《基于光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《基于光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文（67頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 新一代汽車研究與開發(fā)將集中表現(xiàn)在信息技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能自動(dòng)化技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)在汽車上的應(yīng)用。智能汽車是是現(xiàn)代汽車發(fā)展的方向。 大學(xué)生智能車比賽是智能汽車設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)踐平臺(tái)，光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)，采用光電傳感器作為道路信息的采集傳感器，單片機(jī)為控制系統(tǒng)的核心來處理信號(hào)和控制小車行駛。M

2、C9S12系列單片機(jī)在汽車電子控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本課題就是利用Freescale的MC9S12XS128微控制器對(duì)智能車系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件電路和控制軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)使用專門軟件Altium Designer設(shè)計(jì)。硬件電路系統(tǒng)主要包括freescale單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、路徑識(shí)別與檢測(cè)系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。而控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)的初始化、PID控制算法、路徑識(shí)別算法、舵機(jī)控制算法、速度控制算法。軟件設(shè)計(jì)是用Freescale 公司的Codewarrior軟件作為軟件開發(fā)和仿真下載的平臺(tái)。最后完成了整個(gè)自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵字： 智能

3、車；光電傳感器；自動(dòng)循跡；控制算法；PID; ABSTRACT The design of autoguiding smartcar system based on photoelectric sensor New generation automobile development and researched focus on information technology, microelectronic technol

4、ogy, computer technology, intelligent automation technology, artificial intelligence technology, networking technology, communication technology and so on. The intelligent automobile is the direction in which the modern automobile developed. The university students intelligence vehicle competitio

5、n is a practice platform in which intelligence automobile designed , we use the photoelectric sensor as gathering sensor to take path information , The microcontroller is used as the control system core ,and process the signal, and controls car to run . signal-chip microcomputer MC9S12 series be wi

6、despread utilized in the automobile electronic control domain. I use the Freescale microcontroller MC9S12XS128 to design the intelligent vehicle system. The design of intelligent vehicle system including hardware circuit and control software system. I adopt the software of electronics design Alti

7、um Designer to complete designing the hardware . Hardware circuit system mainly includes the freescale ’s Single-chip Microcomputer smallest system, the power source management system , the way recognition and the detecting system, the motor-driven system. But the control software system mainly incl

8、udes Single-chip Microcomputer 's initialization, the PID control algorithm, the way recognition algorithm, the steering engine control algorithm, the speed control algorithm . It uses Freescale Corporation's Codewarrior as the software development ,the simulation and downloading‘s platform in the s

9、oftware designing . Finally The design of auto track smartcar system based on photoelectric sensor is completed. Key words: Intelligent vehicle; photoelectric Sensor; auto track; Control algorithm ; PID； - 61 - 摘 要 I ABSTRACT II 插圖清單 I 第1

10、章 緒論 - 1 - 1.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容及研究意義（價(jià)值） - 1 - 1.2 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) - 2 - 第2章 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) - 3 - 2.1 整體設(shè)計(jì)方案概述 - 3 - 2.2 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) - 4 - 2.2.1 模型車硬件整體方案設(shè)計(jì) - 4 - 2.2.2 系統(tǒng)軟件模塊分析 - 7 - 2.2.3 控制算法設(shè)計(jì)方案 - 8 - 第3章 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊 - 9 - 3.1 單片機(jī)以及最小系統(tǒng)簡(jiǎn)介 - 9 - 3.2 MC9S12XS128最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 9 - 第4章 電源管理

11、模塊 - 11 - 第5章 路徑識(shí)別模塊和測(cè)速檢測(cè)模塊 - 13 - 5.1 路徑識(shí)別模塊 - 13 - 5.1.1 光電傳感器 - 13 - 5.1.2 光電傳感器發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì) - 13 - 5.1.3 路徑識(shí)別傳感器布局設(shè)計(jì) - 14 - 5.2 測(cè)速檢測(cè)模塊 - 16 - 第6章 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 - 19 - 6.1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 - 19 - 6.1.1 電機(jī)的工作原理 - 19 - 6.1.2 MC33886介紹 - 21 - 6.1.3 PWM信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 - 22 - 6.2 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 - 23 - 第7章 智能車軟件的設(shè)

12、計(jì) - 29 - 7.1 單片機(jī)初始化 - 30 - 7.2 PID控制算法 - 32 - 7.3 路徑識(shí)別算法 - 34 - 7.4 舵機(jī)控制算法 - 34 - 7.5 速度控制算法 - 36 - 第8章 開發(fā)制作與調(diào)試 - 38 - 8.1 CodewarriorV4.7軟件及其應(yīng)用 - 38 - 8.2 BDM for S12的使用 - 43 - 結(jié)論和展望 - 44 - 致 謝 - 45 - 參考文獻(xiàn) - 46 - 主要參考文獻(xiàn)摘要 - 48 - 附錄A - 50 - 插圖清單 圖2-1 系統(tǒng)信息的控制流程圖 - 4 - 圖2-

13、2 智能車控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 - 5 - 圖2-3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 - 6 - 圖2-4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) - 7 - 圖3-1 最小系統(tǒng)原理圖和PCB圖 - 10 - 圖4-1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 - 11 - 圖4-2 LM7805電路圖 - 12 - 圖4-3 LM7806電路圖 - 12 - 圖5-1 光電傳感器的基本組成 - 13 - 圖5-2 單對(duì)紅外傳感器電路圖 - 14 - 圖5-3 紅外探測(cè)布局的PCB圖 - 16 - 圖5-4 霍爾原理 - 17 - 圖5-5 霍爾測(cè)速電路圖 - 18 - 圖6-1 H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 - 20 - 圖6-2 H橋電路驅(qū)

14、動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) - 20 - 圖6-3 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) - 21 - 圖6-4 MC33886電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖 - 22 - 圖6-5 舵機(jī)工作原理示意圖 - 24 - 圖6-6 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與控制信號(hào)脈寬之間關(guān)系 - 25 - 圖6-7 不同占空比的PWM波形控制的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)狀態(tài)圖 - 26 - 圖6-8 轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制方法圖 - 27 - 圖6-9 舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制模塊程序流程圖 - 28 - 圖7-1 光電傳感器方案主程序流程圖 - 29 - 圖7-2 典型PID控制結(jié)構(gòu) - 33 - 圖7-3 舵機(jī)控制流程圖 - 35 - 圖7-4 速度控制流程圖 -

