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1、第第6 6章章 智能汽车设计实践智能汽车设计实践 光电管型设计光电管型设计 6.1 机械设计 1 6.2 硬件设计 2 6.3 软件设计 3 第第6 6章章 智能汽车设计实践智能汽车设计实践光电管型设计光电管型设计 6.1 6.1 机械设计机械设计 6.1.1 6.1.1 光电管传感器的布局光电管传感器的布局 6.1.2 6.1.2 舵机的安装舵机的安装 6.1.3 6.1.3 测速传感器的安装测速传感器的安装 6.1.1 6.1.1 光电管传感器的布局光电管传感器的布局 1 1传感器的布局间隔传感器的布局间隔 2 2传感器的径向探出距离传感器的径向探出距离 传感器的布局间隔传感器的布局间隔
2、各个传感器的布局间隔对智能车的运行，是有一各个传感器的布局间隔对智能车的运行，是有一 定影响的。传感器的间隔是否合适，对过弯的精定影响的。传感器的间隔是否合适，对过弯的精 确性以及防止飞车有很大的影响。确性以及防止飞车有很大的影响。 设定传感器间隔的原则是：既要满足一定的密度设定传感器间隔的原则是：既要满足一定的密度 以保证走弯道时轨迹相对精确，又要尽可能拥有以保证走弯道时轨迹相对精确，又要尽可能拥有 大的横向控制范围来防止飞车。若传感器间隔设大的横向控制范围来防止飞车。若传感器间隔设 置合适，当赛道有一点微小的变化时，小车的控置合适，当赛道有一点微小的变化时，小车的控 制单元就能进行相应的反
3、应（改变前轮转角），制单元就能进行相应的反应（改变前轮转角）， 从而使得过弯道的轨迹与弯道大体重合，精确性从而使得过弯道的轨迹与弯道大体重合，精确性 好。好。 传感器的径向探出距离传感器的径向探出距离 （1 1）“ “一一” ”字形布局字形布局 : “: “一一” ”字形布局是传感器最常字形布局是传感器最常 用的布局形式，即各个传感器在一条直线上，从用的布局形式，即各个传感器在一条直线上，从 而保证纵向的一致性，使其控制策略主要集中在而保证纵向的一致性，使其控制策略主要集中在 横向上，其排布如图横向上，其排布如图6.16.1所示。所示。 图图6.1 “6.1 “一一” ”字形布局字形布局 传感
4、器的径向探出距离传感器的径向探出距离 （2 2）“ “八八” ”字形布局字形布局: “: “八八” ”字形布局从横向来看与字形布局从横向来看与“ “ 一一” ”字形布局类似，但它增加了纵向的特性，从而字形布局类似，但它增加了纵向的特性，从而 具有了一定的前瞻性，其排布如图具有了一定的前瞻性，其排布如图6.26.2所示。所示。 图图6.2 “6.2 “八八” ”字形布局字形布局 传感器的径向探出距离传感器的径向探出距离 （3 3）“ “W”W”字形布局字形布局: : 为了能够提早地预测到弯道为了能够提早地预测到弯道 的出现，我们还可以将左右两端的传感器进行适的出现，我们还可以将左右两端的传感器进
5、行适 当前置，从而形成当前置，从而形成“ “W”W”形布局，此外，还可利用形布局，此外，还可利用 “ “W”W”形布局来检测赛道的弯曲程度。其光电管排形布局来检测赛道的弯曲程度。其光电管排 布如图布如图6.36.3所示。所示。 图图6.3 “W”6.3 “W”字形布局字形布局 6.1.2 6.1.2 舵机的安装舵机的安装 在智能车上，舵机的输出转角通过连杆传动控制在智能车上，舵机的输出转角通过连杆传动控制 前轮转向。舵机是系统中一个具有较大时间常数前轮转向。舵机是系统中一个具有较大时间常数 的惯性环节。其时间延迟正比于转过的角度，反的惯性环节。其时间延迟正比于转过的角度，反 比于舵机的响应速度
