倒退行走式智能車速度控制算法設計本科畢業(yè)設計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 ash EEPROM ? 2 個八通道的數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換器，精度達到 10bit ? 外部轉(zhuǎn)換觸發(fā)功能 1M bit/s 第 3 章 圖像 處理算法研究 9 ? 4 個獨立的中斷通道，分別對應 Rx, Tx, error 和 wake_up ? 低通濾波器喚醒功能 ? 增強型捕捉時鐘功能 ? 8 個可編程輸入捕捉通道 /輸出比較通道 ? 4 個 8 位 /2 個 16 位脈沖累加器（ pulse accumulator） ? 8 個 PWM 通道：周期和占空比系數(shù)可編程控制 ? 8 位八通道 /16 位 4 通道 ? 串行接口：異步 SCI 和同步 SPI ? 112 引腳封裝 /80 引腳封裝 ? 帶驅(qū)動能力的 5V I/O 線路和 5V A/D 轉(zhuǎn)換 ? 50MHz 工作頻率，相當于 25MHz 總線速度 支持開發(fā)應用 MC9S12 單片機 主要有 3 個低電源模式 ： Stop, Pseudo Stop 和 Wait。 Stop: 執(zhí)行 CPU stop 指令，停止所有時鐘和振蕩器，以此將芯片放在全靜態(tài)模式。通過復位和外部中斷可以從該模式當中喚醒。 Pseudo Stop：通過執(zhí)行 CPU STOP 指令進入該模式。在該模式當中振蕩器任然在工作，并且實時中斷和（ RTI）和看門 狗（ COP）可以停留在激活狀態(tài)。其他外設停止工作。該模式比 full STOP 模式產(chǎn)生更多電流 ,但是喚醒時間很明顯縮短。 [4] Wait：通過執(zhí)行 CPU WAI 指令進入該模式。該模式當中 CPU 不執(zhí)行指令。內(nèi)部CPU 信號（地址和數(shù)據(jù)總線）處于全局靜態(tài)狀態(tài)。所有外設保持激活狀態(tài)。為了減少功耗，所有外設可以分別停止其本地時鐘。 電源管理 模塊 穩(wěn)定 的電源對于一個控制系統(tǒng)而言至關重要，電源的穩(wěn)定性關系到 系統(tǒng) 能否正常工作 。系統(tǒng)中 各個電路模塊所需的工作電流和工作電壓各不相同， 因此 設計了多種 穩(wěn)壓 電路，將 電池電 壓轉(zhuǎn)換為各個模塊所需的電壓。在 設計 智能車系統(tǒng) 時 為各個功能模塊配置了 穩(wěn)定 、合適的電源并在電路的設計上 要 避免不同電源 之間 、相同電源不同模塊之間的干擾，從而保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。 智能車系統(tǒng) 的總的電源 由 大容量 鎳鎘 電池，單片機最小系統(tǒng)、攝像頭以及大多數(shù)芯片都需要 5V 供電， 伺服 電機工作電壓為 5V，驅(qū)動電路 需要 12V 電源，電機 直接接 電池供電 ， 智能車電壓調(diào)節(jié)電路框架圖如圖 33 所示 。 第 3 章 圖像 處理算法研究 10 圖 33 電源 管理系統(tǒng)框架圖 12V 穩(wěn)壓電路 電機 驅(qū)動電路采用 12V 電源供電，由 鎳鎘電池作為 12V 穩(wěn)壓電 路 的 輸入 電壓 ，由于 電機驅(qū)動電路的電流較大，因此采用 MC34063 大電流升壓變換器電路 得到12V 的輸出電壓，并且該電路 比較 穩(wěn)定，相對較為可靠。 MC34063 是一單片雙極型線性集成電路，用于直流 直流變換器控制部分。