循跡機(jī)器人設(shè)計(jì)

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1、循跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 目錄 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) I 課程設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)?cè)u(píng)定表 川 中文摘要 VI 1設(shè)計(jì)任務(wù)描述 1 1.1 設(shè)計(jì)題目 1 1.2設(shè)計(jì)要求 1 1.2.1 設(shè)計(jì)目的 1 1.3基本要求 1 2設(shè)計(jì)思路 2 3軟件流程圖 3 4各部分模塊設(shè)計(jì)和選取 4 4.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 4 4.1.1 車(chē)模結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 4 4.1.2車(chē)模轉(zhuǎn)向舵機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 5 4.1.3 電路板 6 4.2視頻信號(hào)采集方案 6 4.2 . 1采集分析 6 4.2.2 采集時(shí)序 7 4.2.3 中斷分析 8 5

2、硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 10 5.1 硬件電路設(shè)計(jì)方案 10 5.2硬件電路的實(shí)現(xiàn) 10 5.2.1 以S12為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng) 10 5.2.2 主板 11 5.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 13 5.2.4 攝像頭 13 5.2.5速度傳感器 13 6循跡小車(chē)軟件設(shè)計(jì) 15 6.1路徑識(shí)別與自適應(yīng)閾值計(jì)算 15 6.2抗干擾處理 15 6.3算法實(shí)現(xiàn) 16 6.3.1 偏航距離的計(jì)算 16 6.3.2偏航角度的計(jì)算 16 6.3.3 曲率的計(jì)算 16 6.4速度PID算法 16 7 模型車(chē)的主要技術(shù)參數(shù) 18

3、 8元器件清單 19 小結(jié) 20 致謝 21 參考文獻(xiàn) 22 附錄A軟件流程圖 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。 1設(shè)計(jì)任務(wù)描述 1.1設(shè)計(jì)題目 循跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 1.2設(shè)計(jì)要求 1.2.1設(shè)計(jì)目的 1） 了解機(jī)器人技術(shù)的基本知識(shí)以及有關(guān)電工電子學(xué)、 單片機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感 器等相關(guān)技術(shù)。 2 ）初步掌握機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理、基于智能機(jī)器人的控制理論，并應(yīng)用于機(jī)器 人的設(shè)計(jì)中。 3 ）通過(guò)學(xué)習(xí)，具體掌握循跡機(jī)器人的控制技術(shù)，并使機(jī)器人能獨(dú)立執(zhí)行一定的 循跡任務(wù)。 1.3基本要求 1）要求設(shè)計(jì)一個(gè)能循跡（白底黑線或黑底白線，線寬25mm的機(jī)器人； 2 ）要求設(shè)計(jì)機(jī)器人

4、的行走機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)、傳感器類型的選擇及排列布局 ）要有循跡的策略（軟件流程圖）。 2 循跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 2設(shè)計(jì)思路 根據(jù)此次課程設(shè)計(jì)的要求，我們選擇以16位微控制器MC9S12DG128B單片機(jī) 作為核心控制單元用于智能車(chē)系統(tǒng)的控制，介紹了機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、 傳感器類型的選擇及排列布局，并根據(jù)軟件系統(tǒng)的特點(diǎn)簡(jiǎn)要的用流程圖敘述了小車(chē) 的軟件設(shè)計(jì)。最終使小車(chē)達(dá)到智能循跡的功能。 根據(jù)以上系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，循跡小車(chē)共包括七大模塊： MC9S12DG128主控模塊、 傳感器模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測(cè)模塊輔助調(diào)試模塊。 各模塊的作用如下： MC9S12DG12

5、8主控模塊，作為整個(gè)智能車(chē)的“大腦”，將采集光電傳感器、光 電編碼器等傳感器的信號(hào)，根據(jù)控制算法做出控制決策，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和伺服電機(jī) 完成對(duì)智能車(chē)的控制。 傳感器模塊，是智能車(chē)的“眼睛”，可以通過(guò)一定的前瞻性，提前感知前方的通 道信息，為智能車(chē)的“大腦”做出決策提供必要的依據(jù)和充足的反應(yīng)時(shí)間。 電源模塊，為整個(gè)系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和伺服電機(jī)完成智能車(chē)的加減速控制和轉(zhuǎn)向控制。 速度檢測(cè)模塊，檢測(cè)反饋智能車(chē)后輪的轉(zhuǎn)速，用于速度的閉環(huán)控制。 輔助調(diào)試模塊，主要用于智能車(chē)系統(tǒng)的功能調(diào)試、賽車(chē)狀態(tài)監(jiān)控等方面。 通過(guò)對(duì)這些模塊功能介紹，結(jié)合我們?cè)谡n上對(duì)機(jī)器人各

6、項(xiàng)知識(shí)的了解，我們便 可以將小車(chē)的大概思路整理出來(lái)，具體內(nèi)容我們?cè)诤竺娴牟糠侄紩?huì)有相應(yīng)說(shuō)明。 3 循跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 4 循跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 3軟件流程圖 圖3-1 1軟件程序流程圖 # 循跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 4各部分模塊設(shè)計(jì)和選取 智能車(chē)系統(tǒng)主要包括以下模塊：S12單片機(jī)模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵機(jī)、轉(zhuǎn)速反饋 和CCD視頻

