基于红外感应器的智能汽车毕业论文

-1-智能汽车设计安徽三联学院：计算机科学与技术系:计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比赛之中，到了现在的2010年已经举办了第五届智能汽车大赛，伴随着时代的潮流，我院也开展了此次智能汽车的发展工作，我们计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围内的展开与普及，越来越多的高校大学生参与到了这一项比赛当中。这一比赛主要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，这个大赛的综合性很强，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比赛，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，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单片机为核心控制模块，引导改装后的模型汽车按照规定路线行进，已完成时间最短者为优胜。经各参赛队和大赛组委会的充分准备，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，智能车比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质，而且，比赛的科学价值更有希望应用到现代的科学生产当中，加强了科学的推动力。2010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计划。我作为一名计算机科学与技术专业的学生有辛参与了这一富有-2-挑战性的课题的研究计划，我们首先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个月的时间来设计研究，各方面的研究还只是初步阶段，智能车设计中难免有不少缺陷，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！目录第一章智能汽车设计概述1．智能汽车简要介绍--------------------------------------------------32．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掌握开发工具的基本使用方法--------------------------------------------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系统整体调试阶段-----------------------------------------------------------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-3-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用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，其基本尺寸参数如表一所列。图1模型车示意图该模型车底盘采用的是等长双横臂式表1模型车的基本尺寸参数独立悬架。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。根据汽车理论的基础知识，可以在实际组建当中进行调整，以使汽车获得最佳的性能。关于智能汽车竞赛的基本情况：参赛队伍通过设计基于单片机的自动控制器控制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定即不冲出跑道的前提下，跑完一圈的时间越小，成绩越好。自动控制器是以单片机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，控制模型车高速稳定运行在跑道上。图1所示为安装有自动控制器的模型车。比赛跑到表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25cm。比赛规则限定了赛道宽度和拐弯最小半径等参数，赛道具体形状在比赛当天现场公布。控制器自主识别引导线并控制模型车沿着赛道运行。图2所示为赛道示意图。基本参数尺寸轴距198mm前轮距137mm后轮距138mm/146mm车轮直径52mm传动比18/76-4-图1安装有自动控制器的智能车设计自动控制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则，以简洁但功能完美为出发点，并以稳定为首要前提，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，执行机构四个部门组成。其中以单片机为核心，配有-5-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。因此，自动控制器设计设计和控制软件两部分。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则如下：A.电路器件及控制驱动电路限制1)核心控制模块可以采用组委会提供的HCS12模块，也可以采用MC9SDG128自制控制电路板,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接受单元计为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.赛道基本参数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)跑道可以交叉，交叉角为90°；-6-5)赛道为二维水平平面；6)赛道有一个长为1000mm的出发区，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比赛计时开始或者与结束时刻。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主要有两种：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主要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。首先冲硬件设计开始。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，主要包括如下不同的电压：1.5V电压。主要为单片机、信号调理电路以及部分接口电路提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量大于500mA。2.6V电压。主要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般在几十毫安左右，电压无需十分稳定。3.7.2V这部分直接取自电池两端电压，主要为后轮驱动电机模块提供电源。4.12V电压。如果采用CCD/CMOS图像传感器来进行道路检测，则需要12V工作电源。5.2V电压。为红外发光管提供工作电压。可以采用开关电源从电池降压而得，这样可以红外检测电路的电源利用效率。需要根据红外发射管的参数确定该电压值。除此之外，如果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-7-通过专门的稳压电路，提供相应的工作电压。例如采用飞思卡尔公司的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。电源模块由若干相互独立的稳压电路组成。一般采用如图6所示的星形结构，可以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，可以单独使用一个5V的稳压芯片，与其他接口电路分开。5V7..2V6V2V图6电源模块的电路结构降压稳压电路可以采用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。例如采用大电流红外检测电路，由于红外发射管数量较多，总的消耗电流很大，采用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，此时每个红外发射管工作时只需要串联很小的先留电阻甚至不用串联电阻。采用这种方法，可以大大提高电源利用效率。稳压电路的设计需要简单可靠，在满足电压波动范围要求下应尽量简化电源设计。例如舵机电源在4.5~6V的范围内，电流100mA左右，可以从7.2V的电池电压通过串联硅二极管而获得。此外，通过实验可发现，组委会所提供的舵机可以直接工作在7.2V电压下，此时舵机响应速度也会提高，所以直接使用电池电压作为舵机的电源。如果采用CCD或CMOS摄像头作为道路传感器，它们工作电压在9~12V范围内。此工作电压高于电池的电压，需要借助斩波升压电路获取。可以采用专门升压芯片进行设计，也可以利用单片机PWM输出端口控制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，所以也可以直接使用电源电压作为电源，所以选择CMOS摄像头也可以简化电路设计。充电电池（7.2V2000mAh）串联稳压器开环稳压器串联稳压器后轮电机舵机红外发光管转速传感器单片机红外发光管-8-消除电源中的噪声，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，为了避免电机在启动和制动过程产生的冲击电流对于电源的影响，应尽量加大电池的电容容量，但不要超过大赛允许放入电容容量限制。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基本信息基础，获取更多、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：采用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用图像处理与分析