摄像头式避障小车设计文档格式.docx

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3、软件编程并调试；

4、完成课程设计报告，打印程序，给出运行结果。

工作计划与进度安排:

第20周（1月6日-1月12日）：

布置设计任务，查资料，完成总体设计框架，完善设计内容，系统调试，验收答辩。

指导教师：

2015年1月5日

专业负责人：

2015年1月5日

学院教学副院长：

2015年1月5日

目录

第一章引言............................................................................................................5

第二章系统基本原理分析及总体设计.................................................................6

2.1系统需求分析...................................................................................................6

2.2基本原理...........................................................................................................6

2.2.1车模平衡控制............................................................................................6

2.2.2车模速度控制............................................................................................7

2.2.3车模方向控制............................................................................................9

2.3设计思路.............................................................................................................9

第三章硬件模块的方案与实现..............................................................................9

3.1电源电路设计...................................................................................................9

3.2电机驱动模块...................................................................................................10

3.3主控模块电路设计..........................................................................................13

3.4传感器模块......................................................................................................13

3.4.1图像采集...................................................................................................13

3.4.2陀螺仪传感器...........................................................................................14

3.4.3加速度计传感器.......................................................................................14

3.4.4速度检测传感器.......................................................................................14

3.5调试模块..........................................................................................................14

第四章模型车机械结构优化与模块安装...........................................................14

4.1电池的安装.....................................................................................................15

4.2编码器的安装.................................................................................................15

4.3摄像头的安装....................................................................................…………..15

4.4加速度计和陀螺仪的安装.............................................................................16

4.5主控板的安装................................................................................................16

4.6小结................................................................................................................16

第五章智能车控制软件设计.............................................................................16

5.1主程序流程图：

............................................................................................17

5.2图像采集与处理........................................................................................17

5.21图像的采集..............................................................................................17

5.22图像的处理..............................................................................................18

5.23赛道分类..............................................................................................….18

5.3控制算法与函数............................................................................................18

5.3.1直立控制程序设计.................................................................................18

5.3.2速度控制程序设计.................................................................................18

5.3.3方向控制程序设计.................................................................................18

第六章调试方案...................................................................................................19

6.1IAR集成开发环境.........................................................................................19

6.2上位机...........................................................................................................19

6.21摄像头上位机.........................................................................................19

6.22示波器上位机.........................................................................................19

6.2.3参数修改上位机....................................................................................19

第七章总结........................................................................................................20

参考文献............................................................................................................20

第一章引言

智能车系统由微控制器模块、电源管理模块、路径检测模块、车速检测模块、直流驱动电机控制模块和调试模块组成。

本系统以32位微处理器K60为控制核心，并采用IAREmbeddedWorkbench软件编程、J_LINK、NRF24L01、蓝牙等作为调试工具。

运用摄像头进行道路信息采集，并采用PWM技术来控制电机转速。

各个部分经过微控制器模块的处理控制，能够以较快的速度在指定的轨迹上行驶，在进弯道、十字路口、人字路口等特殊轨迹之前能够提前识别并通过改变两个轮子上的PWM的占空比，达到平滑快速通过和减小路程的效果。

第二章系统基本原理分析及总体设计

2.1系统需求分析

模型车需要在能来回自由移动的车轮上保持车体直立不倒，这就要求车体的重心和车轴的重心需要在同一垂直线上，但是由于模型车在行驶过程中，这一平衡是时刻在变动的，要求电机的正反转是车模加速运动保持直立。

要实现这一要求，就必须知道模型车实时的姿态，而这个就可以通过加速度计、陀螺仪等姿态传感器来获取小车的姿态参数。

这样就可以通过实时的姿态参数，经过处理来控制电机的正反转，从而保证小车的直立。

这就是模型车的平衡控制。

模型车需要在规定的赛道上行驶，那么就必须要有识别这个赛道的眼睛——摄像头，要想这个“眼睛”看清楚赛道那就需要选一个好的摄像头。

然后就是对眼睛看到的图形进行处理，获得所需的图像，以及对赛道种类的识别，这些都是模型车能否快速运行的基本条件。

这就是模型车的转向控制。

前面三个任务是模型车控制任务的最核心、最基本的控制任务。

最后，在模型车的调试阶段是模型车提速的重要阶段，只要前面的基础打好，剩下的就只是调试提速了，但是在调试的阶段，调试的手段至关重要，所以在调试之前，就应该做好准备，准备好相应的调试工具和调试手段。