15、 37 - 圖8-1 CodearrierV4.7 創(chuàng)建新的工程窗口 - 40 - 圖8-2 CodearrierV4.7的工程的初始設(shè)置窗口 - 41 - 圖8-3 CodearrierV4.7的編譯窗口 - 42 - 圖8-4 BDM的PCB原理圖 - 43 - 第1章 緒論 自動(dòng)循跡智能車是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)駕駛等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。除了特殊潛在的軍用價(jià)值外，還因其在公路交通運(yùn)輸中的應(yīng)用前景受到很多國(guó)家的普遍關(guān)注。近年來其智能化研究取得了很大進(jìn)展，而其智能主要表現(xiàn)為對(duì)路徑的自動(dòng)識(shí)別和跟蹤控制上。路徑跟蹤問題的研究正吸引著國(guó)內(nèi)外計(jì)

16、算機(jī)視覺、車輛工程與控制領(lǐng)域?qū)W者們?cè)絹碓蕉嗟淖⒁猓贸隽撕芏嘤幸饬x的成果。這些方法可分為兩類，即傳統(tǒng)控制方法和智能控制方法。傳統(tǒng)控制方法多建立在精確數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，而自動(dòng)引導(dǎo)車系統(tǒng)具有復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)模型，是一個(gè)非線性、時(shí)延系統(tǒng)，由于各種不確定因素的存在，精確的數(shù)學(xué)模型難以獲得，只能采用理想化模型來近似，所得到控制律較為繁瑣，給實(shí)際應(yīng)用造成不便。隨著近年智能控制論的興起，一些智能控制方法如模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等逐步走向完善，尤其是模糊控制理論在很多地方顯示出相當(dāng)?shù)膽?yīng)用價(jià)值，以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)新概念的控制器受到人們很大關(guān)注。同時(shí)，人們也正考慮這在各種方面包括硬件和軟件的綜合技術(shù)開發(fā)和研究探索，智能車的技

17、術(shù)將會(huì)趨于成熟并得到廣泛的應(yīng)用。 1.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容及研究意義（價(jià)值） 隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，人口的急速增加膨脹，從而使得汽車使用率將大大提高。石油等不可再生能源的大量消耗和枯竭，交通的擁堵不堪，交通事故的接連不斷等這些問題都擺在我們的面前而有待解決。當(dāng)汽車電子得以迅猛發(fā)展時(shí)，智能車產(chǎn)生和不斷探索并服務(wù)于人類的趨勢(shì)將不可阻擋。智能車的研究將會(huì)給汽車這個(gè)產(chǎn)生了一百多年的交通工具帶來巨大的科技變革。人們?cè)谛旭偲嚂r(shí)，不再只在乎它的速度和效率，更多是注重駕駛時(shí)的安全性，舒適性，環(huán)保節(jié)能性和智能性等。各國(guó)科學(xué)家和汽車工作人員以及汽車愛好者都在致力于智能車的研

18、究，研究的成果有很多都已應(yīng)用于人們的日常生活生產(chǎn)之中，例如在2005年1月, 美國(guó)發(fā)射的“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)火星探測(cè)器, 實(shí)質(zhì)上都是裝備先進(jìn)的智能車輛。同樣在很多特殊的場(chǎng)合，人員不宜或不便行駛車輛等情況下，智能車都發(fā)揮著它難以替代的作用。因此，研究智能車的實(shí)際意義和取得的價(jià)值都非常重大。 在我國(guó)現(xiàn)階段，很多企業(yè)和學(xué)校也都意識(shí)到了研究智能車的重大意義和有著廣闊的研究前景，企業(yè)與學(xué)校聯(lián)合研究，共享資源的智能車研究也已有較多的合作項(xiàng)目。其中“飛思卡爾杯”全國(guó)大學(xué)生智能汽車比賽影響頗大，它是教育部高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦，飛思卡爾半導(dǎo)體公司協(xié)辦，被教育部批準(zhǔn)列入國(guó)家教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革

19、工程資助項(xiàng)目中9 個(gè)科技人文競(jìng)賽之一；比賽涉及控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科，對(duì)學(xué)生的知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，對(duì)高等學(xué)校汽車電子及控制學(xué)科學(xué)術(shù)水平的提高，具有良好的推動(dòng)作用。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)術(shù)背景正是依托于往屆舉辦過的“飛思卡爾杯”智能車比賽。 本課題利用傳感器識(shí)別路徑，將賽道信息進(jìn)行存儲(chǔ)，利用單片機(jī)控制智能車行進(jìn)。本課題包括設(shè)計(jì)供電電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、以及通信端口，傳感器信號(hào)處理電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，以及相關(guān)控制和存儲(chǔ)軟件設(shè)計(jì)。本課題的綜合性很強(qiáng)，是以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感、電子、電氣、計(jì)算機(jī)和機(jī)械等多個(gè)學(xué)科

20、交叉的科技創(chuàng)意性設(shè)計(jì)，這對(duì)進(jìn)一步深化高等工程教育改革，培養(yǎng)本科生獲取知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)的能力及創(chuàng)新意識(shí)等具有重要意義。 1.2 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 隨著汽車電子技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車智能化技術(shù)正在逐步得到應(yīng)用。汽車智能化技術(shù)使汽車的操縱越來越簡(jiǎn)單,動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性越來越高，行駛安全性越來越好，這是未來汽車發(fā)展的趨勢(shì)。而目前許多高校的學(xué)生和廣大業(yè)余車模愛好者都在努力完成能自主識(shí)別道路并高速行駛的智能汽車，收集了汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)、自動(dòng)控制以及單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)等各領(lǐng)域?qū)＜业恼撝?，給出了車模的機(jī)械調(diào)整、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、軟件仿真、控制策略以及單片機(jī)開發(fā)等多方面的指導(dǎo)性意見和建議

