安全守卫者自主巡逻安保智能小车.docx

1、安全守卫者自主巡逻安保智能小车 飞思卡尔创意小车比赛 安全守卫者 自主巡逻安保智能小车 队伍名称EC创意 指导老师金纪东 参赛队员杨焘赵国庆张兆平陈杨 张浩 河海大学常州校区 EC 创意 摘 要 自主巡逻安保智能小车以飞思卡尔MC9S12XS128单片机为控制核心结合数 字罗盘超声波摄像头热释电烟雾温度等多种传感器检测外部环境 集智能自主导航无人值守自动巡逻特殊情况检测报警等功能于一身并能够 与无线安全检查网络以及中控室进行信息交流构成综合性的立体安全系统 智能小车一共有两种工作模式即自主巡逻模式和应急模式 自主巡逻模式下从车库出发根据预先存储在FLASH存储器中的道路信息 巡逻路径等借助视觉

2、系统识别路标信息以及导航系统确定方向对楼道进行 自主巡逻完成对各个路段的扫描检测区域内有无非法闯入者或者环境异常包 括温度烟雾浓度情况并返回相关数据巡逻结束自动停到车库 应急模式能够自动查询预存的路径信息获得小车当前位置并根据报警 的无线节点所发的编号信息迅速计算出最佳路径然后快速前往报警地点当 到达报警路段后对该区域进行全方位扫描采集温度视频等相关信息并返 回数据应急模式结束后小车自动切换到自主巡逻模式 关键词MC9S12XS128 视觉系统 自主巡逻 无线传输 环境监测 1 河海大学常州校区 EC 创意 Abstract This security patrol car to the sm

3、art single-chip Freescale MC9S12XS128 for the control of the core combined with digital compass ultrasonic camera pyroelectric smoke temperature and other sensors to detect the external environment set intelligent autonomous navigation unmanned Auto patrol special circumstances such as detection of

4、alarm functions and be able to network and wireless security check in the control room as well as the exchange of information which constitute three-dimensional integrated security systems Smart car a total of two operating modes namely self-patrol mode and emergency mode Self-patrol mode Starting f

5、rom the garage according to pre-stored in the FLASH memory of the road information such as patrol path road signs recognition with the visual system as well as to determine the direction of navigation systems Corridor to carry out patrols on their own completion of the various sections of the scanni

6、ng detection of the region or whether the unusual circumstances surrounding the illegal intruders including temperature smoke concentration in the case and return the relevant data Automatically stop patrolling the end of the garage Emergency mode Can automatically query information stored in the pa

7、th to obtain the current vehicle location and wireless node according to the police issued ID information quickly calculate the best path and then quickly to the alarm location When the police arrived after the section of the omni-directional scanning region Collecting temperature video and other re

8、lated information and return data Emergency mode after the car automatically switches to self-patrol mode Key words MC9S12XS128 vision system independent patrol wireless environmental monitoring 2 河海大学常州校区 EC 创意 第一章 引言 5 11 主要创新理念5 12 创意背景6 13 功能分析6 com 设计目标6 com 设计工作流程6 14 报告结构7 15 本章小结7 第二章 方案介绍与选

9、择 8 21 电源方案选择8 22 驱动方案选择3 8 23 人体检测方案9 24 车库检测方案9 25 烟雾和温度检测方案9 26 导航方案9 27 图像识别方案 10 5 28 中控软件平台设计10 29 本章小结10 第三章 系统硬件设计 11 31 硬件整体介绍11 32 车体介绍12 33 电源模块13 com 技术指标14 34 单片机最小系统设计14 35 电机驱动模块15 com 电机驱动逻辑单元3 15 com 电荷泵升压单元16 com 驱动信号放大电路模块17 com率驱动模块18 com 模块技术指标19 36 热释电模块19 com 技术指标20 37 车库检测20

