智能汽车设计基础--硬件资料

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1、第2章智能汽车设计基础 硬件 从外观上看 智能车系统主要表现为由一系列的硬件组成 包括组成车体的底盘 轮胎 舵机装置 马达装置 道路检测装置 测速装置和控制电路板等 本章主要介绍智能车设计中使用到的传感器 包括光电式传感器 图像传感器和测速传感器等 和控制电路板中的功能电路设计 赛车 车模与控制硬件 电路设计 HCS12XS控制核心电源管理单元路径识别单元车速检测单元直流驱动电机控制单元舵机控制单元 系统硬件结构图 MC9S12XS128控制核心 MC9S12XS128单片机引脚图如图所示 MC9S12XS128单片机引脚图 MC9S12XS128最小系统原理图 MC9S12XS128引脚分配

2、 在光电管方案中 其管脚具体分配如下 主要包括了传感器控制与检测部分 电机驱动部分 调试接口以及其它常用电路的接口等 电源管理单元 电源模块对于一个控制系统来说极其重要 关系到整个系统是否能够正常工作 因此在设计控制系统时应选好合适的电源 竞赛规则规定 比赛使用智能车竞赛统一配发的标准车模用7 2V2000mAhNi cd供电 而MCU系统 路径识别的光电传感器等均需要5V电源 伺服电机工作电压范围4V到6V 为提高伺服电机响应速度 采用6V供电 直流电机可以使用7 2V2000mAhNi cd蓄电池直接供电 常用的电源有串联型线性稳压电源 LM2940 7805 1085等 和开关型稳压电源

3、 LM2596 LM2575等 两大类 电源管理单元 前者具有纹波小 电路结构简单的优点 但是效率较低 功耗大 后者功耗小 效率高 但电路却比较复杂 电路的纹波大 对于MCU 需要提供稳定的5V电源 由于LM2940的稳压的线性度非常好 所以选用LM2940 5单独对其进行供电 同时考虑到稳压芯片LM2940的额定输出电流较小 故采用两片LM2940分别对MCU电路 传感器检测电路供电 以保证系统正常运行 系统还选用了一片1086为舵机提供6V电压 电源管理单元 稳压电源单元 路径识别单元 传感器系统 在工程上 系统中各种物理量都必须转换成一定规格的信号 电信号或气压信号 才能被检测 采集和显

4、示 所谓传感器 即是将被测量按照一定的物理或化学原理转换成某种规定的输出信号的装置或器件 通常 传感器由敏感元件和转换元件组成 敏感元件能够随着被测量的变化而引起某种易被测量的信号的变化 而转换元件则将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分 具体的电量形式取决于敏感元件的原理 除此之外 由于转换元件的输出信号一般都很微弱 为方便传输 转换 处理及显示 通常有信号调理转换电路 辅助电路等 将转换元件输出的电信号进行放大或运算调制 因此 传感器的组成通常包括敏感元件 转换元件 信号调理转换电路和辅助电路 路径识别单元 传感器系统 智能汽车设计中涉及到的传感器主要有三种 光电式传

5、感器 图像传感器和测速传感器 光电式传感器 光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置 光电式传感器工作时 先将被测量转换为光量的变化 然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化 从而实现非电量的测量 光电式传感器的核心 敏感元件 是光电器件 光电器件的基础是光电效应 光电式传感器的结构简单 响应速度快 可靠性较高 能实现参数的非接触测量 因此广泛地应用于各种工业自动化仪表中 光电式传感器可用来测量光学量或测量已先行转换为光学量的其他被测量 然后输出一定形式的电信号 在测量光学量时 光电器件是作为敏感元件使用 而测量其他物理量时 它是作为转换元件使用 光电式传感器由光路及电路

6、两大部分组成 光路部分实现被测量信号对光量的控制和调制 电路部分完成从光信号到电信号的转换 光电式传感器 在光电组比赛中 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 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赛规则的限制 限制16个 基本原理 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部的电压比较器变成高 低电平由单片机的I O端口读取 也可以通

