基于光电传感器自动循迹小车设计毕业设计.docx

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基于光电传感器自动循迹小车设计毕业设计

江西理工大学

本科毕业设计（论文）

题目：

基于光电传感器的自动循迹小车设计

摘要

制作自动寻迹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。

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CodeWarrior5.0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

ABSTRACT

Makingautomatictracingcarinvolvedtheprofessionalknowledgeincludingcontrol,patternrecognition,sensingtechnology,automobileelectronics,electrical,computer,machineryandsoonmanysubjects.Accordingtothetechnicalrequirementsofthecontest,wedesigntheintelligentvehiclecontrolsystem.Intheentirecontrolsystemofthesmartcar,howtoaccuratelyidentifytheroadandreal-timecontrolthespeedanddirectionoftheSmartCaristhekeytothewholecontrolsystem.

Becausethiscarcanautomatictracing,accelerate,slowingdown.SoitisalsoknownasintelligentcarthisintelligentvehiclecontrolsystemdesigntaketheMC9S12XS128microcontrollerasacore,examinescar'spositionandtheheadingthroughtworowofphotoelectricsensorsgainstheracecourseinformation,judgesthecorrespondingracecoursetypeaccordingtotheracecourseinformation,andassignedthedifferentspeedtocontrolforthehardwarecircuit,hascompletedinchangesundertheloadconditiontothespeedfaststableadjustment.Theinfraredcorrelationsensorusesinexaminingtheintelligentvehicle'sspeed,（PWM）controlstheelectricalmachineryandtheservobythepulse-durationmodulationcontrolmodeachievesthecontrolintelligencevehicle'smovingvelocityandthedeflectiondirection.

ThesoftwareisundertheCodeWarrior5.0environmentwiththeClanguagecompilation,actuateselectricalmachinery'srotationalspeedandservo'sdirectionwiththePIDcontrolalgorithmadjustment,completestothemodelvehiclevelocityofmovementandtheheadingclosed-loopcontrol.Theintelligentvehiclecandistinguishthespecificracecourserapidlyaccurately,andalonginletlinebythehighspeedcontroltravel.

Theentireintelligentvehiclesysteminvolvesthevehiclemoldmechanismthere-equipping,thesensorcircuitdesignandthecontrolalgorithmandsoonmanyaspects.Aftertherepeatedtest,hasdeterminedtheexistingintelligentvehiclemodelandeachcontrolledvariablefinallymanytimes.

Keywords：

MC9S12XS128;PID；PWM；photoelectricsensor;smartcar

第一章绪论

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。

本文第二章主要介绍系统的机械结构设计，第三章介绍智能车的硬件电路设计，第四章介绍系统软件的设计，第五章介绍完成智能车设计所需开发调试工具及调试过程，第六章对此次设计做出总结，并给出智能车的相关参数。

1.2本文设计方案概述

1.2.1总体设计

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，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90-110mm。

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”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，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。

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，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，重心在车上的分布对车的动力影响不是很明显。

通过实验发现：

当赛车重心偏后时，由于前轮上所分配的载荷较轻，使赛车转向时前轮滑移，造成过弯时间变长。

在华东区的比赛中我们也发现，此车模的重心偏高，若不对其进行改造，会造成过急弯时车轮离地，对抓地力造成很大影响，从而使车模过弯时间变长。

综上考虑，根据赛车的实际情况调整车体重心，使其处于中心偏前优化其转向能力，使底盘离地1.3cm左右优化其过弯能力。

2.6齿轮啮合间隙的调整

车模电机传动轴和赛车分动器之间采用齿轮啮合传动，另外，光学编码器和分动器齿轮之间同样采用齿轮啮合，前后差速器中也存在多个齿轮副。

齿轮啮合性能的好坏，直接影响电机的驱动效率。

啮合齿轮的轮轴不平行，将直接导致齿轮间啮合平稳性不足，传动效率低，影响赛车速度的提升。

啮合齿轮间隙过大，将导致打齿轮，过小则将导致电机驱动阻力增加，两者都不利于提高赛车的驱动性能。

因此，对于啮合的齿轮，应当适当调整齿轮间隙和齿轮轴间的平行度，使齿轮啮合顺畅，噪声小。

按照第四届部分报告中提到的思想，以放在平地上行驶时的声音作为判断齿轮啮合情况最为合适。

对差速器，考虑到其性能对车轮运动有较大的影响，我们采用多个车模进行测试的方法，挑选出其中较好的差速器，并使用差速器油进行润滑，以获得较好的性能。

第三章硬件电路的设计

3.1系统硬件概述

系统硬件框架图如图3-1所示：

图3-1系统硬件框架图

控制核心是飞思卡尔公司推出的MC9S12D系列的增强型16位64个管脚单片机MC9S12XS128这款芯片，片内资源丰富，包括PWM模块可设置成8路8位或者拼接成4路16位,2个10位8通道A/D转换器，8通道输入捕捉/输出比较定时器，2个异步串行通信接口SCI,1个同步串行通信接口SPI,1个1Mb/s的CAN总线模块，兼容CAN2.0A/B等等。

