基于光电传感器的自动循迹智能车系统方案设计书1.docx
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基于光电传感器的自动循迹智能车系统方案设计书1
新一代汽车研究与开发将集中表现在信息技术、微电子技术、计算机技术、智能自动化技术、人工智能技术、网络技术、通信技术在汽车上的应用。
智能汽车是是现代汽车发展的方向。
光电传感器的自动循迹智能车系统，采用光电传感器作为道路信息的采集传感器，单片机为控制系统的核心来处理信号和控制小车行驶。
MC9S12系列单片机在汽车电子控制领域得到广泛应用。
本课题就是利用Freescale的MC9S12XS128微控制器对智能车系统进行设计。
智能车系统设计包括硬件电路和控制软件系统的设计。
硬件系统使用专门软件AltiumDesigner设计。
硬件电路系统主要包括freescale单片机最小系统、电源管理系统、路径识别与检测系统、电机驱动系统。
而控制系统软件的设计主要包括单片机的初始化、PID控制算法、路径识别算法、舵机控制算法、速度控制算法。
软件设计是用Freescale公司的Codewarrior软件作为软件开发和仿真下载的平台。
最后完成了整个自动循迹智能车系统设计。
关键字：
智能车；光电传感器；自动循迹；控制算法；PID;
ABSTRACT
Thedesignofautoguidingsmartcarsystembasedonphotoelectricsensor
Newgenerationautomobiledevelopmentandresearchedfocusoninformationtechnology,microelectronictechnology,computertechnology,intelligentautomationtechnology,artificialintelligencetechnology,networkingtechnology,communicationtechnologyandsoon.Theintelligentautomobileisthedirectioninwhichthemodernautomobiledeveloped.
Weusethephotoelectricsensorasgatheringsensortotakepathinformation,Themicrocontrollerisusedasthecontrolsystemcore,andprocessthesignal,andcontrolscartorun.signal-chipmicrocomputerMC9S12seriesbewidespreadutilizedintheautomobileelectroniccontroldomain.IusetheFreescalemicrocontrollerMC9S12XS128todesigntheintelligentvehiclesystem.Thedesignofintelligentvehiclesystemincludinghardwarecircuitandcontrolsoftwaresystem.IadoptthesoftwareofelectronicsdesignAltiumDesignertocompletedesigningthehardware.Hardwarecircuitsystemmainlyincludesthefreescale’sSingle-chipMicrocomputersmallestsystem,thepowersourcemanagementsystem,thewayrecognitionandthedetectingsystem,themotor-drivensystem.ButthecontrolsoftwaresystemmainlyincludesSingle-chipMicrocomputer'sinitialization,thePIDcontrolalgorithm,thewayrecognitionalgorithm,thesteeringenginecontrolalgorithm,thespeedcontrolalgorithm.ItusesFreescaleCorporation'sCodewarriorasthesoftwaredevelopment,thesimulationanddownloading‘splatforminthesoftwaredesigning.FinallyThedesignofautotracksmartcarsystembasedonphotoelectricsensoriscompleted.