21、。所以我們能夠看到智能車研究將會(huì)有一個(gè)很廣闊的前景和發(fā)展，各項(xiàng)新的技術(shù)也會(huì)不斷地被應(yīng)用于智能車的研究之中，而智能車的研究將會(huì)給未來的汽車帶來非常大的變化，服務(wù)于人類。 相對(duì)于智能車設(shè)計(jì)的許多技術(shù)應(yīng)用，本次設(shè)計(jì)的基于光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)只是應(yīng)用了其中的一些方面，還有許多技術(shù)有待于我們?nèi)?chuàng)新和發(fā)展?？傊?，智能車研究發(fā)展的前景是廣闊的，同樣又充滿著挑戰(zhàn)的。 第2章 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 在本次設(shè)計(jì)中，要求所設(shè)計(jì)的小車具有自動(dòng)尋跡功能并且有路徑記憶的功能，能在指定跑道上高速，穩(wěn)定地運(yùn)行

22、。跑道為黑白兩色。其背景色為白色，跑道中央有一條黑線作為小車行進(jìn)的依據(jù)。很明顯，要設(shè)計(jì)的小車是要能沿黑線的正常行駛，并在此基礎(chǔ)上，盡量提高小車行駛速度。 2.1 整體設(shè)計(jì)方案概述 設(shè)計(jì)自動(dòng)控制器是制作智能車的核心環(huán)節(jié)。在嚴(yán)格遵守規(guī)則中對(duì)于電路限制條件，保證智能車可靠運(yùn)行前提下，電路設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔緊湊，以減輕系統(tǒng)負(fù)載，提高智能車的靈活性，同時(shí)應(yīng)堅(jiān)持充分發(fā)揮創(chuàng)新原則，以簡(jiǎn)潔但功能完美為出發(fā)點(diǎn)，并以穩(wěn)定性為首要前提，實(shí)現(xiàn)智能車快速運(yùn)行。 作為能夠自動(dòng)識(shí)別道路運(yùn)行的智能汽車，車模與控制器可以看成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。它可分為傳感器、信息處理、控制算法和執(zhí)行機(jī)構(gòu)四個(gè)部分組成。其中，以單片機(jī)為核心，配

23、有傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及它們的驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成了控制系統(tǒng)的硬件；信息處理與控制算法由運(yùn)行在單片機(jī)中的控制軟件完成。故而，自動(dòng)控制器設(shè)計(jì)可以分為硬件電路設(shè)計(jì)和控制軟件兩部分。 硬件電路是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，應(yīng)包括有至少以下四個(gè)部分： （1） 單片機(jī)最小系統(tǒng)。 （2）電源電路：為各個(gè)電路模塊提供電源。 （3）道路檢測(cè)電路，用于完成對(duì)于賽道中心引導(dǎo)線的檢測(cè)，主要采用光電檢測(cè) （4）舵機(jī)以及后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)模型車上的舵機(jī)和后輪電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，控制賽車的方向和速度。 除了以上四大部分，還包括有車速、車架速度、電池電壓和舵機(jī)位置檢測(cè)等電路，增加模型車參數(shù)檢測(cè)，從而提高模型車控制性能，也可增加調(diào)試電路方

24、便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。 在硬件電路的基礎(chǔ)上，可以利用道路檢測(cè)信息和車模運(yùn)行參數(shù)信息，通過編寫信息處理和控制軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)于模型車轉(zhuǎn)向舵機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制，使其能夠沿著賽道高速穩(wěn)定的運(yùn)行。 而在軟件方面，主要功能包括系統(tǒng)軟件模塊分析以及控制策略算法。 下頁圖2-1所示即為智能車系統(tǒng)信息的控制流程： 信息處理控制算法 舵機(jī)和后輪電動(dòng)驅(qū)動(dòng) 智能車 車體運(yùn)行具體參數(shù) 賽道 路徑檢測(cè)識(shí)別 圖2-1 系統(tǒng)信息的控制流程圖 2.2 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 2.2.1 模型車硬件整體方案設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)中的核心單片機(jī)將采用MC9S12XS128型

25、號(hào)的單片機(jī)。MC9S12XS-128是一款飛思卡爾16位的單片機(jī)，其開發(fā)方法和工作特點(diǎn)都與常用的8051單片機(jī)有一定的區(qū)別。如何開發(fā)這款單片機(jī)，如何為單片機(jī)多個(gè)模塊寫入底層的驅(qū)動(dòng)程序和編寫優(yōu)良的上層控制算法是這一模塊的核心。該微控制器是freescale公司推出的S12系列單片機(jī)中具有增強(qiáng)型的16位單片機(jī)，該系列單片機(jī)在汽車電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。S12系列單片機(jī)的中央處理器CPU12由以下三部分組成: 算術(shù)邏輯單元ALU、控制單元、寄存器組。 CPU外部總線頻率為8MHZ或者 16MHZ，通過內(nèi)部鎖相環(huán)(PLL)，可以使內(nèi)部總線速度可以達(dá)到25MHZ。尋址方式有16種。內(nèi)部寄存器組中的寄

26、存器，堆棧指針和變址寄存器均為16位。它具有很強(qiáng)的高級(jí)語言支持功能。CPU12的累加器A和B是8位的，也可以組成16位累加器D。 它的寄存器組包括如下5個(gè)部分: (l)8位累加器A，B或16位的累加器D。 (2)16位尋址寄存器X和Y是用來處理操作數(shù)的地址。可分別用于源地址，目的地址的指針型變量運(yùn)算。 (3)堆棧指針SP是16位寄存器。 (4)程序計(jì)數(shù)器PC是16位寄存器。它表示下一條指令或下一個(gè)操作數(shù)的地址。 (5)條件碼寄存器CCR。 MC9S12XS128是Freescale公司推出的S12 系列單片機(jī)中的一款增強(qiáng)型16 位單片機(jī)，片內(nèi)資源豐富，接口模塊包括SPI、SC

27、I、IIC、A/D、PWM 等， 單片機(jī)采用增強(qiáng)型16 位HCS12 CPU，片內(nèi)總線時(shí)鐘最高可達(dá)25MHz；片內(nèi)資源包括8K RAM、128K Flash、2K EEPROM； SCI、SPI、PWM 串行接口模塊；脈寬調(diào)制(PWM)模塊可設(shè)置成4 路8 位或者2 路16 位，邏輯時(shí)鐘選擇頻率寬。它包括兩個(gè)8 路10 位精度A/D 轉(zhuǎn)換器，控制器局域網(wǎng)模塊(CAN)，增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器并支持背景調(diào)試模式。本次設(shè)計(jì)所提到的智能車自動(dòng)控制系統(tǒng)就是基于此芯片設(shè)計(jì)。賽車硬件電路作為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其一系列控制功能的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到最終系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定的運(yùn)行。通過分析，得到系統(tǒng)各主要功能模塊電路及

