舵机控制系统的设计.docx
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舵机控制系统的设计
舵机控制系统的设计
湖南涉外经济学院
本科毕业论文（设计）
题目
舵机控制系统的设计
作者
nnnnn
学院
信息科学与工程学院
专业
电子信息工程
学号
nnnnn
指导教师
nnnnn
二〇年月日
湖南涉外经济学院本科毕业论文（设计）诚信声明
本人声明：
所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立开展工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或创作过的作品成果。
对本文工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本科毕业论文（设计）作者签名：
二○○年月日
摘要
智能汽车可以说是一种智能的机器人,这种汽车可以更好的适应不同的工作环境,不会受到温度和湿度和空间辐射和磁场以及重力条件的影响,可以到人们无法进入的环境中完成人们无法的使命,适合于国防等很多领域。
这次设计主要是智能车的设计和实现,主要讲述了智能汽车从硬件到软件的设计和实现的全过程。
我们可以用一个微分模型的驱动车作为智能汽车的基本载体,系统使用的是可靠性高,抗干扰能力强,工作频率高,系统实时好的16位单片机MC9S12DGl28b作为控制的核心系统。
安装CMOS相机负责收集道路信号,作为汽车导航。
设计的目标是为了可以使智能汽车可以弯曲不平的道路上跟踪独立运行,不偏离路径,越快越好。
在智能车设计目标中,介绍了相应的软件系统和硬件电路的设计,硬件电路主要包括有电源模块、相机模块、日志模块、电机驱动模块,无线通信模块,手动设置模块电路等。
在软件控制系统中,设计了一个相机收集信息和图像处理程序,根据道路的信息,可以采用不同的控制方法来控制智能车的速度和方向。
汽车的速度系统是采用的PID控制的快速最优控制车速,其结构简单,具有很强的灵活性能,不一定需要一个精确的数字模型;车的方向控制主要是采用的模糊控制的方法,还充分的利用了单片机MC9S12DGl28b本身带来的一些模糊控制命令,简化了模糊调整速度和算法过程,大大减少了计算的时间,更加有利于模糊推理机。
在这次设计中,硬件和软件采用的是模块化的结构,可以使整个系统的电路变得更加简单,可靠性也得到了提高,还增加了一个删除功能,是为了可以更好的提高系统的可靠性,系统软件和硬件都采用了抗干扰能力的技术。
在电源欠压的情况下系统还会自动的断电。
关键词：
舵机控制系统；自动；单片机
ABSTRACT
Smartcarisakindofintelligentrobot,thecarcanbetteradapttodifferentworkingenvironment,notinfluencedbytemperatureandhumidity,andspaceradiationandmagneticfieldandtheinfluenceofgravitycondition,cangotothepeoplecan'tdopeoplecouldnotentertheenvironment'smission,issuitableformanyfieldssuchasnationaldefense.Thisdesignmainlyisthedesignandimplementationofthesmartcar,focusesonthesmartcarfromhardwaretosoftwaredesignandimplementationoftheentireprocess.Wecanusethemodelofadifferentialdrivevehicleasabasiccarrierofsmartcarsandsystemisusinghighreliability,stronganti-interferenceability,highworkingfrequency,thesystemrealtimegood16-bitmicrocontrollerMC9S12DGl28bascoreofcontrolsystem.CMOScameramountedresponsibleforroadsignalcollection,asthecarnavigation.Designgoalistomakesmartcarcanbendtheunevenroadtrackrunindependently,notdeviatingfromthepath,thesoonerthebetter.Intheintelligentcardesigngoal,andintroducesthecorrespondingsoftwaresystemandhardwarecircuitdesign,hardwarecircuitmainlyincludespowersupplymodule,cameramodule,logmodule,motordrivemodule,wirelesscommunicationmodule,manualsettingmodulecircuit,etc.Inthesoftwarecontrolsystem,designedacameratocollectinformationandimageprocessingprocedures,accordingtotheinformationofroad,canusedifferentcontrolmethodstocontrolthespeedanddirectionofintelligentcar.ThespeedofthemotorsystemistousethefastoptimalcontrolthespeedofPIDcontrol,itsstructureissimple,hasastrong,flexibleperformancedoesnotnecessarilyneedaprecisedigitalmodel;Thedirectionofthecarcontrolmainlyadoptthemethodoffuzzycontrol,alsofulluseofthesinglechipmicrocomputerMC9S12DGl28bitselfbringssomeofthefuzzycontrolcommand,simplifiesthefuzzyadjustingspeedandthealgorithmprocess,greatlyreducethecomputingtime,moreconducivetofuzzyinferencemachine.InthedesignofhardwareandsoftwareUSESamodularstructure,canmakethecircuitofthewholesystemmoresimple,thereliabilityhasimproved,alsoaddedadeletefunction,inordertocanbetterimprovethereliabilityofsystem,thesystemsoftwareandhardwareoftheanti-jammingabilityoftechnologyhasbeenadopted.Inthecaseofapowersupplyvoltagesystemwillautomaticallypoweroff.
