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1、循跡機(jī)器人設(shè)計 目錄 課程設(shè)計（論文）任務(wù)書 I 課程設(shè)計（論文）成績評定表 川 中文摘要 VI 1設(shè)計任務(wù)描述 1 1.1 設(shè)計題目 1 1.2設(shè)計要求 1 1.2.1 設(shè)計目的 1 1.3基本要求 1 2設(shè)計思路 2 3軟件流程圖 3 4各部分模塊設(shè)計和選取 4 4.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 4 4.1.1 車模結(jié)構(gòu)特點 4 4.1.2車模轉(zhuǎn)向舵機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 5 4.1.3 電路板 6 4.2視頻信號采集方案 6 4.2 . 1采集分析 6 4.2.2 采集時序 7 4.2.3 中斷分析 8 5

2、硬件電路系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 10 5.1 硬件電路設(shè)計方案 10 5.2硬件電路的實現(xiàn) 10 5.2.1 以S12為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng) 10 5.2.2 主板 11 5.2.3 電機(jī)驅(qū)動電路 13 5.2.4 攝像頭 13 5.2.5速度傳感器 13 6循跡小車軟件設(shè)計 15 6.1路徑識別與自適應(yīng)閾值計算 15 6.2抗干擾處理 15 6.3算法實現(xiàn) 16 6.3.1 偏航距離的計算 16 6.3.2偏航角度的計算 16 6.3.3 曲率的計算 16 6.4速度PID算法 16 7 模型車的主要技術(shù)參數(shù) 18

3、 8元器件清單 19 小結(jié) 20 致謝 21 參考文獻(xiàn) 22 附錄A軟件流程圖 錯誤！未定義書簽。 1設(shè)計任務(wù)描述 1.1設(shè)計題目 循跡機(jī)器人設(shè)計 1.2設(shè)計要求 1.2.1設(shè)計目的 1） 了解機(jī)器人技術(shù)的基本知識以及有關(guān)電工電子學(xué)、 單片機(jī)、機(jī)械設(shè)計、傳感 器等相關(guān)技術(shù)。 2 ）初步掌握機(jī)器人的運動學(xué)原理、基于智能機(jī)器人的控制理論，并應(yīng)用于機(jī)器 人的設(shè)計中。 3 ）通過學(xué)習(xí)，具體掌握循跡機(jī)器人的控制技術(shù)，并使機(jī)器人能獨立執(zhí)行一定的 循跡任務(wù)。 1.3基本要求 1）要求設(shè)計一個能循跡（白底黑線或黑底白線，線寬25mm的機(jī)器人； 2 ）要求設(shè)計機(jī)器人

4、的行走機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)、傳感器類型的選擇及排列布局 ）要有循跡的策略（軟件流程圖）。 2 循跡機(jī)器人設(shè)計 2設(shè)計思路 根據(jù)此次課程設(shè)計的要求，我們選擇以16位微控制器MC9S12DG128B單片機(jī) 作為核心控制單元用于智能車系統(tǒng)的控制，介紹了機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、 傳感器類型的選擇及排列布局，并根據(jù)軟件系統(tǒng)的特點簡要的用流程圖敘述了小車 的軟件設(shè)計。最終使小車達(dá)到智能循跡的功能。 根據(jù)以上系統(tǒng)方案設(shè)計，循跡小車共包括七大模塊： MC9S12DG128主控模塊、 傳感器模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、速度檢測模塊輔助調(diào)試模塊。 各模塊的作用如下： MC9S12DG12

5、8主控模塊，作為整個智能車的“大腦”，將采集光電傳感器、光 電編碼器等傳感器的信號，根據(jù)控制算法做出控制決策，驅(qū)動直流電機(jī)和伺服電機(jī) 完成對智能車的控制。 傳感器模塊，是智能車的“眼睛”，可以通過一定的前瞻性，提前感知前方的通 道信息，為智能車的“大腦”做出決策提供必要的依據(jù)和充足的反應(yīng)時間。 電源模塊，為整個系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源。 電機(jī)驅(qū)動模塊，驅(qū)動直流電機(jī)和伺服電機(jī)完成智能車的加減速控制和轉(zhuǎn)向控制。 速度檢測模塊，檢測反饋智能車后輪的轉(zhuǎn)速，用于速度的閉環(huán)控制。 輔助調(diào)試模塊，主要用于智能車系統(tǒng)的功能調(diào)試、賽車狀態(tài)監(jiān)控等方面。 通過對這些模塊功能介紹，結(jié)合我們在課上對機(jī)器人各

