畢業(yè)論文---基于數(shù)字化視覺的智能小車設計與實現(xiàn)

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文檔簡介

1、　　本科畢業(yè) 設計 ( 論文 )　　學院電氣與信息工程 　　專業(yè)電子信息工程 　　學生姓名　　班級學號&l

2、t;b>　　指導教師　　二零一一年六月　　基于數(shù)字化視覺的智能小車設計與實現(xiàn)　　Smartcar design and implementation based on digital visual　　畢

3、業(yè)設計（論文）題目：基于數(shù)字化視覺的智能小車設計與實現(xiàn)　　一、畢業(yè)設計（論文）內容及要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、達到的指標和應做的實驗等）　　智能車是將先進的傳感器技術、信息處理技術、計算機技術、數(shù)據(jù)通信技術、電控技術、信息顯示技術等高新技術綜合運用于一身，實現(xiàn)自動跟蹤道路，自動識別前方障礙物，自主避讓,最終實現(xiàn)自主導航,自動駕駛等功能，達到提高

4、行車安全、增加道路通行能力的目標。　　要求：采用 Freescale 公司的 16 位單片機作為主控單元，小型直流電機作為驅動元件，使用舵機控制智能車的轉向。通過光電編碼器測速，構成帶速度反饋的伺服控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用 CMOS 攝像頭作為路徑識別裝置，通過圖像識別提取路徑信息，利用 bangbang 算法進行速度調節(jié)，進行相關算法研究，實現(xiàn)彎道減速，直道加速，使小車保持在最佳運行狀態(tài)。

5、　　二、完成后應交的作業(yè)（包括各種說明書、圖紙等）　　1）完整的電控設計圖紙；　　2）設計說明書不少于 12000 字；　　3）翻譯英文不少于 3000 字；　　4）小論文一篇（不少于 3500 字）。&l

6、t;p>　　三、完成日期及進度　　自 2011 年 3 月 1 日起至 2011 年 6 月 20 日止進度安排：　　3.1～3.10，搜集資料　　3.11～3.31完成英文翻譯，寫綜合報告　　4.1～4.15開題報告&

7、lt;/p>　　4.16～4.30方案論證，總體設計　　5.4～5.25詳細設計　　5.26～6.6設計說明書　　6.7～6.08審查，修改　　6.08 日之前必須提交論文。　　6.09～6.

8、10答辯　　摘要　　智能車是在網(wǎng)絡環(huán)境下用信息技術和智能控制技術進行裝備的智能化車，具有自動識別行駛道路、自動駕駛、自動調速等功能。本文詳細介紹基于 CMOS 數(shù)字攝像頭的圖像傳感器的智能車系統(tǒng)的實現(xiàn)。該系統(tǒng)以 Freescale16 位單片機 MC9S12XS128 作為系統(tǒng)控制處理器，采用 CMOS 攝像

9、頭獲取圖像信息，通過綜合閾值法和邊沿跳變檢測方法提取黑色軌跡，指導小車尋線行駛。并通過速度傳感器進行小車的速度檢測來實現(xiàn)智能車的閉環(huán)控制，使小車能夠快速穩(wěn)健的行駛。　　本智能車系統(tǒng)是一個軟硬件與機械相結合的復雜整體，其中硬件主要包括單片機模塊、電源管理模塊、電機驅動模塊、舵機驅動模塊、速度測量模塊、輔助調試模塊、圖像采集處理模塊等；軟件主要包括單片機初始化程序、圖像識別及處理程序、速度

10、測量程序、速度設定程序、速度控制程序、舵機控制程序等。　　實驗結果表明，所設計的智能車系統(tǒng)原理正確、方案可行，機械結構與控制算法經過調試均能夠達到優(yōu)化的狀態(tài)。智能車穩(wěn)定運行達到了預期的設計目標。關鍵詞：智能車系統(tǒng)，單片機，COMS 攝像頭，圖像采集，驅動　　Abstract

11、;　　Intelligent car is in the network environment with information technology and intelligent control technology of equipment, which can automatically recognize intelligent car driving road, automatic driving, the automat

12、ic speed control etc. Function. This passage introduce the digital camera based on CMOS image sensor intelligent realization of the system of the car. This system to Freescale16 a single-chip microcomputer control system

