全国光电设计大赛报告.docx
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全国光电设计大赛报告
第四届全国光电设计大赛理论方案报告
编号:
参赛题目:
基于光电导航的智能移动测量小车
参赛队伍名称:
所在学校:
队员:
指导老师:
提交方案时间:
2014-7-12
摘要
本设计是基于STM32F103VET6处理器的具有循迹和计数测量的智能小车。
循迹部分,选择了面阵CCD作为赛道图像的的采集,并对图像信息进行二值化处理,便于单片机进行图像处理;根据图像的处理情况,使用PID算法驱动电机和舵机矫正小车当前行驶状况,按照赛道的要求行驶;道路旁树数目的测量用到了激光反射传感器,通过激光打在数目上而反射回来的原理进行数目的测量;对隧道长度的测量用到了光电旋转编码器,把这个编码器加载到驱动轴上,由驱动轴的转动来带动编码器的转动从而测出小测的速度,在再用红外对射传感器来检测隧道的到来和离开,用单片机记录之间的时间,实现隧道长度的测量。
关键词:
STM32F103VET6、面阵CCD、光电旋转编码器、红外对射传感器、二值化、PID算法
第一章系统硬件结构
1.1系统分析
整个系统要实现的功能是循迹和测量。
要实现循迹功能就必须可以让小车检测到不同的路况,再根据不同的路况特征进行调整,实现循迹行驶,循迹用到了面阵CCD,通过CCD的对整个赛道图像进行采集,STM32单片机对图像进行处理,通过PID算法对小车的电机和舵机进行控制。
测量部分,要实现对隧道长度的测量,必须要知道两个量,一个是进出隧道的时间,即时间量,在一个是,通过的速度,知道这两个量,就能确定出隧道的长度,这里我们用到例了红外对射传感器,来感应隧道的到来和离去,以此来记录小车通过隧道的时间,在用编码器来测小车通过的速度,这样就能计算出隧道的长度。
在对道路旁树木的个数进行测量时,考虑到小车快速的从树木旁通过时,要有快速的判断和计数,所以对传感器的要求就很高,我们这里选择了激光传感器,通过激光的反射和接受来确定树木,这样做的好处是:
一、激光有很好的方向性。
二,激光的感应速度很快,敏感度高。
其次是通过单片机的定时计数器来对树木的个数进行计数,最后显示在液晶屏上。
最后就是通车问题,根据比赛要求小车要在指定的位置停下来,就要有一个感应装置对指定位置设置的目标进行探测,并执行停止指令,在这里我们用到了红外反射传感器,对指定目标的进行障碍检测。
1.2系统框图
系统框图如图1所示:
图1系统框图
第二章硬件电路结构与方案设计
2.1电源管理模块
机车主电源由7.2V2000mA的NI-Cd电池提供,把这个电池直接接到电机驱动模块,为电机提供到电流,让模块上面的5V稳压源为单片机最小系统供电,同时用到了LM78O5芯片把电池的7.2V转换为电压为恒定5V,最大电流为1.5A的稳压源,来为舵机提供正常工作的电压。
用到了一块LM1117芯片把5V电压转换为3.3V的电压源,来为补光灯提供电压。
下图为电源模块的示意图:
图2电源模块电路图
2.2图像采集模块
由于道路信息状况不确定,红外传感器和普通的光耦器件不能识别道路信息,摒弃其作为循迹方案,改用反应更加灵敏功能更加强大的摄像头采集道信息,实现对小车高效精准的循迹导航。
2.3电机驱动模块
采用高电压,大电流的电压驱动芯片L298N,该芯片采用15脚封装。
主要特点是:
工作电压高,最高工作电压可达46V;输出电流大,瞬间峰值电流可达3A,持续工作电流为2A;额定功率25W。
内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器,可以用来驱动直流电动机。
采用标准逻辑电平信号控制。
原理如图2所示:
图2电压驱动原理图
2.4速度检测模块
编码器可分为接触式和非接触式,可以用来测量转速。