6、項知識的了解，我們便 可以將小車的大概思路整理出來，具體內(nèi)容我們在后面的部分都會有相應(yīng)說明。 3 循跡機(jī)器人設(shè)計 4 循跡機(jī)器人設(shè)計 3軟件流程圖 圖3-1 1軟件程序流程圖 # 循跡機(jī)器人設(shè)計 4各部分模塊設(shè)計和選取 智能車系統(tǒng)主要包括以下模塊：S12單片機(jī)模塊、驅(qū)動電機(jī)、舵機(jī)、轉(zhuǎn)速反饋 和CCD視頻

7、采集模塊。整體結(jié)構(gòu)框圖如圖 4.1所示。 圖4.1智能車系統(tǒng)功能模塊圖 以MC9S12DG128為核心，設(shè)計尋線方案并盡可能的提高車速，是我這次課程 設(shè)計課題的關(guān)鍵。 傳統(tǒng)的尋線方案是使用“線型檢測陣列”的紅外傳感器，這種方案實現(xiàn)簡單， 穩(wěn)定性高，但只能獲取有限的點信息，限制了更高級算法的應(yīng)用，也限制了小車速 度的進(jìn)一步提高。而攝像頭獲取的信息是面信息，不僅能獲得當(dāng)前小車的偏移量， 而且能判斷前方通道路面信息，為應(yīng)用高級的控制算法提供了基礎(chǔ)。攝像頭所能探 測的路線信息遠(yuǎn)多于“線型檢測陣列”探測到的，而且攝像頭也有足夠遠(yuǎn)的探測距 離以方便對前方路況進(jìn)行預(yù)判。另外一方面 16位單片機(jī)

8、MC9S12勺運算速度和自身 A/D端口的采樣速度，能夠適應(yīng)對黑白低線數(shù)攝像頭的有效視頻采樣和對大量圖像 數(shù)據(jù)的處理。 4.1機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 4.1.1車模結(jié)構(gòu)特點 本項目采用后輪驅(qū)動，前輪轉(zhuǎn)向。使用單個 CC攝像頭進(jìn)行導(dǎo)航，攝像頭位于 舵機(jī)正上方370m處。前方用2個傳感器探測坡度，其位置位于小車前部100m處，15 度傾角向上偏起。電路板置于小車腹部。整個小車重心在中部偏后，有較好的穩(wěn)定 性。底盤無改動。經(jīng)過改裝后的車模參數(shù)如表 4.2。 長 400mm 寬 200mm 高 350mm 重 1.16Kg 傳感器個數(shù) 3個（1個CCD 2個紅外） 其它伺服電機(jī)個

9、數(shù) 0 檢測精度、頻率 25Hz 車模平均電流（勻速行駛） 800毫安 表4.1車模參數(shù)表 我們在實際調(diào)整時的改進(jìn)辦法： 1）、加長舵機(jī)柄，從而增大車行進(jìn)中的車輪轉(zhuǎn)向速度。這樣雖然在舵機(jī)轉(zhuǎn)速不 變的情況下夾塊了車輪的轉(zhuǎn)角速度，但是給舵機(jī)轉(zhuǎn)向增大了負(fù)荷。在實際調(diào)試中， 出現(xiàn)過舵機(jī)里面齒輪被損壞的情況。 2）、由于前輪軸和車輪之間的間隙較大，對車高速轉(zhuǎn)向時的中心影響較大，會引 起高速轉(zhuǎn)向下車的轉(zhuǎn)向不足。而且這里是規(guī)則中嚴(yán)禁改動的部分，所以我們只能調(diào) 整前輪內(nèi)傾角來彌補(bǔ)車輪在高速轉(zhuǎn)彎中遇到的轉(zhuǎn)向不足的問題。在實際調(diào)試中，我 們發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大內(nèi)傾角可以增大轉(zhuǎn)彎時車輪和地面的接觸面積

10、，從而增大車了地面 的摩擦程度，使車轉(zhuǎn)向更靈活，減小因摩擦不夠而引起的轉(zhuǎn)向不足的情況。 3）、底盤適當(dāng)降低，在可以過坡道的情況下，盡量降低底盤，從整體上降低車 的中心，使車在轉(zhuǎn)彎時可以更快速。 4.1.2車模轉(zhuǎn)向舵機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車輛運行過程中有著非常重要的作用，合適的前橋調(diào)整參數(shù)可以保 證在車輛直線行駛過程中不會跑偏，即保證車輛行駛的方向穩(wěn)定性；而在車輛轉(zhuǎn)向 后，合適的前橋可以使得車輛自行回到直線行駛狀態(tài)，即具有好的回正性?；谶@ 個原因，前橋參數(shù)調(diào)整及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計必然會成為智能車設(shè)計中機(jī)械結(jié)構(gòu)部分 的重點，在實際操作中，我們通過理論預(yù)測進(jìn)行方案的可行性分析，然后做

