基于红外传感器的智能汽车设计.docx
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基于红外传感器的智能汽车设计
天津大学网络教育学院
专科毕业论文
题目：
基于红外传感器的智能汽车设计
完成期限：
2016年1月8日至2016年4月20日
学习中心：
嘉兴
专业名称：
电气自动化技术
学生姓名：
李和平
学生学号：
132********4
指导教师：
李娜娜
基于红外传感器的智能汽车设计
第一章智能汽车设计概述
第一节智能汽车简要介绍
智能汽车设计的模型车是采用智能汽车竞赛所使用的车模，该车模是以韩国爱德美公司生产的Matiz系列1:
10模型车如图1所示，其基本尺寸参数如表一所列。
图1模型车示意图
该模型车底盘采用的是等长双横臂式表1模型车的基本尺寸参数
基本参数尺寸
轴距198mm
前轮距137mm
后轮距138mm/146mm
车轮直径52mm
传动比18/76
独立悬架。
但车轮上下跳动时，车轮平面
没有倾斜，但轮距会发生较大变化，故车
轮发生侧向滑移的可能性较大。
根据汽车理论的基础知识，可以在实际组建当中进行调整，以使汽车获得最佳的性能。
关于智能汽车竞赛的基本情况：
参赛队伍通过设计基于单片机的自动控制器控制模型车在封闭的跑道上自主寻线运行。
在保证模型车运行稳定即不冲出跑道的前提下，跑完一圈的时间越小，成绩越好。
自动控制器是以单片机MC9S12DG128为核心，配有传感器、电机、舵机、电池以及相应的驱动电路，它能够自主识别路径，控制模型车高速稳定运行在跑道上。
图1所示为安装有自动控制器的模型车。
比赛跑到表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25cm。
比赛规则限定了赛道宽度和拐弯最小半径等参数，赛道具体形状在比赛当天现场公布。
控制器自主识别引导线并控制模型车沿着赛道运行。
图2所示为赛道示意图。
图1安装有自动控制器的智能车
设计自动控制是制作智能车的核心环节。
在严格遵守规则中对于电路限制条件，保留智能车可靠运行的前提下，电路设计应尽量简洁紧凑，以减轻系统负荷，提高智能车的灵活性，同时应坚持发挥创新原则，以简洁但功能完美为出发点，并以稳定为首要前提，实现智能车快速运行。
图2赛道示意图（700mm×500mm）
作为能自动识别道路运行的智能汽车，车模与控制器可以看成一个自动控制系统。
它可分为传感器，信息处理，控制算法，执行机构四个部门组成。
其中以单片机为核心，配有传感器、执行机构以及它们的驱动电路构成了控制系统的硬件；信息处理与控制算法由运行在单片机中的控制软件完成。
因此，自动控制器设计设计和控制软件两部分。
硬件电路是整个设计的基础。
系统结构如图3所示。
图3硬件电路
大赛详细规则如下：
A.电路器件及控制驱动电路限制
1）核心控制模块可以采用组委会提供的HCS12模块，也可以采用
MC9SDG128自制控制电路板,除了DG128MCU之外,不得使用辅助处理
器以及其它可编程器件；
2）伺服电机数量不超过3个；
3）传感器数量不超过16个（红外传感器的每对发射与接受单元计为1个
传感器，CCD传感器记为1个传感器）；
4）直流电源使用大赛提供的电池；
5）禁止使用DC-DC升压电路为驱动电机以及舵机提供动力；
6）全部电容容量和不得超过2000微法；电容最高充电电压不得超过25伏。
B.赛道基本参数
1）赛道路面用纸制作，跑道所占面积不大于5000mm*7000mm，跑道宽度
不小于600mm；
2）跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm；
3）跑道最小曲率半径不小于500mm；
4）跑道可以交叉，交叉角为90°；
5）赛道为二维水平平面；
6）赛道有一个长为1000mm的出发区，计时起始点两边分别有一个长度