Keywords:
Intelligentvehicle;photoelectricSensor;autotrack;Controlalgorithm;PID；
插图清单
第1章绪论
自动循迹智能车是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等多种功能于一体的综合系统。
除了特殊潜在的军用价值外，还因其在公路交通运输中的应用前景受到很多国家的普遍关注。
近年来其智能化研究取得了很大进展，而其智能主要表现为对路径的自动识别和跟踪控制上。
路径跟踪问题的研究正吸引着国内外计算机视觉、车辆工程与控制领域学者们越来越多的注意，得出了很多有意义的成果。
这些方法可分为两类，即传统控制方法和智能控制方法。
传统控制方法多建立在精确数学模型基础上，而自动引导车系统具有复杂的动力学模型，是一个非线性、时延系统，由于各种不确定因素的存在，精确的数学模型难以获得，只能采用理想化模型来近似，所得到控制律较为繁琐，给实际应用造成不便。
随着近年智能控制论的兴起，一些智能控制方法如模糊控制，神经网络等逐步走向完善，尤其是模糊控制理论在很多地方显示出相当的应用价值，以此为基础，设计新概念的控制器受到人们很大关注。
同时，人们也正考虑这在各种方面包括硬件和软件的综合技术开发和研究探索，智能车的技术将会趋于成熟并得到广泛的应用。
1.1毕业设计（论文）内容及研究意义（价值）
随着经济的不断发展，人们生活水平的不断提高，人口的急速增加膨胀，从而使得汽车使用率将大大提高。
石油等不可再生能源的大量消耗和枯竭，交通的拥堵不堪，交通事故的接连不断等这些问题都摆在我们的面前而有待解决。
当汽车电子得以迅猛发展时，智能车产生和不断探索并服务于人类的趋势将不可阻挡。
智能车的研究将会给汽车这个产生了一百多年的交通工具带来巨大的科技变革。
人们在行驶汽车时，不再只在乎它的速度和效率，更多是注重驾驶时的安全性，舒适性，环保节能性和智能性等。
各国科学家和汽车工作人员以及汽车爱好者都在致力于智能车的研究，研究的成果有很多都已应用于人们的日常生活生产之中，例如在2005年1月,美国发射的“勇气”号和“机遇”号火星探测器,实质上都是装备先进的智能车辆。
同样在很多特殊的场合，人员不宜或不便行驶车辆等情况下，智能车都发挥着它难以替代的作用。
因此，研究智能车的实际意义和取得的价值都非常重大。
在我国现阶段，很多企业和学校也都意识到了研究智能车的重大意义和有着广阔的研究前景，企业与学校联合研究，共享资源的智能车研究也已有较多的合作项目。
本课题利用传感器识别路径，将赛道信息进行存储，利用单片机控制智能车行进。
本课题包括设计供电电路、时钟电路、复位电路、以及通信端口，传感器信号处理电路，电机驱动电路，以及相关控制和存储软件设计。
本课题的综合性很强，是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感、电子、电气、计算机和机械等多个学科交叉的科技创意性设计，这对进一步深化高等工程教育改革，培养本科生获取知识、应用知识的能力及创新意识等具有重要意义。
1.2毕业设计（论文）研究现状和发展趋势
随着汽车电子技术的飞速发展，汽车智能化技术正在逐步得到应用。
汽车智能化技术使汽车的操纵越来越简单,动力性和经济性越来越高，行驶安全性越来越好，这是未来汽车发展的趋势。
而目前许多高校的学生和广大业余车模爱好者都在努力完成能自主识别道路并高速行驶的智能汽车，收集了汽车机械结构、自动控制以及单片机应用开发等各领域专家的论著，给出了车模的机械调整、控制系统硬件电路设计、软件仿真、控制策略以及单片机开发等多方面的指导性意见和建议。
所以我们能够看到智能车研究将会有一个很广阔的前景和发展，各项新的技术也会不断地被应用于智能车的研究之中，而智能车的研究将会给未来的汽车带来非常大的变化，服务于人类。
相对于智能车设计的许多技术应用，本次设计的基于光电传感器的自动循迹智能车系统设计只是应用了其中的一些方面，还有许多技术有待于我们去创新和发展。
总之，智能车研究发展的前景是广阔的，同样又充满着挑战的。
第2章控制系统整体方案设计
在本次设计中，要求所设计的小车具有自动寻迹功能并且有路径记忆的功能，能在指定跑道上高速，稳定地运行。
跑道为黑白两色。
其背景色为白色，跑道用两条黑线作为小车行进的依据。
很明显，要设计的小车是要能沿黑线的正常行驶，并在此基础上，尽量提高小车行驶速度。
2.1整体设计方案概述
设计自动控制器是制作智能车的核心环节。
在严格遵守规则中对于电路限制条件，保证智能车可靠运行前提下，电路设计应尽量简洁紧凑，以减轻系统负载，提高智能车的灵活性，同时应坚持充分发挥创新原则，以简洁但功能完美为出发点，并以稳定性为首要前提，实现智能车快速运行。