我们采用的是非接触式,用光敏元件作为接收敏感元件,通过光电转换,以透光和非透光分别表示二进制代码“1”和“0”,将角速度、角位移等物理信息转换为机器语言“1”或“0”输出用于通讯等功能。
采用自制的速度传感器。
光码盘固定在电机输出轴上及相应组合的对射光电器件,转一圈输出200个脉冲方波,加上相应硬件电路和软件控制可实现测速与测距。
2.5舵机驱动模块
舵机内部包括了一个小型直流马达;一组变速齿轮组;一个反馈可调电位器;及一块电子控制板。
其中,高速转动的直流马达提供了原始动力,带动变速(减速)齿轮组,使之产生高扭力的输出,齿轮组的变速比愈大,舵机的输出扭力也愈大,也就是说越能承受更大的重量,但转动的速度也愈低。
舵机的电机选用空心杯电动机,属于直流永磁、伺服微特电机,具有能量转换效率大,制动灵活,电磁干扰少等优点。
该舵机是一个典型的闭环控制系统。
原理如图3所示:
图3舵机驱动原理图
2.6激光传感器模块
激光发射电路上采用74ls04驱动放大调制后的信号,该驱动动力强,光点能量大、亮度高,探测距离大大提高。
其具有以下优点:
灵敏度高,频率响应快,瞬变过程短,输出功率大。
前瞻范围很大。
适当的调整可以满足比赛要求。
发射部分如图4,接收部分如图5:
图4激光发射部分原理图
图5激光接收部分原理图
2.7光电开关模块
在选择该模块时,我们考虑使用光敏电阻,光敏电阻属于光导型,光电导效应是非衡载流子的效应,存在一定的弛豫现象——光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流需要一定的时间,同理,在光照停止后,光电流也是停止消失的。
但是针对这次比赛,对隧道长度的测量,我们恰可利用光敏电阻的弛豫现象,在车速一定的情况下,相对于车速弛豫时间是非常短暂的,当小车进入隧道与出隧道都存在弛豫现象,因为是一个双向过程,我们可以认为出隧道与进隧道的弛豫时间相互抵消。
矩形脉冲光照下光电导弛豫过程如图6所示:
图6光电导弛豫图
第三章系统控制策略
3.1路径循迹
3.1.1采集思路
MOS摄像头输出图像时,从左到右,由上到下逐个输出。
方法如图7所示:
图7摄像头输出图像方法
采集图像思路是:
使用场中断,DMA传输。
需要采集图像时开场中断;等待场中断来了,启动DMA传输;每个PLCK上升沿来了都出发DMA传输,把摄像头输出的值读取到内存数组里,当触发N(N=图像像素数目)次就停止传输;DMA停止传输时触发中断,关闭场中断,图像采集完成。
或等待下一个场中断来临时关闭场中断,标记图像采集完毕。
场中断时序图如图8所示:
图8场中断时序图
3.1.2路径识别处理
本方案所采用摄像头输出的是二值化图像,一次传输8个像素。
最高速为每秒30帧,并且微光灵敏度高。
常用的路径识别算法有平均值法、最小二乘法等。
我们主要考虑了两种算法,—最小二乘法和改进斜率算法。
这里分别作简要介绍。
路径处理通过检测中心线的位置实现,进行边缘处理。
建立坐标如图9所示:
图9最小二乘法坐标
(z0,w0)为中心点,应用最小二乘法进行曲线拟合,得出中心线方程:
Az+Bw+C=0
转化到xy坐标,方程为Ax-By+A(m-1)/2+B(n-1)/2+C=0其中m,n分别为所采集
图像的行和列数。
由此得出侧向偏差e和反向偏差re=(m-1)/2+B(n-1)/2a+C/2
A/B>0时,r=3.14/2-|arctan(A/B)|A/B<0时,r=|arctan(A/B)|-3.14/2。
通过这种方法来控制车辆的行驶路线,保持在偏差范围之内,车辆可以按预想
行使,完成循迹目标。
改进的斜率算法是针对最小二乘法导致的小车滞后问题。
我们假设小车循迹
控制算法执行周期是30ms,小车当前速度为2m/s,两次周期之间,则小车前进0.06m,小车位移将改变,于是智能车的控制存在滞后性。
应在当前基础上将小车位置前移,使得赛车沿弯道内圈行驶,达到快速过弯的目的。
图示为智能车偏离路径中心示意图。