7、采集模塊。整體結(jié)構(gòu)框圖如圖 4.1所示。 圖4.1智能車(chē)系統(tǒng)功能模塊圖 以MC9S12DG128為核心，設(shè)計(jì)尋線方案并盡可能的提高車(chē)速，是我這次課程 設(shè)計(jì)課題的關(guān)鍵。 傳統(tǒng)的尋線方案是使用“線型檢測(cè)陣列”的紅外傳感器，這種方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單， 穩(wěn)定性高，但只能獲取有限的點(diǎn)信息，限制了更高級(jí)算法的應(yīng)用，也限制了小車(chē)速 度的進(jìn)一步提高。而攝像頭獲取的信息是面信息，不僅能獲得當(dāng)前小車(chē)的偏移量， 而且能判斷前方通道路面信息，為應(yīng)用高級(jí)的控制算法提供了基礎(chǔ)。攝像頭所能探 測(cè)的路線信息遠(yuǎn)多于“線型檢測(cè)陣列”探測(cè)到的，而且攝像頭也有足夠遠(yuǎn)的探測(cè)距 離以方便對(duì)前方路況進(jìn)行預(yù)判。另外一方面 16位單片機(jī)

8、MC9S12勺運(yùn)算速度和自身 A/D端口的采樣速度，能夠適應(yīng)對(duì)黑白低線數(shù)攝像頭的有效視頻采樣和對(duì)大量圖像 數(shù)據(jù)的處理。 4.1機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 4.1.1車(chē)模結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 本項(xiàng)目采用后輪驅(qū)動(dòng)，前輪轉(zhuǎn)向。使用單個(gè) CC攝像頭進(jìn)行導(dǎo)航，攝像頭位于 舵機(jī)正上方370m處。前方用2個(gè)傳感器探測(cè)坡度，其位置位于小車(chē)前部100m處，15 度傾角向上偏起。電路板置于小車(chē)腹部。整個(gè)小車(chē)重心在中部偏后，有較好的穩(wěn)定 性。底盤(pán)無(wú)改動(dòng)。經(jīng)過(guò)改裝后的車(chē)模參數(shù)如表 4.2。 長(zhǎng) 400mm 寬 200mm 高 350mm 重 1.16Kg 傳感器個(gè)數(shù) 3個(gè)（1個(gè)CCD 2個(gè)紅外） 其它伺服電機(jī)個(gè)

9、數(shù) 0 檢測(cè)精度、頻率 25Hz 車(chē)模平均電流（勻速行駛） 800毫安 表4.1車(chē)模參數(shù)表 我們?cè)趯?shí)際調(diào)整時(shí)的改進(jìn)辦法： 1）、加長(zhǎng)舵機(jī)柄，從而增大車(chē)行進(jìn)中的車(chē)輪轉(zhuǎn)向速度。這樣雖然在舵機(jī)轉(zhuǎn)速不 變的情況下夾塊了車(chē)輪的轉(zhuǎn)角速度，但是給舵機(jī)轉(zhuǎn)向增大了負(fù)荷。在實(shí)際調(diào)試中， 出現(xiàn)過(guò)舵機(jī)里面齒輪被損壞的情況。 2）、由于前輪軸和車(chē)輪之間的間隙較大，對(duì)車(chē)高速轉(zhuǎn)向時(shí)的中心影響較大，會(huì)引 起高速轉(zhuǎn)向下車(chē)的轉(zhuǎn)向不足。而且這里是規(guī)則中嚴(yán)禁改動(dòng)的部分，所以我們只能調(diào) 整前輪內(nèi)傾角來(lái)彌補(bǔ)車(chē)輪在高速轉(zhuǎn)彎中遇到的轉(zhuǎn)向不足的問(wèn)題。在實(shí)際調(diào)試中，我 們發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大內(nèi)傾角可以增大轉(zhuǎn)彎時(shí)車(chē)輪和地面的接觸面積

10、，從而增大車(chē)了地面 的摩擦程度，使車(chē)轉(zhuǎn)向更靈活，減小因摩擦不夠而引起的轉(zhuǎn)向不足的情況。 3）、底盤(pán)適當(dāng)降低，在可以過(guò)坡道的情況下，盡量降低底盤(pán)，從整體上降低車(chē) 的中心，使車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)可以更快速。 4.1.2車(chē)模轉(zhuǎn)向舵機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中有著非常重要的作用，合適的前橋調(diào)整參數(shù)可以保 證在車(chē)輛直線行駛過(guò)程中不會(huì)跑偏，即保證車(chē)輛行駛的方向穩(wěn)定性；而在車(chē)輛轉(zhuǎn)向 后，合適的前橋可以使得車(chē)輛自行回到直線行駛狀態(tài)，即具有好的回正性。基于這 個(gè)原因，前橋參數(shù)調(diào)整及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)必然會(huì)成為智能車(chē)設(shè)計(jì)中機(jī)械結(jié)構(gòu)部分 的重點(diǎn)，在實(shí)際操作中，我們通過(guò)理論預(yù)測(cè)進(jìn)行方案的可行性分析，然后做

