光电传感器设计

图6.9 I/O端口读取电路
图6.10 A/D端口读取电路
6.2.3
路径识别单元
两个光电管方案中常见的问题
1．相邻光电管之间的干扰
2．光电管发射功率的影响
相邻光电管之间的干扰
由于红外发射管是基于漫反射原理的，其发射的红外光可能 影响到安装在附近的红外接收管。消除这种干扰可以采取以 下几种措施： （1）选择发射与接收方向性好的红外传感器。 （2）选择发射与接收一体化的红外传感器，它的外壳可 以抑制相邻干扰。 （3）在红外接收管上安装黑色套管，使其只接收前方一 定角度内的红外光线，这种减小互扰动的措施效果较好。 （4）使相邻的红外发射/接收管交替工作（即“点火”）。 这种方法不仅减小了相邻红外传感器之间的干扰，同时 也降低了整体传感器的功耗。
图6.6 系统硬件结构图
6.2.1 HCS12控制核心
HCS12控制核心单元既可以直接采用组委会提 供的MC9S12EVKX电路板，也可以自行购买 MC9S12DG128单片机，然后量身制作适合自 己需要的最小开发系统。
6.2.1 HCS12控制核心
MC9S12DG12B单片机引脚图如图6.7所示。
传感器的布局间隔
各个传感器的布局间隔对智能车的运行，是有一 定影响的。传感器的间隔是否合适，对过弯的精 确性以及防止飞车有很大的影响。 设定传感器间隔的原则是：既要满足一定的密度 以保证走弯道时轨迹相对精确，又要尽可能拥有 大的横向控制范围来防止飞车。若传感器间隔设 置合适，当赛道有一点微小的变化时，小车的控 制单元就能进行相应的反应（改变前轮转角）， 从而使得过弯道的轨迹与弯道大体重合，精确性 好。
在智能车上，舵机的输出转角通过连杆传动控制 前轮转向。舵机是系统中一个具有较大时间常数 的惯性环节。其时间延迟正比于转过的角度，反 比于舵机的响应速度。对于快速性要求极高的智 能小车来说，舵机的响应速度是影响其过弯最高 速度的一个重要因素，特别是对于前瞻不够远的 智能小车更是如此。
6.1.2
舵机的安装
传感器的径向探出距离
（1）“一”字形布局 : “一”字形布局是传感 器最常用的布局形式，即各个传感器在一条直线 上，从而保证纵向的一致性，使其控制策略主要 集中在横向上，其排布如图6.1所示。
图6.1 “一”字形布局
传感器的径向探出距离
（2）“八”字形布局: “八”字形布局从横向来 看与“一”字形布局类似，但它增加了纵向的特 性，从而具有了一定的前瞻性，其排布如图6.2 所示。
反射式光电检测
许多队伍在后轮齿轮传动盘上粘贴一个黑白相间 的码盘，通过安装在码盘侧面的反射式红外传感 器，来读取光码盘的转动脉冲。其原理和转角编 码盘的测速机理是类似的。
霍尔传感器检测
在后轮轮毂上粘贴1个或者2个小型的永磁体， 附近固定一个霍尔传感器。霍尔元件有3个引脚， 其中2个分别是电源引脚和接地引脚，另一个是 输出信号引脚，只要通过一个上拉电阻接至5 V 电压，就可以形成开关脉冲信号。后轮电机每转 1周，则可以产生1个或者2个脉冲信号。这种方 式简易、廉价，但测速精度不如前面的方法，因 为永磁体本身的体积决定了不可能在后轮轮毂上 安装过多磁片，对测速精度要求不高的队伍可以 考虑此方法。
图6.16 MOS管组成电机驱动电路
6.3 6.3.1
6.3.2 6.3.3 6.3.4
软件设计 初始化算法
路径离散识别算法 路径连续识别算法 控制策略及控制算法
6.3
软件设计
在智能车控制系统光电管方案的软件设计中，程 序的主流程是：先完成单片机初始化（包括I/O 模块、PWM模块、计时器模块、定时中断模块 初始化）之后，通过无限循环语句不断地重复执 行路径检测程序、数据处理程序、控制算法程序、 舵机输出及驱动电机输出程序。其中，定时中断 用于检测小车当前速度，作为小车速度闭环控制 的反馈信号。
图6.5 测速传感器的安装
6.2
硬件设计
6.2.1 HCS12控制核心
6.2.2 电源管理单元 6.2.3 路径识别单元 6.2.4 车速检测模块 6.2.5 舵机控制单元
6.2.6 直流驱动电机控制单元
6.2
硬件设计
