基于红外感应器的智能汽车毕业论文.docx
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基于红外感应器的智能汽车毕业论文
基于红外感应器的智能汽车毕业论文
安徽三联学院：
运算机科学与技术系:
运算机科学与技术专业姓名：
徐恒
摘要：
随着我国经济的快速增长，我国的教育事业也取得了长足的进步。
在教育部关于〝加强大学生工程实践，创新能力和团队能力培养〞精神的号召下，我国在已开设的全国数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等4大竞赛的基础上，又创办了〝全国大学生智能汽车竞赛〞。
在大赛的推动下全国各大高校纷纷参与到智能汽车的竞赛之中，到了现在的20
10年差不多举办了第五届智能汽车大赛，相伴着时代的潮流，我院也开展了此次智能汽车的
进展工作，我们运算机科学与技术系成为了带头开展智能汽车的单位。
关键字：
智能车、MC9S12DG128单片机、CCD、PID、舵机、传感器、电机、电池、驱动电路
前言：
随着全国智能汽车大赛在全国范畴内的展开与普及，越来越多的高校大学生参与到了这一项竞赛当中。
这一竞赛要紧是为了提高大学生的动手能力和创新能力，具有重大的现实意义。
与其他大赛不同的是，那个大赛的综合性专门强，是以迅猛进展的汽车电子为背景，涵盖了操纵、模式识别、传感、电子、电气、运算机和机械等多个学科交叉的科技创意性竞赛，这对进一步深化高等工程教育改革，培养本科生猎取知识、应用知识的能力及创新意识，培养硕士生从事科学，技术研究能力，培养博士生知识，技术创新能力具有重要意义。
智能汽车竞赛是在教育部自动化分教指委与飞思卡尔汽车芯片制造商的协办下举行的，首届竞赛由飞思卡尔公司提供统一的标准硬软件技术平台。
各参赛队以飞思卡尔HCS12单片机为核心操纵模块，引导改装后的模型汽车按照规定路线行进，已完成时刻最短者为优胜。
经各参赛队和大赛组委会的充分预备，于2006年8月20-21日在清华大学成功举办了由清华大学承办、飞思卡尔公司协办的第一届〝飞思卡尔〞杯全国大学生智能汽车邀请赛。
赛后队员们反应强烈，众多媒体竞相报道。
时至今日，智能车竞赛越来越被大学生所重视，吸引了越来越多的大学生的参与，进一步增强了大学生的科学技术研究素养，而且，竞赛的科学价值更有期望应用到现代的科学生产当中，加强了科学的推动力。
2020年，在〝飞思卡尔〞杯智能汽车竞赛成功举办了第五届之后，我们学校也正式启动了对智能汽车的研究打算。
我作为一名运算机科学与技术专业的学生有辛参与了这一富有挑战性的课题的研究打算，我们第一将智能汽车以论文的的形式逐步完善下来，并配合几位指导教师，从硬件、软件方面，逐步搭建整个智能车系统，并最终完成整个智能车的设计。
由于仅仅只有3个月的时刻来设计研究，各方面的研究还只是初步时期，智能车设计中难免有许多缺陷，此次论文设计大致涵盖了智能汽车设计的软硬件方面，整理、归纳难免有欠缺之处，还望指正！
第一章智能汽车设计概述
1．智能汽车简要介绍--------------------------------------------------3
2．智能汽车方案设计--------------------------------------------------
3．智能汽车设计步骤--------------------------------------------------
第二章智能汽车的设计与实现
①把握开发工具的差不多使用方法--------------------------------------------
②小车的机械结构设计--------------------------------------------------------
③小车的电路结构设计--------------------------------------------------------
