自动寻物智能小车.docx
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自动寻物智能小车
自动寻物智能小车
【摘要】本文是介绍一种远距遥测高频数字电压表的设计方法,与现今在国际上流行的机器人足球比赛颇为类似。
采用MC9S12XS256作为核心控制器，作为数据处理中心。
通过CMOS摄像头识别黑线，控制电动小汽车的寻线行驶，快慢速行驶，以及寻找硬币、停车鸣叫、自动停车，并可以自动记录时间、记录硬币个数。
整个系统的电路结构简单，可靠性能高。
智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等等的用途。
智能电动车就是其中的一个体现。
采用的技术主要有：
通过编程来控制小车的速度；传感器的有效应用；新型显示芯片的采用。
实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。
【关键词】智能小车，CMOS摄像头，直流电机，智能控制，H桥电路
Intelligentelectroniccar
【Abstract】ThisarticleistointroduceadesignofIntelligenttruckle,andtoday'spopularintheinternationalrobotsoccercompetitionisquitesimilar.MC9S12XS256usedasthecorecontroller,asthedataprocessingcenter.CMOScamerathroughthelineidentificationandcontrolofthesearchelectriccarlane,slowmovingfaster,andtofindcoins,callparking,automaticparking,andcanautomaticallyrecordthetime,recordingthenumberofcoins.Circuitthewholesystemofsimplestructure,highreliability.Smartasamodernnewinventionisthedevelopmentdirectionofthefuture,hecanpre-setaccordingtothemodelinanenvironmentofoperationautomaticallywithouthumanmanagement,andsooncanbeappliedtotheuseofscientificexploration.Smartelectricvehicleisoneembodiment.Themaintechnologyused:
throughtheprogrammingtocontrolthespeedofcar;theeffectiveapplicationofsensors;theuseofnewgraphicschips.Experimenttestresultsatisfytherequest,thistextemphasizesintroducedthehardwaresystemdesignsandtheresultanalyze.
【KeyWords】Intelligenttruckle，CMOScamera，demachine，Intelligencecontrols，theHbridgeelectriccircuit
图目录
表目录
第1章绪论
1.1选题的背景和意义
目前人工智能的出现和发展，促进了自动控制系统向更高层次即智能控制的发展。
智能控制是一种无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其自身目标的过程是用机器模拟人类智能的一个重要领域。
智能控制技术包括分级递阶智能控制技术，模糊控制技术，专家控制技术，机器学习技术。
智能机器人技术是机械电子,计算机,自动控制技术等多学科技术发展的结晶。
其应用和发展将对人类21世纪的社会发展,经济发展,科技发展，生产力发展产生深远的影响。
智能机器人是一个复杂而庞大系统,必须配备各种传感器,以便获得周围环境的必要信息,提供给智能机器人的智能控制系统进行决策和执行。
其研究重点开始转向具有感觉环境模型,自主自导式的智能机器人[1]。
视觉技术和多传感器组合技术都是研究的重点:
研究阵列式触觉,力觉传感新型材料的人工皮肤,内传感器的产品化程序等。
回顾以前成果，在1977年到1987年Apple公司重点研究轻型装配机器人,采用DD驱动和人工视觉等新技术,特点是高精度,高速度,高柔性,带视觉等。
直至今天，中国“智水Ⅲ型”机器人和中国“月球车”的研制成功，它代表着人工智能控制技术在国内的进一步发展的结果，在今后智能控制技术领域仍然处于科技研究领域的热点问题[2]。
