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1、智能汽车光电组硬件与机械设计专题主讲人：卢红海2012年9月4号前排激光 板光电车整体构造图前排接收 管转向舵机主激光板电池电机驱动 板测速编码 器主控板摇头舵机透镜内容安排一、光电车硬件设计电源管理模 块 单片机 核心控 制器电机驱动模 块光电传感器 模块舵机控制模 块速度检测模 块人机交互模 块1.1硬件设计总体方案硬件电路是智能车的基础，只有完成了稳定科学的硬 件电路，才能在这个基础上进行软件算法的设计，做出优 秀的智能车。智能车硬件设计原则：尽量精减，采用简单可靠的电 路，选用性能优秀而且性价比好的芯片，设计稳定可靠兼 容性好的电路板。硬件设计主流方案：采用飞思卡尔16位XS128或3
2、2 位微控制器MK60DN512作主控芯片。选用5mw100mw 激光作为路经检测传感器，微控制器通过I/O口获得激光传 感器采集的赛道信息，经过处理后给出舵机转角和电机转 速。通过人机接口可以方便的设置智能车运行的参数，并 获得智能车运行状况。1.2单片机核心控制器按照大赛组委会的规定，车模控制电路只能采用 飞思卡尔半导体公司的8位、16位或32位MCU作为唯 一微控制器。常用的MCU有:16位S12XS128、32位 MK60DN512等。核心控制器可以选择购 买设计良好的最小系统 板，也可以自己设计包 括滤波电路、复位电路 和BDM下载端口等。1.3电源管理模块智能车采用7.2V 200
3、0mAh镍镉蓄电池供电，由 于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容 量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路， 将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。稳压芯片的选取原则： 压差不能太大， 电压要稳定， 电流要足够， 价格要适中。 常用芯片有LM2940、 LM2941、 TL1963A 等。1.3电源管理模块电池 7.2V-8.5V电机驱动6V稳压5V 稳压5.5V稳压电机摇头舵机激光传感器转向舵机3.3稳压MCU常用电源模块电压分配图 ：1.4光电传感器模块光电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
4、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。1.4光电传感器模块光电式传感器由光路及电路两大部分组成，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。常用的光电传感器有：红外对管和激光二极管。红外对管由红外线发射管和光敏接收管集合在一起构 成。由于红外对管测量距离有限，精度不高等缺点，慢慢 退出了光电车的舞台。1.4光电传感器模块激光传感器模块分为发射和接收两部分。发射
5、部分采 用5mw100mw功率的激光二极管，接收部分采用接收 光线频率为180KHZ的接收管。1.4光电传感器模块激光传感器检测路面信息的原理是由发射管发射一定频 率的红外线，经地面反射到接收管。由于黑色和白色的反 射系数不同，在黑色上大部分光线被吸收了，而在白色上 大部分光线被反射回来了，所以接收到的光线强度是不一 样的，进而导致接收管特性曲线变化程度不同，从外部观 测可近似认为接收管两端的输出电阻不同，经过分压后电 压就不一样了，这样就也可以把黑白路面识别出来了。1.4光电传感器模块激光发射电路激光接收电路1.4光电传感器模块由于激光二极管数量较多，同时发射时激光传感器 会相互干扰。解决的
6、办法是采用分时点亮，使用74LS138 或154作为分时控制器，由控制器的3个IO口来控制激光 传感器的开断，同一时间控制每组相邻最远的传感器发光 ，这样就可避免接收管接收到相邻传感器发射的激光了。具体实现过程，将在下午光电组智能车软件设计专 题中讲解。1.5电机驱动模块直流驱动电机控制电路主要用来控制直流电动机的 转动方向和转动速度。改变直流电动机两端的电压可以控制电动机的转动 方向；而控制直流电动机的转速，则有不同的方案，较常 规的方法是采用PWM（脉冲宽度调制）控制。驱动电路 既可以直接采用MC33886电机驱动芯片，也可以采用大 功率MOS管来自行设计电机驱动电路。MC33886使用简
7、单方便、功能强大。但其不足在于 最大电流只能达到5A，即使采用多片并联，其压降还是 比较大，不利于智能车加速和制动性能的提升；由功率 MOSFET管搭建H桥电路作为电机驱动，桥电路采用门电 路控制，使得电机驱动使用更加方便、安全。1.5电机驱动模块电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H 。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠 。1.5电机驱动模块要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。 如图所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经 Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图 中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。 当三极管Q1和Q4