100mm黑色计时起始线，赛车前端通过起始线作为比赛计时开始或者与
结束时刻。
注：
不包括拐弯点数目、位置以及整体布局
第二节智能汽车方案设计
智能汽车的设计方案主要有两种：
一是，基于红外传感器的道路识别模块设计的智能小车；二是基于CCD摄像头的道路识别模块设计的智能小车。
基于这两种设计的智能汽车设计主要从以下几个方面着手：
硬件设计和软件设计，而软件设计又是基于硬件设计和总结规律的基础上得出的。
首先冲硬件设计开始。
2.1电源模块
电源模块为系统其他模块提供所需要的电源。
设计中除了考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路设计等方面进行优化。
可靠的电源方案是整个硬件电路可靠运行的基础。
全部硬件电路的电源由7.2V、2A/h的可充镍镉蓄电池提供。
由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各模块所需要的电压，主要包括如下不同的电压：
1.5V电压。
主要为单片机、信号调理电路以及部分接口电路提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量大于500mA。
2.6V电压。
主要为舵机提供提供工作电压。
实际工作时，舵机所需要的工作电流一般在几十毫安左右，电压无需十分稳定。
3.7.2V这部分直接取自电池两端电压，主要为后轮驱动电机模块提供电源。
4.12V电压。
如果采用CCD/CMOS图像传感器来进行道路检测，则需要12V工作电源。
5.2V电压。
为红外发光管提供工作电压。
可以采用开关电源从电池降压而得，这样可以红外检测电路的电源利用效率。
需要根据红外发射管的参数确定该电压值。
除此之外，如果使用了其他芯片和传感器，它们的工作电压可能不在上述之内，还需要通过专门的稳压电路，提供相应的工作电压。
例如采用飞思卡尔公司的MC7260加速度传感器进行车轮打滑检测，该传感器需要3.3V的工作电压。
电源模块由若干相互独立的稳压电路组成。
一般采用如图6所示的星形结构，可以减少各模块之间的相互干扰，进一步减少单片机的5V电源噪声，可以单独使用一个5V的稳压芯片，与其他接口电路分开。
充电电池
（7.2V2000mAh）
串联稳压器
开环稳压器
串联稳压器
5V
红外
发光管
单片
机
转速
传感器
红外
发光管
舵机
后轮
电机
7..2V6V2V
图6电源模块的电路结构
降压稳压电路可以采用串联稳压和开关稳压两种芯片。
开关稳压芯片的工作效率高，但有较高的电源噪声，耗电量较大的电路适用于开关稳压电路。
例如采用大电流红外检测电路，由于红外发射管数量较多，总的消耗电流很大，采用开关电源将电池电压降至2V左右作为红外发射管的工作电压，此时每个红外发射管工作时只需要串联很小的先留电阻甚至不用串联电阻。
采用这种方法，可以大大提高电源利用效率。
稳压电路的设计需要简单可靠，在满足电压波动范围要求下应尽量简化电源设计。
例如舵机电源在4.5~6V的范围内，电流100mA左右，可以从7.2V的电池电压通过串联硅二极管而获得。
此外，通过实验可发现，组委会所提供的舵机可以直接工作在7.2V电压下，此时舵机响应速度也会提高，所以直接使用电池电压作为舵机的电源。
如果采用CCD或CMOS摄像头作为道路传感器，它们工作电压在9~12V范围内。
此工作电压高于电池的电压，需要借助斩波升压电路获取。
可以采用专门升压芯片进行设计，
也可以利用单片机PWM输出端口控制大功率晶体管进行斩波升压。
有些CMOS摄像头工作电压在6~9V之间，所以也可以直接使用电源电压作为电源，所以选择CMOS摄像头也可以简化电路设计。
消除电源中的噪声，并减少电压波动，需要在各级模块中安装滤波电容，包括容量小的高频滤波电容以及大容量的电解电容。
由于存在电机驱动，为了避免电机在启动和制动过程产生的冲击电流对于电源的影响，应尽量加大电池的电容容量，但不要超过大赛允许放入电容容量限制。