④小车的驱动电路设计--------------------------------------------------------
⑤算法设计-----------------------------------------------------------------------
⑥软件设计-----------------------------------------------------------------------
⑦系统整体调试时期-----------------------------------------------------------
⑧相关技术参数-----------------------------------------------------------------
第三章学年论文设计总结
参考文献：
附录：
智能汽车设计与制作
第一章智能汽车设计概述
第一节智能汽车简要介绍
智能汽车设计的模型车是采纳智能汽车竞赛所使用的车模，该车模是以韩国爱德美公司生产的Matiz系列1:
10模型车如图1所示，其差不多尺寸参数如表一所列。
图1模型车示意图
该模型车底盘采纳的是等长双横臂式表1模型车的差不多尺寸参数
差不多参数尺寸
轴距198mm
前轮距137mm
后轮距138mm/146mm
车轮直径52mm
传动比18/76
独立悬架。
但车轮上下跳动时，车轮平面
没有倾斜，但轮距会发生较大变化，故车
轮发生侧向滑移的可能性较大。
依照汽车理论的基础知识，能够在实际组建当中进行调整，以使汽车获得最正确的性能。
关于智能汽车竞赛的差不多情形：
参赛队伍通过设计基于单片机的自动操纵器操纵模型车在封闭的跑道上自主寻线运行。
在保证模型车运行稳固即不冲出跑道的前提下，跑完一圈的时刻越小，成绩越好。
自动操纵器是以单片机MC9S12DG128为核心，配有传感器、电机、舵机、电池以及相应的驱动电路，它能够自主识别路径，操纵模型车高速稳固运行在跑道上。
图1所示为安装有自动操纵器的模型车。
竞赛跑到表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25cm。
竞赛规那么限定了赛道宽度和拐弯最小半径等参数，赛道具体形状在竞赛当天现场公布。
操纵器自主识别引导线并操纵模型车沿着赛道运行。
图2所示为赛道示意图。
图1安装有自动操纵器的智能车
设计自动操纵是制作智能车的核心环节。
在严格遵守规那么中关于电路限制条件，保留智能车可靠运行的前提下，电路设计应尽量简洁紧凑，以减轻系统负荷，提高智能车的灵活性，同时应坚持发挥创新原那么，以简洁但功能完美为动身点，并以稳固为首要前提，实现智能车快速运行。
图2赛道示意图〔700mm×500mm〕
作为能自动识别道路运行的智能汽车，车模与操纵器能够看成一个自动操纵系统。
它可分为传感器，信息处理，操纵算法，执行机构四个部门组成。
其中以单片机为核心，配有传感器、执行机构以及它们的驱动电路构成了操纵系统的硬件；信息处理与操纵算法由运行在单片机中的操纵软件完成。
因此，自动操纵器设计设计和操纵软件两部分。
硬件电路是整个设计的基础。
系统结构如图3所示。
图3硬件电路
大赛详细规那么如下：
A.电路器件及操纵驱动电路限制
1）核心操纵模块能够采纳组委会提供的HCS12模块，也能够采纳
MC9SDG128自制操纵电路板,除了DG128MCU之外,不得使用辅助处理
器以及其它可编程器件；
2）伺服电机数量不超过3个；
3）传感器数量不超过16个〔红外传感器的每对发射与同意单元计为1个
传感器，CCD传感器记为1个传感器〕；
4）直流电源使用大赛提供的电池；
5）禁止使用DC-DC升压电路为驱动电机以及舵机提供动力；
6）全部电容容量和不得超过2000微法；电容最高充电电压不得超过25伏。