11、出實(shí)際 結(jié)構(gòu)以驗(yàn)證理論數(shù)據(jù)。 1—^ 1—^ 圖22改進(jìn)后的舵機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及安裝圖 在最終設(shè)計(jì)的這套機(jī)構(gòu)中，我們綜合考慮了速度與扭矩間的關(guān)系，盡量減小舵 機(jī)的負(fù)荷，并根據(jù)模型車(chē)底盤(pán)的具體結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了安裝方式，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，不 過(guò)該機(jī)構(gòu)仍存在自身重量太大的問(wèn)題，我們將在以后的調(diào)試過(guò)程中逐漸改進(jìn)。 4.1.3電路板 共用到一塊PCE電路板，即車(chē)身主板（包括MCU調(diào)試電路，電源電路，紅外傳感 器，加速度傳感器電路，測(cè)速傳感器等），其外形尺寸見(jiàn)表4.3 o 長(zhǎng) 160mm 寬 77mm 所有電容總?cè)萘? 小于1500uF 除MC9S12DG128的主要芯片 LM2940,

12、MMA7260,MC33886,LM1117, LM18 表4.3電路板參數(shù)表 4.2視頻信號(hào)米集方案 4.2 . 1采集分析 本系統(tǒng)所使用的CCD攝像頭輸出的是PAL制式的視頻信號(hào)，其一幅圖像包含 575個(gè)圖像行，每行最多有767個(gè)點(diǎn)（按熒光屏的長(zhǎng)寬比為 4: 3計(jì)算），因此其圖 像解析度能達(dá)到575 X 767X40000個(gè)象素。而對(duì)于智能車(chē)系統(tǒng)而言，由于受 MC9S12DG128單片機(jī)內(nèi)存和運(yùn)算速度的限制，這么大解析度的圖像是無(wú)法處理的。 因此必須降低圖像的分辨率。我們最終確定采集圖像的分辨率為 48X 40,即每 行采集48個(gè)點(diǎn)，每幅圖像采集40行。 4.2.2采集

13、時(shí)序 具體說(shuō)來(lái)，采集一場(chǎng)的流程是這樣的： 第一步，LM1881分離出的奇場(chǎng)同步信號(hào)在 DG128的H 口產(chǎn)生中斷。根據(jù)PAL 規(guī)范，此時(shí)意味著還有22行（約1408卩§視LM1881的信號(hào)延時(shí)而定）將開(kāi)始第 一個(gè)數(shù)據(jù)行。為確保正確的采集到數(shù)據(jù)，使定時(shí)器定時(shí)23.5行（23.5 X 64護(hù)1504必）， 定時(shí)結(jié)束后，開(kāi)啟行中斷，準(zhǔn)備采集數(shù)據(jù)。 第二步，定時(shí)器定時(shí)1504pS時(shí)間到，此時(shí)開(kāi)啟行通道，允許中斷，并使控制 ATD轉(zhuǎn)換的行計(jì)數(shù)器歸零，以標(biāo)志一幅圖像的開(kāi)始。 第三步，大約32g（0.5行）后，行中斷到。由于一場(chǎng)中有280多個(gè)行，但ATD 只采集其中的40行，為此設(shè)置了一個(gè)

14、行計(jì)數(shù)器，每次行中斷都將該計(jì)數(shù)器加一，當(dāng) 該計(jì)數(shù)器的值與預(yù)存數(shù)組里的某個(gè)數(shù)相等時(shí)， 表示該行應(yīng)該采集。根據(jù)PAL的規(guī)范， 在數(shù)據(jù)行中，行同步信號(hào)后 6ps（上升沿，如果選下降沿有效，應(yīng)該是 10.3 Qs才 會(huì)有真正的圖像數(shù)據(jù)出現(xiàn)，并持續(xù)52ps到該行結(jié)束。為此在該行的行中斷中使定時(shí) 器定時(shí)6 p，定時(shí)時(shí)結(jié)束后才能開(kāi)始采集。 第四步，定時(shí)器定時(shí)6 ps時(shí)間到。此時(shí)應(yīng)立即開(kāi)始 ATD采集。由于ATD是按 序列采集的，一個(gè)序列可以連續(xù)采集 1?8個(gè)點(diǎn)，并可設(shè)置是單序列還是掃描方式。 每個(gè)序列采集完成后將產(chǎn)生一次 ATD中斷。為減少ATD中斷次數(shù)，在ATD初始化 中已設(shè)置轉(zhuǎn)換序列長(zhǎng)度為 &

15、此時(shí)以掃描方式開(kāi)啟ATD，采集48個(gè)點(diǎn)需要6次ATD 中斷。 第五步，每隔約8卩§ ATD中斷發(fā)生一次。該步中最重要的就是把 ATD的數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)圖像的數(shù)組中。由于一行中ATD要采集6個(gè)序列，因此要記錄已經(jīng)采 集的序列數(shù)，每次進(jìn)入ATD中斷，都使之加一，當(dāng)序列數(shù)為6時(shí)，標(biāo)志著一個(gè)行已 經(jīng)采集完了。 一行采集完后將采集行計(jì)數(shù)器（注意：不是第三步中提到的行計(jì)數(shù)器） 加一，并應(yīng)停止ATD,但是S12中并沒(méi)有使ATD停止直接方法，唯一的辦法是使 ATD以單序列采集方式再采集一次。 但是這次完成后仍然會(huì)發(fā)生中斷， 中斷處理程 序可根據(jù)采集的序列數(shù)來(lái)判斷是否是這種額外的情況，如果是，中斷處