2.2道路检测模块方案比较与选择
检测赛道相对车模的偏移量、方向、曲率等信息是实现车模自主沿着赛道运行的基本信息基础，获取更多、更远、更精确的赛道信是提高车模运行速度的关键。
本次智能车模竞赛的赛道是白底黑线，路径识别即识别白底地面上的黑线轨道的检测，常用的方案有：
方案一：
采用CCD摄像头
图7CCD摄像头探测路径
使用CCD摄像头采集路面图像采用图像处理与分析的方法判断路径，是路径识别中常用的方法之一。
这种方法的优缺点如下：
优点：
能够感知前方较远距离处的赛道状况；受外界干扰小。
采用CCD最大的优势是通过对车辆前方图像的处理我们能够准确的判断出车辆前方较长一段距离跑道的走向，从而为当前车辆状态的控制提供了大量的信息，我们可以根据摄像头拍摄到的画面，通过边缘检测等算法判断出许多关键信息，如中心位置，方向，曲率等等，这些参数都是控制电动车稳定并快速运行的关键参数
缺点：
图像处理计算量大，处理速度慢，实时性不高。
采用面阵CCD路径参数检测算法也存在许多缺点，如开发有效路径参数算法是非常复杂的工作，并且CCD设备价格昂贵此外加上比赛规则的限制，我们只能使用规定的处理器，对于使用只有25MHz的单片机处理图像信息，显得力不从心，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，但是信号处理比较复杂，如何对摄像头记录的图像进行分割和识别，加快处理速度是摄像头方案的难点之一。
方案二：
采用反射式红外光电管
图8采用光电管检测路径
采用反射式红外光电管，也是路径检测常用的方法。
这种方法利用了路面不同的材料和颜色对光线的吸收和反射量不同，这样我们检测反射回来的光线就可以得到当前位置的材料或者颜色。
这种方法的优缺点如下：
优点：
电路简单，信号处理速度快。
光电传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快。
光电传感器的排列方法、个数、彼此之间的间隔都与控制方法密切相关。
缺点：
感知前方赛道距离有限，受外界红外频段光线干扰，精度比较低。
光电管相对的感知距离较近并且只能提供非常少的前方车道的走势信息。
反射式红外检测方式又可以分为交流式和直流式。
交流式可以消除外界红外光线的影响，但电路和信号处理过于复杂，采用直流式虽然其受到外界红外光线的影响较大，但采取一定措施后可以减小干扰，这些措施包括：
采用定向的红外光电发射管和接收管；发射管发射方向朝向地面，实验表明这样可以大大的降低外界的干扰，达到正确识别路径的要求。
方案选择论证：
考虑到小车微处理器采用的是规定的S12单片机，其运算速度决定了对图像的处理与分析的时间很难达到实时性的要求，控制精度很难达到要求的范围，小车速度也必定不能提高。
交流式光电管电路设计比较复杂，在每个接收端都应该有相应的滤波器，这样复杂的电路设计和调试都是相当复杂的。
根据上面介绍的两种方案的优缺点，权衡稳定性、精度和速度后，我们选用了直流反射式红外光电管方案。
本方案需要注意的问题如下：
我们需要把光电管尽量贴近地面，以减小干扰；尽量密集排布光电管收发对，提高测量精度；程序上，需要确定合理的算法，得到当前的路况。
这些我们将在以下几章详细介绍。
2.3速度检测方案
小车的实际行驶速度是小车速度控制的控制输入量，准确实时的测量小车的速度才能实现小车的速度控制，即纵向控制。
常用的测速方案有以下几种：
方案一：
光电测速传感器
原理是传感器开孔圆盘的转轴与转轴相连接，光源的光通过开孔盘的孔和缝隙反射到光敏元件上，开孔盘随旋转体转一周，光敏元件上照到光的次数等于盘上的开孔数，从而测出旋转体旋转速度。
灵敏度较高，但容易受外界光源影响。
方案二：
测速发电机
原理是将旋转机械能转化成电信号，适合于测量速度较高的旋转物体的速度。
采用电磁感应的原理。
