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1、激光循迹和随动探头智能小车控制系统的毕业论文目录摘 要I目录.II第一章 引言11.1 综述11.2 系统主要结构思想11.3 关联文献综述2第二章模型车的主要设计思路和技术方案概要32.1 车体结构32.2 硬件32.3 软件32.4 车模设计特色与创新4第三章B型车模的机械设计53.1 机械部分53.2 车模53.2.1 车体的重心53.2.2 传感器支架53.3 车模的参数调整63.3.1 Toe角度63.3.2 Camber link63.3.3 车身高度63.4 舵机位置改装73.5 传感器73.5.1 上排探头位置布局73.5.2 下排探头位置布局73.6 防撞装置83.7 模型车
2、外观8第四章电路设计说明94.1 总体电路描述94.2 系统电源模块94.3 电机驱动模块104.4 数码管显示模块114.5 激光传感器及其电路设计114.5.1 激光探头的电路设计124.5.2 激光探头接收创新点124.6 测速电路134.7 核心控制板端口设置14第五章软件控制设计155.1 寻线策略155.2程序总框图155.3 程序运行方式155.4 速度控制165.5 激光探头路面信号的采集165.6 红外传感器的AD采集处理165.7 舵机摆头和转向子程序设计175.7.1 跟踪舵机控制程序设计175.7.2 车模转向控制程序设计175.7.3 双舵机的配合调试185.8 软件
3、部分总结20第六章开发工具和制作调试过程226.1 开发工具226.2 Codewarrior IDE的安装与使用226.3 调试装置226.4 C语言的在线调试236.5 调试中遇到的问题及解决过程236.5.1 直线跑不直的问题236.5.2 跟踪舵机问题236.5.3 光点亮度问题24第七章结论257.1 模型汽车制作概述与技术指标257.1.1 车模最终可达到的速度257.1.2 车模主要技术指标257.1.3 机械部分其它参数257.2 智能车最终实物图267.3 总结26致谢28参考文献29附录A BJUT光电一队智能车C语言源代码I .专业.专注. 第一章 引言1.1 综述全国大
4、学生飞思卡尔智能汽车竞赛是由教育部高等自动化专业教学指导分委员会主办，以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，是以智能汽车为竞赛平台的多学科专业交叉的创意性科技竞赛。该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，如今已成功举办四届。 全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。为准备第五届飞思卡尔智能车大赛，本小组从09年12月开始组队，历时8个月。经过不断的努力，在机械结构、硬件与软件方面
5、均有所提高，并有创新。本篇论文主要介绍了“飞思卡尔”智能车比赛中的小车制作过程，论述了控制系统的软硬件设计和开发流程，涉及车模机械结构的设计与改装、电机驱动和激光发射接收电路设计及C语言控制算法等诸多方面，详细介绍了本队的特色及创新点，并着重分析了硬件电路中的激光头分时采点思想和半桥驱动的电机驱动方案。1.2 系统主要结构思想首先，赛车以竞速为主要目的，一切设计和控制均为竞速服务。在探头设计中，激光头用于检测赛道上的黑线信息，红外管为辅检测直线和停车线。上排探头架在舵机上便于跟踪黑线，下排探头固定，用于采集近处道路信息。上排激光管在赛道上打出一排整齐的光点，以3ms为一周期处理路况信息，并控制