13、 MC9S12XS128 as the CMOS cameras get processor, image informati　　This intelligent car system is a software and hardware and machinery combination of complex whole, including hardware mainly includes

14、 single chip module, power management module, motor driver module, steering gear driving module, speed sensor module, auxiliary debugging module, image acquisition and processing module, etc.; Software is mainly include

15、 single chip initial program, image recognition and processing procedures, speed measurement procedures, speed setting process, speed control proc　　Experimental results show that our intelligence car

16、 system design scheme is reliable and practical, mechanical structure and control calculate method after a long time of debugging achieves optimal state. The intelligent car can stable operation and achieve the design ta

17、rget.　　Key words: smartcar system, singlechip, COMS cameras, image collection, driving　　目錄　　第一章緒論 ......................................

18、................ 錯誤!未定義書簽。　　1.1 研究背景......................................................... 1　　1.2 智能車的研究現(xiàn)狀................................................. 1<p&

19、gt;　　1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 .................................................................................................... 1　　1.2.2 國內研究現(xiàn)狀 ................................................................

20、.................................... 1　　1.3 研究的意義....................................................... 2　　1.4 本文結構......................................................... 2<

21、;/p>　　第二章智能車系統(tǒng)總體方案設計.................................................. 3　　2.1 系統(tǒng)方案介紹..................................................... 3　　2.2 系統(tǒng)總體結構............

22、......................................... 3　　2.2.1 整車布局 ............................................................................................................ 3　　2.2.2 硬件系統(tǒng)

23、結構 .................................................................................................... 4　　2.2.3 軟件系統(tǒng)結構 ...............................................................................

24、..................... 4　　2.3 本章小結......................................................... 5　　第三章智能車機械結構介紹 ......................................................... 6

25、　　3.1 攝像頭的安裝..................................................... 6　　3.2 舵機的安裝....................................................... 6　　3.3 編碼器的安裝.....................

26、................................ 7　　3.4 重心的調整....................................................... 7　　3.5 本章小結......................................................... 8</p&

27、gt;　　第四章硬件系統(tǒng)設計與實現(xiàn) ......................................................... 9　　4.1 硬件設計方案..................................................... 9　　4.2 電路設計方案的實現(xiàn).......

28、........................................ 9　　4.2.1 MC9S12XS128 簡介9　　4.2.2 電源管理模塊 .................................................................................................

29、. 10　　4.2.3 電機驅動電路 .................................................................................................. 12　　4.3 傳感器的選擇..............................................

30、...... 15　　4.3.1 CMOS 攝像頭模塊15　　4.3.2 速度傳感器 ...................................................................................................... 17　　4.4 調試

31、模塊........................................................ 18　　4.5 本章小結........................................................ 18　　第五章軟件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) ...............................

32、.....................19　　5.1 開發(fā)環(huán)境........................................................ 19　　5.2 軟件系統(tǒng)總體設計................................................ 19

33、　　5.3 各功能模塊初始化................................................ 20　　5.3.1 時鐘模塊 .......................................................................................................... 20

34、　　PWM 輸出模塊21　　I/O 口模塊22　　ECT 模塊23　　SCI 模塊23　　5.4 路徑識別與算法.............................

35、..................... 24　　5.4.1 黑線提取算法 .................................................................................................. 24　　5.4.2 中值濾波 .........................

36、................................................................................. 25　　5.4.3 黑點加強 ......................................................................................................

37、.... 26　　5.4.4 邊沿閾值跳變法 .............................................................................................. 26　　5.5 轉向和速度控制.............................................

38、..... 28　　5.5.1 速度控制 .......................................................................................................... 28　　5.5.2 方向控制 ...................................

39、................. 28　　5.6 本章小結........................................................ 30　　第六章測試與評估 .......................................................................31<

40、/p>　　6.1 運動模擬測試 .................................................... 31　　6.2 實際測試 ........................................................ 31　　總結 .................

