智能小車(chē)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） </p><p>　　基于MC9S12XS128單片機(jī)的智能小車(chē)設(shè)計(jì)</p><p>　　論文題目 基于MC9S12XS128單片機(jī)的智能小車(chē)設(shè)計(jì) </p><p>　　系 部 機(jī)械電氣學(xué)部 </p><p>　　專(zhuān) 業(yè)

2、自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí) 09自動(dòng)化1班 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　學(xué)生姓名 </p>&l

3、t;p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　二0一三 年 五 月 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文以第六屆飛思卡爾杯智能汽車(chē)競(jìng)賽為背景詳細(xì)介紹了智能小車(chē)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)和開(kāi)發(fā)流程。采用1:10 的仿真車(chē)模，以飛思卡爾半導(dǎo)體公司

4、生產(chǎn)的16 位單片機(jī)MC9S12XS128 為核心控制器，在CodeWarrior IDE 開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，使賽車(chē)在跑道上沿著黑線以最快的速度行駛。論文介紹了總體方案設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、無(wú)線通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、上位機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的調(diào)試與分析。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分主要介紹了對(duì)車(chē)模的改進(jìn)和三舵機(jī)隨動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。硬件電路設(shè)計(jì)部分主要介紹了智能小車(chē)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)原理，包括原理圖和 PCB 設(shè)計(jì)。

5、軟件設(shè)計(jì)方面，主要介紹了三隨動(dòng)舵機(jī)的控制原理和電機(jī)的 PID 控制策略。無(wú)線通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì)則以 nRF24L01 的介紹和應(yīng)用為主，闡述了無(wú)線技術(shù)在智能小車(chē)系統(tǒng)中的應(yīng)用思路。</p><p>　　在制作小車(chē)的過(guò)程中，通過(guò)不斷的測(cè)試調(diào)整了車(chē)模輪胎的角度，經(jīng)過(guò)調(diào)整以后，小車(chē)能更好地適應(yīng)直線和彎道；舵機(jī)采用了調(diào)轉(zhuǎn)放置的方式，減小了力臂，能更加靈活、快速的轉(zhuǎn)動(dòng)。軟件方面采用了PID控制算法，控制更加地靈活簡(jiǎn)單，最主要的是

6、小車(chē)尋軌跡更加地穩(wěn)定、精確。最終本設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)各種賽道，直道速度能達(dá)到3.5m/s，平均速度接近2.9m/s。</p><p>　　關(guān)鍵詞：智能小車(chē)， 激光傳感器，MC9S12XS128，上位機(jī)，PID</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This paper introduces the hardware

7、 and software structure of smart car system and development process in the sixth Freescale cup competition for intelligent vehicle. Using 1:10 simulation models, with Freescale Semiconductor company’s 16‐bit MCU MC9S12XS

8、128 as the core, do the software development in the CodeWarrior IDE development environment and make car on the black line with the fastest speed. This paper introduces the overall design, mechanical design, hardware de

9、sign, software design, wir</p><p>　　In the process of making the car, adjust the tire’s angle of the models through a series of tests. After adjustment, the car can better adapt to straight lines and corner,

10、 steering gear used jerked placed way, reduced the behavior, can be more flexible, rapid rotation. Software adopted PID control algorithm, control to more and more flexible simple, the most is the car can find more stabl

11、e trajectory, precise. Finally this design can adapt to all kinds of circuit, until can reach speeds of up to</p><p>　　Key words: smart car, laser sensor,MC9S12XS128, host computer</p><p><b&

12、gt;　　目錄</b></p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 課題研究的目的和意義2</p><p>　　1.3 本設(shè)計(jì)的內(nèi)容及意義3</p><p>　　1.3.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容3</p&

13、gt;<p>　　1.3.2 設(shè)計(jì)意義3</p><p>　　1.4 論文各部分的主要內(nèi)容4</p><p>　　2 智能循跡小車(chē)系統(tǒng)5</p><p>　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)要求5</p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)5</p><p>　　2.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求5&l

14、t;/p><p>　　2.2 系統(tǒng)方案論證5</p><p>　　2.2.1 控制器方案論證5</p><p>　　2.2.2 供電單元方案論證5</p><p>　　2.2.3電源總分布圖6</p><p>　　2.2.4 主控板和數(shù)字傳感器電源模塊6</p><p>　　2.2.5 舵

15、機(jī)電源模塊7</p><p>　　2.2.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)8</p><p>　　2.2.7 循跡單元方案論證9</p><p>　　3 智能小車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1 車(chē)模整體結(jié)構(gòu)11</p><p>　　3.2 轉(zhuǎn)向舵機(jī)的安裝11</p><p>　　3.3

16、 車(chē)輪及底盤(pán)的調(diào)整12</p><p>　　3.3.1 主銷(xiāo)后傾角12</p><p>　　3.3.2 主銷(xiāo)內(nèi)傾角13</p><p>　　3.3.3 前輪前束13</p><p>　　3.4 底盤(pán)部分設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.5 PCB 板尺寸設(shè)計(jì)及其安裝14</p><p&g

17、t;　　4 硬件電路設(shè)計(jì)方案16</p><p>　　4.1 MC9S12XS128單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.2 電源模塊17</p><p>　　4.3 撥碼開(kāi)關(guān)和蜂鳴器電路19</p><p>　　4.4 激光傳感器設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.5 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)19</p

18、><p>　　4.6 速度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.7 液晶鍵盤(pán)模塊設(shè)計(jì)21</p><p>　　5 智能小車(chē)軟件設(shè)計(jì)22</p><p>　　5.1主程序流程圖22</p><p>　　5.2信號(hào)分析與識(shí)別23</p><p>　　5.3 PID 控制算法23</

19、p><p>　　5.4 各模塊初始化24</p><p>　　5.4.1 時(shí)鐘模塊初始化24</p><p>　　5.4.2 ECT模塊初始化24</p><p>　　5.4.3 舵機(jī)控制—PWM01初始化25</p><p>　　5.4.4 電機(jī)控制—PWM6初始化25</p><p>

20、　　5.5 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和調(diào)試26</p><p><b>　　6 結(jié) 論28</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p><b>　　致謝31</b></p&

21、gt;<p><b>　　1 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　在科學(xué)技術(shù)不斷飛速發(fā)展、企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)要求不斷提高、對(duì)自動(dòng)化技術(shù)依賴不斷加深的環(huán)境下，智能車(chē)輛以及在智能車(chē)輛基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品已成為自動(dòng)化物流運(yùn)輸、柔性生產(chǎn)組織等系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。如今世界上大多國(guó)家都投入了大量的

22、人力、物力在積極進(jìn)行智能車(chē)輛的研究和開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，搶占智能控制市場(chǎng)先機(jī)。移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支，出現(xiàn)于20世紀(jì)06年代。當(dāng)時(shí)斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名shakey的自主式移動(dòng)機(jī)器人，目的是將人工智能技術(shù)應(yīng)用在復(fù)雜環(huán)境下，完成機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。從此，移動(dòng)機(jī)器人從無(wú)到有，數(shù)量不斷增多，智能車(chē)輛作為移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)重要分支也

23、得到越來(lái)越多的關(guān)注。</p><p>　　智能小車(chē)，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航及白動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。</p><p>　　智能車(chē)輛也叫無(wú)人車(chē)輛，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策和多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。它具有道路障礙自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)制動(dòng)、自動(dòng)保持安全距離、車(chē)速和巡航控制等功能。

