基于光電傳感器自動循跡小車設(shè)計

-.z.江西理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：基于光電傳感器的自動循跡小車設(shè)計學(xué)院：信息工程學(xué)院專業(yè)：電子信息工程班級：電信072學(xué)號：36學(xué)生：吳有帥指導(dǎo)教師：黃友文職稱：副高摘要制作自動尋跡小車所涉及的專業(yè)知識包括控制、模式識別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計算機、機械等諸多學(xué)科。為了使小車能夠快速穩(wěn)定的行駛，設(shè)計制作了小車控制系統(tǒng)。在整個小車控制系統(tǒng)中，如何準(zhǔn)確地識別路徑及實時地對智能車的速度和方向進(jìn)行控制是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。由于此小車能夠自動尋跡,加速,減速.故又被稱作為智能車.本智能車控制系統(tǒng)設(shè)計以MC9S12*S128微控制器為核心，通過兩排光電傳感器檢測小車的位置和運動方向來獲取軌道信息，根據(jù)軌道信息判斷出相應(yīng)的軌道類型，并分配不同的速度給硬件電路加以控制，完成了在變負(fù)荷條件下對速度的快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)。紅外對射傳感器用于檢測智能車的速度，以脈寬調(diào)制控制方式（PWM）控制電機和舵機以達(dá)到控制智能車的行駛速度和偏轉(zhuǎn)方向。軟件是在CodeWarrior5.0的環(huán)境下用C語言編寫的，用PID控制算法調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和舵機的方向，完成對模型車運動速度和運動方向的閉環(huán)控制。智能車能夠準(zhǔn)確迅速地識別特定的軌道，并沿著引導(dǎo)線以較高的速度穩(wěn)定行駛。整個智能車系統(tǒng)涉及車模機械結(jié)構(gòu)的改裝、傳感器電路設(shè)計及控制算法等多個方面。經(jīng)過多次反復(fù)的測試，最終確定了現(xiàn)有的智能車模型和各項控制參數(shù)。關(guān)鍵詞：MC9S12*S128；PID；PWM；光電傳感器；智能車ABSTRACTMakingautomatictracingcarinvolvedtheprofessionalknowledgeincludingcontrol,patternrecognition,sensingtechnology,automobileelectronics,electrical,computer,machineryandsoonmanysubjects.Accordingtothetechnicalrequirementsofthecontest,wedesigntheintelligentvehiclecontrolsystem.Intheentirecontrolsystemofthesmartcar,howtoaccuratelyidentifytheroadandreal-timecontrolthespeedanddirectionoftheSmartCaristhekeytothewholecontrolsystem.Becausethiscarcanautomatictracing,accelerate,slowingdown.SoitisalsoknownasintelligentcarthisintelligentvehiclecontrolsystemdesigntaketheMC9S12*S128microcontrollerasacore,e*aminescar'spositionandtheheadingthroughtworowofphotoelectricsensorsgainstheracecourseinformation,judgesthecorrespondingracecoursetypeaccordingtotheracecourseinformation,andassignedthedifferentspeedtocontrolforthehardwarecircuit,hascompletedinchangesundertheloadconditiontothespeedfaststableadjustment.Theinfraredcorrelationsensorusesine*aminingtheintelligentvehicle'sspeed,(PWM)controlstheelectricalmachineryandtheservobythepulse-durationmodulationcontrolmodeachievesthecontrolintelligencevehicle'smovingvelocityandthedeflectiondirection.ThesoftwareisundertheCodeWarrior5.0environmentwiththeClanguagecompilation,actuateselectricalmachinery'srotationalspeedandservo'sdirectionwiththePIDcontrolalgorithmadjustment,completestothemodelvehiclevelocityofmovementandtheheadingclosed-loopcontrol.Theintelligentvehiclecandistinguishthespecificracecourserapidlyaccurately,andalonginletlinebythehighspeedcontroltravel. Theentireintelligentvehiclesysteminvolvesthevehiclemoldmechanismthere-equipping,thesensorcircuitdesignandthecontrolalgorithmandsoonmanyaspects.Aftertherepeatedtest,hasdeterminedthee*istingintelligentvehiclemodelandeachcontrolledvariablefinallymanytimes.Keywords：MC9S12*S128;PID；PWM；photoelectricsensor;smartcar目錄第一章緒論11.1引言11.2本文設(shè)計方案概述1總體設(shè)計1傳感器設(shè)計方案2控制算法設(shè)計方案4HYPERLINK\l"_Toc295519303"第二章機械結(jié)構(gòu)設(shè)計52.1前輪傾角的調(diào)整52.2齒輪傳動機構(gòu)調(diào)整52.3后輪差速機構(gòu)調(diào)整62.4紅外傳感器的固定62.5小車重心的調(diào)整62.6齒輪嚙合間隙的調(diào)整7第三章硬件電路的設(shè)計83.1系統(tǒng)硬件概述83.2電源