畢業(yè)論文---基于數(shù)字化視覺的智能小車設(shè)計與實現(xiàn)

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 ( 論 文 )</p><p>　　學(xué)院電氣與信息工程 </p><p>　　專業(yè)電子信息工程 </p><p><b>　　學(xué)生姓名</b></p><p><b>　　班級學(xué)號</b></p><p>&l

2、t;b>　　指導(dǎo)教師</b></p><p><b>　　二零一一年六月</b></p><p>　　基于數(shù)字化視覺的智能小車 設(shè)計與實現(xiàn)</p><p>　　Smartcar design and implementation based on digital visual</p><p>　　畢

3、業(yè)設(shè)計（論文）題目：基于數(shù)字化視覺的智能小車設(shè)計與實現(xiàn)</p><p>　　一、畢業(yè)設(shè)計（論文）內(nèi)容及要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、 達到的指標(biāo)和應(yīng)做的實驗等）</p><p>　　智能車是將先進的傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、 電控技術(shù)、信息顯示技術(shù)等高新技術(shù)綜合運用于一身，實現(xiàn)自動跟蹤道路，自動識 別前方障礙物，自主避讓,最終實現(xiàn)自主導(dǎo)航,自動駕駛等功能，達到提高

4、行車安全、 增加道路通行能力的目標(biāo)。</p><p>　　要求：采用 Freescale 公司的 16 位單片機作為主控單元，小型直流電機作為驅(qū)動 元件，使用舵機控制智能車的轉(zhuǎn)向。通過光電編碼器測速，構(gòu)成帶速度反饋的伺服 控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用 CMOS 攝像頭作為路徑識別裝置，通過圖像識別提取路徑信息， 利用 bangbang 算法進行速度調(diào)節(jié)，進行相關(guān)算法研究，實現(xiàn)彎道減速，直道加速， 使小車保持在最佳運行狀態(tài)。

5、</p><p>　　二、完成后應(yīng)交的作業(yè)（包括各種說明書、圖紙等）</p><p>　　1）完整的電控設(shè)計圖紙；</p><p>　　2）設(shè)計說明書不少于 12000 字；</p><p>　　3）翻譯英文不少于 3000 字；</p><p>　　4）小論文一篇（不少于 3500 字）。</p>&l

6、t;p><b>　　三、完成日期及進度</b></p><p>　　自 2011 年 3 月 1 日起至 2011 年 6 月 20 日止 進度安排：</p><p>　　3.1～3.10，搜集資料</p><p>　　3.11～3.31完成英文翻譯，寫綜合報告</p><p>　　4.1～4.15開題報告&

7、lt;/p><p>　　4.16～4.30方案論證，總體設(shè)計</p><p>　　5.4～5.25詳細設(shè)計</p><p>　　5.26～6.6設(shè)計說明書</p><p>　　6.7～6.08審查，修改</p><p>　　6.08 日之前必須提交論文。</p><p>　　6.09～6.

8、10答辯</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　智能車是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用信息技術(shù)和智能控制技術(shù)進行裝備的智能化車，具有自 動識別行駛道路、自動駕駛、自動調(diào)速等功能。本文詳細介紹基于 CMOS 數(shù)字?jǐn)z像 頭的圖像傳感器的智能車系統(tǒng)的實現(xiàn)。該系統(tǒng)以 Freescale16 位單片機 MC9S12XS128 作為系統(tǒng)控制處理器，采用 CMOS 攝像

9、頭獲取圖像信息，通過綜合閾值法和邊沿跳 變檢測方法提取黑色軌跡，指導(dǎo)小車尋線行駛。并通過速度傳感器進行小車的速度檢 測來實現(xiàn)智能車的閉環(huán)控制，使小車能夠快速穩(wěn)健的行駛。</p><p>　　本智能車系統(tǒng)是一個軟硬件與機械相結(jié)合的復(fù)雜整體，其中硬件主要包括單片機 模塊、電源管理模塊、電機驅(qū)動模塊、舵機驅(qū)動模塊、速度測量模塊、輔助調(diào)試模塊、 圖像采集處理模塊等；軟件主要包括單片機初始化程序、圖像識別及處理程序、速度

10、測量程序、速度設(shè)定程序、速度控制程序、舵機控制程序等。</p><p>　　實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的智能車系統(tǒng)原理正確、方案可行，機械結(jié)構(gòu)與控制算法 經(jīng)過調(diào)試均能夠達到優(yōu)化的狀態(tài)。智能車穩(wěn)定運行達到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。 關(guān)鍵詞：智能車系統(tǒng)，單片機，COMS 攝像頭，圖像采集，驅(qū)動</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>

11、;　　Intelligent car is in the network environment with information technology and intelligent control technology of equipment, which can automatically recognize intelligent car driving road, automatic driving, the automat

12、ic speed control etc. Function. This passage introduce the digital camera based on CMOS image sensor intelligent realization of the system of the car. This system to Freescale16 a single-chip microcomputer control system

13、 MC9S12XS128 as the CMOS cameras get processor, image informati</p><p>　　This intelligent car system is a software and hardware and machinery combination of complex whole, including hardware mainly includes

14、 single chip module, power management module, motor driver module, steering gear driving module, speed sensor module, auxiliary debugging module, image acquisition and processing module, etc.; Software is mainly include

15、 single chip initial program, image recognition and processing procedures, speed measurement procedures, speed setting process, speed control proc</p><p>　　Experimental results show that our intelligence car

16、 system design scheme is reliable and practical, mechanical structure and control calculate method after a long time of debugging achieves optimal state. The intelligent car can stable operation and achieve the design ta

17、rget.</p><p>　　Key words: smartcar system, singlechip, COMS cameras, image collection, driving</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章緒論 ......................................

