基于线性CCD传感器检测的智能车控制系统

青岛科技大学本科毕业设计（论文）1前言随着现代社会的高速发展，无论在生活应用还是在工业应用中，智能化的概念越来越多的出现在我们的身边。尤其是自上世纪80年代以来，汽车技术以突飞猛进的速度在发展，汽车从原来的纯机械结构构成的代步工具逐渐演变成一个集各种高科技技术为一体的智能化的新时代产物。因此，智能车的概念也就越来越凸显出来，智能汽车，顾名思义，就是在现代网络技术支撑下，利用电子信息通信技术，智能微控制器，环境监测控制技术，GPS导航技术等等组成的一个新意义的高新技术复合载体。它能够实现自动的环境监测，规划处理，自动行驶还有人工辅助驾驶等功能。现在汽车行业对智能汽车的研究主要在提高汽车的安全性和汽车的驾驶辅助上，在汽车自动驾驶方面的发展还没有质的飞跃，近年对于车辆自动驾驶，智能导航的研发正大力进行。智能车辆的研究成果现在已经体现着一个研究团体乃至整个国家科研实力水平。所以无论是中国还是国外很多国家已经把智能汽车确定为重点发展的项目。基于线性CCD传感器检测的智能车控制系统设计2青岛科技大学本科毕业设计（论文）31智能车控制系统概况1.1系统开发背景智能化，是现今社会前进的一个目标。对于汽车来说智能化也会是未来发展的方向。对于国家来说，大学生质量的好坏是这个国家的发展动力的重要指标之一。大力发展国内大学生的科技实践能力一直是我国的一大政策。其中为促进大学生的科研创新能力，一直在举办着各种各样的科技竞赛。智能汽车方面，在中国的各种智能车机械车等的竞赛有很多，其中飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛在中国已经举办了九届。这项赛事主要探索的就是智能汽车，用智能汽车模型作为研究对象，让学生们充分发挥学校中所学习科学文化知识，对智能小车加以设计并改装，完成一个能自动识别比赛赛道路况并能够进行判断并进行相应控制的小车。最终完成大赛的比赛要求。这项大赛其中包括了智能控制、环境监测、传感器技术等主要学科知识，还涉及到电子、电气、计算机、机械等多个基础学科。赛事用比赛的方式，大大提高了大学生参与者的积极性，锻炼了大学生的实际操作能力。思维创新能力和团队合作能力，使参赛的大学生比同类大学生具有更高的基本技能，使其更能够适应未来社会的发展需求。1.2系统总体设计本设计是一个基于线性CCD传感器的智能小车的设计，最终成果是设计并制作出一个能够通过传感器识别两边带黑色边缘的道路信息，并能够根据道路信息识别直路弯路，十字路口等信息，进行判断，自动行进的智能小车。本设计主要使用飞思卡尔大赛中使用的B型车模，使用飞思卡尔公司的K60微控制器，岱莫科技TSL1401CCD传感器作为检测器件，使用540电机驱动小车。通过硬件安装调整和软件设计，最终完成设计预期目标。本设计的总系统框图如下：基于线性CCD传感器检测的智能车控制系统设计4图1-1设计的总系统框图Figure1-1totalsystemblockdiagram1.3微控制器简介及现状MCU叫做微型控制器，国内叫做单片机。上世纪70年代，电路集成技术的发展已经有了很大的成果，所以人们通常会把原来在微型计算机中零散分开的一部分部件如处理器、闪存、存储、定时器、计数器和各种端口集成在一个体积减少了很多的芯片上。也就成了现在我们所说的微型控制器。微控制器其实就是一个芯片级别的微型计算机。MCU在近三十年的发展，现已经广泛应用在我们的现代生活中，比如经常使用的手机，收款机，扫码器，汽车内控制系统，MP3，MP4，数码相机等等。这些家用工具内都使用的了一个或者多个微控制器，让这些产品成为智能化的产物。微控制器是近代影响最大的创新技术产品之一，根据微型控制器所发展起来的智能化产品在当今社会已经占据着非常大的比例，我们的生活已经离不开这些产品了。1.4Freescale微控制器概述Freescale（飞思卡尔）公司是现在全世界范围内技术较为领先的生产半导体的公司之一，飞思卡尔半导体公司生产的嵌入式微控制器为全球的汽车、电子、工业、网络等领域提供了技术支持与保障。