11、出實際 結(jié)構(gòu)以驗證理論數(shù)據(jù)。 1—^ 1—^ 圖22改進(jìn)后的舵機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及安裝圖 在最終設(shè)計的這套機(jī)構(gòu)中，我們綜合考慮了速度與扭矩間的關(guān)系，盡量減小舵 機(jī)的負(fù)荷，并根據(jù)模型車底盤的具體結(jié)構(gòu)，簡化了安裝方式，實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，不 過該機(jī)構(gòu)仍存在自身重量太大的問題，我們將在以后的調(diào)試過程中逐漸改進(jìn)。 4.1.3電路板 共用到一塊PCE電路板，即車身主板（包括MCU調(diào)試電路，電源電路，紅外傳感 器，加速度傳感器電路，測速傳感器等），其外形尺寸見表4.3 o 長 160mm 寬 77mm 所有電容總?cè)萘? 小于1500uF 除MC9S12DG128的主要芯片 LM2940,

12、MMA7260,MC33886,LM1117, LM18 表4.3電路板參數(shù)表 4.2視頻信號米集方案 4.2 . 1采集分析 本系統(tǒng)所使用的CCD攝像頭輸出的是PAL制式的視頻信號，其一幅圖像包含 575個圖像行，每行最多有767個點（按熒光屏的長寬比為 4: 3計算），因此其圖 像解析度能達(dá)到575 X 767X40000個象素。而對于智能車系統(tǒng)而言，由于受 MC9S12DG128單片機(jī)內(nèi)存和運算速度的限制，這么大解析度的圖像是無法處理的。 因此必須降低圖像的分辨率。我們最終確定采集圖像的分辨率為 48X 40,即每 行采集48個點，每幅圖像采集40行。 4.2.2采集

13、時序 具體說來，采集一場的流程是這樣的： 第一步，LM1881分離出的奇場同步信號在 DG128的H 口產(chǎn)生中斷。根據(jù)PAL 規(guī)范，此時意味著還有22行（約1408卩§視LM1881的信號延時而定）將開始第 一個數(shù)據(jù)行。為確保正確的采集到數(shù)據(jù)，使定時器定時23.5行（23.5 X 64護(hù)1504必）， 定時結(jié)束后，開啟行中斷，準(zhǔn)備采集數(shù)據(jù)。 第二步，定時器定時1504pS時間到，此時開啟行通道，允許中斷，并使控制 ATD轉(zhuǎn)換的行計數(shù)器歸零，以標(biāo)志一幅圖像的開始。 第三步，大約32g（0.5行）后，行中斷到。由于一場中有280多個行，但ATD 只采集其中的40行，為此設(shè)置了一個

14、行計數(shù)器，每次行中斷都將該計數(shù)器加一，當(dāng) 該計數(shù)器的值與預(yù)存數(shù)組里的某個數(shù)相等時， 表示該行應(yīng)該采集。根據(jù)PAL的規(guī)范， 在數(shù)據(jù)行中，行同步信號后 6ps（上升沿，如果選下降沿有效，應(yīng)該是 10.3 Qs才 會有真正的圖像數(shù)據(jù)出現(xiàn)，并持續(xù)52ps到該行結(jié)束。為此在該行的行中斷中使定時 器定時6 p，定時時結(jié)束后才能開始采集。 第四步，定時器定時6 ps時間到。此時應(yīng)立即開始 ATD采集。由于ATD是按 序列采集的，一個序列可以連續(xù)采集 1?8個點，并可設(shè)置是單序列還是掃描方式。 每個序列采集完成后將產(chǎn)生一次 ATD中斷。為減少ATD中斷次數(shù)，在ATD初始化 中已設(shè)置轉(zhuǎn)換序列長度為 &

15、此時以掃描方式開啟ATD，采集48個點需要6次ATD 中斷。 第五步，每隔約8卩§ ATD中斷發(fā)生一次。該步中最重要的就是把 ATD的數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)移到存儲圖像的數(shù)組中。由于一行中ATD要采集6個序列，因此要記錄已經(jīng)采 集的序列數(shù)，每次進(jìn)入ATD中斷，都使之加一，當(dāng)序列數(shù)為6時，標(biāo)志著一個行已 經(jīng)采集完了。 一行采集完后將采集行計數(shù)器（注意：不是第三步中提到的行計數(shù)器） 加一，并應(yīng)停止ATD,但是S12中并沒有使ATD停止直接方法，唯一的辦法是使 ATD以單序列采集方式再采集一次。 但是這次完成后仍然會發(fā)生中斷， 中斷處理程 序可根據(jù)采集的序列數(shù)來判斷是否是這種額外的情況，如果是，中斷處