1.1.1选题的背景
随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。
全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。
可见其研究意义很大。
本设计就是在这样的背景下提出的，指导教师已经有充分的准备。
本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。
设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、倒计时、硬币个数，具有自动寻线、寻找硬币功能，可程控行驶速度、准确定时停车。
根据题目的要求，确定如下方案：
在理解现有智能车的基础上，加装蜂鸣器、LED显示、编码器及金属探测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。
1.1.2国内外研究现状
新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础。
本设计就采用了比较先进的MC9S12XS256为控制核心，MC9S12XS256采用特殊工艺，功耗很低。
该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。
尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也应用到了金属探测器进行检测。
所以本设计与实际相结合，现实意义很强。
1.1.3应用及发展趋势
随着现代化信息技术的飞跃发展，最近几年智能控制技术广泛的应用和研究。
本文是阐述的智能小车寻物的问题，在该设计领域，智能控制发挥着重要的作用，扮演着不同的各种角色。
该技术可用于做探测性实验和一些高科技的智能控制装置，比如航天领域，医学智能仪器，工业安全生产，农业，地质勘探，军事，仪器仪表，探测性智能测试，网络通信等领域占据了不可替代的重要地位[3]。
1.2研究的基本内容
1.2.1基本内容
本设计采用接近开关，并且能够有效利用S12单片机内部硬件资源的路径参数检测方法，通过CMOS摄像头，输出PAL制式的模拟视频信号，分辨路面。
利用S12内部的AD转换器配合，从模拟信号中分出的数字信号，可直接将信号采集到单片机内部RAM中，然后通过软件对信息进行处理，得到各种路径信息，从而控制小车的行驶目标和状态。
1.2.2研究的难点
1．对MC9S12XS256的认识和应用。
2．图像采集和处理要解决的难点。
3．速度控制的难点。
小车的速度受电池电压和PWM占空比的影响，要想小车能在跑道上能够稳定的在跑道上行驶，必须用算法解决两者之间的关系。
第2章智能车整体设计
2.1整体设计概述
智能车竞赛所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型赛车，由大赛组委会统一提供。
通过设计基于Freescale公司开发的MC9S12XS256单片机的自动控制器控制模型车在封闭的跑道上自主循线运行。
自动控制器是以单片机MC9S12XS256为核心，配合有传感器，电机，舵机，电池及相应的驱动电路，它能够自主识别路径，控制模型车高速稳定运行在跑道上。
设计自动控制器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，保证智能车可靠运行前提下，电路设计尽量简洁紧凑，以减轻系统负载，提高智能车的灵活性。
作为能够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。
它可以分为传感器，信息处理，控制算法及执行机构四个部分。
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。
因此自主控制器设计可以分为硬件电路设计和控制软件两部分。
系统基本控制过程如图2.1所示。
图2.1系统基本控制流程
2.2系统硬件结构设计
本设计中系统的硬件结构大致可以分为10个模块，如图2.2所示：
图2.2智能车硬件系统结构
1.处理器模块
本设计的核心器件。
统一采用Freescale公司的MC9S12XS256单片机。
2.图像采集模块（主要是CCD摄像头）
采进来的视频信号经过A/D转换成单片机可以识别的信息，为后来的控制程序做准备。
3.电机驱动模块
自行设计一个大功率电机驱动电路实现相应的驱动电机。
4.舵机驱动模块
原则上舵机还需要一个降压稳压电路，不过为提高舵机的灵敏性，基于实验分析，直接用电源来为舵机供电。
5.传感器模块
传感器模块可以分为两部分：
速度传感器和角度传感器。
主要目的是为了让系统形成闭环，更易调控。
