1、安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书共 页 第 1 页装订线安徽工业大学工商学院本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：基于光电检测的智能车设计与开发学 院：电气信息学院专 业：自动化班 级：自 1241学 号：121842413学 生：唐磊指导教师：刘一帆 安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书共 页 第 2 页装订线摘 要制作光电检测的智能小车所涉及的专业知识包括控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等诸多学科。为了使小车能够快速稳定的行驶，设计制作了小车控制系统。在整个小车控制系统中，如何准确地识别路径及实时地对智能车的速度和方向进行控制是整个控制系统的关键。
2、由于此小车能够自动寻迹,加速,减速.故又被称作为智能车.本智能车控制系统设计以MC9S12XS128微控制器为核心，通过两排光电传感器检测小车的位置和运动方向来获取轨道信息，根据轨道信息判断出相应的轨道类型，并分配不同的速度给硬件电路加以控制，完成了在变负荷条件下对速度的快速稳定调节。红外对射传感器用于检测智能车的速度，以脉宽调制控制方式（PWM）控制电机和舵机以达到控制智能车的行驶速度和偏转方向。软件是在 Code Warrior 5.0 的环境下用 C 语言编写的，用 PID 控制算法调节驱动电机的转速和舵机的方向，完成对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。智能车能够准确迅速地识别特定的轨
3、道，并沿着引导线以较高的速度稳定行驶。整个智能车系统涉及车模机械结构的改装、传感器电路设计及控制算法等多个方面。经过多次反复的测试，最终确定了现有的智能车模型和各项控制参数。关键词：MC9S12XS128；PID；PWM；光电传感器；智能车安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书共 页 第 3 页装订线ABSTRACTMaking automatic tracing car involved the professional knowledge including control, pattern recognition, sensing technology, automobile el
4、ectronics, electrical, computer, machinery and so on many subjects. According to the technical requirements of the contest, we design the intelligent vehicle control system. In the entire control system of the smart car, how to accurately identify the road and real-time control the speed and directi
5、on of the Smart Car is the key to the whole control system. Because this car can automatic tracing, accelerate, slowing down. So it is also known as intelligent car this intelligent vehicle control system design take the MC9S12XS128 micro controller as a core, examines cars position and the heading
6、through two row of photoelectric sensors gains the racecourse information, judges the corresponding racecourse type according to the racecourse information, and assigned the different speed to control for the hardware circuit, has completed in changes under the load condition to the speed fast stabl
7、e adjustment. The infrared correlation sensor uses in examining the intelligent vehicles speed, (PWM) controls the electrical machinery and the servo by the pulse-duration modulation control mode achieves the control intelligence vehicles moving velocity and the deflection direction. The software is
8、 under the Code Warrior 5.0 environment with the C language compilation, actuates electrical machinerys rotational speed and servos direction with the PID control algorithm adjustment, completes to the model vehicle velocity of movement and the heading closed-loop control. The intelligent vehicle ca
9、n distinguish the specific racecourse rapidly accurately, and along inlet line by the high speed control travel. The entire intelligent vehicle system involves the vehicle mold mechanism the re-equipping, the sensor circuit design and the control algorithm and so on many aspects. After the repeated
10、test, has determined the existing intelligent vehicle model and each controlled variable finally many times. Keywords：MC9S12XS128; PID；PWM；photoelectric sensor; smart car安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书共 页 第 4 页装订线目 录1.绪论 .61.1 引言 .61.2.1 总体设计 .71.2.2 传感器设计方案 .71.2.3 控制算法设计方案 .8第二章 机械结构设计 .82.1 前轮倾角的调整 .82.2
11、齿轮传动机构调整 .92.3 后轮差速机构调整 .92.4 红外传感器的固定 .102.5 小车重心的调整 .102.6 齿轮啮合间隙的调整 .10第三章 硬件电路的设计 .113.1 系统硬件概述 .113.2 电源模块的设计 .113.2.1 LM2940 供电电路 .123.2.2 LM2596 供电电路 .133.3 电机驱动模块 .143.3.1 模块介绍 .143.3.2 使用说明 .153.4 路径识别模块 .163.6 单片机模块的设计 .183.7 硬件电路部分总结 .19第四章 软件系统设计 .204.1 智能车控制算法监测平台 .204.2 主程序流程图 .204.3 系
12、统的模块化结构 .21安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书共 页 第 5 页装订线4.3.1 时钟初始化 .214.3.2 串口初始化 .224.3.3 PWM 初始化 .234.4 中断处理流程 .244.5 小车控制算法 .244.5.1 舵机控制 .254.5.2 速度控制 .264.7 弯道策略分析 .28第五章 开发与调试 .295.1 软件开发环境介绍 .295.2 智能车整体调试 .325.2.1 舵机调试 .325.2.2 电机调试 .325.2.3 动静态调试 .32第六章 结论 .346.1 智能车的主要技术参数说明 .346.2 总结 .346.3 不足与展望 .