16、理程序除了 讀一下ATD數(shù)據(jù)寄存器以清中斷標(biāo)志位之外，并不需要做任何事。 第六步，ATD中斷不斷的向圖像數(shù)組中寫入數(shù)據(jù)，直到行計數(shù)器計到 40。此 時意味著一幅圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)采集完成。此時應(yīng)關(guān)掉行中斷，以免其產(chǎn)生額外動作。 第七步，偶場中斷到。其實就是奇場同步信號的下降沿，如果沒有進(jìn)行相應(yīng)設(shè) 置和接線，將沒有這個中斷。PAL制式的信號中，奇場同步信號和偶場同步信號以 20ms的間隔交替出現(xiàn)，因此可以將此兩種信號作為小車調(diào)整的基準(zhǔn)時間。 此后直到 下一個奇場中斷到來，開始另一場的采集。 可見，程序的運行完全是由各個中斷的來推動的。程序的流程圖如圖 4.2。 4.2.3中斷分析 視頻

17、采集共涉及到6個中斷：奇場中斷、偶場中斷、行中斷、定時器中斷 1、 定時器中斷2、ATD中斷。但是只有3個硬件中斷源，即H 口中斷、定時器中斷和 ATD中斷，對應(yīng)只有3個中斷服務(wù)程序。為此需要在中斷程序中區(qū)分中斷的類型。 1） H 口中斷 H 口中斷服務(wù)程序要區(qū)分是奇場中斷、 偶場中斷還是行中斷，這是通過寄存器 的中斷標(biāo)志為來實現(xiàn)的。 2） 定時器中斷 定時器中斷要區(qū)分是定時了多少時間。為此我們設(shè)置了一個“服務(wù)標(biāo)志” ，不 同的定時時間設(shè)置不同的服務(wù)標(biāo)志，以使定時器中斷程序做不同的處理。 3） ATD中斷 ATD中斷的首要任務(wù)是及時把結(jié)果寄存器中的值轉(zhuǎn)移出來， 因為ATD是以掃描

18、 方式不停的在采集轉(zhuǎn)移不及時，新的結(jié)果會把原來的結(jié)果覆蓋掉。然后 ATD中斷程 序需要根據(jù)一系列計數(shù)器的值計算本次采集結(jié)果對應(yīng)的圖像位置，然后保存到數(shù)組 9 循跡機(jī)器人設(shè)計 10 循跡機(jī)器人設(shè)計 中。最后ATD中斷還要判斷何時一行結(jié)束、何時一場結(jié)束 圖4.2視頻采集流程圖 # 循跡機(jī)器人設(shè)計 5硬件電路系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 5.

19、1硬件電路設(shè)計方案 從最初進(jìn)行硬件電路設(shè)計時我們就既定了系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)： 可靠、高效、簡潔, 在整個系統(tǒng)設(shè)計過程中嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行。 可靠性是系統(tǒng)設(shè)計的第一要求，我們對電路設(shè)計的所有環(huán)節(jié)都進(jìn)行了電磁兼容 性設(shè)計，做好各部分的接地、屏蔽、濾波等工作，將高速數(shù)字電路與模擬電路分開， 使本系統(tǒng)工作的可靠性達(dá)到了設(shè)計要求。 高效是指本系統(tǒng)的性能要足夠強(qiáng)勁。我們主要是從以下兩個方面實現(xiàn)的： 1、 采用外部A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)高速A/D轉(zhuǎn)換，大大提高了圖像采集的分辨率； 2、 使用了由分立元件制作的直流電動機(jī)可逆雙極型橋式驅(qū)動器， 該驅(qū)動器的額 定工作電流可以輕易達(dá)到100A以上，大大提高了電動機(jī)

20、的工作轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。 簡潔是指在滿足了可靠、高效的要求后，為了盡量減輕整車重量，降低車體重 心位置，應(yīng)使電路設(shè)計盡量簡潔，盡量減少元器件使用數(shù)量，縮小電路板面積，使 電路部分重量輕，易于安裝。我們在對電路進(jìn)行詳細(xì)、徹底的分析后，對電路進(jìn)行 了大量簡化，并合理設(shè)計元件排列和電路走線，使本系統(tǒng)硬件電路部分的重量、面 積都達(dá)到了設(shè)計要求。 5.2硬件電路的實現(xiàn) 整個智能車控制系統(tǒng)是由三部分組成的：S12為核心的最小系統(tǒng)板、主板、電 機(jī)驅(qū)動電路板。最小系統(tǒng)板可以插在主板上組成信號采集、處理和電機(jī)控制單元。 為了減小電機(jī)驅(qū)動電路帶來的電磁干擾，我們把控制單元部分和電機(jī)驅(qū)動部分分開 來，做成了兩塊電

