基于光电组讲义的飞思卡尔智能车设计-课件PPT(精)
飞思卡尔智能车光电资料(doc 8页)
飞思卡尔智能车光电资料(doc 8页)基于光耦传感器的控制方法-从离散量到连续量康世胤1，李长城2，莫一林3，顾全全4，陆耿5(1. 清华大学自动化系，北京 100084；2. 清华大学自动化系，北京 100084；3. 清华大学自动化系，北京 100084；4. 清华大学自动化系，北京 100084；5. 清华大学自动化系，北京 100084)摘要: 第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请赛要求对高速行驶的小车进行实时控制，使其巡线完成比赛赛道。
针对这种要求，我们选择了最成熟的PID控制，尝试了由离散的不完全微分的PD控制到相对连续PD控制的过渡，通过采集光耦传感器输出的模拟量，采用对称求位置法得到连续性较好的位置信息，利用双排传感器计算角度，对位置和角度同时进行PD控制，经过细致调试确定相应参数，并合理利用分段、设置死区等方法，最终小车可以获得较好的稳定性和在高速情况对赛道中心线的跟随特性。
关键词：道路寻迹；PID控制；对称定位；离散；连续Control Method Based on Photoelectric Coupling Device – fromDiscrete Signal to Continual SignalKANG Shiyin1，LI Changcheng2，MO Yilin3，GU Quanquan4，LU Geng5(1. Automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China；2. Automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China；3. Automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China；4. Automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China；5. Automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China；)Abstract: In the coming FREESCALE College Student Smart Car Competition ’06, real time control strategies are required to be applied in the high-speed model car which to make sure the car tracking the unknown road and finishing 2 laps of game. Based on the requirement we select one of the most well applied proportion-integration-deviation (PID) method. Much works are carried out including trying varies of strategy from initial discrete PD to final continual PD. In the current strategy analog output of photoelectric coupling devices are sampled and converted from A to D. Symmetric positioning method is applied to obtain precise direction information. Furthermore by applying dual sensor array the turning angle is calculated. PD method is applied on location and angle. After careful modification the corresponding parameters are decided empirically. In addition by using some other methods such as track segmentation and dead area presetting, the model car can obtain better status including good stability and fine tracking character in high speed.Key words: Road Tracking, Proportion-Integration-Deviation Control, Symmetric Positioning, Discrete, Continual第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请赛的赛题是控制比赛小车，使其按要求用尽可能短的时间完成比赛赛道，比赛允许选手自行设计传感器和控制电路，并编写控制程序，禁止改动舵机和轮胎等小车结构。
[电子教案(PPT版本)]“飞思卡尔”杯智能汽车设计与实例教程 (3)[72页]
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低频段 基本相同
用PWM波代替正弦半波
用一等幅不等宽的脉冲来代替 一个正弦半波
把正弦半波N等分，看成N个相
连的脉冲序列，宽度相等，但 幅值不等；
用矩形脉冲代替，等幅，不等 宽，中点重合，面积（冲量） 相等，宽度按正弦规律变化
相关概念
占空比：高电平保持的时间与该PWM 时钟周期的时间之比
分辨率：指占空比最小值 频率 双斜率/单斜率