18、................ 錯誤!未定義書簽。</p><p>　　1.1 研究背景......................................................... 1</p><p>　　1.2 智能車的研究現(xiàn)狀................................................. 1</p><p&

19、gt;　　1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 .................................................................................................... 1</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 ................................................................

20、.................................... 1</p><p>　　1.3 研究的意義....................................................... 2</p><p>　　1.4 本文結(jié)構(gòu)......................................................... 2<

21、;/p><p>　　第二章智能車系統(tǒng)總體方案設(shè)計.................................................. 3</p><p>　　2.1 系統(tǒng)方案介紹..................................................... 3</p><p>　　2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)............

22、......................................... 3</p><p>　　2.2.1 整車布局 ............................................................................................................ 3</p><p>　　2.2.2 硬件系統(tǒng)

23、結(jié)構(gòu) .................................................................................................... 4</p><p>　　2.2.3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ...............................................................................

24、..................... 4</p><p>　　2.3 本章小結(jié)......................................................... 5</p><p>　　第三章智能車機械結(jié)構(gòu)介紹 ......................................................... 6</p>

25、<p>　　3.1 攝像頭的安裝..................................................... 6</p><p>　　3.2 舵機的安裝....................................................... 6</p><p>　　3.3 編碼器的安裝.....................

26、................................ 7</p><p>　　3.4 重心的調(diào)整....................................................... 7</p><p>　　3.5 本章小結(jié)......................................................... 8</p&

27、gt;<p>　　第四章硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) ......................................................... 9</p><p>　　4.1 硬件設(shè)計方案..................................................... 9</p><p>　　4.2 電路設(shè)計方案的實現(xiàn).......

28、........................................ 9</p><p>　　4.2.1 MC9S12XS128 簡介9</p><p>　　4.2.2 電源管理模塊 .................................................................................................

29、. 10</p><p>　　4.2.3 電機驅(qū)動電路 .................................................................................................. 12</p><p>　　4.3 傳感器的選擇..............................................

30、...... 15</p><p>　　4.3.1 CMOS 攝像頭模塊15</p><p>　　4.3.2 速度傳感器 ...................................................................................................... 17</p><p>　　4.4 調(diào)試

31、模塊........................................................ 18</p><p>　　4.5 本章小結(jié)........................................................ 18</p><p>　　第五章軟件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) ...............................

32、.....................19</p><p>　　5.1 開發(fā)環(huán)境........................................................ 19</p><p>　　5.2 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計................................................ 19</p><p>

33、　　5.3 各功能模塊初始化................................................ 20</p><p>　　5.3.1 時鐘模塊 .......................................................................................................... 20</p>

34、<p>　　PWM 輸出模塊21</p><p>　　I/O 口模塊22</p><p><b>　　ECT 模塊23</b></p><p><b>　　SCI 模塊23</b></p><p>　　5.4 路徑識別與算法.............................

35、..................... 24</p><p>　　5.4.1 黑線提取算法 .................................................................................................. 24</p><p>　　5.4.2 中值濾波 .........................

36、................................................................................. 25</p><p>　　5.4.3 黑點加強 ......................................................................................................

37、.... 26</p><p>　　5.4.4 邊沿閾值跳變法 .............................................................................................. 26</p><p>　　5.5 轉(zhuǎn)向和速度控制.............................................

38、..... 28</p><p>　　5.5.1 速度控制 .......................................................................................................... 28</p><p>　　5.5.2 方向控制 ...................................

39、................. 28</p><p>　　5.6 本章小結(jié)........................................................ 30</p><p>　　第六章測試與評估 .......................................................................31<

40、/p><p>　　6.1 運動模擬測試 .................................................... 31</p><p>　　6.2 實際測試 ........................................................ 31</p><p>　　總 結(jié) .................

41、..............................................................................32</p><p>　　致 謝 ...............................................................................................33</p><

42、p>　　參考文獻 ..........................................................................................34</p><p>　　附錄 A：程序部分源代碼 35</p><p><b>　　第一章緒論</b></p><p><b&g

43、t;　　1.1研究背景</b></p><p>　　近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，道路的通行能力、交通的安全性、能源 的損耗、環(huán)境污染等問題越來越突出。這些問題的解決引發(fā)了新的研究和應(yīng)用的熱點， 比如自動車輛駕駛，以及最近提出的完整的方案--智能交通系統(tǒng)將車輛、駕駛員和道 路等基礎(chǔ)設(shè)施有機的結(jié)合在一起，從而可以通過計算機控制、人工智能和通信技術(shù)實 現(xiàn)更好的通行能力和更安全的交通。</p&

