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龙丘提供的智能车制作指导.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.80M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    目录
    第一章 初识智能小车
    1.1常见的两种类型
    1.2智能小车的基本结构
    第二章 车体设计
    2.1小车的拆卸
    2.2舵机的安装
    2.3车体的整体布局
    第三章 硬件设计
    3.1 电源模块设计
    3.1.1 智能车电源设计要点
    3.1.2 低压差稳压芯片LM2940简介
    3.2 单片机最小系统设计
    3.2.1 单片机最小系统简介
    3.2.2 51单片机最小系统设计
    3.3 循迹模块设计
    3.3.1 红外光电管的工作原理
    3.3.2 检测电路设计
    3.3.3 光电检测部分的发挥设计
    3.4 舵机转向模块设计
    3.4.1 舵机的工作原理
    3.4.2 常见舵机简介及使用注意事项
    3.5 后轮电机驱动模块设计
    3.5.1 H桥驱动电路的工作原理
    3.5.2 常用H桥集成电路芯片L298
    3.6 测速模块
    第四章 程序设计
    4.1 PWM的相关知识
    4.1.1 PWM简介以及实现
    4.1.2 51单片机产生PWM波
    4.2 舵机的控制
    4.3 后轮电机的控制
    4.4 程序总体的设计
    4.5 程序设计的发挥与拓展
    第五章 测试与调试
    5.1 测试与调试
    5.2 智能车的测试步骤
    第六章 车速的测量
    6.1 车速测量的重要性
    6.2 车速测量的几种方式
    6.2.1 霍尔传感器检测
    6.2.2 反射式光电检测
    6.2.3 透射式光电检测
    6.3 车速测量的单片机实现
    第七章 摄像头的使用
    7.1 摄像头工作原理及简介
    7.2 模拟摄像头视频分离电路设计
    7.3 摄像头选型
    7.4 摄像头安装
    7.5 基本视频信号采集
    7.5.1 使用单片机内部A/D转换。
    7.5.2 使用外部A/D转换器
    7.5.3 使用模拟电路对PAL信号进行转化（参考北京科技大学CCD一队）
    第八章 电磁传感器的使用
    8.1 智能汽车电磁组简介：
    8.2 20KHz电源参考设计方案
    8.2.1 电源技术指标要求
    8.2.2 电源组成
    8.2.3 功率输出电路
    8.2.4 恒流控制
    8.2.5 参考设计电路
    8.2.6 电源调试
    8.2.6.1 输出电流调试
    8.2.6.2 输出频率调试
    8.2.7 注意事项
    8.3 电磁组传感器及模路径检测设计参考方案
    8.3.1 设计原理
    8.3.2 磁场检测方法
    双水平线圈检测方案
    8.3.3 电路设计
    8.3.3.1 设计部分
    8.3.3.2 对于实际电路图的说明
    8.3.4 传感器的设计与调试
    8.3.5 检测方案
    8.3.5.1 基本思路
    8.3.5.2 经验体会
    8.3.5.3 起跑线检测
    8.4 软件部分的简要流程图
    8.5 结束语
    第九章 激光传感器的使用与设计
    9.1 激光传感器的工作原理和驱动
    9.2 激光传感器的选用与注意事项
    9.3 激光管的布局和安装
    第十章 算法设计
    10.1 摄像头组处理算法
    10.1.1 黑线提取算法
    10.1.1.1 二值化算法
    10.1.1.2 直接边缘检测算法
    10.1.1.3 跟踪边缘检测算法
    10.1.1.4 中值滤波和曲线拟合
    10.1.1.5 小结
    10.2 车体控制算法
    10.2.1 PID算法
    10.2.2 预判算法
    智能小车设计指导 第二版 河海大学计算机与信息学院(常州)学生科协
    第二版说明 本书自去年编写第一版之时就已经有计划还要写第二版了，去年的第一版取得了很好的效果， 去年的第一版由于时间仓促，难免有很多疏漏之处，今年在开学之前我就联系科协的几位有经验的 同学共同编写第二版。第二版以第一版为基础，在功能上做了完善，细节上做了补充，主要修改如 下： 1. 新加入摄像头、激光管、电磁、算法等内容，方便学有余力的同学进行下一步的学习。 2. 基础部分对芯片的原理，电路设计进行了更加详细的介绍，不只告诉刚入门的同学要怎样做， 还想告诉为什么要这样做。 3. 程序设计部分加入一些简单的程序和仿真，方便入门的同学学习。 4. 修改了上一版中的一些错误，对内容安排有所调整。 本书的基础部分（第一版内容）主要由孙浩、顾丽萍完成，摄像头部分由尹海峰完成，电磁部 分由李永强完成，算法部分由宋加才完成，最终由孙浩进行统稿。 本书凝聚着作者的心血，希望大家能够充分利用，针对于各位本书以下几点需要特别补充说明： 1. 本书不是为了给各位读者提供一个成熟的模板和电路供大家使用，我更希望大家能够以书中的 内容作为参考，弄清楚其中的原理，根据自己的理解完成设计，而不是照搬电路图。 2. 第二版虽然在内容上有所扩充，但是并不能作为唯一参考，本书只是想告诉大家设计方法和原 理，更多的还需要各位读者自己查阅相关参考书和网上的资料。 3. 最终完成智能车设计需要综合单片机编程、模数电、Protel 设计、电路焊接、自动控制算法设 计等多方面内容，因此需要团队协作，协调掌握，需要有所偏重但是不能只会某一样。 4. 虽然我们提供了较为完善的资料，但是没有一成不变的设计，希望各位读者能够发挥自己的创 新精神，积极探索，寻找新的方法。 5. 如果你正在阅读本书，最起码说明你对智能小车的设计感兴趣，但是如果想完成后面的设计需 要的更多的是坚持。希望各位读者能够有一颗恒心，最终完成设计。 由于时间仓促和我们的水平有限，如果在阅读的过程中发现什么错误或者有什么好的建议欢迎 通过下面的联系方式联系我们，真诚期待您的反馈。 孙浩 2010 年 9 月 联系我们 计信科协论坛：http://xinxikexie.uueasy.com (资料发布、问题讨论-推荐) 计信科协资料下载服务器：ftp://10.1.12.41 (限内网访问需要断掉客户端，具体访问方法见科协论坛) 科协人人网：http://www.renren.com/jxkx 实验室：实验楼 A217 创新实验室 由于人数较多，QQ 群加一个即可。 计信科协 QQ 讨论群：83940327 电子设计部 QQ 讨论群：83159175 智能车交流 QQ 讨论群：70385417 智能车交流飞信群：31373778 有什么意见或者建议欢迎大家通过以上沟通渠道及时向我们反馈。
    目录 第一章 初识智能小车 ................................................................................................................................... 1 1.1 常见的两种类型 ............................................................................................................................... 1 1.2 智能小车的基本结构 ....................................................................................................................... 1 第二章 车体设计 ........................................................................................................................................... 3 2.1 小车的拆卸 ....................................................................................................................................... 3 2.2 舵机的安装 ....................................................................................................................................... 