7、过单片机A D端口直接读取 光电式传感器 图6 9I O端口读取电路 图6 10A D端口读取电路 传感器的布局 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 精确性好 传感器的布局 1 一 字形布局 一 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 从而保证纵向的一致性

8、使其控制策略主要集中在横向上 其排布如图所示 一 字形布局 传感器的布局 2 八 字形布局 八 字形布局从横向来看与 一 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 其排布如图所示 八 字形布局 传感器的布局 3 W 字形布局 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当前置 从而形成 W 形布局 此外 还可利用 W 形布局来检测赛道的弯曲程度 其光电管排布如图所示 W 字形布局 光电式传感器 两个光电管方案中常见的问题1 相邻光电管之间的干扰2 光电管发射功率的影响 相邻光电管之间的干扰 由于红外发射管是基于漫反射原理的 其发射的红外光可能影响到安装在

9、附近的红外接收管 消除这种干扰可以采取以下几种措施 1 选择发射与接收方向性好的红外传感器 2 选择发射与接收一体化的红外传感器 它的外壳可以抑制相邻干扰 3 在红外接收管上安装黑色套管 使其只接收前方一定角度内的红外光线 这种减小互扰动的措施效果较好 4 使相邻的红外发射 接收管交替工作 即 点火 这种方法不仅减小了相邻红外传感器之间的干扰 同时也降低了整体传感器的功耗 光电管发射功率的影响 为了增加前瞻距离 需要加大光电管红外发射功率 使得返回的红外线的强度提高 这样不仅使得电池电能的消耗量增加 同时也会缩短红外发射管的寿命 为解决这个问题 可以利用红外接收管响应速度快的特点 采用光电管脉

10、冲发射 接收的方法加以处理 红外发射管工作在周期脉冲方式下 可以大大降低平均工作电流 从而降低了整个发射电路的电量消耗 传感器接口电路 除了要正确选择传感器的类型外 还要设计最佳的接口电路 所谓接口电路 就是要把传感器与后续的有关电路联系起来的电路 接口电路的设计需要考虑两个问题 一个是传感器的输出与计算机的输入匹配问题 另一个是选择器件的问题 一般传感器的输出信号有三种形式 数字开关量 数字脉冲和模拟信号 1 数字开关量信号分为电压输出型和触点型 如果传感器的输出电压信号为0V或2V 可以直接和控制装置相连接 但是由于这种信号有抖动 所以在与计算机连接时要采用消除抖动电路 2 数字脉冲电路用

11、计数器计数后送入计算机 通过对脉冲的计数来达到对信息的采集 一般计算机要对计数器拥有清零的功能 以便计数器重新计数 传感器接口电路 3 模拟信号比较复杂 由于模拟信号不能直接与控制器相连接 所以首先要通过适当的A D转换器变为合适的输入电压 必要时还要在A D前面对信号进行放大 分压等 一般称为信号的预处理 预处理后的信号经过A D转换器后和控制器直接连接 完成接口电路的设计 器件的选择 要兼顾成本和技术指标进行综合考虑 传感器信号要有比较好的降噪电路 一般减少噪声的方法是 传感器与预处理放大电路的接线要尽量短 传感器信号接线要采用屏蔽线 外皮接地 放大电路的输入和输出之间尽量远 放大电路的增

12、益不要太大 以免产生振荡 放大电路要远离传感器 以免产生电场和磁场的干扰等 传感器参考 GP2Y系列 PT334 图像传感器 摄像头的工作原理摄像头以隔行扫描的方式采样图像 当扫描到某点时 就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度对应的电压值 然后将此电压值通过视频信号端输出 具体而言 摄像头连续地扫描图像上的一行 就输出一段连续的视频信号 该电压信号的高低起伏正反映了该行图像的灰度变化情况 当扫描完一行 视频信号端就输出一个低于最低视频信号电压的电平 如0 3V 并保持一段时间 这样相当于紧接着每行图像对应的电压信号之后会有一个电压 凹槽 此 凹槽 叫做行同步脉冲 它是扫描换行的标志