28、其與微處理器之間的邏輯關(guān)系，系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如下圖2-2所示： 黑線識(shí)別傳感器 前輪 舵機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 MC9S12XS128最小系統(tǒng) 后輪 電機(jī) 測(cè)速裝置 圖2-2　智能車控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 由上頁圖2-2可知，智能車控制系統(tǒng)整體可分為：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊、電源管理模塊、路徑識(shí)別模塊、車速檢測(cè)模塊以及模型車控制策略與算法模塊等。這些模塊將會(huì)在下面的章節(jié)中詳細(xì)地進(jìn)行設(shè)計(jì)說明和闡述。 通過以上的闡述說明和后

29、幾章系統(tǒng)硬件部分各部件的選用說明，可以大體得出以下即為本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框圖： 圖2-3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 2.2.2 系統(tǒng)軟件模塊分析 單片機(jī)初始化 光電信號(hào)的采集 光電信號(hào)的處理 霍爾輪速傳感器信號(hào)輸入 控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速 控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向 圖2-4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 從該結(jié)構(gòu)圖中可以看出，系統(tǒng)的軟件模塊主要有： 1. 單片機(jī)系統(tǒng)的初始化，包括單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化、ATD模塊的初始化、PWM模塊的初始化、增強(qiáng)型時(shí)鐘模塊的初始化，還有一些輸入輸出口的初始化； 2. 光電信號(hào)的采集：通過對(duì)紅

30、外接收管接收道路反射的紅外光后產(chǎn)生電壓的變化，采集到了有效的智能車位置信號(hào)。 3. 光電信號(hào)的處理：將采集到的電壓信號(hào)存儲(chǔ)在單片機(jī)中，通過對(duì)光電信號(hào)的分析和判斷來識(shí)別路徑，判斷黑線中間位置，判斷道路是直線還是曲線，以及通過計(jì)算判斷出曲線的斜率，從而進(jìn)一步的控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 4. 舵機(jī)轉(zhuǎn)角的控制和電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制：通過控制PWM口的信號(hào)輸出可以實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)角和輪速的控制 5. 霍爾輪速傳感信號(hào)的輸入：通過對(duì)輸入信號(hào)的捕捉和計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的測(cè)算。 2.2.3 控制算法設(shè)計(jì)方案 在小車的運(yùn)行中，主要有方向和速度的控制，即舵機(jī)和電機(jī)的控制，這兩個(gè)控制是系統(tǒng)軟件的核

31、心操作，對(duì)小車的性能有著決定性的作用。 對(duì)舵機(jī)的控制，要達(dá)到的目的就是：在任何情況下，總能給舵機(jī)一個(gè)合適的偏移量，保證小車能始終連貫地沿黑線以最少距離行駛。在舵機(jī)的控制方案中，有以下兩種方案可供選擇： 方案一：比例控制 這種控制方法就是在檢測(cè)到車體偏離的信息時(shí)給小車一個(gè)預(yù)置的反向偏移量，讓其回到賽道。比例算法簡(jiǎn)單有效，參數(shù)容易調(diào)整，算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需復(fù)雜的數(shù)字計(jì)算。在實(shí)際應(yīng)用中，由于傳感器的個(gè)數(shù)與布局方式的限制，其控制量的輸出是一個(gè)離散值，不能對(duì)舵機(jī)進(jìn)行精確的控制，容易引起舵機(jī)左右搖擺，造成小車行駛過程中的振蕩，而且其收斂速度也有限。 方案二：PID控制 PID控制在比例控

32、制的基礎(chǔ)上加入了積分和微分控制，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，I，D三個(gè)參數(shù)的設(shè)定較難，需要不斷進(jìn)行調(diào)試，憑經(jīng)驗(yàn)來設(shè)定，因此其適應(yīng)性較差。 在考慮選擇中，根據(jù)設(shè)計(jì)的賽道規(guī)則，賽道模型與相關(guān)參數(shù)已給定，即小車運(yùn)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)。因此選用的是PID算法來對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制。對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制（即速度控制），要達(dá)到的目的就是在行駛過程中，小車要有最有效的加速和減速機(jī)制。高效的加速算法使小車能在直道上高速行駛，而快速減速則保證了小車運(yùn)行的穩(wěn)定，流暢。為了精確控制速度，同時(shí)對(duì)速度進(jìn)行監(jiān)控，本次設(shè)計(jì)中還引入了閉環(huán)控制的

33、思想，所以在硬件設(shè)計(jì)，增加了速度傳感器實(shí)時(shí)采集速度信息。(下面第7章對(duì)PID算法進(jìn)行詳細(xì)介紹) 第3章 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊 智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)——微控制器即單片機(jī)，單片機(jī)是系統(tǒng)電路的核心組件。本次設(shè)計(jì)所采用的單片機(jī)是Freescale的HCS12系列產(chǎn)品中的一款芯片叫MC9S12XS128。下面將對(duì)單片機(jī)和以MC9S12XS128芯片為核心的最小系統(tǒng)做一下闡述。 3.1 單片機(jī)以及最小系統(tǒng)簡(jiǎn)介 隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和多種I/O接口集成在一塊芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，因此單片機(jī)早期的含義成為單片微型計(jì)算機(jī)（Single

34、 Chip Microcomputer），直譯為單片機(jī)，又稱為微控制器（Microcontroller）或嵌入式控制器（Embedded Controller）。近年來，單片機(jī)結(jié)合專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）和精簡(jiǎn)指令計(jì)算機(jī)（Reduce Instruction Set Computer，RISC）技術(shù)，發(fā)展嵌入式處理器（Embedded Processor），適用于數(shù)據(jù)與數(shù)值分析，信號(hào)處理、智能機(jī)器及圖像處理等高技術(shù)領(lǐng)域。 所謂的單片機(jī)最小系統(tǒng)，是指在單片機(jī)外部增加盡可能少的元件電路，組成一個(gè)讓單片機(jī)可獨(dú)立工作的系