21、路板。 5.2.1以S12為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)板使用MC9S12DG128單片機(jī)，112引腳封裝，為減少電路板空 間，板上僅將本系統(tǒng)所用到的引腳引出，包括一路 AD轉(zhuǎn)換接口，兩路PWM接口, 一路計數(shù)器接口，一路外部中斷接口， 17路普通10接口。其他部分還包括電源濾波 電路、時鐘電路、復(fù)位電路、串行通訊接口、 BDM接口。 為提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，我們使用有源晶體振蕩器為單片機(jī)提供時鐘。為簡化 電路，我們?nèi)∠藦?fù)位按鍵和串行通訊接口電路中的 TTL電平與RS-232電平轉(zhuǎn)換電 路。 單片機(jī)引腳規(guī)劃如下： PA口 ：外部AD轉(zhuǎn)換器并行數(shù)據(jù)讀入。 PAD1 :奇偶場

22、信號輸入 PB0-PB3:調(diào)試 LED。 PB4-PB 5:模式選擇用撥碼開關(guān)。 PB6:啟動開關(guān)。 PB7：調(diào)試開關(guān)。 IRQ :行同步脈沖輸入信號。 PT0:光電編碼器脈沖輸入信號。 PWM7 :舵機(jī)角度控制信號輸出。 PWM5 :電機(jī)速度控制信號輸出。 5.2.2主板 主板上裝有組成本系統(tǒng)的主要電路，它包括如下部件：電源穩(wěn)壓電路、視頻同 步分離電路、外部A/D轉(zhuǎn)換器電路、攝像頭接口、舵機(jī)接口、電機(jī)驅(qū)動器接口、編 碼器接口、鍵盤接口、監(jiān)控模塊接口、電源接口、單片機(jī)最小系統(tǒng)板插座、跳線、 指示燈、按鍵、開關(guān)等。 1）電源穩(wěn)壓電路 本系統(tǒng)中電源穩(wěn)壓電路僅為一路+5V穩(wěn)壓

23、電路，為整個智能模型車自動控制系 統(tǒng)中除后輪驅(qū)動電機(jī)和轉(zhuǎn)向舵機(jī)外的所有設(shè)備供電。由于整個系統(tǒng)中 +5V電路功耗 較小，為了降低電源紋波，我們決定使用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，另外，后輪驅(qū)動電機(jī)工 作時，電池電壓壓降較大，為提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，必須使用低壓降電源穩(wěn)壓芯片， 常用的低壓降串聯(lián)穩(wěn)壓芯片主要有 LM2940和LM1117，LM2940壓降雖然比LM1117 更低，但是電源紋波較大，所以我們最終選擇LM1117設(shè)計電源穩(wěn)壓電路。電源穩(wěn)壓 電路原理圖如圖3.2. -7.2VC» 弐（Lf 3 VI g VO f r 2 u 十C2 1

24、 f — —IOOuF 一 104 U1 AS1117 104 圖5.1電源穩(wěn)壓電路 2）視頻同步分離電路 我們的智能模型車自動控制系統(tǒng)中使用黑白全電視信號格式 CMOS攝像頭采集 通道信息。攝像頭視頻信號中除了包含圖像信號之外，還包括了行同步信號、行消 隱信號、場同步信號、場消隱信號以及槽脈沖信號、前均衡脈沖、后均衡脈沖等。 因此，若要對視頻信號進(jìn)行采集，就必須通過視頻同步分離電路準(zhǔn)確地把握各種信 號間的邏輯關(guān)系。我們使用了 LM1881芯片對黑白全電視信號進(jìn)行視頻同步分離， 得 到行同步、場同步信號，具體原理不再贅述。視頻同步分離電路原理圖

25、5.2所示。 C2i L3 IRQ I VIDEO 510p cso VCC CXI O/E vs T GND BO 斗 IC1 8 ~OE 6 艮了 6SCK 024 101 圖5.2視頻同步分離電路 3）外部A/D轉(zhuǎn)換器電路 由于攝像頭輸出的黑白全電視信號為模擬信號，所以必須經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換之后才 能由單片機(jī)進(jìn)行處理。雖然S12單片機(jī)具有A/D轉(zhuǎn)換器的功能，但是速度較慢。實際 使用發(fā)現(xiàn)，在將單片機(jī)超頻并且降低 A/D轉(zhuǎn)換質(zhì)量之后，每行圖像仍只能采集 78個 點，使得圖像分辨率不高，賽道檢測信息量不足。為此，我們使用 TLC5510芯