10、com 性能指标21 38 烟雾传感器模块21 com 技术指标23 3 河海大学常州校区 EC 创意 39 温度传感器23 310 节点检测报警模块24 com 性能指标26 311 超声波模块26 312 数字罗盘模块27 313 摄像头模块28 314 本章小结29 第四章 系统软件设计 30 41 系统软件整体结构30 42 系统驱动30 43 环境异常检测31 44 导航信息32 com 超声波避障33 com 前进方向判断处理36 com 路标信息识别38 45 无线通信45 com 模块具体实施方案45 第五章 小车系统整体调试 48 51 开发工具48 52 中控软件48 53

11、 调试过程49 第六章 总结 50 61 存在的问题50 62 未来展望51 致 谢 51 附录 52 参考文献 55 4 河海大学常州校区 EC 创意 第一章 引言 11 主要创新理念 1小车功能和应用利用视觉系统与导航系统相结合的方式实现小车自 主巡逻采用温度传感器烟雾传感器等多种传感器采集周围环境信息进行实 时检测可以应用于办公楼仓库等场所的安全巡逻既节省了大量的人力资源 又增强了巡逻力度和安全性 2数字罗盘1 自主导航根据数字罗盘角度信息进行梯度调节使小车 行驶角度偏差精确到2度之内同时数字罗盘应用于转弯和避障可实现精确方 向控制 3超声波避障和导航采用了一对超声波传感器和舵机相互结合

12、的方法 可以获取多方位的路况信息一方面结合数字罗盘保持小车直线行走另一方面 能够准确检测出障碍物的位置及其距离实现在道路宽度范围内避障后继续行 驶在道路完全堵塞的情况下小车仍能够原路返回继续巡逻 4图像识别摄像头获取路标图像信息经过数字图像处理提取特征信 息从而确定自身的空间位置和行进方向 5应急巡逻各个节点安装了热释电等传感器当节点检测到信号并发出 报警小车接收到报警信号后可根据不同节点编号确定出事地点并自动切 换为应急模式快速到达出事区域进行全方位的扫描和探测并将相关信息上 传到中控室 6小车驱动小车驱动采用的是H桥式驱动方式采用四个N-MOS管搭建 H桥并用电荷泵克服了悬浮驱动的问题整个

13、驱动只需三个输入控制信号即 速度控制方向控制刹车控制增加了刹车泄流功能不仅能够实现快速刹车 而且减小了反向电流对电机的损害 7人体检测根据人体红外信息采用了三个热释电传感器可实现360度 全方位检测获取人体红外信号后小车向中控室发送报警信息并作出相应处 5 河海大学常州校区 EC 创意 理 12 创意背景 全国大学生智能汽车竞赛创意组比赛是在继前三届智能汽车竞速比赛之后 为了进一步提高大学生创新能力丰富竞赛内容提高竞赛水平而增加的比赛项 目 在办公楼仓库等需要安保巡逻的场所一般都要求不定期巡逻对环境场 所内的各种环境进行实时的监测以及要应对各种紧急情况现在一般都是雇佣 安保人员巡逻存在成本高工

14、作量大等问题甚至由于工作疏忽麻痹大意等 人为因素造成严重的安全事故而智能安保巡逻车结合无线检测节点构建多方 位立体安保网络对环境的多种参数进行监测并将相关信息传送到中控室可 获得实时的信息从而克服了以上缺点 13 功能分析 com标 根据以上调研分析小车必须具有以下几种功能 1信息处理功能能分析各种情况并作出相应的处理 2 视觉识别功能能识别各种路标信息 3导航功能能实现直线行驶转弯倒车等在各种线路上顺利行驶 4 环境检测功能能对周围环境的参数进行检测并做到报警等 5通信功能能与中控室无线检测节点通信 6应急处理功能能对一些紧急情况作出相应的处理 com作流程 小车有两种工作模式 A自主巡逻模

15、式根据预先存储在 FLASH 存储器中的道路信息巡逻路径 等对楼道进行自主巡逻躲避障碍物完成对各个路段的扫描并通过无线视 频和 zigbee 模块传输视频等相关信息小车能够通过视觉系统识别各个路口的 6 河海大学常州校区 EC 创意 路标来确定当前的位置并进一步决定行进方向和路线 智能小车扫描内容包括有无非法闯入者或者环境异常包括温度烟雾浓 度情况 B触发模式能够根据报警的无线节点所发来的位置信息自动查询预存 的路径信息迅速计算出最佳路径然后快速前往报警地点当到达报警路段后 启动区域扫描程序对区域内的视频信息环境温度烟雾浓度以及是否有非法 闯入者进行检测并发回相应的检测信息 14 报告结构 报