粗线为路径线,梯形中线为小车的中轴线。
小车中轴线与循迹线的偏移线斜率为K=(a*d)/h+b*od为每场图像最远行白线的中心位置值与最近一行白线中心位置值差,o为小车此刻位置与循迹线的偏差。
a、b均为待定调整系数。
a越大,智能车转弯曲率越大。
改进斜率算法示图如图10所示:
3.1.3舵机制动
在本方案中实现计算出中心线位置与PWM的二维映射表,智能车行驶时通
过摄像头采集道路信息,结合侧向偏差e,对舵机进行pid控制。
本设计采增
量性控制算法。
算法中不出现累积效应,避免了积分累积效应。
算法如下示
Un=Kp(en-en-1)+Kien+Kd(en-2en-1+en-2).框图如图11所示:
图10改进斜率算法
图11舵机控制算法
实现对脉宽的调整,结合舵机自身所带的比例电位器形成一个闭环反馈系统,调整前轮转角,实现灵活机动的弯道行驶。
3.1.4电机驱动
本方案采用的是高速数字式摄像头,电机直道全速前进,遇转弯时,根据舵机的二维映射表,调制脉宽实现减速。
3.2树木计数
计数通过传感器发出的光脉冲数量来实现,所以传感器在小车快速行驶过中
能够检测到每根树木是关键。
这里存在以下几个问题。
一;光感器所发出的光必须能够打到树木(铅笔)上,同时光传播的距离不
应过远,以免打到其他物体上,将其误判为铅笔,输出光脉冲,导致多检。
二;触感器发出的光发散角不能过大即光斑应尽量小。
假设铅笔直径0.5厘
米,当小车经过铅笔时,由于铅笔距离过近,一束光覆盖了两只铅笔,导致漏检。
三;假设小车通过检测区时,传感器输出的光脉冲持续时间很多,例如只有
1~2ms,而系统计数的一个工作周期远大于2ms,这时便会产生一个问题,当第二根铅笔进入检测区时,系统上一个执行过程还没完,第二跟铅笔的信号已故去,但系统没来得及响应,导致漏检。
针对以上问题我们决定采用激光传感器。
其传播距离远,我们通过简单的数学计算,根据赛题要求,保证前瞻性足够好的前提下,调整传感器倾角,可解决问题一。
由于激光发散角小即光斑斑点小,可解决问题二。
再者,针对问题三,我们有两种解决方法;方法1:
激光传感器频率响应快,瞬变过程短,STM-32处理速度快,方法2:
我们还可以通过硬件电路将光脉冲展宽,但由于2操作比较缀余,我们选择方法1。
计数总体思路是,当遇到一个树木时便产生一个脉冲,将脉冲信号送入单片机中,进行液晶屏显示。
3.3测量隧道
该任务依靠编码器和光电开关共同完成。
光电开关探测是否以进入隧道,
对于隧道的测量,我们并非用编码器来测速,通过积分方法来测距。
而采用的是更为直接的方法,我们发现车轮转一圈,编码器将输出一定的方波,这样我们只需软件上统计方波数,结合车轮周长,加之简单的数学运算,便可实现对隧道长度的精确测量。
这样做的优点在于节省了单片机资源,提高了整个系统的运行速率。
3.4停车
漫反射式红外光电开关,有效距离为5~80cm。
通过调节电位器,控制有效距离,当前方有物体时,发射红外线将被反射回来,将这一信息反馈给单片机,结合编码器反馈速度信息控制小车当前速度,实现实时停车。
4.总结
参考文献
[1]邵贝贝.嵌入式实时操作系统[LC/OSII(第二版)[M]..清华大学出版社.2004
[2]余永权.单片机在控制系统中的应用(第一版)[M]..电子工业出版社.2003
[3]王晓明.电动机的单片机控制[M]..北京航空航天大学出版社.2004
[4]郭培源,付扬.光电检测技术与应用(第二版)[M]..北京航空航天大学出版社.2001
[5]宋家友.电子技术速学快用[M]..福建科学技术出版社.2004
[6]马建伟,李银伢.满意PID控制设计理论与方法[M].科学出版社.2007
[7]陈尔沼.实用光电控制电路精选[M]..电子工业出版社.1993
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