3 2.3 车体的整体布局 ............................................................................................................................... 4 第三章 硬件设计 ........................................................................................................................................... 5 3.1 电源模块设计 .................................................................................................................................. 5 3.1.1 智能车电源设计要点 ........................................................................................................... 5 3.1.2 低压差稳压芯片 LM2940 简介 ............................................................................................ 5 3.2 单片机最小系统设计 ...................................................................................................................... 6 3.2.1 单片机最小系统简介 ........................................................................................................... 6 3.2.2 51 单片机最小系统设计 ....................................................................................................... 6 3.3 循迹模块设计 .................................................................................................................................. 9 3.3.1 红外光电管的工作原理 ....................................................................................................... 9 3.3.2 检测电路设计 ..................................................................................................................... 10 3.3.3 光电检测部分的发挥设计 ................................................................................................. 12 3.4 舵机转向模块设计 ........................................................................................................................ 12 3.4.1 舵机的工作原理 ................................................................................................................. 12 3.4.2 常见舵机简介及使用注意事项 ......................................................................................... 13 3.5 后轮电机驱动模块设计 ................................................................................................................ 14 3.5.1 H 桥驱动电路的工作原理 ................................................................................................... 14 3.5.2 常用 H 桥集成电路芯片 L298 ............................................................................................ 16 3.6 测速模块 ........................................................................................................................................ 17 第四章 程序设计 ......................................................................................................................................... 18 4.1 PWM 的相关知识 ........................................................................................................................... 18 4.1.1 PWM 简介以及实现 ............................................................................................................ 18 4.1.2 51 单片机产生 PWM 波 ...................................................................................................... 19 4.2 舵机的控制 .................................................................................................................................... 21 4.3 后轮电机的控制 ............................................................................................................................ 22 4.4 程序总体的设计 ............................................................................................................................ 22 4.5 程序设计的发挥与拓展 ................................................................................................................ 23 第五章 测试与调试 ..................................................................................................................................... 24 5.1 测试与调试 .................................................................................................................................... 24 5.2 智能车的测试步骤 ........................................................................................................................ 24 第六章 车速的测量 ..................................................................................................................................... 26 6.1 车速测量的重要性 ........................................................................................................................ 26 6.2 车速测量的几种方式 .................................................................................................................... 26 6.2.1 霍尔传感器检测 ................................................................................................................. 26