35、統(tǒng)。 3.2 MC9S12XS128最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本節(jié)將介紹以MC9S12XS128芯片為核心的最小系統(tǒng)的組成，如圖3-1所示。該最小系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分組成：時(shí)鐘電路、BDM接口、供電電路、復(fù)位電路和調(diào)試用的LED燈。 1、 時(shí)鐘電路為單片機(jī)提供一個(gè)外接的16HZ的石英晶振。 2、 BDM接口允許用戶通過該接口向單片機(jī)下載和調(diào)試程序。 3、 供電電路主要是給單片機(jī)提供+5V的電源。 4、 復(fù)位電路是通過一個(gè)復(fù)位芯片給單片機(jī)一個(gè)復(fù)位信號(hào)。 5、 調(diào)試用的LED燈和單片機(jī)的PORTB口相連，供程序調(diào)試使用。 圖3-1 最小系統(tǒng)原理圖和PCB圖 第4

36、章 電源管理模塊 電源模塊為系統(tǒng)其他各個(gè)模塊提供所需要的電源。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)之外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪音、防止干擾和電路簡(jiǎn)單等方面進(jìn)行優(yōu)化。所以說，可靠的電源方案設(shè)計(jì)是整個(gè)硬件電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。 本次設(shè)計(jì)的全部硬件電路的電源由7.2V、2A/h的可充電鎳鎘蓄電池提供。由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此電源模塊應(yīng)該包含多個(gè)穩(wěn)定電路，將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊所需要的電壓。電源模塊整體供電的可框圖如圖4-1 7.2v ，2000mAh 鎳鎘電池 MC33886 LM7806 6V

37、 LM7805 5V 電動(dòng)機(jī) 舵機(jī) 轉(zhuǎn)速傳 感器 紅外 接收 紅外 發(fā)射 MC9S12 最小系統(tǒng) 圖4-1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 下面將對(duì)幾種主要供電電壓電路進(jìn)行設(shè)計(jì) 1）5V電壓。主要為單片機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路、紅外對(duì)管以及部分接口電路提供電源，電壓要求穩(wěn)定且噪聲小，電流容量大于500mA。本次低壓降采用型號(hào)為L(zhǎng)M7805的穩(wěn)壓芯片，LM7805具有大電流、低功耗、電路簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)。其電路圖如圖4-2：  圖4-2 LM7805電路圖 2）6V電壓。主

38、要是為舵機(jī)提供工作電壓，實(shí)際工作時(shí)，舵機(jī)所需要的工作電流一般在幾十毫安左右，電壓無需時(shí)十分穩(wěn)定。6V低壓降采用型號(hào)為7806的三端線性穩(wěn)壓器，7806穩(wěn)壓電路把7.2V的電池電壓轉(zhuǎn)換為6V的電壓，供給舵機(jī)使用。其電路圖如下圖： 圖4-3 LM7806電路圖 3）7.2V電壓。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。 第5章 路徑識(shí)別模塊和測(cè)速檢測(cè)模塊 5.1 路徑識(shí)別模塊 路徑識(shí)別模塊是智能車系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識(shí)別方案的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣。本設(shè)計(jì)采用的是光電傳感器實(shí)現(xiàn)智能車路徑識(shí)別功能。所謂光電傳感器尋跡方案，即路徑

39、識(shí)別電路由一系列發(fā)光二極管、接收二極管組成，由于賽道中存在軌跡指示黑線，落在黑線區(qū)域內(nèi)的光電二極管接收到的反射光線強(qiáng)度與白色的賽道不同，由此判斷行車的方向。 5.1.1 光電傳感器 光電傳感器是利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。光電傳感器工作時(shí)，先將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過光電器件再把光量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量的變化,從而實(shí)現(xiàn)非電量的測(cè)量。光電傳感器的基本組成如下： 光電元件 光學(xué)元件 光學(xué)元件 調(diào)制件 或 被測(cè)件 測(cè)量 電路 物理量 圖5-1 光電傳感器的基本組成 5.1.2 光電傳感器發(fā)射與接

40、收電路設(shè)計(jì) 本項(xiàng)目中，選用的是紅外對(duì)管RPR-220作為傳感元件。RPR-220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)光二級(jí)管，而接收器是高靈敏度硅平面光電三級(jí)管。 它有如下三大特點(diǎn) 1. 塑料透鏡以提高靈敏度 2. 內(nèi)置的可見光過濾器以減小離散光的影響 3. 體積小結(jié)構(gòu)緊湊 傳感器電路如下圖5-2所示： 圖5-2 單對(duì)紅外傳感器電路圖 工作原理： 當(dāng)小車在白色地面行駛時(shí)，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號(hào)，經(jīng)白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號(hào)，那么圖中光敏三極管將導(dǎo)通，比較器輸出為低電平；當(dāng)小車行駛到黑色引導(dǎo)線時(shí)，紅外

41、線信號(hào)被黑色吸收后，光敏三極管截止，比較器輸出高電平，從而實(shí)現(xiàn)了通過紅外線檢測(cè)信號(hào)的功能。將檢測(cè)到的信號(hào)送到單片機(jī)I/O口，當(dāng)I/O口檢測(cè)到的信號(hào)為高電平時(shí)，表明紅外光被地上的黑色引導(dǎo)線吸收了，表明小車處在黑色的引導(dǎo)線上；同理，當(dāng)I/O口檢測(cè)到的信號(hào)為低電平時(shí)，表明小車行駛在白色地面上。 5.1.3 路徑識(shí)別傳感器布局設(shè)計(jì) 通過分析可知：尋跡傳感器模塊的設(shè)計(jì)是整個(gè)智能小車設(shè)計(jì)中的最重要的一部分，其作用相當(dāng)于人的眼睛和耳朵，采集外部路面的信息并將其送入MCU微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其能否正常工作直接影響著小車對(duì)路面的判斷以及小車下一步的行動(dòng)，因而其布局的合理性與有效性對(duì)小車穩(wěn)定而又快速的行駛起

