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        基于TSL模塊的智能導(dǎo)航平臺開發(fā)

        2017-03-13 05:37:39南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院張澤宇沈世斌
        電子世界 2017年4期
        關(guān)鍵詞:舵機小車調(diào)試

        南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院 張澤宇 沈世斌

        基于TSL模塊的智能導(dǎo)航平臺開發(fā)

        南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院 張澤宇 沈世斌

        智能導(dǎo)航平臺是在一個標(biāo)準(zhǔn)汽車模型和直流電機基礎(chǔ)上,配以單片機及外圍電路共同構(gòu)成的智能平臺,其優(yōu)點在于能夠根據(jù)路況而改變和自動實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎等功能,這就對硬件機械的設(shè)計要求很高?;诖耍疚难芯苛嘶赥SL1401線性CCD圖像識別智能小車的設(shè)計與開發(fā),分別進行了CCD 傳感器信號采集處理模塊設(shè)計,主板及電機驅(qū)動模塊設(shè)計,控制算法的編制及執(zhí)行和調(diào)試、舵機控制設(shè)計與安裝,通過系統(tǒng)硬件平臺搭建和軟件設(shè)計,采用TSL1401線性CCD作為小車的循跡模塊來識別白色路面,采集信號并將信號轉(zhuǎn)換為能被單片機識別的數(shù)字信號,完成了基本功能和系統(tǒng)調(diào)試,測試結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的避障成功率和控制精度。

        單片機;TSL模塊;傳感器;自動循跡;自動控制技術(shù)

        0 引言

        本文研究的控制對象是前輪轉(zhuǎn)向、后輪雙電機驅(qū)動的智能小車。要順利控制,需要更短的控制周期,以達到更快的響應(yīng)速度。在轉(zhuǎn)彎時,小車的后輪軌跡很難完全按照傳感器提供的數(shù)據(jù)進行完美順暢的過彎,因此需要對車子的整體控制進行優(yōu)化。

        為實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸處理,硬件上選用了主頻能達到80M的Freescale K60 32位單片機,由于K60在高速的信息采集AD過程中,轉(zhuǎn)化能力有所欠缺,所以我們采用TLC5510高速外部AD轉(zhuǎn)化,即采用了硬件二值化的設(shè)計,將TSL模塊傳感器輸出的灰度圖像直接轉(zhuǎn)化為二值化的黑白圖像,減少單片機數(shù)據(jù)量和讀取時間,方便于軟件的進一步處理。在電機驅(qū)動方面,我們根據(jù)車子電機的特點,選擇N-MOS管雙H橋驅(qū)動,可以有效地避免驅(qū)動過熱現(xiàn)象。在輔助調(diào)參模塊,我們采用多種嘗試方案,包括鍵盤調(diào)參、撥碼開關(guān)、顯示屏等。在軟件上我們優(yōu)化算法,使用匯編語言與C語言混合編程以提高執(zhí)行的效率。

        隨著利用單片機實現(xiàn)自動化控制研究的進步,圖像識別技術(shù)及其在智能汽車上的應(yīng)用也得到了長足的發(fā)展。本文將介紹關(guān)于基于TSL1401模塊,同時應(yīng)用液晶屏和旋轉(zhuǎn)開關(guān)等來完善人機界面、豐富參數(shù)的調(diào)節(jié)方式來實現(xiàn)自動導(dǎo)航平臺設(shè)計的方案。

        1 TSL線性CCD傳感器模塊

        1.1 主要應(yīng)用背景

        我們應(yīng)用較多的是以TAOS公司生產(chǎn)的TSL1401R芯片為核心,集成了一個高達128像素點的線性陣列傳感器以及一個專門用于線性CCD透鏡的TSL1401模塊。該模塊可以看到一維的圖像,并可以通過移動模塊來獲得二維圖像。在整個實踐過程中,我們計劃主要考慮的問題可以歸納為以下三點:

        (1)研究環(huán)境光影響的問題。試驗表明線性CCD的輸出信號與環(huán)境光線密切相關(guān),在自然光條件比晚上燈光下AO引腳輸出電壓值高出好多,正對著光線比背對著光線輸出電壓高,白熾燈光下比日光燈下輸出電壓高。因此同一參數(shù)(曝光時間、鏡頭光圈)難以適應(yīng)所有復(fù)雜情況,需要我們進行實地調(diào)控;

        (2)測試優(yōu)化輸出信號放大的因素。根據(jù)之前所述,我們可以調(diào)節(jié)曝光時間來適應(yīng)各種環(huán)境,在弱光環(huán)境增大曝光時間,在強光下減小。但是曝光時間不可以無限增大,因為增大曝光時間勢必降低采樣率,這樣整個智能平臺反應(yīng)就會慢。所以如何優(yōu)化方案調(diào)節(jié)前瞻也是我們的一大亮點;