41、..............................................................................32　　致謝 ...............................................................................................33<

42、p>　　參考文獻 ..........................................................................................34　　附錄 A：程序部分源代碼 35　　第一章緒論<b&g

43、t;　　1.1研究背景　　近年來，隨著經濟的發(fā)展和社會的進步，道路的通行能力、交通的安全性、能源的損耗、環(huán)境污染等問題越來越突出。這些問題的解決引發(fā)了新的研究和應用的熱點，比如自動車輛駕駛，以及最近提出的完整的方案--智能交通系統(tǒng)將車輛、駕駛員和道路等基礎設施有機的結合在一起，從而可以通過計算機控制、人工智能和通信技術實現(xiàn)更好的通行能力和更安全的交通。</p&

44、gt;　　隨著經濟的發(fā)展，車輛擁有量的增加，非職業(yè)駕駛人員的人數(shù)增多，導致交通事故頻繁發(fā)生，交通事故已經成為現(xiàn)代社會的第一公害。交通問題已經成為全球范圍令人困擾的嚴重問題，因此，如何提高交通安全性已經成為急需解決的社會性問題。道路偏離系統(tǒng)、疲勞檢測系統(tǒng)、自動巡航控制等都可以大大減輕駕駛人員的駕駛工作，提高交通系統(tǒng)的安全性。　　智能車輛的研究和發(fā)展必將促進人類社會的進

45、步和發(fā)展。當今的車輛發(fā)展并不完善，安全性、智能化、人機交互等方面遠遠不能滿足人類的需要和社會發(fā)展的需求，技術上的缺陷導致交通堵塞、環(huán)境污染、交通安全性差，智能車輛可以大大的緩解這些問題。　　1.2智能車的研究現(xiàn)狀　　基于視覺的智能小車是一種應用前景非常廣泛的自主導航小車，因此國內外對智能車進行了大量的研究。<p&g

46、t;　　1.2.1 國外研究現(xiàn)狀　　在歐洲，普羅米修斯項目開始了在這個領域的探索；在美洲，美國成立了國家自動高速公路系統(tǒng)聯(lián)盟，其目標之一就是研究發(fā)展智能車輛的可行性，并促進智能車輛技術進入實用化；在亞洲，日本成立了高速公路先進巡航/輔助駕駛演劇協(xié)會，主要目的是研制自動車輛導航的方法，促進日本智能車輛的整體進步。其中最為突出的是，美國卡內基-梅隴大學機器人研究所對智能車輛進入了深入、系統(tǒng)

47、、大規(guī)模的研究，并完成了 Navlab 系列的自主車的研究，取得了顯著的成就。　　1.2.2 國內研究現(xiàn)狀　　與國外相比，國內在智能車方面的研究從上世紀 80 年代才開始進行，起步較晚，　　開展這方面研究工作的單位主要是一些大學和研究所。雖然我國同國外相比還有一些距離，但是目前也是取得了一些成果的。1992

48、年，我國第一輛真正意義上的無人駕駛汽車在國防科技大學誕生了，該自主駕駛車能夠在正常交通情況下的高速公路上行駛，并且具有超車功能，其總體技術性能和指標已經達到了世界先進水平；吉林大學設計并制造了一輛用 CCD 識別地面鋪設的條狀路標導航的智能車輛，車輛由圖像識別、行駛、轉向、制動、避障和其他輔助系統(tǒng)組成。目前，該車可以穩(wěn)定的跟蹤直線、弧線、S 型線等軌跡自動行駛；在國家科工委和國家 862 計劃的資助下，清華大學計算機系智能

49、技術與系統(tǒng)國家重點實驗室研制的 THMR 系列移動機器人取得了很大的成功。它兼有面向高速公路和一般道路的功能，目前已經能夠在校園的非結構化道路環(huán)境下，進行道路跟蹤和避障自主行駛。　　1.3研究的意義　　基于數(shù)字化視覺的智能小車是一種自主式智能導航系統(tǒng)，實質上是一種結構和功能相對簡單的機器人，其性能優(yōu)越，具有較

50、高的軍用價值和民用價值。該技術可以應用于現(xiàn)代物流、無人駕駛汽車、無人工廠、服務機器人等領域。隨著民用汽車的智能化發(fā)展，該技術可以實現(xiàn)主動安全、駕駛安全和行人安全。在軍事方面，啟用無人或者通過遙控智能的武器平臺，這個武器平臺可以完成搶險救災的工作甚至還包括一些更危險的軍事環(huán)境下的應用。　　另外，智能小車設計中涉及到了單片機、閉環(huán)控制、圖像處理、計算機、機械等多個學科，培養(yǎng)了我的電路設計、

