便攜式傳感器巡檢儀實(shí)習(xí)報(bào)告羅長(zhǎng)海

1、PAGE PAGE 21實(shí)訓(xùn)題目：基于STM32的智能小車設(shè)計(jì) 201002411201002411羅長(zhǎng)海羅長(zhǎng)?？刂乒こ炭刂乒こ腾w建敏趙建敏2011目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc293642951 第一章 引言1 HYPERLINK l _Toc293642952 1.1 緒論1 HYPERLINK l _Toc293642953 1.2 課題研究的背景 PAGEREF _Toc293642953 h 1 HYPERLINK l _Toc293642954 1.3 國(guó)外智能車研究概況 PAGEREF _Toc293642954 h 2 HYPERLIN

2、K l _Toc293642955 1.3 選題的目的及意義 PAGEREF _Toc293642955 h 3 HYPERLINK l _Toc293642956 1.4 課題研究的內(nèi)容 PAGEREF _Toc293642956 h 3 HYPERLINK l _Toc293642957 第二章 硬件的電路設(shè)計(jì)部分 PAGEREF _Toc293642957 h 3 HYPERLINK l _Toc293642958 2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 PAGEREF _Toc293642958 h 4 HYPERLINK l _Toc293642959 2.2主控芯片STM32 PAGEREF _T

3、oc293642959 h 4 HYPERLINK l _Toc293642960 2.2.1 STM32的介紹 PAGEREF _Toc293642960 h 4 HYPERLINK l _Toc293642961 2.2.2 STM32的AD模塊 PAGEREF _Toc293642961 h 5 HYPERLINK l _Toc293642962 2.2.3 STM32的通用定時(shí)器 PAGEREF _Toc293642962 h 5 HYPERLINK l _Toc293642963 2.3 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng) PAGEREF _Toc293642963 h 5 HYPERLINK l _T

4、oc293642964 2.4 轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc293642964 h 6 HYPERLINK l _Toc293642965 2.5 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc293642965 h 7 HYPERLINK l _Toc293642966 2.6 光電傳感器探測(cè)頭的排列安裝 PAGEREF _Toc293642966 h 8 HYPERLINK l _Toc293642967 2.7電源電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc293642967 h 8 HYPERLINK l _Toc293642968 第三章 軟件的設(shè)計(jì)部分 PAGEREF _Toc

5、293642968 h 10 HYPERLINK l _Toc293642969 3.1 光電傳感器路徑的識(shí)別 PAGEREF _Toc293642969 h 11 HYPERLINK l _Toc293642970 3.1.1 路徑識(shí)別的方案的選擇及比較 PAGEREF _Toc293642970 h 11 HYPERLINK l _Toc293642971 3.1.2 紅外傳感器型號(hào)的選擇 PAGEREF _Toc293642971 h 12 HYPERLINK l _Toc293642972 3.1.3 對(duì)光電傳感器輸出模擬量的轉(zhuǎn)換 PAGEREF _Toc293642972 h 12

6、HYPERLINK l _Toc293642973 3.1.4 光電傳感器的狀態(tài)分析 PAGEREF _Toc293642973 h 13 HYPERLINK l _Toc293642974 3.1.5 數(shù)字濾波（經(jīng)AD轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量） PAGEREF _Toc293642974 h 14 HYPERLINK l _Toc293642975 3.1.6 求的光電傳感器處在黑線上的個(gè)數(shù) PAGEREF _Toc293642975 h 15 HYPERLINK l _Toc293642976 3.1.7 黑線的中心點(diǎn)的判定 PAGEREF _Toc293642976 h 15 HYPERLINK

7、l _Toc293642977 3.1.8路徑識(shí)別的彎道策略分析 PAGEREF _Toc293642977 h 15 HYPERLINK l _Toc293642978 3.1.9 路徑識(shí)別的概括 PAGEREF _Toc293642978 h 16 HYPERLINK l _Toc293642979 3.2 PID控制算法在本智能車上的應(yīng)用 PAGEREF _Toc293642979 h 16 HYPERLINK l _Toc293642980 3.3 STM32定時(shí)器的PWM的輸出實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc293642980 h 17 HYPERLINK l _Toc29364298

8、1 3.4 智能小車總的程序框圖 PAGEREF _Toc293642981 h 18 HYPERLINK l _Toc293642982 第四章 總結(jié) PAGEREF _Toc293642982 h 19第一章 引言1.1 緒論智能車作為智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是許多高新技術(shù)綜合集成的載體，而汽車自主駕駛技術(shù)的研究在公路管理、交通運(yùn)輸?shù)确矫嬗兄鴱V闊的應(yīng)用前景，受到廣泛的重視。自主駕駛?cè)蝿?wù)的自動(dòng)完成將給人類社會(huì)帶來很大的影響，例如能夠切實(shí)地提高道路網(wǎng)絡(luò)利用效率、降低車輛的燃油消耗量，尤其是在改進(jìn)道路交通安全等方面提供了新的解決途徑。除了在增加駕駛安全和減少道路交通安全等方面表現(xiàn)出來的優(yōu)勢(shì)外，智