具体地，速度传感器选用了CS3020（霍尔传感器）。
而至于角度传感器，并没有像速度传感器那样用一个专门的器件而是用CCD结合程序来实现的。
6.电压检测模块
随着电量的消耗，电池电压一直在下降，这将会直接影响到各部分控制量的变化，因此电压的检测也是必要的。
7.LED调试模块
实时直观的显示硬币、时间信息。
8.开关输入模块
为脱机调整参数而设计。
通过开关输入，可以方便地改变电机转速。
2.3系统软件结构设计
系统硬件相当于赛车的骨架和躯体，而软件算法就是它的思想。
赛车若想达到理想的成绩须有一个完善周密的思想来支配其载体，故软件系统对赛车来说至关重要。
首先，赛车系统通过图像采样模块获取前方赛道的图像数据，同时通过速度传感器模块实时获取赛车的速度。
然后S12利用边缘检测方法从图像数据中提取赛道黑线，求得赛车与黑线位置的偏差，接着采用PID方法对舵机进行反馈控制。
最终赛车根据检测到的速度，结合速度控制策略，对赛车速度不断进行恰当的控制调整，使赛车在符合比赛规则情况下沿赛道快速前进。
设计赛车系统的软件结构如图2.3所示。
图2.3智能车硬件系统结构
只有将上述硬件、软件部分进行有效的融合，进行充分的实验、测试和标定工作，才能使赛车具有一个相对良好的整体驾驶性能。
这也就是在接下来的各个分模块中需要做的工作。
2.4模型车的技术参数
根据系统硬件结构设计思想，同时结合现场测试实验，最终确定了赛车的摄像头安装方式、高度和位置；对赛车的总重量进行了一定的优化；参照各个功能模块的硬件功能需求，选定了各元器件的类型和数量如表2.1。
表2.1模型车技术参数
车模总体重量
1600g
长
283mm
宽
164mm
高
384mm
传感器个数及种类
CMOS
1个
霍尔CS3020
1个
除了车模原有的驱动电机、舵机之外伺服电机个数
0个
赛道信息
检测精度
0.45m/33
检测频率
50HZ
第3章智能车硬件设计
3.1视频分离模块-LM1881
第三方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赛道运行基础，获取更多，更远，更精确的赛道信息是提高车速的关键。
道路检测方式有多种，总体可以分为两大类:
红外检测方式和CCD/CMOS摄像头检测方式。
本设计采用第二种方式。
LM1881（如图3.1）是针对电视信号的视频同步分离芯片，它可以直接对电视信号进行同步分离，准确地获得所需的视频图像信号，使用者可根据需要对该同步信号进行时序逻辑控制[4]。
图3.1LM1881应用原理图
视频信号中除了包含图像信号之外，还包括了行同步信号、行消隐信号、场同步信号、场消隐信号以及槽脉冲信号、前均衡脉冲、后均衡脉冲等，因此，若要对视频信号进行采集，就必须准确地把握各种信号问的逻辑关系。
LM1881就是针对视频信号的同步分离而生产的[5]，LM1881可以从0.5～2V的标准负极性NTSC制、PAL制、SECAM制视频信号中提取复合同步、场同步、奇偶场识别等信号，这些信号都是图像数字采集所需要的同步信号，由此便确定采集点在哪一场，哪一行[6]。
1．复合同步输出（COMPOSITESYNCOUTPUT）
复合同步输出是对复合视频输人信号的箝位输出。
LM1881芯片将视频信号同步顶箝位到直流1.5V，将比较器的阈值设在1.5V左右，这样便可使视频信号的图像波形部分被拉平，其他信号波形按原样复现。
箝位线设在同步脉冲上，典型值为1.57mV左右。
对于0.5V输人来说，箝位线大约为同步脉冲幅值的50％；而对于2V输人，箝位线大约为同步脉冲幅值的11％。
2．奇偶场脉冲输出（ODD/EVENOUTPUT）
视频图像信号一帧画面分2场扫描，第1场先扫描奇数行1、3、5、⋯，称为奇数场；第2场扫描画面上的偶数行2、4、6、⋯，称为偶数场。
奇数场开始的前一行为完整的1行，偶数场开始的前一行为1个半行，引脚7输出的低电平表示为偶场，高电平表示为奇场[7]。
3．行同步信号
要从复合同步输出信号中将其分离出来。
这几种重要的输出信号的时序参看下图3.2。
图3.2输出信号时序
本文采用第二种方式需要视频分离芯片LM1881辅助电路。
设计如图3.3。
图3.3中C1和R1构成一个简单滤波电路，使视频信号更平稳。
C2和R2构成了一个复位电路。
C3和前面介绍的同值电容的作用同。
引脚VS输出场同步信号，可接到单片机的中断脚上。
从CSO引脚输出的信号中我们可以提取出行同步信息。
O/E引脚用来区分场同步是奇场还是偶场。
图3.3智能车硬件系统结构
3.2电机驱动模块
电机是小车前行的直接动力源，电机的控制效果直接影响小车的速度以及前行的稳定性。
本设计最终选用了全桥作为直流电机的驱动，使用双路PWM信号控制两个桥的通断来实现电机的顺转与倒转，这样的设计具有刹车效果好，驱动能力强，接口简单易用等特点，电机驱动原理图入图3.4所示。
图3.4电机驱动原理图