51、軟件編程、系統(tǒng)調試等方面的能力，鍛煉了我的知識融合、實踐動手的能力，對今后的學習工作都有著重大的實際意義。　　1.4本文結構　　本文采用先總后分的寫法，先對系統(tǒng)總體設計思路進行介紹，然后分別對各個部分模塊進行介紹，突出強調了車模的硬件電路設計和軟件編程。　　本文一共有六

52、個章節(jié)，第一章為緒論，第二到五章為主體部分，先對機械機構進行了簡單的介紹，然后對硬件和軟件設計進行了詳細介紹，并對調試方法和調試過程進行了說明；最后為總結，主要說明一下在設計過程后的心得；最后附上源代碼。　　第二章智能車系統(tǒng)總體方案設計　　2.1系統(tǒng)方案介紹　　本智能車系統(tǒng)以飛思卡爾公司的 16 位單片機

53、 MC9S12XS128 為核心控制單元，由 CMOS 數(shù)字攝像頭負責圖像信號的采集，并輸入到 S12X 控制核心，進行進一步處理以獲得圖像信息；通過光電編碼器來檢測車速，并采用 S12X 的輸入捕捉功能進行脈沖計數(shù)計算車模的當前速度；通過發(fā)生模塊發(fā)出 PWM 波，輸出不同占空比分別對轉向舵機、直流電機進行控制，完成智能車的轉向和制動。　　為了使智能車能夠快速行駛，制定控制策略時必須把路

54、徑的判斷、相應的轉向伺服電機控制以及直流驅動電機的控制精密地結合在一起。不論是 CMOS 部分數(shù)據(jù)的錯誤采集和識別，還是轉向伺服電機控制的失當，都會造成模型車嚴重抖動甚至偏離黑色軌跡；如果直流電機的驅動控制效果不好，還會造成直線路段速度上不去，或進入彎道速度過快而使智能車沖出黑色軌跡等問題。　　2.2系統(tǒng)總體結構　　2.2.1 整車布局<

55、;/p>　　本車實物圖如下圖 2-1 所示：　　圖 2-1 整車實物圖　　2.2.2 硬件系統(tǒng)結構　　本硬件系統(tǒng)主要由七個部分組成：　　(1) 中央處理器單元：以 MC9S12XS128 為核心的最小系統(tǒng)板是系統(tǒng)的核心部分，負責接收黑色軌跡

56、圖像數(shù)據(jù)，賽車速度等反饋信息，并對這些信息進行恰當?shù)奶幚恚?形成合適的控制量來對舵機與驅動電機進行控制。　　(2) 電源模塊：為單片機和各電路模塊提供穩(wěn)定電源，保證各模塊正常工作。　　(3) 傳感器模塊：傳感器選擇了 CMOS 數(shù)字攝像頭，攝像頭將路況信息傳至單片機，從而用單片機來控制車模穩(wěn)定前行。　　(4)

57、舵機驅動模塊：對智能車上的舵機進行驅動，達到快速準確控制賽車方向的目的。　　(5) 電機驅動模塊：對模型車上的電機進行驅動，控制賽車的速度。　　(6) 速度檢測模塊：對模型車的速度進行檢測，實現(xiàn)閉環(huán)控制，以便調整彎道和直道的速度，從而提高平均速度，使小車能更快的跑完全程。　　(7) 輔助調試模塊：包含 BD

58、M、串行通信等，主要用于智能車系統(tǒng)的程序下載，功能調試和測試，智能車的狀態(tài)監(jiān)控，智能車系統(tǒng)參數(shù)和運行策略設置等方面。本智能車系統(tǒng)的結構示意圖如圖 2-2 所示：　　輔助調試模塊　　圖像采集處理　　速度檢測電路　　MCU&

59、lt;/b>　　舵機驅動模塊　　電機驅動電路　　圖 2-2 智能車系統(tǒng)結構圖　　2.2.3 軟件系統(tǒng)結構　　系統(tǒng)硬件對于智能車來說是最基礎的部分，軟件算法則是智能車的核心部分。首先，智能車系統(tǒng)通過圖像