24、智能車(chē)輛的主要特點(diǎn)是在復(fù)雜的道路情況下，能自動(dòng)地操縱和駕駛車(chē)輛繞開(kāi)障礙物并沿著預(yù)定的道路(軌跡)行進(jìn)。智能車(chē)輛在原有車(chē)輛系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一些智能化技術(shù)設(shè)備:</p><p>　　(1)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，主要完成對(duì)來(lái)自攝像機(jī)所獲取的圖像的預(yù)處理、增強(qiáng)、分析、識(shí)別等工作;</p><p>　　(2)攝像機(jī)，用來(lái)獲得道路圖像信息;</p><p>　　(3)傳感器設(shè)備，車(chē)

25、速傳感器用來(lái)獲得當(dāng)前車(chē)速，障礙物傳感器用來(lái)獲得前方、側(cè)方、后方障礙物等信息。</p><p>　　智能車(chē)輛技術(shù)按功能可分為三層，即智能感知/預(yù)警系統(tǒng)、車(chē)輛駕駛系統(tǒng)和全自動(dòng)操作系統(tǒng)團(tuán)。上一層技術(shù)是下一層技術(shù)的基礎(chǔ)。三個(gè)層次具體如下:</p><p>　　(1)智能感知系統(tǒng)，利用各種傳感器來(lái)獲得車(chē)輛自身、車(chē)輛行駛的周?chē)h(huán)境及駕駛員本身的狀態(tài)信息，必要時(shí)發(fā)出預(yù)警信息。主要包括碰撞預(yù)警系統(tǒng)和駕駛員

26、狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。碰撞預(yù)警系統(tǒng)可以給出前方碰撞警告、盲點(diǎn)警告、車(chē)道偏離警告、換道/并道警告、十字路口警告、行人檢測(cè)與警告、后方碰撞警告等。駕駛員狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)包括駕駛員打噸警告系統(tǒng)、駕駛員位置占有狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。</p><p>　　(2)輔助駕駛系統(tǒng)，利用智能感知系統(tǒng)的信息進(jìn)行決策規(guī)劃，給駕駛員提出駕駛建議或部分地代替駕駛員進(jìn)行車(chē)輛控制操作。主要包括:巡航控制、車(chē)輛跟蹤系統(tǒng)、準(zhǔn)確泊車(chē)系統(tǒng)及精確機(jī)動(dòng)系統(tǒng)。</p&

27、gt;<p>　　(3)車(chē)輛自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，這是智能車(chē)輛技術(shù)的最高層次，它由車(chē)載計(jì)算機(jī)全部自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)車(chē)輛操作功能。目前，主要發(fā)展用于擁擠交通時(shí)低速自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、近距離車(chē)輛排隊(duì)駕駛系統(tǒng)等[1]。</p><p>　　智能小車(chē)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個(gè)方面:</p><p>　　(1)軍事偵察與環(huán)境探測(cè)</p><p>　　現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)軍事偵察提出了更高的要求

28、，世界各國(guó)普遍重視對(duì)軍事偵察的建設(shè)，采取各種有效措施預(yù)防敵方的突然襲擊，并廣泛應(yīng)用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，不斷研制多用途的偵察器材和探測(cè)設(shè)備，在車(chē)上裝備攝像機(jī)、安全激光測(cè)距儀、夜視裝置和衛(wèi)星全球定位儀等設(shè)備，通過(guò)光纜操縱，完成偵察和監(jiān)視敵情、情報(bào)收集、目標(biāo)搜索和自主巡邏等任務(wù)，進(jìn)一步擴(kuò)大偵察的范圍，提高偵察的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。</p><p>　　(2)探測(cè)危險(xiǎn)與排除險(xiǎn)情</p><p>　　在戰(zhàn)場(chǎng)上

29、或工程中，常常會(huì)遇到各種各樣的意外。這時(shí)，智能化探測(cè)小車(chē)就會(huì)發(fā)揮很好的作用。戰(zhàn)場(chǎng)上，可以使用智能車(chē)輛掃除路邊炸彈、尋找和銷(xiāo)毀地雷。民用方面，可以探測(cè)化學(xué)泄漏物質(zhì)，可以進(jìn)行地鐵滅火，以及在強(qiáng)烈地震發(fā)生后到廢墟中尋找被埋人員等。</p><p>　　(3)安全檢測(cè)受損評(píng)估</p><p>　　在工程建設(shè)領(lǐng)域，可對(duì)高速公路自動(dòng)巡跡，進(jìn)行道路質(zhì)量檢測(cè)和破壞分析檢測(cè)；對(duì)水庫(kù)堤壩、海岸護(hù)岸堤、江河大壩

30、進(jìn)行質(zhì)量和安全性檢測(cè)。在制造領(lǐng)域，可用于工業(yè)管道中機(jī)械損傷，裂紋等缺陷的探尋，對(duì)輸油和輸氣管線的泄漏和破損點(diǎn)的查找和定位等。</p><p><b>　　(4)智能家居</b></p><p>　　在家庭中，可以用智能小車(chē)進(jìn)行家具、遠(yuǎn)程控制家中的家用電器，控制室溫等等。</p><p>　　1.2 課題研究的目的和意義</p>&

31、lt;p>　　目前，國(guó)內(nèi)外的許多大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)都在積極投入人力、財(cái)力研制開(kāi)發(fā)針對(duì)特殊條件下的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中包括研究使用遠(yuǎn)程、無(wú)人的方法來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，如機(jī)器人、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。無(wú)線傳輸?shù)陌l(fā)展使得測(cè)量變得相對(duì)簡(jiǎn)單而且使得處理數(shù)據(jù)的速度變得很快甚至可以達(dá)到實(shí)時(shí)處理。</p><p>　　智能小車(chē)可以作為機(jī)器人的典型代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測(cè)部分、執(zhí)行部分、CPU。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能，還可以擴(kuò)展循

32、跡等功能，感知導(dǎo)引線和障礙物。可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)自動(dòng)識(shí)別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測(cè)到障礙物自動(dòng)躲避。</p><p>　　通過(guò)構(gòu)建智能小車(chē)系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力。在實(shí)踐過(guò)程中，熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片設(shè)計(jì)小車(chē)的檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)和顯示等外圍電路，采用智能控制算法實(shí)現(xiàn)小車(chē)的智能循跡的方法。靈活應(yīng)用機(jī)電等相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)，聯(lián)系實(shí)際實(shí)現(xiàn)具體電路設(shè)計(jì)，達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一，加深對(duì)控制理論的理解和認(rèn)識(shí)。<

33、/p><p>　　1.3 本設(shè)計(jì)的內(nèi)容及意義</p><p>　　1.3.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容</p><p><b>　　路面檢測(cè)模塊;</b></p><p>　　電源模塊為5V，6V;</p><p>　　直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊電路及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序;</p><p><b>

34、;　　測(cè)速模塊;</b></p><p>　　循線跡功能電路及程序;</p><p><b>　　復(fù)位電路模塊;</b></p><p>　　1.3.2 設(shè)計(jì)意義</p><p>　　世界各國(guó)在智能微型車(chē)領(lǐng)域進(jìn)行了很多研究，己經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在探測(cè)和軍事領(lǐng)域使用特別多。我國(guó)也開(kāi)展了很多研究工作，以滿足不同

35、用途的需要。美國(guó)和前蘇聯(lián)是從20世紀(jì)60年代末期開(kāi)始進(jìn)行月球表面探測(cè)任務(wù)的。美國(guó)曾在1966-1968年間，向月球成功發(fā)射了兩次無(wú)人巡游探測(cè)器。1997年，由美國(guó)JPL(全稱(chēng)JetPropulsion Laboratory，美國(guó)太空總署噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室)研制的Sojourner號(hào)探測(cè)車(chē)登上了火星。它驗(yàn)證了小型火星車(chē)的性能，并完成了一系列技術(shù)試驗(yàn)。2004年1月，美國(guó)的“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”火星探測(cè)車(chē)再度登陸火星。前蘇聯(lián)在1959-1976