在2005年，飞思卡尔公司总收入达到了58亿美元，无论在8位、16位、还是32位单片机的领域都处在了技术领先的地位。Freescale公司的微控制器主要以8位和16位为主，其中，9S08系列和HC9S12系列在全世界单片机市场占有率都在同类产品中都一直很高。本次设计使用的芯片是飞思卡尔公司的一款32位K60系列MK60N512VMD100单片机。青岛科技大学本科毕业设计（论文）5图1-2Kinetisk60系列微处理器内部功能示意图Figure1-2KinetisK60seriesmicroprocessorinternalfunctions1.5线性CCD简介及选型CCD，就是电荷耦合器件的英文简称。通常人们把它称为CCD图象传感器。CCD传感器的功能是能够把外界能感知到的光信号转变成微控制器等智能控制器多能分辨出的数字信号。CCD上每一个微小的感受光强的小物质就是一个像素点（Pixel）。在一个CCD要想分辨率越高，就需要包含越多的像素点。所有像素点都在一排的CCD称为线性CCD，线性CCD在像素数量上虽然不高，但是因为其像素只有一条，检测时数据也比较简洁，在一些要求不高的信息处理方面具有十分重要的作用。CCD传感器中的光电二极管能够把外界的光信号转换为电信号，然后通过其外接的电压或电流放大电路和A/D电路转换成的数字图像信息，让控制器读取出并进行分析。本设计选用的线性CCD传感器是TAOS公司的TSL1401CCD传感器。这款产品具有体积小、重量轻、使用简单、比较容易固定、接口比较简单方便等优点。这款传感器经过了非常严格的赛道类环境的检验，它能够采集到的路面信息清晰稳定，能比较远距离的采集信息，而且在使用算法上，使用简单的算法就能轻易提取到道路中黑线的信息。基于线性CCD传感器检测的智能车控制系统设计6图1-3TSL1401CCD传感器Figure1-3TSL1401CCDsensor1.6本章小结本章主要介绍了智能车控制系统的大体概况，从智能车控制系统的开发背景介绍开始，而后又从总体上介绍了本设计的系统设计，并介绍了微控制器及Freescale微控制器的概况和线性CCD的概况。这一章内容详细介绍出了本人设计所研究的智能车控制系统的开发依据以及证明是具有研究价值的。青岛科技大学本科毕业设计（论文）72机械结构的设计安装与调整本次设计的智能车使用的是飞思卡尔智能车竞赛指定的B型四轮车模。使用飞思卡尔公司的K60微控制器。传感器使用的是TAOS（岱莫）公司的TSL1401系列的线性CCD传感器，采用RS-540SH直流电机，S-D5舵机。为了使车能够稳定并且高速的运行，我们对智能车机械结构配置进行了详细系统的分析。该模型的精度不是很高，所以必须能够改变它的模型，提高模型的整体准确度。此外，在我后续的小车调试中发现，前轮约束和主销倾斜两者角度的大小对于智能车在高速状态下运行状况平稳性具有很大影响作用。智能车速度达到很好的速度的时候，舵机控制智能车方向的转变快慢也对智能车的快速回到预定轨道起到了具足轻重的作用。所以对于机械结构的设计和调整要考虑以上几个方面。关于安装期间主要有安装舵机、安装线性CCD传感器、编码器的安装、最小系统板电路和电机驱动电路的安装位置预留等。智能车模的微小调整主要有前轮倾角的调整，对车模型的底部调整与地面的高度，和齿轮传动机构和后轮差速的调整。2.1舵机的安装方式与安装位置将舵机转向器直接直立安装在车模的前部中间，即两前轮的中间。舵机传动杆适当延长，这样便提高了舵机转向的控制精度和灵敏度。图2-1舵机安装图Figure2-1steeringgearinstallationdiagram基于线性CCD传感器检测的智能车控制系统设计82.2线性CCD传感器的安装智能车CCD传感器支架选用了更轻更结实的材料，并且为了节省材料，小车配备的备件用来固定线性CCD传感器并且将传感器放置在智能小车的前轮后方，以便拉长智能车的视野，对智能车的控制十分有利。