6、舵机摆头，使上排激光头的光点中心恰好在赛道黑线上，从而时刻跟紧黑线，及时控制模型车转向。 其次，单片机综合考虑上方跟踪舵机PWM值与光点检测的黑线位置，决定下方前轮舵机转向，再依照测速齿数加入速度因素。最终PWM波控制电机的运作。于此同时，红外传感器辅助检测赛道中的起停线，并做出相应处理。 最终，实现模型车智能化，以尽量快的速度在复杂赛道上自动按赛道轨迹前进。1.3 关联文献综述卓晴编辑的学做智能车挑战“Freescale杯”，对于刚接触智能车的我们来说，这是入门必修课程，里面有很多控制策略、路径识别算法、传感器控制等方面的介绍，这些前人参赛的经验对我们队在车体和电路设计上有很大的参考价值。其
7、它参考书目作为辅助的资料，例如谭浩强著的C语言程序设计，主要参考了C程序的历程和一部分指令描述。剩下的参考文献资料全部来自于网络，我们参考了智能车论坛里的大量文献资料。第二章 模型车的主要设计思路和技术方案概要智能车设计的总体思路上分为三部分，即车体结构、硬件设计和软件编程。其中车体机械结构是最基本的层次，在机械结构满足一定条件的前提下，设计硬件电路，配合软件编程，力求达到环还相扣，不出差错的效果。软件结构上的设计即描绘驾驶员的驾驶水平，硬件结构和车体结构的设计统称车辆的性能，分别反映在控制的稳定性能和竞速性能上。2.1 车体结构今年光电组采用了新的B型车模。虽然轮胎、驱动电机、舵机和电池等车
8、模主要结构不允许改动，但是机械结构上的细节仍会对小车性能产生影响。所以本组制作智能车的首要步骤就是把车况调整得有利于加速，例如更改舵机位置，选择挄量小的轱辘等等，并制作防撞结构，避免小车在测试过程中冲出跑道而受到损伤。2.2 硬件本智能车的定位系统采用双排光电探头采集车辆前方的道路信息，上排为12个激光头，下排为6个激光头和2个红外管，其中上排探头通过舵机控制追踪黑线，下排探头固定用于检测停车线。电机驱动系统采用半桥驱动模式，既节省了空间，又提高了驱动电压。单片机核心板采用MC9S12XS128的最小系统板，体积小且使用方便。舵机采用PWM波控制，通过占空比来确定舵机转向角度。在电机齿轮上安装
9、测速电路，通过码盘齿数实时检测智能车的当前速度。数码管用于显示时间、速度等。2.3 软件在符合大赛规则前提下，软件控制车模以最快的速度跑完整个赛道。不论哪种方案，软件的总体框架总是相似的，即路径识别舵机转向速度控制。 本队智能汽车竞赛的程序用C语言编写。在采集道路信息后，程序上以自动控制理论为基础，并加以具体处理，由速度传感器获知的当前信息对舵机和电机施以合适的控制。 2.4 车模设计特色与创新由于本届车模为四驱越野车模，与往届不同，所以在电池安装，舵机调整，电路设计等诸多方面进行了相对调整与创新。1.电池安装：由于本届车模没有明确的电池安放装置，且电池捆绑方式不许改变，本组队员为电池装上了一
10、个自制金属架，不但方便拆卸，而且有很好固定作用。2.信息采集：对于黑线的探测，本组遵循采集点越密越好的原则，采用分时采集接收方式，解决了相邻的激光头互相干扰的问题，并减少接收管的个数达到省电的目的。3.电机驱动：通过实验，本组采用大功率CMOS管半桥驱动模式作为电机的驱动，在节省小车空间的同时减少了电压压降。4.舵机位置调整：原厂车模舵机位置卧躺于底盘前半部分右侧位置，扭力小，速度慢，本组队员将原舵机位置改变为前轮差速器上方，竖立安装，加长舵柄，相比原来，舵机扭力减小，但转向速度加快。5.跟踪探头：为了提高小车的速度，需激光探头时刻不偏离黑线，所以将道路检测的电路板固定连接在舵机上，并保证连杆