Keywords:
Thesteeringgearcontrolsystem;Automatically;Singlechipmicrocomputer
诚信声明……………………………………………………………………………………Ⅰ
摘要………………………………………………………………Ⅱ
Abstract……………………………………………………………………………………Ⅲ第一章前言（黑体加粗四号字）………………………………………………………1
第二章我国外汇储备的发展阶段…………………………………………………2
2.1规模较小阶段（宋体小四号字）…………………………………………………2
2.2.1※※※※（宋体小四号字）………………………………………………2
2.2.2※※※※……………………………………………………………………2
2.2较快增长阶段……………………………………………………………………2
2.3缓慢增长阶段……………………………………………………………………2
2.3.1※※※※……………………………………………………………………2
2.3.2※※※※……………………………………………………………………2
2.4大幅度增长阶段…………………………………………………………………2
……
……
……
结论…………………………………………………………………………………5
参考文献……………………………………………………………………………………6
致谢…………………………………………………………………………………………7
附录A……………………………………………………………………………………8
第一章前言
1．1选题背景
随着社会的发展汽车逐渐的大众化，对于汽车研究的人也越来越多。
国家竞争和省电子系列的大赛智能汽车几乎每次都是重点研究对象,全国大学也高度重视研究它的研究意义。
本文的研究对象为智能汽车是一种智能机器人，智能汽车各领域有广阔的应用前景。
例如,在工业生产,可以代替人们完成货物的装卸和设备测试以及其他任务；军事上，可以代替人们在危险区域侦察和排雷的任务；公民，可以用作指导帮助盲人；在科学的研究中，可以代替人类对另一个星球探索或矿产勘查等。
根据工作环境智能汽车主要分为室内和室外两种,这两种环境的区别在于。
室内环境一般相对狭窄，光线稳定，所以室内环境的复杂性也是有限的，通常被人们视为一个结构化的环境。
而室外环境通常是开放的，因为光照的影响、大气、时间、气候变化都很大，包括简单的结构化环境还包括复杂的非结构化环境中。
户外智能机器人导航一般要求更高的智能。
据统计，人类接受的信息大部分来自于视觉。
同时，智能机器人视觉传感器是用于在收集环境信息中有很大的优势，图像的信息内容丰富，如果在图像识别算法取得突破，那么我们就可以减少整个系统的操作时间，同时还可以大大增加道路试验的准确性，所以使用图像处理路况是一种很有前途的研究方向,，依靠视觉导航的智能汽车将是智能机器人非常“聪明”机器人的开始。
首先，导航，视觉信息不仅包括视觉对象的距离信息，并包含对象的颜色、形状等信息，这些信息是一般传感器不能提供的，为移动机器人具有更高的信息情报奠定了坚实的基础。
其次，关于导航，视觉信息包含在路上边和道路信息，这些信息可以使高级路径规划可以更符合人类的交通规则。
虽然现在智能汽车实际运行的范围是有限的，但高级机器人的智能视觉提供了足够的信息让我们可以有这样的发展机会。
近年来视觉导航领域研究获取的成就反映了视觉导航方式的巨大潜力。
视觉导航是高级生物最常见的导航方式，视觉导航的重大突破，对于实现移动机器人的高度智能化以及提高当前的科技水平都具有重大意义。
1．2选题研究的目的和意义
