飞思卡尔智能车竞赛设计方案

飞思卡尔智能车竞赛设计方案内容摘要：

前 10cm处的信息，最远的视野范围还可以达到车前 80cm，大大地增加了前瞻性；当摄像头安装在车前，为了检测到车前 10cm处的信息并且能有一定的前瞻性，就要增大摄像头俯角、提高摄像头高度，在摄像头高度不至于使车身重心过高的前提下，视野范围只能达到车前 40cm。 比较两种安装方式，可以发现，图 (a)这样将摄像头安装在车后部的做法比较可行，这样，既能降低智能车重心，前瞻性上又远远优于后一种安装方式。 当然，采用摄像头安装在车后部的方式时，由于原始的电池位置、驱动电机等部 件都在车后部，会造成车身重心的进一步后移，对智能车的制动和操纵稳定性不利。 在实际使用中， 可以 将电池前移，以使车身的重心处在一个比较平衡的位置。 其它机械结构的调整 另外，在模型车的机械结构方面还有很多可以改进的地方，比如说车轮、悬架、底盘、车身高度等。 模型车在高速的条件下 (2． 3m／ s~3． 5m／ s)，由于快速变化的加减速过程，使得模型车的轮胎与轮辋之间很容易发生相对位移，可能导致在加速时会损失部分驱动力。 在实第五章 开发工具及制作调试过程 验中调试表明，赛车在高速下每跑完一圈，轮胎与轮辋之间通常会产生几个厘米的相对位移，严重影响 了赛车的加速过程。 为了解决这个问题，我们在实际调试过程中对车轮进行了粘胎处理，可以有效地防止由于轮胎与轮辋错位而引起的驱动力损失的情况。 此外，我们还对模型车的前后悬架弹簧的预紧力进行调节，选用不同弹性系统的弹簧等方法进行了改进，并且对车身高度，以及底盘的形状和质量、后轮的 轮距等，都进行了相应的改进和调整，均取得了不错效果。 第四章 硬件系统设计方案 硬件系统总体框图 飞思卡尔 智能车 竞赛 只 能 用唯一 指定 的 MCU（ 本届为 MC9S12X系列 ）作为系统的中央处理单元，所以 智能车 的所有输入量都必须最终读入 MC9S12X单片机 进行计算，而所有的执行机构全部由 MC9S12X直接进行控制。 如图 41 为系统硬件 系统框 图。 电源管理模块 电源 管理 模块的作用是为系统中其它各个模块提供所需要的电源。 设计中，除了需要考虑到电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。 电源的稳定、可靠是整个硬件电路稳定运行的基础。 根据智能车各硬件部分能源消耗的需求以及对可靠性的要求，对供电单元的设计提出了 以下几点要求 : (1).可充电电池必须能够提供足够的功率，即使在各设备处于最大负荷的状态； (2).各设备的供电电路应该分开，彼此之间应有有效隔离，不能相互影响，尤其要保证 MCU控制单元的供电电压的稳定； (3).应考虑供电单元的散热设计、 PCB走线的电流通过能力、以及过流、过压、短路保护。 同时，对电池电压实时监控，电压过低时，有报警指示。 (4).在满足以上 3条的基础上，尽量减小体积，提高集成度。 根据选择的摄像头为路径识别方案，其主要的 电源 管理 模块 包括 ：主电源、舵机电源、摄像头电源、电机驱动电源、测速传感器电源、各芯片 供电等组成。 主电源：是一块镍镉电池。 它的额定输出电压为 ，这种电池一般充满电后电压多在 左右，当电池电压低至 便无法使小车正常行驶。 舵机电源：由于舵机的反应速度和电压有关，为了使舵机的反应延迟最小，可以采用主电源直接供给的方法，即直接取电池 直流电压。 摄像头电源：采用 MC34063DCDC 升压芯片，将电源电压由额定电压值的 升到 12V调试与测试模块 主控制器 模块 MC9S12X 图像采集视频信号分离 检测 速度传感器模块 舵机转向控制模块 直流电机驱动模块 电源管理模块 第五章 开发工具及制作调试过程 供给摄像头。 电机驱动电源：由于比赛规定不能使用 DCDC 升压给电机驱动，采用直接取自 的镍镉电池。 主控制板电源：主控制板主要使用 5V 供电，其中主要包括微控制器电源、视频分离电路电源、测速传感器电源、电机驱动芯片 33886 电源。 5V 电源由稳压芯片 LM2940 提供。 各电源模块与主电源之间的关系如下框图： 在电路设计中，考虑到由于电机驱动所引起的电源输出不稳定 (主要为瞬态脉冲 )，在电源输出端，各芯片电源引脚都加入了滤波电路。 为了避免由于驱动电机转动时所引起的电磁干扰，在印制板上做了敷铜处理，将电路中的 “ 地 ” 与敷铜面相连接。 