MC34063 片內(nèi)包含有溫度補償帶隙基準源、 大電流 輸出開光和驅(qū)動器、 一個占空比周期控制振蕩器，能 夠 輸出 的開關電流。 MC34063 可以 使用 較 少的外接元件構成開關式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。 [5] MC34063 有 如下 特點： ? 能在 的輸入電壓下工作 ? 工作振蕩頻率從 100HZ 到 100KHZ ? 短路電流限制 ? 輸出電壓可調(diào) ? 低靜態(tài)電流 ? 輸出開關電流可達 （無外接三極管） MC34063 的電路原理如圖 34 所示。 第 3 章 圖像 處理算法研究 11 圖 34 MC34063 的電路原理圖 振蕩器通過恒流源對外接在 CT 管腳 (3 腳 )上的定時電容不斷地充電和放電以產(chǎn)生振蕩波形。充 電和放電 時 電流都是恒定的， 振蕩器 的 振蕩頻率僅 僅由 外接定時電容的容量 決定 。 在振蕩器對外部 定時電容充電過程中， 與門的 C 輸入端為高電平， 并且 在 比較器的輸入電平低于閾值電平時 D 輸入端為高電平 ，此時 C 和 D 輸入端都變成高電平 ，觸發(fā)器被置為高電平，輸出開關管導通 。在 振蕩器在 定時電容 放電期間， C 輸入端 變?yōu)榈碗娖剑|發(fā)器 的 R 端 變?yōu)榈碗娖剑|發(fā)器 被復位， 觸發(fā)器的 Q 端 變?yōu)楦唠娖剑藭r 輸出開關管處于關閉狀態(tài)。 電流限制通過檢測連接在 VCC 和 5 腳之間電阻上的壓降來完成功能。當檢測到 7 腳之間電阻上的電壓降接近超過 300 mV 時，芯片將啟動內(nèi)部過流保護功能 ， 電流限制電路開始工作 。 實際 設計的 DCDC 升壓電路 如下圖 35 所示， 升壓得到的 12V 電壓 作為電機驅(qū)動 電路 的電源 ， 該 升壓電路 采用大電流升壓控制 ， 輸出電流能滿足電機 所需 的電流要求。 第 3 章 圖像 處理算法研究 12 圖 35 DCDC 升壓電路 （ 轉(zhuǎn) 12V） TPS7350Q 穩(wěn)壓電路 9S12XSMAA 最小系統(tǒng) 和 OV7620 攝像頭 的 供電電壓均為 5V， 由于 單片機 是 整個控制系統(tǒng)的核心，因此單片機 供電電源 的穩(wěn)定性尤其重要，并且考慮到 單片機 和攝像頭的額定電流較小，所以采用 TPS7350Q 搭 建 穩(wěn)壓電路 專為 9S12XSMAA 最小系統(tǒng) 和OV7620 攝像頭 進行供電。 [6]這樣 既可以有效抑制電源紋波，又可以 消除 9S12XSMAA最小系統(tǒng) 和 OV7620 攝像頭 的 供電 電源 與其他元件 供電模塊 之間 產(chǎn)生 干擾， 保證 其工作的穩(wěn)定性。 圖 36 TPS7350Q 穩(wěn)壓 電路（ 轉(zhuǎn) 5V） LM2940 穩(wěn)壓電路 舵機 SD5 的 工作電壓只能在 以下，正常工作電流為 200mA，具有 堵 轉(zhuǎn) 保護第 3 章 圖像 處理算法研究 13 功能 ，堵轉(zhuǎn)電流 為 800mA， 舵機在 堵轉(zhuǎn)后 3s 開始 啟用保護功能，降低電流， 保護 馬達和電板 。考慮到 舵機的堵轉(zhuǎn) 問題 ， 本 電 路采用 兩片 LM2940 芯片 搭建兩個 5V 穩(wěn)壓電路。利用 一個穩(wěn)壓 電路 專門 用于舵機 SD5 供電 ，另一個 5V 穩(wěn)壓電路 則用于給液晶 、藍牙、撥碼開關等其他外設及芯片的供電。 圖 37 LM2940 穩(wěn)壓電路 （ 轉(zhuǎn) 5V） 電機驅(qū)動模塊 電機 驅(qū)動電路對于智能車的速度 控制 有著至關重要的作用 ， 較好的制動能力和加速對于提高小車的速度有著很大的幫助。 