但市场上测速发电机应用于低压市场的比较少，而且都比较重，不适用于模型车，并且要将侧速发电机安装到电动车上需要对电动车模型进行较大改动，由于其质量较重，可能会严重影响电动车的机动性能，除非自制。
优点是测速准确、稳定、快速，可以直接由AD转换器读入单片机测得当前速度值。
图9测速发电机
方案三：
霍尔传感器
其工作原理是：
利用霍尔开关元件测转速，内部具有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路，其输出电平和TTL电平兼容。
在待测旋转体的转轴上装上一个圆盘，在圆盘上装上若干对小磁钢，小磁钢愈多分辨率越高。
霍尔开关固定在小磁钢附近，当旋转体以角速度M旋转时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的速度。
方案选择论证：
光电测速传感器受外界光源影响很大，不适合运动性物体的测速；测速发电机体积重量较大，不便于小车上安装；集成化霍尔开关传感器具有灵敏可靠、体积小巧、无触点、无磨损、使用寿命长、功耗低以及不怕尘土、油污、湿热等优点，综合小车运动环境和重量轻的要求，我们使用了霍尔传感器来进行速度检测。
2.4电源管理方案
电源模块是整个智能车能否良好运行的最重要的基础，良好的电源模块可以大大减小系统出现疑难故障的几率，并且稳定的电源模块也是系统各个部分协调工作的必要条件之一。
电源系统主要要为单片机及光电检测电路（+5V）、转向舵机（+6V）、后轮驱动电路（+5V和+7.2V）三大部分分别提供稳定的直流电源。
解决方案介绍
由于电池组的输出电压只有7.2V，而输出要求5V和6V，不能使用最普通的并且常见的直流稳压电源芯片7805和7806，因为他们要求输入输出电压压差至少在3V以上，所以我们选用了低压降的LM2940作为5V电压的稳压模块，它的最低压降只有0.8V，并且由于舵机和驱动电机对电源的影响很大，可能导致电源有较大纹波，为了尽可能的降低驱动电机和转向舵机之间的干扰，我们采用另外一个稳压电源芯片专门为转向舵机供电，我们选中LM1117为转向舵机单独提供电源，通过改变LM1117接地端（2引脚）的电势，我们可以调节LM1117的输出电压，以满足转向舵机的电压要求。
并且在电池组输出端加上1000u的电容，尽量减少电池组输出电压的波动。
电源系统的结构框图如下图10所示。
图10电源系统结构图
2.5控制算法方案
控制系统算法是整个系统设计的核心，是自动控制系统实现“自动控制”的灵魂，控制算法的选择和实现直接关系到系统工作的方式和性能。
本设计中，小车的控制包括横向控制（即转角控制）和纵向控制（即速度控制），必须根据不同传感器控制输入量的特性以及不同执行部件控制输出量的特性不同，选择合适的控制算法，才能达到良好的控制效果.。
常用方案介绍：
在目前，人们常用的自动控制方法主要有三种，这就是经典控制方法、现代控制方法和智能控制方法。
经典控制理论是过去人们常用的控制理论，这种控制理论只能解决线性定常系统的控制问题。
线性是指系统的输入量和输出量的关系是线性的，定常是指系统的输入和输出量的关系是恒定的，并不随时间的变化而变化。
经典控制方法是以传递函数为基础实现的。
一般的工业生产过程较多属于线性定常系统，可以用经典控制方法来控制，经典控制方法最典型的就是PID控制方法。
PID控制应用最广、技术最成熟，其控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型就可以调节，其调节品质取决于PID控制器各个参数的整定。
现代控制理论可以解决时变系统的控制问题，在时变系统中，输入量和输出量的关系随时间的变化而变化。
故而现代控制理论在航空航天和军事上有很大的作用。
现代控制方法是以状态方程为基础实现。
在控制工程中，有一些复杂的被控对象（或过程）的特性难以用一般物理及数学的已有规律来描述，而且没有适当的测试手段，或测试仪器无法进入被测区，以致不可能为其建立数学模型。