本文研究的是“智能小车的自动识别方式的设计和实现”,目的是希望可以发展智能汽车的电子自动控制系统。
近年来,人们在享受汽车带来便利的同时,也开始担心许多关于汽车的安全问题,汽车保有量,道路拥堵，事故频发。
根据美国国家公路交通安全管理局生产报告显示,80%的碰撞和碰撞相关司机注意力不集中有很大的关系,这可能是因为疲劳驾驶和使用手机和其他分散注意力的因素,因此,安全控制变得越来越重要。
安全、节能、环保、智能化和信息化是未来汽车的发展趋势。
根据最新的调查报告显示，大多数人们最关心的是汽车的安全性，它比其一辆汽车的娱乐和燃油效率更重要,汽车安全系统是最强劲的需要增强的，传感器系统是一个可以提高汽车碰撞检测能力和提高汽车稳定性的系统。
国际汽车安全系统市场的发展分为主动和被动安全系统,现在也向一体化的趋势发展。
可见汽车安全与控制车内娱乐和导航信息系统相关不大，车身才是中国汽车电子产品的主要发展方向。
总之，作为消费者在主动和被动的要求安全性能的提高,安全已成为驱动汽车的设计和开发的主要动力，智能，敏感和自动驾驶车辆安全系统已经成为现在的追求目标,各行各业技术和产品的不断更新，并提供技术支持，从传感器和模拟集成电路,先进的微处理器,让自动控制的车辆安全大大提高。
“自动道路识别的设计和实现智能车”项目,是使用模型汽车,传感器,单片机,智能车的硬件电路。
其核心是自动控制系统,它是用传感器和处理器构成的,可以根据其他车辆距离、速度和道路条件,自动调整速度,而不用司机干预。
自动道路识别智能车的设计,提高车辆安全、舒适和驾驶效率,控制系统起着重要的作用。
第二章智能小车的系统总结
2.1智能车系统构成
本智能车控制系统采用摩托罗拉公司生产的MC9S12DGl28的16位单片机作为核心控制单元，由安装在车前部的光电传感器及CMOS摄像头负责采集信号，并将信号传到核心控制单元进行判别处理后，由PWM发生模块发出PWM波，分别对舵机和直流电机进行控制，完成智能车的转向、前进和制动。
智能车后轮上还安装有光电编码器，用来采集车轮的转速。
智能车系统主要由以下几部分构成：
中央处理器单元、道路识别单元、速度检测单元、直流电机驱动单元、舵机驱动单元、调试电路模块。
系统总体框图如图2-1所示
为了使智能车能够快速行驶，单片机必须把路径的迅速判断、相应转向电机的控制及直流驱动电机的控制结合在一起。
否则会使小车偏离道路或弯路速度过快冲出道路。
2.2系统各部分的主要功能
系统主要包括以下部分:
（1）中央处理器单元。
使用飞MC9S12DGl28B型号的16位单片机
（2）道路的识别。
智能汽车在行驶的过程中,汽车可以使用摄像机搜集道路的信息,反馈给单片机控制单元,控制单元在判断黑线的位置,控制汽车的速度和转向。
（3）速度检测单元。
使用光电编码器的驱动轮速度实时检测，反馈信息控制。
（4）直流电机驱动单元。
根据速度检测单元反馈信息,驱动直流电机的操作,加速,减速和停止。
（5）伺服驱动单元。
采取了一系列控制算法,通过摄像机的路面信息反馈,通过控制算法来计算控制单元调用，以便准确地控制舵机的旋转使汽车。
（6）电源模块单元。
电源模块为系统其他模块提供所需电源。
考虑的设计的基本参数如电压范围和电流容量,并考虑电源转换效率,降低噪声和防止干扰,电路简单,可靠的电力供应计划是整个电路的基础是稳定的和可靠的操作。
（7）调试电路模块。
用于汽车开发和调试工作,一方面,它可以显示各种信息和控制电路的工作参数,另一方面可以修改工作参数
2.3智能小车的主要参数
项目
参数
280、170、375
2.4系统的主要特点
1系统使用一个Freescalel6位单片机MC9S12DGl28B作为MCU,使系统的微控制器可靠性高,抗干扰能力强,工作频率多达25MHz,保证系统的实时性能。