作为能够自动识别道路运行的智能汽车，车模与控制器可以看成一个自动控制系统。
它可分为传感器、信息处理、控制算法和执行机构四个部分组成。
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控制系统的硬件；信息处理与控制算法由运行在单片机中的控制软件完成。
故而，自动控制器设计可以分为硬件电路设计和控制软件两部分。
硬件电路是整个设计的基础，应包括有至少以下四个部分：
（1）单片机最小系统。
（2）电源电路：
为各个电路模块提供电源。
（3）道路检测电路，用于完成对于赛道引导线的检测，主要采用光电检测
（4）舵机以及后轮电机驱动电路。
对模型车上的舵机和后轮电机进行驱动，控制赛车的方向和速度。
除了以上四大部分，还包括有车速、车架速度、电池电压和舵机位置检测等电路，增加模型车参数检测，从而提高模型车控制性能，也可增加调试电路方便现场调试。
在硬件电路的基础上，可以利用道路检测信息和车模运行参数信息，通过编写信息处理和控制软件，实现对于模型车转向舵机以及驱动电机的控制，使其能够沿着赛道高速稳定的运行。
而在软件方面，主要功能包括系统软件模块分析以及控制策略算法。
下页图2-1所示即为智能车系统信息的控制流程：
路径检测识别
图2-1系统信息的控制流程图
2.2控制系统整体方案设计
2.2.1模型车硬件整体方案设计
本次设计中的核心单片机将采用MC9S12XS128型号的单片机。
MC9S12XS-128是一款飞思卡尔16位的单片机，其开发方法和工作特点都与常用的8051单片机有一定的区别。
如何开发这款单片机，如何为单片机多个模块写入底层的驱动程序和编写优良的上层控制算法是这一模块的核心。
该微控制器是freescale公司推出的S12系列单片机中具有增强型的16位单片机，该系列单片机在汽车电子领域有着广泛的应用。
S12系列单片机的中央处理器CPU12由以下三部分组成:
算术逻辑单元ALU、控制单元、寄存器组。
CPU外部总线频率为8MHZ或者16MHZ，通过内部锁相环（PLL），可以使内部总线速度可以达到25MHZ。
寻址方式有16种。
内部寄存器组中的寄存器，堆栈指针和变址寄存器均为16位。
它具有很强的高级语言支持功能。
CPU12的累加器A和B是8位的，也可以组成16位累加器D。
它的寄存器组包括如下5个部分:
（l）8位累加器A，B或16位的累加器D。
（2）16位寻址寄存器X和Y是用来处理操作数的地址。
可分别用于源地址，目的地址的指针型变量运算。
（3）堆栈指针SP是16位寄存器。
（4）程序计数器PC是16位寄存器。
它表示下一条指令或下一个操作数的地址。
（5）条件码寄存器CCR。
MC9S12XS128是Freescale公司推出的S12系列单片机中的一款增强型16位单片机，片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、IIC、A/D、PWM等，
单片机采用增强型16位HCS12CPU，片内总线时钟最高可达25MHz；片内资源包括8KRAM、128KFlash、2KEEPROM；SCI、SPI、PWM串行接口模块；脉宽调制（PWM）模块可设置成4路8位或者2路16位，逻辑时钟选择频率宽。
它包括两个8路10位精度A/D转换器，控制器局域网模块（CAN），增强型捕捉定时器并支持背景调试模式。
本次设计所提到的智能车自动控制系统就是基于此芯片设计。
赛车硬件电路作为系统实现其一系列控制功能的基础，其设计的好坏直接关系到最终系统能否正常稳定的运行。
通过分析，得到系统各主要功能模块电路及其与微处理器之间的逻辑关系，系统整体硬件结构设计框图如下图2-2所示：
黑线识别传感器
前轮
舵机
电机驱动电路
MC9S12XS128最小系统
后轮
电机
测速装置
图2-2 智能车控制系统整体结构图
由上页图2-2可知，智能车控制系统整体可分为：
单片机最小系统模块、电机驱动控制模块、电源管理模块、路径识别模块、车速检测模块以及模型车控制策略与算法模块等。
这些模块将会在下面的章节中详细地进行设计说明和阐述。
通过以上的阐述说明和后几章系统硬件部分各部件的选用说明，可以大体得出以下即为本次设计系统硬件的结构框图：
图2-3系统硬件结构图
2.2.2系统软件模块分析
单片机初始化
光电信号的采集
光电信号的处理
霍尔轮速传感器信号输入
控制驱动电机转速
控制舵机转向
图2-4系统软件结构
从该结构图中可以看出，系统的软件模块主要有：
1.单片机系统的初始化，包括单片机系统时钟的初始化、ATD模块的初始化、PWM模块的初始化、增强型时钟模块的初始化，还有一些输入输出口的初始化；
2.光电信号的采集：
通过对红外接收管接收道路反射的红外光后产生电压的变化，采集到了有效的智能车位置信号。
3.光电信号的处理：