60、采樣處理模塊獲取前方黑色軌跡的圖像數(shù)據(jù)，同時通過速度　　傳感器模塊實時獲取智能車的速度。然后是 S12 利用邊緣跳變檢測方法從圖像數(shù)據(jù)中提取黑色軌跡的黑線，求得智能車的黑線中心位置，接著用閉環(huán)控制的方法對舵機的轉向進行控制。設計智能車系統(tǒng)的軟件結構如圖 2-3 所示：　　單片機初始化<

61、;p>　　攝像頭場中斷　　攝像頭行中斷　　圖像采集　　測速速度閉環(huán)控制　　傳送圖像？</

62、b>　　傳送圖像　　圖像處理黑線處理　　設定速度跟隨線設定　　舵機控制　　圖 2-3系統(tǒng)的軟件方框圖&l

63、t;/p>　　2.3本章小結　　本章主要介紹的智能車系統(tǒng)的整個設計方案，給出了硬件結構框圖和軟件結構框圖，并簡略地介紹了各個功能模塊的作用。　　第三章智能車機械結構介紹　　為了使車能夠更快的行駛就必須對其本身的各種結構進行必要的改進和優(yōu)化。本

64、章將從以下幾個方面介紹智能車的機械結構。　　3.1攝像頭的安裝　　在攝像頭的安裝方面主要考慮了攝像頭的前瞻，反光，近端盲區(qū)大小，高度，重心，支架重量等因素，為了減輕車身重量，嚴格控制安裝位置和高度以及重量，自行設計了輕巧的鋁合金夾持組件并采用了碳纖維管作為安裝 CMOS 的主桅，這樣可以獲得最大的剛度質量比，整套裝置具有很高的定位精度和剛度，以

65、便于攝像頭的拆卸和維修。安裝效果如圖 3-1 所示：　　圖 3-1 攝像頭安裝圖　　3.2舵機的安裝　　舵機轉向是整個控制系統(tǒng)中延遲較大的一個環(huán)節(jié)，為了減小此時間常數(shù)，通過改變舵機的安裝位置，而并非改變舵機本身結構的方法可以提高舵機的響應速度。分析舵機控制轉向輪轉向的

66、原理可以發(fā)現(xiàn)，在相同的舵機轉向條件下，轉向連桿在舵機一端的連接點離舵機軸心距離越遠，轉向輪轉向速度越快。這相當于增大力臂長度，提高線速度。　　針對上述特性，本智能車中采用“長連桿”方式將舵機水平放在車的前面，大大的增加了舵機的力臂，具體如圖 3-2 所示：　　舵機安裝方式優(yōu)點：<p

67、>　　圖 3-2 舵機安裝圖　　(1) 改變了舵機的力臂，使轉向更靈敏；　　(2) 舵機安裝在了正中央，使左右轉向基本一致；　　(3) 增加前輪下壓力，從而提高了前輪的抓地力，當然這樣也加重了舵機負載。　　3.3編碼器的安裝

68、;　　因為車身中有兩個電機，分別帶動左、右后輪，所以需要安裝兩個編碼器測速。由于沒有與后輪匹配的齒輪，所以采用了傳動的方式安裝了編碼器，具體安裝如圖 3-3 所示：　　圖 3-3 編碼器的安裝圖　　3.4重心的調整　　本設計中所使用的車模有著很好的減震性能，但是其底盤太高

69、，車身重心高低對　　智能車行駛性能有很大的影響。按照車輛運動學理論，車身重心太高極容易使高速運行的車輛在彎道發(fā)生側翻，所以讓智能車更適應跑道是關鍵。最終將車子的底盤高度做了適當?shù)恼{整。　　3.5 本章小結　　本章主要介紹了智能車各部分的機械結構。機械機構對于整車的性能至關重要，只有在較好的機械結構的前