13、34参考文献 .35致 谢 .36安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书共 页 第 6 页装订线1.绪论1.1 引言思路及技术方案是一个工程项目的灵魂。因此，在设计和制作伊始对思路与方案的选择要非常的仔细,谨慎。作为一个快速的随动控制系统。结合智能车设计的实际情况以及前人对自动控制系统的设计经验。得出“简单、稳定、快速、智能“八字方针作为智能车方案设计的指导原则。智能车是一个快速的随动控制系统，其控制系统分为两个大的子控制系统，分别为：方向控制系统与速度控制系统。方向控制的作用就好比是驾驶员和他所控制的方向盘；速度控制系统的作用就好比是驾驶员和他脚下的油门与刹车。方向控制系统能使智能车沿
14、着导引黑线行驶而不至偏移。速度控制能使智能车在直道上加速行驶而在入弯时刹车减速以尽量提高行驶速度和避免因入弯速度过快而造成的冲出跑道。本次制作的智能车是以光电传感器捕获路径信息的。经过数月的设计与调试，终于完成了这个作品。在设计与制作的过程中以稳定为前提进行软硬件优化设计与参数调整。经过分析认为在路径检测信息非常完备的条件下进行速度优化会对小车的性能有很大提高。由于小车在弯道与直道以及不同曲率半径的弧道的通过速度是不同的。经过研究对于小车的速度控制我们采取的闭环的速度优化控制，利用路径监测信息来给出不同路况下的速度设定值，使小车速度有了很大改善。1.2.1 总体设计信息采集数据处理输出命令信息
15、处理执行模块电机操作舵机操作图 1-1 系统框架图如上图 1-1 所示，该智能小车系统主要分为以下三大块：（1）信息采集模块：在该模块主要是对智能车的所处位置进行采集，并将采集到的信息传送给 MCU，其核心是光电传感器。（2）信息处理模块：信息处理模块包括信息处理和控制模块，其核心 MCU，MCU 接收到采集来的信号，对信号进行处理后作出判断，并发出控制信号。（3）执行模块：该模块包括了驱动电机和舵机，当接收到 MCU 的命令后便执行相应安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书共 页 第 7 页装订线的操作，同时信息采集模块又采集到电机和舵机的状态信息，反馈给 MCU。从而整个系统构成一个
16、闭环系统，在运行过程中，系统自动调节而达到智能车快速稳定行使的目的。1.2.2 传感器设计方案方案一：采用 CCD 传感器来采集路面信息使用 CCD 传感器，可以获取大量的图像信息，可以全面完整的掌握路径信息，可以进行较远距离的预测和识别图像复杂的路面，而且抗干扰能力强。但是对于本项目来说，使用 CCD 传感器也有其不足之处。首先使用 CCD 传感器需要有大量图像处理的工作，需要进行大量数据的存储和计算。因为是以实现小车视觉为目的，实现起来工作量较大，相当繁琐。方案二：使用光电传感器来采集路面信息使用红外传感器最大的优点就是结构简明，实现方便，成本低廉，免去了繁复的图像处理工作，反应灵敏，响应
17、时间低，便于近距离路面情况的检测。但红外传感器的缺点是，它所获取的信息是不完全的，只能对路面情况作简单的黑白判别，检测范围有限，而且容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其产生干扰。方案三：采用电感与电容谐振来采集路面信息使用电感与电容谐振的优点是原理简单（通过电感产生的感应电动势与电感线圈所处位置的关系） ，价格便宜，体积相对较小，频率响应快。缺点是电磁干扰严重，电感线圈感应的信号很小需要相应的放大电路将信号放大，故传感器电路较复杂。在本次设计的跑道只有黑白两种颜色，小车只要能区分黑白两色就可以 采集到准确的路面信息。经过综合考虑，在本
18、项目中采用红外光电传感器作为信息采集元件。光电检测方案：1.光电传感器的选择 对于智能车寻迹来说，路径检测的成败归功于光电传感器的选择与使用。目前，用于光电检测的传感器主要有可见光管、反射式红外光电管、激光管等。可见光管抗干扰能力差，容易受到外界光线影响，因此不能被用做路径检测。反射式红外光电管抗干扰能力强，对自然光和灯光变化的反应较小，并且电路也比较简单。激光管的抗干扰能力强，由于光线聚集故射程较远，但价格较红外光电管贵并且电路也较复杂。综合考虑，最后决定选择反射式红外光电管作为检测器件。2.驱动方式的选择反射式红外光电管一般有直流驱动和光电驱动两种不同的驱动方式。其中，直流驱动的特点是电路