        (3)研究曝光時間的自適應(yīng)策略。簡單表述為要想完整跑完全程需要適時地、動態(tài)地調(diào)整曝光參數(shù),通過閉環(huán)反饋來達到這一目的,反饋的正是TSL模塊感應(yīng)的曝光量。目前就是取一次采集到的128個像素電壓的平均值作為曝光當(dāng)量,設(shè)定的曝光量也就是設(shè)定的128個像素點的平均電壓。我們認(rèn)為采用該策略后線性CCD采集到的電壓值在正常的智能車運行環(huán)境中都能保持在合理范圍內(nèi)。

        1.2 實際應(yīng)用方案

        TSL1401CL線性CCD傳感器陣列由一個128*1的光電二極管陣列、相關(guān)的電荷放大器電路和一個內(nèi)部的像素數(shù)據(jù)保持功能電路組成,它提供了同時集成起始和停止時間的所有像素,具有內(nèi)部控制邏輯,只需一個時鐘CLK和串行輸入端(SI)的信號。在光電二極管的光能量沖擊下產(chǎn)生光電流,這是有源積分電路與該像素相關(guān)的集成量。在積分周期期間,采樣電容器連接到積分器的輸出通過一個模式轉(zhuǎn)換,在每個像素中積累的電荷量是與光強度和積分時間成正比的(見圖1)。

        光照射到光電二極管上,產(chǎn)生光電流,被積分電路積分。在采樣期間,積分電容的一端被連接到輸出端,積分后的輸出電壓與該點的光強和積分時間成正比。因此為了適應(yīng)場地,CCD 的積分時間應(yīng)該是可變的。

        圖1 CCD內(nèi)部感光單元

        TSL1401模塊可以通過高低電平顯示來相對精確地采集圖像信息,但是該模塊可以看到一維的圖像,卻無法像面陣攝像頭那樣收集更多的信息,加之鏡頭畸變的問題,所以難免出現(xiàn)預(yù)判失誤。目前我們可以保證經(jīng)過電路運行后傳感器可以采集到需要的路徑數(shù)值,至于如何解決這一模塊的局限性需要后續(xù)軟件調(diào)試加以彌補。

        線性CCD傳感器探測距離遠,能夠采集一條直線,將車前方的道路景物,包括道路的中心位置、偏離程度、彎道曲率等,通過鏡頭生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器表面上,然后轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號,送到單片機中加工處理,由USB接口輸出。加工處理后的數(shù)字信號經(jīng)由單片機存儲到內(nèi)部RAM中,通過軟件算法對圖像信號進行處理以控制系統(tǒng)左右電機的正反轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)向,指導(dǎo)行車速度和執(zhí)行轉(zhuǎn)彎等動作,并對前方道路做出預(yù)測判斷。

        2 硬件電路模塊設(shè)計

        2.1 主板及驅(qū)動板原理設(shè)計

        我們主要設(shè)計電源模塊、道路檢測及實時方向變換模塊、測速及電機速度控制模塊。經(jīng)過仔細研究芯片手冊,選擇了功耗較低的一些穩(wěn)壓芯片,供電主體選擇7.2V,在其他模塊供電會相應(yīng)降低到5V或者3.3V以保障運行。

        在驅(qū)動上選擇了N-MOS管驅(qū)動:對于 N-MOS管,VGS大于一定的值就會導(dǎo)通,適用于源極接地的情況,只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。而且相比于P-MOS管,導(dǎo)通電阻小,價格低廉且替換種類較多,因而驅(qū)動中往往選擇N-MOS管。

        MOS管在導(dǎo)通和截止的時候,一定不是在瞬間完成的。MOS管兩端的電壓有一個下降的過程,流過的電流有一個上升的過程,在這段時間內(nèi),MOS管在損失時電壓和電流的乘積,叫做開關(guān)損失。通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多,而且開關(guān)頻率越快,損失也越大??s短開關(guān)時間,可以減小每次導(dǎo)通時的損失,降低開關(guān)頻率,可以減小單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。

        圖2 主銷后傾糾正車輪偏轉(zhuǎn)原理圖

        在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到,在GS、GD之間存在寄生電容,而MOS管的驅(qū)動,實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流,因為電容充電瞬間可以把電容看成短路,所以瞬間電流會比較大。設(shè)計MOS管驅(qū)動時要注意可提供瞬間短路電流的大小以及普遍用于驅(qū)動的NMOS,導(dǎo)通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而驅(qū)動的MOS管導(dǎo)通時源極電壓和漏極電壓(VCC)相同,所以這是柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統(tǒng)里,要得到比VCC大的電壓,就要專門的升壓電路了。