26、片制 作了外部A/D轉(zhuǎn)換器。 除以上三部分外，主板上還具有攝像頭、舵機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器、編碼器、鍵 :.TOD DQO REFB RrFBS AGO ACM) 一MLOG 對 VDDA REJT PFF?^ WQA WDA. \IW T? L 丄CM丄CD _一 1(M 丁 KU 丁涮 匚M 1泊 LtX 圖5.3外部A/D轉(zhuǎn)換器電路 盤、監(jiān)控模塊、電源、單片機(jī)最小系統(tǒng)板等設(shè)備的接口，并準(zhǔn)備了若干指示燈、按 鍵、跳線、開關(guān)等用于系統(tǒng)調(diào)試。 5.2.3電機(jī)驅(qū)動電路 電機(jī)驅(qū)動板為一個由分立元件制作的直流電動機(jī)可逆雙極型橋式驅(qū)動器，其功 率元件由四支N溝

27、道功率MOSFET管組成，額定工作電流可以輕易達(dá)到10A以上，大 大提高了電動機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。該驅(qū)動器主要由以下部分組成： PWM信號輸 入接口、邏輯換向電路、死區(qū)控制電路、電源電路、上橋壁功率 MOSFET管柵極驅(qū) 動電壓泵升電路、功率MOSFET管柵極驅(qū)動電路、橋式功率驅(qū)動電路、緩沖保護(hù)電 路等。 5.2.4攝像頭 本智能車尋線采用CMOS圖像傳感器方式，普通單板攝像頭。普通 CMOS圖像 傳感器通過行掃描方式，將圖像信息轉(zhuǎn)換為一維的視頻模擬信號輸出。具體參數(shù)如 下： 攝像頭參數(shù)：320線； 照度：0.5LUX 0.01LUX ； 輸出制式：PAL制式標(biāo)準(zhǔn)視頻信號； 鏡

28、頭及視角：3.6mm 92°; 供電電壓/消耗功率：9V 100mA ； 5.2.5速度傳感器 智能車在實際速度控制中對反應(yīng)車速的控制信號波形要求不是太高，因此我們 在滿足比賽要求的基礎(chǔ)上盡量簡化電路，使用自制的光電編碼器來測速。我們使用 線切割在直徑為30mm的圓盤周圍加工出32個細(xì)縫，自制了一個32線的光電編碼器 我們使用紅外光電對射管作為采集碼盤脈沖的傳感器。電路如圖 3.7所示。 16 6循跡小車軟件設(shè)計 在控制算法中，主要用到了以下三方面的內(nèi)容：攝像頭循線控制算法，記憶解 決道路S型控制算法和PID速度控制算法。其中循線控制算法用來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向，

29、記憶控制算法主要用來解決S型，PID控制算法主要用來控制智能車的快速加速、 減速和速度的平穩(wěn)。 6.1路徑識別與自適應(yīng)閾值計算 所謂路徑識別，簡單的理解就是把圖像中反映路徑的部分提取出來。這是一個 圖像分割的過程。圖像分割是計算機(jī)進(jìn)行圖像處理與分析中的一個重要環(huán)節(jié)， 是一種基本的計算機(jī)視覺技術(shù)。在圖像分割中，把要提取的部分稱為“物體 （Object）”，把其余的部分稱為“背景（Background）”。分割圖像的基本依據(jù)和條 件有以下4個方面： 1） 分割的圖像區(qū)域應(yīng)具有同質(zhì)性，如灰度級別相近、紋理相似等； 2） 區(qū)域內(nèi)部平整，不存在很小的小空洞； 3） 相近區(qū)域之間對選定的某種同

30、質(zhì)判據(jù)而言，應(yīng)存在顯著的差異性； 4） 每個分割區(qū)域邊界應(yīng)具有齊整性和空間位置的平整性。 圖像分割的基本方法可以分為兩大類：基于邊緣檢測的圖像分割和基于區(qū)域的 圖像分割。 這種算法的特點是運算量小，但是能跟蹤環(huán)境光線的逐漸變化。由于環(huán)境光線 不管在時間上還是空間上都是逐漸變化的，所以這種分割算法產(chǎn)生嚴(yán)重錯誤的概率 極小，小于1/10000。 6.2抗干擾處理 抗干擾處理包括以下方面的內(nèi)容： 1） 消除信號產(chǎn)生和傳輸?shù)倪^程中造成的噪聲； 2） 消除賽道不理想或光線不均勻形成的干擾； 3） 消除賽道中的交叉線、斷續(xù)線； 4） 識別起跑線。 信號產(chǎn)生和傳輸?shù)倪^程中造成的噪聲具有普

31、遍性，但是只有當(dāng)其非常嚴(yán)重時才 對路徑的識別造成影響。所以采取以下濾波算法：當(dāng)某點的灰度值與其左邊和右邊 點的灰度值的差同時大于某個正閾值或同時小于某個負(fù)閾值時， 認(rèn)為該點是干擾點， 取其左右兩邊灰度值的平均值作為該點的灰度值。 這種算法的實質(zhì)是搜索連續(xù)的黑線。 因為賽道是連續(xù)的，而干擾卻大部分是離 散分布的。 6.3算法實現(xiàn) 6.3.1偏航距離的計算 由于循跡機(jī)器人已經(jīng)獲得了通道道中心線的位置，所以計算偏航距離的問題是 選取何處的中心線的距離為當(dāng)前的偏航距離。 控制算法的執(zhí)行周期為40ms,如果小 車的速度為2m/s，則在兩次控制算法的執(zhí)行中間，小車要前進(jìn) 8cm,小車所處的