将采集到的电压信号存储在单片机中，通过对光电信号的分析和判断来识别路径，判断黑线中间位置，判断道路是直线还是曲线，以及通过计算判断出曲线的斜率，从而进一步的控制舵机的转角和驱动电机的转速。
4.舵机转角的控制和电机转速的控制：
通过控制PWM口的信号输出可以实现对舵机转角和轮速的控制
5.霍尔轮速传感信号的输入：
通过对输入信号的捕捉和计算实现对驱动电机的转速的测算。
2.2.3控制算法设计方案
在小车的运行中，主要有方向和速度的控制，即舵机和电机的控制，这两个控制是系统软件的核心操作，对小车的性能有着决定性的作用。
对舵机的控制，要达到的目的就是：
在任何情况下，总能给舵机一个合适的偏移量，保证小车能始终连贯地沿黑线以最少距离行驶。
在舵机的控制方案中，有以下两种方案可供选择：
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，让其回到赛道。
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方式的限制，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，造成小车行驶过程中的振荡，而且其收敛速度也有限。
方案二：
PID控制
PID控制在比例控制的基础上加入了积分和微分控制，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，I，D三个参数的设定较难，需要不断进行调试，凭经验来设定，因此其适应性较差。
在考虑选择中，根据设计的赛道规则，赛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。
因此选用的是PID算法来对舵机进行控制。
对驱动电机的控制（即速度控制），要达到的目的就是在行驶过程中，小车要有最有效的加速和减速机制。
高效的加速算法使小车能在直道上高速行驶，而快速减速则保证了小车运行的稳定，流畅。
为了精确控制速度，同时对速度进行监控，本次设计中还引入了闭环控制的思想，所以在硬件设计，增加了速度传感器实时采集速度信息。
（下面第7章对PID算法进行详细介绍）
第3章单片机最小系统模块
智能车系统设计的基础——微控制器即单片机，单片机是系统电路的核心组件。
本次设计所采用的单片机是Freescale的HCS12系列产品中的一款芯片叫MC9S12XS128。
下面将对单片机和以MC9S12XS128芯片为核心的最小系统做一下阐述。
3.1单片机以及最小系统简介
随着大规模集成电路的出现及发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种I/O接口集成在一块芯片上，形成芯片级的计算机，因此单片机早期的含义成为单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer），直译为单片机，又称为微控制器（Microcontroller）或嵌入式控制器（EmbeddedController）。
近年来，单片机结合专用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC）和精简指令计算机（ReduceInstructionSetComputer，RISC）技术，发展嵌入式处理器（EmbeddedProcessor），适用于数据与数值分析，信号处理、智能机器及图像处理等高技术领域。
所谓的单片机最小系统，是指在单片机外部增加尽可能少的元件电路，组成一个让单片机可独立工作的系统。
3.2MC9S12XS128最小系统设计
本节将介绍以MC9S12XS128芯片为核心的最小系统的组成，如图3-1所示。
该最小系统主要包括以下几个部分组成：
时钟电路、BDM接口、供电电路、复位电路和调试用的LED灯。
1、时钟电路为单片机提供一个外接的16HZ的石英晶振。
2、BDM接口允许用户通过该接口向单片机下载和调试程序。
3、供电电路主要是给单片机提供+5V的电源。
4、复位电路是通过一个复位芯片给单片机一个复位信号。
5、调试用的LED灯和单片机的PORTB口相连，供程序调试使用。
图3-1最小系统原理图和PCB图
第4章电源管理模块
电源模块为系统其他各个模块提供所需要的电源。
设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪音、防止干扰和电路简单等方面进行优化。
所以说，可靠的电源方案设计是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。
本次设计的全部硬件电路的电源由7.2V、2A/h的可充电镍镉蓄电池提供。