2.该系统使用数字PID控制器来控制直流电机驱动。
PID控制器结构简单灵活，根据实验和经验可以调整参数，不用一个精确的数字模型，可以获得更好的控制性能。
3系统控制模块使用的方向模糊推理机,模糊推理机是Freescale速度12系列单片机内部资源。
4系统硬件和软件采用模块化结构,根据需求方便添加或删除功能。
5为了提高系统的可靠性,系统采用的硬件和软件抗干扰技术,如;光电隔离技术,数字滤波技术、电磁兼容性分析,等实时监控,低压供电系统有自动关机功能。
总之,智能车辆控制系统在理论和实践中,具有一定的创新点,其功能完善,运行稳定,可靠性高,并提供了一个强大的辅助功能。
第三章智能小车硬件系统的设计
智能小车控制系统的设计第一步是设计硬件系统,因为硬件的设计对系统的运行稳定和控制精度有重要作用。
智能小车系统主要由中央处理器单元,路径识别单元和速度检测单元、直流电机驱动单元,伺服驱动单元等部分组成。
智能车系统的硬件模块如图3-1所示。
以下是对智能小车模块进行的详细设计。
智能车系统的硬件模块如图3.1所示
3.1电路的主要器件
◆电源管理模块：
电池和稳压芯片
◆控制模块：
目标板和系统微控制器
◆路径识别模块：
摄像头和转换器
◆后轮驱动和速度检测模：
直流电机和直流电机驱动芯以及转向舵机模块舵机
◆电源电压检测模块：
光电耦合芯片和运算放大器
◆辅助调试模块：
红外遥控器
3.2电源的设计
电源管理模块的设计是汽车电源为汽车控制器和执行器以及传感器工作提供可靠的电力供应，目前市场上出现的充电电池有镍镉电池和镍氢电池和锂离子电池和碱性电池以及密封铅酸电池几类等。
因为镍镉电池有价格低、成熟的技术、简单的电路、瞬时大电流供应能力的优势、所以就占领了大部分的市场，所以我也就选择了国内镍镉可充电电池当选了智能小车的电源。
电源管理模块的主要功能是对电压进行调整，其他模块提供所需的镍镉充电电池供电系统。
设计时，需要考虑基本参数有电压范围和电流容量和电源噪声以及防止干扰的优化。
电源的好坏可以影响整个硬件电路的稳定。
3.3电路的系统控制
智能单片机系统控制模块是用汽车Freescale发射增强的16位单片机MC9S12DGl28b,这个系列的单片机主要是用于工业控制的，特别是在汽车领域的应用更加广泛。
这一系列单片机的优点是加大了I/o模块和特殊工业控制通信模块。
S12系列的单片机的中央处理器CPU12是由运算器的算术逻辑单元和控制单元以及寄存器组成的。
CPU的总线频率是8mHz，内部的操作速度一般可达到25mHz。
3.3.1单片机的内部结构
MC9S12DGl28B作为S12系列的单片机，内部结构特是非常多的，一般可以有如下结构
（1）时钟和复位模块：
PLL和COP
（2）存储器：
2KBEEPROM和8KBRAM
（3）两个8路A／D转换器：
具有外部触发转换的功能
（4）增强型捕捉定时器：
16位计数器和8个输入或输出通道以及两个8位脉冲计数器
（5）8路PWM通道：
可编程周期以及占空比、8位8路／16位4路PWM、独立控制各路PWM的周期和占空比、中间对齐和左对齐输出、频率范围宽的可编程时钟选择逻辑和紧急时刻快速关闭输出
（6）串行接口：
两个异步串行通信模块和1个IIC总线接口14
（7）3个1M／S，CAN2．OA，CAN2．0B兼容模块
MC9S12DGl28b是支持在线编程的,也就是在线写作和抹去以及网上下载程序。
在线编程的一个原则是：
单片机的芯片CPU有能力写在芯片内、删除操作,用户必须以一串口命令发送给单片机，单片机编程接口除了可以完成ash的抒写、擦除等功能，也可以用做应用程序的调试,还可以在应用程序中进行运行时，随时的访问CPU寄存器的值，比如内存的瞬态信息,这被称为后台调试模式。