36、年間，總共成功發(fā)射了兩個(gè)月球探測(cè)車(chē)。</p><p>　　單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，無(wú)論是在生活、生產(chǎn)上，單片機(jī)無(wú)處不在。飛思卡爾公司的單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。MC9S12XS128可以說(shuō)是單片機(jī)領(lǐng)域的主流產(chǎn)品 ，其應(yīng)用如此廣泛，所以有必要去學(xué)習(xí)和應(yīng)用該單片機(jī)，以滿足實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的需要，也是適應(yīng)社會(huì)智能化、自動(dòng)化的趨勢(shì)。</p>&

37、lt;p>　　隨著汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車(chē)的研究也就越來(lái)越受人關(guān)注。全國(guó)電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車(chē)這方面的題目，全國(guó)各高校也都很重視該題目的研究，可見(jiàn)其研究意義很大。本設(shè)計(jì)就是在這樣的背景下提出的，本題目是結(jié)合科研項(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類(lèi)課題。本設(shè)計(jì)采用了比較先進(jìn)的飛思卡爾公司的MC9S12XS128單片機(jī)為控制核心，飛思卡爾主要為汽車(chē)、網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信、工業(yè)控制和消費(fèi)電子等行業(yè)提供產(chǎn)品。通過(guò)嵌入式處理器和輔助產(chǎn)品，為

38、客戶提供復(fù)雜多樣的半導(dǎo)體和軟件集成方案，即飛思卡爾所謂的“平臺(tái)級(jí)產(chǎn)品”。該設(shè)計(jì)具有很好的現(xiàn)實(shí)意義，廣泛應(yīng)用于考古、機(jī)器人、醫(yī)療器械等智能設(shè)備許多方面。尤其是在機(jī)器人方面研究方面具有很好的發(fā)展前景，在考古方面也應(yīng)用到了超聲波傳感器進(jìn)行檢測(cè)。所以本設(shè)計(jì)與實(shí)際相結(jié)合，現(xiàn)實(shí)意義很強(qiáng)。</p><p>　　1.4 論文各部分的主要內(nèi)容</p><p>　　第1章對(duì)智能循跡小車(chē)的現(xiàn)狀、研究意義和設(shè)計(jì)

39、要求進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。</p><p>　　第2章介紹了該智能循跡小車(chē)系設(shè)計(jì)方案比較和選擇，分析了各模塊的功能。</p><p>　　第3章闡述了智能車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)整優(yōu)化方案，包括車(chē)模整體結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)的安裝、車(chē)輪及底盤(pán)的調(diào)整、隨動(dòng)舵機(jī)及激光傳感器的安裝、測(cè)速模塊的安裝等。</p><p>　　第4章闡述了智能小車(chē)系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)，其中包括單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊電路

40、、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路、速度檢測(cè)電路等。</p><p>　　第5章介紹了該系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的流程、所選用的PID算法、各個(gè)功能模塊的初始化等。最后介紹調(diào)試過(guò)程中所用到的程序調(diào)試軟件及其調(diào)試環(huán)境。</p><p>　　2 智能循跡小車(chē)系統(tǒng)</p><p>　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)要求</p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)</p&g

41、t;<p>　　1.熟悉飛思卡爾MC9S12XS128單片機(jī)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，運(yùn)用C語(yǔ)言編寫(xiě)工程文件；</p><p>　　2.熟練應(yīng)用所選用單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、資源，以及軟硬件調(diào)試設(shè)備的基本方法；</p><p>　　3.自行構(gòu)建基于單片機(jī)的最小系統(tǒng)，完成相關(guān)硬件電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；</p><p>　　4.了解電機(jī)、路面檢測(cè)的原理和實(shí)現(xiàn)方法。</p&g

42、t;<p>　　2.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求</p><p>　　1.完成單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)；</p><p>　　2.完成外圍應(yīng)用電路（包括系統(tǒng)供電單元、運(yùn)動(dòng)控制單元、循跡檢測(cè)單元）的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；</p><p>　　3.完成軟件對(duì)硬件檢測(cè)和調(diào)試工作；</p><p>　　4.查閱國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展前沿信息，閱讀相關(guān)外文文獻(xiàn)。

43、</p><p>　　2.2 系統(tǒng)方案論證</p><p>　　2.2.1 控制器方案論證</p><p>　　按照題目要求，控制器主要用于控制電機(jī)，通過(guò)相關(guān)傳感器對(duì)路面的軌跡信息進(jìn)行處理，并將處理信號(hào)傳輸給控制器，然后控制器做出相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的前進(jìn)和后退，保證在允許范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)蹺蹺板的平衡。</p><p>　　方案一：可以采用ARM為

44、系統(tǒng)的控制器，優(yōu)點(diǎn)是該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，片上外設(shè)集成度搞密度高，提高了穩(wěn)定性，系統(tǒng)的處理速度也很高，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。</p><p>　　方案二：采用飛思卡爾MC9S12XS128作為系統(tǒng)控制的方案。飛思卡爾MC9S12XS128單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，功耗低、體積小、技術(shù)成熟。</p><p>　　考慮到性價(jià)比問(wèn)題，本設(shè)計(jì)選用飛思卡爾MC9S12XS1

45、28單片機(jī)做控制器[2]。</p><p>　　2.2.2 供電單元方案論證</p><p>　　方案一：采用單電源供電，通過(guò)單電源同時(shí)對(duì)單片機(jī)和直流電機(jī)進(jìn)行供電。此方案的優(yōu)點(diǎn)是，減少機(jī)身的重量，操作簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)是，這樣會(huì)使單片機(jī)的波動(dòng)變大，影響單片機(jī)的性能，穩(wěn)定性比較弱。</p><p>　　方案二：采用雙電源供電，通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的電源分別對(duì)單片機(jī)和直流電機(jī)進(jìn)行供電

46、。此方案的優(yōu)點(diǎn)是，減少波動(dòng)，穩(wěn)定性比較好，可以讓小車(chē)更好的運(yùn)作起來(lái)，唯一的缺點(diǎn)就是會(huì)增加小車(chē)的重量。</p><p>　　綜合以上的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)決定采用第二種方案。</p><p>　　2.2.3電源總分布圖</p><p>　　圖2.1電源部分系統(tǒng)框圖</p><p>　　2.2.4 主控板和數(shù)字傳感器電源模塊</p>

47、<p>　　為了保證主控制器不受其它模塊影響，本設(shè)計(jì)采用 2940 為主控制器單獨(dú)供電，用另一片2940為其它的數(shù)字傳感器供電，如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 5V供電系統(tǒng)</p><p>　　三端穩(wěn)壓集成電路lm7804電子產(chǎn)品中，常見(jiàn)的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的lm78 ×× 系列和負(fù)電壓輸出的lm79××系列。顧

48、名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子像是普通的三極管TO- 220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有l(wèi)m9013樣子的TO-92封裝。</p><p>　　圖2.3 Lm7804封裝</p><p>　　用lm78/lm79系列三端穩(wěn)壓IC來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，所以使用起來(lái)安全，可靠，而且

49、很方便方便，最主要的是價(jià)格非常便宜。從實(shí)用性和節(jié)約成本考慮本設(shè)計(jì)選用了此芯片[3]。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的lm78或lm79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如lm7806表示輸出電壓為正6V，lm7909表示輸出電壓為負(fù)9V。因?yàn)槿斯潭煞€(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率 的條件下不用）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度