42、著至關(guān)重要的作用。個(gè)人認(rèn)為在傳感器的布局中，要解決兩個(gè)問題：信息檢測(cè)的精確度和信息檢測(cè)的前瞻性。 一般尋跡傳感器的布局常見的有以下幾種方案 ： 方案一：一字形布局 反射式光電傳感器在小車前方一字形簡(jiǎn)單排布。在一字形中傳感器的間隔有均勻布局和非均勻布局兩種方式，均勻布局不利于彎道信息的準(zhǔn)確采集，通常采取的是非均勻布局?？紤]到弧度信息采集的連貫性，非均勻布局的理論依據(jù)是等角度分布原則，即先確定一合適的定點(diǎn)，從頂點(diǎn)依次等角度畫射線，射線與傳感器水平線相交的位置即為傳感器的位置。這種方案信息檢測(cè)相對(duì)連貫，準(zhǔn)確，使控制程序算法簡(jiǎn)單，小車運(yùn)行連貫，穩(wěn)定。 方案二：M形布局 傳感器呈M形排

43、布。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于拓寬了邊沿傳感器的檢測(cè)范圍，更適合于小車快速行進(jìn)中的彎道檢測(cè)，但相對(duì)一字形布局來說，M形布局不利于信息檢測(cè)的穩(wěn)定，易于產(chǎn)生振蕩，不利于小車行駛的穩(wěn)定。 方案三：活動(dòng)式傳感器布局 前面兩種方案都是固定的布局方式，使傳感器對(duì)賽道有一定的依賴。在這個(gè)方案中，傳感器的位置是可以在一定范圍內(nèi)靈活排布的。這種方案的布局思路是傳感器在安裝板上的位置是可調(diào)的，先將傳感器排布成為矩形點(diǎn)陣，根據(jù)不同的賽道情況而靈活地作出調(diào)整，就可以設(shè)計(jì)出不同的布局方式而適應(yīng)不同的賽道。這樣對(duì)不同賽道有更強(qiáng)的適應(yīng)性。但這種方案可調(diào)性大，臨時(shí)調(diào)節(jié)較難，其次機(jī)械設(shè)計(jì)中體積較大，增加了小車的重量，不利于加減

44、速。 在方案選擇中，最終采用的是上述第一種方案。通過比較，得到的結(jié)論是：對(duì)第一種、第二種和第三種方案進(jìn)行綜合考慮，由于本次比賽的賽道相關(guān)參數(shù)已知，而且賽道只有直道和彎倒兩種，可以在測(cè)試中對(duì)賽道進(jìn)行模擬，賽道變化不大，因此沒有必要采取比較復(fù)雜的第二種和第三種方案。方案具體布局的PCB圖如圖5-3 圖5-3 紅外探測(cè)布局的PCB圖 5.2 測(cè)速檢測(cè)模塊 為了使得模型車能夠平穩(wěn)地沿著賽道運(yùn)行，除了控制前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)以外，還需要控制車速。通過對(duì)速度的檢測(cè)，可以對(duì)車模速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制。 在車輪沒有打滑的情況下，車速正比于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。車速檢測(cè)一般是通過檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)

45、的。比賽中所使用的常見測(cè)速方法如下： 1、霍爾傳感器 霍爾傳感器是一種磁傳感器。它的工作原理是霍爾效應(yīng)，它是德國(guó)物理學(xué)家霍爾于1879年研究載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。如圖1所示，在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓， 它們之間的關(guān)系為 U=k (5-1) B U I B 圖5-4 霍爾原理 式中d 為薄片的厚度，k稱為霍爾系數(shù)，它的大小與薄片的材料有關(guān)。 通過對(duì)一定時(shí)間內(nèi)脈沖信號(hào)數(shù)量的

46、捕捉可以計(jì)算出車輪的轉(zhuǎn)速?；魻柧哂畜w積小，成本低，反應(yīng)快，獲取信號(hào)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，只是霍爾元件與磁鋼之間距離不一調(diào)節(jié)。 2. 測(cè)速電機(jī) 測(cè)速電機(jī)實(shí)際上是一種微型直流發(fā)電機(jī)，其輸出電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電動(dòng)勢(shì)具有斜率高、特性成線性、無信號(hào)區(qū)小或剩余電壓小、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)輸出電壓不對(duì)稱度小、對(duì)溫度敏感低等特點(diǎn)。但是測(cè)速電機(jī)成本高，體積大，不易安裝等缺點(diǎn)。 3.光電編碼器 光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)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盤和光電檢測(cè)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(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)

47、旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。具有體積小，精度高，工作可靠,接口數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，但是安裝需要體積較大，在小車上安裝不方便。 綜上所述，我選擇了簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)的霍爾傳感器作為輪速傳感器，其電路圖如下： 圖5-5 霍爾測(cè)速電路圖 其工作原理：霍爾傳感器接收到速度轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)經(jīng)LM324N差分放大器放大傳遞給單片機(jī)進(jìn)行速度信號(hào)的處理。 第6章 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊包含直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路

48、。作為系統(tǒng)控制算法的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電機(jī)能否被很好的驅(qū)動(dòng)和控制，這直接關(guān)系系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。 6.1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 模型車后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用型號(hào)為RS-380的電機(jī)，其工作在7.2V電壓下，空載電流為0.5A，轉(zhuǎn)速為16200r/min。在工作電流為3.3A，轉(zhuǎn)速將達(dá)到14060r/min，此時(shí)工作效率最大。 6.1.1 電機(jī)的工作原理 通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩端電壓可以使模型車加速運(yùn)行，也可對(duì)模型車進(jìn)行制動(dòng)。直流電機(jī)的控制由單片機(jī)的PWM信號(hào)來完成。由于設(shè)計(jì)的智能車沒有倒車功能，所以電機(jī)只工作在正轉(zhuǎn)方向上做功與發(fā)電兩種狀態(tài)。為了簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，將采用集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC3

49、3886對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。MC33886為典型的H橋式驅(qū)動(dòng)電路，通過控制輸入的信號(hào)，可以控制兩個(gè)半橋的通斷來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的順轉(zhuǎn)與倒轉(zhuǎn)。由于智能車不需要倒車，為了擴(kuò)大芯片的驅(qū)動(dòng)能力， 把兩個(gè)半橋并聯(lián)使用。下面介紹一下H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 圖6-1中所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“H橋式驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠（注意：圖6-1及隨后的兩個(gè)圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動(dòng)電路沒有畫出來）。 如圖6-1所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線

50、上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 圖6-1 H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。例如，如圖4.13所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針方向）。 圖6-2