9、能車的研究有利于提高道路的通行能力，從而實(shí)現(xiàn)交通環(huán)保節(jié)能。近十年來，智能交通系統(tǒng)(ITS)方面的研究工作已經(jīng)得到了世界上許多研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，同時(shí)己經(jīng)研發(fā)出了一些智能化的原型車輛，并進(jìn)行了路面測(cè)試。在智能化原型車研發(fā)過程中，得益于一些交叉學(xué)科的相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)，如機(jī)器人技術(shù)、人工智能、自動(dòng)控制、電子通訊、信號(hào)處理技術(shù)等，從中得到許多新觀點(diǎn)，新方法。1.2 課題研究的背景90年代以來，計(jì)算機(jī)、電子、圖像處理等技術(shù)飛速發(fā)展，在這種背景下，將各種先進(jìn)技術(shù)運(yùn)用到汽車工程中，減少交通事故，減輕駕駛員勞動(dòng)負(fù)荷的思想就應(yīng)運(yùn)而生，一門新興的交叉學(xué)科智能車輛系統(tǒng)IVS(Intelligent Vehicle Syst

10、em)產(chǎn)生了。智能車廣義上屬于移動(dòng)機(jī)器人范疇，是集環(huán)境感知、規(guī)劃決策等功能于一體的綜合系統(tǒng)，能夠在出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間自主駕駛移動(dòng)。移動(dòng)機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。例如，在工業(yè)生產(chǎn)中，可以代替人類完成惡劣環(huán)境下的貨物搬運(yùn)、設(shè)備檢測(cè)等任務(wù)；在軍事上，可以在危險(xiǎn)地帶代替人類完成偵察、排雷等任務(wù)；在民用上，可以作為導(dǎo)盲車為盲人提供幫助；在科學(xué)研究方面，可以代替人類完成外星球勘探或者礦藏勘探等。智能車輛技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)前景，這吸引著各大汽車公司的大力投入，大大加速了智能車輛的適用化進(jìn)程。目前，在歐洲和日本的某些轎車上，已經(jīng)應(yīng)用了適應(yīng)性巡航控制，本田、尼桑和豐田公司各自在先進(jìn)安全性車輛計(jì)劃中發(fā)

11、展了車道定位系統(tǒng)，通過路邊標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行車輛導(dǎo)航，并自動(dòng)控制車輛速度。2003年，由國(guó)防科技大學(xué)和中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司聯(lián)合研制的我國(guó)第一輛自主駕駛紅旗轎車在長(zhǎng)春?jiǎn)柺馈Ｎ覈?guó)在智能車輛技術(shù)領(lǐng)域的研究與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家有很大的差距，但無論是從學(xué)科發(fā)展、理論研究的角度，還是從發(fā)展汽車工業(yè)以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的角度看，超前研究都是必要的。在某一方面或某些方面，進(jìn)行深入、細(xì)致的研究，為今后智能車輛的發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，無疑具有深遠(yuǎn)意義。1.3 國(guó)外智能車研究概況目前，世界上智能車的研究主要有以下3個(gè)大的研究方向：1監(jiān)控、警告系統(tǒng)：這部分主要研究智能車前方碰撞警告、盲點(diǎn)警告、行車道偏離警告、換道警告、十字路口防

12、撞警告、行人檢測(cè)、倒車警告等方面的問題。2半自主式車輛控制系統(tǒng)：與上一部分相比，此部分具有更高級(jí)的車輛自動(dòng)化。如當(dāng)駕駛員對(duì)警告來不及反應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)接管車輛的控制，通過控制車輛的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、扭矩等使車輛回復(fù)到安全狀態(tài)。3自主車輛控制系統(tǒng)：此部分具有完全的車輛自動(dòng)化，研究包括車輛路況識(shí)別自主導(dǎo)航、低速等距行駛、排隊(duì)行駛等方面的問題。道路導(dǎo)航方面的研究是自主車輛控制研究領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向，目前，國(guó)內(nèi)外智能車輛一般采用視覺導(dǎo)航方式為主的技術(shù)路線，視覺導(dǎo)航將成為未來機(jī)器人導(dǎo)航的一個(gè)主要發(fā)展方向。但現(xiàn)有的視覺導(dǎo)航技術(shù)還沒達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的水平，存在檢測(cè)實(shí)時(shí)性不夠，應(yīng)用范圍有限，設(shè)備造價(jià)高等問題。因此在這個(gè)領(lǐng)域的

13、研究前景很廣闊。吉林大學(xué)1992年起開始智能車輛方面的研究，先后開發(fā)出JUTIV系列智能車輛，JUTIV-3型為實(shí)用型視覺導(dǎo)航車，已投入工廠進(jìn)行測(cè)試，JUTIV-4型高速智能車輛已完成整車安裝調(diào)試，利用多傳感器信息融合、人工智能、最優(yōu)控制理論，深入研究在非結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境下的道路導(dǎo)航和跟蹤、安全車距保持、換道超車等技術(shù)。在國(guó)防科工委和國(guó)家863計(jì)劃的資助下，清華大學(xué)自1988年開始研制THMR(Tsinghua Mobile Robot)系列移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。其中，THMR-V系統(tǒng)是清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系研制的新一代智能移動(dòng)機(jī)器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能。車上裝備有彩色攝像機(jī)、光電碼盤、激光測(cè)