16、理程序除了 讀一下ATD數(shù)據(jù)寄存器以清中斷標(biāo)志位之外，并不需要做任何事。 第六步，ATD中斷不斷的向圖像數(shù)組中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，直到行計(jì)數(shù)器計(jì)到 40。此 時(shí)意味著一幅圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)采集完成。此時(shí)應(yīng)關(guān)掉行中斷，以免其產(chǎn)生額外動(dòng)作。 第七步，偶場(chǎng)中斷到。其實(shí)就是奇場(chǎng)同步信號(hào)的下降沿，如果沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)設(shè) 置和接線，將沒(méi)有這個(gè)中斷。PAL制式的信號(hào)中，奇場(chǎng)同步信號(hào)和偶場(chǎng)同步信號(hào)以 20ms的間隔交替出現(xiàn)，因此可以將此兩種信號(hào)作為小車(chē)調(diào)整的基準(zhǔn)時(shí)間。 此后直到 下一個(gè)奇場(chǎng)中斷到來(lái)，開(kāi)始另一場(chǎng)的采集。 可見(jiàn)，程序的運(yùn)行完全是由各個(gè)中斷的來(lái)推動(dòng)的。程序的流程圖如圖 4.2。 4.2.3中斷分析 視頻

17、采集共涉及到6個(gè)中斷：奇場(chǎng)中斷、偶場(chǎng)中斷、行中斷、定時(shí)器中斷 1、 定時(shí)器中斷2、ATD中斷。但是只有3個(gè)硬件中斷源，即H 口中斷、定時(shí)器中斷和 ATD中斷，對(duì)應(yīng)只有3個(gè)中斷服務(wù)程序。為此需要在中斷程序中區(qū)分中斷的類型。 1） H 口中斷 H 口中斷服務(wù)程序要區(qū)分是奇場(chǎng)中斷、 偶場(chǎng)中斷還是行中斷，這是通過(guò)寄存器 的中斷標(biāo)志為來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 2） 定時(shí)器中斷 定時(shí)器中斷要區(qū)分是定時(shí)了多少時(shí)間。為此我們?cè)O(shè)置了一個(gè)“服務(wù)標(biāo)志” ，不 同的定時(shí)時(shí)間設(shè)置不同的服務(wù)標(biāo)志，以使定時(shí)器中斷程序做不同的處理。 3） ATD中斷 ATD中斷的首要任務(wù)是及時(shí)把結(jié)果寄存器中的值轉(zhuǎn)移出來(lái)， 因?yàn)锳TD是以掃描

18、 方式不停的在采集轉(zhuǎn)移不及時(shí)，新的結(jié)果會(huì)把原來(lái)的結(jié)果覆蓋掉。然后 ATD中斷程 序需要根據(jù)一系列計(jì)數(shù)器的值計(jì)算本次采集結(jié)果對(duì)應(yīng)的圖像位置，然后保存到數(shù)組 9 循跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 10 循跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 中。最后ATD中斷還要判斷何時(shí)一行結(jié)束、何時(shí)一場(chǎng)結(jié)束 圖4.2視頻采集流程圖 # 循跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 5硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 5.

19、1硬件電路設(shè)計(jì)方案 從最初進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)我們就既定了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)： 可靠、高效、簡(jiǎn)潔, 在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行。 可靠性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一要求，我們對(duì)電路設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)都進(jìn)行了電磁兼容 性設(shè)計(jì)，做好各部分的接地、屏蔽、濾波等工作，將高速數(shù)字電路與模擬電路分開(kāi)， 使本系統(tǒng)工作的可靠性達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 高效是指本系統(tǒng)的性能要足夠強(qiáng)勁。我們主要是從以下兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)的： 1、 采用外部A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)高速A/D轉(zhuǎn)換，大大提高了圖像采集的分辨率； 2、 使用了由分立元件制作的直流電動(dòng)機(jī)可逆雙極型橋式驅(qū)動(dòng)器， 該驅(qū)動(dòng)器的額 定工作電流可以輕易達(dá)到100A以上，大大提高了電動(dòng)機(jī)

20、的工作轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。 簡(jiǎn)潔是指在滿足了可靠、高效的要求后，為了盡量減輕整車(chē)重量，降低車(chē)體重 心位置，應(yīng)使電路設(shè)計(jì)盡量簡(jiǎn)潔，盡量減少元器件使用數(shù)量，縮小電路板面積，使 電路部分重量輕，易于安裝。我們?cè)趯?duì)電路進(jìn)行詳細(xì)、徹底的分析后，對(duì)電路進(jìn)行 了大量簡(jiǎn)化，并合理設(shè)計(jì)元件排列和電路走線，使本系統(tǒng)硬件電路部分的重量、面 積都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 5.2硬件電路的實(shí)現(xiàn) 整個(gè)智能車(chē)控制系統(tǒng)是由三部分組成的：S12為核心的最小系統(tǒng)板、主板、電 機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板。最小系統(tǒng)板可以插在主板上組成信號(hào)采集、處理和電機(jī)控制單元。 為了減小電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路帶來(lái)的電磁干擾，我們把控制單元部分和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分分開(kāi) 來(lái)，做成了兩塊電