電機 的速度與施加在電機上的電壓 成正比 ，輸出轉(zhuǎn)矩與電機的電流成正比。因為 在 智能車行駛過程中要改變直流電機的轉(zhuǎn)速 ， 采用 一個 PWM（ 脈寬調(diào)制 ） 方波， 施加 在 直流電 機 上 的 PWM 波 的占空比對應著 智能車 所需的速度， 電機起到 一個低通濾波器的作用，將 PWM 信號 轉(zhuǎn)換為有效的直流電平。 PWM 信號可以 由 9S12XSMAA 單片機 產(chǎn)生， 用精準 的脈沖寬度可以調(diào)節(jié)直流電機的轉(zhuǎn)速，并且要優(yōu)化 PWM 信號 的 頻率 ，以防止電機抖動。 更換 直流電機的電流方向，可以控制直流電機 的 轉(zhuǎn)動方向 。 智能車采用了 540 電機 ， 該電機 的工作電壓為 12V。 利用 IR 公司的 MOS 管IRLR783 和 MOS 管驅(qū)動芯片 IR2104 搭建了 H 橋驅(qū)動電路。 H 橋驅(qū)動電路 主要包括 4個 MOS 管 和 兩片 MOS 管驅(qū)動芯片 ， MOS 管具有內(nèi)阻小、開關速度快等優(yōu)點， 并 且方便加散熱片 。 MOS 管是 電壓驅(qū)動器件， 使用 N 溝道 增強型 MOS 管 ， 其導通電阻小 ，當柵極 電壓大于源極電壓時 MOS 管導通 。如圖 38 所示 ，要是電機 M 轉(zhuǎn)動， 必須導通 對角線 上 的一對 MOS 管 ，根據(jù) 不同的 MOS 管 對 的導通情況，電流可能會從左至右或者從右至左 流過 電機，從而控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。 第 3 章 圖像 處理算法研究 14 圖 38 H 橋電機驅(qū)動電路 當 Q1 管和 Q4 管 導通時， 電流 就從電源正極經(jīng)過 Q1 管 從左至右流過電機，再由Q4 流回到電源負極，此時 電機將 順指針轉(zhuǎn)動。 當 Q2 管和 Q3 管 導通時， 電流 就從電源正極經(jīng)過 Q3 管從右至左 流過電機，再由Q2 流回到 電源負極，此時 電機將逆 指針轉(zhuǎn)動。 由于 9S12XSMAA單片機 P 口驅(qū)動能力 不夠大 ，所以要加 MOS 管驅(qū)動芯片 IR2104來 驅(qū)動 MOS 管 。 IRLR7843 的 最小內(nèi)部只有 毫歐姆 ，最大允許連續(xù)源極電流為161A， 遠遠能滿足 要求 ， 并且 IRLR7843 具有 很 強 的驅(qū)動能力。 IR2104 外接 自舉電路，輸出驅(qū)動電壓在 10V 到 20V，具有剎車使能功能，能夠較好的保護 ， 并且具有恰當?shù)乃绤^(qū) ，外接電路也較為簡單。具體 的 H 橋電機驅(qū)動電路如圖 39 所示 。 圖 39 實際 H 橋電機驅(qū)動 電路 第 3 章 圖像 處理算法研究 15 速度反饋模塊 為了 使智能車能夠 平 穩(wěn) 的 沿著 賽道行駛，需要 測試 智能車的速度，同過 測速模塊得到智能車的實際速度 ， 將其與給定速度進行比較，形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)對智能車速度的控制 ， 從而使智能車在急轉(zhuǎn)彎時不會因為速度過快而沖出賽道。 通過 控制 電機 驅(qū)動中 PWM 信號的占空比 來 控制電機的平均電壓，從而控制電機的轉(zhuǎn)速即控制智能車的 車速 。 如果 沒有測速模塊，開環(huán)控制電機轉(zhuǎn)速，會受到很多因素影響 ， 如電機傳動的摩擦力、道路摩擦力、電池電壓、前輪轉(zhuǎn)向角等 。 這些 因素 都會造成智能車運行不穩(wěn)定。