44、gt;<p>　　隨著經(jīng)濟的發(fā)展，車輛擁有量的增加，非職業(yè)駕駛?cè)藛T的人數(shù)增多，導(dǎo)致交通事 故頻繁發(fā)生，交通事故已經(jīng)成為現(xiàn)代社會的第一公害。交通問題已經(jīng)成為全球范圍令 人困擾的嚴(yán)重問題，因此，如何提高交通安全性已經(jīng)成為急需解決的社會性問題。道 路偏離系統(tǒng)、疲勞檢測系統(tǒng)、自動巡航控制等都可以大大減輕駕駛?cè)藛T的駕駛工作， 提高交通系統(tǒng)的安全性。</p><p>　　智能車輛的研究和發(fā)展必將促進人類社會的進

45、步和發(fā)展。當(dāng)今的車輛發(fā)展并不完 善，安全性、智能化、人機交互等方面遠遠不能滿足人類的需要和社會發(fā)展的需求， 技術(shù)上的缺陷導(dǎo)致交通堵塞、環(huán)境污染、交通安全性差，智能車輛可以大大的緩解這 些問題。</p><p>　　1.2智能車的研究現(xiàn)狀</p><p>　　基于視覺的智能小車是一種應(yīng)用前景非常廣泛的自主導(dǎo)航小車，因此國內(nèi)外對智 能車進行了大量的研究。</p><p&g

46、t;　　1.2.1 國外研究現(xiàn)狀</p><p>　　在歐洲，普羅米修斯項目開始了在這個領(lǐng)域的探索；在美洲，美國成立了國家自 動高速公路系統(tǒng)聯(lián)盟，其目標(biāo)之一就是研究發(fā)展智能車輛的可行性，并促進智能車輛 技術(shù)進入實用化；在亞洲，日本成立了高速公路先進巡航/輔助駕駛演劇協(xié)會，主要 目的是研制自動車輛導(dǎo)航的方法，促進日本智能車輛的整體進步。其中最為突出的是， 美國卡內(nèi)基-梅隴大學(xué)機器人研究所對智能車輛進入了深入、系統(tǒng)

47、、大規(guī)模的研究， 并完成了 Navlab 系列的自主車的研究，取得了顯著的成就。</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　與國外相比，國內(nèi)在智能車方面的研究從上世紀(jì) 80 年代才開始進行，起步較晚，</p><p>　　開展這方面研究工作的單位主要是一些大學(xué)和研究所。雖然我國同國外相比還有一些 距離，但是目前也是取得了一些成果的。1992

48、 年，我國第一輛真正意義上的無人駕 駛汽車在國防科技大學(xué)誕生了，該自主駕駛車能夠在正常交通情況下的高速公路上行 駛，并且具有超車功能，其總體技術(shù)性能和指標(biāo)已經(jīng)達到了世界先進水平；吉林大學(xué) 設(shè)計并制造了一輛用 CCD 識別地面鋪設(shè)的條狀路標(biāo)導(dǎo)航的智能車輛，車輛由圖像識 別、行駛、轉(zhuǎn)向、制動、避障和其他輔助系統(tǒng)組成。目前，該車可以穩(wěn)定的跟蹤直線、 弧線、S 型線等軌跡自動行駛；在國家科工委和國家 862 計劃的資助下，清華大學(xué)計 算機系智能

49、技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室研制的 THMR 系列移動機器人取得了很大的 成功。它兼有面向高速公路和一般道路的功能，目前已經(jīng)能夠在校園的非結(jié)構(gòu)化道路 環(huán)境下，進行道路跟蹤和避障自主行駛。</p><p><b>　　1.3研究的意義</b></p><p>　　基于數(shù)字化視覺的智能小車是一種自主式智能導(dǎo)航系統(tǒng)，實質(zhì)上是一種結(jié)構(gòu)和功 能相對簡單的機器人，其性能優(yōu)越，具有較

50、高的軍用價值和民用價值。該技術(shù)可以應(yīng) 用于現(xiàn)代物流、無人駕駛汽車、無人工廠、服務(wù)機器人等領(lǐng)域。隨著民用汽車的智能 化發(fā)展，該技術(shù)可以實現(xiàn)主動安全、駕駛安全和行人安全。在軍事方面，啟用無人或 者通過遙控智能的武器平臺，這個武器平臺可以完成搶險救災(zāi)的工作甚至還包括一些 更危險的軍事環(huán)境下的應(yīng)用。</p><p>　　另外，智能小車設(shè)計中涉及到了單片機、閉環(huán)控制、圖像處理、計算機、機械等 多個學(xué)科，培養(yǎng)了我的電路設(shè)計、

51、軟件編程、系統(tǒng)調(diào)試等方面的能力，鍛煉了我的知 識融合、實踐動手的能力，對今后的學(xué)習(xí)工作都有著重大的實際意義。</p><p><b>　　1.4本文結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　本文采用先總后分的寫法，先對系統(tǒng)總體設(shè)計思路進行介紹，然后分別對各個部 分模塊進行介紹，突出強調(diào)了車模的硬件電路設(shè)計和軟件編程。</p><p>　　本文一共有六