比如各个模块的上位机以及通讯模块。

2.2基本原理

前面讲到模型车的三个基本控制任务。

这三个任务分解后的任务各自独立进行控制。

由于最终都是对同一个控制对象（车模的电机）进行控制，所以它们之间存在着耦合。

为了方便分析，在分析其中之一时假设其它控制对象都已经达到稳定。

比如在速度控制时，需要车模已经能够保持直立控制；

在方向控制的时候，需要车模能够保持平衡和速度恒定；

同样，在车模平衡控制时，也需要速度和方向控制也已经达到平稳。

这三个任务中保持车模平衡是关键。

由于车模同时受到三种控制的影响，从车模平衡控制的角度来看，其它两个控制就成为它的干扰。

因此对车模速度、方向的控制应该尽量保持平滑，以减少对于平衡控制的干扰。

以速度调节为例，需要通过改变车模平衡控制中车模倾角设定值，从而改变车模实际倾斜角度。

为了避免影响车模平衡控制，这个车模倾角的改变需要非常缓慢的进行。

这一点将会在后面速度控制中进行详细讨论。

2.2.1车模平衡控制

世界上还没有任何一个天才杂技演员可以蒙着眼睛使得木棒在自己指尖上直立，因为没有了眼睛观察进行负反馈，当木棒在人的指尖上直立时，眼睛观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势（角速度），相应的通过人脑做出反应，使手掌移动以抵消木棒的倾斜角度和趋势，从而保持木棒的直立。

这就形成了反馈机制。

其反馈机制如图2.1

车模平衡控制也是通过负反馈来实现的，与上面保持木棒直立比较则相对简单。

因为车模有两个轮子着地，车体只会在轮子滚动的方向上发生倾斜。

控制轮子转动，抵消在一个维度上倾斜的趋势便可以保持车体平衡了。

如图2.2所示。

2.2.2车模速度控制

对于直立车模速度的控制相对于普通车模的速度控制则比较复杂。

由于在速度控制过程中需要始终保持车模的平衡，因此车模速度控制不能够直接通过改变电机转速来实现。

要实现对车模速度的控制，必须测量车模的实时速度，改变车模的倾角，以及如何根据速度误差控制车模倾角。

安装在电机输出轴上的编码器来测量得到车模的车轮速度。

通过给定车模直立控制的设定值，在角度控制调节下，车模将会自动维持在一个角度。

在车模直立控制下，为了能够有一个往前的倾斜角度，车轮需要往后运动，这样会引起车轮速度下降（因为车轮往负方向运动了）。

由于负反馈，使得车模往前倾角需要更大。

如此循环，车模很快就会倾倒。

原本利用负反馈进行速度控制反而成了“正”反馈。

如图2.3所示。

车模的速度控制本质上是通过调节车模的倾角实现的，由于车模是一个非最小相位系统，因此该反馈控制如果比例和速度过大，很容易形成正反馈，使得车模失控，造成系统的不稳定性。

因此速度的调节过程需要非常缓慢和平滑。

2.2.3车模方向控制

实现车模方向控制是保证车模沿着竞赛道路比赛的关键。

直立车模所在的摄像头组的道路两侧铺设有黑色边缘线。

可通过摄像头采集回来的灰度值进行判断，通过给定的阈值对采集回来的图像进行二值化，找出赛道的边缘，再通过边缘线画出赛道中心线。

在车模直立控制和速度控制的基础上给电机左右轮差速实现转向的效果，使小车在赛道内行驶。

具体控制框图如下2.5所示：

通过左右电机速度差驱动车模转向消除车模偏差，这个过程是一个积分过程。

因此车模差动控制一般只需要进行简单的比例控制就可以完成车模方向控制。

2.3设计思路

根据摄像头平衡组的规则、要求及为了方便调试，我们设计的模型车共包括五个模块：

主控模块、传感器模块、电机驱动模块、电源管理模块、调试模块。

第三章硬件模块的方案与实现

硬件电路是整个系统中想当重要的一部分，是系统运行的基础，所以在每一个模块中电阻和电容的相关系数，都需要仔细斟酌。

硬件电路的设计和制作是一个漫长的过程，更是一个充满乐趣的过程，也是一个不断完善的过程。

如果电路刚开始设计考虑的不周全，可能就需要重新设计与绘制电路板，这样的话会浪费很多的时间，所以一定要保证电路的稳定性，在此基础上提高电路板的集成度，这需要耗费很多的时间和精力去完成它。

