三江學(xué)院電子信息工程學(xué)院 孫肖林 花懷海 楊 焜 李成誠 沙珊珊
信標(biāo)系統(tǒng)及智能車硬件系統(tǒng)的設(shè)計研究
三江學(xué)院電子信息工程學(xué)院 孫肖林 花懷海 楊 焜 李成誠 沙珊珊
第十一屆全國大學(xué)生“恩智浦杯”智能車競賽中新增了信標(biāo)越野組,要求信標(biāo)系統(tǒng)能夠檢測到小車是否靠近信標(biāo),若小車靠近信標(biāo)則熄滅當(dāng)前信標(biāo)并點亮下一個信標(biāo),最后根據(jù)小車完成任務(wù)的時間作為比賽結(jié)果。本文根據(jù)以上要求針對信標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計了一套解決方案,通過信標(biāo)周圍的線圈檢測小車是否靠近,單片機根據(jù)線圈反饋的信號給3-8線譯碼器輸出地址信號,控制相應(yīng)的信標(biāo)亮或滅。該方案原理易懂,設(shè)計簡單,能夠滿足賽前小車調(diào)試的需求和大賽要求。智能車系統(tǒng)以K60FN為核心控制單元,通過定位眼攝像頭檢測場地信息,軟件對圖像進行二值化處理,進而根據(jù)一系列算法提取信標(biāo)位置信息;利用位置式PID調(diào)節(jié)舵機角度;通過編碼器檢測車模的實時速度,使用增量式PID調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速;實現(xiàn)了對智能車運動速度和運動方向的閉環(huán)控制。
智能車競賽;信標(biāo);電磁感應(yīng);智能車
我國從上世紀(jì)80年代開始研究汽車的無人駕駛技術(shù),國內(nèi)多所高校都有無人駕駛汽車的研究項目,并且已經(jīng)取得了階段性成果。對智能化車輛控制系統(tǒng)開發(fā)相當(dāng)于延伸了駕駛員的視覺等感知功能,擴展了駕駛員的執(zhí)行控制功能,增加了道路交通安全。本文根據(jù)單片機以及電路資源,編寫程序,實現(xiàn)攝像頭識別信標(biāo),并通過信標(biāo)位置,實現(xiàn)舵機轉(zhuǎn)向以及電機轉(zhuǎn)速的控制,以及實現(xiàn)在尋找信標(biāo)過程中的避障功能。
1.1 發(fā)射信號要求
每個信標(biāo)都要求發(fā)射一定頻率的紅光和紅外光信號,紅光信號的閃爍頻率為10Hz,紅外光信號的閃爍率為40kHz。
1.2 信號檢測
比賽規(guī)定當(dāng)小車上的磁鐵進入以信標(biāo)為圓心的直徑45厘米的圓的范圍內(nèi)時,認(rèn)為小車已到達該信標(biāo)。通過信標(biāo)周圍的線圈和相應(yīng)電路,當(dāng)小車進入范圍時,線圈會反饋給單片機信號,完成檢測。
1.3 比賽過程計時
比賽場地上共有5個信標(biāo),當(dāng)小車上磁鐵進入以信標(biāo)為圓心的直徑45cm的圓的范圍內(nèi)時,當(dāng)前信標(biāo)熄滅,同時下一個信標(biāo)點亮。要求信標(biāo)系統(tǒng)記錄第一信標(biāo)點亮到第五個信標(biāo)熄滅的時間,作為比賽成績。
2.1 硬件電路概述
信標(biāo)由7大電路組成,分別為穩(wěn)壓電路,信標(biāo)選擇電路,LED電源開關(guān)電路,頻率發(fā)生電路,恒流源電路,車??拷鼨z測電路和信號調(diào)理電路。
2.2 穩(wěn)壓電路
信標(biāo)由12V直流電壓供電,使用了多款芯片,每款芯片都有相應(yīng)的工作電壓,穩(wěn)壓電路的作用是為電路里的芯片提供相應(yīng)的工作電壓,穩(wěn)壓電路分為5V穩(wěn)壓電路和3.3V穩(wěn)壓電路。
1)電路組成:AMS1117-3.3,AMS1117-5.0 ,電解電容;2)作用:將輸入的12V直流電壓穩(wěn)壓輸出為3.3V和5V;
2.3 信標(biāo)選擇電路
整個系統(tǒng)由5個信標(biāo)組成,我們的方案是使用3-8線譯碼器選擇點亮和熄滅相應(yīng)信標(biāo),由單片機提供譯碼器地址信號。
1)電路組成:74HC138,多路選擇開關(guān);
2)作用:根據(jù)單片機輸入的地址信號,選擇點亮相應(yīng)的信標(biāo)。
2.4 LED電源開關(guān)電路
單片機選擇點亮相應(yīng)的信標(biāo),則該信標(biāo)的74HC138芯片輸出低電平,該低電平使得開關(guān)電路導(dǎo)通為LED供電。
1)電路組成:12V繼電器 ,NPN三極管S8050,電阻;2)作用:當(dāng)輸入端輸入的為高電平時,繼電器不導(dǎo)通,輸出端斷路沒有電壓;當(dāng)輸入端輸入的為低電平時,繼電器導(dǎo)通,輸出端輸出電源電壓,故其類似于一個開關(guān)。
2.5 頻率發(fā)生電路
信標(biāo)要求能夠發(fā)出10Hz的紅光和40KHz的紅外光,頻率發(fā)生電路為LED提供相應(yīng)頻率。