14、距儀等，采用基于模糊控制的局部路徑規(guī)劃及導(dǎo)航控制。1.3 選題的目的及意義智能車融合了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、光電檢測(cè)、圖像處理與路徑識(shí)別、自動(dòng)控制和電機(jī)控制等多種技術(shù)，其研究成果應(yīng)用到很多領(lǐng)域中，例如擁有路徑跟蹤功能的自動(dòng)導(dǎo)引車便廣泛應(yīng)用于自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)、柔性加工生產(chǎn)線、柔性轉(zhuǎn)配線等領(lǐng)域，在一些惡劣的地面工作環(huán)境中，具有一定的危險(xiǎn)的工作就可以利用智能車來完成任務(wù)，基于機(jī)器視覺的智能車路徑跟蹤控制系統(tǒng)能夠更全面地獲取道路信息，利用各種有效的圖像處理算法對(duì)路徑進(jìn)行識(shí)別，提高了路徑識(shí)別的準(zhǔn)確性，拓寬智能車的視野，能對(duì)更遠(yuǎn)的路徑提前做好判斷，提高了智能車路徑跟蹤的平均速度和車身穩(wěn)定。作為能夠自動(dòng)進(jìn)行路徑跟蹤的智能

15、車，車身與控制器本身就是一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，有些控制理論與算法已非常成熟，且在實(shí)際應(yīng)用中效果非常好，一些新的控制算法在靈活性上也有很大的提高，因此對(duì)各種控制算法的靈活運(yùn)用能夠提高智能車路徑跟蹤系統(tǒng)的整體性能。目前，基于智能車模型的主要研究意在更快、更穩(wěn)地使智能車行駛在跑道規(guī)定范圍內(nèi)，在盡可能短的時(shí)間里跑完指定路程。在本課題中，通過采用何種方式對(duì)道路作出合理響應(yīng)，能夠準(zhǔn)確的在道路上更快、更穩(wěn)地行駛在跑道規(guī)定的范圍內(nèi)是智能車研究的難點(diǎn)。1.4 課題研究的內(nèi)容 在本課題中研究的目的是使智能小車在特定的賽道上能夠穩(wěn)定而且快速的行駛。課題的研究?jī)?nèi)容分為兩個(gè)方面硬件方面和軟件方面：(1).硬件方面主要是包括

16、智能小車的控制核心、直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)、速度的檢測(cè)裝置、路徑的檢測(cè)裝置和電源的管理等方面。(2).軟件方面包括智能小車路徑的識(shí)別、PID在智能小車上的應(yīng)用以及控制直流電機(jī)和轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的PWM的產(chǎn)生。這個(gè)三個(gè)方面路徑識(shí)別是智能小車研究的重點(diǎn)，對(duì)于智能小車只有正確采集路徑的信息才能平穩(wěn)而快速的行駛。路徑的識(shí)別涉及到傳感器的對(duì)路徑信息的采集、路徑信息的AD轉(zhuǎn)換以及針對(duì)路徑識(shí)別精確性的算法，除此之外路徑識(shí)別需要控制核心有高運(yùn)算速度和實(shí)時(shí)性，因而路徑識(shí)別是本課題研究的難點(diǎn)及重點(diǎn)。第二章 硬件的電路設(shè)計(jì)部分2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖智能小車控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，包括了轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)和為小車提供動(dòng)力

17、的直流電機(jī)、裝在小車前方的路徑識(shí)別傳感器、以及安裝在后輪上的測(cè)速傳感器、還有為系統(tǒng)各部分提供電源的電源管理模塊等。智能小車控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)參見圖2-1所示。 圖2-1 系統(tǒng)組成框圖 系統(tǒng)的工作流程：光電傳感器采集到的路徑信息（即模擬量），傳遞給STM32經(jīng)過內(nèi)部AD模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量通過一定比較，分別取各通道檢測(cè)黑線的最小值和檢測(cè)白線的最大值作為判斷是黑線還是白線的標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以保證光線對(duì)紅外光電傳感器的影響減少到最小，通過判斷黑線的位置，進(jìn)而通過舵機(jī)調(diào)整小車的方向，同時(shí)通過光電編碼器采集小車的速度，將反饋速度值通過PID運(yùn)算來控制小車的行駛速度，使小車能夠更加平穩(wěn)的在賽道上行

18、駛。 主控芯片STM322.2.1 STM32的介紹STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。按性能分成兩個(gè)不同的系列：STM32F103是增強(qiáng)型系列和STM32F101是基本型系列。增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時(shí)鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價(jià)格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是十六位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個(gè)系列都內(nèi)置32K到128K的內(nèi)存，不同的是SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時(shí)鐘頻率72MHz時(shí)，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5m