50、過(guò)高時(shí)，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。當(dāng)制作中需要一個(gè)能輸出1.5A以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來(lái)，使其最大輸出電流為N個(gè)1.5A，但應(yīng)用時(shí)需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號(hào)的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一定的余量，以避免個(gè)別集成穩(wěn)壓電路失效時(shí)導(dǎo)致其他電路的連鎖燒毀。</p><p>　　2.2.5 舵機(jī)電源模塊</p><p>　　電

51、壓越高，舵機(jī)的反應(yīng)越靈敏，很多人都直接給舵機(jī)加電源電壓，來(lái)獲得更好的轉(zhuǎn)向效果，本設(shè)計(jì)也嘗試過(guò)，但這樣特別容易燒壞舵機(jī)，而且非常不穩(wěn)定。</p><p>　　所以必須選擇低壓差，而且輸出電流大于 2A 以上的穩(wěn)壓芯片。由于線性電源電路簡(jiǎn)單，而且穩(wěn)定，所以本設(shè)計(jì)首先考慮的是線性電源。</p><p>　　然而線性電源往往是低壓差的輸出電流小，輸出電流大的壓差又比較大，不能很好的滿足要求。<

52、;/p><p>　　為了達(dá)到理想中的效果，使控制芯片更加穩(wěn)定地工作。本設(shè)計(jì)最終選擇了開(kāi)關(guān)電源，選擇的開(kāi)關(guān)電源輸出最大電流可以達(dá)到 5A，輸出電壓大范圍可調(diào)，最高可以接近電源電壓，完全滿足要求。而且開(kāi)關(guān)電源還具有效率高的優(yōu)點(diǎn)，特別是在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，不至于讓電流以熱量的形式白白浪費(fèi)掉。如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4 開(kāi)關(guān)電源模塊</p><p>　　2.2.

53、6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)</p><p>　　方案一：采用直流電機(jī)，配合LM293驅(qū)動(dòng)芯片組合。優(yōu)點(diǎn)在于硬件電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。當(dāng)外加額定直流電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速幾乎相等。這類(lèi)電機(jī)用于錄音機(jī)、錄相機(jī)、唱機(jī)或激光唱機(jī)等固定轉(zhuǎn)速的機(jī)器或設(shè)備中，也用于變速范圍很寬的驅(qū)動(dòng)裝置，但是容易受到外部因素干擾，影響穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出。電路如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)</p>

54、<p>　　方案二：采用步進(jìn)電機(jī)，配合LM298驅(qū)動(dòng)芯片組合。步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)腳輸出，只要施加合適的脈沖序列，電機(jī)可以按照人們的預(yù)定的速度或方向進(jìn)行連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，便于控速，但是軟件程序的編寫(xiě)較直流電機(jī)稍顯復(fù)雜。而且LM298芯片的硬件電路比較復(fù)雜，輸出雜波比較多。最主要的致命缺點(diǎn)是它的控制精度不高，因此本設(shè)計(jì)最終放棄了這種方案。電路圖如圖2.6所示</p><p>　　圖2.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)<

55、;/p><p>　　方案三：用通俗的話來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)模塊就是一個(gè)電子開(kāi)關(guān)。所說(shuō)的驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，其實(shí)就是減小導(dǎo)通等效電阻。市場(chǎng)上有很多低內(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)芯片供選擇，如MC33886,BTS7970 等。為了追求更低內(nèi)阻，可以選擇低內(nèi)阻的 NMOS 來(lái)搭建驅(qū)動(dòng)電路。本設(shè)計(jì)就采用了兩塊BTS7970電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，不僅輸出功率大，而且有控制簡(jiǎn)單，精度高的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　2.2.7 循跡單元方

56、案論證</p><p>　　方案一：用光敏電阻組成光敏探測(cè)器</p><p>　　用光敏電阻組成光敏探測(cè)器，光敏電阻的阻值可以跟隨周?chē)h(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過(guò)比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。本設(shè)計(jì)排除了這種做

57、法。</p><p>　　方案二：采用RPR220型光電對(duì)管</p><p>　　RPR220是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管。這種方案的缺點(diǎn)是探測(cè)范圍小，小車(chē)速度不能很好的提升。</p><p>　　方案三：采用激光頭探測(cè)</p><p>　　對(duì)于智能小車(chē)，傳感器是至

58、關(guān)重要的，就像人的眼睛一樣，如果讓一個(gè)患有眼疾或近視的人去開(kāi)賽車(chē)，后果是不堪設(shè)想的。傳感器主要追求三個(gè)指標(biāo)：穩(wěn)定、前瞻和測(cè)量精度。開(kāi)始接觸激光的時(shí)候，往往覺(jué)得難以琢磨它的脾氣，一不小心就燒了，其實(shí)熟悉它后，完全可以把它當(dāng)做發(fā)光二極管來(lái)對(duì)待。激光頭探測(cè)不僅僅探測(cè)半徑大，而且傳輸信號(hào)穩(wěn)定，受干擾小，本設(shè)計(jì)因此采用了激光頭探測(cè)[4]。激光分布如圖2.7所示。</p><p>　　圖2.7 激光分布圖</p>

59、<p>　　傳感器由兩部份構(gòu)成，一部份為發(fā)射部份，一部分為接收部份。發(fā)射部份由一個(gè)振蕩管發(fā)出 180KHz 頻率的振蕩波后，經(jīng)放大電路放大，激光管放射。接收部份由一個(gè)相匹配 180KHz 的接收管接收返回的光強(qiáng)，經(jīng)過(guò)電容濾波后直接接入單片機(jī)用以判別電壓高低。由于接收的波屬于高頻段的波，因此電容是必須的，否則電磁干擾會(huì)非常的嚴(yán)重，指示燈會(huì)常亮或者閃爍，實(shí)際過(guò)程中要不斷試驗(yàn)電容的大小，選擇合適的值以使接收管正常工作。</

60、p><p>　　3 智能小車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　《資本論》中提到有“經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)決定上層建筑”的論斷。不錯(cuò)，在智能小車(chē)系統(tǒng)中，車(chē)子的機(jī)械結(jié)構(gòu)就是決定智能小車(chē)整體性能的基礎(chǔ)。以往的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)校的好，對(duì)軟件的編寫(xiě)有很大地促進(jìn)。從整個(gè)系統(tǒng)上考慮：軟件駕馭硬件，而硬件卻依賴于機(jī)械結(jié)構(gòu)。要想提高智能小車(chē)的速度，軟件要調(diào)的好，而機(jī)械結(jié)構(gòu)上的一些優(yōu)化，在很大程度上可以簡(jiǎn)化軟件的編寫(xiě)。

61、合理優(yōu)良的機(jī)械結(jié)構(gòu)能讓智能小車(chē)在直道和彎道上高速穩(wěn)定的通過(guò)，而且轉(zhuǎn)彎靈巧快速。本章將主要介紹賽車(chē)車(chē)模的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)整優(yōu)化方案：車(chē)模整體結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向舵機(jī)的安裝、車(chē)輪及底盤(pán)的調(diào)整、隨動(dòng)舵機(jī)及激光傳感器的安裝、測(cè)速模塊的安裝等。</p><p>　　3.1 車(chē)模整體結(jié)構(gòu)</p><p>　　車(chē)模選用的是“飛思卡爾”杯智能車(chē)大賽組委會(huì)指定的 1：10 仿真車(chē)模。車(chē)模底盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖 3.1所示。&l