19、简单，但对外界光线的反应相对较大，不过通过在光电管上加套热缩管以及软件处理可以极大降低这种影响；光电驱动的特点是光电管具有更高的功率，探测距离相对较远，抗干扰能力也较强，不过电路复杂且难于控制。因此，安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书共 页 第 8 页装订线我们采用了直流驱动的方式，并利用相应措施降低了外界光线的影响。3.光电管排布方式的选择方案一：15 对光电管均匀分布于一排。由于跑道的宽度小于 25cm，故光电管阵列之间不需要排的太开。因此我们选择光电管对的间隔为 15mm，所以 15 对光电管排布下来的宽度只有大概 21cm，符合规则要求。运用 15 对光电管的好处就是采集的跑
20、道信息精度较高，信息比较连续，因此赛车跑起来不会出现明显的“抖”的现象；但是使用单排光电管阵列的前瞻性比较差，使得赛车不能进行比较提前的判断和控制，因此限制了智能车的速度，同时所有的传感器做成一排做出来的辅助板过大，不宜固定。方案二：15 对光电管均匀分布于两排。将 7 对光电管均匀分布的阵列放在近排，8 对光电管对均匀分布的阵列放在远排。近排的光电管阵列就架设在车的前端 30-40mm；而远排的则架的较高并且伸出 90-110 mm。在这样的光电管阵列下，赛车的前瞻性得到了很好的提高，速度比单排光电阵列情况下高了较多。但是由于光电采集的精度不够，赛车即使在直线上行驶的时候，也容易出现“抖动”
21、的现象，通过调整舵机控制的参数，使得赛车“抖动”的程度明显减少，而且速度也有一定的保证。综合考虑了以上两种方案并通过观察试验效果，我们选择了方案二中的光电管阵列排布。效果如图 1-2 所示。图 1-2 双排光电管阵列效果图1.2.3 控制算法设计方案方案一：比例控制这种控制方法就是在检测到车体偏离的信息时给小车一个预置的反向偏移量，让其回到跑道。比例算法简单有效，参数容易调整，算法实现简单，不需复杂的数字计算。在实际应用中，由于传感器的个数与布局的限制，其控制量的输出是一个离散值，不能对舵机进行精确的控制，容易引起舵机左右摇摆，造成小车行使过程中的振荡，而且其收敛速度也有限。 方案二：PD 控
22、制PD 控制在比例控制的基础上加入了微分控制，可以抑制振荡，加快收敛速度，调节安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书共 页 第 9 页装订线适当的参数可以有效地解决方案一的不足。不过，P、D 两个参数的设定较难，需要不断进行调试，凭经验来设定，因此其适应性较差。方案三：PID 控制PID 控制在 PD 控制的基础上加入了积分分控制，在阶跃信号的作用下，首先产生的是比例-微分作用，使调节作用加强，直到最后达到消除静养的效果。因此 PID 调节从动态，静态都有所改善。当然 P、I、D 三个参数的设定更难，也需要不断进行调试，凭经验来设定，因此其适应性不好 ，但是可以使被小车更稳定的行驶。由于
23、跑道模型与相关参数已给定，即小车运行的环境基本上已经确定，可通过不断调试来获得最优的参数。因此我们选用的是 PID 算法来对舵机和速度进行控制。第二章 机械结构设计在小车行驶过程中，判断小车制作的成功与否是根据小车运行的速度与小车在运行过程中的稳定性，而车辆的机械结构无疑是影响速度的一个关键因素。鉴于这个原因，在后续的工作中对小车的机械结构方面做了一些改进。2.1 前轮倾角的调整调试中发现，在车模过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而增大。为了尽可能降低转向舵机负载，对前轮的安装角度，即前轮定位进行调整。前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。前轮是转向轮，