        2.2 PCB板布線

        在實體電路中,我們改進了元器件的封裝,在保證穩(wěn)定的基礎(chǔ)上盡量輕、小,使智能汽車的整體質(zhì)量更輕,運行速度更快。板載的集成電路芯片大多選用貼片封裝形式,可以節(jié)省電路板空間,保證布局的完美 。

        我們在選擇雙面貼裝的印刷版基礎(chǔ)上進行了布局調(diào)整:(1)總的連線盡可能短,關(guān)鍵信號線最短;(2)高電壓、大電流信號與小電流、低電壓的弱信號完全分開;(3)模擬信號與數(shù)字信號分開;(4)高頻信號與低頻信號分開。相同結(jié)構(gòu)電路部分采用“對稱式”,按照重心平衡、均勻分布、版面美觀的標(biāo)準(zhǔn)化來布局。并且盡量將使用同一種電源的器件放在一起,以便以后設(shè)計時要考慮的電源分隔問題。

        我們對布線規(guī)則也進行了優(yōu)化:首先對電源線和地線進行布線,加寬了電源和地線寬度,滿足:地線>電源線>信號線;其次對高頻線進行布線,避免輸入端和輸出端的邊線相鄰平行,以免產(chǎn)生反射干擾。必要時添加地線進行隔離,且兩相鄰層的布線相互垂直,最大可能消減寄生耦合;再者為了減小高頻信號輻射,盡可能多得使用45度的折線布線而不是90度。

        3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

        基于阿克曼轉(zhuǎn)向定理及實踐經(jīng)驗,我們就前輪前束、主銷內(nèi)傾和主銷外傾等進行了多種方案的構(gòu)想,以保證適應(yīng)軟件及時調(diào)整到最佳狀態(tài)。

        根據(jù)輪胎摩擦程度的實際情況及車模各個部分的布局合理設(shè)想了幾種平臺搭建方式來進一步優(yōu)化整車重心,防止在過彎時車子會發(fā)生抖動或者甩尾的情況。我們還嘗試著通過增加墊片來調(diào)節(jié)底盤高度進而降低重心,在經(jīng)過很多次嘗試后調(diào)整到了一個保證車子性能相對穩(wěn)定的高度。

        考慮到安裝方便以及轉(zhuǎn)向性能,我們對舵機安裝結(jié)構(gòu)進行了一定調(diào)整:車模的轉(zhuǎn)向是通過舵機帶動左右橫拉桿實現(xiàn),轉(zhuǎn)動速度和功率一定,要想加快轉(zhuǎn)向機構(gòu)的響應(yīng)速度,唯一的辦法就是優(yōu)化舵機的安裝位置及其力矩延長桿的長度。

        由于功率是速度與力矩乘積的函數(shù),過分追求速度必然要損失力矩,力矩太小也會造成轉(zhuǎn)向遲鈍,因此設(shè)計時就要綜合考慮轉(zhuǎn)向機構(gòu)響應(yīng)速度與力矩之間的關(guān)系,通過優(yōu)化得到一個最佳的轉(zhuǎn)向效果。

        關(guān)于舵機的安裝方式,我們選擇了直立式安裝,與連片的嚙合類似齒輪的嚙合,由于連片長度以及齒寬的影響,很難調(diào)節(jié)到合適的舵機機械中值。為了彌補這種連片的缺陷,我們采用了可調(diào)中值的舵機連片。

        在底盤的軟硬連接上,硬連接是使用比較廣泛的,即將整個底盤加固,可以提高車子在過彎時的響應(yīng)速度。但是由于離心力的作用,車子在高速過彎時極易發(fā)生外側(cè)車輪翹起的情況,影響車輪與地面的摩擦,進而可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定;相較之下,軟連接最大程度保證輪子與地面的貼合程度。但是因彈性較大,車子的響應(yīng)速度會變慢。因而如何調(diào)整一種最合適的連接是我們需要配合軟件調(diào)試來甄別的。

        4 軟件編程體系

        MK60DN512VLL10單片機帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口(P1.7-P1.0),有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器,速度可達到250KHz(25萬次/秒)。8路電壓輸入型A/D,可做電池電壓檢測、按鍵掃描等。上電復(fù)位后P1口為弱上拉型I/O口,可以通過軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換,不需作為A/D使用的口可繼續(xù)作為I/O口使用。