62、t;/p><p><b>　　圖3.1 車(chē)模底盤(pán)</b></p><p>　　3.2 轉(zhuǎn)向舵機(jī)的安裝</p><p>　　轉(zhuǎn)向舵機(jī)是控制智能小車(chē)轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵部分，其安裝性能的優(yōu)劣直接影響到智能小車(chē)轉(zhuǎn)向的靈活性和穩(wěn)定性，這也就對(duì)智能小車(chē)舵機(jī)安裝的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了較高的要求。舵機(jī)的在車(chē)模上必須完全固定，不允許它與車(chē)模之間有相對(duì)移動(dòng)；同時(shí)，舵機(jī)的傳動(dòng)力臂在保

63、證提供足夠轉(zhuǎn)向力矩的前提下還要做到更加靈活。</p><p>　　首先，對(duì)于同樣的舵機(jī)，其傳動(dòng)力臂越長(zhǎng)，響應(yīng)速度越高。增加舵機(jī)傳動(dòng)力臂的長(zhǎng)度意味著舵機(jī)只要轉(zhuǎn)動(dòng)更小的角度就能產(chǎn)生較大的橫向位移，從而使車(chē)輪轉(zhuǎn)過(guò)更大的角度。但是，根據(jù)力矩公式 M?? F?L ，舵機(jī)傳動(dòng)力臂加長(zhǎng)會(huì)使舵機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，從而降低舵機(jī)定位的精度，且容易造成舵機(jī)損壞。因此，舵機(jī)傳動(dòng)力臂的長(zhǎng)度并不是跟舵機(jī)轉(zhuǎn)向的靈活性成正比的，傳動(dòng)力臂太長(zhǎng)反而會(huì)

64、影響其轉(zhuǎn)向性能。綜合考慮，最終選擇適當(dāng)加長(zhǎng)舵機(jī)的傳動(dòng)力臂，在提高智能小車(chē)轉(zhuǎn)彎的靈活度的同時(shí)不會(huì)對(duì)舵機(jī)定位的精度有太大影響。</p><p>　　經(jīng)過(guò)多次改動(dòng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)將舵機(jī)垂直安裝于車(chē)身頭部正中央位置效果最佳。這樣安裝使舵機(jī)連接桿與傳動(dòng)力臂處于同一平面內(nèi)并接近垂直，保證了舵機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大程度上作用于前輪的轉(zhuǎn)向。舵機(jī)安裝在中央位置使前輪左右轉(zhuǎn)向平衡，避免了車(chē)模轉(zhuǎn)向的左右不對(duì)稱(chēng)，提高了智能小車(chē)適應(yīng)不同賽道的能力。另

65、外，舵機(jī)前置使重心前移，增大了前輪對(duì)地面的壓力，從而增大了前輪的抓地力更加利于轉(zhuǎn)向。舵機(jī)安裝實(shí)物圖如圖 3.2 所示。</p><p>　　圖3.2 舵機(jī)安裝實(shí)物圖</p><p>　　3.3 車(chē)輪及底盤(pán)的調(diào)整</p><p>　　為了使智能小車(chē)在高速行駛時(shí)仍然具有較高的穩(wěn)定性和靈活性，本設(shè)計(jì)需要對(duì)車(chē)模的車(chē)輪和底盤(pán)進(jìn)行必要的調(diào)整。這里主要介紹主銷(xiāo)后傾角、主銷(xiāo)內(nèi)傾角、

66、前輪前束、底盤(pán)調(diào)整。</p><p>　　3.3.1 主銷(xiāo)后傾角</p><p>　　轉(zhuǎn)向輪圍繞主銷(xiāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，前軸的軸荷通過(guò)主銷(xiāo)傳給轉(zhuǎn)向車(chē)輪，具備這兩點(diǎn)的就叫做主銷(xiāo)。</p><p>　　主銷(xiāo)后傾角是指在縱向平面內(nèi)主銷(xiāo)軸線與地面垂直線之間的夾角。前輪重心在主銷(xiāo)的軸線上，由于主銷(xiāo)向后傾斜使前輪的重心不在車(chē)輪與地面的接觸點(diǎn)上，于是產(chǎn)生了離心力。主銷(xiāo)后傾形成的離心力，可以

67、保證車(chē)子直線行駛的穩(wěn)定性，還可以幫助車(chē)輪自動(dòng)回正。在車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生與車(chē)輪偏轉(zhuǎn)方向相反的回正力矩，使車(chē)輪自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的中間位置上?？傊?，主銷(xiāo)后傾角越大，車(chē)速越高前輪自動(dòng)回正的能力就越強(qiáng)，但是過(guò)大的回正力矩會(huì)使車(chē)輛轉(zhuǎn)向沉重。通常主銷(xiāo)后傾角值設(shè)定在1°到3°。</p><p>　　3.3.2 主銷(xiāo)內(nèi)傾角</p><p>　　主銷(xiāo)內(nèi)傾角是指主銷(xiāo)的軸線相對(duì)于車(chē)輪的中心線向內(nèi)傾

68、斜的角度。主銷(xiāo)內(nèi)傾角示意圖如圖 3.3 所示。</p><p>　　圖3.3 主銷(xiāo)內(nèi)傾角示意圖</p><p>　　由于主銷(xiāo)軸線向內(nèi)傾斜，使前軸荷更接近前輪中心線。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪在外力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，由于主銷(xiāo)內(nèi)傾的原因，車(chē)輪連同整個(gè)車(chē)身前部將被抬起一定高度，外力消失后，車(chē)輪就會(huì)在重力作用下恢復(fù)到原來(lái)的中間位置。故主銷(xiāo)內(nèi)傾角可以保證車(chē)子直線行駛的穩(wěn)定性，還可以幫助車(chē)輪自動(dòng)回正。但是，主銷(xiāo)內(nèi)傾角不

69、宜過(guò)大，否則在轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)輪主銷(xiāo)偏轉(zhuǎn)的過(guò)程中，輪胎與地面將產(chǎn)生較大的滑動(dòng)，從而增加輪胎與路面間的摩擦阻力，不僅會(huì)使轉(zhuǎn)向變得沉重，還將加速輪胎的磨損通常汽車(chē)領(lǐng)域主銷(xiāo)內(nèi)傾角不大于 8°[5]。</p><p>　　3.3.3 前輪前束</p><p>　　車(chē)輪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車(chē)子的行駛性能，減少輪胎的磨損

70、前輪在滾動(dòng)時(shí)，其慣性力自然將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動(dòng)時(shí)的偏斜方向就會(huì)抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象會(huì)減少。像內(nèi)八字那樣前端小后端大的稱(chēng)為“前束”，反之則稱(chēng)為“后束”或“負(fù)前束”。在實(shí)際的汽車(chē)中，一般前束為0-12mm。前輪前束示意圖如圖3-4所示。</p><p>　　圖 3.4 前輪前束示意圖</p><p>　　調(diào)節(jié)合適的前輪前束在轉(zhuǎn)向時(shí)有利過(guò)彎，還能提高減速性。將前輪前束調(diào)節(jié)

71、成明顯的“內(nèi)八字”，運(yùn)動(dòng)阻力加大，提高減速性能。由于阻力比不調(diào)節(jié)前束時(shí)增大，所以直線加速會(huì)變慢。智能小車(chē)采用穩(wěn)定速度策略或者采用在直道高速?gòu)澋缆俚牟呗詴r(shí)，應(yīng)該調(diào)節(jié)不同的前束。</p><p>　　3.4 底盤(pán)部分設(shè)計(jì)</p><p>　　車(chē)模底盤(pán)部分的設(shè)計(jì)，主要目的在于調(diào)節(jié)車(chē)模后輪的重心。一般會(huì)使后輪重心升高，使車(chē)身前傾，這樣，車(chē)身前傾，一定程度上增加了車(chē)的穩(wěn)定性，減小前輪在過(guò)彎時(shí)的震動(dòng)