模塊的設(shè)計93.2.1LM2940供電電路103.2.2LM2596供電電路113.3電機驅(qū)動模塊12模塊介紹PAGEREF_Toc295519316\h12使用說明13電壓電流測試結(jié)果143.4舵機控制模塊153.5路徑識別模塊163.7單片機模塊的設(shè)計183.8硬件電路部分總結(jié)18第四章軟件系統(tǒng)設(shè)計PAGEREF_Toc295519323\h204.1智能車控制算法監(jiān)測平臺204.2主程序流程圖204.3系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)21HYPERLINK\l"_Toc295519327"時鐘初始化21串口初始化224.3.3PWM初始化234.4中斷處理流程254.5小車控制算法25舵機控制26速度控制27HYPERLINK\l"_Toc295519334"4.6坡道的處理294.7彎道策略分析29第五章開發(fā)與調(diào)試315.1軟件開發(fā)環(huán)境介紹PAGEREF_Toc295519337\h315.2智能車整體調(diào)試345.2.1舵機調(diào)試345.2.2電機調(diào)試34HYPERLINK\l"_Toc295519341"5.2.3動靜態(tài)調(diào)試34第六章結(jié)論366.1智能車的主要技術(shù)參數(shù)說明366.2總結(jié)366.3不足與展望36參考文獻(xiàn)37致38HYPERLINK\l"_Toc295519348"附錄139附錄247附錄360-.z.第一章緒論1.1引言思路及技術(shù)方案是一個工程項目的靈魂。因此，在設(shè)計和制作伊始對思路與方案的選擇要非常的仔細(xì),謹(jǐn)慎。作為一個快速的隨動控制系統(tǒng)。結(jié)合智能車設(shè)計的實際情況以及前人對自動控制系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗。得出"簡單、穩(wěn)定、快速、智能"八字方針作為智能車方案設(shè)計的指導(dǎo)原則。智能車是一個快速的隨動控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)分為兩個大的子控制系統(tǒng)，分別為：方向控制系統(tǒng)與速度控制系統(tǒng)。方向控制的作用就好比是駕駛員和他所控制的方向盤；速度控制系統(tǒng)的作用就好比是駕駛員和他腳下的油門與剎車。方向控制系統(tǒng)能使智能車沿著導(dǎo)引黑線行駛而不至偏移。速度控制能使智能車在直道上加速行駛而在入彎時剎車減速以盡量提高行駛速度和避免因入彎速度過快而造成的沖出跑道。本次制作的智能車是以光電傳感器捕獲路徑信息的。經(jīng)過數(shù)月的設(shè)計與調(diào)試，終于完成了這個作品。在設(shè)計與制作的過程中以穩(wěn)定為前提進(jìn)行軟硬件優(yōu)化設(shè)計與參數(shù)調(diào)整。經(jīng)過分析認(rèn)為在路徑檢測信息非常完備的條件下進(jìn)行速度優(yōu)化會對小車的性能有很大提高。由于小車在彎道與直道以及不同曲率半徑的弧道的通過速度是不同的。經(jīng)過研究對于小車的速度控制我們采取的閉環(huán)的速度優(yōu)化控制，利用路徑監(jiān)測信息來給出不同路況下的速度設(shè)定值，使小車速度有了很大改善。本文第二章主要介紹系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，第三章介紹智能車的硬件電路設(shè)計，第四章介紹系統(tǒng)軟件的設(shè)計，第五章介紹完成智能車設(shè)計所需開發(fā)調(diào)試工具及調(diào)試過程，第六章對此次設(shè)計做出總結(jié)，并給出智能車的相關(guān)參數(shù)。1.2本文設(shè)計方案概述總體設(shè)計圖1-1系統(tǒng)框架圖如上圖1-1所示，該智能小車系統(tǒng)主要分為以下三大塊：（1）信息采集模塊：在該模塊主要是對智能車的所處位置進(jìn)行采集，并將采集到的信息傳送給MCU，其核心是光電傳感器。（2）信息處理模塊：信息處理模塊包括信息處理和控制模塊，其核心MCU，MCU接收到采集來的信號，對信號進(jìn)行處理后作出判斷，并發(fā)出控制信號。（3）執(zhí)行模塊：該模塊包括了驅(qū)動電機和舵機，當(dāng)接收到MCU的命令后便執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時信息采集模塊又采集到電機和舵機的狀態(tài)信息，反饋給MCU。從而整個系統(tǒng)構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，在運行過程中，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)而達(dá)到智能車快速穩(wěn)定行使的目的。傳感器設(shè)計方案方案一：采用CCD傳感器來采集路面信息使用CCD傳感器，可以獲取大量的圖像信息，可以全面完整的掌握路徑信息，可以進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的預(yù)測和識別圖像復(fù)雜的路面，而且抗干擾能力強。但是對于本項目來說，使用CCD傳感器也有其不足之處。首先使用CCD傳感器需要有大量圖像處理的工作，需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的存儲和計算。因為是以實現(xiàn)小車視覺為目的，實現(xiàn)起來工作量較大，相當(dāng)繁瑣。方案二：使用光電傳感器來采集路面信息使用紅外傳感器最大的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡明，實現(xiàn)方便，成本低廉，免去了繁復(fù)的圖像處理工作，反應(yīng)靈敏，響應(yīng)時間低，便于近距離路面情況的檢測。但紅外傳感器的缺點是，它所獲取的信息是不完全的，只能對路面情況作簡單的黑白判別，檢測范圍有限，而且容易受到諸多擾動的影響，抗干擾能力較差，背景光源，器件之間的差異，傳感器高度位置的差異等都將對其產(chǎn)生干擾。方案三：采用電感與電容諧振來采集路面信息使用電感與電容諧振的優(yōu)點是原理簡單（通過電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與電感線圈所處位置的關(guān)系），價格便宜，體積相對較小，頻率響應(yīng)快。缺點是電磁干擾嚴(yán)重，電感線圈感應(yīng)的信號很小需要相應(yīng)的放大電路將信號放大，故傳感器電路較復(fù)雜。在本次設(shè)計的跑道只有黑白兩種顏色，小車只要能區(qū)分黑白兩色就可以采集到準(zhǔn)確的路面信息。經(jīng)過綜合考慮，在本項目中采用紅外光電傳感器作為信息采集元件。光電檢測方案：1.光電傳感器的選擇對于智能車尋跡來說，路徑檢測的成敗歸功于光電傳感器的選擇與使用。