21、路板。 5.2.1以S12為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)板使用MC9S12DG128單片機(jī)，112引腳封裝，為減少電路板空 間，板上僅將本系統(tǒng)所用到的引腳引出，包括一路 AD轉(zhuǎn)換接口，兩路PWM接口, 一路計(jì)數(shù)器接口，一路外部中斷接口， 17路普通10接口。其他部分還包括電源濾波 電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、串行通訊接口、 BDM接口。 為提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，我們使用有源晶體振蕩器為單片機(jī)提供時(shí)鐘。為簡(jiǎn)化 電路，我們?nèi)∠藦?fù)位按鍵和串行通訊接口電路中的 TTL電平與RS-232電平轉(zhuǎn)換電 路。 單片機(jī)引腳規(guī)劃如下： PA口 ：外部AD轉(zhuǎn)換器并行數(shù)據(jù)讀入。 PAD1 :奇偶場(chǎng)

22、信號(hào)輸入 PB0-PB3:調(diào)試 LED。 PB4-PB 5:模式選擇用撥碼開(kāi)關(guān)。 PB6:啟動(dòng)開(kāi)關(guān)。 PB7：調(diào)試開(kāi)關(guān)。 IRQ :行同步脈沖輸入信號(hào)。 PT0:光電編碼器脈沖輸入信號(hào)。 PWM7 :舵機(jī)角度控制信號(hào)輸出。 PWM5 :電機(jī)速度控制信號(hào)輸出。 5.2.2主板 主板上裝有組成本系統(tǒng)的主要電路，它包括如下部件：電源穩(wěn)壓電路、視頻同 步分離電路、外部A/D轉(zhuǎn)換器電路、攝像頭接口、舵機(jī)接口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口、編 碼器接口、鍵盤(pán)接口、監(jiān)控模塊接口、電源接口、單片機(jī)最小系統(tǒng)板插座、跳線、 指示燈、按鍵、開(kāi)關(guān)等。 1）電源穩(wěn)壓電路 本系統(tǒng)中電源穩(wěn)壓電路僅為一路+5V穩(wěn)壓

23、電路，為整個(gè)智能模型車(chē)自動(dòng)控制系 統(tǒng)中除后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向舵機(jī)外的所有設(shè)備供電。由于整個(gè)系統(tǒng)中 +5V電路功耗 較小，為了降低電源紋波，我們決定使用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，另外，后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)工 作時(shí)，電池電壓壓降較大，為提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，必須使用低壓降電源穩(wěn)壓芯片， 常用的低壓降串聯(lián)穩(wěn)壓芯片主要有 LM2940和LM1117，LM2940壓降雖然比LM1117 更低，但是電源紋波較大，所以我們最終選擇LM1117設(shè)計(jì)電源穩(wěn)壓電路。電源穩(wěn)壓 電路原理圖如圖3.2. -7.2VC» 弐（Lf 3 VI g VO f r 2 u 十C2 1

24、 f — —IOOuF 一 104 U1 AS1117 104 圖5.1電源穩(wěn)壓電路 2）視頻同步分離電路 我們的智能模型車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)中使用黑白全電視信號(hào)格式 CMOS攝像頭采集 通道信息。攝像頭視頻信號(hào)中除了包含圖像信號(hào)之外，還包括了行同步信號(hào)、行消 隱信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)、場(chǎng)消隱信號(hào)以及槽脈沖信號(hào)、前均衡脈沖、后均衡脈沖等。 因此，若要對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采集，就必須通過(guò)視頻同步分離電路準(zhǔn)確地把握各種信 號(hào)間的邏輯關(guān)系。我們使用了 LM1881芯片對(duì)黑白全電視信號(hào)進(jìn)行視頻同步分離， 得 到行同步、場(chǎng)同步信號(hào)，具體原理不再贅述。視頻同步分離電路原理圖

25、5.2所示。 C2i L3 IRQ I VIDEO 510p cso VCC CXI O/E vs T GND BO 斗 IC1 8 ~OE 6 艮了 6SCK 024 101 圖5.2視頻同步分離電路 3）外部A/D轉(zhuǎn)換器電路 由于攝像頭輸出的黑白全電視信號(hào)為模擬信號(hào)，所以必須經(jīng)過(guò) A/D轉(zhuǎn)換之后才 能由單片機(jī)進(jìn)行處理。雖然S12單片機(jī)具有A/D轉(zhuǎn)換器的功能，但是速度較慢。實(shí)際 使用發(fā)現(xiàn)，在將單片機(jī)超頻并且降低 A/D轉(zhuǎn)換質(zhì)量之后，每行圖像仍只能采集 78個(gè) 點(diǎn)，使得圖像分辨率不高，賽道檢測(cè)信息量不足。為此，我們使用 TLC5510芯

26、片制 作了外部A/D轉(zhuǎn)換器。 除以上三部分外，主板上還具有攝像頭、舵機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、編碼器、鍵 :.TOD DQO REFB RrFBS AGO ACM) 一MLOG 對(duì) VDDA REJT PFF?^ WQA WDA. \IW T? L 丄CM丄CD _一 1(M 丁 KU 丁涮 匚M 1泊 LtX 圖5.3外部A/D轉(zhuǎn)換器電路 盤(pán)、監(jiān)控模塊、電源、單片機(jī)最小系統(tǒng)板等設(shè)備的接口，并準(zhǔn)備了若干指示燈、按 鍵、跳線、開(kāi)關(guān)等用于系統(tǒng)調(diào)試。 5.2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板為一個(gè)由分立元件制作的直流電動(dòng)機(jī)可逆雙極型橋式驅(qū)動(dòng)器，其功 率元件由四支N溝

