飞思卡尔智能车大赛杭州电子科技大学杭电二队智能车技术报告

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本设计采用单片机（MC9S12DG128）作为智能小车的检测和控制核心。路径识别采用CMOS摄像头，车速检测采用红外对管和编码盘，由MOS管组成H桥来控制驱动电机正反转的快速切换，利用PWM技术控制小车的运动速度及运动方向。基于这些完备而可靠的硬件设计，还设计了一套PID优化算法，编写了全闭环运动控制程序，经反复测试，取得了较好的效果。

第一章 引言

.1 智能车系统研究内容

智能车系统要求以MC9S12DG128为核心，能够自主识别路线，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，以最快的速度跑完全程。其主要研究内容包括以下几个部分：电源、路径识别、直流电动机驱动及运动控制等。

1.1.1 电源

根据智能车系统各部件正常工作的需要，对配发的标准车模用7.2V 1800mAh Ni-cd电池进行电压调节。其中，单片机系统、车速传感器电路需要5V电压，摄像头的12V工作电压由DC-DC升压回路提供，伺服电机工作电压范围4.8V到6V，直流电机经过H桥路由7.2V 1800mAh Ni-cd蓄电池直接供电。

1.1.2 路径识别

路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣。在高速度和预先判断算法的前提下，摄像头可能是寻找路径规迹的最好选择。因为MC9S12DG128的运算处理和AD采样速度有限，因此确定合理的采样次数和合理的处理摄像头的数据是十分重要的。舍弃非关键数据进行数据简化和制定高效率的路径规划也是一个难题。

1.1.3 直流电动机驱动

直流电机的控制一般由单片机产生的PWM信号配以H桥路来完成。为了得到更大的驱动电流和较好的刹车效果，选用低内阻的MOS管和适当的反向驱动也是必需的。MOS管我们选取了IRF4905和IRFZ48N，在MOS管子的驱动方面我们直接使用IR公司的IR4427双道驱动芯片。具体的H桥电路见图1.1 。

1.2 智能车制作情况

整个智能车控制系统分为4部分电路板，分别为路径识别模块，单片机模块，直流电机驱动模块和速度检测模块，还有串口通讯及调试接口。每个模块都单独做成一块电路板，模块与模块之间通过数据线相连。下面简单介绍每个模块的结构及相互间的连接。

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图1.1 H桥电路示意图

1.2.1 单片机模块硬件板

核心板部分全部重新设计。为了方便插接，我们选择用万用板做主板基架，主板固定在车身中间的两个固定杆上。主板上留出主板模块的接插件和与外部其他模块的接口。主板上的模块主要有：CPU模块、DC-DC降压模块、DC-DC升压模块、液晶模块。主板外部接口分别与摄像头、舵机、直流电机驱动模块和速度检测模块硬件板相连。

1.2.2 路径识别模块硬件板

摄像头的固定座由PCB板和铝合金组成，在车模前端向前倾斜以得到最佳的摄像效果。摄像的固定架总体高度为35cm，呈15度角前倾。

1.2.3 直流电动机驱动模块硬件板

该硬件板安装在车体后侧电机固定架上，长4cm，宽2.5cm。板子上引出了一个两线接口和一个三线接口。其中两线接口和Ni-cd电池相连，三线接口和单片机模块硬件板相连。

1.2.4 速度检测模块硬件板

速度检测模块由一对红外对管配以编码盘实现，可以实现一圈24点分辨率。电路上只有一

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个电阻结构十分简单。在编码盘的设计上，我们直接用薄的PCB板嵌入在车模的后轮轴上，简单、牢固。编码盘外观图如图1.2所示。

图1.2 编码盘外观图

1.3 文章章节安排

第一章 引言 本章主要介绍智能车制作概况及系统方案综述。

第二章 方案的选择与论证 本章主要介绍系统硬件和软件的方案比较及选择。

第三章 系统的硬件设计 本章主要介绍硬件各模块的设计及说明。

第四章 系统的软件设计 本章主要介绍软件部分设计及说明。

第五章 调试 本章主要介绍智能车的调试仪器和行驶调试。

第六章 总结

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图1.3 车模整体外观图

第二章 方案的论证与选择

根据题目要求，系统划分为5个基本模块，如图2.1所示。下面分别对各模块的方案进行论证与选择。

图2.1 系统模块框图

2.1 路径识别

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方案一：CCD摄像头寻迹方案

CCD摄像头寻迹方案的优点是可以更远更早地感知赛道的变化，分辨率高，识别路径参数多；缺点是数据量大，需要较大的存储空间，数据处理时间比较长，信号处理比较复杂，另外CCD工作电压为12V，需用斩波升压电路得到12V电源。但摄像头在合理地使单片机超频和适当地舍弃一部分数据的情况下是完全可以由M9S12DG128来控制的，且摄像头丰富的信息量为小车的最佳控制提供了保证。

方案二：选用脉冲调制的反射式红外发射－接收器

反射式红外发射－接收寻迹方案的优点是电路相对比较简单、信号处理量小，控制速度快；缺点在于探测距离相对较短，另外环境光源会对光敏二极管的工作产生一定的干扰，最致命的是在路径优化算法上难以得到最佳效果。

基于上述理论分析比较，我们选择了方案一。

2.2 电动机驱动调速

方案一：采用一只MOS管组成简单BUCK电路；用这个方法电路非常简单，控制只需要一路PWM，在管子上消耗的电能也比较少，但是缺点是不能控制电机的电流方向，在小车的刹车的性能的提升上明显有弱势。

方案二：采用飞思卡尔半导体公司的集成桥式驱动器MC33886。MC33886最大驱动电流为5A，体积小巧，使用简单，但由于是贴片的封装，散热面积比较小，长时间大电流工作时，温升较高，如果长时间工作必须外加散热器，而且MC33886的工作内阻比较大，又有高温保护回路，使用不方便。

方案三：采用4个分立MOS管构成的H桥电路，控制直流电机紧急制动。用单片机控制MOS管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于MOS管工作在饱和截止状态，而且还可以选择内阻很小的MOS管，所以效率可以非常高，并且H桥电路可以快速实现转速和方向控制。MOS管开关速度高，所以非常适合采用PWM调制技术。

基于上述理论分析比较，我们选择方案三。

2.3 速度检测

方案一：采用霍尔传感器和磁钢。将霍尔传感器和磁钢分别安装在车架和车轴的适当位置，小车行驶时，每转动一圈，霍尔传感器产生开关信号，通过在单位时间对其计数可计算出车辆行驶的瞬时速度，累计开关信号可计算出小车行驶的距离。但是这种方法要求在轴上嵌入磁钢，实现复杂，并且不可能放太多磁钢所以精度不高。

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方案二：采用机械开关。可以在车轴上固定一个突出的圆球，在底板上相对应固定一个轻触开关，车轮每次转过一圈可以让轻触开关产生一个脉冲，通过计算脉冲间距的时间可以算出速度。这种方法的优点是结构简单，容易实现；缺点是机械触点容易磨损。

方案三：采用红外对管和编码盘：将一个带有孔的编码盘固定在转轴上，然后由红外对管检测编码盘的孔对红外线的阻通。原理和霍尔开关很接近，但在实际的硬件的实现上很简单，我们在圆形的薄PCB(0.3mm)板上转了24个孔再固定在塑料 …… 此处隐藏：8083字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……