3.3电源模块
大组委会提供和规定比赛使用的电源为配发的7.2V的镍铬电池。
现在来分析一下智能车系统主要需要什么类型的电源及如何设计这些电源。
3.3.1升压模块—MC34063A
CMOS摄像头需要5V的工作电压。
本文设计中是使用MC34063A搭建一个由7.2V升压到12V的升压电路，MC34063A是单片双极型线性集成电路，专用于直流――直流变换器控制部分，一个占空比周期控制振荡器，驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。
它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器，降压式变换器和电源反向器。
根据厂商提供的内部原理图3.5和外围器件参数计算公式，设计MC34063A外围电路[8]。
图3.5内部原理框图
具体设计的电路图如图3.6。
图3.6MC34063A升压稳压电路
根据厂家所提供的典型应用电路，引脚5是1.25V的基准电压，由分压原理算出R8=8.6K（给定R7=1K）。
考虑到没有这种阻值的电阻。
在第一电路板中就用了一个10K的电位器来调节使输出为12V。
但是后来的实验中发现，CCD在11V左右也可以正常工作，由此在第二块电路板中就将电位器直接用8.2K的固定电阻来代替。
上图中C4为储能电容，主要是为了防止电压波动给CCD工作带来的不利影响。
C5和L1可根据CCD摄像头所需的额定电流来计算出来最小值，只要这一电容和电感不小于这是计算出来的最小值就可以了。
其它电阻，电容等默认[9]。
3.3.2降压模块—LM1117-5
单片机，LCD，CS3020，74HC1G14，ZLG728，LM336的标准供电电压都是5V，所以需要一个降压稳压芯片LM1117-5来将电池电压降到需要的5V。
考虑到单片机的核心地位及单片机需要很大的输入电流（输入电流过小时，单片机会重启动），拟定用两片LM1117-5。
一片单独给单片机提供电源，一片给剩余的LED，CS3020等供电。
设计电路图如图3.7。
图3.7LM1117-5降压稳压电路
本设计中所用的LM1117-5封装如图3.8（SOT--223）。
图3.8LM1117SOT-233封装图
3.4舵机驱动模块
转向机构采用S3010型舵机，用一路PWM进行控制，其外各项参数表3.1所示。
表3.1S3010型舵机参数
S3010
工作电压
4.8V
6.0V
空闲电流
MAX15mA
MAX15mA
工作电流
130±25mA
145±30Ma
工作角度
45度/脉宽移动400usec
外观尺寸
40.0×20.0×38.1[mm]
舵机的硬件连接比较简便，红线接6V电源，舵机电流变化较大，设计采用采用稳压芯片作为其电源。
白线为输入信号接口，接单片机一路PWM口，黑线为地线[10]，原理图如图3.9所示。
图3.9舵机驱动电路图
3.5金属探测模块
检测铁片方案选择：
方案一：
采用电涡流原理自制的传感器，取才方便，但难以调试，输出信号也不可靠，成功率比较低，难以准确输出传感信息。
方案二：
采用市面易购的电感式接近开关，本系统采用市面比较通用LJ18A3-8-Z/BX来完成铁片检测的任务。
虽然电感式接近开关占的体积大，对本是可以接受，且输出信号较可靠，稳定性好，受外界的干扰小，故采用方案二[11]。
3.6LED显示模块
HD7279A一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片机可完成LED显示、键盘接口的全部功能。
HD7279A内部含有译码器，可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有2种译码方式，此外，还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。
HD7279A具有片选信号，可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口[12]。
电路图如图3.10所示。
图3.10LED显示电路图
3.7蜂鸣器模块
方案一：
采用单片机产生不同的频率信号来完成声音提示，此方案能完成声音提示功能，给人以提示的可懂性比较差，但在一定程度上能满足要求，而且易于实现，成本也不高，我们出自经费方面考虑，采用方案一。
方案二：
采用DS1420可分段录放音模块，能够给人以直观的提示，但DS1420录放音模块价格比较高，也可以采用此方案来处理，但方案二性价比不如方案一。
电路图如图3.11所示。
图3.11蜂鸣器电路图
3.8速度采集模块
设计中的速度控制要求比较高，速度传感器采用编码器，它的使用较为方便，只需提供一个5V的电源和地，将信号线连接到单片机的中断口。
第4章智能车机械结构调整