27、道功率MOSFET管組成，額定工作電流可以輕易達(dá)到10A以上，大 大提高了電動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。該驅(qū)動(dòng)器主要由以下部分組成： PWM信號(hào)輸 入接口、邏輯換向電路、死區(qū)控制電路、電源電路、上橋壁功率 MOSFET管柵極驅(qū) 動(dòng)電壓泵升電路、功率MOSFET管柵極驅(qū)動(dòng)電路、橋式功率驅(qū)動(dòng)電路、緩沖保護(hù)電 路等。 5.2.4攝像頭 本智能車(chē)尋線采用CMOS圖像傳感器方式，普通單板攝像頭。普通 CMOS圖像 傳感器通過(guò)行掃描方式，將圖像信息轉(zhuǎn)換為一維的視頻模擬信號(hào)輸出。具體參數(shù)如 下： 攝像頭參數(shù)：320線； 照度：0.5LUX 0.01LUX ； 輸出制式：PAL制式標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)； 鏡

28、頭及視角：3.6mm 92°; 供電電壓/消耗功率：9V 100mA ； 5.2.5速度傳感器 智能車(chē)在實(shí)際速度控制中對(duì)反應(yīng)車(chē)速的控制信號(hào)波形要求不是太高，因此我們 在滿足比賽要求的基礎(chǔ)上盡量簡(jiǎn)化電路，使用自制的光電編碼器來(lái)測(cè)速。我們使用 線切割在直徑為30mm的圓盤(pán)周?chē)庸こ?2個(gè)細(xì)縫，自制了一個(gè)32線的光電編碼器 我們使用紅外光電對(duì)射管作為采集碼盤(pán)脈沖的傳感器。電路如圖 3.7所示。 16 6循跡小車(chē)軟件設(shè)計(jì) 在控制算法中，主要用到了以下三方面的內(nèi)容：攝像頭循線控制算法，記憶解 決道路S型控制算法和PID速度控制算法。其中循線控制算法用來(lái)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向，

29、記憶控制算法主要用來(lái)解決S型，PID控制算法主要用來(lái)控制智能車(chē)的快速加速、 減速和速度的平穩(wěn)。 6.1路徑識(shí)別與自適應(yīng)閾值計(jì)算 所謂路徑識(shí)別，簡(jiǎn)單的理解就是把圖像中反映路徑的部分提取出來(lái)。這是一個(gè) 圖像分割的過(guò)程。圖像分割是計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理與分析中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)， 是一種基本的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)。在圖像分割中，把要提取的部分稱為“物體 （Object）”，把其余的部分稱為“背景（Background）”。分割圖像的基本依據(jù)和條 件有以下4個(gè)方面： 1） 分割的圖像區(qū)域應(yīng)具有同質(zhì)性，如灰度級(jí)別相近、紋理相似等； 2） 區(qū)域內(nèi)部平整，不存在很小的小空洞； 3） 相近區(qū)域之間對(duì)選定的某種同

30、質(zhì)判據(jù)而言，應(yīng)存在顯著的差異性； 4） 每個(gè)分割區(qū)域邊界應(yīng)具有齊整性和空間位置的平整性。 圖像分割的基本方法可以分為兩大類：基于邊緣檢測(cè)的圖像分割和基于區(qū)域的 圖像分割。 這種算法的特點(diǎn)是運(yùn)算量小，但是能跟蹤環(huán)境光線的逐漸變化。由于環(huán)境光線 不管在時(shí)間上還是空間上都是逐漸變化的，所以這種分割算法產(chǎn)生嚴(yán)重錯(cuò)誤的概率 極小，小于1/10000。 6.2抗干擾處理 抗干擾處理包括以下方面的內(nèi)容： 1） 消除信號(hào)產(chǎn)生和傳輸?shù)倪^(guò)程中造成的噪聲； 2） 消除賽道不理想或光線不均勻形成的干擾； 3） 消除賽道中的交叉線、斷續(xù)線； 4） 識(shí)別起跑線。 信號(hào)產(chǎn)生和傳輸?shù)倪^(guò)程中造成的噪聲具有普

31、遍性，但是只有當(dāng)其非常嚴(yán)重時(shí)才 對(duì)路徑的識(shí)別造成影響。所以采取以下濾波算法：當(dāng)某點(diǎn)的灰度值與其左邊和右邊 點(diǎn)的灰度值的差同時(shí)大于某個(gè)正閾值或同時(shí)小于某個(gè)負(fù)閾值時(shí)， 認(rèn)為該點(diǎn)是干擾點(diǎn)， 取其左右兩邊灰度值的平均值作為該點(diǎn)的灰度值。 這種算法的實(shí)質(zhì)是搜索連續(xù)的黑線。 因?yàn)橘惖朗沁B續(xù)的，而干擾卻大部分是離 散分布的。 6.3算法實(shí)現(xiàn) 6.3.1偏航距離的計(jì)算 由于循跡機(jī)器人已經(jīng)獲得了通道道中心線的位置，所以計(jì)算偏航距離的問(wèn)題是 選取何處的中心線的距離為當(dāng)前的偏航距離。 控制算法的執(zhí)行周期為40ms,如果小 車(chē)的速度為2m/s，則在兩次控制算法的執(zhí)行中間，小車(chē)要前進(jìn) 8cm,小車(chē)所處的