目前，用于光電檢測的傳感器主要有可見光管、反射式紅外光電管、激光管等。可見光管抗干擾能力差，容易受到外界光線影響，因此不能被用做路徑檢測。反射式紅外光電管抗干擾能力強，對自然光和燈光變化的反應(yīng)較小，并且電路也比較簡單。激光管的抗干擾能力強，由于光線聚集故射程較遠(yuǎn)，但價格較紅外光電管貴并且電路也較復(fù)雜。綜合考慮，最后決定選擇反射式紅外光電管作為檢測器件。2.驅(qū)動方式的選擇反射式紅外光電管一般有直流驅(qū)動和光電驅(qū)動兩種不同的驅(qū)動方式。其中，直流驅(qū)動的特點是電路簡單，但對外界光線的反應(yīng)相對較大，不過通過在光電管上加套熱縮管以及軟件處理可以極大降低這種影響；光電驅(qū)動的特點是光電管具有更高的功率，探測距離相對較遠(yuǎn)，抗干擾能力也較強，不過電路復(fù)雜且難于控制。因此，我們采用了直流驅(qū)動的方式，并利用相應(yīng)措施降低了外界光線的影響。3.光電管排布方式的選擇方案一：15對光電管均勻分布于一排。由于跑道的寬度小于25cm，故光電管陣列之間不需要排的太開。因此我們選擇光電管對的間隔為15mm，所以15對光電管排布下來的寬度只有大概21cm，符合規(guī)則要求。運用15對光電管的好處就是采集的跑道信息精度較高，信息比較連續(xù)，因此賽車跑起來不會出現(xiàn)明顯的"抖”的現(xiàn)象；但是使用單排光電管陣列的前瞻性比較差，使得賽車不能進(jìn)行比較提前的判斷和控制，因此限制了智能車的速度，同時所有的傳感器做成一排做出來的輔助板過大，不宜固定。方案二：15對光電管均勻分布于兩排。將7對光電管均勻分布的陣列放在近排，8對光電管對均勻分布的陣列放在遠(yuǎn)排。近排的光電管陣列就架設(shè)在車的前端30-40mm；而遠(yuǎn)排的則架的較高并且伸出90-110mm。在這樣的光電管陣列下，賽車的前瞻性得到了很好的提高，速度比單排光電陣列情況下高了較多。但是由于光電采集的精度不夠，賽車即使在直線上行駛的時候，也容易出現(xiàn)"抖動”的現(xiàn)象，通過調(diào)整舵機控制的參數(shù)，使得賽車"抖動”的程度明顯減少，而且速度也有一定的保證。綜合考慮了以上兩種方案并通過觀察試驗效果，我們選擇了方案二中的光電管陣列排布。效果如圖1-2所示。圖1-2雙排光電管陣列效果圖控制算法設(shè)計方案方案一：比例控制這種控制方法就是在檢測到車體偏離的信息時給小車一個預(yù)置的反向偏移量，讓其回到跑道。比例算法簡單有效，參數(shù)容易調(diào)整，算法實現(xiàn)簡單，不需復(fù)雜的數(shù)字計算。在實際應(yīng)用中，由于傳感器的個數(shù)與布局的限制，其控制量的輸出是一個離散值，不能對舵機進(jìn)行精確的控制，容易引起舵機左右搖擺，造成小車行使過程中的振蕩，而且其收斂速度也有限。方案二：PD控制PD控制在比例控制的基礎(chǔ)上加入了微分控制，可以抑制振蕩，加快收斂速度，調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膮?shù)可以有效地解決方案一的不足。不過，P、D兩個參數(shù)的設(shè)定較難，需要不斷進(jìn)行調(diào)試，憑經(jīng)驗來設(shè)定，因此其適應(yīng)性較差。方案三：PID控制PID控制在PD控制的基礎(chǔ)上加入了積分分控制，在階躍信號的作用下，首先產(chǎn)生的是比例-微分作用，使調(diào)節(jié)作用加強，直到最后達(dá)到消除靜養(yǎng)的效果。因此PID調(diào)節(jié)從動態(tài)，靜態(tài)都有所改善。當(dāng)然P、I、D三個參數(shù)的設(shè)定更難，也需要不斷進(jìn)行調(diào)試，憑經(jīng)驗來設(shè)定，因此其適應(yīng)性不好，但是可以使被小車更穩(wěn)定的行駛。由于跑道模型與相關(guān)參數(shù)已給定，即小車運行的環(huán)境基本上已經(jīng)確定，可通過不斷調(diào)試來獲得最優(yōu)的參數(shù)。因此我們選用的是PID算法來對舵機和速度進(jìn)行控制。第二章機械結(jié)構(gòu)設(shè)計在小車行駛過程中，判斷小車制作的成功與否是根據(jù)小車運行的速度與小車在運行過程中的穩(wěn)定性，而車輛的機械結(jié)構(gòu)無疑是影響速度的一個關(guān)鍵因素。鑒于這個原因，在后續(xù)的工作中對小車的機械結(jié)構(gòu)方面做了一些改進(jìn)。2.1前輪傾角的調(diào)整調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，在車模過彎時，轉(zhuǎn)向舵機的負(fù)載會因為車輪轉(zhuǎn)向角度增大而增大。為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機負(fù)載，對前輪的安裝角度，即前輪定位進(jìn)行調(diào)整。前輪定位的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。前輪是轉(zhuǎn)向輪，它的安裝位置由主銷內(nèi)傾、主銷后傾、前輪外傾和前輪前束等4個項目決定，反映了轉(zhuǎn)向輪、主銷和前軸等三者在車架上的位置關(guān)系。主銷后傾是指主銷裝在前軸，上端略向后傾斜的角度。它使車輛轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的離心力所形成的力矩方向與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反，迫使車輪偏轉(zhuǎn)后自動恢復(fù)到原來的中間位置上。由此，主銷后傾角越大，車速越高，前輪穩(wěn)定性也愈好。主銷內(nèi)傾和主銷后傾都有使汽車轉(zhuǎn)向自動回正，保持直線行駛的功能。不同之處是主銷內(nèi)傾的回正與車速無關(guān)，主銷后傾的回正與車速有關(guān)，因此高速時后傾的回正作用大，低速時內(nèi)傾的回正作用大。前輪外傾角對汽車的轉(zhuǎn)彎性能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安全性和轉(zhuǎn)向操縱的輕便性。前輪外傾角俗稱"外八字”，如果車輪垂直地面一旦滿載就易產(chǎn)生變形，可能引起車輪上部向內(nèi)傾側(cè)，導(dǎo)致車輪聯(lián)接件損壞。所以事先將車輪校偏一個外八字角度，這個角度約在1°左右。所謂前束是指兩輪之間的后距離數(shù)值與前距離數(shù)值之差，也指前輪中心線與縱向中心線的夾角。前輪前束的作用是保證汽車的行駛性能，減少輪胎的磨損。前輪在滾動時，其慣性力會自然將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動時的偏斜方向就會抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象會減少。2.2齒輪傳動機構(gòu)調(diào)整電機軸與后輪軸之間的傳動比為9：38（電機軸齒輪齒數(shù)為18，后輪軸傳動輪齒數(shù)為76）。