51、 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 圖6-3所示為另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機(jī)。 當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時(shí)針方向）。 圖6-3 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 6.1.2 MC33886介紹 驅(qū)動(dòng)芯片MC33886 內(nèi)部具有短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)等功能。MC33886 內(nèi)部集成有兩個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)電路。由CPU 發(fā)出PWM 波通過MC33886 驅(qū)動(dòng)芯片控制電機(jī)的電壓. PWM3 輸出PWM波，經(jīng)由IN1 口

52、輸入。OUT1 輸出電機(jī)調(diào)速信號(hào)。通過預(yù)設(shè)的DUTYCYCLE對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)解。 工作電壓：5-40V 導(dǎo)通電阻：120 毫歐姆 輸入信號(hào)：TTL/CMOS PWM 頻率：< 10KHz 具有短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)等； 圖6-4 MC33886電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖 6.1.3 PWM信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，通常配合橋式驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速，非常簡(jiǎn)單，且調(diào)速范圍大，它的原理就是直流斬波原理。 電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的速度與占空比成

53、比例，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快，當(dāng)占空比α＝1時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大。 ?PWM控制波形的實(shí)現(xiàn)可以通過模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，例如用555搭成的觸發(fā)電路，但是，這種電路的占空比不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，不能用于自動(dòng)控制小車的調(diào) 速。而目前使用的大多數(shù)單片機(jī)都可以直接輸出這種PWM波形，或通過時(shí)序模擬輸出，最適合小車的調(diào)速。我們使用的組委會(huì)提供單片機(jī)，它是16位單片機(jī)，，可提供8路PWM 直接輸出，頻率可調(diào)，占空比可調(diào)，控制電機(jī)的調(diào)速范圍大，使用方便。單片機(jī)有多個(gè)I/O口， 內(nèi)部設(shè)有2個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器，完全可以模擬任意頻率、占空比隨意調(diào)節(jié)的PWM信號(hào)輸出，用以控制電機(jī)調(diào)速。 在實(shí)際制作過程中，個(gè)人認(rèn)為控制

54、信號(hào)的頻率不需要太高，一般在400Hz以下為宜，占空比16級(jí)調(diào)節(jié)也完全可以滿足調(diào)速要求，并且在小車行進(jìn)的過程中，占空比不應(yīng)該太高，在直線前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎 的時(shí)候應(yīng)該區(qū)別對(duì)待。若車速太快，則在 轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，方向不易控制；而車速太慢，則很浪費(fèi)時(shí)間。這時(shí)可以根據(jù)具體情況慢慢調(diào)節(jié)。 6.2 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。舵機(jī)本身是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，一般由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)5k、直流電機(jī)、控制電路等組成。 其工作原理是：控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為

55、1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 舵機(jī)的控制工作原理如圖6-5所示： 圖6-5 舵機(jī)工作原理示意圖 舵機(jī)接口一般采用三線連接方法，黑線為電源地線，紅線為電源線，一般采用兩種標(biāo)準(zhǔn)：4.8V和6V。另外一根連線藍(lán)線或黃線為控制信號(hào)線。控制信號(hào)是周期在20ms左右的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的寬度決定舵機(jī)輸出舵盤的角度。舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與控制信號(hào)脈寬之間的關(guān)系如下圖6-6： 圖6-6 舵機(jī)輸

56、出轉(zhuǎn)角與控制信號(hào)脈寬之間關(guān)系 控制信號(hào)采用PWM（Pulse Width Modulate）脈寬調(diào)制波，在特定的頻率和占空比下轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)特定的角度。下面的圖6-7描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，而圖6-7給出了量化后的結(jié)論。 圖6-7 不同占空比的PWM波形控制的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)狀態(tài)圖 圖6-8 轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制方法圖 由于小車前輪轉(zhuǎn)向只能在度范圍內(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

57、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。MC9S12XS128單片機(jī)中有8路獨(dú)立的PWM輸出端口，可以將其中相鄰的2路PWM輸出級(jí)聯(lián)成一個(gè)16位的PWM輸出。在單片機(jī)總線頻率為24MHz的時(shí)候，設(shè)置級(jí)聯(lián)PWM周期常數(shù)為60000，對(duì)應(yīng)PWM周期為20ms，PWM占空比常數(shù)為4500對(duì)應(yīng)輸出為1.5ms。改變占空比常數(shù)可以改變輸出脈沖的寬度。 在本次設(shè)計(jì)中，采用SRM-102型舵機(jī)，工作電源為6V。SRM-102型舵機(jī)響應(yīng)速度為0.2s/60 O 。該舵機(jī)的控制模塊為系統(tǒng)提供舵機(jī)控制功能，包括舵機(jī)

58、初始化子程序，舵機(jī)停止控制子程序，舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度控制子程序；系統(tǒng)通過在主程序里調(diào)用這些子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制。 舵機(jī)初始化子程序?qū)崿F(xiàn)初始化單片機(jī)PWM模塊的相應(yīng)通道，使得該通道輸出PWM波頻率為520Hz，同時(shí)設(shè)置PWM極性即起始電平為高電平。 舵機(jī)停止控制子程序用來停止舵機(jī)動(dòng)作，并恢復(fù)其到初始狀態(tài)，具體實(shí)現(xiàn)方法為設(shè)定通道輸出PWM波的高電平時(shí)間為1.47ms，并延時(shí)一段時(shí)間后關(guān)閉PWM輸出。 舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度控制子程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)定PWM調(diào)制波的脈寬，使其高電平寬度從1.21ms~ 1.47ms~1.73ms可調(diào)，所對(duì)應(yīng)舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度為-38°~0°~ 38°。 下圖6-9 表示了舵機(jī)控制模塊的

59、工作過程： 圖6-9 舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制模塊程序流程圖 第7章 智能車軟件的設(shè)計(jì) 車輛之所以能實(shí)現(xiàn)智能行駛，自動(dòng)駕駛，居于核心地位是控制算法。隨著微控制器技術(shù)的發(fā)展，控制器的資源愈加豐富，功能日趨強(qiáng)大，為實(shí)現(xiàn)更高智能的控制算法提供了良好的平臺(tái)。 本設(shè)計(jì)采用的是基于光電傳感器的設(shè)計(jì)方案。軟件的設(shè)計(jì)中，程序的主流程是：先完成單片機(jī)的初始化（包括I/O模塊、PWM模塊、計(jì)時(shí)器模塊、定時(shí)中斷模塊初始化）之后，通過無限循環(huán)語句不斷的重復(fù)執(zhí)行路徑檢測(cè)程序、數(shù)據(jù)處理程序、控制算法程序、舵機(jī)輸出及驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出程序。其中定時(shí)中斷用于檢測(cè)小車當(dāng)前速度，作為小車速度閉環(huán)控制的