32、環(huán) 境將發(fā)生比較大的改變，所以賽車(chē)的控制只能算是半實(shí)時(shí)控制，這是所有使用攝像 頭作為主要尋線傳感器的參賽隊(duì)都避免不了的問(wèn)題。 6.3.2偏航角度的計(jì)算 計(jì)算偏航角度的實(shí)質(zhì)是直線擬合問(wèn)題， 因?yàn)橘惖乐行木€所在的直線確定了， 而 直線的斜率與偏航角度一一對(duì)應(yīng)。直線擬合最有效的方法是最小二乘法，但是直接 應(yīng)用存在一個(gè)問(wèn)題，即如何確定進(jìn)行直線擬合的區(qū)間？在整個(gè)成功識(shí)別出通道的區(qū) 間內(nèi)進(jìn)行直線擬合顯然是欠缺考慮的，因?yàn)樵趶澋赖那闆r下，這種方法擬合出的是 一條弦線，而不是當(dāng)前該彎道處的切線。攝像頭視野越大，彎道曲率越大，弦線偏 離切線的程度也就越大。為了能夠在直道和彎道上都能正確的擬合出正確的直線，

33、 我們采用了直線檢測(cè)的方法，即首先根據(jù)殘差的大小確定直線的范圍，然后在這一 范圍內(nèi)進(jìn)行直線擬合。 6.3.3曲率的計(jì)算 首先對(duì)獲得的路徑進(jìn)行濾波，使得路徑盡可能平滑，然后取其兩個(gè)端點(diǎn)和中間 點(diǎn)，計(jì)算這3個(gè)點(diǎn)組成的三角形的外接圓的半徑， 半徑的倒數(shù)就是這段路徑的曲率。 經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，這種方法的誤差一般不大于 20%，對(duì)智能車(chē)的控制來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。 6.4速度PID算法 根據(jù)偏差的比例(Proportional)、積分(Integral)、微分(Derivative)的線性組 合進(jìn)行反饋控制(簡(jiǎn)稱PID控制)，數(shù)字PID控制算法是電機(jī)微機(jī)控制中常用的一 種基本控制算法[9] o 在連續(xù)

34、系統(tǒng)中，模擬PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，控制系統(tǒng)原理框圖如圖 5.10。 比例 r(t)亡(t) u(t) v(t) 積分 r 微 5>d/dt 20 # 圖5.10 PID控制系統(tǒng)原理框圖 控制規(guī)律為: fe(t)dt +Td d^] 0 dt (5.1) 1 u(t)二Kp[e(t) Ti 式中：K p :比例增益，K p的倒數(shù)稱為比例帶；T ：積分時(shí)間常數(shù)；Td ：微分 時(shí)間常數(shù)；u(t):控制量；e(t):偏差，等于給定量與反饋量的差。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，數(shù)字PID控制

35、算法通常又分為位置式 PID和增量式PID本次 設(shè)計(jì)中，我們采用增量式PID。 # 7模型車(chē)的主要技術(shù)參數(shù) 智能小車(chē)基本參數(shù) 長(zhǎng) 28.5cm 寬 16.3cm 高 26.1cm 車(chē)重 0.925kg 功耗 空載 8.2W -H4- +［、， 帶載 大于15W 電容總?cè)萘? 1186.30612uF 傳感器 紅外對(duì)射管 1個(gè) CMOS攝像頭 1個(gè) 除了車(chē)模原有的驅(qū)動(dòng) 電機(jī)、舵機(jī)之外伺服電機(jī)個(gè) 數(shù) 0 通道信息檢測(cè) 視野范圍（近/遠(yuǎn)） 25/160cm 精度（近/遠(yuǎn)） 2/12.5mm 頻率 50Hz 21

36、 8元器件清單 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 速度控制 1路16位的PWM輸出 PWM01 電源 7.2V供電 驅(qū)動(dòng)舵機(jī) 轉(zhuǎn)向控制 1路16位的PWM輸出 PWM23 電源 7.2V電源 2個(gè)傳感器A 采集道路信息 PORTT的2位 電源 5V電源 1個(gè)傳感器B 速度反饋 1個(gè)脈沖累加器外部引腳 PACN32 電源 5V電源 攝像頭 圖像采集 A/D 端口 ADO通道 3個(gè)中斷引腳 PHO、PH1、PH2 電源 7.2V電源 串口 和電腦數(shù)據(jù)交流 接收RX 口和發(fā)送TX 口 SCIO 控制板 程序開(kāi)始按鈕 1個(gè)I/O端口 POR