齒輪傳動機構(gòu)對車模的驅(qū)動能力有很大的影響。齒輪傳動-部分安裝位置的不恰當(dāng)，會大大增加電機驅(qū)動后輪的負(fù)載，從而影響到最終成績。調(diào)整的原則是：兩傳動齒輪軸保持平行,齒輪間的配合間隙要合適，過松容易打壞齒輪，過緊又會增加傳動阻力，白白浪費動力;傳動部分要輕松、順暢，容易轉(zhuǎn)動，不能有卡住或遲滯現(xiàn)象.判斷齒輪傳動是否調(diào)整好的一個依據(jù)是,聽一下電機帶動后輪空轉(zhuǎn)時的聲音。聲音刺耳響亮，說明齒輪間的配合間隙過大，傳動中有撞齒現(xiàn)象；聲音悶而且有遲滯，則說明齒輪間的配合間隙過小，或者兩齒輪軸不平行，電機負(fù)載加大。調(diào)整好的齒輪傳動噪音小，并且不會有碰撞類的雜音。2.3后輪差速機構(gòu)調(diào)整差速機構(gòu)的作用是在車模轉(zhuǎn)彎的時候，降低后輪與地面之間的滑動；并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會損害到電機。當(dāng)車輛在正常的過彎行進(jìn)中(假設(shè)：無轉(zhuǎn)向不足亦無轉(zhuǎn)向過度)，此時4個輪子的轉(zhuǎn)速(輪速)皆不相同，依序為：外側(cè)前輪＞外側(cè)后輪＞內(nèi)側(cè)前輪＞內(nèi)側(cè)后輪。此次所使用車模配備的是后輪差速機構(gòu)。差速器的特性是：阻力越大的一側(cè)，驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速越低；而阻力越小的一側(cè)，驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速越高以此次使用的后輪差速器為例，在過彎時，因外側(cè)前輪輪胎所遇的阻力較小，輪速便較高；而內(nèi)側(cè)前輪輪胎所遇的阻力較大，輪速便較低。差速器的調(diào)整中要注意滾珠輪盤間的間隙，過松過緊都會使差速器性能降低，轉(zhuǎn)彎時阻力小的車輪會打滑，從而影響車模的過彎性能。好的差速機構(gòu)，在電機不轉(zhuǎn)的情況下，右輪向前轉(zhuǎn)過的角度與左輪向后轉(zhuǎn)過的角度之間誤差很小，不會有遲滯或者過轉(zhuǎn)動情況發(fā)生。2.4紅外傳感器的固定為了獲取更多的前探距離，我們采用傳感器前伸，在規(guī)定的范圍內(nèi)盡可能的獲取更多的前探距離。但是前伸也帶來了其他問題，如車在行駛過程中顛簸引起傳感器的晃動。為此我們的固定支架采用了擰紋的形式，從硬件上減少外部環(huán)境對傳感器的影響。除此之外，我們還把紅外管放置與水平成一定傾角，進(jìn)一步增加前探距離。然而并非傾角越大越好，傾角的增大會導(dǎo)致紅外接收管接收到的光減少，背景與黑線之間的壓差降低，影響路徑的識別。我們使用55度的傾角配合上一定的高度取得了較好的效果。2.5小車重心的調(diào)整在智能車各部分零部件大體完成的時候，我們通過移動車上零部件的位置，對其重心進(jìn)行了調(diào)整，通過大量的對比實驗后發(fā)現(xiàn)：不論使重心偏左還是偏右，賽車在彎道較多的跑道上都會出現(xiàn)不同程度的滑移和轉(zhuǎn)向不足。因此，重心應(yīng)當(dāng)盡量處在相對車模左右對稱的中心平面內(nèi)。另外，此次車模為四輪驅(qū)動，重心在車上的分布對車的動力影響不是很明顯。通過實驗發(fā)現(xiàn)：當(dāng)賽車重心偏后時，由于前輪上所分配的載荷較輕，使賽車轉(zhuǎn)向時前輪滑移，造成過彎時間變長。在華東區(qū)的比賽中我們也發(fā)現(xiàn)，此車模的重心偏高，若不對其進(jìn)行改造，會造成過急彎時車輪離地，對抓地力造成很大影響，從而使車模過彎時間變長。綜上考慮，根據(jù)賽車的實際情況調(diào)整車體重心，使其處于中心偏前優(yōu)化其轉(zhuǎn)向能力，使底盤離地1.3cm左右優(yōu)化其過彎能力。2.6齒輪嚙合間隙的調(diào)整車模電機傳動軸和賽車分動器之間采用齒輪嚙合傳動，另外，光學(xué)編碼器和分動器齒輪之間同樣采用齒輪嚙合，前后差速器中也存在多個齒輪副。齒輪嚙合性能的好壞，直接影響電機的驅(qū)動效率。嚙合齒輪的輪軸不平行，將直接導(dǎo)致齒輪間嚙合平穩(wěn)性不足，傳動效率低，影響賽車速度的提升。嚙合齒輪間隙過大，將導(dǎo)致打齒輪，過小則將導(dǎo)致電機驅(qū)動阻力增加，兩者都不利于提高賽車的驅(qū)動性能。因此，對于嚙合的齒輪，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)整齒輪間隙和齒輪軸間的平行度，使齒輪嚙合順暢，噪聲小。按照第四屆部分報告中提到的思想，以放在平地上行駛時的聲音作為判斷齒輪嚙合情況最為合適。對差速器，考慮到其性能對車輪運動有較大的影響，我們采用多個車模進(jìn)行測試的方法，挑選出其中較好的差速器，并使用差速器油進(jìn)行潤滑，以獲得較好的性能。第三章硬件電路的設(shè)計3.1系統(tǒng)硬件概述系統(tǒng)硬件框架圖如圖3-1所示：圖3-1系統(tǒng)硬件框架圖控制核心是飛思卡爾公司推出的MC9S12D系列的增強型16位64個管腳單片機MC9S12*S128這款芯片，片內(nèi)資源豐富，包括PWM模塊可設(shè)置成8路8位或者拼接成4路16位,2個10位8通道A/D轉(zhuǎn)換器，8通道輸入捕捉/輸出比較定時器，2個異步串行通信接口SCI,1個同步串行通信接口SPI,1個1Mb/s的CAN總線模塊，兼容CAN2.0A/B等等。利用片內(nèi)資源結(jié)合具體模塊的功能要求具體實現(xiàn)技術(shù)路線如下：（1)電源管理：核心板最小系統(tǒng)供電、傳感器供電、舵機供電和直流電機供電。要求：（a)低壓差，實現(xiàn)6.5V～7.2V電池到5V轉(zhuǎn)換；（b)可提供足夠電流輸出，驅(qū)動發(fā)射光電管，并考慮一定的安全余量；（c)考慮芯片散熱的問題，提供熱關(guān)斷、短路保護(hù)和安全操作保護(hù)等功能。（2)舵機控制：模塊化模型舵機利用信號輸入端的占空比不同調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)角，可以通過單片機芯片內(nèi)置PWM模塊配合編程實現(xiàn)。（3)直流電機驅(qū)動：采用PWM驅(qū)動。要求：（a)開斷電流能力強，驅(qū)動功率大，質(zhì)量可靠；（b)具有過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、熱關(guān)斷的能力，各種功能使用方便。結(jié)合集成功率芯片選擇要求和直流電機運行參數(shù)，選用大功率電機驅(qū)動模塊ZNCD-10433.2電源模塊的設(shè)計電源是一個智能車系統(tǒng)得以運行的關(guān)鍵及動力所在。根據(jù)"硬件設(shè)計最簡”的原則，需要完善電源設(shè)計方案。