B.赛道差不多参数
1）赛道路面用纸制作，跑道所占面积不大于5000mm*7000mm，跑道宽度
不小于600mm；
2）跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm；
3）跑道最小曲率半径不小于500mm；
4）跑道能够交叉，交叉角为90°；
5）赛道为二维水平平面；
6）赛道有一个长为1000mm的动身区，计时起始点两边分别有一个长度
100mm黑色计时起始线，赛车前端通过起始线作为竞赛计时开始或者与
终止时刻。
注：
不包括拐弯点数目、位置以及整体布局
第二节智能汽车方案设计
智能汽车的设计方案要紧有两种：
一是，基于红外传感器的道路识别模块设计的智能小车；二是基于CCD摄像头的道路识别模块设计的智能小车。
基于这两种设计的智能汽车设计要紧从以下几个方面着手：
硬件设计和软件设计，而软件设计又是基于硬件设计和总结规律的基础上得出的。
第一冲硬件设计开始。
2.1电源模块
电源模块为系统其他模块提供所需要的电源。
设计中除了考虑电压范畴和电流容量等差不多参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路设计等方面进行优化。
可靠的电源方案是整个硬件电路可靠运行的基础。
全部硬件电路的电源由7.2V、2A/h的可充镍镉蓄电池提供。
由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各模块所需要的电压，要紧包括如下不同的电压：
1.5V电压。
要紧为单片机、信号调理电路以及部分接口电路提供电源，电压要求稳固、噪声小，电流容量大于500mA。
2.6V电压。
要紧为舵机提供提供工作电压。
实际工作时，舵机所需要的工作电流一样在几十毫安左右，电压无需十分稳固。
3.7.2V这部分直截了当取自电池两端电压，要紧为后轮驱动电机模块提供电源。
4.12V电压。
假如采纳CCD/CMOS图像传感器来进行道路检测，那么需要12V工作电源。
5.2V电压。
为红外发光管提供工作电压。
能够采纳开关电源从电池降压而得，如此能够红外检测电路的电源利用效率。
需要依照红外发射管的参数确定该电压值。
除此之外，假如使用了其他芯片和传感器，它们的工作电压可能不在上述之内，还需要通过专门的稳压电路，提供相应的工作电压。
例如采纳飞思卡尔公司的MC7260加速度传感器进行车轮打滑检测，该传感器需要3.3V的工作电压。
电源模块由假设干相互独立的稳压电路组成。
一样采纳如图6所示的星形结构，能够减少各模块之间的相互干扰，进一步减少单片机的5V电源噪声，能够单独使用一个5V的稳压芯片，与其他接口电路分开。
5V
7..2V6V2V
图6电源模块的电路结构
降压稳压电路能够采纳串联稳压和开关稳压两种芯片。
开关稳压芯片的工作效率高，但有较高的电源噪声，耗电量较大的电路适用于开关稳压电路。
例如采纳大电流红外检测电路，由于红外发射管数量较多，总的消耗电流专门大，采纳开关电源将电池电压降至2V左右作为红外发射管的工作电压，现在每个红外发射管工作时只需要串联专门小的先留电阻甚至不用串联电阻。
采纳这种方法，能够大大提高电源利用效率。
稳压电路的设计需要简单可靠，在满足电压波动范畴要求下应尽量简化电源设计。
例如舵机电源在4.5~6V的范畴内，电流100mA左右，能够从7.2V的电池电压通过串联硅二极管而获得。
此外，通过实验可发觉，组委会所提供的舵机能够直截了当工作在7.2V电压下，现在舵机响应速度也会提高，因此直截了当使用电池电压作为舵机的电源。
假如采纳CCD或CMOS摄像头作为道路传感器，它们工作电压在9~12V范畴内。
此工作电压高于电池的电压，需要借助斩波升压电路猎取。
能够采纳专门升压芯片进行设计，
也能够利用单片机PWM输出端口操纵大功率晶体管进行斩波升压。