70、提下，控制算法才能發(fā)揮出其應有的效果?？偠灾?，調整舵機安裝時以最大相應速度、較低負載為目標，至于放置位置則根據(jù)整車的重心調整決定，前輪和后輪差速則需在轉彎性能和加減速性能之間權衡，齒輪傳動機構和速度傳感器安裝則以較低的電機負載和適當?shù)凝X輪嚙合度為目標，除以上主要機械調整外，還包括電池的安裝、系統(tǒng)板的安裝以及一些機械結構的微調。這主要跟所用的電路大小等有關，其中驅動電路的螺絲一定要上緊，并要經常檢查，一旦在行駛中松動就會造成

71、零件的損壞。盡量使車輛的重心放低，減少小車行駛過程中的震蕩。改善了智能車的行駛表現(xiàn)。對各個部件的調整需從整車的角度考慮，不能各個擊破，需要相互協(xié)調并做出必要的取舍。　　第四章硬件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)　　4.1硬件設計方案　　硬件電路是整個智能車系統(tǒng)的基礎。一個設計優(yōu)化，性能穩(wěn)定的硬件電路系統(tǒng)，可以極大的提高智

72、能車系統(tǒng)的可靠性，為其上層控制方案的調試奠定一個良好的基礎。在本設計中，整個硬件系統(tǒng)都采用模塊化設計的方法，這樣可以提高硬件電路的可靠性，同時也為故障排查帶來方便。設計的主要模塊有：單片機，傳感器模塊，電源模塊和驅動模塊。各個模塊均根據(jù)其所安裝的車體位置，設計 PCB 板。經測試，所設計的硬件電路具有極高的安全性。　　智能車的總體工作模式為：以 Freescale16 位單片機 MC9S

73、12XS128 為控制中心， CMOS 數(shù)字攝像頭為傳感器來實現(xiàn)自動識別道路功能，讓智能車可以在特定的跑道上行駛。單片機對數(shù)字攝像頭采集到的圖像信息進行濾波和黑點加強處理，根據(jù)所得信息判斷前方路徑，選擇最優(yōu)行進方式，然后改變舵機的轉向，同時通過編碼器測速，采用閉環(huán)控制的方法調整電機速度使智能車能夠快速穩(wěn)定的行駛。整個硬件系統(tǒng)各模塊的關系框圖見第二章。　　4.2電路設計方案的實現(xiàn)<

74、/p>　　MC9S12XS128 簡介　　基于數(shù)字化視覺的智能小車所使用的 MC9S12XS128 是飛思卡爾公司推出的 S12 系列單片機中的一款增強 16 位單片機，片內資源豐富，接口模塊包括 SPI、SCI、IIC、 A/D、PWM 等，在汽車電子應用領域具有廣泛的用途。XS128 單片機片內資源有 8K RAM、128K Flash、8K Data Flas

75、h；具有 SCI、SPI、PWM 等串行接口模塊；脈寬調制即 PWM 模塊可以設置為 4 路 8 位或者 2 路 16 位輸出?？膳渲?8 位，10 位或 12 位模數(shù)轉換器，轉換時間為 3us。而在本設計中用到的模塊有：SCI、PWM、ECT、 TIMER。　　該芯片不僅在汽車電子、工業(yè)控制、中高檔機電產品等應用領域具有廣泛的用途，而且在 FLASH 存儲控制及加密方面也有很好的應用。本

76、設計中所使用的是 80pin 封裝。封裝引腳圖如圖 4-1 所示：　　U1　　PP3 PP2 PP1 PP0 PT0 PT1 PT2 PT3 VDDF VSS1 PT4 PT5 PT6 PT7 BKGD PB0 PB1 PB2 PB3 PB4　　S12XS128MMA<

77、/p>　　VRH VDDA PAD7 PAD6 PAD5 PAD4 PAD3 PAD2 PAD1 PAD0 VSS2 VDD2 PA7 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0　　圖 4-1 MC9S12XS128 80 引腳封裝引腳圖　　4.2.2 電源管理模塊　　電

78、源管理模塊為整個系統(tǒng)提供電源，可靠的電源方案是整個硬件電路穩(wěn)定可靠運行的基礎。它的穩(wěn)定直接決定了其他各個模塊的穩(wěn)定性。設計中，電源模塊的基本要求是提供穩(wěn)定的多路多值電壓，承受電流足夠大，電源轉換效率高，噪聲低，抗干擾能力強，電路設計簡單優(yōu)化，模塊面積小等。電源模塊的整體結構框圖如圖 4-2 所示：　　鎳鎘電池&

79、lt;b>　　7.2v　　5V　　電機驅動　　LM1117-5VLM1117-3.3V　　單片機CMOS

80、　　導向舵機　　5V3.3V　　編碼器藍牙模塊　　圖 4- 2 電源模塊的整體結構框圖　　在整個智能車系統(tǒng)中，全部硬件電路的電源由 7.