硬件电路设计是智能车控制系统设计的基础。智 能车控制系统硬件结构主要由HCS12控制核心、 电源管理单元、路径识别电路、车速检测模块、 转向伺服电机控制电路和直流驱动电机控制电路 组成，其系统硬件结构如图6.6所示。
图6.2 “八”字形布局
传感器的径向探出距离
（3）“W”字形布局: 为了能够提早地预测到弯 道的出现，我们还可以将左右两端的传感器进行 适当前置，从而形成“W”形布局，此外，还可 利用“W”形布局来检测赛道的弯曲程度。其光 电管排布如图6.3所示。
图6.3 “W”字形布局
6.1.2
舵机的安装
光电管发射功率的影响
为了增加前瞻距离，需要加大光电管红外发射功 率，使得返回的红外线的强度提高，这样不仅使 得电池电能的消耗量增加，同时也会缩短红外发 射管的寿命。为解决这个问题，可以利用红外接 收管响应速度快的特点，采用光电管脉冲发射/ 接收的方法加以处理。红外发射管工作在周期脉 冲方式下，可以大大降低平均工作电流，从而降 低了整个发射电路的电量消耗。
6.2.5
舵机控制单元
舵机控制单元采用组委会提供的Futaba公司 S3010型舵机作为智能车方向控制部件。
图6.14 转向伺服电机实物图
6.2.6
直流驱动电机控制单元
直流驱动电机控制电路主要用来控制直流电动机 的转动方向和转动速度。改变直流电动机两端的 电压可以控制电动机的转动方向；而控制直流电 动机的转速，则有不同的方案，较常规的方法是 采用PWM控制。驱动电路既可以直接采用 MC33886电机驱动芯片，也可以采用大功率 MOS管来自行设计电机驱动电路。
提高舵机控制前轮转向速度的一种方法是采用杠 杆原理，在舵机的输出舵盘上安装一个较长的输 出臂，其安装图如图6.4所示。
图6.4 舵机的安装图
6.1.3
测速传感器的安装
为了减轻智能车的质量，测速时应尽量选用质量 轻精度高的传感器，为了不影响加速性能，编码 器的传动齿轮较小，基本上和电机的齿轮相同。 其安装图如图6.5所示。
图6.7 MC9S12DG12B单片机引脚图
6.2.1 HCS12控制核心
在光电管方案中，其I/O口具体分配如下： PH口与PA口用于小车光电发光管发光控制； PT0用于车速检测的输入口； PB口用于显示小车的各种性能参数； PWM0（PP0引脚）与PWM1（PP1引脚）合并用于伺 服舵机的PWM控制信号输出； PWM2（PP2引脚）与PWM3（PP3引脚）合并用于驱 动电机的PWM控制信号输出（电机正转）； PWM4（PP4引脚）与PWM5（PP5引脚）合并用于驱 动电机的PWM控制信号输出（电机反转）。 在连续路径识别算法中，PAD口用于传感区光电接收管 电压信号的输入口。
6.3.2
路径离散识别算法
路径离散识别算法简便易行，因为输入量为开关量，所 以对硬件及算法的要求都比较低，在传感器数目较多的 情况下也可以实现较高的识别准确性。但它的一个缺陷 在于路径信息只是基于间隔排布的传感器的离散值，对 于两个相邻传感器之间的“盲区”无法提供有效的距离 信息，因此其路径识别精度极大地受限于传感器的间距。 此外，由于离散算法得到的路径信息是离散值，如果将 离散的路径信息直接应用到转向及车速控制策略中去， 会导致转向及车速调节的阶跃式非连续变化，这将会对 智能车的性能产生不利影响。此时，舵机转向及车速控 制僵硬，舵机对路径变化反应不灵敏，舵机输出转向相 对于路径为阶跃式延迟响应，易产生超调及振荡现象， 对于追求高车速、短决策周期的控制策略来说，很可能 因为舵机响应不及时而造成控制失效。
MC33886全桥驱动电路
采用MC33886的全桥驱动时，为了提供更大的 驱动电流，可以将多片MC33886并联使用，其 采用3片MC33886并联方式驱动电机硬件电路 如图6.15所示。
图6.15 电机驱动硬件电路图
大功率MOS管电机驱动电路
采用大功率MOS管组成电机驱动电路时，在保 证大电流驱动电机的同时，可以有效地避免多片 MC33886并联时由于芯片分散性导致的驱动芯 片某些片发热某些不发热的现象。但由分离元件 组成的驱动电路的稳定性低于集成芯片。