16、告主要共有七章其中第一章为引言部分介绍了创新理念背景功能等 第二章介绍了方案论证与选择论证了各个模块的方案选择等第三章为硬件设 计部分着重分析了各个模块的电路原理第四章为系统软件设计主要介绍了 软件设计思想流程第五章为整车调试部分分析了碰到的问题并介绍了部 分解决方案以及小车的性能指标第六章为总结部分总结了在整个制作过程 的心得体会等第七章为致谢部分向在制作过程中给予帮助的老师同学等表 达了真挚的感谢 15 本章小结 本章着重介绍了创新点背景设计目标和设计流程等在创新部分介绍了 7 个创新点其包括整体和各个模块的功能创新应用背景包括参赛背景和项目 背景介绍设计目标给出了 6 个设计目标设计流程

17、中介绍了小车的两种工作流 程 7 河海大学常州校区 EC 创意 第二章 方案介绍与选择 21 电源方案选择 系统电压主要分为两种 12V 和 5V总供电采用 12V 大功率电池这样就要 求 12V 电压转化为5V 电压但是考虑到系统复杂功率较大对效率和体积要 求高因此有以下两种方案可用 1采用线性稳压方式具有高稳定性的电压输出这样可以采用多个线性 并联方式为系统供电在系统设计阶段本小组采用了 3 个 LM2940 的并联方式进 行降压稳压这样满足系统需要但是其效率低发热大 2 采用开关降压方式开关降压效率高输出功率大本小组在设计阶段 采用了 LM2576-5 综合以上考虑本系统功率较大对电压稳

18、定性要求不高 用一个 LM2576 即可以为整个 5V 系统供电而且经过测试几乎不存在发热现 象 故系统中采用开关降压式电源为系统供电 3 22 驱动方案选择 系统采用的是双电机结构这样可以提高车体的灵活性而且由于车身较重 电机负载较大这就要求驱动模块有足够大的驱动能力主要有两种驱动方案供 选择 1采用集成驱动芯片经常用到的集成驱动芯片有 L298MC33886 等集 成驱动芯片电路结构简单驱动信号少易于操作但它们存在一个共同的缺点 是其驱动电流小不能满足大负载电机的驱动要求 2分立式驱动由分立元件搭建的驱动单元驱动能力大可以达到几十 安甚至上百安的驱动电流特别是H桥式驱动电路加上驱动逻辑单元

19、可以 实现驱动信号简单驱动电流大的效果 在测试的过程中发现正常工作下小车电机电流达到4A以上采用L298 和MC33886时芯片发烫不能满足要求采用H桥式驱动在电机工作半小时 8 河海大学常州校区 EC 创意 后发现没有发热现象 23 人体检测方案 人体检测采用的是热释电传感器在设计中为了能使小车全方位都能探测到 人体信息采用了三个热释电即三个热释电传感器呈 120 度角排列在同一板面 上但是由于热释电传感器的视角为 150 度为了避免重叠检测需要在热释电 传感器加菲聂尔透镜使其视角控制在 120 度内同时也增强了热释电的灵敏度 24 车库检测方案 车库检测有多种方案供选择 1用红外检测方式首

20、先要用黑色线条制作好停车位置采用4 组 LED 式 红外光电对管一字排列在车体后侧来检测黑色线条并通过 AD 转换比较 相对位置若四组 LED 返回值相同则证明停车正确 2 超声波停车在停车处用超声波探测与车库距离当距离为设定值时 小车停止但是此种停车方式会造成小车偏斜给下次起步巡逻自我校正时 带来很大麻烦 经过测试方案 1 能将小车停在正确的位置而且为一次自主巡逻校正节省 了很多时间而且红外传感器电路简单AD 处理速度较高决定采用方案 1 25 烟雾和温度检测方案 温度检测采用 DS18B20 烟雾传感器采用 ZYMQ-2 两种传感器体积小 电路简单精度高在安装时选择了将二者安装在同一板面之