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定电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。
电源模块整体供电的可框图如图4-1
7.2v，2000mAh镍镉电池
MC33886
LM7806
6V
LM78055V
电动机
舵机
转速传
感器
红外
接收
红外
发射
MC9S12
最小系统
图4-1电源系统结构框图
下面将对几种主要供电电压电路进行设计
1）5V电压。
主要为单片机、信号调理电路、红外对管以及部分接口电路提供电源，电压要求稳定且噪声小，电流容量大于500mA。
本次低压降采用型号为LM7805的稳压芯片，LM7805具有大电流、低功耗、电路简单可靠的优点。
其电路图如图4-2：
图4-2LM7805电路图
2）6V电压。
主要是为舵机提供工作电压，实际工作时，舵机所需要的工作电流一般在几十毫安左右，电压无需时十分稳定。
6V低压降采用型号为7806的三端线性稳压器，7806稳压电路把7.2V的电池电压转换为6V的电压，供给舵机使用。
其电路图如下图：
图4-3LM7806电路图
3）7.2V电压。
这部分直接取自电池两端电压，主要为后轮电机驱动模块提供电源。
第5章路径识别模块和测速检测模块
5.1路径识别模块
路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣。
本设计采用的是光电传感器实现智能车路径识别功能。
所谓光电传感器寻迹方案，即路径识别电路由一系列发光二极管、接收二极管组成，由于赛道中存在轨迹指示黑线，落在黑线区域内的光电二极管接收到的反射光线强度与白色的赛道不同，由此判断行车的方向。
5.1.1光电传感器
光电传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。
光电传感器工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量的变化,从而实现非电量的测量。
光电传感器的基本组成如下：
光电元件
光学元件
光学元件
调制件
或
被测件
测量
电路
物理量
图5-1光电传感器的基本组成
5.1.2光电传感器发射与接收电路设计
本项目中，选用的是红外对管RPR-220作为传感元件。
RPR-220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二级管，而接收器是高灵敏度硅平面光电三级管。
它有如下三大特点
1.塑料透镜以提高灵敏度
2.内置的可见光过滤器以减小离散光的影响
3.体积小结构紧凑
传感器电路如下图5-2所示：
图5-2单对红外传感器电路图
工作原理：
当小车在白色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号，经白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，那么图中光敏三极管将导通，比较器输出为低电平；当小车行驶到黑色引导线时，红外线信号被黑色吸收后，光敏三极管截止，比较器输出高电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。
将检测到的信号送到单片机I/O口，当I/O口检测到的信号为高电平时，表明红外光被地上的黑色引导线吸收了，表明小车处在黑色的引导线上；同理，当I/O口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在白色地面上。
5.1.3路径识别传感器布局设计
通过分析可知：
寻迹传感器模块的设计是整个智能小车设计中的最重要的一部分，其作用相当于人的眼睛和耳朵，采集外部路面的信息并将其送入MCU微控制器进行数据处理，其能否正常工作直接影响着小车对路面的判断以及小车下一步的行动，因而其布局的合理性与有效性对小车稳定而又快速的行驶起着至关重要的作用。
个人认为在传感器的布局中，要解决两个问题：
信息检测的精确度和信息检测的前瞻性。
一般寻迹传感器的布局常见的有以下几种方案：
方案一：
一字形布局
反射式光电传感器在小车前方一字形简单排布。
在一字形中传感器的间隔有均匀布局和非均匀布局两种方式，均匀布局不利于弯道信息的准确采集，通常采取的是非均匀布局。
考虑到弧度信息采集的连贯性，非均匀布局的理论依据是等角度分布原则，即先确定一合适的定点，从顶点依次等角度画射线，射线与传感器水平线相交的位置即为传感器的位置。
这种方案信息检测相对连贯，准确，使控制程序算法简单，小车运行连贯，稳定。
方案二：
M形布局
传感器呈M形排布。
这种
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