整個智能車的電源是由一塊7.2V2000mAhNi-cd蓄電池提供，為了使智能車系統(tǒng)各部件能正常的工作，故需對7.2V2000mAhNi-cd蓄電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。其中，中央控制系統(tǒng)（最小系統(tǒng)）、路徑識別的光電傳感器和接收器電路、需要5V電壓，伺服電機工作電壓范圍4.8V到6V根據(jù)多次調(diào)試決定使用5V電源給供電，直流電機可以使用7.2V2000mAhNi-cd蓄電池直接供電。電源供電部分關(guān)系到整個系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，由于采用的是鎳鎘電池供電，內(nèi)阻比較大，電機啟動或者突然加速的瞬間，電池輸出的電流很大，電池兩端電壓突然會降低。為了保證單片機和其他模塊工作正常，所以在對電源供電的設(shè)計方面，要求電路工作效率高，輸出電壓穩(wěn)定。而且隨著車子在跑道上跑，隨著電池電量的消耗，電池兩端的電壓也會慢慢降低，這就要求穩(wěn)壓芯片的選取要工作壓差小。本系統(tǒng)所需電壓有5V、7.2V，其中7.2V部分為電機驅(qū)動電壓，可由電池直接提供；5V部分為路徑識別模塊，舵機控制模塊，串口通信模塊，單片機最小系統(tǒng)模塊等。系統(tǒng)電源供電分配如圖3-2所示：圖3-2系統(tǒng)電源供電分配框圖5V電源是整個智能車系統(tǒng)電源模塊中電流需求最大的一個部分。要求大電流、低壓差、低噪聲等特性。在此將根據(jù)各種不同穩(wěn)壓芯片的特性選款符合此智能小車各個模塊的工作要求。根據(jù)不同的工作原理可將電源分成兩類：線性穩(wěn)壓電源、開關(guān)穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源：一般的線性穩(wěn)壓電源的輸入電壓與輸出電壓之間的電壓差大，穩(wěn)壓電源內(nèi)部的調(diào)整管上的損耗大，效率低。但近年來開發(fā)出各種低壓差（LDO）的新型線性穩(wěn)壓器IC，效率也有較大的提高，線性穩(wěn)壓電源還有一個優(yōu)點就是外圍元件最少、輸出噪聲最小、靜態(tài)電流最小，價格也便宜。開關(guān)穩(wěn)壓電源：開關(guān)穩(wěn)壓電源中有一個工作在開關(guān)狀態(tài)的晶體管（一般是MOSFET），故稱為開關(guān)電源開關(guān)管工作于飽和導(dǎo)通及截止兩種狀態(tài)，所以開關(guān)管管耗小并且與輸入電壓大小無關(guān)，相對于線性穩(wěn)壓電源一個明顯的優(yōu)點是工作效率高，一般可達(dá)80%～95%。穩(wěn)壓芯片選擇：方案一：普通常用穩(wěn)壓芯片LM7805。優(yōu)點：價格便宜。缺點：效率低，發(fā)熱量大。壓差大，外部供電要在7.5V以上才可以穩(wěn)定穩(wěn)壓到5V方案二：開關(guān)穩(wěn)壓芯片LM2575/LM2596。優(yōu)點：工作效率高，發(fā)熱量小，輸出電流大，約3A。工作電壓可以低至6.5V。缺點：外圍電路復(fù)雜，成本高，由于是開關(guān)穩(wěn)壓，穩(wěn)壓后的波紋大。方案三：低壓差線性穩(wěn)壓芯片LM2940。優(yōu)點：低壓差，工作壓差可以小于0.5V,在電池兩端的電壓降到5.5V還能穩(wěn)定地輸出5V的電壓，電壓波紋小，可以給單片機穩(wěn)定的供電。外圍電路簡單，需要的濾波電容小。經(jīng)過分析，最終決定設(shè)計兩路5V穩(wěn)壓電路，其中一路采用LM2940穩(wěn)壓后獨立為單片機供電，另外一路是為系統(tǒng)其他模塊提供5V供電，采用了更大的輸出電流的穩(wěn)壓芯片LM2596。LM2940供電電路LM2940是一個輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器；輸出電壓5V；輸出電流1A；輸出電流1A時，最小輸入輸出電壓差小于0.5V；最大輸入電壓26V；工作溫度-40～+125℃其封裝形式有標(biāo)準(zhǔn)的3腳直插TO-220與3腳表貼封裝SOT-223兩種。由于穩(wěn)壓芯片LM2940是屬于LDO(低壓差)線性穩(wěn)壓器，即使電池電壓下降到5.5V也可以輸出穩(wěn)定的5V電壓供給單片機保證單片機能正常的工作，使智能車能正常的行駛，同時LM2940輸出的電壓紋波也很小，這樣干擾也大大減小，能減少單片機沒必要的復(fù)位，符合單片機的供電要求。同時由于LM2940也能輸出高達(dá)1A左右的電流，故讓此電源同時給串口通信模塊，測速測量模塊等其他模塊給予供電，達(dá)到電源的充分利用。LM2940供電電路如圖3-3所示：圖3-3LM2940供電電路LM2596供電電路LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。固定輸出版本有3.3V、5V、12V，可調(diào)版本可以輸出1.2V～37V之間的各種電壓。該器件內(nèi)部集成頻率補償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為150KHz，與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需4個外接元件，可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，這更優(yōu)化了LM2596的使用，極大地簡化了開關(guān)電源電路的設(shè)計。其封裝形式包括標(biāo)準(zhǔn)的5腳TO-220封裝（DIP）和5腳TO-263表貼封裝（SMD）。該器件還有其他一些特點：在特定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在±4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在±15%的范圍內(nèi)；可以用僅80μA的待機電流，實現(xiàn)外部斷電；具有自我保護(hù)電路（一個兩級降頻限流保護(hù)和一個在異常情況下斷電的過溫完全保護(hù)電路）。特點：3.3V、5V、12V的固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出可調(diào)輸出電壓范圍1.2V～37V±4%輸出線性好且負(fù)載可調(diào)節(jié)輸出電流可高達(dá)3A輸入電壓可高達(dá)40V采用150KHz的內(nèi)部振蕩頻率，屬于第二代開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，功耗小低功耗待機模式，IQ的典型值為80μATTL斷電能力具有過熱保護(hù)和限流保護(hù)功能封裝形式：TO-220（T）和TO-263（S）外圍電路簡單，僅需4個外接元件，且使用容易購買的標(biāo)準(zhǔn)電感應(yīng)用領(lǐng)域LM2596供電電路如圖3-4所示：圖3-4LM2596供電電路由于兩排15對光電傳感器與舵機的功耗太大，因此電源輸出的電流要足夠大才能滿足這些負(fù)載的需求，由于LM2596的輸出電流可達(dá)3A左右，通過大概計算符合我們的設(shè)計要求，故我們選用LM2596。