使用測速模塊后，可以實現(xiàn)對車模速度的閉環(huán)反饋 PID 控制， 就可以 消除上述因素 對智能車運行所帶來的不利影響，是智能車運行時更加穩(wěn)定。 檢測 測速的方法有很多種， 例如 用測速發(fā)動機、反射式光電檢測、 透射式 光電檢測等 。 本次 采用 的是透射式光電編碼器，其內(nèi)部是光電對管 加光柵 碼盤構成，結構簡單，穩(wěn)定性高。 其 內(nèi)部結構如圖 310 所示。將編碼器 內(nèi)部的旋轉(zhuǎn) 軸 與 電機的 轉(zhuǎn)動軸相連，由旋轉(zhuǎn)軸帶動旋轉(zhuǎn)盤進行旋轉(zhuǎn)， 光源 發(fā)出的光透過旋轉(zhuǎn)盤上的長方形孔 被 受光元件接 收 ，從而輸出 脈沖信號 。通過計算 每秒 光電編碼器輸出的 脈沖個數(shù) 就可以計算 出電機的轉(zhuǎn)速。 圖 310 光電編碼器 內(nèi)部結構 通過光電 編碼器測量出智能車的車 速，在軟件中編寫速度控制程序，通過改變PWM 波的占空比來調(diào)節(jié)車速。 第 4 章 智能車速度 控制 軟件設計 16 第 4 章 智能車速度 控制軟件設計 速度控制 整體程序框架 智能車 速度控制系統(tǒng)的框架圖如圖 41 所示 ， 9S12XSMAA 單片機 為控制系統(tǒng)的核心， 由 單片機給電機一個給定速度即理論速度，建立模糊 PID 控制器， 利用 模糊 PID控制器來控制電機的轉(zhuǎn)速，即控制智能車的實際速度 。 再 利用 光電編碼器來測量智能車的實際車速，并將實際車速反饋 給 模糊 PID 控制器，形成閉環(huán)負反饋回路，根據(jù)實際車速與理論速度的偏差來調(diào)節(jié)由單片機 P 口輸出的 PWM 波的占空比 ， 從 而 使智能能夠 高速平穩(wěn)運行。 SD5 舵機 采用 位置式 PD 控制 ， 舵角控制器對理論舵角進行處理得到舵角增量，通過 PWM 波傳給 SD5 舵機 ，舵機通過自帶的控制系統(tǒng)將舵角改變?yōu)榭刂?值 。 圖 41 控制系統(tǒng) 框架圖 編譯開發(fā) 環(huán)境 CodeWarrior 是完整的用于編程應用 集成開發(fā)環(huán)境。 采用 CodeWarrior IDE，開發(fā)人員可以得益于采用各種處理器和平臺（從 Motorola 到 TI 到 Intel）間的通用功能性。根據(jù) Gartner Dataquest 的報告， CodeWarrior 編譯器和調(diào)試器在商用嵌入式軟件 開發(fā)工具的使用率方面排名第一。而這只是流行的 CodeWarrior 軟件開發(fā)工具中的兩個。 在整個開發(fā)調(diào)試過程中，除匯編語言開發(fā)的方式以外，使用 Metrowerks 公司為 第 4 章 智能車速度 控制 軟件設計 17 MC9S12 系列專門提供的全套開發(fā)工具（ Metrowerks CodeWarrior IDE）。 CodeWarrior 是由 Metrowerks 公司開發(fā)的專門面向 Freescale 所有 DSP 與 MCU嵌入式應用開發(fā)的一種軟件工具，它支持摩托羅拉匯編語言、 C++語言和 ANSI C 語言。本系統(tǒng)在軟件開發(fā)過程中使用的是 CodeWarrior 。其主要包括集成開發(fā)環(huán)境 IDE、全芯片仿真、處理器專家、項目工程管理、可視化參數(shù)顯示工具、 C 交叉編譯器、專家生成系統(tǒng)、鏈接器、匯編器以及調(diào)試器。 CodeWarrior IDE 可以自動地檢查代碼中的明顯錯誤，它利用一個集成的調(diào)試器和編輯器來掃描代碼，從而找到并減少明顯的錯誤，然后編譯并鏈接程序使計算機能夠理解并執(zhí)行編輯的程序。每個應用程序都經(jīng)過了使用例如