光电设计大赛总结报告.docx

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光电设计大赛总结报告

第三届全国光电设计大赛总结报告

学校：

长春理工大学

队名：

长理之光

队员：

张昊、张茵、杨硕

目　　录

1系统总体方案设计及车模各项参数

本章主要简要的介绍智能车的总体设计思路与各个模块的分配，在后面的章节中将分为机械结构部份，硬件电路设部份，软件算法分析部份对导航做再更一步的简介。

1.1系统总体框国

如图所示，车模的系统框图及各模块关系如图所示：

图１.１车模的系统框图

智能车系统由车前桥的传感器模块，舵机模块，转向机构，后桥的光电编码器，电机，制动装置，以及S12主控模块构成。

前桥模块负责路径检测以及转向工作，后桥模块负责电机速度控制，S12主控模块负责赛道数据处理以及控制策略的实施。

1.2系统的硬件参数

车长：

29cm车宽：

31cm车高：

11cm车重：

约1.6kg

导航车使用2排7路数字光电传感器（激光）。

中间为间隔为1.3cm的排布，两排传感器的间隔为0.8cm。

使用了3个光电开关。

1.3车模外观

最终智能车完成图如图所示：

图1.3智能车各方面视图

2机械结构部份的设计及调整

2.1车体机械建模

图2.1车体机械图

2.2车模转向舵机机械结构的设计

转向系统在车辆运行过程中有着重要的作用，合适的前桥调整参数可以保证车辆行驶直线方向的稳定性；而在车辆转向后，合适的前桥可以使得车辆自行回到直线行驶状态，即具有好的回正性。

基于这个原因，前桥参数调整及转向系统优化设计必然会成为机械结构部分的重点，在实际中我们做出了以下的调整：

①增大后轮距：

根据车辆运动学，增大后轮距，能提高智能车稳定性并减小侧滑。

前轮外八字型调整：

前轮中心位置对导航车转向有着重要的作用。

②导航车的重心位置前移调整：

车身重心位置的前后调整对智能车行驶有很大的影响，按照车辆运动学理论，车身重心前移会降低转向灵敏度与后轮抓地力，但会有效的提高转向性能，鉴于导航车本身要求，故重心前移。

3硬件电路设计

3.1主控板的设计

3.1.1电源管理模块

电源模块用以为单片机，传感器等除电机驱动模块的所有元器件供电，该部份主要由两个稳压芯片构成，分别为LM2940-5与LM2941。

，由于LM2940的稳压的线性度非常好，但是带载能力偏弱。

LM2941是可调节稳压器件，可将电压调节至需要的大小。

对于单片机，需要提供稳定的5V电源，否则易造成单片机工作不正常，所以选用LM2940-5对其进行供电。

对于舵机，5v电压不足以让舵机响应灵敏，所以选用LM2941对其供电。

这样选择分开供电，有利用防止各器件之间发生串扰，使得某些部份工作不稳定。

3.1.2主控模块

图3.2主控模块

主控模块是控制的中心，主要由S12单片机构成，从中引出PORTAB作为数字型传感器输入口，PATD口为AD口引入作为红外模拟传感器输入口，PWMDTY01口复用作为16路PWM波发器输出口，控制制动舵机。

PWMDTY23口复用，控制电机，PWMDTY45口复用，控制转向舵机。

PTO作为光电编码器输入口以测量车速。

3.1.3晶振及锁相环模块

图3.4晶振及锁相环

3.1.4接口模块

该模块作用主要是将单片机的各输出口做成各种接口形式，方便和外设相连，主要的接口有传感器接口，转向舵机接口，制动舵机接口，以及光电编码器接口。

图3.5接口模块

3.2电机驱动模块

图3.6电机驱动模块

电机驱动模块由两块bts7971构成,它具有工作电压范围大，导通电阻小，它具有两个半桥构成：

图3.733886内部原理图

3.3传感器部份电路

接收发射部份

图3.8数字传感器发射接收电路

传感器由两部份构成，一部份为发射部份，一部分为接收部份。

发射部份由一个振荡管（J1_1）发出180KHz频率的振荡波后，经三级管放大，激光管放射。

接收部份由一个相匹配180KHz的接收管接收返回的光，滤波后直接接入单片机用以判别电压高低。

图3.10传感器PCB图

3.4主控板的PCB设计

由于车模的重心越低，越有利于车的稳定性，因此，将主控板设计的形状和大小直接安装在车模的底盘上是最好的也是最经济的方法，经过多次的整合，最终成型的电路板如图所示：

3.11主控板PCB图

4总体理论分析及算法实现

4.1路径识别算法分析及选定

经过分析，一般有两种种不同的路径搜索方法。

（1）利用多对数字型光电传感器，将整个赛分为多个区域，直接以传感器组反馈回来的一组二进制数组值，来判断路标的位置。

（2）使用多对对模拟型光电传感器，进行赛道的精确定位，该算法在下文中有专门论述。

在实际中，我们的曾使用的模拟+光电传感器的路径搜索方式。

4.2基于光电传感器排布理论分析

数字型光电传感器只有0与1两种状态，因此各个传感器的布局间隔极为重要。

我们将传感器由一种状态起始到下一种状态起始所需移动的距离称为有效距离，有效距离越短，传感器停留的时间短，可能造成该状态为瞬态，反之，可能造成某一状态过长，舵机控制算法成跳跃式响应，造成软件无法弥补的缺陷。

