基于光电传感器自动循迹小车设计毕业设计论文.docx

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基于光电传感器自动循迹小车设计毕业设计论文

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。