52、個章節(jié)，第一章為緒論，第二到五章為主體部分，先對機械機構(gòu)進 行了簡單的介紹，然后對硬件和軟件設(shè)計進行了詳細介紹，并對調(diào)試方法和調(diào)試過程 進行了說明；最后為總結(jié)，主要說明一下在設(shè)計過程后的心得；最后附上源代碼。</p><p>　　第二章智能車系統(tǒng)總體方案設(shè)計</p><p>　　2.1系統(tǒng)方案介紹</p><p>　　本智能車系統(tǒng)以飛思卡爾公司的 16 位單片機

53、 MC9S12XS128 為核心控制單元， 由 CMOS 數(shù)字?jǐn)z像頭負(fù)責(zé)圖像信號的采集，并輸入到 S12X 控制核心，進行進一步 處理以獲得圖像信息；通過光電編碼器來檢測車速，并采用 S12X 的輸入捕捉功能進 行脈沖計數(shù)計算車模的當(dāng)前速度；通過發(fā)生模塊發(fā)出 PWM 波，輸出不同占空比分別 對轉(zhuǎn)向舵機、直流電機進行控制，完成智能車的轉(zhuǎn)向和制動。</p><p>　　為了使智能車能夠快速行駛，制定控制策略時必須把路

54、徑的判斷、相應(yīng)的轉(zhuǎn)向伺 服電機控制以及直流驅(qū)動電機的控制精密地結(jié)合在一起。不論是 CMOS 部分?jǐn)?shù)據(jù)的 錯誤采集和識別，還是轉(zhuǎn)向伺服電機控制的失當(dāng)，都會造成模型車嚴(yán)重抖動甚至偏離 黑色軌跡；如果直流電機的驅(qū)動控制效果不好，還會造成直線路段速度上不去，或進 入彎道速度過快而使智能車沖出黑色軌跡等問題。</p><p>　　2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2.1 整車布局<

55、;/p><p>　　本車實物圖如下圖 2-1 所示：</p><p>　　圖 2-1 整車實物圖</p><p>　　2.2.2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　本硬件系統(tǒng)主要由七個部分組成：</p><p>　　(1) 中央處理器單元：以 MC9S12XS128 為核心的最小系統(tǒng)板是系統(tǒng)的核心部分， 負(fù)責(zé)接收黑色軌跡

56、圖像數(shù)據(jù)，賽車速度等反饋信息，并對這些信息進行恰當(dāng)?shù)奶幚恚?形成合適的控制量來對舵機與驅(qū)動電機進行控制。</p><p>　　(2) 電源模塊：為單片機和各電路模塊提供穩(wěn)定電源，保證各模塊正常工作。</p><p>　　(3) 傳感器模塊：傳感器選擇了 CMOS 數(shù)字?jǐn)z像頭，攝像頭將路況信息傳至單片 機，從而用單片機來控制車模穩(wěn)定前行。</p><p>　　(4)

57、 舵機驅(qū)動模塊：對智能車上的舵機進行驅(qū)動，達到快速準(zhǔn)確控制賽車方向的 目的。</p><p>　　(5) 電機驅(qū)動模塊：對模型車上的電機進行驅(qū)動，控制賽車的速度。</p><p>　　(6) 速度檢測模塊：對模型車的速度進行檢測，實現(xiàn)閉環(huán)控制，以便調(diào)整彎道和 直道的速度，從而提高平均速度，使小車能更快的跑完全程。</p><p>　　(7) 輔助調(diào)試模塊：包含 BD

58、M、串行通信等，主要用于智能車系統(tǒng)的程序下載， 功能調(diào)試和測試，智能車的狀態(tài)監(jiān)控，智能車系統(tǒng)參數(shù)和運行策略設(shè)置等方面。本智 能車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2-2 所示：</p><p>　　輔 助 調(diào) 試 模 塊</p><p>　　圖 像 采 集 處 理</p><p>　　速 度 檢 測 電 路</p><p><b>　　MCU&

59、lt;/b></p><p>　　舵 機 驅(qū) 動 模 塊</p><p>　　電 機 驅(qū) 動 電 路</p><p>　　圖 2-2 智能車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.2.3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　系統(tǒng)硬件對于智能車來說是最基礎(chǔ)的部分，軟件算法則是智能車的核心部分。首 先，智能車系統(tǒng)通過圖像

60、采樣處理模塊獲取前方黑色軌跡的圖像數(shù)據(jù)，同時通過速度</p><p>　　傳感器模塊實時獲取智能車的速度。然后是 S12 利用邊緣跳變檢測方法從圖像數(shù)據(jù)中 提取黑色軌跡的黑線，求得智能車的黑線中心位置，接著用閉環(huán)控制的方法對舵機的 轉(zhuǎn)向進行控制。設(shè)計智能車系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖 2-3 所示：</p><p><b>　　單片機初始化</b></p><

61、;p><b>　　攝像頭場中斷</b></p><p><b>　　攝像頭行中斷</b></p><p><b>　　圖像采集</b></p><p><b>　　測速 速度閉環(huán)控制</b></p><p><b>　　傳送圖像？</

62、b></p><p><b>　　傳送圖像</b></p><p><b>　　圖像處理 黑線處理</b></p><p>　　設(shè)定速度 跟隨線設(shè)定</p><p><b>　　舵機控制</b></p><p>　　圖 2-3系統(tǒng)的軟件方框圖&l