上圖為LM2596輸出的5V電源給舵機供電的截圖。3.3電機驅(qū)動模塊本設(shè)計采用大功率電機驅(qū)動模塊ZNCD-1043對電機進(jìn)行驅(qū)動。3.3.1模塊介紹ZNCD-1043大功率直流電機驅(qū)動板專為小型大功率直流電動機設(shè)計，具有內(nèi)阻低，驅(qū)動電流大，和發(fā)熱極低等特點，H橋電路，可使電機四象限運行，驅(qū)動電壓范圍為5.5-25V，能明顯提高電動機的加速和制動效果。它內(nèi)部同MC33886一樣具備各種保護(hù)措施，該模塊在驅(qū)動芯片與信號輸入端之間加裝了隔離電路，可有效保護(hù)單片機。如表3-1所示，以下為ZNCD-1043的具體參數(shù)。表3-1ZNCD-1043電機驅(qū)動模塊具體參數(shù)通態(tài)內(nèi)阻16毫歐驅(qū)動電流0-43安培工作電壓5.5-25V工作頻率0-25Khz驅(qū)動類型MOSFET板卡尺寸5.5*3.3cm3.3.2使用說明(1)引腳說明（a）ZNCD-1043的功率接口如圖3-5所示：圖3-5ZNCD-1043的功率接口其中電源正接DCIN，電源負(fù)接GND，電源電壓不得超過10V；電機兩端接OUT1和OUT2，電機的正反轉(zhuǎn)與PWM輸入相對應(yīng)，該模塊在OUT1，OUT2安裝有諧波吸收電容。（b）ZNCD-1043的信號接口如圖3-6所示：圖3-6ZNCD-1043的信號接口其中IN1,IN2為PWM信號輸入端，IN1對應(yīng)OUT1,IN2對應(yīng)OUT2；+5V和GND之間要加5V電源以給板上隔離電路供電。EE1,EE2為模塊過流或短路報錯輸出信號，可不接。上圖左側(cè)EN為使能設(shè)置跳線，將3.3K電阻焊至上側(cè)帶圓點處為默認(rèn)使能，焊至下側(cè)則為默認(rèn)不使能，上圖右側(cè)EN為單片機控制使能輸入引腳，單片機輸出高電平則模塊使能，輸出低電平則不能使用。(2)安裝步驟首先用信號線將模塊信號輸入端子與5V電源與單片機PWM輸出引腳接好，其次將電池和電機接線插入功率接口并用螺絲刀旋緊，注意電池與電池引線線徑要足夠粗以保證大電流順利通過，最后輸出相應(yīng)PWM信號即可驅(qū)動電機。板上有四個3mm標(biāo)準(zhǔn)螺絲孔，可以方便的安裝在平臺或地盤上，注意安裝時保證板背面良好的絕緣性和散熱性。電壓電流測試結(jié)果(1)啟動波形，電源電壓：8V，負(fù)載：純阻性10歐姆，以下是波形，其中黃線為電壓波形，紫色為電流波形如下圖：圖3-7ZNCD-1043啟動時的電壓電流波形(2)短路波形，電源電壓：8V，負(fù)載阻抗0.5歐姆，以下是波形，其中黃線為負(fù)載電壓波形，紫色為負(fù)載電流波形，藍(lán)色為報錯輸出波形，可以看到模塊短路情況下開始周期的關(guān)斷輸出以防止模塊過熱燒壞，并且在報錯輸出引腳輸出高電平。ZNCD-1043短路時的電壓電流波形如圖3-8所示：圖3-8ZNCD-1043短路時的電壓電流波形3.4舵機控制模塊舵機主要是用來控制智能車的運動方向，通過調(diào)節(jié)小車前輪轉(zhuǎn)動的角度來改變小車運動方向的。智能車的角度控制是通過單片機輸出PWM信號對舵機進(jìn)行控制的，舵機內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，能產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號，當(dāng)PWM信號輸入到舵機時，舵機內(nèi)部產(chǎn)生一個直流偏置電壓，此電壓與電位器的電壓比較，將獲得電壓差輸出，最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機驅(qū)動芯片決定舵機的正反轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)單片機輸出一定占空比的PWM光電時，舵機就會轉(zhuǎn)動一定的角度。舵機的轉(zhuǎn)角與PWM脈寬的關(guān)系如圖3-9所示：圖3-9舵機轉(zhuǎn)角與PWM脈寬的關(guān)系3.5路徑識別模塊路徑識別模塊是智能車系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識別方案的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣。我們組選擇的是光電組。傳感器的收發(fā)距離對于車子的前瞻性有著直接的影響。參考過往屆光電組的設(shè)計報告，發(fā)覺大多數(shù)采用的傳感器都是紅外傳感器，說明相對于超聲波傳感器等其他類型的傳感器還是有一定優(yōu)勢的，所以我們重點放在紅外傳感器的設(shè)計和測試，選取了不同廠家不同型號的紅外管來測試路徑識別的性能。對于紅外對管的選取和電路設(shè)計，我們作了幾個方案論證。方案一：通過38K載波發(fā)射和一體接收頭接收。優(yōu)點：發(fā)射距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強；缺點：接收方向范圍過大（大于135度），不利于對道路黑線位置檢測，硬件軟件較復(fù)雜。方案二：一體化發(fā)射/接收管。優(yōu)點：硬件電路簡單，方便；缺點：可以收發(fā)距離太近。方案三：二極管形式發(fā)射接收管。優(yōu)點：發(fā)射功率大，距離比一體化發(fā)射/接收管稍遠(yuǎn)；缺點：硬件電路稍復(fù)雜。最后經(jīng)過分析比較，我們決定采用第三種方案。紅外傳感器作為智能車上的"眼睛”，對小車的路徑識別起了決定性的作用。由于我們在機械設(shè)計的時候把紅外傳感器安裝與水平方向有一定傾角，因此我們也必須增大發(fā)射的功率才能使接收管接收到更多發(fā)射回來的光。下圖為反射式紅外傳感器電路原理圖圖3-10紅外光電管檢測電路上圖為紅外光電管檢測電路主要用來獲取路徑信息，工作原理是左邊的發(fā)光二極管通電產(chǎn)生光源，根據(jù)跑道黑白顏色的不同，黑色跑道吸收光線，白色跑道反射光線的不同，由于黑色跑道吸收全部的光線，而使右邊的光敏三極管截止，使比較器LM339的同相輸入端為高電平接近5V，通過比較器LM339使輸出為1告知單片機MC9S12*S128，智能車現(xiàn)處在黑色位置上。白色跑道由于光線被反射使光敏三極管導(dǎo)通。從而使LM339同相輸入端為低電平接近零伏，通過比較器LM339使輸出為0告知單片機MC9S12*S128，智能車現(xiàn)處在白色位置上。這樣智能車就可以時刻獲取跑道的信息。3.6速度測量模塊為了實現(xiàn)小車的智能化，必須利用傳感器來采集跑道信息，再把車模運動的速度采集給單片機，進(jìn)而實現(xiàn)智能調(diào)速，實現(xiàn)車模的智能化。以下是測量速度方案的比較與選擇。