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1、第四届全国光电设计竞赛理论方案报告第四届全国光电设计竞赛理论方案报告编 号：04-01-12704-01-127参赛题目：基于光电导航的智能移动测量小车参赛队伍名称：翼龙队所在学校：西安工业大学队长姓名：王波王波队员姓名：许二亮许二亮 刘金鹏刘金鹏指导老师：吕宏吕宏1一参赛题目一参赛题目本参赛题目为：基于光电导航的智能移动测量小车 。题目要求设计一辆具有光电导航功能的智能车，要求从线路的指定点出发，沿轨道上铺设的“8”字形导航条走完全程。在行走过程中，利用光电技术测量、记录沿途所通过的三段隧道各自的长度及沿途路边树木的总棵数。二研究内容二研究内容根据参赛题目要求，我们设计的基于光电导航的智能移
2、动测量小车主要包括以下研究内容：1.基于线性 CCD 图像采集与处理；2.激光传感器的原理及应用；3.编码器与定时器的原理及应用；4.智能小车模块整合；5 智能小车车体结构改装三研究方案三研究方案3.1.3.1.总体控制方案总体控制方案基于光电导航的智能移动测量小车采用 MC9S12XS128 单片机作为核心控制单元，智能移动测量小车的控制方案如图 1 所示。MC9S12XS128激光传感器 模块前轮舵机电机后轮编码器CCD模块电源模块驱动模块计数器图 1 MC9S12XS128 单片机为核心的小车控制方案框图2小车以 MC9S12X128 单片机为主控核心，线性 CCD 负责采集信号，获取赛
3、道的基本信息，对小车进行导航。激光传感器和计数器主要负责树木的测量，与编码器协同工作测量隧道的长度。小车在行驶中，通过光电编码器来检测车速，并采用 MC9S12XS128 的输入捕捉功能进行脉冲计数计算小车的当前速度；以处理后的信号为依据控制 PWM 发生模块发出 PWM 波，通过输出不同占空比分别对转向舵机、直流电机进行控制，完成智能车的过弯，前进和制动。3.2.3.2.自主导航功能自主导航功能根据本次比赛所用的赛道的特征，选用性能更为出色的 TSL1401CL 线性 CCD 模块。线性 CCD 模块带有二值化电路和信号分离电路，能直接输出场中断信号（每 20ms 一次）和行中断（每 64u
4、s 一次） ，并二值化赛道信息。 根据竞赛规则，赛道颜色为深绿色，赛道中间贴有白色导航胶带，赛道内外边沿贴有黄色边界标志胶带。故 CCD 摄像头将对应的白绿黄三种不同的颜色转化为三种对应的信号，即，0 对应白色，1 对应绿色，2 对应黄色。信号不需要额外的处理就可以直接输入到单片机中进行信号采集。在摄像头模块内部是由LM393 比较器来对道路图像的颜色灰度值对应的电压值与一个比较电压进行比较，得到黑白对应的二值信号的。比较电压可以通过一个变阻器来调节，调到一个合适的电压能正确稳定的输出二值信号并能消除大部分干扰信号。3.33.3 树木个数的计数树木个数的计数 因为树木的颜色为红色，所以我们采用
5、大功率的 JG-IM-FS 激光传感器测量树木的个数。JG-IM-FS 激光传感器的感应方式为漫反射（非透明物）式，工作原理如下图所示：激光发射器发射的激光被树木反射之后，接受管接受到反射的激光，产生脉冲信号，并将信号传送给处理器处理。根据相关的算法，将至传送到计数器，记录树木的棵树。3JG-IM-FS 激光传感 器模块处理器 单元激光发射器激光接收管树木激光束激光传感器工作原理图当小车行驶到树木的一侧时，激光被反射回来，接收器件的光电特性发生改变，经信号处理电路处理后送入单片机内经单片机处理后记录下树木的棵树。3.4 4 隧道长度的测量隧道长度的测量由于比赛的场地在室内，再加之隧道内壁已涂成