6、。对于快速性要求极高的智比于舵机的响应速度。对于快速性要求极高的智 能小车来说，舵机的响应速度是影响其过弯最高能小车来说，舵机的响应速度是影响其过弯最高 速度的一个重要因素，特别是对于前瞻不够远的速度的一个重要因素，特别是对于前瞻不够远的 智能小车更是如此。智能小车更是如此。 6.1.2 6.1.2 舵机的安装舵机的安装 提高舵机控制前轮转向速度的一种方法是采用杠提高舵机控制前轮转向速度的一种方法是采用杠 杆原理，在舵机的输出舵盘上安装一个较长的输杆原理，在舵机的输出舵盘上安装一个较长的输 出臂，其安装图如图出臂，其安装图如图6.46.4所示。所示。 图图6.4 6.4 舵机的安装图舵机的安装
7、图 6.1.3 6.1.3 测速传感器的安装测速传感器的安装 为了减轻智能车的质量，测速时应尽量选用质量为了减轻智能车的质量，测速时应尽量选用质量 轻精度高的传感器，为了不影响加速性能，编码轻精度高的传感器，为了不影响加速性能，编码 器的传动齿轮较小，基本上和电机的齿轮相同。器的传动齿轮较小，基本上和电机的齿轮相同。 其安装图如图其安装图如图6.56.5所示。所示。 图图6.5 6.5 测速传感器的安装测速传感器的安装 6.2 6.2 硬件设计硬件设计 6.2.1 HCS126.2.1 HCS12控制核心控制核心 6.2.2 6.2.2 电源管理单元电源管理单元 6.2.3 6.2.3 路径识
8、别单元路径识别单元 6.2.4 6.2.4 车速检测模块车速检测模块 6.2.5 6.2.5 舵机控制单元舵机控制单元 6.2.6 6.2.6 直流驱动电机控制单元直流驱动电机控制单元 6.2 6.2 硬件设计硬件设计 硬件电路设计是智能车控制系统设计的基础。智硬件电路设计是智能车控制系统设计的基础。智 能车控制系统硬件结构主要由能车控制系统硬件结构主要由HCS12HCS12控制核心、控制核心、 电源管理单元、路径识别电路、车速检测模块、电源管理单元、路径识别电路、车速检测模块、 转向伺服电机控制电路和直流驱动电机控制电路转向伺服电机控制电路和直流驱动电机控制电路 组成，其系统硬件结构如图组成
9、，其系统硬件结构如图6.66.6所示。所示。 图图6.6 6.6 系统硬件结构图系统硬件结构图 6.2.1 HCS126.2.1 HCS12控制核心控制核心 HCS12HCS12控制核心单元既可以直接采用组委会提供控制核心单元既可以直接采用组委会提供 的的MC9S12EVKXMC9S12EVKX电路板，电路板，也可以自行购买也可以自行购买 MC9S12DG128MC9S12DG128单片机，然后量身制作适合自己单片机，然后量身制作适合自己 需要的最小开发系统需要的最小开发系统。 6.2.1 HCS126.2.1 HCS12控制核心控制核心 MC9S12DG12BMC9S12DG12B单片机引脚
10、图如图单片机引脚图如图6.76.7所示。所示。 图图6.7 MC9S12DG12B6.7 MC9S12DG12B单片机引脚图单片机引脚图 6.2.1 HCS126.2.1 HCS12控制核心控制核心 在光电管方案中，其在光电管方案中，其I/OI/O口具体分配如下：口具体分配如下： PHPH口与口与PAPA口用于小车光电发光管发光控制；口用于小车光电发光管发光控制； PT0PT0用于车速检测的输入口；用于车速检测的输入口； PBPB口用于显示小车的各种性能参数；口用于显示小车的各种性能参数； PWM0PWM0（PP0PP0引脚）与引脚）与PWM1PWM1（PP1PP1引脚）合并用于伺引脚）合并用