19、A/MHz。以下是STM32單片機(jī)的特點(diǎn)簡(jiǎn)介：最高72MHz的工作頻率，具有單周期乘法和硬件除法功能。512K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器；高達(dá)64K字節(jié)的SRAM；帶4個(gè)片選的靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器；2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器。12通道DMA控制器。支持定時(shí)器、ADC、DAC、USART等外設(shè)。2個(gè)控制定時(shí)器，6個(gè)通用計(jì)時(shí)器，滿足軟件中時(shí)序控制和定時(shí)的需求。多個(gè)USART外設(shè)，方便與外界溝通。符合2.0A和2.0B協(xié)議的主動(dòng)式CAN控制器。2.2.2 STM32的AD模塊針對(duì)AD轉(zhuǎn)換本設(shè)計(jì)充分利用STM32芯片自帶的AD轉(zhuǎn)換模塊，由于STM32內(nèi)部有3個(gè)ADC，每個(gè)ADC是12 位的逐次逼近型模擬數(shù)字

20、轉(zhuǎn)換器，最短轉(zhuǎn)換時(shí)間只有1s；它有18 個(gè)通道，可測(cè)16 個(gè)外部和2 個(gè)內(nèi)部信號(hào)源；各通道的A/D 轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)；ADC的結(jié)果可由轉(zhuǎn)換完成中斷處理由DMA傳送到指定緩沖區(qū)，對(duì)齊方式可以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在16 位數(shù)據(jù)寄存器中，由此可以看出STM32的高性能完全適合對(duì)路徑識(shí)別信息的處理。2.2.3 STM32的通用定時(shí)器STM32中有多達(dá)8個(gè)定時(shí)器，其中TIM1和TIM8是能夠產(chǎn)生三對(duì)PWM互補(bǔ)輸出的高級(jí)定時(shí)器。每個(gè)定時(shí)器都有一個(gè)16 位的自動(dòng)加載遞加/遞減計(jì)數(shù)器、一個(gè)16 位的預(yù)分頻器和4 個(gè)獨(dú)立的通道，每個(gè)通道都可用于輸入捕獲、輸出比較、PWM 和單脈沖模式輸出，

21、在最大的封裝配置中可提供最多12 個(gè)輸入捕獲、輸出比較或PWM 通道。它們還能通過定時(shí)器鏈接功能與高級(jí)控制定時(shí)器共同工作，提供同步或事件鏈接功能。 在本設(shè)計(jì)中采用STM32通用定時(shí)器的PWM模式，來產(chǎn)生PWM進(jìn)而達(dá)到對(duì)直流電機(jī)和轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的控制。2.3 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)在對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行速度控制，在本設(shè)計(jì)中采用的是通過PWM調(diào)速方式，通過改變PWM的占空比，不同的占空比來改變直流電機(jī)的速度，進(jìn)而控制小車行駛速度。為了使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的控制，在本設(shè)計(jì)中使用MOTOROLA公司的H橋芯片MC33886。該芯片的供電電壓在5V至40V之間均可，MOSFET管的導(dǎo)通電阻為120m， PWM的最高頻

22、率可達(dá)10kHz，同時(shí)具有短路保護(hù)功能和故障信號(hào)的輸出。V+是為直流電機(jī)供電的電源。IN1和IN2兩個(gè)邏輯電平輸入端分別控制輸出端OUT1和OUT2。當(dāng)IN1輸入高電平時(shí)，OUT1輸出也為高電平即通過H橋與V+導(dǎo)通；當(dāng)IN1輸入低電平時(shí)，OUT1輸出也為低電平即通過H橋與GND導(dǎo)通。IN2和OUT2的關(guān)系與此相同。FS為故障信號(hào)開漏極輸出，低電平有效。當(dāng)D1是高電平或者D2是低電平時(shí)，同時(shí)禁用OUT1和OUT2的輸出，使OUT1和OUT2同時(shí)變?yōu)楦咦钁B(tài)。通過控制IN1和IN2的電平，即可控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2-2所示。圖2-2 MC33886驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)圖2.4 轉(zhuǎn)向

23、伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)采用三線連接方法，即灰線為地線，紅線為電源線（電源可以采用4.8V、6V兩種標(biāo)準(zhǔn)），黃線為控制信號(hào)線。轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的控制信號(hào)采用PWM脈寬調(diào)制波，在特定的頻率（20ms的周期）和占空比下轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)特定的角度。表1述了在不同占空比的條件下，轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)所轉(zhuǎn)過的角度。表1 不同占空比的轉(zhuǎn)向角度控制轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的占空比（周期20ms）轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度0.5ms/20ms=2.5%- 901.0ms/20ms=5% - 45 1.5ms/20ms=7.5% 0 2.0ms/20ms=10% 45 2.5ms/20ms=12.5% 90由于小車前輪轉(zhuǎn)向只能在度范圍