方案一：利用霍爾傳感器和磁鋼測量速度：將霍爾傳感器和磁鋼分別安裝在車架和車軸的適當(dāng)位置，小車行駛時，每轉(zhuǎn)動一圈，霍爾傳感器產(chǎn)生開關(guān)信號，通過在單位時間對其計數(shù)可計算出車輛行駛的瞬時速度。優(yōu)點：機械結(jié)構(gòu)、電路較簡單，成本較低；缺點：對于磁鋼的安裝工藝要求較高；方案二：采用光電編碼器測量速度：利用安裝第五個輪子，通過第五個輪的轉(zhuǎn)動帶動光電編碼器轉(zhuǎn)動，后輪每轉(zhuǎn)一圈，光電編碼器就會輸出一定的光電數(shù)，通過計算在一定時間內(nèi)編碼器輸出的光電數(shù)，就可以算出車子運行的速度。優(yōu)點：精度高，安裝簡單；缺點：成本較高；通過比較，采用霍爾傳感器測量速度，磁鋼如果粘的不穩(wěn)的話，車子速度太快磁鋼容易脫落，整個速度測量系統(tǒng)將產(chǎn)生很大誤差。而光電編碼器的測量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比霍爾傳感器的精度高，而且采用光電編碼器測量車子速度，電路簡單，安裝方便穩(wěn)定，適合車模的機械結(jié)構(gòu)，綜合考慮后決定采用光電編碼器來測量智能車的速度。速度傳感器的工作原理：此次設(shè)計用到的速度傳感器是光電編碼器。它是一種集光、機、電為一體的數(shù)字化檢測裝置，它具有分辨率高、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用可靠、易于維護(hù)、性價比高等優(yōu)點。近10幾年來，發(fā)展為一種成熟的多規(guī)格、高性能的系列工業(yè)化產(chǎn)品，在數(shù)控機床、機器人、雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀、地面指揮儀、高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。光電編碼器可以定義為：一種通過光電轉(zhuǎn)換，將輸至軸上的機械、幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，它主要用于速度或位置（角度）的檢測。典型的光電編碼器由碼盤（Disk）、檢測光柵（Mask）、光電轉(zhuǎn)換電路（包括光源、光敏器件、信號轉(zhuǎn)換電路）、機械部件等組成。一般來說，根據(jù)光電編碼器產(chǎn)生脈沖的方式不同，可以分為增量式、絕對式以及復(fù)合式三大類。按編碼器運動部件的運動方式來分，可以分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。由于直線式運動可以借助機械連接轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)式運動，反之亦然。因此，只有在那些結(jié)構(gòu)形式和運動方式都有利于使用直線式光電編碼器的場合才予使用。旋轉(zhuǎn)式光電編碼器容易做成全封閉型式，易于實現(xiàn)小型化，傳感長度較長，具有較長的環(huán)境適用能力，因而在實際工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，此次設(shè)計用到的就是旋轉(zhuǎn)式光電編碼器。也是目前應(yīng)用最多的傳感器。其工作原理是通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器是由光柵和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與被測對象同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前被測對象的轉(zhuǎn)速。3.7單片機模塊的設(shè)計單片機模塊主要負(fù)責(zé)道路的識別、獲取智能車的速度、輸出驅(qū)動電機的控制信號和算法的實現(xiàn)，通過串口驅(qū)動電路中的RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片，單片機可以利用異步通信協(xié)議與PC機通信。RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片可以實現(xiàn)TTL電平與RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換，然后再通過9芯串行口與PC進(jìn)行串口通信。單片機及外圍電路如圖3-11所示：圖3-11單片機MC9S12*S128及外圍電路3.8硬件電路部分總結(jié)對于硬件電路部分，一定要做的足夠穩(wěn)定，這對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性占著至關(guān)重要的位置。而整個電路中，電源電路更加重要，特別是為單片機供電，一定要穩(wěn)定。不讓，當(dāng)電機啟動的瞬間，或者舵機打角的時候，電機和舵機拉去很大的電流，這樣會使電池電壓瞬時拉到一個低電壓狀態(tài)，很可能會造成單片機供電不穩(wěn)，而使單片機復(fù)位。對于提高電源穩(wěn)定性，并上幾個電容當(dāng)然是好的，但是電容的最大電容量有限制。在整個主板上，既有數(shù)字部分，又有模擬部分，所以，系統(tǒng)的穩(wěn)定性與主板的電路布局布線也有很大關(guān)系。為提高整板的穩(wěn)定性，自己設(shè)計電路，繪制PCB版圖，然后通過三氯化鐵腐蝕成板。在整個電路板的制作過程中，我們是先從總體上考慮電路布局，電路實現(xiàn)的功能，電路總體性能，然后再分模塊繪圖制作，最后通過排針排母，排線或者杜邦線連接在一起，整體構(gòu)架穩(wěn)定。第四章軟件系統(tǒng)設(shè)計程序設(shè)計的基本原則是，首先考慮小車的穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上，盡量提高小車的速度。智能小車的控制軟件采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)上看，系統(tǒng)程序主要包括一個主體循環(huán)程序，增量式PID速度控制程序，中斷服務(wù)程序，循線控制算法程序，速度控制算法程序以及其他一些控制程序。作為此次設(shè)計所用到的處理器MC9S12*S128采用S12*V2CPU內(nèi)核，可運行在40MHz總線頻率上，帶有錯誤校正功能（ECC）的、4KB至8KBDataFlash，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)或程序存儲，可配置8、10或12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），轉(zhuǎn)換時間為3μs，支持控制區(qū)域網(wǎng)（CAN）、本地互聯(lián)網(wǎng)（LIN）和串行外設(shè)接口（SPI）協(xié)議模塊，帶有16位計數(shù)器、8通道定時器。這些卓越的性能，完全足夠滿足此次設(shè)計的要求。在本次制作中用到MC9S12*S128單片機硬件資源如表4-1所示。