安全守卫者自主巡逻安保智能小车.docx
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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
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Abstract
Thissecuritypatrolcartothesmartsingle-chipFreescaleMC9S12XS128forthe
controlofthecorecombinedwithdigitalcompassultrasoniccamerapyroelectric
smoketemperatureandothersensorstodetecttheexternalenvironmentset
intelligentautonomousnavigationunmannedAutopatrolspecialcircumstances
suchasdetectionofalarmfunctionsandbeabletonetworkandwirelesssecurity
checkinthecontrolroomaswellastheexchangeofinformationwhichconstitute
three-dimensionalintegratedsecuritysystems
Smartcaratotaloftwooperatingmodesnamelyself-patrolmodeand
emergencymode
Self-patrolmodeStartingfromthegarageaccordingtopre-storedinthe
FLASHmemoryoftheroadinformationsuchaspatrolpathroadsignsrecognition
withthevisualsystemaswellastodeterminethedirectionofnavigationsystems
Corridortocarryoutpatrolsontheirowncompletionofthevarioussectionsofthe
scanningdetectionoftheregionorwhethertheunusualcircumstancessurrounding
theillegalintrudersincludingtemperaturesmokeconcentrationinthecaseand
returntherelevantdataAutomaticallystoppatrollingtheendofthegarage
EmergencymodeCanautomaticallyqueryinformationstoredinthepathtoobtain
thecurrentvehiclelocationandwirelessnodeaccordingtothepoliceissuedID
informationquicklycalculatethebestpathandthenquicklytothealarmlocation
Whenthepolicearrivedafterthesectionoftheomni-directionalscanningregion
Collectingtemperaturevideoandotherrelatedinformationandreturndata
Emergencymodeafterthecarautomaticallyswitchestoself-patrolmode
KeywordsMC9S12XS128visionsystemindependentpatrolwireless
environmentalmonitoring
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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
com性能指标21
38烟雾传感器模块21
com技术指标23
3
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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
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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
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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
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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中介绍了小车的两种工作流
程
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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
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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
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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
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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
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头烟雾传感器采用ZYQM-2型温度传感器采用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3-2为小车结构示意图
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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
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图3-3LM2576原理图
图中JP1–JP4为12V电源输入和转接端JP5-JP14为5V电源输出端
com技术指标
输入电压12V
输出电压5V±005V
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FlashEEPROM8KB
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PS2PS3烟雾传感器PE3
ZigbeePS0PS1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
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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
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图3-5输入逻辑控制单元
图中共有三个输入信号PWM1DIRBRAKE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
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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50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
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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
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