单片机需要一个稳定的电压保持平稳工作，所以供电 最好设计为独立供电，避免与其他负载并联导致负载变化时 影响单片机供电引起问题。 推荐使用“三端固定式集成稳压器”来为单片机提供降压稳
压供电。
正 输 入 电 压
C1、C3 滤波电容
C2、C4 抑制芯片 自激振荡
常用的稳压芯片有78系列、LM2940、AMS1117 等系列。由于78系列的稳压芯片发热量较大，不作推 荐。在5V稳压方案中使用LM2940进行讲解，在3.3V 稳压方案中则使用AMS1117-3.3。
5V传感器获取的信号要经过缓冲芯片变换为 3.3V的信号输入到单片机中
2.2 电动机驱动电路设计
电动机的速度是根据传感器的反馈 随时调整的
脉宽调制（PWM） 需要驱动模块来放大单片机输出的
信号 PWM信号的占空比决定电动机的转速
，故电动机的调速可通过改变PWM信 号的占空比来实现 欲实现双向控制，就要使用H桥。H 桥可以实现电动机的双向调速
LM2940S(TO-263-3)
AMS1117-3.3(SOT-223)
思考题：总结常用的稳压芯片，列出他们的异同点
滤
波
检测稳
电
压IC是
容
否有正
LM2940S 5V稳压电路示例
飞思卡尔智能车电路设计讲解
6.2.2 电源管理单元
• 同时考虑到稳压芯片L7805CV的额定输出 电流较小，故采用两片L7805CV分别对单 片机电路、车速检测电路、驱动芯片电路 和光电传感器电路供电，以保证系统正常 运行。其稳压电路如图6.8所示。
图6.8 稳压电源单元
MC34063A升压稳压电路
AD参图中的C15为输出电压稳定电容47uF。 • LM336集成电路是精密的2.5V并联稳压器，
其工作相当于一个低温度系数的、动态电 阻为0.2Ω的2.5V齐纳二极管，其中的微调 端(adj)可以使基准电压和温度系数得到微 调。
降压模块--LM1117-5
• 单片机，LCD，CS3020，74HC1G14， ZLG728，LM336的标准供电电压都是5V， 所以需要一个降压稳压芯片LM1117-5来将 电池电压降到需要的5V。考虑到单片机的 核心地位及单片机需要很大的输入电流(输 入电流过小时，单片机会重启动)，拟定用 两片LM1117-5。一片单独给单片机提供电 源，一片给剩余的LCD，CS3020等供电。 设计电路图如图3.10。
CPU最小系统
连接CPU
连接CPU
实现方案和试验结果
CPU最小系统
PAD02 视频信号
IRQ
视频行同步信号
PM1 奇偶场信号
PWM2 12V 斩波升压开关信号；
PWM0,1 电极控制PWM信号；
PWM4 舵机控制信号；
PAD0,1 电池电压，12V电压监测；
7.2.2 电源管理单元
– （1）采用稳压管芯片LM2576将电源电压稳压 到5 V后，给单片机系统电路、车速检测的转角 编码器电路供电，且为后面的升压降压做准备；
– （2）经过一个二极管降至6.5 V左右后供给转 向伺服电机；
飞思卡尔光电组
传感器硬件原理图
传感器元器件清单
? 发光二极管 × 8
发光二极管(贴片封装0805) × 8
? 接收管 × 8
调制管 × 4
? 三极管8050 × 4
电位器500Ω(滑动变阻器) × 8
? 电容0.1μF(贴片封装0603) × 8
? 电阻22Ω(贴片封装0805) × 16
? 电阻1.5kΩ(贴片封装0805) × 8
00110000000000
黑线相当偏左 01000000000000
没有黑线(盲区) 00000000000000
传感器在起点与十字路口
? 如何分辨是 后期重点
2、路径识别算法
? 传感器相关初始化
? void PORT_Init(void)
?{
? DDRA = 0x00;
//端口A方向输入
? PUCR_PUPAE = 1; //端口A信号上拉
按传感器输出信号不同，检测方法 分两种：数字量输出（调制，以我们学 校为代表）和模拟量输出（A/D，以清 华为代表）。
二、光电车硬件
元器件标号基本知识： R电阻标号识别
C电容标号识别
←无k是标号
有k就是阻值 →
光电传感器：发射电路
调制是为了将连续光变成频率约180kHz的光脉冲
注意：⒈我们使用的接收管只能接收调制光，因此发射管必须经过调制电 路发射调制光，否则接收管无法接收光信号；
? PORTA = 0x00; //端口A初值为0
}
寄存器按位赋值举例PUCR_PUPAE = 1; (PUCR |= 0x01;)
? 传感器状态采集：
? void Sensor_collect(void) //采集传感器状态
飞思卡尔智能车
飞思卡尔智能车控制系统硬件设计硬件部分：电机舵机传感器车模电机：主要作用是产生驱动转矩，作为小车的动力源。
舵机：能够转舵并保持舵位的装置，也就是让小车拐弯的装置。
传感器：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，在智能车中，最重要的传感器就是摄像头。
车模：智能车车架，包括底板、齿轮、车轮、电池等等。
主要内容：•MCU最小系统设计•电机及舵机驱动电路设计•光电检测电路原理与设计•图像检测原理与设计1．控制系统的构成一般控制系统由传感器、控制器和执行器组成。
智能车中主要体现：光电器件或器件构成的寻线传感器。
用于操纵小车行走和转向的执行器。
根据传感器信息控制执行器动作的控制器。
三者之间的关系可用如下的关系图描述:飞思卡尔杯规定了比赛用车模、控制器所使用的MCU、执行器、传感器的数量等，比赛中硬件设计所涉及的主要工作是：•设计可靠的MCU控制电路；•执行器驱动电路；•传感器电路；(进行硬件设计的工具很多，建议使用Protel99SE，该软件易上手、效率高，可满足一般电路设计要求。
)MC9S12DG128 的封装2 .MCU最小系统设计MCU最小系统设计分为供电系统设计、复位系统设计、时钟电路设计、BDM调试接口设计、串口通讯设计。
2.1 MCU供电系统设计MCU正常工作需要合理供电，为获取良好的抗干扰能力，电源设计很重要。
针对此次比赛使用的电池和MCU，在供电系统设计中要充分考虑以下因素的影响：1.系统供电电源为7.2V镍氢电池组，不能直接为MCU及其它TTL电路供电。