        圖3 程序框架示意圖

        編程主線大致分為兩條:首先是速度,核心是速度PID。單片機通過脈沖累加器把編碼器的速度采集出來,通過PID算法計算此時最合適的PWM占空比并輸出相應(yīng)的PWM脈沖從而通過驅(qū)動電路控制電機運轉(zhuǎn)。如何滿足PID參數(shù)匹配,設(shè)計一套PID參數(shù)自適應(yīng)各種舵機打角情況,是最難的地方。

        其次是路徑,核心在于中線尋跡法以及舵機PID。傳感器采集到一行的像素,設(shè)定閾值,查找邊沿兩個黑點坐標(biāo),接由兩黑點坐標(biāo)尋找中間點坐標(biāo),實際黑點坐標(biāo)與理想黑點坐標(biāo)差值作為舵機轉(zhuǎn)動的PID輸入量,輸出舵機執(zhí)行指令PWM占空比,舵機執(zhí)行指令。這其中的難點是解決路徑識別和相應(yīng)匹配舵機打角問題。

        圖4 閉環(huán)的PID控制示意圖

        路障的出現(xiàn)會帶來了較大影響,如若沖撞上去必然會導(dǎo)致翻車無法繼續(xù)運行。因此,當(dāng) CCD 檢測到連續(xù)幾次一側(cè)有明顯的窄跳變沿的情況下,我們便默認(rèn)為小車前方出現(xiàn)了路障,并對速控以及轉(zhuǎn)向進行處理,進而達到平穩(wěn)過路障的效果。

        5 調(diào)試與實驗

        小車完成組裝后,使用數(shù)字萬用表測試分立元件的電阻、壓降、漏電流、截止/導(dǎo)通狀態(tài)等參數(shù),看是否存在差值,從而避免原件搭建錯誤和虛焊的發(fā)生。

        使用邏輯分析儀用于測試各線性CCD傳感器信號的接收與傳輸,從而避免傳感器的損壞影響小車的功能實現(xiàn) 。

        開啟小車開關(guān),將其放在實驗跑道上進行實地試驗調(diào)試。首先是直道區(qū)加上彎道區(qū)的調(diào)試:通過兩邊固定的線性CCD傳感器對引導(dǎo)線檢測來實現(xiàn)電動車沿著引導(dǎo)線到達指定的地點。障礙區(qū)的調(diào)試:應(yīng)用傳感器,當(dāng)接觸到前方有障礙物的時候避開障礙物。運行狀況見表1。

        表1 小車運

        6 結(jié)論

        從運行的情況看,效果良好,但還是出現(xiàn)了沖出賽道以及原地旋轉(zhuǎn)等狀況,分析是由于小車的傳感器收到外界的影響較大。

        在調(diào)試硬件模塊時,將調(diào)試的各個電路模塊綜合起來,因易出現(xiàn)干擾情況,最好采取“逐步綜合”的方法,將一個模塊調(diào)試完成后,再結(jié)合另一個模塊,這樣更能邏輯的分析出綜合時是哪個模塊出現(xiàn)了問題。

        整個系統(tǒng)以單片機為核心,利用了傳感器將軟件和硬件相結(jié)合。本系統(tǒng)能實現(xiàn)如下功能:自動沿預(yù)設(shè)軌道行駛小車在行駛過程中,能夠自動檢測預(yù)先設(shè)好的軌道,實現(xiàn)直道和弧形軌道的前進。若有偏離,能夠自動糾正,返回到預(yù)設(shè)軌道上來。當(dāng)小車探測到前進前方的障礙物時,可以通過蜂鳴器自動報警調(diào)整,躲避障礙物,從無障礙區(qū)通過。小車通過障礙區(qū)后,能夠自動循跡。

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        Abnormal operation detection in intelligent guidance based on TSL module

        The intelligent tracing navigation platform is a automation platform based on a standard model car and continuous current dynamo,which consists of SCM and other peripheral circuits,and has the advantage of being able to change according to the road conditions and automatic turning and other functions,which requires a very high design requirements of the hardware and machinery.Based on this,this paper studies the design and development of TSL1401 module linear CCD image recognition intelligent car based on CCD for sensor signal acquisition and processing module design,module design of master leaf and motor drive,control algorithm development and implementation and debugging,servo control design and installation,the system hardware platform and software design,using linear CCD as TSL1401 car tracking module to identify the white road,collecting signal and converts the signal into digital signal processor can be identifed,debugged and the system test results show that the system has good control accuracy.

        SCM;TSL module;sensor;automatic tracing;automatic control

        南京師范大學(xué)2016-2017學(xué)年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目《基于TSL模塊的自動導(dǎo)航平臺設(shè)計》(項目編號:201610319039Z)。

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