63、t;/p><p><b>　　2.3本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹的智能車系統(tǒng)的整個設(shè)計方案，給出了硬件結(jié)構(gòu)框圖和軟件結(jié)構(gòu)框 圖，并簡略地介紹了各個功能模塊的作用。</p><p>　　第三章智能車機械結(jié)構(gòu)介紹</p><p>　　為了使車能夠更快的行駛就必須對其本身的各種結(jié)構(gòu)進行必要的改進和優(yōu)化。本

64、 章將從以下幾個方面介紹智能車的機械結(jié)構(gòu)。</p><p>　　3.1攝像頭的安裝</p><p>　　在攝像頭的安裝方面主要考慮了攝像頭的前瞻，反光，近端盲區(qū)大小，高度， 重心，支架重量等因素，為了減輕車身重量，嚴(yán)格控制安裝位置和高度以及重量，自 行設(shè)計了輕巧的鋁合金夾持組件并采用了碳纖維管作為安裝 CMOS 的主桅，這樣可 以獲得最大的剛度質(zhì)量比，整套裝置具有很高的定位精度和剛度，以

65、便于攝像頭的拆 卸和維修。安裝效果如圖 3-1 所示：</p><p>　　圖 3-1 攝像頭安裝圖</p><p><b>　　3.2舵機的安裝</b></p><p>　　舵機轉(zhuǎn)向是整個控制系統(tǒng)中延遲較大的一個環(huán)節(jié)，為了減小此時間常數(shù)，通過改 變舵機的安裝位置，而并非改變舵機本身結(jié)構(gòu)的方法可以提高舵機的響應(yīng)速度。分析 舵機控制轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向的

66、原理可以發(fā)現(xiàn)，在相同的舵機轉(zhuǎn)向條件下，轉(zhuǎn)向連桿在舵機一 端的連接點離舵機軸心距離越遠，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向速度越快。這相當(dāng)于增大力臂長度，提 高線速度。</p><p>　　針對上述特性，本智能車中采用“長連桿”方式將舵機水平放在車的前面，大大的 增加了舵機的力臂，具體如圖 3-2 所示：</p><p><b>　　舵機安裝方式優(yōu)點：</b></p><p

67、>　　圖 3-2 舵機安裝圖</p><p>　　(1) 改變了舵機的力臂，使轉(zhuǎn)向更靈敏；</p><p>　　(2) 舵機安裝在了正中央，使左右轉(zhuǎn)向基本一致；</p><p>　　(3) 增加前輪下壓力，從而提高了前輪的抓地力，當(dāng)然這樣也加重了舵機負(fù)載。</p><p>　　3.3編碼器的安裝</p><p>

68、;　　因為車身中有兩個電機，分別帶動左、右后輪，所以需要安裝兩個編碼器測速。 由于沒有與后輪匹配的齒輪，所以采用了傳動的方式安裝了編碼器，具體安裝如圖 3-3 所示：</p><p>　　圖 3-3 編碼器的安裝圖</p><p><b>　　3.4重心的調(diào)整</b></p><p>　　本設(shè)計中所使用的車模有著很好的減震性能，但是其底盤太高

69、，車身重心高低對</p><p>　　智能車行駛性能有很大的影響。按照車輛運動學(xué)理論，車身重心太高極容易使高速運 行的車輛在彎道發(fā)生側(cè)翻，所以讓智能車更適應(yīng)跑道是關(guān)鍵。最終將車子的底盤高度 做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。</p><p>　　3.5 本章小結(jié)</p><p>　　本章主要介紹了智能車各部分的機械結(jié)構(gòu)。機械機構(gòu)對于整車的性能至關(guān)重要， 只有在較好的機械結(jié)構(gòu)的前

70、提下，控制算法才能發(fā)揮出其應(yīng)有的效果?？偠灾{(diào) 整舵機安裝時以最大相應(yīng)速度、較低負(fù)載為目標(biāo)，至于放置位置則根據(jù)整車的重心調(diào) 整決定，前輪和后輪差速則需在轉(zhuǎn)彎性能和加減速性能之間權(quán)衡，齒輪傳動機構(gòu)和速 度傳感器安裝則以較低的電機負(fù)載和適當(dāng)?shù)凝X輪嚙合度為目標(biāo)，除以上主要機械調(diào)整 外，還包括電池的安裝、系統(tǒng)板的安裝以及一些機械結(jié)構(gòu)的微調(diào)。這主要跟所用的電 路大小等有關(guān)，其中驅(qū)動電路的螺絲一定要上緊，并要經(jīng)常檢查，一旦在行駛中松動 就會造成

71、零件的損壞。盡量使車輛的重心放低，減少小車行駛過程中的震蕩。改善了 智能車的行駛表現(xiàn)。對各個部件的調(diào)整需從整車的角度考慮，不能各個擊破，需要相 互協(xié)調(diào)并做出必要的取舍。</p><p>　　第四章硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)</p><p>　　4.1硬件設(shè)計方案</p><p>　　硬件電路是整個智能車系統(tǒng)的基礎(chǔ)。一個設(shè)計優(yōu)化，性能穩(wěn)定的硬件電路系統(tǒng)， 可以極大的提高智