72、，同時(shí)，還能減緩車(chē)體過(guò)彎時(shí)的甩尾和傾側(cè)趨勢(shì)，尤其是對(duì)光電車(chē)而言，車(chē)子的穩(wěn)定對(duì)接收信號(hào)的穩(wěn)定程度影響很大。A車(chē)模的是通過(guò)增減前輪部分黃色墊片的數(shù)量來(lái)降低前輪底盤(pán)高度的，因此通過(guò)這種方法適當(dāng)?shù)亟档土塑?chē)模前輪的底盤(pán)高度，從而克服了前輪在過(guò)彎時(shí)的抖動(dòng)問(wèn)題。而且接受回來(lái)的信號(hào)也更加地穩(wěn)定。底盤(pán)前部重心調(diào)節(jié)見(jiàn)圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 底盤(pán)前部重心</p><p>　　3.5 PCB

73、 板尺寸設(shè)計(jì)及其安裝</p><p>　　對(duì)本模型車(chē)的信號(hào)采集電路，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了兩塊 PCB 板。分別是上排主激光PCB板和下排輔激光PCB 板。分別安裝在車(chē)模中前部和打角舵機(jī)上方。綜合考慮激光管的探測(cè)距離、模型車(chē)的行駛速度以及更好的配合軟件的控制算法，而且也著重考慮了雙排激光方案的信號(hào)干擾問(wèn)題。所以將光電傳感器信號(hào)采集電路中上排主激光的 PCB 板安裝在距車(chē)模前端的距離為 100mm，距路面的距離為 150mm

74、 的位置。PCB 板上均勻分布了 14個(gè)激光發(fā)射管和 7 個(gè)接收管。將下排輔激光的PCB板安裝在距車(chē)模前端的距離30mm,距路面的距離為 60mm 的位置。此外還設(shè)計(jì)了三塊 PCB 板，一塊是包含了電源管理模塊電路和最小系統(tǒng)電路的主板，一塊包含直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，還有一塊包含液晶按鍵電路。由于 A 型車(chē)底盤(pán)空間寬敞，所以盡可能地保持電路的一體化，簡(jiǎn)化布線，根據(jù)車(chē)模重心合理分配PCB板上左右放置器件的重量，讓PCB板完全貼合車(chē)模底盤(pán)的形狀，

75、降低重心，也提高了車(chē)模的美觀性。為了按鍵方便，可以把包含液晶按鍵電路的PCB板安裝在車(chē)模電機(jī)上方。另外考慮到驅(qū)動(dòng)電路的散熱問(wèn)題和驅(qū)動(dòng)效率問(wèn)題，可以把含直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的PCB板從主板上獨(dú)</p><p>　　4 硬件電路設(shè)計(jì)方案</p><p>　　賽道上的虛線對(duì)硬件電路方案設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是個(gè)不小的考驗(yàn)，以前的單排方案過(guò)虛線的成功率是很低的，要將解決虛線問(wèn)題，首先要在傳感器的布局上下工夫，結(jié)合軟

76、件算法的處理思想來(lái)設(shè)計(jì)傳感器布局電路。經(jīng)過(guò)多種方案的不斷嘗試，綜合考慮穩(wěn)定性和高效性等多種因素后決定采用雙排循跡的方案。本方案的電路設(shè)計(jì)采用集成加模塊化的設(shè)計(jì)思想。針對(duì)各模塊電路維修頻率，調(diào)車(chē)時(shí)拆卸的方便程度以及各芯片的散熱能力，合理地調(diào)整電路布局，將容易損壞而體積小的電路模塊獨(dú)立出來(lái)，方便及時(shí)更換和維修，還能通過(guò)各校模塊的位置調(diào)整來(lái)調(diào)配車(chē)模的重心。但總體上是盡量地將電路集成，簡(jiǎn)化布線，減少電路板面積，并貼合A車(chē)模的底盤(pán)形狀，使車(chē)子的電

77、路簡(jiǎn)潔高效又美觀。</p><p>　　4.1 MC9S12XS128單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　MC9S12XS128 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)供電與時(shí)鐘電路，復(fù)位電路、BDM 接口、無(wú)線模塊接口。</p><p>　　圖4.1 單片機(jī)及其時(shí)鐘電路</p><p>　　S12 單片機(jī)片內(nèi) CPU 使用1.8V電壓，

78、閃存操作使用 2.8V 電壓，為了提高抗干擾能力，片外 I/O 口可使用 5V 電壓，較低的片內(nèi)電壓使 CPU 運(yùn)算速度快、功耗低；較高的 I/0 電平有利于抗外界干擾，故 S12 單片機(jī)特別適合于那些工作環(huán)境惡劣的控制系統(tǒng)[7]。</p><p>　　圖4.2 最小系統(tǒng)pcb板</p><p><b>　　4.2 電源模塊</b></p><p&

79、gt;　　車(chē)模附帶的直流電池正常輸出電壓約為 7.2V-8.0V，而智能小車(chē)系統(tǒng)中，單片機(jī)最小系統(tǒng)、激光傳感器模塊、測(cè)速模塊以及計(jì)數(shù)器、譯碼器等大部分?jǐn)?shù)字芯片均使用 5V 供電；轉(zhuǎn)向舵機(jī)和兩個(gè)隨動(dòng)舵機(jī)使用 6V 供電；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊MOSFET 驅(qū)動(dòng)芯片 IR2104 則需要 12V 電源。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用了多路電路供電。系統(tǒng)電源框圖如圖 4.3 所示。</p><p>　　圖4.3 系統(tǒng)電源框圖</p&

80、gt;<p>　　5V 電源部分，考慮到單片機(jī)工作的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了兩路 5V 電源。一路使用 REG1117-5V 線性穩(wěn)壓芯片為單片機(jī)最小系統(tǒng)供電，另一路使用 LM7804線性穩(wěn)壓芯片為其他 5V 芯片供電，如圖 4.4 所示。</p><p>　　圖4.4 兩路5V 電源</p><p>　　6V 電源部分設(shè)計(jì)使用 LM7806 線性穩(wěn)壓芯片搭建。LM7806和了LM78

81、05的芯片性能大概一致，前面已經(jīng)介紹。電路圖如圖 4.5所示。</p><p>　　圖4.5 6V電源</p><p>　　12V 電源部分設(shè)計(jì)使用 MC34063 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓芯片，通過(guò) DC-DC 升壓得到 12V電源。如圖 4.6 所示。</p><p>　　圖4.6 12V電源</p><p>　　4.3 撥碼開(kāi)關(guān)和蜂鳴器電路<

82、/p><p>　　當(dāng)智能小車(chē)在賽道上行駛時(shí)，可以通過(guò)蜂鳴器發(fā)聲來(lái)提示操作人員車(chē)子的某種運(yùn)行狀態(tài)。撥碼開(kāi)關(guān)可以允許操作者給智能小車(chē)輸入一些簡(jiǎn)單的指令，給調(diào)試帶來(lái)了很大的方便。蜂鳴器及撥碼開(kāi)關(guān)電路如圖 4.7 所示。</p><p>　　圖 4.7 蜂鳴器及撥碼開(kāi)關(guān)電路原理圖</p><p>　　4.4 激光傳感器設(shè)計(jì)</p><p>　　激光管發(fā)射