6、黑色，使用大功率的 JG-IM-FS 型号的激光传感器与 500 线的欧姆龙编码器作为对隧道的检测。当激光检测到隧道时，编码器开始工作，将车轮转动时产生的脉冲反馈给计数器，计数器将编码器的所有脉冲开始累加；当离开隧道时，激光开始工作，编码器关闭，将车轮累加的总脉冲数传给处理器，通过一定的算法进行计算，得出隧道的长度；同时为减少误差，在后轮前个安装一部编码器，最后对其脉冲只求平均值，得出隧道的最终长度。3.53.5 驱动电路的设计驱动电路的设计电机的机械特性直接关系到赛车系统的驱动性能，通过以下两个模块进行必要的分析。.舵机控制模块舵机控制模块控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置
7、电压。它内部有一个基准电路，产生周期为 20ms，宽度为 1.5ms 的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出，如图 4 所示。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电4机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为 0，电机停止转动。 (a) (b)图 4 输入信号脉冲宽度和舵机输出角度的关系图 .直流电机控制模块直流电机控制模块这里重点分析一下负载变化对电机转速的影响，降压回馈制动以及电压反接制动性能。电机开环机械特性曲线如图 5 所示。图 5 电机开环机械特性曲线从图 5 可以看出，电机稳定运行时的阻转矩为 Ta，转速为 n1，若突
8、然阻转矩增加到Td，转速经回馈制动后稳定在 n2。若要赛车在不同负载下获得稳定的速度，开环调速系统是不能实现的，只能加上速度传感器来实现闭环调速。当降压减速时，电压突然降到零由于机械惯性，转速不能马上降为零，A 点跳到 B 点，产生制动转矩 Tb。对一般电机而言，绕线电阻都不大，特性曲线的斜率就很小，那么制动转矩 Tb 大于稳定运行时的电磁转矩 Ta。当电压反接制动时，电机高速运行，反接制动转矩几乎是减压制动转矩的 2 倍，同时5电流也是降压制动时的两倍，要比额定电流大的多。为了提供这样的大电流，两片 33886并联实在是很有必要的。3.63.6 车体机械结构车体机械结构 车辆机械方面的调整无
9、疑是影响速度的一个关键因素，所以我们在车体结构设计、传感器模块安装、转向机构调整等方面进行了讨论。车体结构设计从以下几个方面着手：车身简捷、底盘稳定、控制灵活、行进快速。同时为保证赛车的稳定性，在安装各模块时应保证安装的左右对称和前后轴载荷比适当。车轮转向舵机电路板驱动电机图 6 车体机械结构示意图四技术路线及可行性分四技术路线及可行性分析析4.1.4.1.循迹循迹6ABCED智能车循迹示意图注：A 摄像头的覆盖范围，B 黄线，C 摄像头，D 白线，E 小车我们采用 CCD 进行循迹，主要过程如下：1.小车开启后 TSL1401CL 线性 CCD 开始工作，对路况信息进行采集。赛道信息的采集，
10、因为赛道存在反光，并且赛道的受照强度也是不一样等多种复杂情况的发生，所以我们采用阈值和曝光时间自适应来达到时刻采集到赛道的准确信息。具体内容如下：（1） 采集不同光强下的曝光时间和阈值，进行数据处理，计算出相关函数。待续（2） 引入新的量（固定量）待续（3） 摄像头的高度及与支架的夹角对路况信息完整性有着极大的影响，对此我们经过计算机 模拟与调试后，得到最佳的安装位置。7摄像头的安装2.TSL1401CL 线性 CCD 采集的信息传送给单片机进行处理。赛道为“8”字形，分为以下几种情况：（1） 直线道（加图）（2） 弯道（3） 直角道（4） 交叉道3.单片机将信息与设定的程序进行比对，对舵机与
11、驱动模块进行调整根据车体的物理运动学规律和日常生活中的经验，为了使车行使的平均速度最大且保证不偏离车道，可以总结出模糊控制规律如下：（1） 如果小车在直道上，小车以高速行驶，并且黑线在小车的正中，则以小车的最高速度行驶。（2） 如果小车要进入弯道，则要减速，如果已经进入弯道，则要加速，以使得驶出弯道进入直道时加速更加迅速。（3）如果小车进入交叉道，则要保持上一次的角度和速度继续前行。基于上述生活中的经验，我们得出下面的控制规则表。8控制规则表角度量速度控制量012345678077765543317765543222766543211376654321047664422005765432100