有些CMOS摄像头工作电压在6~9V之间，因此也能够直截了当使用电源电压作为电源，因此选择CMOS摄像头也能够简化电路设计。
排除电源中的噪声，并减少电压波动，需要在各级模块中安装滤波电容，包括容量小的高频滤波电容以及大容量的电解电容。
由于存在电机驱动，为了幸免电机在启动和制动过程产生的冲击电流关于电源的阻碍，应尽量加大电池的电容容量，但不要超过大赛承诺放入电容容量限制。
2.2道路检测模块方案比较与选择
检测赛道相对车模的偏移量、方向、曲率等信息是实现车模自主沿着赛道运行的差不多信息基础，猎取更多、更远、更精确的赛道信是提高车模运行速度的关键。
本次智能车模竞赛的赛道是白底黑线，路径识别即识别白底地面上的黑线轨道的检测，常用的方案有：
方案一：
采纳CCD摄像头
图7CCD摄像头探测路径
使用CCD摄像头采集路面图像采纳图像处理与分析的方法判定路径，是路径识别中常用的方法之一。
这种方法的优缺点如下：
优点：
能够感知前方较远距离处的赛道状况；受外界干扰小。
采纳CCD最大的优势是通过对车辆前方图像的处理我们能够准确的判定出车辆前方较长一段距离跑道的走向，从而为当前车辆状态的操纵提供了大量的信息，我们能够依照摄像头拍照到的画面，通过边缘检测等算法判定出许多关键信息，如中心位置，方向，曲率等等，这些参数差不多上操纵电动车稳固并快速运行的关键参数
缺点：
图像处理运算量大，处理速度慢，实时性不高。
采纳面阵CCD路径参数检测算法也存在许多缺点，如开发有效路径参数算法是专门复杂的工作，同时CCD设备价格昂贵此外加上竞赛规那么的限制，我们只能使用规定的处理器，关于使用只有25MHz的单片机处理图像信息，显得力不从心，CCD摄像头寻迹方案的优点是能够更远更早地感知赛道的变化，然而信号处理比较复杂，如何对摄像头记录的图像进行分割和识别，加快处理速度是摄像头方案的难点之一。
方案二：
采纳反射式红外光电管
图8采纳光电管检测路径
采纳反射式红外光电管，也是路径检测常用的方法。
这种方法利用了路面不同的材料和颜色对光线的吸取和反射量不同，如此我们检测反射回来的光线就能够得到当前位置的材料或者颜色。
这种方法的优缺点如下：
优点：
电路简单，信号处理速度快。
光电传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快。
光电传感器的排列方法、个数、彼此之间的间隔都与操纵方法紧密相关。
缺点：
感知前方赛道距离有限，受外界红外频段光线干扰，精度比较低。
光电管相对的感知距离较近同时只能提供专门少的前方车道的走势信息。
反射式红外检测方式又能够分为交流式和直流式。
交流式能够排除外界红外光线的阻碍，但电路和信号处理过于复杂，采纳直流式尽管其受到外界红外光线的阻碍较大，但采取一定措施后能够减小干扰，这些措施包括：
采纳定向的红外光电发射管和接收管；发射管发射方向朝向地面，实验说明如此能够大大的降低外界的干扰，达到正确识别路径的要求。
方案选择论证：
考虑到小车微处理器采纳的是规定的S12单片机，其运算速度决定了对图像的处理与分析的时刻专门难达到实时性的要求，操纵精度专门难达到要求的范畴，小车速度也必定不能提高。
交流式光电管电路设计比较复杂，在每个接收端都应该有相应的滤波器，如此复杂的电路设计和调试差不多上相当复杂的。
依照上面介绍的两种方案的优缺点，权衡稳固性、精度和速度后，我们选用了直流反射式红外光电管方案。
本方案需要注意的问题如下：
我们需要把光电管尽量贴近地面，以减小干扰；尽量密集排布光电管收发对，提高测量精度；程序上，需要确定合理的算法，得到当前的路况。
这些我们将在以下几章详细介绍。
2.3速度检测方案
小车的实际行驶速度是小车速度操纵的操纵输入量，准确实时的测量小车的速度才能实现小车的速度操纵，即纵向操纵。
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，但容易受外界光源阻碍。