83、特定波長(zhǎng)的激光，經(jīng)過(guò)跑道的反射被接收管接收。由于黑色和白色對(duì)光的反射系數(shù)不同，發(fā)射到黑色引導(dǎo)線上的光線大部分被吸收，而白色跑道上的光線則大部分被反射回來(lái)。使用的接收管是內(nèi)部集成了放大電路和比較電路的光敏元件，根據(jù)接收到反射光的多少判斷檢測(cè)到的是“黑”還是“白”，輸出信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。激光傳感器是智能小車(chē)的“眼睛”，它的形狀、大小、傳感器個(gè)數(shù)、重量等數(shù)都將直接影響到激光傳感器的性能。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，繪制了三個(gè)版本的 PCB電路板，終于確定了

84、15 個(gè)激光管、3 個(gè)接收管、長(zhǎng)約 175mm 的 PCB 電路方案PCB 電路。</p><p>　　4.5 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　使用獨(dú)立的 MOSFET 搭建 H 橋的方案具有低阻抗、高電流負(fù)載能力等優(yōu)勢(shì)IR2104 型半橋驅(qū)動(dòng)芯片可以驅(qū)動(dòng)高端和低端兩個(gè) N 溝道 MOSFET，兩片 IR2104型半橋驅(qū)動(dòng)芯片可以組成完整的直流電機(jī) H 橋式驅(qū)動(dòng)電路，故選擇它作為MOSF

85、ET 驅(qū)動(dòng)芯片。 MOSFET 方面選擇了 IR 公司的 N 溝道 MOSFET,型號(hào)IRLR7843。IRLR7843 的優(yōu)點(diǎn)在于[9]：</p><p>　　當(dāng) VGS 為 4.5V 時(shí)，RDS 非常低；具有非常低的門(mén)電阻，正因?yàn)?IRLR7843 具有以上特性，因此最終選用 IRLR7843,驅(qū)動(dòng)模塊就是一個(gè)電子開(kāi)關(guān)。所說(shuō)的驅(qū)動(dòng)能力能力強(qiáng)，其實(shí)就是減小導(dǎo)通等效電阻。不僅驅(qū)動(dòng)電流大，而且更加容易控制，作為驅(qū)動(dòng)

86、電機(jī)的 MOSFET電路原理圖如圖 4.8所示。</p><p>　　圖4.8驅(qū)動(dòng)電路原理圖</p><p>　　4.6 速度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　在這一模塊上本文嘗試了三種方案：1.用光柵；2.自制速度傳感器；3.編碼器。初期用光柵來(lái)測(cè)速，因?yàn)楣鈻诺膬?yōu)點(diǎn)在于體積小，重量輕。但是多次試后發(fā)現(xiàn)光柵的對(duì)固定的位置要求很高，而且檢測(cè)回來(lái)的信號(hào)不是很穩(wěn)，安裝也很

87、麻煩這嚴(yán)重影響了賽車(chē)閉環(huán)控制的準(zhǔn)確性。值得一提的是，我們?cè)?jīng)自制過(guò)速度傳感器，當(dāng)初在修舵機(jī)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)里面的減速電機(jī)其實(shí)也能當(dāng)發(fā)電機(jī)用，因?yàn)殡姍C(jī)里面有磁鐵和線圈，根據(jù)法拉第原理，車(chē)模行駛時(shí)，后部的差速齒輪帶動(dòng)減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣電機(jī)會(huì)自主發(fā)電，然后在電機(jī)的兩引腳會(huì)產(chǎn)生電壓，電壓大小和行駛速度成正比。但是這種想法畢竟有待成熟，實(shí)行發(fā)現(xiàn)還是有很多問(wèn)題的于是，經(jīng)過(guò)多次嘗試性試驗(yàn)后，最終還是選用光電型卡盤(pán)式的光電碼盤(pán)。主要看中它穩(wěn)定性高，控制簡(jiǎn)單，

88、安裝方便。而且供電電壓為5V，很適合在車(chē)模上使用，如圖4.9所示。</p><p>　　圖 4.9 編碼器安裝圖</p><p>　　4.7 液晶鍵盤(pán)模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　這一模塊的設(shè)計(jì)上采用4*4矩陣鍵盤(pán)+Nokia（84*48）液晶。這樣能給調(diào)試車(chē)子帶來(lái)很大的便捷，可以隨時(shí)根據(jù)不同的賽道信息更改參數(shù)，甚至在比賽的時(shí)候，也能根據(jù)賽道中彎道、直道數(shù)量及時(shí)調(diào)整

89、參數(shù)，能大大提高調(diào)車(chē)效率。液晶鍵盤(pán)模塊圖4.10所示。</p><p>　　圖4.10 液晶顯示屏</p><p>　　調(diào)試的方式界面可以有數(shù)字按鍵，撥碼開(kāi)關(guān)等，顯示界面也可以是液晶或者數(shù)碼管，而且數(shù)字按鍵也有不同的形狀及尺寸，在多次嘗試后，發(fā)現(xiàn)大的方塊形數(shù)字按鍵操作起來(lái)更加地便捷而快速，而液晶顯示屏能更好地顯示所需的信息量。</p><p>　　5 智能小車(chē)軟件設(shè)

90、計(jì)</p><p>　　智能小車(chē)控制系統(tǒng)主要使用了 MC9S12XS128 單片機(jī)的 PWM 模塊、CRG 時(shí)鐘模塊、ECT 脈沖計(jì)數(shù)、SPI 模塊、A/D 模塊以及部分 I/O 口。</p><p><b>　　5.1主程序流程圖</b></p><p>　　主程序流程圖如圖 5.1 所示。</p><p>　　圖 5

91、.1 主程序結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　總體的思路如下:打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)后，大循環(huán)主程序先對(duì)全車(chē)硬件系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后PIT定時(shí)中斷，然后讓主激光掃描，掃描完14個(gè)點(diǎn)之后再處理采樣回來(lái)的數(shù)據(jù)，確定橫線的位置，然后計(jì)算出車(chē)身相對(duì)于賽道中心黑線的偏移量，然后單片機(jī)輸出相應(yīng)的PWM波控制上舵機(jī)打角，使車(chē)子能緊跟住黑線，而不跑出賽道。同時(shí)單片機(jī)根據(jù)前一時(shí)刻上舵機(jī)和光電的綜合位置輸出對(duì)應(yīng)的PWM波來(lái)控制下面打角舵機(jī)的打角

92、度數(shù)，從而掌控車(chē)子的行駛方向。然后經(jīng)過(guò)大量算法代碼的處理對(duì)行駛速度進(jìn)行閉環(huán)控制。</p><p>　　軟件的總體思路是考慮到車(chē)子在高速行駛的狀態(tài)下，如果用3010舵機(jī)來(lái)做擺頭舵機(jī)，那么外部的阻力會(huì)把舵機(jī)拉回來(lái)，舵機(jī)不能打到單片機(jī)所賦給的值，這樣容易造成丟線，所以選用高速舵機(jī)來(lái)做擺頭舵機(jī)，這樣能使車(chē)子牢牢地跟線，速度有了很大的提升。高速舵機(jī)會(huì)因分辨率過(guò)高而產(chǎn)生抖動(dòng)的情況，所以在舵機(jī)下部墊了海綿來(lái)去抖。</p&