利用片内资源结合具体模块的功能要求具体实现技术路线如下：

（1）电源管理：

核心板最小系统供电、传感器供电、舵机供电和直流电机供电。

要求：

（a）低压差，实现6.5V～7.2V电池到5V转换；（b）可提供足够电流输出，驱动发射光电管，并考虑一定的安全余量；（c）考虑芯片散热的问题，提供热关断、短路保护和安全操作保护等功能。

（2）舵机控制：

模块化模型舵机利用信号输入端的占空比不同调节转角，可以通过单片机芯片内置PWM模块配合编程实现。

（3）直流电机驱动：

采用PWM驱动。

要求：

（a）开断电流能力强，驱动功率大，质量可靠；（b）具有过流保护、欠压保护、热关断的能力，各种功能使用方便。

结合集成功率芯片选择要求和直流电机运行参数，选用大功率电机驱动模块ZNCD-1043

3.2电源模块的设计

电源是一个智能车系统得以运行的关键及动力所在。

根据“硬件设计最简”的原则，需要完善电源设计方案。

整个智能车的电源是由一块7.2V2000mAhNi-cd蓄电池提供，为了使智能车系统各部件能正常的工作，故需对7.2V2000mAhNi-cd蓄电池进行电压调节。

其中，中央控制系统（最小系统）、路径识别的光电传感器和接收器电路、需要5V电压，伺服电机工作电压范围4.8V到6V根据多次调试决定使用5V电源给供电，直流电机可以使用7.2V2000mAhNi-cd蓄电池直接供电。

电源供电部分关系到整个系统工作的稳定性，由于采用的是镍镉电池供电，内阻比较大，电机启动或者突然加速的瞬间，电池输出的电流很大，电池两端电压突然会降低。

为了保证单片机和其他模块工作正常，所以在对电源供电的设计方面，要求电路工作效率高，输出电压稳定。

而且随着车子在跑道上跑，随着电池电量的消耗，电池两端的电压也会慢慢降低，这就要求稳压芯片的选取要工作压差小。

本系统所需电压有5V、7.2V，其中7.2V部分为电机驱动电压，可由电池直接提供；5V部分为路径识别模块，舵机控制模块，串口通信模块，单片机最小系统模块等。

系统电源供电分配如图3-2所示：

图3-2系统电源供电分配框图

5V电源是整个智能车系统电源模块中电流需求最大的一个部分。

要求大电流、低压差、低噪声等特性。

在此将根据各种不同稳压芯片的特性选款符合此智能小车各个模块的工作要求。

根据不同的工作原理可将电源分成两类：

线性稳压电源、开关稳压电源。

线性稳压电源：

一般的线性稳压电源的输入电压与输出电压之间的电压差大，稳压电源内部的调整管上的损耗大，效率低。

但近年来开发出各种低压差（LDO）的新型线性稳压器IC，效率也有较大的提高，线性稳压电源还有一个优点就是外围元件最少、输出噪声最小、静态电流最小，价格也便宜。

开关稳压电源：

开关稳压电源中有一个工作在开关状态的晶体管（一般是MOSFET），故称为开关电源开关管工作于饱和导通及截止两种状态，所以开关管管耗小并且与输入电压大小无关，相对于线性稳压电源一个明显的优点是工作效率高，一般可达80%～95%。

稳压芯片选择：

方案一：

普通常用稳压芯片LM7805。

优点：

价格便宜。

缺点：

效率低，发热量大。

压差大，外部供电要在7.5V以上才可以稳定稳压到5V

方案二：

开关稳压芯片LM2575/LM2596。

优点：

工作效率高，发热量小，输出电流大，约3A。

工作电压可以低至6.5V。

缺点：

外围电路复杂，成本高，由于是开关稳压，稳压后的波纹大。

方案三：

低压差线性稳压芯片LM2940。

优点：

低压差，工作压差可以小于0.5V,在电池两端的电压降到5.5V还能稳定地输出5V的电压，电压波纹小，可以给单片机稳定的供电。

外围电