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。
采纳电磁感应的原理。
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，同时要将侧速发电机安装到电动车内需要对电动车模型进行较大改动，由于其质量较重，可能会严峻阻碍电动车的机动性能，除非自制。
优点是测速准确、稳固、快速，能够直截了当由AD转换器读入单片机测得当前速度值。
图9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，在圆盘上装上假设干对小磁钢，小磁钢愈多辨论率越高。
霍尔开关固定在小磁钢邻近，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，运算出单位时刻的脉冲数，即可确定旋转体的速度。
方案选择论证：
光电测速传感器受外界光源阻碍专门大，不适合运动性物体的测速；测速发电机体积重量较大，不便于小车内安装；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。
2.4电源治理方案
电源模块是整个智能车能否良好运行的最重要的基础，良好的电源模块能够大大减小系统显现疑难故障的几率，同时稳固的电源模块也是系统各个部分和谐工作的必要条件之一。
电源系统要紧要为单片机及光电检测电路〔+5V〕、转向舵机〔+6V〕、后轮驱动电路〔+5V和+7.2V〕三大部分分别提供稳固的直流电源。
解决方案介绍
由于电池组的输出电压只有7.2V，而输出要求5V和6V，不能使用最一般的同时常见的直流稳压电源芯片7805和7806，因为他们要求输入输出电压压差至少在3V以上，因此我们选用了低压降的LM2940作为5V电压的稳压模块，它的最低压降只有0.8V，同时由于舵机和驱动电机对电源的阻碍专门大，可能导致电源有较大纹波，为了尽可能的降低驱动电机和转向舵机之间的干扰，我们采纳另外一个稳压电源芯片专门为转向舵机供电，我们选中LM1117为转向舵机单独提供电源，通过改变LM1117接地端〔2引脚〕的电势，我们能够调剂LM1117的输出电压，以满足转向舵机的电压要求。
同时在电池组输出端加上1000u的电容，尽量减少电池组输出电压的波动。
电源系统的结构框图如以下图10所示。
图10电源系统结构图
2.5操纵算法方案
操纵系统算法是整个系统设计的核心，是自动操纵系统实现〝自动操纵〞的灵魂，操纵算法的选择和实现直截了当关系到系统工作的方式和性能。
本设计中，小车的操纵包括横向操纵〔即转角操纵〕和纵向操纵〔即速度操纵〕，必须依照不同传感器操纵输入量的特性以及不同执行部件操纵输出量的特性不同，选择合适的操纵算法，才能达到良好的操纵成效.。
常用方案介绍：
在目前，人们常用的自动操纵方法要紧有三种，这确实是经典操纵方法、现代操纵方法和智能操纵方法。
经典操纵理论是过去人们常用的操纵理论，这种操纵理论只能解决线性定常系统的操纵问题。
线性是指系统的输入量和输出量的关系是线性的，定常是指系统的输入和输出量的关系是恒定的，并不随时刻的变化而变化。
经典操纵方法是以传递函数为基础实现的。
一样的工业生产过程较多属于线性定常系统，能够用经典操纵方法来操纵，经典操纵方法最典型的确实是PID操纵方法。
PID操纵应用最广、技术最成熟，其操纵结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型就能够调剂，其调剂品质取决于PID操纵器各个参数的整定。
现代操纵理论能够解决时变系统的操纵问题，在时变系统中，输入量和输出量的关系随时刻的变化而变化。
故而现代操纵理论在航空航天和军事上有专门大的作用。
现代操纵方法是以状态方程为基础实现。