72、能車系統(tǒng)的可靠性，為其上層控制方案的調(diào)試奠定一個良好的基 礎(chǔ)。在本設(shè)計中，整個硬件系統(tǒng)都采用模塊化設(shè)計的方法，這樣可以提高硬件電路的 可靠性，同時也為故障排查帶來方便。設(shè)計的主要模塊有：單片機，傳感器模塊，電 源模塊和驅(qū)動模塊。各個模塊均根據(jù)其所安裝的車體位置，設(shè)計 PCB 板。經(jīng)測試， 所設(shè)計的硬件電路具有極高的安全性。</p><p>　　智能車的總體工作模式為：以 Freescale16 位單片機 MC9S

73、12XS128 為控制中心， CMOS 數(shù)字?jǐn)z像頭為傳感器來實現(xiàn)自動識別道路功能，讓智能車可以在特定的跑道上 行駛。單片機對數(shù)字?jǐn)z像頭采集到的圖像信息進行濾波和黑點加強處理，根據(jù)所得信 息判斷前方路徑，選擇最優(yōu)行進方式，然后改變舵機的轉(zhuǎn)向，同時通過編碼器測速， 采用閉環(huán)控制的方法調(diào)整電機速度使智能車能夠快速穩(wěn)定的行駛。整個硬件系統(tǒng)各模 塊的關(guān)系框圖見第二章。</p><p>　　4.2電路設(shè)計方案的實現(xiàn)<

74、/p><p>　　MC9S12XS128 簡介</p><p>　　基于數(shù)字化視覺的智能小車所使用的 MC9S12XS128 是飛思卡爾公司推出的 S12 系列單片機中的一款增強 16 位單片機，片內(nèi)資源豐富，接口模塊包括 SPI、SCI、IIC、 A/D、PWM 等，在汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的用途。XS128 單片機片內(nèi)資源有 8K RAM、128K Flash、8K Data Flas

75、h；具有 SCI、SPI、PWM 等串行接口模塊；脈寬調(diào) 制即 PWM 模塊可以設(shè)置為 4 路 8 位或者 2 路 16 位輸出?？膳渲?8 位，10 位或 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為 3us。而在本設(shè)計中用到的模塊有：SCI、PWM、ECT、 TIMER。</p><p>　　該芯片不僅在汽車電子、工業(yè)控制、中高檔機電產(chǎn)品等應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的用 途，而且在 FLASH 存儲控制及加密方面也有很好的應(yīng)用。本

76、設(shè)計中所使用的是 80pin 封裝。封裝引腳圖如圖 4-1 所示：</p><p><b>　　U1</b></p><p>　　PP3 PP2 PP1 PP0 PT0 PT1 PT2 PT3 VDDF VSS1 PT4 PT5 PT6 PT7 BKGD PB0 PB1 PB2 PB3 PB4</p><p>　　S12XS128MMA<

77、/p><p>　　VRH VDDA PAD7 PAD6 PAD5 PAD4 PAD3 PAD2 PAD1 PAD0 VSS2 VDD2 PA7 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0</p><p>　　圖 4-1 MC9S12XS128 80 引腳封裝引腳圖</p><p>　　4.2.2 電源管理模塊</p><p>　　電

78、源管理模塊為整個系統(tǒng)提供電源，可靠的電源方案是整個硬件電路穩(wěn)定可靠運 行的基礎(chǔ)。它的穩(wěn)定直接決定了其他各個模塊的穩(wěn)定性。設(shè)計中，電源模塊的基本要 求是提供穩(wěn)定的多路多值電壓，承受電流足夠大，電源轉(zhuǎn)換效率高，噪聲低，抗干擾 能力強，電路設(shè)計簡單優(yōu)化，模塊面積小等。電源模塊的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖 4-2 所示：</p><p><b>　　鎳鎘電池</b></p><p>&

79、lt;b>　　7.2v</b></p><p><b>　　5V</b></p><p><b>　　電機驅(qū)動</b></p><p>　　LM1117-5VLM1117-3.3V</p><p><b>　　單片機CMOS</b></p>

80、<p><b>　　導(dǎo)向舵機</b></p><p><b>　　5V3.3V</b></p><p><b>　　編碼器藍牙模塊</b></p><p>　　圖 4- 2 電源模塊的整體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　在整個智能車系統(tǒng)中，全部硬件電路的電源由 7.

81、2V、2A/h 的可充電鎳鎘電池提 供的。而在系統(tǒng)中，分別需要 7.2V，5V，3.3V 的電壓，不同電壓對于電流的要求分 別不一樣，需要分別設(shè)計穩(wěn)壓模塊，并且鎳鎘充電電池在低壓狀態(tài)下會損傷電池，電 池電壓過低也不利于智能車電機達到理想的轉(zhuǎn)速，所以要對電池電壓進行控制。其中 5V 主要給單片機、攝像頭、導(dǎo)向舵機及編碼器供電，7.2V 主要給兩個直流電機供電，</p><p>　　3.3V 主要給藍牙模塊供電。電源

82、穩(wěn)壓電路原理圖如圖 4-3 所示：</p><p><b>　　+7.2</b></p><p><b>　　+5</b></p><p><b>　　+3.3</b></p><p><b>　　U1</b></p><p>&l