4． 2 .1 5V稳压电路 5V 电源由低压差稳压芯片 LM2940 及外界滤波电容构成。 芯片 LM2940 的特点是低压差，即正常工作时所需的输入端与输出端间压差较低，仅为 ，只要电池电压高于 ，它就可以提供稳定的 5V 电源。 此外，它最大可以提供 1A 的输出电流，可以很好的满足该系统的要求。 如下图。 图 LM2940接线图 4 .2 .2 9V稳压 电路 通常情况下一般电池的电压低于 8V，需要使用 DCDC升压电路产生 9V电压供给 CMOS摄像头。 可以 选择使用 MC34063 作为升压电路的控制芯片。 使用不同的外围电路可以产生不同的电压值。 如下图 是由 MC34064 构成的 BOOST 型升压电路。 运用公式 V=*（ 1+R2/R1）其中通过改变 R1,R2 的阻值可得到相应的电压。 电路中通过调节变阻器 R7 得7. 2V主电源 912V 升压电路 5V 降压 稳压电路 稳压电路 摄像头 视频分离 单片机 测速传感器 舵机 驱动电机 第五章 开发工具及制作调试过程 到合适的 R2/R1 的值。 图 MC34063 构成的 BOOST 型升压电路 电压转换及稳压电路设计应考虑的几点问题： 一、 如何获得相对稳定可靠的 DCDC 电路。 首先， DCDC 电路 设计至少 需 要考虑以下条件： 1. 外部输入电源电压的范围，输出电流的大小。 2. DCDC 输出的电压，电流，系统的功率最大值。 然后，对于一个 电源纹波相对较小、对系统其他电路干扰相对较小，而且相对稳定可靠的DCDC 电路，需要对以一般的 DCDC 变换典型原理电路 （见下图） 做如下修改： 1. 输入部分：电源输入端需要加电感电容滤波。 目的：由于 MOS 管的开关及电感在瞬间的变化会造成输入电源的波动，尤其是在系统耗电波动较大时，影响更为明显。 ： （ 1）假定 C2 的选择的 100uF 是正确的，我们想得到更小的纹波，可以将 100uF 的电容改成两颗 47uF 的电容（基于相同类型的电容）；如果 100uF 电容采用的是铝电解，可以在原来的基础上加一颗 10uF 的磁片电容或钽电容。 （ 2） 在输出端再加一颗电容和一颗电容对原来的电源做一个 LC 滤波，会得到一个纹波更小的电源。 二、 稳压电路的主要稳压芯片 总结归纳如下 ： • 序号芯片型号输出电压特点 • 1 LM78055 串联稳压，输入电压需大于 7V • 2 LM2575, LM25765 开关稳压，输入大于可低至 • 3 LM294055 串联稳压，工作要差可小于 • 4 LM1117 ～ 5 可调整输出 800 mA 电流压差可小于 • 5 LM78066 串联稳压 第五章 开发工具及制作调试过程 • 6 LM1085, LM10845 串联稳压， 3A, 压差 • 7 ～ 5 低压差稳压芯片， 35mV/100mA • 8 MC34063API3 ~ 40V 开关稳压，可构成升压、降压斩波电路 • 9 MAX6385 开关稳压，压差可以低至 1V • 10 MAX758A5 开关稳压，输入电压宽： 4～ 16V • 11 MAX734, MAX63212 开关稳压，输入电压 ～ 12V • 12 Μ pc24A055 输出 2A 时，压差小于 1V • 13 MC339895V 可调整串联稳压，低压差，可以提供两路稳压电源 图像 处理 模块 图像 处理 原理： 摄像头按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采集图像上的点，当扫描到某点时，图像传感芯片就将该点图像的灰度转换成对应的电压值，并通过视频信号端输出 [2]. 输出的视频信号有着固定的格式，某一帧数据的视频信号，除了包含图像信号之外，还包括了行同步信号、行消隐信号、场同步信号以及场消隐信号等； 因此要对视频信号进行采集，就必须准确地把握各种信号间的逻辑关系 . 视频同步信号分离芯片的作用就是从摄像头采集的视频信号中分离出行信号和场信号，再由微控制器将模拟信号转换成对应的数字量存储在 RAM 中 .系统的整体结构如图 1 所示 . 图 1 实时图像处理系统的整体结构 图像采集及 视频分离电路，参见《基于摄像头的智能车路径识别系统的设计》一文详细方案。 图像处理及视频分离，信号控制参见下一章对软件控制系统的介绍。 速度检测模块 4． 4． 