1、测速模块设计2.2 速度检测方案小车的实际行驶速度是小车速度控制的控制输入量，准确实时的测量小车的速度才能实现小车的速度控制，即纵向控制。常用的测速方案有以下几种：方案一： 光电测速传感器原理是传感器开孔圆盘的转轴与转轴相连接，光源的光通过开孔盘的孔和缝隙反射到光敏元件上，开孔盘随旋转体转一周，光敏元件上照到光的次数等于盘上的开孔数，从而测出旋转体旋转速度。灵敏度较高，但容易受外界光源影响。方案二： 测速发电机原理是将旋转机械能转化成电信号，适合于测量速度较高的旋转物体的速度。采用电磁感应的原理。但市场上测速发电机应用于低压市场的比较少，而且都比较重，不适用于模型车，并且要将侧速发电机安装到电
2、动车上需要对电动车模型进行较大改动，由于其质量较重，可能会严重影响电动车的机动性能，除非自制。优点是测速准确、稳定、快速，可以直接由AD 转换器读入单片机测得当前速度值。图2-3 测速发电机方案三： 霍尔传感器其工作原理是：利用霍尔开关元件测转速，内部具有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路，其输出电平和TTL电平兼容。在待测旋转体的转轴上装上一个圆盘，在圆盘上装上若干对小磁钢，小磁钢愈多分辨率越高。霍尔开关固定在小磁钢附近，当旋转体以角速度M 旋转时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的速度。方案选择论证：光电测速传
3、感器受外界光源影响很大，不适合运动性物体的测速；测速发电机体积重量较大，不便于小车上安装；集成化霍尔开关传感器具有灵敏可靠、体积小巧、无触点、无磨损、使用寿命长、功耗低以及不怕尘土、油污、湿热等优点，综合小车运动环境和重量轻的要求，我们使用了霍尔传感器来进行速度检测。我们在后轮上贴了N 个磁铁，轮子每转1/N 圈，霍尔元件就会输出一个脉冲，只要测量每两个脉冲之间的时间就可以知道当前车速。要提高测速的速度可以适当增加N 值，但相应测到速度的精度就会下降，但考虑到实际运行系统对速度精度要求不高，所以在调试阶段可以根据情况增减N 值。图4-5 霍尔开关型传感器CS1018 内部结构图4.3.3 基于
4、霍尔开关的测速电路霍尔开关的电路非常简单，并且易于在车上安装，其电路图如图 4-6：图4-6 霍尔元件测速电路我们根据电动车的实际情况，在车模上一共安装了2 个磁铁，装在车轮的轴上，如图3-4 所示，当电动车的车轮转动一周，霍尔开关将输入2 个脉冲到单片机。单片机通过定时器，计数器捕获这些脉冲，从而计算出电动车当前的速度值。2.3速度检测模块-速度传感器速度检测电路的基本原理为：在很短的时间内，通过光电传感器来测量固定在后轮的轴上的码盘通过的孔数，输送到单片机的脉冲累加器外部引脚，经过换算计算出智能车的实际速度，为速度 PID 控制环节提供可靠的数据。光电传感器是经过改造制成的。以智能车原来所
5、携带的安装在后轮的轴上的齿轮作为码盘，齿轮本身具有 76 个齿，即相当于光电码盘上有 76 个孔，具有相当的精确度。另外自己制作基本的支架，通过光电传感器来实现对后轮电机的速度采集。光电传感器的供电电压为 5V，外加 1K 的上拉电阻，输出信号的是 05V 高低电平。具有齿槽结构的圆盘固定在后轮驱动电机输出轴上，采用直射式红外光传感器读取齿槽圆盘转动脉冲，再通过 PT7 返回给单片机。2.2.3车速检测模块车速检测模块方案很多，而且各方案在性能上区别不大，有基于遮光盘的红外对射式速度传感器、霍尔效应传感器、差速器侧面卡盘的红外反射式速度传感器、专用光电编码器。我们认为对于速度传感器最重要的是简
6、单稳定，而大多数队伍自行设计码盘，费时费力，而且线度往往不够。本队就地取材，拆了一个坏了的机械鼠标，得到了三个码盘和光电对射管，在初期线度也达到了速度检测的要求，省时省力。当校内赛出现后，我们的车速越来越高，鼠标码盘已经不能满足我们的要求，于是我们换上了500线的码盘，如图2.5。从根本上解决了速度检测的精度问题。图2.5 专业码盘实物图速度传感器为了使车模在跑道上平稳地运行，并以最快的时间完成比赛，这就要求车模能以高速通过直道，并以恰当的速度平稳地转弯，这就要求车模要有较好的调速性能。直流电机调速通常使用 PWM 调速来完成，通过改变驱动器输出 PWM 波的占空比，就可以调节加在电机上的平均