32、環(huán) 境將發(fā)生比較大的改變，所以賽車的控制只能算是半實時控制，這是所有使用攝像 頭作為主要尋線傳感器的參賽隊都避免不了的問題。 6.3.2偏航角度的計算 計算偏航角度的實質(zhì)是直線擬合問題， 因為賽道中心線所在的直線確定了， 而 直線的斜率與偏航角度一一對應(yīng)。直線擬合最有效的方法是最小二乘法，但是直接 應(yīng)用存在一個問題，即如何確定進(jìn)行直線擬合的區(qū)間？在整個成功識別出通道的區(qū) 間內(nèi)進(jìn)行直線擬合顯然是欠缺考慮的，因為在彎道的情況下，這種方法擬合出的是 一條弦線，而不是當(dāng)前該彎道處的切線。攝像頭視野越大，彎道曲率越大，弦線偏 離切線的程度也就越大。為了能夠在直道和彎道上都能正確的擬合出正確的直線，

33、 我們采用了直線檢測的方法，即首先根據(jù)殘差的大小確定直線的范圍，然后在這一 范圍內(nèi)進(jìn)行直線擬合。 6.3.3曲率的計算 首先對獲得的路徑進(jìn)行濾波，使得路徑盡可能平滑，然后取其兩個端點和中間 點，計算這3個點組成的三角形的外接圓的半徑， 半徑的倒數(shù)就是這段路徑的曲率。 經(jīng)過多次實驗，這種方法的誤差一般不大于 20%，對智能車的控制來說已經(jīng)足夠了。 6.4速度PID算法 根據(jù)偏差的比例(Proportional)、積分(Integral)、微分(Derivative)的線性組 合進(jìn)行反饋控制(簡稱PID控制)，數(shù)字PID控制算法是電機(jī)微機(jī)控制中常用的一 種基本控制算法[9] o 在連續(xù)

34、系統(tǒng)中，模擬PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，控制系統(tǒng)原理框圖如圖 5.10。 比例 r(t)亡(t) u(t) v(t) 積分 r 微 5>d/dt 20 # 圖5.10 PID控制系統(tǒng)原理框圖 控制規(guī)律為: fe(t)dt +Td d^] 0 dt (5.1) 1 u(t)二Kp[e(t) Ti 式中：K p :比例增益，K p的倒數(shù)稱為比例帶；T ：積分時間常數(shù)；Td ：微分 時間常數(shù)；u(t):控制量；e(t):偏差，等于給定量與反饋量的差。 在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，數(shù)字PID控制

35、算法通常又分為位置式 PID和增量式PID本次 設(shè)計中，我們采用增量式PID。 # 7模型車的主要技術(shù)參數(shù) 智能小車基本參數(shù) 長 28.5cm 寬 16.3cm 高 26.1cm 車重 0.925kg 功耗 空載 8.2W -H4- +［、， 帶載 大于15W 電容總?cè)萘? 1186.30612uF 傳感器 紅外對射管 1個 CMOS攝像頭 1個 除了車模原有的驅(qū)動 電機(jī)、舵機(jī)之外伺服電機(jī)個 數(shù) 0 通道信息檢測 視野范圍（近/遠(yuǎn)） 25/160cm 精度（近/遠(yuǎn)） 2/12.5mm 頻率 50Hz 21

36、 8元器件清單 驅(qū)動電機(jī) 速度控制 1路16位的PWM輸出 PWM01 電源 7.2V供電 驅(qū)動舵機(jī) 轉(zhuǎn)向控制 1路16位的PWM輸出 PWM23 電源 7.2V電源 2個傳感器A 采集道路信息 PORTT的2位 電源 5V電源 1個傳感器B 速度反饋 1個脈沖累加器外部引腳 PACN32 電源 5V電源 攝像頭 圖像采集 A/D 端口 ADO通道 3個中斷引腳 PHO、PH1、PH2 電源 7.2V電源 串口 和電腦數(shù)據(jù)交流 接收RX 口和發(fā)送TX 口 SCIO 控制板 程序開始按鈕 1個I/O端口 POR