12、6765432100速度量77654321004.2.4.2.测量树木数目技术路线和可行性分析测量树木数目技术路线和可行性分析4.2.14.2.1 测量树木数目技术路线测量树木数目技术路线树木棵树的测量，考虑到树木的颜色是红色的，普通的红外传感不足以达到要求，所以采用大功率的JG-IM-FS激光传感器，激光传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强、测量距离长的优点。当小车行驶到树木一侧时，安放在小车一侧的激光接收器接收到由激光发射器发出后经树木反射回来的光线，从而使接收器件的光电特性发生改变，经信号处理电路处理后送入单片机内经单片机处理后计数器记录下树木的棵树。4.2.2 测量树木数可行性分析测量树木
13、数可行性分析采用大功率的 JG-IM-FS 激光传感器测量树木的个数。JG-IM-FS 激光传感器的感应方式为漫反射（非透明物）式，工作原理如下图所示：激光发射器发射的激光被树木反射之后，接受管接受到反射的激光，产生脉冲信号，并将信9号传送给处理器处理。根据相关的算法，将至传送到计数器，记录树木的棵树JG-IM-FS 激光传感 器模块处理器 单元激光发射器激光接收管树木激光束4.3.测量隧道长度技术路线和可行性分析测量隧道长度技术路线和可行性分析4.3.1.测量隧道长度技术路线测量隧道长度技术路线由于比赛的场地在室内，再加之隧道内壁已涂成黑色，所以形成了很好的反射对比。我们采用大功率的JG-I
14、M-FS激光传感器作为小车是否进入隧道的检测，小车在未进入隧道前，屋顶可反射激光。测量的具体步骤如下：1.当小车进入隧道后，上侧的激光被隧道吸收，两侧的激光传感器停止工作。此时编码器开始工作，将车轮转动时产生的脉冲反馈给计数器，计数器对脉冲进行累加。2.当小车在隧道中行进时，两编码器同时工作，车速适当减缓。3.当小车离开隧道时，两侧的激光传感器开始工作，编码器停止对车轮脉冲信号的捕捉。4.分别将两个车轮累加的总脉冲数传给处理器，通过一定的算法进行计算，求其平均值，得出隧道的长度；一定的算法： 1.（总脉冲数车轮转一圈的脉冲数）*车轮的周长2.（值 1+值 2）/210（1） （2） （3）注：
15、红色表示激光传感器工作状态，绿色表示编码器捕捉车轮脉冲，黑色表示停止工作4.3.2 测量隧道长度可行性分析测量隧道长度可行性分析（1）确定是否进入隧道不同的物体对于光的吸收和反射程度不同，小车在未进入隧道前，上侧的激光主要被屋顶吸收和反射，所以其测得的数值在某个区间波动；当进入隧道的临界点时，激光被隧道吸收且由于隧道为黑色，反射的光线很弱，测得的数值急剧变化。此事程序设定为进入隧道。（2）编码器开始工作当检测到进入到隧道时，两侧的激光传感器关闭，防止对树木棵树的虚增。于此同时，编码器开始对车轮脉冲信号进行捕捉，计数器对处理后的信号进行累加。当小车离开隧道时，两侧的激光传感器开始工作，编码器停止
16、对车轮脉冲信号的捕捉。4.4 小车流程图11开始初始化图像处理是否准备好图像采集算法小车是否偏离白线沿白线直行采集的数值是否发生变化减速分析数据类型，控制舵机的角度小车继续前进YYYNNN起跑线激光传感器是否准备好树木测量算法NY隧道测量算法两侧的激光传感器信号是否发 生变化N计数器进行计数Y上侧的激光传感器信号是否发 生变化NY关闭两侧的激光，编码器进行 工作，计数器计算脉冲值保存数据显示屏显示数据是否为终止线NY结束上侧的激光传感器信号发生变化两侧的激光工作小车总控流程图125拟解决的关键问题拟解决的关键问题1.循迹模块的控制程序设计，结合线阵 CCD 图像数据的采集处理以及 MC9S12XS128 单片机良好的控制性能，实现小车自动循迹2.外界光源对