83、t;b>　　IN</b></p><p><b>　　TAB</b></p><p><b>　　OUT2</b></p><p><b>　　GND1</b></p><p><b>　　C1</b></p><

84、p><b>　　U2</b></p><p><b>　　IN</b></p><p><b>　　TAB</b></p><p><b>　　R6</b></p><p><b>　　OUT2</b></p>

85、<p><b>　　GND1</b></p><p><b>　　C0</b></p><p>　　Cap2 100uF</p><p>　　LM1117MP-5.0</p><p>　　Cap2 100uF</p><p><b>　　Res2 1K&

86、lt;/b></p><p>　　LM1117MP-5.0</p><p><b>　　C2</b></p><p>　　Cap2 100uF</p><p><b>　　GND</b></p><p><b>　　D3 LED2</b></

87、p><p>　　圖 4-3 電源穩(wěn)壓電路原理圖</p><p>　　在設(shè)計過程中考慮到方便調(diào)試與測試，設(shè)計了撥碼開關(guān)。在布置 PCB 板的時候 考慮到安裝方法以及安裝位置，所以主板 PCB 的形狀如下圖 4-4 所示：</p><p>　　3 2 12</p><p>　　3

88、 2 1</p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　3</b></p><p>　　6 5 4</p><p>　　2

89、 1</p><p><b>　　00</b></p><p><b>　　2</b></p><p>　　5 4 3 2 1</p><

90、;p>　　30 29</p><p><b>　　4</b></p><p><b>　　1</b></p><p>　　2 1</p><p>　　30 291</p><

91、;p><b>　　12</b></p><p><b>　　42</b></p><p><b>　　2</b></p><p>　　26 25</p><p><b>　　3</b></p><

92、;p>　　26 25</p><p><b>　　1</b></p><p>　　24 23</p><p><b>　　2</b></p><p>　　24 23</p><p

93、>　　22 21</p><p><b>　　20</b></p><p>　　22 21</p><p>　　2 1</p><p>　　20 19</p><p

94、>　　20 19</p><p><b>　　225</b></p><p>　　18 17</p><p><b>　　43</b></p><p>　　18 17</p>&l

95、t;p><b>　　6</b></p><p>　　16 15</p><p>　　14 13</p><p>　　16 15</p><p>　　1914 13</p>

96、<p><b>　　2</b></p><p><b>　　521</b></p><p><b>　　7</b></p><p><b>　　11</b></p><p><b>　　61</b></p>

97、<p><b>　　8</b></p><p><b>　　12</b></p><p>　　12 11</p><p>　　10 9</p><p>　　8 7</p>

98、<p>　　12 11</p><p><b>　　2</b></p><p>　　10 9</p><p><b>　　2</b></p><p>　　8 7</p>&

99、lt;p><b>　　9</b></p><p><b>　　132</b></p><p><b>　　3</b></p><p><b>　　10</b></p><p><b>　　14</b></p>&

100、lt;p><b>　　2</b></p><p><b>　　1</b></p><p>　　6 56 5</p><p>　　1 2</p><p>　　4

101、 34 315</p><p><b>　　221</b></p><p>　　2 12 116</p><p><b>　　21</b></p><p><b&

102、gt;　　0017</b></p><p>　　1 2</p><p><b>　　18</b></p><p>　　圖 4-4 Altium Designer 畫的主控板 PCB 圖</p><p>　　本系統(tǒng)中的主控板是雙層板。其加工過程如下：首先，以雙層覆銅板為材

103、料，用 雕刻機加工板子的形狀；然后，將打好墨的紙貼在板子上，經(jīng)過熱轉(zhuǎn)印機后將板子放 入腐蝕液中，腐蝕適當(dāng)時間后，板子就成形了；最后，為了防止板子被氧化現(xiàn)在銅線 上覆上一層錫，然后再焊上元器件。板子實物圖如下圖 4-5、圖 4-6 所示：</p><p>　　圖 4-5 主板實物圖(正面)</p><p>　　圖 4-6 主板實物圖(反面)</p><p>　　4.2

104、.3 電機驅(qū)動電路</p><p>　　在智能車系統(tǒng)中，電機的轉(zhuǎn)速需要按照需求而改變。驅(qū)動電路的性能直接決定了 智能車的加速和減速的時間。為了實現(xiàn)電機反向制動，本系統(tǒng)中采用 H 橋驅(qū)動方案。 構(gòu)成 H 橋驅(qū)動的方案很多，可以選用功率型 MOS 管自己設(shè)計 H 橋驅(qū)動電路，可以選 用飛思卡爾半導(dǎo)體的 MC33886 全橋驅(qū)動芯片，也可以選用半橋芯片構(gòu)成 H 橋。而</p><p>　　MC

105、33886 芯片雖然使用簡單，但內(nèi)阻較大，發(fā)熱量非常大，很容易燒毀，也很難達 到迅速加速和減速的效果。最終決定使用兩個 BTS7960 構(gòu)成 H 橋。</p><p>　　BTS7960 芯片的 1 腳是 GND，7 腳是 VCC，2 腳是 PWM 輸入，3 腳是使能（高 電平時有效），5 腳的地方可以用一個電阻連到 GND，調(diào)節(jié)上升沿和下降沿的斜率， 電阻越大，上升下降越慢，想要上升下降快的話可以直接把 5