21、上二者结合使 用能有效检测火灾等情况 26 导航方案 数字罗盘和超声波相互配合为小车正常巡逻进行导航其中为了实现多方 位的检测距离和障碍物采用舵机与超声波模块相结合的方案这样随着舵机的 9 河海大学常州校区 EC 创意 摆动超声波可以实现多方位的检测节省了成本提高了资源利用率 为了减小地面和小车电机对数字罗盘的干扰将数字罗盘固定在小车的较高 点而且固定材料选用的是不导磁的铝材 27 图像识别方案 5 采用摄像头作为视觉传感器可以应用模拟摄像头或数字摄像头 1模拟摄像头功耗低电源设计简单但其采样质量差当在车模运动 时图像会发生模糊这种模糊对图像处理非常不利 2 数字摄像头其输出信号中有行场中断信

22、号到得数字信号非常稳定 信号的采集比较方便直接将其灰度信号接入单片机的IO口便可以得到对 应像素点的灰度值 经过实际测试采用模拟摄像头时经常会造成路标无法识别造成巡逻失 败而采用数字摄像头有效的避免了以上情况因此系统采用数字摄像头 28 中控软件平台设计 中控室是本系统的管理软件用来接收显示小车系统传送的各种信息 是小车与人交流的接口要使本系统更好的发挥其作用必须设计良好的中控 室软件在上面可以显示小车的位置被检测环境的温度烟雾热释电传感 器的检测信息以及小车发回的现场视频信息以及节点的报警信息 29 本章小结 在本章中分别电源驱动等模块的方案器件选型等进行介绍对每一个方 案每一个器件都进行了

23、实际的测试分析总结了相应的结论从而得到最好 的一个方案这样在整车调试中减少了设计冗余精简了系统 10 河海大学常州校区 EC 创意 第三章 系统硬件设计 31 硬件整体介绍 从摘要中可知该系统是以稳定的车模为基础以飞思卡尔 MC9S12XS128 单片机为核心采用了多种传感器来采集信号并进行分析作出相应处理如 图2-1是小车硬件电路整体结构图 图 3-1 系统硬件方框图 图中系统供电电源为 12V 锂电池处理器是 MC9S12XS128电机驱动为H桥 式驱动起步停车检测采用红外检测方式摄像头采用的是 OV6620 数字摄像 11 河海大学常州校区 EC 创意 头烟雾传感器采用 ZYQM-2 型

24、温度传感器采用 DS18B20热释电采用 LHi968 型 32 车体介绍 由往年比赛的经验看车模的可靠性是第一位的没有一个可靠的车模就 不能实现完美的功能车模的可靠性包括了机械特性的可靠性硬件电路的可靠 性其中机械的可靠性主要由严谨的机械组装和合理的机械调校来保证而硬件 的可靠性主要是为了保证各个驱动等电路模块和摄像头的成像质量以及图像处 理的稳定性 其次就是车模一定具有很高的灵活性因为只有具有了灵活性才能顺利实 现直走转弯倒走等功能 为了保证小车的灵活性经过讨论确定了以下方案 1整车采用平板模式用铝板和木板作为底盘 2前轮采用万向轮 3后轮采用双电机独立驱动 4车体底盘高度约为9cm 如图

25、3-2为小车结构示意图 12 河海大学常州校区 EC 创意 图 3-2 小车结构示意图 小车的重心低车子稳能适应多种地形可以进行原地360度旋转既保 证了小车的高度的稳定性又实现了车体的灵活性 经过实际测试该车体具有足够的稳定性和灵活性完全能满足上层硬件和 软件的要求 33 电源模块 电源是一个系统工作的动力一个稳定性好效率高的供电电源是系统正 常运行的必不可少的条件也是决定系统优劣的重要因素 系统所采用的 LM2576-5 电源电路原理图如图3-3 所示 13 河海大学常州校区 EC 创意 图 3-3 LM2576 原理图 图中JP1 JP4 为 12V 电源输入和转接端 JP5- JP14