1 测速传感器 的选择 在速度检测方案上，考虑的测速方法主要有雀尔传感器测速、光电传感器测速、光电编码器测选。 (1)霍尔传感器 霍尔传感器是种采用半导体材料制成的磁电转换装簧。 在主后轮驱动齿轮处，通过打孔，将几块很小的稀土磁钢镶在旱面，然后将霍尔元件安装在附近，通过检测磁场变化，可以得到电脉冲信号，获取后轮转动速度。 该方案的优点是：获取信息准确，体积小，不增加后轮负载。 其缺点是：驱动齿轮处靠近行进电机，容易受磁场干扰，而且对齿轮打孔易损坏齿轮。 (2)光电传感器 光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。 它分为 直射式和反射式两类。 直射式光电转速传感器的读数盘和测量盘有间隔相同的缝隙。 测量盘随被测物体转动，每转过一条缝隙，从光源投射到光敏元件上的光线产生一次明暗变化，光敏元件即输出电流脉冲信号。 反射式光电传感器在被测转轴上设有反射记号，由光源发出的光线通过透镜和半透膜入射到被测转轴上。 转轴转动时，反射记号对投射光点的反射率发生变化。 反射率变大时，反射光线经透镜投射到光敏元件上即发出一个脉冲信号；反射率变小时，光敏元件无信号。 在 一 定时间 内对信号计数便可测出转轴的转速值。 光电传感器检测方法具有精度高、反应快、非接触等优 点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样。 其缺点是：精度受到光电管体积的限制。 (3)光电编码器 光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。 光栅盘与电动机同轴，电动机旋转时，光 摄像头 视频分离 微控制器 第五章 开发工具及制作调试过程 栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。 该方案的优点是：获取信息准确，精度高，实现容易。 其缺点是：增加后轮负载；光电编码器体积较大，导致车重增加。 通过比较以上三种方案，考虑到系统的可靠性，首先排除霍尔元件方案，因为主后轮传动 齿轮为塑料质地，打孔比较危险，同理排除光电传感器的直射型方案。 由于赛车车体空间限制，而光电编码器体积较大，考虑到车重的任何增加都有可能影响到车速，因此放弃光电编码器方案。 最终，采用反射型光电传感器方案。 测速电路的设计 一般对于反射型光电传感器测速方案， 选用红外发射／接收管 STl 88 作为传感元件，发射管的限流电阻为 500 Q，接受管的分压电阻为 25 欧 ，这样选择电阻的好处是发射管电流适中，且接收管信号可以不经比较器直接输入单片机的引脚 PT3。 为了得到和小车速度一致的脉冲信号，在主驱动齿轮上粘贴纸 质黑白码盘。 当码盘随着主驱动齿轮转动时，光电管接收到的反射光强弱交替变化，由此可以得到一系列脉冲信号，将此脉冲信号输入到单片机的 EcT 模块中，利用其强大的脉冲捕捉功能，同时捕捉脉冲的上升沿和下降沿。 根据上述原理，后轮转动一圈，采用如图 4． 11 的圆盘，可获得 32 个脉冲边沿触发信号。 通过累计一定时间内的脉冲数，或者记录相邻脉冲的间隔时间，可以得到和车速相对应的参数值。 其中 一对红外发射／接收管和贴在行进电机齿轮上的黑白纸质码盘 的相对安装位置如图 所示， 红外发射／接收管用细铁丝绑在两根铝条做成的固定支架上，支 架用螺钉固定在车尾。 这样固定好之后，速度传感器就有了很好的稳定性。 速度控制方案的选择 对于赛车速度的控制有以下三种方方案： (一 )：通过机械接触车轮实现减速。 这种方案使用的范围很广，也很有效，但机械加工复杂，需要对车体作改造。 (二 )：使行进电机短时间停机实现减速。 这种方案可控性强，适合于轮轴自锁的电机，如减速电机与步进电机，但由于车体的惯性作用，从刹车到停止需要一段缓冲时间，容易造成赛车由直道进入弯道时冲出跑道，限制了直道车速，而且使其弯道运行时连贯性很差。 (三 )：使行进电机瞬时反 转来快速实现减速。 这种方案适合于直流电机，相当于给车轮一个反向力矩来迅速降低小车的速度，其减速效率明显优于方案二。 经实验验证，其速度上连贯性也优于方案二。 经过比较 ，考虑到 进一步精确控制赛车 的 速度， 决定 采用方案二与方案三相融合的赛车速度策略，同时引入速度闭环控制，即通过对速度传感器获取的当前实际车速与期望车速度的比较来确定车速的增加量或减少量，调整行进电机 PwM 驱动信号的。