    6.2.2 反射式光电检测 ................................................................................................................. 26 6.2.3 透射式光电检测 ................................................................................................................. 26 6.3 车速测量的单片机实现 ................................................................................................................ 27 第七章 摄像头的使用 ................................................................................................................................. 28 7.1 摄像头工作原理及简介 ................................................................................................................ 28 7.2 模拟摄像头视频分离电路设计 .................................................................................................... 29 7.3 摄像头选型 .................................................................................................................................... 30 7.4 摄像头安装 .................................................................................................................................... 32 7.5 基本视频信号采集 ........................................................................................................................ 32 7.5.1 使用单片机内部 A/D 转换。 ............................................................................................ 34 7.5.2 使用外部 A/D 转换器 ......................................................................................................... 35 7.5.3 使用模拟电路对 PAL 信号进行转化（参考北京科技大学 CCD 一队） ....................... 36 第八章 电磁传感器的使用 ......................................................................................................................... 38 8.1 智能汽车电磁组简介： ................................................................................................................ 38 8.2 20KHz 电源参考设计方案 .............................................................................................................. 38 8.2.1 电源技术指标要求 ............................................................................................................. 38 8.2.2 电源组成 ............................................................................................................................. 39 8.2.3 功率输出电路 ..................................................................................................................... 40 8.2.4 恒流控制 ............................................................................................................................. 42 8.2.5 参考设计电路 ..................................................................................................................... 42 8.2.6 电源调试 ............................................................................................................................. 43 8.2.7 注意事项 ............................................................................................................................. 44 8.3 电磁组传感器及模路径检测设计参考方案 ................................................................................ 44 8.3.1 设计原理 ............................................................................................................................. 44 8.3.2 磁场检测方法 ..................................................................................................................... 45 8.3.3 电路设计 ............................................................................................................................. 48 8.3.4 传感器的设计与调试 ......................................................................................................... 