表4-1控制模塊說明程序?qū)崿F(xiàn)的功能使用的模塊電機轉(zhuǎn)速控制PWM模塊舵機轉(zhuǎn)角控制PWM模塊PID反饋光電計數(shù)定時器模塊，光電累加器人機交互SCI模塊光電傳感器信號處理普通I/O端口4.1智能車控制算法監(jiān)測平臺智能車的控制系統(tǒng)是一個時時控制系統(tǒng)，人的思維很難想象車在行進(jìn)過程中所處的狀態(tài)，因此針對*個控制算法，如果在測試中出現(xiàn)問題，很難確定具體出在哪個環(huán)節(jié)。這樣，一個可以時時反映智能車運行狀態(tài)的監(jiān)測平臺就顯得非常必要了。監(jiān)測平臺可以將智能車的采集信息，控制算法計算得到的控制信息以及其他調(diào)試時的有用信息發(fā)送到PC端，用于觀察、記錄，以便反復(fù)分析、改進(jìn)。監(jiān)測平臺工作流程如下：智能車采集信息、控制信息RS232PC端數(shù)據(jù)處理軟件4.2主程序流程圖本智能車控制系統(tǒng)軟件設(shè)計程序的主流程是：先完成單片機初始化（包括I/O模塊、PWM模塊、計時器模塊、定時中斷模塊初始化）之后，通過無限循環(huán)語句不斷地重復(fù)執(zhí)行路徑檢測程序、數(shù)據(jù)處理程序、控制算法程序、舵機輸出及驅(qū)動電機輸出程序。其中，定時中斷用于檢測小車當(dāng)前速度，作為小車速度閉環(huán)控制的反饋信號。主程序流程圖如圖4-1所示。圖4-1小車主程序流程圖4.3系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)為了體現(xiàn)程序的系統(tǒng)性和連貫性，智能小車的控制軟件采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)。各個模塊有相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，方便其它模塊調(diào)用，這樣，系統(tǒng)條理顯得清晰。主要包括：系統(tǒng)初始化模塊、路徑數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、起跑線識別模塊，再有，為了系統(tǒng)調(diào)試方便，本系統(tǒng)還設(shè)計了串口調(diào)試模塊等。4.3.1時鐘初始化單片機的晶振是16MHz，MC9S12*S128在時鐘初始化后可以通過鎖相環(huán)將系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)時鐘進(jìn)行倍頻，可以提高單片機的工作頻率，從而提高單片機的運行速度。在安全允許范圍內(nèi)，我們使用鎖相環(huán)超可倍頻到48MHZ。這里就用到了一些寄存器中的*些位，倍頻公式如下：（4-1）其中，OSCCLK_VALUE——系統(tǒng)的外部晶振；REFDV_VALUE——系統(tǒng)時鐘分頻系數(shù)SYNR_VALUE——倍頻系數(shù)SYNR=SYNR_VALUE，REFDV=REFDV_VALUE，SYNR、REFDV就是寄存器中的對應(yīng)位。voidCLK_init(void){ //鎖相環(huán)24MSYNR=2;REFDV=1; //PLL=2*OSC*(SYNR+1)/(REFDV+1)while(!(CRGFLG&0*08)){}//等待鎖相環(huán)穩(wěn)定CLKSEL=CLKSEL_PLLSEL; //設(shè)置總線時鐘為PLL/2｝4.3.2串口初始化可以看到，不論8位、16位還是32位單片機的最小系統(tǒng)都是通過異步串行口與人溝通的。使用串行通信接口SCI(SerialCommunicationInterface)通信是計算機與人對話最傳統(tǒng)、最基本的方法，異步通信接口也成為通用異步接受器/發(fā)送器UART(UniversalAsynchronousReceiver/Tansmitter)。為了便于調(diào)試，本系統(tǒng)利用串口通信接口SCI實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。串口部分程序主要是初始化各寄存器，其中包括設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)格式、接受發(fā)送功能使能、設(shè)置接受模式等。以下是與串口有關(guān)的幾個初始化函數(shù):/**********串口初始化*************************/voidSCIinit(void){ SCI1BD=208;//32M總線波特率9600SCI1CR1=0;SCI1CR2=0*2C;//只允許接收中斷}/**********讀串口******************************/unsignedcharSci1Read(){unsignedcharredata;while(SCI1SR1_RDRF!=1);redata=SCI1DRL;returnredata;}/**********寫串口******************************/voidSci1Write(unsignedcharchSend){while(SCI1SR1_TC!=1);while(SCI1SR1_TDRE!=1);SCI1DRL=chSend;}4.3.3PWM初始化PWM(PulseWidthModulation)即脈寬調(diào)制，脈寬調(diào)制波是一種可用程序來控制波形占空比、周期、相位的波形。它在電動機驅(qū)動、D/A變換等場合有著廣泛的應(yīng)用。PWM模塊特點：8個帶周期占空比可程控的PWM獨立通道4個可程控選擇的時鐘源每個PWM通道有專用的計數(shù)器PWM每個通道脈沖極性可以選擇每個PWM通道可使能/禁止周期和占空比雙緩沖每個通道有中心對齊和邊緣對齊方式分辨率:8位(8通道)，16位(4通道)帶中斷功能的緊急切斷PWM在本系統(tǒng)中主要用于驅(qū)動兩個伺服電機，一個是電機，另一個是舵機，而控制這兩個電機的PWM信號是經(jīng)過路徑識別和系統(tǒng)決策后給出的，這樣就能實現(xiàn)小車的循線跑。舵機的響應(yīng)時間對于控制非常重要，一方面可以通過修改PWM周期獲得。另一方面也可以通過機械方式，利用舵機的輸出轉(zhuǎn)矩余量，將角度進(jìn)行放大，加快舵機的響應(yīng)速度。而舵機的脈沖范圍，它對應(yīng)舵機旋轉(zhuǎn)角度，在設(shè)置時一方面應(yīng)考慮到舵機的極限位置；另一方面還要考慮到車模轉(zhuǎn)向的極限。本設(shè)計中，通過測試找到了40度對應(yīng)的脈沖寬度。PWM初始化程序流程圖如圖4-2所示：圖4-2PWM初始化流程圖具體程序如下：voidpwminitial(void){PWMCTL_CON01=1;//PWM01合并16btPWMPRCLK=0*20;//A=24M/1=24M,B=24/4=6MPWMSCLA=12;//SA=A/2/12=1MPWMSCLB=15