8、导通时，电流将从左至右流过电机，从 而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时 针方向）。1.5电机驱动模块驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时 导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流 就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中 除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可 能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三 极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电 路方便地控制三极管的开关。 1.5电机驱动模块如图所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H 桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一 个“使能”导通信号相接，这
9、样，用这一个信号就能控制整 个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输人，可以 保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通 。1.5电机驱动模块简 单 H 桥 电 路1.6速度检测模块为了使模型车能 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。1.6速度检测模块车速检测一般是通过检测驱动电机转速来实现的。 比赛中所使用的常见测速方法有霍尔传感器和光电式脉 冲编码器。我们采用的就是光电编码器。1.6速度检测模块光电式脉冲编码器原理：如下图，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
10、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。1.7舵机控制模块舵机本身是一个位置随动系统。它是由舵盘、减速 齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电路组成的 。通过内部的位置反馈，使它的舵盘输出转角正比于给 定的控制信号，因此对于它的控制可以使用开环控制方 式。在负载力矩小于其最大输出力矩的情况下，它的输 出转角正比于给定的脉冲宽度。二、光电车机械设计2.1光电车机械设计概述随着智能车的速度不断提升，智能车的机械结构越来 越被重视，智能车机械结构的好坏对车的速度
11、有着很大的 影响。机械设计应遵从的三个基本点：1、车体重量尽量轻：在驱动力一定的情况下，尽量 减轻车体的重量会提高赛车的加减速性能。2、重心应该尽量低：要使得智能车能在弯道上高速 通过，必须防止侧滑和侧翻，尤其是侧翻。重心位置是影 响侧翻的最关键的因素，所以设计中应尽量降低智能车的 重心。3、前轮转向尽量灵活2.2转向舵机的安装舵机响应速度是整车过弯速度的一个瓶颈。为了加 快车轮转向速度，我们设计并安装了舵机转向机构。在并 非改变舵机本身结构的条件下，改变了舵机的安装位置， 安装更长的舵机输出臂。采用杠杆原理，在舵机的输出舵 盘上安装一个较长的输出臂，将转向传动杆连接在输出臂 末端。这样就可以
12、在舵机输出较小的转角下，取得较大的 前轮转角，从而提高了整个车模转向控制的速度2。如图 2-3所示，这种方法是通过机械方式，利用舵机的输出转 距余量，将角度进行放大，加快了舵机响应速度。转向舵机安装情况如下图：2.3测速传感器的安装本智能车采用光电编码器作为测速传感器，它能提供 较高的精度并且通过一定的处理后可以识别正反转。光电 编码器通过齿轮和后轴齿轮相连，检测车轮转速。2.4差速机构的调整后轮差速机构的作用是在车模转弯的时候，减少后 轮与地面之间的滑动，使转向轻便。车辆在正常的过弯行 驶时四个轮子的转速皆不相同，顺序为：外侧前轮外侧 后轮内侧前轮内侧后轮。差速器的作用便是在起到传 动的同时允许该速度差的存在。调整原则是：差速器应调的足够的松，但是要保证 在任何测试情况下都不会出现传动力不够的现象，而且为 了保证测速的准确性，不能出现两个车轮同时都和后轴齿 轮转向相反的情况。2.5传感器的安装三、注意事项及答疑硬件和机械设计不只是对专业知识的考察，更是对 心理和人体素质的检验。在硬件设计过程中一定要做到细心、耐心，还要准 备好时刻处理突发情况。注意事项如下：1、电路板排版、大小及形状一定要结合车模组装的 结构来设计。2、电路板焊接要分模块焊接，边焊边检测，以确保 电路板焊接的正常。3、车模搭建时应尽量减少对车模的损坏。谢谢大家