52 8.3.5 检测方案 ............................................................................................................................. 54 8.4 软件部分的简要流程图 ................................................................................................................ 56 8.5 结束语 ............................................................................................................................................ 57 第九章 激光传感器的使用与设计 ............................................................................................................. 58 9.1 激光传感器的工作原理和驱动 .................................................................................................... 58 9.2 激光传感器的选用与注意事项 .................................................................................................... 58 9.3 激光管的布局和安装 .................................................................................................................... 58 第十章 算法设计 ......................................................................................................................................... 60 10.1 摄像头组处理算法 ...................................................................................................................... 60 10.1.1 黑线提取算法 ................................................................................................................... 60 10.2 车体控制算法 .............................................................................................................................. 62 10.2.1 PID 算法 ............................................................................................................................. 62 10.2.2 预判算法 ........................................................................................................................... 63
    基础部分 本部分主要介绍制作智能小车所需要最基本的软硬件相关知识，本部分在讲解基础知识以及设 计原理的同时也提供了典型的应用电路，方便初学者进行制作。希望读者能够认真阅读，广泛查阅 资料，弄清楚各模块的原理之后再动手制作，切忌照搬电路图，硬套程序。
    智能小车设计指导 第二版 第一章 初识智能小车 1.1 常见的两种类型 首先既然是小车就要有一个车最基本的转向和驱动功能，对于一般电子设计常用的小车如下图 所示，图 1.1 为常见的两种小车，首先是第一种，这种小车的优点在于可以获得很大的速度，由于 转向采用的是舵机所以缺点就在于要想转弯一定要有一定的转角。这类小车就是校内智能小车比赛 和飞思卡尔采用的类型，通常为后轮直流电机驱动+前轮舵机转向的方式，但是也有例外，像 2007 年的全国大学生电子设计竞赛中的电动车跷跷板一题，为了达到精确的控制效果，很多人将后轮改 为步进电机驱动。 后一种是在本届全国电设中设计的小车，小车采用的是双步进电机+双万向轮的方式，当然也有 采用直流电机+万向轮的方式，这类的小车的优点在于转弯不需要转角，可以原地转弯，其次是可以 精确控制小车行进路线，缺点是无法获得很大是速度，这种小车在本文中将不再叙述。 这两种小车都有各自的优点，使用步进电机还是用直流电机驱动也要根据具体的竞赛题来选择， 直流电机的优点在于控制简单，转速快，缺点在于无法控制转过角度，可能要和很多外部传感器配 合使用，增加了硬件的设计难度。步进电机的优点在于角度、转速可控，可以开环控制，缺点在于 控制较为麻烦，无法实现较高的速度。本书将以飞思卡尔智能汽车为参考，介绍智能车的相关基础 知识。 图 1.1 智能车常见的两种类型 1.2 智能小车的基本结构 在下面的文章中我将以上图的第一种小车为例介绍一下智能小车的结构。 如图 1.2 所示，小车的结构主要分为以下几个部分： 1. 循迹模块：用于探测黑线的位置，基础由若干个光电管组成，通过反射红外线的变化判断黑线 的有无。高年级的同学建议尝试使用摄像头等作为传感器。 2. 舵机转向模块，通过一定占空比的方波控制舵机转过的角度，舵机具有力矩大，响应速度快等 特点，在航模，机器人等设计中应用非常广泛，舵机的控制也是只能小车程序设计的重要部分。 3. 电机驱动模块，由于单片机输出的电流有限，无法直接驱动电机进行工作，因此需要通过专用 的电路进行驱动，只要单片机给出相应的控制信号，便可控制电机工作，本文以较为常用的 H 桥驱动芯片 L298N 为例，鼓励大家自行选择更合适的驱动方案。 4. 单片机模块，根据使用的传感器和控制策略的不同，单片机的选择也不同，对于低年级刚入门 的同学可以使用 51 单片机，有一定基础的同学可以使用性能稍强的 AVR 系列，高年级同学推 荐使用 MSP430 或者 S12 等其他性能更强的单片机。 -1-
    第一章 初识智能小车 5. 电源模块，由于小车采用电池供电，因此合理的设计一个电源模块是小车稳定运行的前提。 循迹模块 单片机最 电机驱动 图 1.2 智能小车的基本结构 以上只是针对小车结构的一个简单介绍，要完成整体的设计每一部分都很重要，在后面文章中 我会依次详细叙述。 -2-
    智能小车设计指导 第二版 第二章 车体设计 2.1 小车的拆卸 这一点不用多说，一般选用的是带有无线遥控功能的可转向的玩具车，所以第一步就是拆掉除 了后轮驱动电机之外的所有多余部分，其次就是在拆卸的时候要充分的考虑到自己的安装要求，切 不可盲目，也没必要留着多余的部件。 2.2 舵机的安装 完成了玩具车的拆卸之后要做的第二步就是安装舵机，现在市场上卖的玩具车虽然也具有转向 功能，但是前轮的转向多是依靠直流电机来驱动，无论向哪个方向转都是一下打到底，无法控制转 过固定的角度，因此根据我们的设计需求，需要将原有的转向部分替换成现有的舵机，以实现固定 转角的转向。舵机的实物图如图 2.1 所示。 需要说明的是由于小车系玩具车改装，在安装舵机是需要合理的利用小车的结构，将舵机安装 牢固，同时还需注意合理利用购买舵机是附赠的齿轮，从而将舵机固定在合适的位置。舵机的安装 方式有俯式、卧式多种，不同的安装方法力臂长短、响应速度都有所不同，这一点请自己根据实际 情况合理选择，图 2.2 为舵机的安装图。 图 2.1 舵机实物图 图 2.2 舵机安装图 舵机安装过程中有一点需要尤其注意，由于舵机不是 360°可转的，因此必须保证车轮左右转 的极限在舵机的转角范围之内。 舵机安装完毕之后就可以对小车的转角进行控制了，但是由于玩具车的车体设计往往限制了小 车的转角，因此可以对小车进行局部的“破坏”来增大前轮的转角，要知道在比赛中追求速度的同 时一个大的转角对小车的可控性会有一个很大的提升，如图 2.3 所示，就是对增加小车转角的一个 改造，这是我在去年小车比赛中的用法。将阻碍前轮转角的一部分用烙铁直接烫掉。 但是这种做法也有风险，由于你的改造会破坏小车的整体结构，有可能会对小车的硬件结构造 成破坏，因此如果你的小车在改造之后显得过于脆弱的话那你就要对你的小车采取些加固措施了。 -3-
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