37、TK_BIT4 復(fù)位按鈕 1個(gè) 指示燈 3個(gè)I/O輸出口 PORTK_BIT0 ? PORTK_BIT2 小結(jié) 短短的一周就這樣過(guò)去了， 大三最后一個(gè)星期， 大三最后一次課設(shè)， 就在這 樣一個(gè)炎炎夏日結(jié)束了。想到這里，思緒量多，感慨良多。大學(xué)里已經(jīng)經(jīng)歷了好 多次課設(shè)，慢慢感受到，每一次都收獲了許多，正如這次機(jī)器人課設(shè)，即使已經(jīng) 結(jié)束了考試，但覺(jué)得機(jī)器人的課程還沒(méi)有停止。這一周里，我學(xué)到了好多東西， 這些都是課堂上不容易學(xué)到的。 本次課設(shè)我們選擇的是循跡機(jī)器人的題目， 如每次課設(shè)一樣， 我們的行動(dòng)步 驟為查找資料、分析原理、調(diào)試程序、記錄結(jié)果。但這次課設(shè)給我的感覺(jué)卻不同 于每次

38、。我的學(xué)習(xí)態(tài)度并不是十分認(rèn)真刻苦， 以往很多次課設(shè)由于小組同一題目 的原因，我都會(huì)不自覺(jué)的依賴小組中能力較強(qiáng)的同學(xué)。這一次的情況比較偶然， 也不是說(shuō)我是能力最強(qiáng)的， 只是這次自己也在默默地暗示自己， 要最大程度上的 靠自己把任務(wù)完成。 本次報(bào)告詳細(xì)介紹了的智能循跡小車(chē)的系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)以 Freescale16位 單片機(jī) MC9S12DG128 作為系統(tǒng)控制處理器，采用基于激光傳感器采樣獲取通 道信息，通過(guò)檢測(cè)方法提取通道上的黑線， 求出小車(chē)與黑線間的位置偏差， 采用 PID 方式對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)行反饋控制。通過(guò)速度傳感器對(duì)小車(chē)形成速度閉環(huán)控制。 報(bào)告中還介紹了賽車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)和調(diào)整方法， 賽車(chē)各

39、個(gè)主要模塊的工作原理和設(shè)計(jì) 思路。智能賽車(chē)分硬件和軟件 2 部分。硬件部分主要是賽車(chē)的安裝和調(diào)整，以 及電路板的設(shè)計(jì)。 機(jī)器人課程設(shè)計(jì)雖然結(jié)束了， 但通過(guò)設(shè)計(jì)所學(xué)到的東西將長(zhǎng)久存在。 大三的 最后一次課設(shè)， 我們都進(jìn)著自己最大的努力來(lái)完成， 以達(dá)到最好的效果。 相信這 次設(shè)計(jì)帶給我的嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)習(xí)態(tài)度和一絲不茍的科學(xué)作風(fēng)將會(huì)給我未來(lái)的工作和學(xué) 習(xí)打下一個(gè)更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 23 致謝 大三的最后一周， 我們開(kāi)始了為期一周的課程設(shè)計(jì)， 短短一周，有太多汗水， 太多耕耘， 也有太多欣慰， 太多感動(dòng)， 我們每個(gè)人都在為自己的任務(wù)盡著自己最 大的努力，也在絲毫不保留的贈(zèng)與給彼此最貼心的幫助和溫暖

40、。 首先還是要感謝我們的傳感器課講師——祝尚臻老師。 新學(xué)期開(kāi)始， 每個(gè)人 并不是很習(xí)慣課程中的忙碌， 不免會(huì)陷入忙碌和慌亂。 我們還要輪流著向祝老師 請(qǐng)教問(wèn)題和答辯。 每個(gè)人完成自己的任務(wù)后， 還可以回到座位上休息一下。 老師 就這樣圍在我們中間， 不停歇， 不懈怠的忙碌著， 依次對(duì)我們的電路進(jìn)行細(xì)致的 分析和改動(dòng)， 給予我們最有價(jià)值的指導(dǎo)和幫助。 每次老師走到我們身邊， 解答疑 問(wèn)時(shí)，時(shí)而嚴(yán)厲，時(shí)而和藹，偶爾還會(huì)和我們開(kāi)開(kāi)小玩笑，舒緩一下緊張情緒。 這都讓我們非常感動(dòng)，課程的進(jìn)行中，最累的不是我們，而是老師，在這里我謹(jǐn) 以一名學(xué)生的身份向祝老師表達(dá)最誠(chéng)摯的感謝， 感謝老師的無(wú)私與敬業(yè)，

41、感謝老 師對(duì)我們學(xué)習(xí)的幫助和指導(dǎo)。 這次課設(shè)中， 我有很多地方做得很不到位， 電腦操作的不熟練， 課程知識(shí)的 不精通時(shí)常讓我感到倍生困惑。 是我的組員同學(xué)在一直細(xì)心的幫助我， 給我最大 的支持和動(dòng)力。 在這里也要感謝我的組員， 謝謝他們對(duì)我的包容和支持， 希望在 以后的學(xué)習(xí)生活中我們有更多的機(jī)會(huì)在一起合作。 最后，也要感謝學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)對(duì)我們每個(gè)學(xué)生的費(fèi)心和關(guān)照， 讓我們能有一次這 樣的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)， 讓我們各方面的學(xué)習(xí)能力得到了鍛煉。 無(wú)論以后我們會(huì)又怎樣的 成就，我們都會(huì)記住母校對(duì)我們的關(guān)懷， 我們會(huì)在未來(lái)的生命中繼續(xù)攀登， 為母 校爭(zhēng)得更優(yōu)異的成績(jī)！ 24 參考文獻(xiàn) [1] 召E

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