24、內(nèi)，所以用于小車轉(zhuǎn)向的PWM波的占空比范圍為5%-10%之間，右轉(zhuǎn)極限位置時(shí)PWM波占空比為5%，左轉(zhuǎn)極限占空比為10%，頻率為50HZ。在了解了轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的控制方法后，利用單片機(jī)的PWM通道產(chǎn)生相應(yīng)頻率和占空比的PWM波形即可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)小車轉(zhuǎn)向的控制。2.5 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)速度檢測(cè)電路的基本原理為：在很短的時(shí)間內(nèi)，通過光電傳感器來測(cè)量固定在后輪的軸上的碼盤通過的孔數(shù)，輸送到單片機(jī)的脈沖累加器外部引腳，經(jīng)過換算計(jì)算出智能車的實(shí)際速度，為速度PID控制環(huán)節(jié)提供可靠的數(shù)據(jù)。光電傳感器是經(jīng)過改造制成的。以智能車原來所攜帶的安裝在后輪的軸上的齒輪作為碼盤，齒輪本身具有76

25、個(gè)齒，即相當(dāng)于光電碼盤上有76個(gè)孔，具有相當(dāng)?shù)木_度。另外自己制作基本的支架，通過光電傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)后輪電機(jī)的速度采集。光電傳感器的供電電壓為5V，外加1K的上拉電阻，輸出信號(hào)的是05V高低電平。具有齒槽結(jié)構(gòu)的圓盤固定在后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸上，采用直射式紅外光傳感器讀取齒槽圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖，再通過PB0(TIM2采集)返回給STM32單片機(jī)，STM32單片機(jī)通過通用內(nèi)部定TIM2采集脈沖數(shù)，經(jīng)過換算成小車的速度，為速度PID控制提供反饋速度。小車后輪的一圈的周長(zhǎng)是,安裝在后輪軸上的齒輪具有76個(gè)齒，即小車后輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈將引起76個(gè)脈沖數(shù)累積，假設(shè)對(duì)脈沖數(shù)的累積時(shí)間是t，在這段時(shí)間內(nèi)共獲得n個(gè)脈沖數(shù)累積

26、，則小車的速度為： 2.6 光電傳感器探測(cè)頭的排列安裝 智能車的傳感器排列如圖2-3所示，13個(gè)紅外傳感器均勻排列，每?jī)蓚€(gè)傳感器之間的距離為20mm，這樣做的目的是，并排列的兩個(gè)光電管可以同時(shí)比賽的黑線（25mm），這樣當(dāng)賽車在直道行駛時(shí)，通過中間的兩個(gè)傳感器可以使小車?yán)卫毋Q住黑線，使小車順利沿直線行走，加速行駛。為了防止紅外接收管受到漫反射的作用而受到干擾，不能準(zhǔn)確探測(cè)預(yù)定點(diǎn)的位置，采取了用分別點(diǎn)亮光電管的方法，這樣，使得其抗干擾能力大大加強(qiáng)。 圖2-3 模型車激光傳感器一字排布圖電源電路的設(shè)計(jì) 電源電路為系統(tǒng)其它各個(gè)模塊提供所需要的電源。在設(shè)計(jì)中，除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之

27、外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲、防止干擾和電路簡(jiǎn)單等方面進(jìn)行優(yōu)化。但是，由于電池提供的電壓是7.2V，而舵機(jī)需要6V電壓供電，單片機(jī)模塊，路徑識(shí)別模塊和測(cè)速模塊需要5V電壓供電，動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊需要使用7.2V和5伏兩種電壓。因此需要電壓轉(zhuǎn)換電路來得到相應(yīng)的電壓。（1）電壓管理方案選擇與比較方案一：采用普通的電源管理芯片7805和7806。但由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)引起電壓瞬間下降的現(xiàn)象，且產(chǎn)生大量熱量，容易誘發(fā)不安全因素。所以，沒有采用此方案。方案二：采用專用低壓降的電壓調(diào)節(jié)器LM2940和LM1117。由LM2940來得到穩(wěn)定的5V電壓，而由LM1117來得到穩(wěn)定的6V電壓，這樣可以在整個(gè)過程中，

28、為智能車的各部分提供穩(wěn)定電源。我們采用方案二。（2）電壓管理模塊正5V電壓源設(shè)計(jì)主要為單片機(jī)、光電傳感器、測(cè)速編碼盤的工作，電壓要求穩(wěn)定、噪聲小、電路容量在1A左右。最常見的電源管理芯片是7805，價(jià)格低廉，電路成熟，但是考慮到驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)瞬間會(huì)引起電壓瞬間下降的現(xiàn)象，所以電源管理系統(tǒng)中采用了低壓降的電壓調(diào)節(jié)器LM2940來產(chǎn)生5V電壓。如圖2-4示圖2-4 5V電源圖正3.3V電壓源設(shè)計(jì) 主要為STM32為微控制器提供工作電壓。 圖2-5 3.3V電源圖正6V電壓源設(shè)計(jì)主要為舵機(jī)提供工作電壓。實(shí)際工作的時(shí)候舵機(jī)所需要的工作電流一般在幾十毫安左右，電壓無需要十分穩(wěn)定，在這里我們選用的是TPS7