此次比赛选用的赛车车模采用东莞博思电子数码科技有限公司生产的G768仿真车模。
赛车机械结构只使用竞赛提供车模的底盘部分及转向和驱动部分。
控制采用前轮转向，后轮驱动方案。
具体车模数据如下：
车长：
286mm
车宽：
163mm
如图4.1所示：
其中虚线部分为轮胎，A点为右轮的转动轴点，同理，对应左侧相应位置。
图4.1车模转向标定结构图
4.1舵机的改装
舵机部分可以看作一个简单的四杆机构。
可以通过如下两种方法来改进舵机：
1．增加连杆的长度
增加连杆的长度，可以增加左右轮转动的幅度，即增加舵机的灵敏性，但是这也会带来一个问题，那就是会相应地减小单位控制增量增加的力矩，但是从前面对FutabaS3010的介绍，此舵机单位输出力矩很大，完全可以满足比赛时对转弯的要求。
2．架高舵机
架高舵机，也可以增加连杆的长度，而且还不会减小单位控制增量增加的力矩，但是这样做会舵机的固定复杂化，而且增加的幅度也较第一种方案小。
综合考虑，设计中选用了两种方案的综合。
改装后的舵机如图4.2。
图4.2舵机改装
但是改装后舵机的中位需要重新调整。
采用结合编程控制的方法来纠正舵机的中位。
编程实现舵机左右各转一定的角度，最后居中静止，之所以这么做，主要是为了消除舵机的抖动对其中位带来的影响。
根据舵机最后静止的位置来调节两连杆的长度，反复多次调节，可以达到理想的效果。
4.2差速的改进
差速机构的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动；并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。
当车辆在正常的过弯行进中（假设：
无转向不足亦无转向过度），此时4个轮子的转速（轮速）皆不相同，依序为：
外侧前轮＞外侧后轮＞内侧前轮＞内侧后轮。
此次所使用车模配备的是后轮差速机构。
差速器的特性是：
阻力越大的一侧，驱动齿轮的转速越低；而阻力越小的一侧，驱动齿轮的转速越高。
以此次使用的后轮差速器为例，在过弯时，因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小，轮速便较高；而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便较低[13]。
差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙，过松过紧都会使差速器性能降低，转弯时阻力小的车轮会打滑，从而影响车模的过弯性能。
好的差速机构，在电机不转的情况下，右轮向前转过的角度与左轮向后转过的角度之间误差很小，不会有迟滞或者过转动情况发生。
4.2摄像头的固定
摄像头的安装位置得选取合适。
安装得低了，会视域不够广阔，影响寻线的有效范围；安装得高了，指引线在图像坐标上会变得过窄而无法被检测到，而且赛车系统会因重心抬高而稳定性变差。
安装位置合适的一个标准就是：
在此位置的拍摄范围大小能满足控制的需要。
控制的策略简单，则所需的拍摄范围就可较小；反之策略复杂，需获得的赛道信息较多，则拍摄范围应大一些，摄像头安装方式如图4.3所示。
图4.3摄像头的安装
4.3速度传感器安装
受车模机械结构的限制，必须采用体积小、重量轻的速度传感器，编码器具有获取信息准确，体积小，而且不增加后轮负载的优点，因此在设计中选用编码器作为速度传感器，它的安装如图3.4所示。
图4.4速度传感器的安装
第5章智能车软件设计
5.1软件设计思想
5.1.1软件设计基本思想
在系统设计过程中，为了寻求最优的方法，一定要通过比较多种方法，要做不同的对比试验，从而决定那种方案最优。
为了方便高效的移植程序以适应不同的方案策略，系统软件设计始终努力做到功能模块化、参数层次化。
在本系统的软件设计中，功能模块化是指将各部分不同功能的模块严格分开，每一部分完成特定的功能，同时向外提供统一的接口以供调用，这样，系统设计如有变化，只需修改相应的部分即可。
系统功能模块可以分为以下几个主要部分：
1、开关输入和LED输出模块，用于参数调整；
2、定时器模块，用于输出比较定时；
3、PWM模块，用于电机和舵机的控制；
4、ATD模数转换模块，用于视频信号灰度化和电压检测；
5、图像信息提取模块，在灰度化的基础上提取道路信息；
6、金属探测中断模块，用于探测金属、蜂鸣器鸣叫；
7、决策控制，根据道路信息控制运动轨迹
采用软件模块化的思想，将系统所有的需求进行模块化的设计和模块细分，其结构简单清晰，逻辑性强，易于软件的维护优化和调试。
在该设计的基本需求分析的基础上，搭建一个具有合理性的系统软件构架。
首先考虑到系统所以要完成的二个关键的功能是小车寻线、探测硬币分析算法。
然后完成信息的显示、电机的执行。
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