11、的竖直与电路板的水平且左右对称。舵机固定的机械结构纯手工制作，选用质地轻的铝板制作。道路检测电路板的俯角可以根据金属韧性任意调节。第三章 B型车模的机械设计3.1 机械部分 从整个系统上考虑：软件驾驭硬件，硬件依赖于机械架构。提高小车速度，除了软件要调好，硬件与机械上的一些优化，可以在很大程度上简化软件的编写。本组同学首先着手的就是机械部分，以适合硬件的安装。机械调整是为了小车重量更轻，重心更低，结构更稳定更牢固。简化硬件电路，简化车模结架，这样一点点降低车模总重量，将车模向小、轻、快捷的方向优化。下面将从车模调整和传感器安装等方面详细介绍机械结构的调整过程。3.2 车模本次比赛以竞速为基本评
12、判准则，车模由“飞思卡尔杯”智能车竞赛组统一提供，车模轮胎，后轮驱动电机，前轮转向舵机，电池等在竞赛规则的限制下，无法做进一步的改动。但是可以加强细节来提高小车的整体性能。由于今年光电组采用新的B型车模，车模是国厂商生产的1：16的电动越野遥控车，其突出特点是四轮驱动，四轮独立悬挂，相比于往年比赛采用的A型车模结构复杂程度有所增加，同时可调整参数也有所增加。通过调整车模各处参数，可以优化车辆的性能。3.2.1 车体的重心作为竞速赛车，车辆的的重心要尽量低,尽量靠后。基于这个原则，在电路板的安装与制作时尽可能的做到小巧紧凑以降低车身高度。传感器支架不向前探出，固定在车底盘的前半部分，电池安装在车
13、体后半部分。3.2.2 传感器支架支架的制作既要保证光电探头的前瞻性，又要兼顾检测的稳定性。本组同学将下排探头架在前轴的上方，随动舵机安装在车体的前半部分，高度适当，即保持车在转弯时的平稳性，又加强了接收的可靠性。3.3 车模的参数调整3.3.1 Toe角度Toe角度（束角）是描述从车的正上方看，车轮的前端和车辆纵线的夹角。车轮前端向倾（八字），称为Toe-in，车轮前端向外倾（外八字），称为Toe-out。不同的Toe角度会改变车辆的转向和直道行驶的稳定性。可以通过改变前万向节拉杆的长度来改变Toe角度。本组选用车轮前端向外倾（外八字）结构，使直线更加稳定，因为直线稳定是小车过弯良好的前提。
14、3.3.2 Camber linkCamber link是指前上桥两端的固定位置。Camber link决定了车轮的Camber角度和悬挂移动时Camber角度的改变量，以及悬挂系统的几何特性。Camber link位置会影响车辆的稳定性和抓地力。可以通过调整前桥的拉杆长度来改变前轮的Camber link。同理，后轮也有Camber link，要将前轮和后轮之间的配合比调好，才能够整体优化小车的性能。3.3.3 车身高度车身高度指的是当车子满载的时候，底盘离地面的高度。可以通过旋转前、后桥中的六角螺丝来调整车身高度。图3.1 前桥的六角螺丝3.4 舵机位置改装在原厂车模中，前轮舵机是横放在底
15、盘前半部分的右侧，扭力小，速度慢，而且它的传动结构抑制了轮胎的最大转向角。将舵机竖立放置在前轮差速器的上方，用简单的结构加以固定。，并增加舵机转动的力臂，这样，舵机的小角度转动就能够带动前轮旋转较大的角度。3.5 传感器传感器的布局与安装取决于系统方案，会影响到系统的稳定性与可靠性以及软件的编写。传感器支架的安装应该在前瞻性和车体稳定性之前权衡。3.5.1 上排探头位置布局由于选用激光头来识别路径，就可以不用像红外一样贴近地面，而是架高，这样有利于返回信号接收，以识别较远距离的路径。本组队员试验过多种激光头布局方案：用一排或两排激光管在赛道上打出一排或两排激光，激光头架在舵机上摆头或直接架在车模上不摆头。经过试验，激光头架在舵机上更有优势。小车能够根据黑线位置来调整转向角度以保证时刻跟踪黑线，这样就不会偏离道路，实现在弯道上加速。 对于电路板上所用到的激光头个数，本组也进行过多种试验。本组的第一版探头采用8个激光头对应8个