106、腳連到地就可以。4 和 8 是輸出。BTS7960 引腳圖及實物圖如下圖 4-7 所示：</p><p>　　圖4-7 BTS7960引腳圖及實物圖</p><p>　　BTS7960 的芯片內(nèi)部為一個半橋,集成了一個 P 通道和一個 N 通道 MOSFET。帶 有電流檢測與診斷，死區(qū)保護，過熱，過壓，欠壓，過流和短路保護。能夠支持高達 25KHz 的 PWM 輸入，具有極低的內(nèi)阻(16m

107、?)，且封裝面積小。INH 引腳為高電平， 使能 BTS7960。IN 引腳用于確定哪個 MOSFET 導(dǎo)通。IN=1 且 INH=1 時，高邊 MOSFET 導(dǎo)通，OUT 引腳輸出高電平；IN=0 且 INH=1 時，低邊 MOSFET 導(dǎo)通，OUT 引腳輸 出低電平。SR 引腳外接電阻的大小，可以調(diào)節(jié) MOS 管導(dǎo)通和關(guān)斷的時間。IS 引腳 是電流檢測輸出引腳。BTS7960 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下圖 4-8 所示：</p>

108、<p>　　圖4-8 BTS7960芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　而在本系統(tǒng)中的驅(qū)動電路的設(shè)計方案如下圖 4-9。當(dāng) IN1=1 且 IN2=0 時，電機正 轉(zhuǎn)，當(dāng) IN1=0 且 IN2=1 時，電機反轉(zhuǎn)。</p><p><b>　　IN1 R2</b></p><p><b>　　POWER-</b&

109、gt;</p><p><b>　　BTS1</b></p><p><b>　　GND</b></p><p><b>　　IN</b></p><p><b>　　OUT88</b></p><p>　　VS 7P

110、OWER+</p><p><b>　　100</b></p><p><b>　　ENt</b></p><p><b>　　R1</b></p><p><b>　　1kt</b></p><p><b>　　IN

111、H</b></p><p><b>　　OUT4</b></p><p><b>　　IS6</b></p><p><b>　　SR5</b></p><p><b>　　R3 1K</b></p><p><

112、;b>　　R4t</b></p><p><b>　　BTS7960</b></p><p><b>　　1Kt</b></p><p><b>　　IN2</b></p><p><b>　　R6 100</b></p>

113、<p><b>　　POWER-</b></p><p><b>　　BTS2</b></p><p><b>　　GND</b></p><p><b>　　IN</b></p><p><b>　　OUT88</b>

114、</p><p>　　VS 7POWER+</p><p><b>　　MOTER</b></p><p><b>　　2VCC</b></p><p><b>　　1GND</b></p><p><b>　　MOTER<

115、;/b></p><p><b>　　EN R5</b></p><p><b>　　t</b></p><p><b>　　1Kt</b></p><p><b>　　INH</b></p><p><b>　

116、　OUT4</b></p><p><b>　　BTS7960</b></p><p><b>　　IS6</b></p><p><b>　　SR5</b></p><p><b>　　R7 1K</b></p><p

117、><b>　　R8t</b></p><p><b>　　1K t</b></p><p>　　圖4-9 BTS7960接口連接圖</p><p>　　該驅(qū)動電路中還使用了一片 LM1117 芯片和一片 hc244 芯片，LM1117 主要是用 來給 hc244 芯片提供 5V 電壓的，hc244 芯片是用來

118、信號隔離的。該驅(qū)動中還有一個 220uf 的電容，主要是防止電機瞬間電流過大影響電路其它部分的供電。因為該電機</p><p>　　驅(qū)動電路比較復(fù)雜，不能用腐蝕的方法自己做板子，所以返廠加工了這塊板子。測試 表明，該驅(qū)動電路加減速性能良好，能夠持續(xù)穩(wěn)定的給電機提供較大的電流，散熱情 況良好，無需使用額外散熱裝置。該電機驅(qū)動的 PCB 3D 圖及實物圖如下圖 4-10 所 示：</p><p&g

119、t;　　圖4-10 電機驅(qū)動的PCB 3D圖及實物圖</p><p>　　4.3 傳感器的選擇</p><p>　　CMOS 攝像頭模塊</p><p>　　與紅外傳感器相比，攝像頭傳感器精度高，在程序優(yōu)化情況下，抗干擾能力強， 所以選擇了攝像頭傳感器。數(shù)字式圖像傳感器采集圖像后，可以直接把圖像的數(shù)據(jù)和 相應(yīng)的行、場同步信號由引腳輸出給單片機，而模擬式圖像傳感

120、器則往往需要外接一 個高速 A/D 轉(zhuǎn)換器件對輸出的模擬信號進行處理才可。由此可見，數(shù)字式圖像采集 方案性能穩(wěn)定，不需要額外的 A/D 轉(zhuǎn)換和同步信號分離電路。所以，最終選擇了帶 有 OV7620 芯片的數(shù)字?jǐn)z像頭作為傳感器。</p><p>　　(1) 攝像頭的工作原理 攝像頭的工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采集圖像上的點，當(dāng)</p><p>　　掃描到某點時，就通過圖像傳