经过反复实践，我们的激光间距为13mm。

4.3数字传感器接收防干扰算法

传感器的干扰主要分为两种，一是自然光的干扰，二是传感器之间的相互干扰。

由于传感器的光电流只与返回光线的光强有关系，因此，当外界光线较强时，易使传感器误判，就产生了自然光的干扰。

而当传感器的距离较近时，会产生一路传感器不仅接收自已发出的光，甚至也接收临路传感器的光，就产生了传感器之间的相互干扰。

4.3.1自然光干扰的消减:

通过一个带通滤波器区分出有用的信号并将环境光的干扰消除，就能有效检测发射管发出的信号，前提是接收管不能被环境光饱合。

在实际我们所做的是利用 180KHz的调制发射管发射180KHz的光，在接收部份使用只接收该频率的光的接收管，就很明显的抑制光干扰。

4.3.2传感器之间的干扰的消减

由于传感器不可能每个传感器都用不同频率的发射管来发射来进行不同频率的调制，因此不可能利用自然光干扰的消减的方法来解决，经过我们多次的试验，发现轮流点亮的最短周期为100μs，当小于100μs时，传感器工作将不正常。

4.4舵机控制算法

舵机作为车的方向控制结构，其控制算法直接影响到车的整体质量，如果舵机控制算法不好，会导致舵机转角不平滑，因此，使舵机平滑及时的过渡是舵机机控制算法的主要目地。

4.4.1车体与舵机转角方向测定

由于赛道只有直道和直角弯道，故舵机转角分为两部分：

一、直道微量调节转角。

二、弯道最大稳定转角。

4.4.2舵机转向角度分配

舵机转角的分配一般分为两种方式，分别为

1：

查表方式，即每种传感器状态对应一个舵机转角。

该方式具有反应速度快，控制策略简单，时实性强的特点，但是赋值是离散化的，因此造成了舵机转向不连续，无法进行预测功能的缺点。

2：

PID方式，即使用PID调节方式对舵机进行控制，该方式在反应速度，舵机转向连续以及转角预测上都优于查表方式，但由于PID对连续性要求非常高，故选用查表法。

4.5电机PID速度控制算法

智能车系统速度控制是指用在一定的给定速度条件下，使电机转速达到给定的速度。

使用速度传感器检测小车当前速度，与给定速度做比较，形成闭环反馈控制。

4.5.1测试开环与闭环控制响应曲线

在长直道上测试电机分别在开环与PID控制之下的响应曲线

图4.10开环控制占空比80%电机速度曲线

图4.10中横轴为时间轴一格为1s，纵轴为单位采样时间内码盘数，开环控制占空比为80%，车速=比例因子*单位采样时间内码盘数,比例因子为0.064。

图4.11PID控制下电机响应曲线

图4.11是在增量式PID控制下，给定值1400，比例因子0.032,，横轴一格为1s。

从图4.10和图4.11中可以得到，开环控制在5s后达到稳定速度，即响应时间约为5s。

在稳定之后，纹波较小。

PID控制在参数未经过细调的情况下，闭环控制在响应速度上有很大的优势。

4.5.2PID控制

在实际测试中，我们选择了带死区的增量式PID算法。

算法是防止它调节过于频繁，导致系统震荡。

增量式PID算法存在不能起速的问题，为此在程序中附加了当偏差过大时赋予控制值最大的语句。

4.5.3PID参数整定

在实测中，首先单独使用比例控制，最终在30至40之间发现效果比较好。

然后在比例基础上加了积分与微分。

并测试了多组参数，得到当比例参数40，积分参数100，微分参数20的曲线为较优曲线。

图4.18PID调节P30I80D40

4.6入库方式的分析

入库分为两个部分：

转弯入库，入库停车。

1转弯入库：

车库的长宽尺寸是导航车长宽的1.5倍，因此入库是本次比赛的一个难点。

考虑到比赛现场的地面等多种不可预期的情况，必须留有余量。

因为弯道宽度大于车库宽度，故入库的程序可用正常弯道程序。

2入库停车：

车库内部有顶棚，故可用光电开关检测是否将要入库，可通过软件延时停车。

5总结

在这次的比赛中，我们受益匪浅。

不用说我们在其中学到的新知识是多么有价值，也不用说它拓宽了多少我们的眼界，只是说它让我们的能力得到的提高就已足以成为我们努力付出的回报。

首先，它增强了我们查阅资料的方法技巧，更是大大的提高了我们自学的能力。

其次，它还增强了我们的动手能力。

理论与现实总是用通过实践联系起来的，我们在这次比赛中不再是局限于课本或是参考资料中的理论知识，而是把所有的实验都按部就班的做过，并通过实验结果对所理解的知识进行了加强巩固，更是对原来的理解偏差进行了改正，使我们对平时所学的课程更加透彻。

当然，我们自己动手焊接了不少硬件电路，用到了大量的基础知识，还把实习中学到的焊接技术，对以前的知识进行了一次整合。

再来，它增强了我们的沟通能力。

合作精神是一个团队成立成长的根本所在，我们组的队员从第一个合作项目起就十分的团结，大家各有分工，共同讨论，为我们日后的工作能力打下了基础。

本次大赛给予了我们很多，通过本次比赛大家一起交流学习，互帮互，增强了合作意识。

老师们的帮助让我们感觉老师不再仅仅是一个指导者，更像一个家长带领我们成长，让我们跟老师之间的关系更加的紧密。

最后，我们衷心感谢我们的指导老师。