11、于伺 服舵机的服舵机的PWMPWM控制信号输出；控制信号输出； PWM2PWM2（PP2PP2引脚）与引脚）与PWM3PWM3（PP3PP3引脚）合并用于驱引脚）合并用于驱 动电机的动电机的PWMPWM控制信号输出（电机正转）；控制信号输出（电机正转）； PWM4PWM4（PP4PP4引脚）与引脚）与PWM5PWM5（PP5PP5引脚）合并用于驱引脚）合并用于驱 动电机的动电机的PWMPWM控制信号输出（电机反转）。控制信号输出（电机反转）。 在连续路径识别算法中，在连续路径识别算法中，PADPAD口用于传感区光电接收管口用于传感区光电接收管 电压信号的输入口。电压信号的输入口。 6.2.2
12、6.2.2 电源管理单元电源管理单元 电源管理单元是智能车硬件设计中的一个重要组电源管理单元是智能车硬件设计中的一个重要组 成部分，它的作用是对组委会提供的成部分，它的作用是对组委会提供的7.2 V 1800 7.2 V 1800 mA Ni-cdmA Ni-cd蓄电池进行电压调节。按照系统各部分蓄电池进行电压调节。按照系统各部分 正常工作的需要，各模块电压值分为正常工作的需要，各模块电压值分为5 V, 6.5 V5 V, 6.5 V和和 7.2 V7.2 V三个挡。三个挡。 6.2.2 6.2.2 电源管理单元电源管理单元 电源管理单元主要用于以下三个方面：电源管理单元主要用于以下三个方面：
13、 （1 1）采用稳压管芯片）采用稳压管芯片L7805CVL7805CV将电源电压稳压到将电源电压稳压到5 V5 V 后，给单片机系统电路、路径识别的光电传感器电路后，给单片机系统电路、路径识别的光电传感器电路 、车速检测的转角编码器电路和驱动芯片、车速检测的转角编码器电路和驱动芯片MC33886MC33886电电 路供电；路供电； （2 2）经过一个二极管降至）经过一个二极管降至6.5 V6.5 V左右后供给转向伺服左右后供给转向伺服 电机；电机； （3 3）直接供给直流驱动电机。）直接供给直流驱动电机。 6.2.2 6.2.2 电源管理单元电源管理单元 同时考虑到稳压芯片同时考虑到稳压芯片L
14、7805CVL7805CV的额定输出电流较的额定输出电流较 小，故采用两片小，故采用两片L7805CVL7805CV分别对单片机电路、车分别对单片机电路、车 速检测电路、驱动芯片电路和光电传感器电路供速检测电路、驱动芯片电路和光电传感器电路供 电，以保证系统正常运行。其稳压电路如图电，以保证系统正常运行。其稳压电路如图6.86.8所所 示。示。 图图6.8 6.8 稳压电源单元稳压电源单元 6.2.3 6.2.3 路径识别单元路径识别单元 在光电管方案中，通过红外发光管发射红外光照在光电管方案中，通过红外发光管发射红外光照 射跑道，由于跑道表面与中心线具有不同的反射射跑道，由于跑道表面与中心线
15、具有不同的反射 强度，因此利用红外接收管可以检测到这些信息强度，因此利用红外接收管可以检测到这些信息 。通过合理安排红外发射。通过合理安排红外发射/ /接收管的空间位置可以接收管的空间位置可以 检测到智能车相对于前方道路的位置。红外发射检测到智能车相对于前方道路的位置。红外发射 接收管一般安放在模型车前端，可以安装成一排接收管一般安放在模型车前端，可以安装成一排 ，也可以前后安装两排，传感器的总数量受到比，也可以前后安装两排，传感器的总数量受到比 赛规则的限制。赛规则的限制。 6.2.3 6.2.3 路径识别单元路径识别单元 红外接收管接收道路反射的红外光后产生电压的变化，它红外接收管接收道路反射的红外光后产生电压的变化，它 可以反映出赛道中心线的位置。这个电压信号可以通过外可以反映出赛道中心线的位置。这个电压信号可以通过外 部的电压比较器变成高、低电平由单片机的部的电压比较器变成高、低电平由单片机的I/OI/O端口读取端口读取 ，也可以通过单片机，也可以通过单片机A/DA/D端口直接读取。从端口直接读取。从I/OI/O端口读取的端口读取的 参考电路如图参考电路如图6.96.
