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

目录

摘要 (2)

第一章系统硬件结构 (4)

1.1系统分析 (4)

1.2系统框图 (4)

第二章硬件电路结构与方案设计 (5)

2.1 电源管理模块 (5)

2.2 图像采集模块 (6)

2.3 电机驱动模块 (6)

2.4 速度检测模块 (7)

2.5 舵机驱动模块 (7)

2.6激光传感器模块 (8)

第三章系统控制策略 (9)

3.1 路径循迹 (10)

3.1.1 采集思路 (10)

3.1.2 路径识别处理 (11)

3.1.3 舵机制动 (12)

3.1.4 电机驱动 (12)

3.2 树木计数 (13)

3.3 测量隧道 (13)

3.4 停车 (13)

参考文献 (14)

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7.2V 2000mA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