29、350電源管理芯片如圖2-5所示圖2-6 6V電源圖正7.2V電源這部分直接取自電池兩端電壓，主要為后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊提供電源。如下圖2-6所示系統(tǒng)電源分配圖圖2-6 系統(tǒng)總電源分配圖第三章 軟件的設(shè)計(jì)部分軟件設(shè)計(jì)根據(jù)以下依據(jù)，首先，賽車系統(tǒng)通過光電傳感器采集賽道信息，同時(shí)通過直射式紅外傳感器模塊實(shí)時(shí)獲取賽車的速度，然后在根據(jù)采集來的賽道信息提取賽道黑線，求得賽車于黑線位置的偏差，由STM32產(chǎn)生PWM相應(yīng)的控制舵機(jī)使小車沿著黑線行駛，接著采用PID方法對(duì)直流電機(jī)的速度進(jìn)行反饋控制，使小車能夠以最快的速度行駛。系統(tǒng)總的組成結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：圖3-1 系統(tǒng)總的程序組成結(jié)構(gòu)3.1 光電傳感器路徑的

30、識(shí)別 在智能車系統(tǒng)中，光電（激光）傳感器就是整個(gè)系統(tǒng)的“眼睛”，其對(duì)于路徑的識(shí)別在智能車控制系統(tǒng)中尤為重要，尋跡傳感器方案的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣。通過查閱相關(guān)的參考文獻(xiàn)資料，光電傳感器尋跡方案應(yīng)用最多，單獨(dú)采用CCD攝像頭尋跡或者CCD攝像頭與光電傳感器尋跡結(jié)合在一起的方案也都有應(yīng)用。下面將詳細(xì)介紹路徑識(shí)別的研制和尋跡方案的設(shè)計(jì)。3.1.1 路徑識(shí)別的方案的選擇及比較方案一：采用CCD單色攝像頭。在白背景下，對(duì)于黑線的識(shí)別，目前做的比較成熟，效果相當(dāng)好，但是不適用在小體積系統(tǒng)使用，并且還涉及圖像采集、圖像識(shí)別等領(lǐng)域，成本高，很難找到合適的載體。同時(shí)理論較為深?yuàn)W，應(yīng)用起來不一定能做得很

31、好。方案二：紅外反射式光電傳感器，它包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管（或光敏三極管）。該傳感器不但價(jià)格便宜，容易購(gòu)買，而且處理電路，簡(jiǎn)單易行，實(shí)際使用效果很好，能很順利地引導(dǎo)小車按照跑道運(yùn)行。綜上所述，在本智能車系統(tǒng)的自動(dòng)識(shí)別黑線電路設(shè)計(jì)中，我采用第二種方案。紅外發(fā)射管就是紅外發(fā)射式光電傳感器。3.1.2 紅外傳感器型號(hào)的選擇 紅外傳感器的輸出可分為數(shù)字式與模擬式紅外傳感器兩種。數(shù)字式紅外傳感器具有與微處理器相對(duì)應(yīng)的接口，使得硬件電路簡(jiǎn)單，但是存在采集路徑信息粗糙、丟失路徑信息的缺點(diǎn)。模擬式紅外傳感器輸出的模擬信號(hào)，通過將多個(gè)模擬式紅外傳感器進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合

32、，可以再現(xiàn)賽道路徑的準(zhǔn)確信息。在使用多個(gè)模擬式紅外傳感器的情況下,需占用微處理器較多的AD端口?；诜瓷涫郊t外傳感器的模擬式輸出的光電傳感器陣列的路徑檢測(cè)方法，具有較高的可靠性與穩(wěn)定性，所以在本設(shè)計(jì)中選擇反射式紅外傳感器的模擬式輸出的光電傳感器，經(jīng)過綜合比較后，決定采用模擬式光電傳感器TCRT5000。TCRT5000為集成在一起的發(fā)射與接受光電管，通過其典型接線圖可以測(cè)試其性能，在設(shè)計(jì)中先對(duì)每個(gè)光電傳感器進(jìn)行測(cè)試，以確定其檢測(cè)性能。典型接線如圖3-2所示 ：圖3-2 紅外傳感器典型接線圖3.1.3 對(duì)光電傳感器輸出模擬量的轉(zhuǎn)換對(duì)于光電傳感器采集到的信息，需要將模擬量通過STM32內(nèi)部AD模塊

33、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。針對(duì)光電傳感器采集到的信息， AD轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量通過比較，分別取各通道檢測(cè)黑線的最小值和檢測(cè)白線的最大值作為判斷是黑線還是白線的標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以保證光線對(duì)紅外光電傳感器的影響減少到最小。雖然AD轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，但相對(duì)與STM32的高執(zhí)行速度，對(duì)跑道信息的檢測(cè)沒有影響，且其檢測(cè)準(zhǔn)確率高。光電傳感器采集到的電壓通過STM32的AD二值轉(zhuǎn)換程序得到0與1 兩種狀態(tài)，每個(gè)傳感器又可以對(duì)應(yīng)一個(gè)是否在黑線上的標(biāo)志位，相應(yīng)在黑線上為1，不在黑線上為0。 3.1.4 光電傳感器的狀態(tài)分析對(duì)于本設(shè)計(jì)中的模型車，傳感器在賽道上可能的狀態(tài)有：在普通的賽道處、在起點(diǎn)處、在十字交叉線處，分別如下圖（并未