7、电压，达到调速的目的。但是，采用开环调节时电机特性比较软，转速收到供电电压、负载变化等因素变化影响较大，所以需要设置速度传感器，对车速进行实时检测进行闭环控制。检测车速的办法有很多种，例如测速电机、旋转编码器、反射式光电检测、对射式光栅检测、霍尔测速等等方法。鉴于测速的可靠性，我们采用工业用的增量式旋转编码器进行测速。受安装条件的制约，我们选用了一款 2.0cm 直径 256 线的小型编码器，编码器安装如图 3.5 所示。编码器安装示意图速度传感器图 2.9 速度传感器参赛车模的速度传感器如图 2.9 所示。速度传感器是由安装在车模电机主轴上的一个直径为 25mm 的齿轮、一对红外线发射、接收
8、管及电压比较器电路组成的。考虑到硬件的安装与齿轮的加工难易程度，选择石英钟齿轮作为码盘。齿轮轴直径为2.0mm 与电机主轴端部的孔（直径约为 2.3mm）为过盈配合，故用 502 胶将其粘牢。红外线发射、接收管采用集成式光电开关。在运动过程中，齿轮随电机主轴一起转动，其齿部断续地遮挡红外线光束，使得接收管接收到断续的光脉冲信号。经过如图 2.10 所示的电路，将接收管接收到的光脉冲信号转换为电脉冲信号。该电路采用 5V 供电，调节电位器阻值，使得红外线被齿轮遮挡时电路输出低电平，红外线不被遮挡时电路输出高电平。但是，红外线集成式光电开关的恢复特性较差，在高频下图 2.10 所示电路输出的高低电
9、平的区分度较差，须将电平信号经电压比较器整形后方可使用。图 2.10 速度传感器原理图3.6测速模块安装速度传感器子板用 502 胶粘在电机上方的框架上，确保霍尔器件的正面正对磁铁。电机主轴每转一圈，被驱动轮转四分之一圈，前进长度为 4cm，霍尔传感器就能向控制系统发送两次次脉冲，通过计数器和微控制器的增强型输入捕捉功能可以计算出此时智能车的速度。如图 3.4 所示。图 3.4 速度传感器模块实际安装图3.3 编码器的安装对编码器的安装，我们是将编码器安装到电机后架上面，主要有两种方法固定；1. 用强力胶粘，这种方法方便，位置自由度大，且不增加额外的重量。但 一旦安装上，很难把编码器再取下来，
10、不能重复使用。2. 用特制的木架支撑。这种方法需要特殊的设计，但安装方便、重复利用 率高。图 3.4 编码器的安装2.3.2测速电路设计 在测速模块电路设计中，在后轮的齿盘处均匀的布置12块小磁钢，车轮每转一圈可以获得12个脉冲。霍尔传感器的稳定性较高，一般不易发生故障。但是在速度过高时可能会出现响应不及时，造成脉冲信号缺失的情况。这个问题可以通过软件调节检测周期来进行修改。具体设计电路如图2.7所示 4.1.5车速检测模块 为了使得智能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，使智能车在急转弯时速度不要过快而冲出赛道，直道上则以较快速度行驶。基于测速的精确和安装方便
11、的原则，本队车速检测单元采用日本OMRON公司的E6A2-CW3C型旋转编码器作为车速检测元件。其精度为车轮每旋转一周，旋转编码器产生200个脉冲，该编码器硬件电路简单，且信号采集速度快、精度高，满足智能车车速控制精度要求。旋转编码器的工作电压为512伏，输出为一系列脉冲。电路原理图如图4.1.5所示 图4.1.5 编码器原理图 E6A2-CW3C型编码器的输出方式为电压输出，因此本系统将编码器的输出接一个5K上拉电阻再与PT0口相连。PT0采用8位输入脉冲累加模式对旋转编码器的输出脉冲进行累加计数。车速检测单元安装如图4.1.5.1所示，在编码器的中轴上安装一个齿数18的齿轮，并将该齿轮与同轴于后轮的传动齿轮咬合。如此则后轮旋转的同时将通过传动齿轮带动编码器一同旋转。因此只需要测量一定时间(5.12ms)编码器输出的脉冲数就能准确计算出车速。车速的计算公式如1所示： 式中（d为后轮直径，n为采样时间内PT0捕获的脉冲数，T为采样周期）。 编码器安装图如图4.1.5.1所示： 第四章 智能车硬件电路设计 21