2.为保证较高的行驶速度，驱动电机需使用电池组直接驱动，故电源电压波动较大。
3.转向用舵机工作电压为5V，其启动电流较大，如与MCU共用5V电源，会引入较大的干扰。
4.采用三端稳压器7805存在效率低、抗干扰能力差的缺点。
采用三端稳压器的电源设计:升降压开关稳压电路•MCU供电飞思卡尔S12系列单片机采用了若干组电源，必须很好的对这些供电电源进行良好的滤波，才能设计出抗干扰能力强的控制器。
飞思卡尔智能车设计方案PPT课件
二值化处理
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图像去噪
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算法流程PID控制算法 Nhomakorabeau(k
)
Kp
e(k
)
T Ti
j
k 0
e(
j)
Td T
[e(k
)
e(k
1)]
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位置型算法流程图
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感谢您的观看！
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起点
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规则要点：
• 1.循黑线（我们是沿着黑线行走） • 2.竞速 • 3.跑道有小s、大s、十字交叉（今年多了虚线） • 4.组别：电磁组、光电组、摄像头组
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摄像头注意的地方：
• 摄像头选择——ccd、cmos、其他 • 感光灵敏度 • 动态性能 • 图像效果(视角\分辨率\帧频)) • 供电（12V、5V）
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硬件部分
总体布局
电源分配
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电机驱动部分
H桥
集成IC: L298、33886、其他
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电机驱动模块设计
•1.响应灵敏度（速度才是最重要的） •2.制动效果 •3.PCB线宽（电机启动电流很大）
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黑线提取算法的基本思想：
a)直接利用原始图像逐行扫描，根据设定的阈值提取黑白跳变点； b) 黑线宽度有一个范围，在确定的黑线宽度范围内提取有效黑块，这样可 以滤除不在宽度范围内的黑点干扰； c) 利用黑线的连续性，根据上一行黑线中心的位置来确定本行求出的黑线 中心是否有效； d) 图像是远处小近处大，所以黑线宽度范围和前后行黑线中心的位置差别 都要动态调整； e) 求黑线中心时，因为近处的黑线稳定，远处黑线不稳定，所以采用由近 及远的办法； f) 图像数据量大，全部扫描一遍会浪费很多时间，利用前面已经求出的黑 线中心位置判断出黑线的趋势，从而推断出下一行的黑线大概位置，确 定出扫描范围，避免整行逐点扫描，节约时间； g) 提取出整场所有有效行的黑线中心后，根据预先设定好的权重计算出黑 线中心的加权平均，作为本场的黑线中心。
基于光电组的飞思卡尔智能车设计PPT61页
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
▪
谢谢！
61
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪27、只有把抱怨环境来自心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
学做智能车,挑战飞思卡尔之7摄像头型设计 PPT资料共72页
7.2.3 路径识别单元
武汉科技大学信息科学与工程学院
图7.3 摄像头采样电路图
7.2.3 路径识别单元 摄像头视频信号端接LM1881的视频信号输入
端，同时也接入S12的一个A/D转换器口（选 用PAD1）。 LM1881的行同步信号端（引脚1）接入S12的 一个外部中断IRQ口。 LM1881的奇-偶场同步信号输出端接S12的普 通I/O口即可（选用PORTM0）。
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7.2.3 路径识别单元 要能有效地采样摄像头视频信号，首先要处理好
的技术问题就是能提取出摄像头信号中的行同步 脉冲、消隐脉冲和场同步脉冲。否则，单片机将 无法识别所接收到的视频信号处在哪一场，也无 法识别是在该场中的场消隐区还是视频信号区， 更无法识别是在视频信号区的第几行。
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7.2.3 路径识别单元
要处理好行同步脉冲和场同步脉冲提取的问题， 有以下两种可供参考的方法。
方法一：直接采用A/D转换进行提取。当摄像头信号为 行同步脉冲、消隐脉冲或场同步脉冲时，摄像头信号 电平就会低于这些脉冲模式之外时的摄像头信号电平。 据此，可设一个信号电平阈值来判断A/D转换采样到的 摄像头信号是否为行同步脉冲、消隐脉冲或场同步脉 冲。
（4）采用升压芯片B0512S将5 V电压升压到12 V后， 给摄像头供电；
（5）采用稳压芯片LT1764将5 V电压稳压到2.5 V后， 作为单片机A/D模块参考电压。
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7.2.2 电源管理单元
由于稳压芯片LM2576的额定输出电流较小， 故采用两片LM2576分别对单片机电路、车速 检测电路供电，以保证系统正常运行。