34、列出所有的狀態(tài)圖），下面將分別進(jìn)行分析。首先將13個(gè)路徑識(shí)別的光電傳感器，分別按1-13的順序給光電傳感器編號(hào)如下圖3-2所示 圖3-3 傳感器的編號(hào) 圖3-4 光電傳器在起點(diǎn)處 圖3-5 光電傳感器在普通賽道上六種不同的狀態(tài) 圖3-6 光電傳感器在十字交叉線處 為了識(shí)別賽車是處于什么樣狀態(tài)下，用于進(jìn)行賽道記憶和速度控制，對(duì)于我們的光電傳感器，每個(gè)光電管輸出的電壓經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換進(jìn)入二值換程序得到0與1 兩種狀態(tài)，對(duì)于13路劃分好的標(biāo)記的傳感器，每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)是否在黑線上的標(biāo)志位，相應(yīng)在黑線上為1，不在黑線上為0，我們把這些數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的0、1數(shù)值對(duì)應(yīng)在整型數(shù)據(jù)AD_N的前13位，這要就可以完整

35、的保存好這一次掃描的光電管狀態(tài)。從上面的傳感器狀態(tài)圖中可以輕松看出，在普通賽道上除了賽車移出賽道之外傳感器變化次數(shù)都為1-2次，而在起跑線處模型車的傳感器狀態(tài)變化次數(shù)為4次，在十字交叉線時(shí)傳感器狀態(tài)變化次數(shù)為0次。在判斷是不是起始線和十字交叉線的時(shí)候，我們又對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了程序上的界定，在起始位置的時(shí)候我們所采集到的數(shù)據(jù)格式應(yīng)該是兩側(cè)是黑色中間是黑色，并且在進(jìn)入黑線的最后一個(gè)時(shí)刻小車傳感器所檢測(cè)到的黑線位置應(yīng)該不在最左側(cè)，也不在最右側(cè)。3.1.5 數(shù)字濾波（經(jīng)AD轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量） 光電傳感器采用的是紅外反射式光電傳感器，而光的反射受到多種因素的影響因此在本設(shè)計(jì)中選擇的13個(gè)光電傳感器會(huì)受到

36、外界不同程度的影響，小車總會(huì)或多或少的偏離賽道，舵機(jī)的轉(zhuǎn)角信息總會(huì)出現(xiàn)一定程度的毛刺和擾動(dòng)等粗大誤差，其幅值足以引起處理器的誤判，為了消除這種外界的影響，在本設(shè)計(jì)中選用了數(shù)字濾波對(duì)有外界因素引起的光電傳感器的變化進(jìn)行修正。 數(shù)字濾波技術(shù)有很多種的方法。由于傳感器的信號(hào)有連續(xù)性，即不會(huì)產(chǎn)生很大的變化，所以本方案采用了數(shù)字濾波技術(shù)中最實(shí)用的一種，即限幅濾波。限幅濾波技術(shù)，即在相鄰兩次傳感器信號(hào)之間，限定一個(gè)范圍。如果下一次的采樣信號(hào)超過了合理的范圍，則為煩擾，就濾掉，具體的方法是，通過上次傳感器的值制作一個(gè)過濾層，比如傳感器的值是0000001000000，經(jīng)過一次系統(tǒng)循環(huán)，黑線不會(huì)跳越N個(gè)傳感器

37、。所以就設(shè)定過濾層為0000111110000，1就代表下一個(gè)時(shí)刻的信號(hào)可能出現(xiàn)在這些位置上，0就表示黑線在下一個(gè)時(shí)刻不可能出現(xiàn)在那個(gè)位置上。這樣，過濾層就做好了。最后用過濾層和所得到的信號(hào)進(jìn)行與運(yùn)算，這樣就能得到濾波后的信號(hào)。在濾波后可能還會(huì)出現(xiàn)0000110110000的現(xiàn)象 我們就要對(duì)他進(jìn)行排錯(cuò)，如果是錯(cuò)誤則本次采樣不成功。3.1.6 求的光電傳感器處在黑線上的個(gè)數(shù) 將光電傳感器采集到路徑信息進(jìn)過AD轉(zhuǎn)換后數(shù)字量存在AD_N中，AD_N存儲(chǔ)的16位二進(jìn)制數(shù)中有路徑的信息，當(dāng)智能小車的傳感器處在黑線上，所對(duì)應(yīng)的AD_N中的二進(jìn)制數(shù)就就變?yōu)?，將AD_N中二進(jìn)制數(shù)1的個(gè)數(shù)存儲(chǔ)在NM_Blac

38、k0，因而NM_Black0中存儲(chǔ)的信息就是光電傳感在黑線上的個(gè)數(shù)。 3.1.7 黑線的中心點(diǎn)的判定 對(duì)于黑線中心點(diǎn)的判定，前提是傳感器處在黑線上，將AD_N的存儲(chǔ)的黑線的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的遞推，通過與運(yùn)算得出黑線的位置，如果檢測(cè)到一個(gè)傳感器則它的位置存儲(chǔ)在NM_Black1中，如果檢測(cè)到兩個(gè)傳感器在黑線上，這兩個(gè)傳感器的位置分別存儲(chǔ)在NM_Black1和NM_Black2中。我們將13個(gè)光電傳感器的位置劃分成27分，當(dāng)一個(gè)光點(diǎn)傳感處在黑線上時(shí)所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)就是就是NM_Black1*2，當(dāng)兩個(gè)光電傳感器處在黑線上時(shí)所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)就是NM_Black1+NM_Black2。由于光電傳感位置劃分成2