（1）采用稳压管芯片L7805CV将电源电压稳压到5 V 后，给单片机系统电路、路径识别的光电传感器电路、 车速检测的转角编码器电路和驱动芯片MC33886电路 供电； （2）经过一个二极管降至6.5 V左右后供给转向伺服 电机； （3）直接供给直流驱动电机。
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。
6.2.2
电源管理单元
电源管理单元是智能车硬件设计中的一个重要组 成部分，它的作用是对组委会提供的7.2 V 1800 mA Ni-cd蓄电池进行电压调节。按照系 统各部分正常工作的需要，各模块电压值分为5 V, 6.5 V和7.2 V三个挡。
6.2.2
电源管理单元
电源管理单元主要用于以下三个方面：
6.2.4
车速检测模块
为了使得模型车能够平稳地沿着赛道运行，除了 控制前轮转向舵机以外，还需要控制车速。通过 对速度的检测，可以对车模速度进行闭环反馈控 制。此外，若采用基于路径记忆的控制策略，为 了获取道路信息，需要得到智能车的行驶距离， 也必须通过车速检测模块来间接实现。
6.2.4
车速检测模块
6.3
软件设计
光电管方案主程序流程图如图6.17所示。
图6.17 光电管方案主程序流程图
6.3.1
初始化算法
1．锁相环初始化
2．A/D初始化 3．PWM初始化 4．定时器初始化
6.3.2
路径离散识别算法
路径离散识别算法是通过普通I/O端口将光电管 接收端的电压值读入单片机，根据端口输入的高、 低电平逻辑来判断该传感器是否处于黑色引导线 上方，再筛选出所有处于引导线上方的传感器， 便可以大致判断出此时车身相对道路的位置，确 定出路径信息。
车速检测一般是通过检测驱动电机转速来实现的。 比赛中所使用的常见测速方法列举如下：
1．转角编码盘 2．反射式光电检测
3．霍尔传感器检测
转角编码盘
转角编码盘分为绝对位置输出和增量式位置输出 两种。一般可使用增量式编码盘。它输出脉冲的 个数正比于电机转动的角度，从而使编码盘输出 脉冲的频率正比于转速。可以通过测量单位周期 内脉冲个数或者脉冲周期得到脉冲的频率。
图6.8 稳压电源单元
6.2.3
路径识别单元
在光电管方案中，通过红外发光管发射红外光照 射跑道，由于跑道表面与中心线具有不同的反射 强度，因此利用红外接收管可以检测到这些信息。 通过合理安排红外发射/接收管的空间位置可以 检测到智能车相对于前方道路的位置。红外发射 接收管一般安放在模型车前端，可以安装成一排， 也可以前后安装两排，传感器的总数量受到比赛 规则的限制。
6.2.5
舵机控制单元
舵机本身是一个位置随动系统。它是由舵盘、减 速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电 路组成的。通过内部的位置反馈，使它的舵盘输 出转角正比于给定的控制信号，因此对于它的控 制可以使用开环控制方式。在负载力矩小于其最 大输出力矩的情况下，它的输出转角正比于给定 的脉冲宽度。但实际上，由于舵机反应的延迟性， 智能车的舵机转角通常不能在一个控制周期内到 达指定的设定角度，因此，可以在舵机外部再安 装一个位置反馈装置，构成双闭环系统，以实时 检测和控制舵机的转动角度。
6.2.3
路径识别单元
红外接收管接收道路反射的红外光后产生电压的变化， 它可以反映出赛道中心线的位置。这个电压信号可以通 过外部的电压比较器变成高、低电平由单片机的I/O端 口读取，也可以通过单片机A/D端口直接读取。从I/O 端口读取的参考电路如图6.9所示，从A/D端口直接读 取的参考电路如图6.10所示。
智能汽车设计实践—— 光电管型设计
第6章
智能汽车设计实践——光电管型设计
1
6.1
机械设计
2
6.2
硬件设计
3
6.3
软件设计
6.1 6.1.1
6.1.2 6.1.3
机械设计 光电管传感器的布局
舵机的安装 测速传感器的安装
6.1.1
光Leabharlann Baidu管传感器的布局
1．传感器的布局间隔
2．传感器的径向探出距离