图2-2CCD传感器安装方式Figure2-2CCDsensorinstallation青岛科技大学本科毕业设计（论文）92.3测速编码器的安装图2-3测速安装方式Figure2-3Speedmeasurementinstallationmethod在速度的测量，为了能够满足我们的测试要求，并使速度测量装置具有较高的精度。设计采用了欧姆龙E6A2-CW3E型500线光电编码器的方法，并且将编码器固定在电机的转动轴上。这样，通过设计，在测速方面能够保证智能车有很高的测量精度和很高的灵敏度。2.4前轮倾角的调整在调试过程中，发现：由于前轴和重力中心在高速转向车轮之间的巨大差距有很大的影响，将使高速转向时车辆转向角不足。为了减小舵机带动前车轮转向时的运动负荷的大小，是转弯时尽量能够更快更准确的达到预定的目的的，我对前轮定位进行了稍微改变。前轮定位确保了小车的稳定性，无论在直道还是在转向时都使得车轮转向的轻松、自动纠正方向和削减了车轮的接触磨损。前轮在智能车中是转向轮，它反映了前轮即转向轮、主销和前轴等三个主要因素在车架上的位置关系。主销内倾角是智能车主销安装在车模前轴车轮略微向内倾斜的小角度，这个角度能够让智能车的前轮主动回到正前方的位置。当主销内倾角角度越大，前轮自动回正的作用越明显，但是同时对应的是转向舵机需要承担的负荷越大，车轮胎磨损非常大。因此，寻找一个中间点，是回正作用能够满足智能车的需求，又使智能车车轮磨损不会太大。主销后倾就是小车两前轮支撑轮胎的立杆稍微偏离竖直方向倾斜的角度，大约在3°左右。这个角度的转弯的车辆造成的力矩，与车轮偏转方向发生原因的离心力，和车轮能基于线性CCD传感器检测的智能车控制系统设计10自动回到中间位置偏后。因此，主销后倾角增大能够使车速提高，前轮稳定性也会更好。图2-4主销后倾角调整图Figure2-4Tiltangleadjustmentchartafterthemainpin主销内倾角和主销后倾角都有智能车转向自动回正，保持智能车直线行驶的作用。它们之间的区别是主销内倾角在小车行驶过程中所产生的正作用力和速度没有关系，主销后倾角在小车行驶中产生的正作用力和速度相关，所以在智能车高速行驶时，主销内倾角起到的是主要正作用力，在低速行驶时，主销后倾角起主要正作用。前轮的外倾，也就是“外八字”对智能车的转弯性质有着直接的作用，前轮的外倾有提高前轮的转弯灵活性的作用，使智能车可以更轻便的转弯。这个角度大约在1度左右。前轮前束的功能是增加了智能车的行驶过程中的耐磨性。因为小车前面的轮子在运动时，轮子自身旋转的惯性会自然而然的是自身向内侧偏斜，假如前束角度适当，轮子转动时的偏斜力就会对消，便不会出现前轮轮胎与地面的磨损。2.5地盘高度的调整底盘做适当的降低，在保证能够通过上坡和下坡道的前提下，适当的降低一下底盘。这样使整个小车降低了重心，智能小车能够在各种路况下的直路或转弯时能够更加的稳定和快速。我将智能车前车轴的中心降低了1.5毫米。2.6齿轮传动机构及后轮差速的调整智能小车选用540直流电机驱动。电机轴为18个齿轮，后轮轴传动轴为76个齿轮，这使得传动机构的传动比为9比38。如果齿轮传动部份是不合适的，也就是接触不恰当，则电机在后轮的负载损耗会增加。齿轮之间间隙过松容易造成齿轮不能很好的啮合，造成分离，两者较紧却会增加传输阻力，造成能量损失。因此电机装配的过程中尽可能使得传动轴保持接触平衡，传递动力部分顺畅，接触松紧程度适当。后轮差速结构的使车模在转弯的时候，后轮与地面之间不产生滑动，两轮能够有一个速度的差。它也可以确保即使在后轮轮胎由于路况或机械故障下不动的情况下卡死而不损坏电机。在差速器的调整方面，通过后续调试中通过调节滚珠轮盘间的间隙，使它不能过青岛科技大学本科毕业设计（论文）11松或者过紧，从而找到一个比较适当的程度。一个调整好的装置，在不给电机通电的前提下，使后轮旋转测试，右轮和左轮旋转过的角偏移相差极小，不会出现两轮的迟钝的感觉和轮胎摩擦地面的现象。一个