81、2V、2A/h 的可充電鎳鎘電池提供的。而在系統(tǒng)中，分別需要 7.2V，5V，3.3V 的電壓，不同電壓對于電流的要求分別不一樣，需要分別設計穩(wěn)壓模塊，并且鎳鎘充電電池在低壓狀態(tài)下會損傷電池，電池電壓過低也不利于智能車電機達到理想的轉速，所以要對電池電壓進行控制。其中 5V 主要給單片機、攝像頭、導向舵機及編碼器供電，7.2V 主要給兩個直流電機供電，　　3.3V 主要給藍牙模塊供電。電源

82、穩(wěn)壓電路原理圖如圖 4-3 所示：　　+7.2　　+5　　+3.3　　U1&l

83、t;b>　　IN　　TAB　　OUT2　　GND1　　C1<

84、p>　　U2　　IN　　TAB　　R6　　OUT2

85、　　GND1　　C0　　Cap2 100uF　　LM1117MP-5.0　　Cap2 100uF　　Res2 1K&

86、lt;/b>　　LM1117MP-5.0　　C2　　Cap2 100uF　　GND　　D3 LED2</

87、p>　　圖 4-3 電源穩(wěn)壓電路原理圖　　在設計過程中考慮到方便調試與測試，設計了撥碼開關。在布置 PCB 板的時候考慮到安裝方法以及安裝位置，所以主板 PCB 的形狀如下圖 4-4 所示：　　3 2 12　　3

88、 2 1　　1　　3　　6 5 4　　2

89、 1　　00　　2　　5 4 3 2 1<

90、;p>　　30 29　　4　　1　　2 1　　30 291<

91、;p>　　12　　42　　2　　26 25　　3<

92、;p>　　26 25　　1　　24 23　　2　　24 23<p

93、>　　22 21　　20　　22 21　　2 1　　20 19<p

94、>　　20 19　　225　　18 17　　43　　18 17&l

95、t;p>　　6　　16 15　　14 13　　16 15　　1914 13

96、　　2　　521　　7　　11　　61

97、　　8　　12　　12 11　　10 9　　8 7

98、　　12 11　　2　　10 9　　2　　8 7&

99、lt;p>　　9　　132　　3　　10　　14&

100、lt;p>　　2　　1　　6 56 5　　1 2　　4

101、 34 315　　221　　2 12 116　　21<b&

102、gt;　　0017　　1 2　　18　　圖 4-4 Altium Designer 畫的主控板 PCB 圖　　本系統(tǒng)中的主控板是雙層板。其加工過程如下：首先，以雙層覆銅板為材

103、料，用雕刻機加工板子的形狀；然后，將打好墨的紙貼在板子上，經過熱轉印機后將板子放入腐蝕液中，腐蝕適當時間后，板子就成形了；最后，為了防止板子被氧化現(xiàn)在銅線上覆上一層錫，然后再焊上元器件。板子實物圖如下圖 4-5、圖 4-6 所示：　　圖 4-5 主板實物圖(正面)　　圖 4-6 主板實物圖(反面)　　4.2

104、.3 電機驅動電路　　在智能車系統(tǒng)中，電機的轉速需要按照需求而改變。驅動電路的性能直接決定了智能車的加速和減速的時間。為了實現(xiàn)電機反向制動，本系統(tǒng)中采用 H 橋驅動方案。構成 H 橋驅動的方案很多，可以選用功率型 MOS 管自己設計 H 橋驅動電路，可以選用飛思卡爾半導體的 MC33886 全橋驅動芯片，也可以選用半橋芯片構成 H 橋。而　　MC