3.1电源电路设计

电源模块是智能车动力核心，电源模块是否稳定，这将决定小车是否能够平稳的运行，查阅电源模块的相关资料，我们选择了比较适合的电源。

在这几次调试的过程中，我们的电源管理没有出现任何的问题。

比赛指定智能车电源只能使用指定型号的7.2V2000mAhNi-Cd电池供电。

我们现在需要3种电源，一种是为单片机、摄像头、液晶、LED、SD卡等器件供电的3.3V电源；

一种是为蓝牙、加速度计、陀螺仪、蜂鸣器供电的5.0V电源；

另一种是为电机供电的7.2V电源。

前两种电源可供我们选择，一种为开关稳压电源，另一种为线性稳压电源。

开关稳压电源功耗小，效率高；

线性稳压电源，电路简单，输出纹波小。

整体考虑，我们选择线性集成三端稳压电源。

电机电源我们就直接取自电池两端。

5.0V供电我们采用LM2940，因为LM2940是压差小，输出文波小的线性稳压电源，当电源的电压比低时也能为系统提供稳定的电源。

另外由于若是直接从电池端电压直接稳压到3.3V电源的效率会变得很低，所以我们先将电池电压降为5V然后在通过稳压芯片降为3.3V。

3.3V电源供电，我们采用2片TPS7333，因为TPS7333的压差小，当电源的电压比较低时，也可以为单片机提供稳定的电源，而且TPS7333的输出纹波非常小，输出容量也满足核心板的供电要求。

另外一片TPS7333芯片给其他的3.3V的电源供电，这个芯片完全可以满足我们的要求；

给电机供电，我们只是对电池经过滤波之后直接接到电机上的。

我们的电源模块电路图如图所示

3.2电机驱动模块

本次摄像头平衡组需要驱动2个电机，驱动的设计尤为重要。

常用的电机驱动有两种方式：

一、采用集成电机驱动芯片；

二、采用N沟道MOSFET和专用栅极驱动芯片设计。

市面上常见的集成H桥式电机驱动芯片中，BTN7971型芯片性能较为出色，该芯片具有完善的过流、欠压、过温保护等功能，使用PWM调制输入频率最高25KHz，内部MOSFET导通电阻为16毫欧，具有最大71A的连续工作电流。

使用集成芯片的电路设计简单，可靠性高。

由于分立的N沟道MOSFET具有极低的导通电阻，大大减小了电枢回路总电阻。

另外，专门设计的栅极驱动电路可以提高MOSFET的开关速度，使PWM控制方式的调制频率可以得到提高，从而减少电枢电流脉动。

并且专用栅极驱动芯片通常具有防同臂导通、硬件死区、欠电压保护等功能，可以提高电路工作的可靠性。

1.专用栅极驱动芯片的选择：

IR公司号称功率半导体领袖，所以我们主要在IR公司的产品中进行选择。

其中IR2184型半桥驱动芯片可以驱动高端和低端两个N沟道MOSFET，能提供较大的栅极驱动电流，并具有硬件死区、硬件防同臂导通等功

能。

使用两片IR2184型半桥驱动芯片可以组成完整的直流电机H桥式驱动电路。

由于其功能完善，价格低廉容易采购，所以我们选择它进行设计，如图3.2所示：

2.MOSFET的选择：

选择MOSFET时主要考虑的因素有：

耐压、导通内阻和封装。

智能汽车电源是额定电压为7.2V的电池组，由于电机工作时可能处于再生发电状态，所以驱动部分的元件耐压值最好取两倍电源电压值以上，即耐压在16V以上。

而导通内阻则越小越好。

封装越大功率越大，即同样导通电阻下通过电流更大，但封装越大栅极电荷越大，会影响导通速度。

常用的MOSFET封装有TO-220、TO-252、SO-8等，TO-252封装功率较大、而栅极电荷较小。

于是我们最终选择了IR公司TO-252封装的LR7843型N沟道MOSFET，VDSS=55伏、RDS（on）=8.0毫欧、ID=110安。

3.控制逻辑电路设计：

IR2104的控制信号有两个管脚：

IN和SD。

IR2104输入输出信号关系图如图3.3所示：

图3.3IR2104输入输出关系图

而当两片IR2104驱动如图3.4所示可逆桥式电路时，其真值表为表3.1：

我们用两片IR2104及四个MOSFET组成全桥的电机驱动电路，并且采用单极性的控制模式，PWM的占空比在0%之时电机速度为零，0~100%控制转速，H_D信号控制转向。

3.3主控模块电路设计

核心控制板负责赛道信息的采集；

车模直立数据的采集；

运行速度的采集；

驱动电机PWM波的输出；

控制车模直立、速度、转向的控制。

我们本次使用的主控芯片是Freescale公司生产的32位单片机MK60DN512Z10。

该单片机基于ARMCORTEXM4的RISC内核，外接50MHz晶振，通过PLL超频至200MHz。

MK60内部含有两个ADC模块，最高采样精度为16位。

内置8路16位PWM输出。

两路数字正交信号解码模块，可以方便读取双向编码器信息。

此模块为整个系统中最核心的模块，所以它的稳定性直接关系到到整个系统的稳定运行，因此，此模块与其他模块之间需要做好必要的隔离工作，使得其工作时不会受到其他模块的影响，尤其是电源模块。

3.4传感器模块

3.4.1图像采集

（1）CCD电荷耦合器件CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。

CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。

一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。

CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。

CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。

经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

构成CCD的基本单元是MOS（金