37、TK_BIT4 復(fù)位按鈕 1個 指示燈 3個I/O輸出口 PORTK_BIT0 ? PORTK_BIT2 小結(jié) 短短的一周就這樣過去了， 大三最后一個星期， 大三最后一次課設(shè)， 就在這 樣一個炎炎夏日結(jié)束了。想到這里，思緒量多，感慨良多。大學(xué)里已經(jīng)經(jīng)歷了好 多次課設(shè)，慢慢感受到，每一次都收獲了許多，正如這次機(jī)器人課設(shè)，即使已經(jīng) 結(jié)束了考試，但覺得機(jī)器人的課程還沒有停止。這一周里，我學(xué)到了好多東西， 這些都是課堂上不容易學(xué)到的。 本次課設(shè)我們選擇的是循跡機(jī)器人的題目， 如每次課設(shè)一樣， 我們的行動步 驟為查找資料、分析原理、調(diào)試程序、記錄結(jié)果。但這次課設(shè)給我的感覺卻不同 于每次

38、。我的學(xué)習(xí)態(tài)度并不是十分認(rèn)真刻苦， 以往很多次課設(shè)由于小組同一題目 的原因，我都會不自覺的依賴小組中能力較強(qiáng)的同學(xué)。這一次的情況比較偶然， 也不是說我是能力最強(qiáng)的， 只是這次自己也在默默地暗示自己， 要最大程度上的 靠自己把任務(wù)完成。 本次報告詳細(xì)介紹了的智能循跡小車的系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)以 Freescale16位 單片機(jī) MC9S12DG128 作為系統(tǒng)控制處理器，采用基于激光傳感器采樣獲取通 道信息，通過檢測方法提取通道上的黑線， 求出小車與黑線間的位置偏差， 采用 PID 方式對舵機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)行反饋控制。通過速度傳感器對小車形成速度閉環(huán)控制。 報告中還介紹了賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)和調(diào)整方法， 賽車各

39、個主要模塊的工作原理和設(shè)計 思路。智能賽車分硬件和軟件 2 部分。硬件部分主要是賽車的安裝和調(diào)整，以 及電路板的設(shè)計。 機(jī)器人課程設(shè)計雖然結(jié)束了， 但通過設(shè)計所學(xué)到的東西將長久存在。 大三的 最后一次課設(shè)， 我們都進(jìn)著自己最大的努力來完成， 以達(dá)到最好的效果。 相信這 次設(shè)計帶給我的嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)習(xí)態(tài)度和一絲不茍的科學(xué)作風(fēng)將會給我未來的工作和學(xué) 習(xí)打下一個更堅實的基礎(chǔ)。 23 致謝 大三的最后一周， 我們開始了為期一周的課程設(shè)計， 短短一周，有太多汗水， 太多耕耘， 也有太多欣慰， 太多感動， 我們每個人都在為自己的任務(wù)盡著自己最 大的努力，也在絲毫不保留的贈與給彼此最貼心的幫助和溫暖

40、。 首先還是要感謝我們的傳感器課講師——祝尚臻老師。 新學(xué)期開始， 每個人 并不是很習(xí)慣課程中的忙碌， 不免會陷入忙碌和慌亂。 我們還要輪流著向祝老師 請教問題和答辯。 每個人完成自己的任務(wù)后， 還可以回到座位上休息一下。 老師 就這樣圍在我們中間， 不停歇， 不懈怠的忙碌著， 依次對我們的電路進(jìn)行細(xì)致的 分析和改動， 給予我們最有價值的指導(dǎo)和幫助。 每次老師走到我們身邊， 解答疑 問時，時而嚴(yán)厲，時而和藹，偶爾還會和我們開開小玩笑，舒緩一下緊張情緒。 這都讓我們非常感動，課程的進(jìn)行中，最累的不是我們，而是老師，在這里我謹(jǐn) 以一名學(xué)生的身份向祝老師表達(dá)最誠摯的感謝， 感謝老師的無私與敬業(yè)，

41、感謝老 師對我們學(xué)習(xí)的幫助和指導(dǎo)。 這次課設(shè)中， 我有很多地方做得很不到位， 電腦操作的不熟練， 課程知識的 不精通時常讓我感到倍生困惑。 是我的組員同學(xué)在一直細(xì)心的幫助我， 給我最大 的支持和動力。 在這里也要感謝我的組員， 謝謝他們對我的包容和支持， 希望在 以后的學(xué)習(xí)生活中我們有更多的機(jī)會在一起合作。 最后，也要感謝學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)對我們每個學(xué)生的費心和關(guān)照， 讓我們能有一次這 樣的學(xué)習(xí)機(jī)會， 讓我們各方面的學(xué)習(xí)能力得到了鍛煉。 無論以后我們會又怎樣的 成就，我們都會記住母校對我們的關(guān)懷， 我們會在未來的生命中繼續(xù)攀登， 為母 校爭得更優(yōu)異的成績！ 24 參考文獻(xiàn) [1] 召E

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