输出脉冲的个数正比于电机转动的角度，从而使它的输出脉 冲的频率正比于转速。 可以通过测量单位周期内脉冲的个数或者脉冲周期得到脉冲的频率。 本文采用的即为此方法。 控制算法 这里主要完成对转向舵机和驱动电机的控制。 采用简单的闭环控制，使用基于反馈控制的 PID 算法为主要的控制算法。 包括三个部分：测量、比较和执行。 即把测量到的关心的变量与期望值比较，然后用这个误差纠正调节控制系统的响应。 在这种情况下，引入了 PID 控制器。 在实际应用中， PID 控制算法所控制规律为比例、积分、微分控制。 PID 是一种有效而简单的控制器，能够在保证不影响系统稳定精度的前提下提高系统的相对 稳定性，并很好地改善系统的动态性能。 根据有关实验，传统的 PID 控制算法在寻找机器人转向控制中表现出来的性能很好，所以智能车的转向控制算法也使用 PID 算法。 但是由于智能车本身存在一些特异的故有特性，单纯的 PID 控制无法有效地控制智能车，必须加入一些基于驾驶经验的方法。 首先，智能车车体惯量较大，车体控制响应频率较低；其次动力电机和舵机的响应安徽理工大学毕业设计 10 速度有限；再次，智能车的差速机构很差，不利于作大的转弯动作。 这些特点时候使得智能车的控制滞后较大，且弯道性能较差。 为了克服这些问题，必须使智能车能够提前检测弯道必备并减速 过弯。 在实际的智能车系统中， PID 算法的运用存在一些问题： （ 1） 实际没有对速度进行限制，故需要对速度进行定义； （ 2） 对直线上的偏差进行不断地修正，即使是很小的偏差，小车也会不断地加速或减速，造成电能的损耗，影响速度的提高，并导致系统的不稳定； （ 3） 当系统有干扰信号时， PID 调节会出现超调甚至震荡现象，使系统不稳定。 安徽理工大学毕业设计 11 3 智能车硬件电路设计 系统结构框图 根据系统输入输出分析情况，结合其软硬件特点，在硬件上可将智能车系统划分为电源、单片机、传感器、动力电机、转向舵机和通讯调试等几个模块。 系统模块框图如图 31 所示。 在选定智能车系统采用摄像头传感器方案后 ，赛车的位置信号由车体上方的摄像头传感器采集，经 MC9SXS128 的 I/O 口处理后，用于赛车的运动控制决策，同 时内部 ECT模块发出 PWM 波，驱动直流电机对智能车进行加速和减速控制，以及伺服电机对赛车进行转向控制，使赛车在赛道上能够自主行驶，并以最短的时间最快的速度跑完全程。 为了对赛车的速度进行精确的控制，在智能车后轴上安装光电编码器，采集车轮转速的脉冲信号，经 MC9SXS128 捕获后进行 PID 自动控制，完成智能车速度的闭环控制。 转向控制系统中最重要的部分是舵机。 智能小车采用舵机的型号为 HS3010，该舵机扭力大，稳定性好，控制角度精确，但是响应灵敏度较差，存在严重的机 械滞后，而舵机的响应速度直接影响模型车通过弯道时的最高速度，提高舵机的响应速度是提高模型车平均速度的一个关键。 由于速度是比赛的关键，那么在 智能小车 的设计中设计一个好的电机驱动电路至关重要。 试验中发现， 而是采用了基于 H 桥驱动电路的 PWM 控制技术，方便地实现电机的正转和制动。 智能小车竞赛是基于同一开发平台上设计的小车竞速比赛，因而智能小车的速度和稳定性是决定比赛成绩的关键。 单片机 控制模块 电源模块 赛道信息采集 速度检测模块 辅助调试模块 舵机控制模块 电机控制模块 安徽理工大学毕业设计 12 图 31 系统结构框图 CPU 小系统设计 CPU简介 MC9SXS128 是 HCS12 家族的一个成员。 该器件包括大量的片上存储器和外部 I/O。 MC9SXS128 是一个 16 位器件，有 16 位中央处理单元（ HCS12CPU）、 128KB Flash、8KB RAM、 2KB EEPROM 组成内存储器。 同时还包括 2 个异步串行通信接口（ SCI）、2 个串行外设接口（ SPI）。