39、7份，同時(shí)舵機(jī)占空比的設(shè)置也劃分為27份，占空比每一份的劃分是30，我們會(huì)根據(jù)黑線所處的坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)占空比進(jìn)行設(shè)置，由此來達(dá)到對(duì)舵機(jī)進(jìn)行方向上精確的控制。路徑識(shí)別的彎道策略分析因?yàn)樾≤囋谛旭偟倪^程中速度是不斷變化的，我們只有通過一定的位移為基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，計(jì)算出小車偏移黑線的變化率。我們采用的是基于方差的計(jì)算方法。小車的編碼盤可以精確到1cm/次，我們就按照這個(gè)為基準(zhǔn)經(jīng)行數(shù)據(jù)的采集保存。這樣每經(jīng)過1cm我們就可以得到新的數(shù)值。我們新建了black_middle6數(shù)組保存了前6次的中心點(diǎn)位置。經(jīng)過計(jì)算求出小車偏離黑線的方差 按照方差進(jìn)行速度的選擇。我們?cè)趯?shí)際中選用了三個(gè)不同的速度，在直線的時(shí)候小

40、車產(chǎn)生的方差在50以內(nèi)可以設(shè)置成最高速度，在小S彎的時(shí)候發(fā)差在100到50之間這時(shí)就可以以高的速度沖過小S彎道。只有到方差大于100也就是進(jìn)入大S彎的時(shí)候我們就進(jìn)行減速處理。3.1.9 路徑識(shí)別的概括 通過前面幾點(diǎn)對(duì)光電傳感器路徑信息采集的詳細(xì)介紹，路徑信息采集的工作流程已經(jīng)非常明確了，由此實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的路徑識(shí)別。下圖3-7是光電傳感器連續(xù)路徑識(shí)別的系統(tǒng)框圖圖3-7 光電傳感器連續(xù)路徑識(shí)別的系統(tǒng)框圖3.2 PID控制算法在本智能車上的應(yīng)用 （1）.速度控制方案一：依靠大量的測(cè)試信息，通過路徑識(shí)別返回的軌道信息查表，依據(jù)事先準(zhǔn)備好的參數(shù)調(diào)整對(duì)應(yīng)的舵機(jī)偏轉(zhuǎn)角度。此方案在軟件實(shí)現(xiàn)上比較簡(jiǎn)單 ，但是需要

41、對(duì)控制規(guī)律進(jìn)行大量的測(cè)試，而且實(shí)際運(yùn)行的時(shí)候不存在反饋。方案二：采用PID算法，實(shí)時(shí)調(diào)整舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度。同樣需要通過大量的試驗(yàn)來調(diào)整所需的參數(shù)，但是PID算法在工業(yè)應(yīng)用上比較成熟，有較好地控制效果。由于方案一相對(duì)來說不夠可靠，車子運(yùn)行中如果產(chǎn)生不穩(wěn)定狀況不能夠自我調(diào)節(jié)，而方案二可以完全解決此問題，因此，在本設(shè)計(jì)中，我們采用方案二。當(dāng)智能車在直道行走的時(shí)候，可以給最高速度；當(dāng)智能車在彎道出直道時(shí)，速度相對(duì)高速；當(dāng)智能車直道入彎的時(shí)候，速度突然減下來；當(dāng)智能車在彎道時(shí)，相對(duì)低速。針對(duì)這一特點(diǎn)，我主要運(yùn)用PID算法對(duì)小車進(jìn)行速度控。 (2)棒棒算法在有的時(shí)候只用單純的PID是不夠的，因?yàn)樵谛≤嚻鸩降臅r(shí)候所需要的力比較大并且要速度提升的越快越好，純而又純的PID是不能滿足這種需求的，在設(shè)計(jì)過程中我們加入了棒棒算法。所謂的棒棒算法就是在設(shè)定速度和實(shí)際的速度高出很多的時(shí)候我們就把速度切換到最高轉(zhuǎn)速，當(dāng)設(shè)定速度和實(shí)際的速度低很多的時(shí)候我們就把速度拉到最低轉(zhuǎn)速。這樣在小車起步的時(shí)候能以最大的轉(zhuǎn)速啟動(dòng)，在進(jìn)入彎道的時(shí)候能進(jìn)行剎車制動(dòng)使小車穩(wěn)定運(yùn)行在跑到上。3.3 STM32定時(shí)器的PWM的輸出實(shí)現(xiàn) 在這里以高級(jí)定時(shí)器（TIM1）為例，高級(jí)定時(shí)器設(shè)置為PWM的輸出模式。由于轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的工作周期是20ms，即工作頻率為50Hz。ST