此外,监控通过BDM写入,然后还可以从BDM，通过RS下载程序和调试。
3.3.2单片机的硬件设计
（1）时钟电路。
单片机的系统操作需要电源和时钟这两个基本的条件。
在这两个条件中时钟电路设计是最重要的。
不过单片机内部的时钟电路也还是不如使用外部晶体振动稳定性，使用16MHz外部晶体中的单片机外部晶体的输入接口EXTAL和晶体，在利用MC9S12DG128b内部压控振荡器和锁相环（PLL）的频率增加到25MHz，做单片机内部总线时钟。
（2）串口RS.232驱动电路。
通过RS.232转换芯片，单片机也可以用异步串行通信协议和PC的通信的。
RS.232级别转换芯片可以实现TTL和RS.323之间的转换，再通过九个核心串行端口和电脑沟通。
在智能小车控制系统可以电脑通过RS.232下载一个程序控制主板
（3）复位电路。
单片机复位电路集成电力，但使用特殊的复位电路使系统上电复位更加可靠。
智能小车控制系统主电路中是外部复位电路和RC电路使用按钮
（4）电源电路。
单片机MC9S12DGl28B的供电是靠外部的+5V电源。
其电路已在电源管理模块中说明。
单片机芯片内部使用3V电压，较低的片内电压使CPU运行速度快，功耗低；较高的I／O电压有利于抗外界干扰。
（5）BDM（BackgroundDebugMod卜后台调试模式）调试接口。
BDM头接口是接BDM调试工具的，向单片机MC9S12DGl28B下载程序，进行在线调试。
BDM是单片机最根本的调试方式n”。
15广东工业大学工学硕士学位论文
（6单片机运行模式的选择。
MC9S12系列单片机有两种工作模式,分别是单片的操作模式和操作模式的扩张。
单片机操作模式是最常用的MC9S12系列单片机的操作模式。
单片机操作模式分为普通单模和特殊两种,普通单模是运行应用程序时使用模式,特殊的单模指BDM调试模式。
在这里插入BDM头时,可以输入特殊的单模;当不插入BDM自动进入普通单模。
扩展操作模式允许通过外部CPU总路线扩展RAM和I/O等。
单片机MC9S12DGl28B内有足够的存储器资源，所以在智能车控制系统中只需要工作在单片运行模式。
见表3．1可知单片机的工作模式
PE5=MODA
PE6=MODB
BKGD=MODC
工作状态
0
0
0
特殊模式，允许BDM
0
0
1
普通单片模式
0
1
0
特殊测试扩展模式，允许BDM
0
1
1
特殊外围，BDM不能被使用
1
0
0
窄的竞争扩展模式，允许BDM
1
0
1
一般窄的扩展模式，允许BDM
1
1
0
宽的竞争扩展模式，允许BDM
1
1
1
一般宽的扩展模式，允许BDM
3.4道路的识别
3.4.1道路识别的方法
道路的识别模块是智能小车控制系统的关键模块，它可以将交通信息更多和更好更精确的路径信息反馈给小车,以提高小车的运行速度和稳定性。
智能小车跟踪方法有很多，主要分为三种:
红外检测和CCD/CMOS相机检测方法以及红外探测与摄像机相结合。
（1）摄像头的检测方式，通过镜头把智能小车的路径信息传送到控制系统，在使用软件来处理各种参数,用于识别的路径跟踪的方法有很多。
CCD/CMOS相机有线性和阵列两种类型,它们的接口电路和输出信号以及检测信息的差别较大了，摄像机可以拍摄前面道路的图像信息，但线阵CCD只能访问道路的线性图像信息。
事实上，高分辨率线阵CCD也可以看作是红外探测方法。
其优点是通过镜头可以远远领先于道路图像映射到CCD/
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