105、33886 芯片雖然使用簡單，但內阻較大，發(fā)熱量非常大，很容易燒毀，也很難達到迅速加速和減速的效果。最終決定使用兩個 BTS7960 構成 H 橋。　　BTS7960 芯片的 1 腳是 GND，7 腳是 VCC，2 腳是 PWM 輸入，3 腳是使能（高電平時有效），5 腳的地方可以用一個電阻連到 GND，調節(jié)上升沿和下降沿的斜率，電阻越大，上升下降越慢，想要上升下降快的話可以直接把 5

106、腳連到地就可以。4 和 8 是輸出。BTS7960 引腳圖及實物圖如下圖 4-7 所示：　　圖4-7 BTS7960引腳圖及實物圖　　BTS7960 的芯片內部為一個半橋,集成了一個 P 通道和一個 N 通道 MOSFET。帶有電流檢測與診斷，死區(qū)保護，過熱，過壓，欠壓，過流和短路保護。能夠支持高達 25KHz 的 PWM 輸入，具有極低的內阻(16m

107、?)，且封裝面積小。INH 引腳為高電平，使能 BTS7960。IN 引腳用于確定哪個 MOSFET 導通。IN=1 且 INH=1 時，高邊 MOSFET 導通，OUT 引腳輸出高電平；IN=0 且 INH=1 時，低邊 MOSFET 導通，OUT 引腳輸出低電平。SR 引腳外接電阻的大小，可以調節(jié) MOS 管導通和關斷的時間。IS 引腳是電流檢測輸出引腳。BTS7960 芯片內部結構圖如下圖 4-8 所示：

108、　　圖4-8 BTS7960芯片內部結構圖　　而在本系統(tǒng)中的驅動電路的設計方案如下圖 4-9。當 IN1=1 且 IN2=0 時，電機正轉，當 IN1=0 且 IN2=1 時，電機反轉。　　IN1 R2　　POWER-</b&

109、gt;　　BTS1　　GND　　IN　　OUT88　　VS 7P

110、OWER+　　100　　ENt　　R1　　1kt　　IN

111、H　　OUT4　　IS6　　SR5　　R3 1K<

112、;b>　　R4t　　BTS7960　　1Kt　　IN2　　R6 100

113、　　POWER-　　BTS2　　GND　　IN　　OUT88

114、　　VS 7POWER+　　MOTER　　2VCC　　1GND　　MOTER<

115、;/b>　　EN R5　　t　　1Kt　　INH

116、　OUT4　　BTS7960　　IS6　　SR5　　R7 1K<p

117、>　　R8t　　1K t　　圖4-9 BTS7960接口連接圖　　該驅動電路中還使用了一片 LM1117 芯片和一片 hc244 芯片，LM1117 主要是用來給 hc244 芯片提供 5V 電壓的，hc244 芯片是用來

118、信號隔離的。該驅動中還有一個 220uf 的電容，主要是防止電機瞬間電流過大影響電路其它部分的供電。因為該電機　　驅動電路比較復雜，不能用腐蝕的方法自己做板子，所以返廠加工了這塊板子。測試表明，該驅動電路加減速性能良好，能夠持續(xù)穩(wěn)定的給電機提供較大的電流，散熱情況良好，無需使用額外散熱裝置。該電機驅動的 PCB 3D 圖及實物圖如下圖 4-10 所示：<p&g

119、t;　　圖4-10 電機驅動的PCB 3D圖及實物圖　　4.3 傳感器的選擇　　CMOS 攝像頭模塊　　與紅外傳感器相比，攝像頭傳感器精度高，在程序優(yōu)化情況下，抗干擾能力強，所以選擇了攝像頭傳感器。數(shù)字式圖像傳感器采集圖像后，可以直接把圖像的數(shù)據(jù)和相應的行、場同步信號由引腳輸出給單片機，而模擬式圖像傳感

120、器則往往需要外接一個高速 A/D 轉換器件對輸出的模擬信號進行處理才可。由此可見，數(shù)字式圖像采集方案性能穩(wěn)定，不需要額外的 A/D 轉換和同步信號分離電路。所以，最終選擇了帶有 OV7620 芯片的數(shù)字攝像頭作為傳感器。　　(1) 攝像頭的工作原理攝像頭的工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采集圖像上的點，當　　掃描到某點時，就通過圖像傳

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