13、 图像传感器 然后扫描新的一行 如此下去 直到扫描完该场的信号 接着会出现一段场消隐信号 其中有若干个复合消隐脉冲 简称消隐脉冲 在这些消隐脉冲中 有一个消隐脉冲远宽于其他的消隐脉冲 即该消隐脉冲的持续时间远长于其他的消隐脉冲的持续时间 该消隐脉冲又称为场同步脉冲 标志着新的一场的到来 摄像头每秒扫描25帧图像 每帧又分奇 偶两场 故每秒扫描50场图像 图像传感器 图2 3摄像头视频信号 测速传感器 为了使得模型车能够平稳地沿着赛道运行 除了控制前轮转向舵机以外 还需要控制车速 通过对速度的检测 可以对车模速度进行闭环反馈控制 此外 若采用基于路径记忆的控制策略 为了获取道路信息 需要得到智能

14、车的行驶距离 也必须通过车速检测模块来间接实现 在智能汽车设计中 测速传感器的设计主要有两种方案 霍尔传感器和光电式脉冲编码器 1 霍尔传感器霍尔传感器是基于霍尔效应原理 将电流 磁场 位移 压力 压差转速等被测量转换成电动势输出的一种传感器 虽然转换率低 温度影响大 要求转换精度较高时必须进行温度补偿 但霍尔传感器具有结构简单 体积小 坚固 频率响应宽 从直流到微波 动态范围 输出电动势的变化 大 无触点 寿命长 可靠性高 以及易于微型化和集成电路化等优点 测速传感器 图2 7三种不同结构的霍尔式转速传感器 三种不同结构的霍尔式转速传感器 测速传感器 2 光电式脉冲编码器光电式脉冲编码器可将

15、机械位移 转角或速度变化转换成电脉冲输出 是精密数控采用的检测传感器 光电编码器的最大特点是非接触式 此外还具有精度高 响应快 可靠性高等特点 光电编码器采用光电方法 将转角和位移转换为各种代码形式的数字脉冲 光电式脉冲编码器在发光元件和光电接收元件中间 有一个直接装在旋转轴上的具有相当数量的透光扇形区的编码盘 在光源经光学系统形成一束平行光投在透光和不透光区的码盘上时 转动码盘 在码盘的另一侧就形成光脉冲 脉冲光照射在光电元件上就产生与之对应的电脉冲信号 测速传感器 光电式脉冲编码器结构 测速传感器 编码器 在对速度反馈要求较高的场合一般选用编码器 光电编码器的精度和分辨率取决于光电码盘的精

16、度和分辨率 取决于刻线数 目前 已能生产径向线宽为6 7 10 8rad的码盘 其精度达1 10 8 比接触式的码盘编码器的精度要高很多个数量级 如进一步采用光学分解技术 可获得更多位的光电编码器 光电编码器按其结构的转动方式可分为直线型的线性编码器和转角型的轴角编码器两种类型 按脉冲信号的性质可分为有增量式和绝对式两种类型 测速传感器 增量式编码器码盘图案和光脉冲信号均匀 可将任意位置为基准点 从该点开始按一定量化单位检测 该方案无确定的对应测量点 一旦停电则失掉当前位置 且速度不可超越计数器极限相应速度 此外由于噪声影响可能造成计数积累误差 该方案的优点是其零点可任意预置 且测量速度仅受计数器容量限制 测速传感器 绝对式编码器的码盘图案不均匀 编码器的码盘与码道位数相等 在相应位置可输出对应的数字码 其优点是坐标固定 与测量以前状态无关 抗干扰能力强 无累积误差 具有断电位置保持 不读数时移动速度可超越极限相应速度 不需方向判别和可逆计数 信号并行传送等 其缺点是结构复杂 价格高 要想提高光电编码器的分辨率 需要提高码道数目或者使用减速齿轮机构组成双码盘机构 将任意位置取作零位时需