信標(biāo)系統(tǒng)及智能車硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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

信標(biāo)系統(tǒng)及智能車硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)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(jī)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(jì)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(jìn)行二值化處理，進(jìn)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(jī)角度；通過編碼器檢測車模的實(shí)時速度，使用增量式PID調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；實(shí)現(xiàn)了對智能車運(yùn)動速度和運(yùn)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

引言

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(xiàng)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(kuò)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(jī)以及電路資源，編寫程序，實(shí)現(xiàn)攝像頭識別信標(biāo)，并通過信標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)向以及電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，以及實(shí)現(xiàn)在尋找信標(biāo)過程中的避障功能。

1.信標(biāo)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)

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(jìn)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(dá)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(jìn)入范圍時，線圈會反饋給單片機(jī)信號，完成檢測。

1.3 比賽過程計(jì)時

比賽場地上共有5個信標(biāo)，當(dāng)小車上磁鐵進(jìn)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(diǎn)亮。要求信標(biāo)系統(tǒng)記錄第一信標(biāo)點(diǎn)亮到第五個信標(biāo)熄滅的時間，作為比賽成績。

2.信標(biāo)系統(tǒng)各部分功能實(shí)現(xiàn)

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，車模靠近檢測電路和信號調(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(diǎn)亮和熄滅相應(yīng)信標(biāo)，由單片機(jī)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(jī)輸入的地址信號，選擇點(diǎn)亮相應(yīng)的信標(biāo)。

2.4 LED電源開關(guān)電路

單片機(jī)選擇點(diǎn)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(shí)現(xiàn)頻率閃爍。

2.7 車模靠近檢測電路

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(jī)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(jī)檢測的調(diào)理信號。

3.智能車系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)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(jìn)行分析和處理，再根據(jù)信號對電機(jī)和舵機(jī)進(jìn)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(shí)現(xiàn)信標(biāo)導(dǎo)引，完成定向運(yùn)動。

K60FN單片機(jī)CPU屬于增強(qiáng)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(qiáng)大。

3.2 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jī)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(jī)采集和處理的能力。對于單片機(jī)來說，攝像頭的分辨率不是越高越好。因?yàn)檫@樣只會徒增單片機(jī)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(yùn)行，車速要與舵機(jī)配合。因此需要檢測實(shí)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(jī)進(jìn)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(jì)電機(jī)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(jī)中電流的方向，使電機(jī)達(dá)到正反轉(zhuǎn)的目的。

4.總結(jié)

本文主要介紹了基于定位眼攝像頭智能車的軟件設(shè)計(jì)方案，包括硬件電路設(shè)計(jì)及改進(jìn)和軟件的設(shè)計(jì)及創(chuàng)新。在設(shè)計(jì)和制作車模的過程中，翻閱了大量的書籍和資料，并仔細(xì)閱讀了相關(guān)技術(shù)報告，結(jié)合前人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(jìn)：1.硬件結(jié)構(gòu)可以進(jìn)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(jī)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(shí)現(xiàn)[J]．設(shè)計(jì)應(yīng)用_測試測量,2016年06期．