60、反饋信號(hào)。光電傳感器方案主流程圖如圖7-1所示： 開始 MCU初始化 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制信號(hào)輸出 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 控制算法 速度采樣 定時(shí)中斷否 舵機(jī)控制信號(hào)輸出 舵機(jī)控制算法 路徑識(shí)別算法 實(shí)時(shí)路徑檢測(cè) 啟動(dòng)定時(shí)器 定時(shí)中斷使能 圖7-1 光電傳感器方案主程序流程圖 7.1 單片機(jī)初始化 單片機(jī)初始化主要包括鎖相環(huán)初始化、I/O端口初始化、PWM初始化、定時(shí)中斷的初始化、輸入捕捉通道初始化、A/D轉(zhuǎn)換模塊初始化，以及各種變量和常量

61、初始化。 以下列出幾種初始化代碼： 1. 鎖相環(huán)初始化 鎖相環(huán)即PLL技術(shù)，通過設(shè)置鎖相環(huán)可以改變單片機(jī)的時(shí)鐘頻率。 void PLL_init(void) // 系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化，因當(dāng)時(shí)摸索欠考慮，時(shí)鐘初始化比較亂，需要改進(jìn) { CLKSEL_PLLSEL=0; //選定外部時(shí)鐘，為1時(shí)選擇鎖相環(huán)時(shí)鐘 時(shí)鐘選擇寄存器初始化 CLKSEL=0 ; //選擇外部晶振為時(shí)鐘源 PLLCTL_PLLON=0; //鎖相環(huán)電路禁止； PLLCTL_PRE=1; //實(shí)時(shí)中斷允許 PLLCTL_PCE=1; /

62、/允許看門狗 PLLCTL_AUTO=1; //選擇高頻寬帶控制 PLLCTL_SCME=1; //探測(cè)到外部時(shí)鐘失效時(shí)產(chǎn)生自給時(shí)鐘信號(hào) SYNR=8; //時(shí)鐘合成寄存器初始化 REFDV=0X07; //時(shí)鐘分頻寄存器初始化 與上句為做實(shí)驗(yàn)時(shí)確定的參數(shù)與理論參數(shù)有差距，可重新設(shè)置 //CLKSEL_PLLSEL=1 ; //選定鎖相環(huán)時(shí)鐘 此句被注解掉 PLLCTL_CME=1; //時(shí)鐘監(jiān)控允許 鎖相環(huán)控制寄存器初始化 PLLCTL_PLLON=1; while(!CRGFLG_LOCK)；//循環(huán)直到該位為1即時(shí)鐘頻率已穩(wěn)定，

63、 CLKSEL_PLLSEL=1; //選定鎖相環(huán)時(shí)鐘 } 2. PWM初始化 PWM初始化主要包括以下6個(gè)步驟：禁止PWM；選擇時(shí)鐘；選擇極性；選擇對(duì)其模式；對(duì)占空比和周期編程；使能PWM通道。 void PWM_init(void) //脈寬調(diào)制模塊的初始化。參考中文PPT { PWME=0; //關(guān)閉PWM PWMCNT01=0; //01通道被禁止 PWMCTL_CON01=1; //01共同組成16位通道作為舵機(jī)的控制信號(hào)輸入口 為1級(jí)聯(lián)為0分開 PWMCTL_CON45=0; //分別組成8位通道 分別為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的

64、正反轉(zhuǎn)的輸入口 PWMCTL_PSWAI=1; //不準(zhǔn)許等待模式下分頻時(shí)鐘禁止運(yùn)行 PWMCTL_PFRZ=1; //不準(zhǔn)許冷結(jié)模式下PWM波形輸出 PWMPOL=0X03; //對(duì)應(yīng)通道脈沖起始位為高電平 極性為1 PWMCLK=0X33; //01、45分頻 PWMPRCLK=0X03; //A_CLOCK=BUS_CLOCK/8=3MHZ PWMSCLA=15; // 比例因子寄存器設(shè)置PWM寄存器的工作頻率 SA_CLOCK=A_CLOCK/2*15=100KHZ PWMCAE=0X00; /

65、/輸出波形左對(duì)齊，否則中心對(duì)齊 PWMDTY01=80; //初始化時(shí)可任意設(shè)置 PWMPER01=2000; //設(shè)置PWM01通道頻率100KHZ/2000=50HZ PWMPER4=20; //設(shè)置PWM4頻率為5KHZ PWMPER5=20; PWMDTY5=10; PWMDTY4=15; // 占空比為15：20初始化時(shí)可任意設(shè)置 PWME=0X13; //使能PWM } 3. 定時(shí)器初始化 定時(shí)器初始化主要用于產(chǎn)生周期中斷以進(jìn)行速度采集，其初始化主要包括：設(shè)定預(yù)訂分頻系數(shù)；定時(shí)器溢出中斷使能；定時(shí)器使能。

66、 void ini_Timer(void) { TSCR2_PR=7; // 128預(yù)分頻 TIOS=0b00000100； TCTL2=0b00010000； //設(shè)置通道2為輸出模式 TCTL4=0b00001010； TIE_C2I=1; //定時(shí)器2中斷使能 TC2=1000； TFLG1_C2F=1； //中斷標(biāo)志位清0 7.2 PID控制算法 比例，積分，微分（PID）是建立在經(jīng)典控制理論基礎(chǔ)上的一種控制策略。PID控制器作為最早實(shí)用化的控制器，已經(jīng)有五十多年的歷史，現(xiàn)在仍然是最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器最大的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易懂，使用中不需要精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最廣泛的控制器。 PID控制器系統(tǒng)原理框圖如圖7-2所示：  圖7-2 典型PID控制結(jié)構(gòu) 在PID控制其中，其輸入為設(shè)定值r(t) 與被調(diào)量實(shí)測(cè)值y(t) 構(gòu)成的控制偏差信號(hào)e(t)： e(t)=r(t)-y(t)