在操纵工程中，有一些复杂的被控对象〔或过程〕的特性难以用一样物理及数学的已有规律来描述，而且没有适当的测试手段，或测试仪器无法进入被测区，以致不可能为其建立数学模型。
对这类不具有任何数学模型的被控对象〔或过程〕，运用传统操纵理论，包括现代操纵理论专门难取得中意的成效。
自从1974年英国的Mamdani首次用模糊逻辑实现对蒸汽机的操纵之后，模糊操纵就成为一种有别于经典操纵和现代操纵的新的操纵方式。
模糊操纵是基于人们的体会的，而体会是人们智能活动的结晶，故而模糊操纵反映着人们的智能对生产过程的自动操纵作用。
故而模糊操纵是比经典和现代操纵更高一级的操纵方法，即智能操纵方法。
智能操纵方法是现在进展起来的最新操纵方法，目前还在不断完善和进展之中，模糊操纵那么是智能操纵方法中的一种方法。
由于模糊操纵采纳人的体会规那么，有时也称体会操纵或规那么操纵，模糊操纵有如下几个优点：
1．无需预先明白被控对象的精确数学模型，因此，能够对那些数学模型难以求取或无法求取的对象进行有效操纵；
2．由于操纵规那么是以人的体会总结出来的条件语句表示的，因此，关于
对模糊操纵理论不熟悉的人来说，也专门容易学明白和把握模糊操纵的方法；
3．对被控对象的参数变化有较强的鲁棒性；
4．由于表示操纵知识是以人的语言形式，故有利于人机对话和系统的知识处理，从而有利于系统处理的灵活性和机动性。
方案选择论证：
分析本设计中小车系统各个被控对象的特点能够看出，小车中的横向操纵〔即转角操纵〕具有线性定常系统的特点，输入的角度偏差和操纵输出的角度是一种线性关系，同时不随时刻的变化而变化；而小车的纵向操纵〔即速度操纵〕的操纵输出量不仅和小车行驶过程中的角度有关，而且和小车的实际速度有关，同时对不同路面摩擦系数不同，输入操纵量和输出操纵量难以用一种线性的关系来描述。
依照对以上三种操纵方法的分析比较，结合小车系统各个被控对象的特点和实验比较，本设计中小车的横向操纵采纳经典的PID算法，纵向操纵那么采纳了模糊操纵的方法。
综上，我们选择直流反射式红外光电管识别路径；选择霍尔开关检测速度；选择PID操纵算法操纵转角；选择模糊操纵方法操纵速度和制动；
2.5电机驱动模块
模型车后轮驱动电机型号为RS-380电机，工作在7.2V电压下，空载电流为0.5A，转速为16000r/min。
在工作电流为3.3A，转速达到14060r/min时，工作效率最大。
通过电机驱动模块，操纵驱动电机两端电压能够使模型车加速运行，也对模型车进行制动。
由于竞赛中不需要模型车倒车，因此电机之工作在正转方向上做功与发电两个状态。
能够使用大功率晶体管、全桥或者半桥电路，输出PWM波形实现关于电机的操纵。
图11给出了基于MC33886全桥电机驱动芯片的电路原理图。
进一步提高关于电机驱动的能力，还能够从如下方面进行改进：
▶采纳大功率MOS管组成电机驱动电路，例如MOS管IRF540，由于大功率MOS管导通内阻小，承诺大电流通过，可提供更大的瞬时加速电流。
然而相应的电路设计较为复杂。
图12给出了使用MOS管组成的的点进驱动电路。
▶驱动集成电路并联使用提供更大的驱动电流。
例如能够将两片33886电机驱动芯片pintopin并联使用，借助驱动芯片内部输出特性实现两片输出电流均衡。
▶能够为功率管或者集成驱动电路添加散热片，改善它们工作条件，提高它们过载能力。
电机驱动电路的电源能够直截了当使用电池两端的电压。
模型车在启动过程中往往会产生专门大的冲击电流，一方面会对其他电路造成电池两端的电压下降，甚至会低于稳压电路所需要的最低电压值，产生单片机复位现象。
为了克服启动冲击电流的阻碍，能够在电源中增加容值较大的电解滤波电容，也能够采纳缓启动的方式操纵电机。
在启动时，驱动电路输出电压有一个渐变过程，使得电机启动速度略微降低从而减小启动冲击电流的幅度。
图12M
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