24、它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等 4 个项目决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。主销后倾是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的角度。它使车辆转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上。由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也愈好。主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时后倾的回正作用大，低速时内倾的回正作用大。前轮外倾角对汽车的转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。前轮外倾角俗
25、称“外八字” ，如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。所以事先将车轮校偏一个外八字角度，这个角度约在 1左右。所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。前轮在滚动时，其惯性力会自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。安徽工业大学工商学院 毕业设计（论文）说明书共 页 第 10 页装订线2.2 齿轮传动机构调整电机轴与后轮轴之间的传动比为 9：38（电机轴齿轮齿数为 18，后轮轴传动轮齿数为 76） 。齿轮
26、传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。齿轮传动-部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，从而影响到最终成绩。调整的原则是：两传动齿轮轴保持平行, 齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧又会增加传动阻力，白白浪费动力;传动部分要轻松、顺畅，容易转动，不能有卡住或迟滞现象.判断齿轮传动是否调整好的一个依据是,听一下电机带动后轮空转时的声音。声音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象；声音闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载加大。调整好的齿轮传动噪音小，并且不会有碰撞类的杂音。2.3 后轮差速机构调整差速机构的作用是在车模转弯的时候
27、，降低后轮与地面之间的滑动；并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。当车辆在正常的过弯行进中 (假设：无转向不足亦无转向过度)，此时 4 个轮子的转速(轮速)皆不相同，依序为：外侧前轮外侧后轮内侧前轮内侧后轮。此次所使用车模配备的是后轮差速机构。差速器的特性是：阻力越大的一侧，驱动齿轮的转速越低；而阻力越小的一侧，驱动齿轮的转速越高以此次使用的后轮差速器为例，在过弯时，因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小，轮速便较高；而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便较低。差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙，过松过紧都会使差速器性能降低，转弯时阻力小的车轮会打滑，从而影响车模的过弯性能。好的差速机构，在电
28、机不转的情况下，右轮向前转过的角度与左轮向后转过的角度之间误差很小，不会有迟滞或者过转动情况发生。2.4 红外传感器的固定为了获取更多的前探距离，我们采用传感器前伸，在规定的范围内尽可能的获取更多的前探距离。但是前伸也带来了其他问题，如车在行驶过程中颠簸引起传感器的晃动。为此我们的固定支架采用了拧纹的形式，从硬件上减少外部环境对传感器的影响。除此之外，我们还把红外管放置与水平成一定倾角，进一步增加前探距离。然而并非倾角越大越好，倾角的增大会导致红外接收管接收到的光减少，背景与黑线之间的压差降低，影响路径的识别。我们使用 55 度的倾角配合上一定的高度取得了较好的效果。2.5 小车重心的调整在智能车各部分零部件大体完成的时候，我们通过移动车上零部件的位置，对其重心进行了调整，通过大量的对比实验后发现：不论使重心偏左还是偏右，赛车在弯道较多的跑道上都会出现不同程度的滑移和转向不足。因此，重心应当尽量处在相对车模左右对称的中心平面内。另外，此次车模为四轮驱动，重心在车上的分
