激光传感器飞思卡尔智能车

合肥工业大学

计算机与信息学院

计算机系2008级

方向综合设计报告

方向：分布式控制与嵌入式系统

课题题目：基于随动光电传感器智能车控制系统的

研究与实现

姓名：

专业班级：

学号：

指导教师：

方向综合设计内容

一.设计目的和内容

目的：通过这次综合实训，对随动光电传感器智能车控制系统有充分的认识，对激光传感器控制小车方向有进一步的了解，并掌握飞思卡尔比赛用到的智能车的各个结构和总体设计。完成光电传感器智能车综合实训锻炼亲自动手做项目的能力，之前对智能车一直很感兴趣，借综合设计的机会好好的了解一下。

内容：全国大学生智能车比赛项目，设计随方向转动的光电路径传感器智能车，进一步设计光电路径识别算法以及相应的方向控制算法、配套的速度控制算法。本次研究主要关于智能车各大部件以及之间的联系工作，主要包括以下几大部件：

随动方向控制方面：

1.路面识别激光传感器

2.摇头舵机

3.转向舵机

智能车速度控制方面：

4.电机

5.速度控制PID算法

6.单片机

二.背景知识

赛道路面用专用白色基板制作，在初赛阶段时，跑道所占面积在5m×7m左右，决赛阶段时跑道面积可以增大。

赛道宽度不小于45cm。赛道与赛道的中心线之间的距离不小于60cm。如下图1所示：

图1.赛道宽度以及间距

跑道表面为白色，赛道两边有黑色线，黑线宽25mm+-5，沿着赛道边缘粘贴，

如图2所示。

图2.赛道颜色以及边线

赛道中心下铺设有直径0.1-0.8mm漆包线，其中通有20kHz，100 mA的交变电流。频率范围20k±1k，电流范围(100±20mA)。

在严格遵守规则中对于电路限制条件，保证智能车可靠运行的前提下，电路设计尽量简洁紧凑，以减轻系统负载，提高智能车的灵活性，同时以发挥创新为原则，并以稳定性为首要前提，实现智能车快速运行。小车控制系统从硬件上分为电源管理模块、传感器模块、直流电机驱动模块、转向伺服电机驱动模块、摆头伺服电机驱动模块和单片机模块。各个模块设计有各自不同的要求：（1）电源模块为系统其他各个模块提供所需要的电源，以保证各模块的正常工作，是智能车运行的基础。

（2）寻迹传感器采集道路信息，为智能车提供前进方向，使车始终不偏离赛道。所以首先要对传感器选型，即选择适合系统的传感器。在此基础上要考虑传感器的分布位置及其安装方法，这些都是智能车寻迹方案的硬件基础。

（3）测速传感器采集小车速度信息，为小车的速度控制提供反馈依据，使小车始终按照给定的速度行驶。选择测速传感器时需要考虑：测速的精度稳定程度以及传感器的安装等因素。

（4）直流电机驱动模块控制直流电机两端电压，使电机在给定的速度下运行，控制电机加减速，是小车的执行机构。小车在启动过程中往往会产生很大的冲击电流，一方面会对其他电路产生电磁干扰；另一方面由于电池内阻造成电池两端的电压下降，甚至会低于稳压电路所需要的最低电压值，产生单片机复位现象，所以必须克服启动冲击电流的影响。

（5）转向和摆头伺服舵机驱动模块，即舵机在单片机给定的 PWM 波下进行转向，亦是小车的执行机构。

（6）单片机模块在小车控制系统中扮演核心的位置，好比人的大脑，从硬件设计的角度来说，首先要保证其供电稳定，其次要对其部分功能模块如 PWM 通道，定时器通道的进行编程，写入驱动程序，使其工作良好。 S12 是一款飞思卡尔 16 位的单片机，其开发方法和工作特点都与常用的 8051 单片机有一定的区别。如何开发这款单片机，如何为单片机多个模块写入底层的驱动程序和编写优良的上层控制算法是这一模块的核心。

三.系统方案和实现

1.传感器

光电车路径传感器的选择

从实际试验中可以看出，光电传感器具有前瞻距离短，容易受外界光线影响等弱点，这对于智能车的快速性和稳定性无疑是很大的影响。再加之A车舵机严重滞后等因素的影响，前瞻成为光电车提速的重要因素之一。智能车的稳定性要求智能车在不同的环境下都能平稳的运行，对外界光线等因素不具有较高要求。基于以上两个重要的因素，路径传感器决定选择激光管。激光管和红外线的特性比较如表1：

表1.红外线与激光传感器的比较

从表中可以看出，激光具有大前瞻和受外界光干扰小等优点。检测信号的数字化具有比红外线传感器检测到的模拟电压信号更高的可靠性，所以本控制系统采用激光传感器。而激光传感器主要面临的就是大质量的问题，传感器的质量直接影响小车本身的重心，所以激光传感器的安放高度和位置都必须合理。

激光传感器的工作原理

其中发射管（如图3）：通过接收端口接受信号使发射管发光，发射管连接的电压产生电压差值使整体相当于一个二级发光管。

调制管：调制管与发光管连接，调制管的作用是可以通过载波调节发射管发光的频率为180KHZ。

图3.发射管原理图

接收管(如图4所示)：用来接收发射管发射出来的光线，放大，然后解调、整形如果光线照在跑道的黑线上，那么接收管输出数字信号显示1，如果光线照在跑道的白线上，则接收管输出数字信号显示0.

图4.接收管原理图

传感器的工作原理是：发射管经过一个180KHZ频率的载波调制后发射。接收管接收到反射回来的光线后，先进行放大，然后进行解调、整形。在经过比较，就输出一个开关量信号。整个过程可以参照上面的发射管、调制管、接收管的图。单排激光传感器布局

由于往届竞赛对光电传感器排布方式研究已经比较深入，传统的“一”字型排布方式在众多排布方式中效果显著，是最常用的一种排布方式。激光发射管的排布是均匀的，这样便于激光管精确的固定与定位。具体的传感器布局的PCB 版电路图如图5、6：

图5.激光传感器PCB图右半部分