26、 为 5V 电源输出端 com 技术指标 输入电压12V 输出电压5V005V 输出最大电流3A 34 单片机最小系统设计 系统采用飞思卡尔 MC9S12XS128 单片机为控制核心这是一款 16 位的高性 能单片机共有 80 个管脚基本资源包括片内 128KB 的 Flash EEPROM8KB 的 RAM2 个异步串行通信口 SCI8 通道增强型输入捕捉输出比较定时器1 个8通道脉宽调制模块多个IO口本系统充分利用了该单片机资源具体管 脚对应如表3-1所示 表 3-1 单片机引脚分配表 模块 单片机管脚 模块 单片机管脚 超声波模块 PB0PT2 电机PWM信号 PP0PP1 数字罗盘 P

27、S2PS3 烟雾传感器 PE3 Zigbee PS0PS1 温度传感器 PE2 舵机 PP4 热释电红外传感器 AN0AN1AN2 摄像头 PORTAPT0PT1 电机驱动控制信号 PB1PB3PB5PB7 14 河海大学常州校区 EC 创意 35 电机驱动模块 电机驱动所采用是分立元件搭建的H桥式驱动其总体框图如图2-3所示 该驱动器主要由以下部分组成PWM 电机速度控制信号输入接口电机转动方 向控制输入接口上桥臂MOSFET 栅极驱动电荷泵升压电路下桥臂 MOSFET 栅极驱动电路桥式功率驱动电路等 图 3-4 电机驱动总体设计框图 由图可知电机驱动模块主要分为四个工作模块分为电机驱动逻辑

28、单元电荷泵 电路驱动信号入大电路和H桥功率驱动电路 3 com动逻辑单元 驱动部分采用了H桥式大电流驱动方式是一个由分立元件制作的直流电动 机可逆双极型桥式驱动器其功率元件为4个NMOS 其额定工作电流可以轻易 达到20A 以上大大提高了电动机的工作转矩和转速 为了减少输入引脚降低单片机的控制复杂性在驱动之前加入了逻辑控制 单元这样控制部分只需要三个输入信号即速度控制信号方向信号和刹车 信号逻辑单元电路原理图如图2-4所示 15 河海大学常州校区 EC 创意 图3-5 输入逻辑控制单元 图中共有三个输入信号PWM1 DIR BRAKE 三者经过门电路组合转换 后实现对整个驱动的控制其中PWM1

29、为速度控制输入一定频率的PWM波来 调节速度方向控制信号DIR为1时正转为0时反转BRAKE为刹车信号为1 时实现制动刹车此时其它输入信号无效为0时刹车无效系统正常工作 com升压单元 系统采用的是 4 个 NMOS 形式这样上臂 MOS 就有了悬浮驱动的情况 存在如果不做相应的处理会出现上臂 NMOS 导通不完全出现发热等 现象因此为了避免这种情况发生必须对上臂 MOS 驱动采取升压操作 在本电路中采用电荷泵来实现驱动的升压处理2 如图3-6为电荷泵模块电 路原理图 16 河海大学常州校区 EC 创意 图3-6 电荷泵模块电路原理图 图中U2A 为振荡产生电路产生频率为 50KHz占空比 5

30、0的方波由延 时反向等组成的相位转换电路并输出两组反向的有一定死区时间的方波 经三极管提升电压后输出经过升压的大功率驱动能力的方波信号提供电荷 泵作为升压的动力这样如图 VH 约为 24V 可以实现上臂NMOS完全导通 com号放大电路模块 为了提升驱动能力逻辑门电路的输出信号必须经过放大之后输出给 NMOS 这样不仅增大了驱动能力也提高了开关速度减少了发热量如图 3-7为利用三极管设计的驱动放大电路原理图 17 河海大学常州校区 EC 创意 图 3-7 驱动放大电路原理图 如图电路共有四路输入和四路输出q5q6q7q8 是经过转换之后的 逻辑门电路输入经过三极管放大后直接输出给四个 NMOS 管使其正常工 作其中 Q4Q3 为下臂 NMOS 驱动