对这类不具有任何数学模型的被控对象（或过程），运用传统控制理论，包括现代控制理论很难取得满意的效果。
自从1974年英国的Mamdani首次用模糊逻辑实现对蒸汽机的控制之后，模糊控制就成为一种有别于经典控制和现代控制的新的控制方式。
模糊控制是基于人们的经验的，而经验是人们智能活动的结晶，故而模糊控制反映着人们的智能对生产过程的自动控制作用。
故而模糊控制是比经典和现代控制更高一级的控制方法，即智能控制方法。
智能控制方法是现在发展起来的最新控制方法，目前还在不断完善和发展之中，模糊控制则是智能控制方法中的一种方法。
由于模糊控制采用人的经验规则，有时也称经验控制或规则控制，模糊控制有如下几个优点：
1．无需预先知道被控对象的精确数学模型，所以，可以对那些数学模型难以求取或无法求取的对象进行有效控制；
2．由于控制规则是以人的经验总结出来的条件语句表示的，所以，对于
对模糊控制理论不熟悉的人来说，也很容易学懂和掌握模糊控制的方法；
3．对被控对象的参数变化有较强的鲁棒性；
4．由于表示控制知识是以人的语言形式，故有利于人机对话和系统的知识处理，从而有利于系统处理的灵活性和机动性。
方案选择论证：
分析本设计中小车系统各个被控对象的特点可以看出，小车中的横向控制（即转角控制）具有线性定常系统的特点，输入的角度偏差和控制输出的角度是一种线性关系，并且不随时间的变化而变化；而小车的纵向控制（即速度控制）的控制输出量不仅和小车行驶过程中的角度有关，而且和小车的实际速度有关，并且对不同路面摩擦系数不同，输入控制量和输出控制量难以用一种线性的关系来描述。
根据对以上三种控制方法的分析比较，结合小车系统各个被控对象的特点和实验比较，本设计中小车的横向控制采用经典的PID算法，纵向控制则采用了模糊控制的方法。
综上，我们选择直流反射式红外光电管识别路径；选择霍尔开关检测速度；选择PID控制算法控制转角；选择模糊控制方法控制速度和制动；
2.5电机驱动模块
模型车后轮驱动电机型号为RS-380电机，工作在7.2V电压下，空载电流为0.5A，转速为16000r/min。
在工作电流为3.3A，转速达到14060r/min时，工作效率最大。
通过电机驱动模块，控制驱动电机两端电压可以使模型车加速运行，也对模型车进行制动。
由于比赛中不需要模型车倒车，所以电机之工作在正转方向上做功与发电两个状态。
可以使用大功率晶体管、全桥或者半桥电路，输出PWM波形实现对于电机的控制。
图11给出了基于MC33886全桥电机驱动芯片的电路原理图。
进一步提高对于电机驱动的能力，还可以从如下方面进行改进：
▶采用大功率MOS管组成电机驱动电路，例如MOS管IRF540，由于大功率MOS管导通内阻小，允许大电流通过，可提供更大的瞬间加速电流。
但是相应的电路设计较为复杂。
图12给出了使用MOS管组成的的点进驱动电路。
▶驱动集成电路并联使用提供更大的驱动电流。
例如可以将两片33886电机驱动芯片pintopin并联使用，借助驱动芯片内部输出特性实现两片输出电流均衡。
▶可以为功率管或者集成驱动电路添加散热片，改善它们工作条件，提高它们过载能力。
电机驱动电路的电源可以直接使用电池两端的电压。
模型车在启动过程中往往会产生很大的冲击电流，一方面会对其他电路造成电池两端的电压下降，甚至会低于稳压电路所需要的最低电压值，产生单片机复位现象。
为了克服启动冲击电流的影响，可以在电源中增加容值较大的电解滤波电容，也可以采用缓启动的方式控制电机。
在启动时，驱动电路输出电压有一个渐变过程，使得电机启动速度略微降低从而减小启动冲击电流的幅度。
图12MOS管组成的电机驱动电路
为了增加模型车制动效果，防止模型车冲出跑道的可能性，有些参赛队伍还增加了机械刹车系统，在后轮旁边增加了由伺服电机控制的刹车片完成对于模型车的刹车。
2.6调试电路模块