1)電路組成如圖2-4:NE555,電阻,電容;2)作用:由NE555和相應(yīng)的電阻電容組成一個多諧振蕩器電路,分別輸出10Hz和40KHz的方波。
2.6 恒流源電路
該電路以頻率發(fā)生電路的輸出信號作為其輸入信號,其作用是給串聯(lián)的LED發(fā)光二極管陣列提供恒定的電流以保證其發(fā)射穩(wěn)定高亮的信號,使其能夠給車模提供穩(wěn)定的檢測信號。
1)電路組成:NPN三極管S8050,LED,電阻;2)作用:為LED發(fā)光二極管陣列提供恒定電流,同時實現(xiàn)頻率閃爍。
2.7 車??拷鼨z測電路
車模上安裝有磁鐵,當(dāng)車模上的磁鐵靠近以信標(biāo)為圓心的直徑為45cm的圓的范圍內(nèi)時,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,信標(biāo)周圍的線圈會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,該電路的作用就是檢測微弱的電磁感應(yīng)信號。
1)電路組成:LMV321,線圈,電阻,電容;2)作用:將微弱的電磁感應(yīng)信號放大。
2.8 信號調(diào)理電路
檢測到的電磁感應(yīng)信號為小信號,電壓只有二十毫伏左右,信號調(diào)理電路的作用是將檢測到的微弱的小信號放大,并調(diào)理為單片機能夠檢測到的信號。
1)電路組成:LM358,NE555,電阻,電容;2)作用:將檢測電路輸出的小信號放大,再經(jīng)過由NE555組成的施密特觸發(fā)器,輸出可供單片機檢測的調(diào)理信號。
系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計目標(biāo)為:可靠、高效、簡潔。
3.1 決策模塊
系統(tǒng)采用Freescale公司32位Kinetis (ARM? Cortex?‐M4)核心控制器 K60FN為主控芯片,對采集的信號進行分析和處理,再根據(jù)信號對電機和舵機進行有效控制,以及 LCD 顯示、編碼器以及紅外測距模塊的共同作用,實現(xiàn)信標(biāo)導(dǎo)引,完成定向運動。
K60FN單片機CPU屬于增強型32位CPU,主頻200 MHz,片內(nèi)512 K Flash ROM;片內(nèi)64 K RAM,3個異步串口模塊;3個 IIC 模塊;8通道12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC);4通道直接存取訪問模塊。2個16位周期中斷定時器。資源豐富,功能強大。
3.2 系統(tǒng)電源設(shè)計
電源設(shè)計中主要考慮到需要的電壓和電流。系統(tǒng)需要的電源包括3.3V,5V,6V,7.2V等。
5V穩(wěn)壓模塊,使用TPS7350,優(yōu)點是輸出電壓精度高,輸出噪聲低,壓差低。
3.3 V穩(wěn)壓模塊,使用AMS1117,其線性度較好且價格便宜,效率高,適用于單片機供電。
6V穩(wěn)壓模塊,使用LM1084ADJ,由電池電壓通過LM1084穩(wěn)定在6 V。
3.3 傳感器模塊
3.3.1 攝像頭
攝像頭的選取必須慎重,既要保證圖像質(zhì)量好,滿足后續(xù)處理和賽道識別的要求,又要考慮到單片機采集和處理的能力。對于單片機來說,攝像頭的分辨率不是越高越好。因為這樣只會徒增單片機的負(fù)擔(dān)。綜合考慮,最終決定使用CMOS定位眼攝像頭。
3.3.2 編碼器
為了使車模平穩(wěn)地運行,車速要與舵機配合。因此需要檢測實時速度,并需要不斷調(diào)整速度。最終采用500 線歐姆龍編碼器對電機進行測速,該編碼器的分辨率為 500 P/R。
3.4 驅(qū)動電路
采用BTN7971來設(shè)計電機驅(qū)動電路。此驅(qū)動電路是經(jīng)典的H橋控制電路,通過轉(zhuǎn)換電機中電流的方向,使電機達到正反轉(zhuǎn)的目的。
本文主要介紹了基于定位眼攝像頭智能車的軟件設(shè)計方案,包括硬件電路設(shè)計及改進和軟件的設(shè)計及創(chuàng)新。在設(shè)計和制作車模的過程中,翻閱了大量的書籍和資料,并仔細閱讀了相關(guān)技術(shù)報告,結(jié)合前人的經(jīng)驗進行了創(chuàng)新,并且取得了一定的成果。
但是整個系統(tǒng)還需要改進:1.硬件結(jié)構(gòu)可以進一步簡化;2.速度策略過于簡單,創(chuàng)新性有待提高。
[1]童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基[M].北京.高等教育出版社,2000.
[2]邵貝貝.單片機嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.
[3]胡壽松.自動控制原理(第六版)[M].科學(xué)出版社,2014.
[4]卓晴,魯暢,金浩哲.信標(biāo)組裁判系統(tǒng)原理與實現(xiàn)[J].設(shè)計應(yīng)用_測試測量,2016年06期.