93、gt;<p>　　在速度控制上，采用了 PD 控制來(lái)達(dá)到了快速加速和制動(dòng)的效果，基本思想是入彎減速，出彎加速。特別是在長(zhǎng)直道接急彎的時(shí)候，應(yīng)該提前地快速制動(dòng)將速度值降到期望過(guò)彎速度。所以在程序中利用了記憶標(biāo)志位的方式，在突然看到彎道后給電機(jī)一個(gè)較小的期望速度值，這樣在 PD調(diào)節(jié)的作用下，控制電機(jī)反轉(zhuǎn)來(lái)使小車(chē)在入彎時(shí)快速制動(dòng)。</p><p>　　5.2信號(hào)分析與識(shí)別</p><p

94、>　　智能小車(chē)在賽道上的狀態(tài)可能有：直道、彎道、十字交叉線、起跑線等，這幾種狀態(tài)下傳感器可能采集到的信息（部分可能情況）如圖 5.2 所示。</p><p>　　.(a) 彎道 .(b) 直道 .(c) 大彎道</p><p>　　.(d) 十字彎道 .(e) 起跑線</p>

95、<p>　　圖5.2 賽道信息分析</p><p>　　5.3 PID 控制算法</p><p>　　PID 控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t) 與輸出 u (t)的關(guān)系為式中積分的上下限分別是 0和 t。因此它的傳遞函數(shù)為 ：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)。其中 kp 為比例系數(shù)； TI為積分時(shí)

96、間常數(shù)； TD 為微分時(shí)間常數(shù)比例。KP用來(lái)控制當(dāng)前，誤差值和一個(gè)負(fù)常數(shù)P（表示比例）相乘，然后和預(yù)定的值相加。P 只是在控制器的輸出和系統(tǒng)的誤差成比例的時(shí)候成立，KP 能夠快速的跟隨變化量，及時(shí)的產(chǎn)生與之相關(guān)的調(diào)節(jié)作用。但是 KP是有差調(diào)節(jié)，無(wú)法消除靜態(tài)誤差。積分 KI 來(lái)控制過(guò)去，誤差值是過(guò)去一段時(shí)間的誤差和然后乘以一個(gè)負(fù)常數(shù) I，然后和預(yù)定值相加。I 從過(guò)去的平均誤差值來(lái)找到系統(tǒng)的輸出結(jié)果和預(yù)定值的平均誤差。一個(gè)簡(jiǎn)單的比例系統(tǒng)會(huì)振

97、蕩，會(huì)在預(yù)定值的附近來(lái)回變化，因?yàn)橄到y(tǒng)無(wú)法消除多余的糾正。通過(guò)加上一個(gè)負(fù)的平均誤差比例值，平均的系統(tǒng)誤差值就會(huì)總是減少。所以，最終這個(gè) PID 回路系統(tǒng)會(huì)在預(yù)定值定下來(lái)。微分 KD 來(lái)控制將來(lái), 計(jì)算誤差的一階導(dǎo)，并和一個(gè)負(fù)常數(shù) D 相乘，最后和預(yù)定值相加。這個(gè)導(dǎo)數(shù)的控制會(huì)對(duì)系統(tǒng)的改</p><p>　　5.4 各模塊初始化</p><p>　　5.4.1 時(shí)鐘模塊初始化</p>

98、;<p>　　CLKSEL = 0; //先關(guān)閉時(shí)鐘</p><p>　　SYNR_VCOFRQ = 1; //VCO 頻率(80MHZ)在48MHz～80MHz</p><p>　　SYNR_SYNDIV = 9; //設(shè)置SYNDIV(9)</p><p>　　REFDV_REFFRQ

99、 = 1; //REF 頻率(4MHz)在2MHz～6MHz</p><p>　　REFDV_REFDIV = 3; //設(shè)置REFDIV(3)</p><p>　　POSTDIV = 0; //設(shè)置PLL(鎖相環(huán))分頻系數(shù)(不分頻)</p><p>　　COPCTL_CR = 0;

100、 //關(guān)閉看門(mén)狗</p><p>　　while(1!=CRGFLG_LOCK); //鎖定VCO 頻率</p><p>　　CLKSEL_PLLSEL = 1; //設(shè)置總線頻率，為PLL 的一半</p><p>　　5.4.2 ECT模塊初始化</p><p>　　TIOS_IOS7 = 0;

101、 //設(shè)置IOC7 輸入捕捉</p><p>　　TCTL1 = 0; //關(guān)閉輸出</p><p>　　PACTL_PAEN = 1; //使能輸入捕捉的計(jì)數(shù)功能</p><p>　　PACTL_PAMOD = 0; //事件計(jì)數(shù)模式</p><p>　　PA

102、CTL_PEDGE = 0; //下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)器值增加</p><p>　　PACTL_PAOVI = 0; //關(guān)閉溢出中斷</p><p>　　PACTL_PAI = 0; //關(guān)閉輸入捕捉中斷</p><p>　　TSCR1_TFFCA = 1; //清除輸入捕捉標(biāo)志位&l

103、t;/p><p>　　PACNT = 0; //計(jì)數(shù)器清零</p><p>　　RTICTL = 0xbf; //10ms 中斷~160*1000 分頻</p><p>　　CRGINT = 0x80; // 使能RTI 中斷</p><p>　　5.4.3

104、 舵機(jī)控制—PWM01初始化</p><p>　　PWME_PWME1 = 0; //禁止PWM01 輸出</p><p>　　PWMCTL_CON01 = 1; //使用PWM0、PWM1 端口組成16 位PWM</p><p>　　PWMPRCLK_PCKA = 2; //clockA 為總線時(shí)鐘4 分頻1

105、0MHZ</p><p>　　PWMCLK_PCLK1 = 1; //選擇clockSA 為PWMA 的時(shí)鐘，2.5MHZ</p><p>　　PWMSCLA=2; // ClockSA=ClockA/(2*PWMSCLA)=2.5MHZ</p><p>　　PWMPOL_PPOL1 = 1; /

106、/電平選擇，先高后低</p><p>　　PWMCNT01 = 0; //計(jì)數(shù)器初值清零</p><p>　　PWMDTY01 = 4500; //占空比設(shè)置，一般設(shè)置為中間值</p><p>　　PWMPER01 = 50000; //周期50000 個(gè)單位時(shí)鐘(即20ms,50Hz)</

107、p><p>　　PWME_PWME1 = 1; //允許PWM01 輸出</p><p>　　5.4.4 電機(jī)控制—PWM6初始化</p><p>　　void Forward_Init(void) // 假定前進(jìn)方向，初始化函數(shù)</p><p><b>　　{</b></p>&l

108、t;p>　　PWME_PWME6= 0;</p><p>　　PWMPOL_PPOL6 = 1; //對(duì)齊方式默認(rèn) 左對(duì)齊</p><p>　　PWMCTL_CON67=0; //不級(jí)聯(lián)</p><p>　　PWMPOL_PPOL6 = 1; //電平選擇 先高后低</p><p>　　PWMCLK_PCLK6=1;<

109、;/p><p>　　PWMSCLB=2;</p><p>　　PWMPER6=250;</p><p>　　PWMDTY6=0;</p><p>　　PWMCNT6=0; / /啟動(dòng)PWM</p><p>　　PWME_PWME6=1; //PWM 通道6 輸出</p><p><b>

110、;　　}</b></p><p>　　5.5 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和調(diào)試</p><p>　　在整個(gè)開(kāi)發(fā)調(diào)試過(guò)程中，使用 Metrowerks 公司為 MC9S12 系列專(zhuān)門(mén)提供的全套開(kāi)發(fā)工具（Freescale Codewarrior IDE 4.7）。這是一套用 C 語(yǔ)言進(jìn)行編程的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境——本文智能小車(chē)定位系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分就是在此開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成的[11]。 </p