调试电路用于模型车模型车开发调试阶段工作中，特别是现场调试过程中。
它一方面可以显示模型车控制电路的各种信息以及工作参数，另一方面还可以对工作参数进行现场修改。
调试电路通常与制作电路制作在一起，也可以单独制作成可拆分的模块，在比赛时将其拆下来。
调试模块显示模型车控制电路的工作参数的方式有：
1）利用BDM开发工具的调试能力，显示单片机运行时其内部存储器中的数据；
2）利用DG128核心板上提供的串口通信接口，实现单片机与计算机通信，将单片机中的运行状况反映在计算机的调试软件中；
3）制作无线通信模块，可以将模型车在快速运行中的状态，通过无线通信方式发送到计算机中进行在线实时监控；
4）制作独立的调试板，其中带有LCD或者LED数码管等可以显示单片机内部信息，有的队伍选用了HD7279A43S扩展了LED数码管以及键盘输出；
5）利用单片机内部的EEPROM或RAM对于模型车运行中的参数进行存储，然后再通过串口或者BDM调试工具送到计算机进行后期分析。
对控制电路的工作参数进行现场修改，可以避免对单片机中程序反复下载的麻烦，也可以比赛现场调试时对模型车运行参数进行最后的设置于优化。
一般可以通过如下几种方式调整小车的参数：
1）在电路板上设置多个开关，通过它们的状态实时对于控制程序的参数、工作模式甚至不同工作程序的选择；
2）在电路中设置一些电位器，可以对于控制参数进行调整，比如PID控制中的参数；
3）可以通过串口、BDM头、无线通信模块将修正的参数发送到单片机中，将其存储在内部的EEPROM中。
虽然调试电路的功能不对模型车直接进行控制，但“磨刀不误砍柴工”，好的调试电路（或者调试工具）再加上正确的调试方法可以大大提高模型车调试的工作效率，方便排除硬件和软件的缺陷，能够检测模型车运行性能，这些为寻找最优的控制策略以及控制参数打下基础。
2.7辅助电路方案设计
2.7.1舵机驱动
舵机最早出现在航模运动中，控制航模上的发动机、翼舵转向。
在模型车上，多级的输出转角通过连杆传动控制前轮转向。
此外，也可以利用舵机进行机械刹闸制动、位置传感器主动扫描等操作。
比赛规则要求模型车中的舵机数不超过3个。
舵机本身是一个位置随动系统。
它由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电路组成。
通过内部的位置反馈，使它的的舵盘输出转角正比于给定的控制信号，因为对于它的控制可以使用开环控制方式。
在负载力矩小于最大输出力矩的情况下，它的输出转角正比于给定的脉冲宽度。
舵机接口一般采用三线连接方法，黑线为电源地线，红线为电源线，一般采用两种标准，4.8V和6V，分别对应于3节和4节电池的电压。
另外一根连线（蓝色或者黄色）为控制信号线。
控制信号是周期在20ms左右的脉冲信号，脉冲信号的宽度决定舵机输出舵盘的角度。
舵机输出转角与控制信号脉宽之间的关系如图13所示。
脉宽─转角（+为顺时针方向）
控制舵机的脉冲可以使用MCS9S12DG128+45-----------------------------------
的1路PWM产生。
单片机中有8路独立的PWM输出
端口，可以将其中相邻的2路PWM输出级联成一个
16位PWM输出。
在单片机总线频率为24MHz的时110015001900脉宽/µs
侯，设置级联PWM周期常数为60000，对应PWM
周期为20ms，ＰＷＭ占空比常数为4500对应－45
输出为1..5ms。
改变占空比常数可以改变输出脉冲图13舵机输出转角与控制信号
的宽度。
脉宽之间的关系
车模采用大赛组统一提供的SRM-102型舵机，工作电源为6V。
影响舵机控制特性的一个主要参数是舵机的响应速度即舵机输出轴转动角速度，这个参数一般以舵机输出转盘旋转60°所需要的时间表示。
SRM-102型舵机响应速度为0
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