基于红外传感器的智能汽车设计

天津大学网络教育学院专科毕业论文题目：基于红外传感器的智能汽车设计完成期限：2016年1月8日至 2016年4月20日学习中心：嘉兴专业名称：电气自动化技术学生姓名：李和平学生学号：132092433054指导教师：李娜娜基于红外传感器的智能汽车设计第一章 智能汽车设计概述第一节 智能汽车简要介绍智能汽车设计的模型车是采用智能汽车竞赛所使用的车模，该车模是以韩国爱德美公司生产的Matiz 系列1:10模型车如图1所示，其基本尺寸参数如表一所列。

图1 模型车示意图该模型车底盘采用的是等长双横臂式 表1 模型车的基本尺寸参数 独立悬架。

但车轮上下跳动时，车轮平面没有倾斜，但轮距会发生较大变化，故车轮发生侧向滑移的可能性较大。

根据汽车理论的基础知识，可以在实际组建当中进行调整，以使汽车获得最佳的性能。

关于智能汽车竞赛的基本情况：参赛队伍通过设计基于单片机的自动控制器控制模型车在封闭的跑道上自主寻线运行。

在保证模型车运行稳定即不冲出跑道的前提下，跑完一圈的时间越小，成绩越好。

自动控制器是以单片机MC9S12DG128为核心，配有传感器、电机、舵机、电池以及相应的驱动电路，它能够自主识别路径，控制模型车高速稳定运行在跑道上。

图1所示为安装有自动控制器的模型车。

比赛跑到表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25cm 。

比赛规则限定了赛道宽度和拐弯最小半径等参数，赛道具体形状在比赛当天现场公布。

控制器自主识别引导线并控制模型车沿着赛道运行。

图2所示为赛道示意图。

图1 安装有自动控制器的智能车设计自动控制是制作智能车的核心环节。

在严格遵守规则中对于电路限制条件，保留智能车可靠运行的前提下，电路设计应尽量简洁紧凑，以减轻系统负荷，提高智能车的灵活性，同时应坚持发挥创新原则，以简洁但功能完美为出发点，并以稳定为首要前提，实现智能车快速运行。

图2 赛道示意图（700 mm×500 mm）作为能自动识别道路运行的智能汽车，车模与控制器可以看成一个自动控制系统。

它可分为传感器，信息处理，控制算法，执行机构四个部门组成。

其中以单片机为核心，配有传感器、执行机构以及它们的驱动电路构成了控制系统的硬件；信息处理与控制算法由运行在单片机中的控制软件完成。

因此，自动控制器设计设计和控制软件两部分。

硬件电路是整个设计的基础。

系统结构如图3所示。

图3 硬件电路大赛详细规则如下：A.电路器件及控制驱动电路限制1) 核心控制模块可以采用组委会提供的HCS12 模块，也可以采用MC9SDG128 自制控制电路板,除了DG128MCU 之外,不得使用辅助处理器以及其它可编程器件；2) 伺服电机数量不超过3 个；3) 传感器数量不超过16 个（红外传感器的每对发射与接受单元计为1 个传感器，CCD 传感器记为1 个传感器）；4) 直流电源使用大赛提供的电池；5) 禁止使用DC-DC 升压电路为驱动电机以及舵机提供动力；6) 全部电容容量和不得超过2000 微法；电容最高充电电压不得超过25 伏。

B.赛道基本参数1) 赛道路面用纸制作，跑道所占面积不大于5000mm* 7000mm，跑道宽度不小于600mm；2) 跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm；3) 跑道最小曲率半径不小于500mm；4) 跑道可以交叉，交叉角为90°；5) 赛道为二维水平平面；6) 赛道有一个长为1000mm 的出发区，计时起始点两边分别有一个长度100mm 黑色计时起始线，赛车前端通过起始线作为比赛计时开始或者与结束时刻。

注：不包括拐弯点数目、位置以及整体布局第二节智能汽车方案设计智能汽车的设计方案主要有两种：一是，基于红外传感器的道路识别模块设计的智能小车；二是基于CCD摄像头的道路识别模块设计的智能小车。

基于这两种设计的智能汽车设计主要从以下几个方面着手：硬件设计和软件设计，而软件设计又是基于硬件设计和总结规律的基础上得出的。

首先冲硬件设计开始。

2.1电源模块电源模块为系统其他模块提供所需要的电源。

设计中除了考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路设计等方面进行优化。

可靠的电源方案是整个硬件电路可靠运行的基础。

全部硬件电路的电源由7.2V、2A/h的可充镍镉蓄电池提供。

由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各模块所需要的电压，主要包括如下不同的电压：1.5V 电压。

主要为单片机、信号调理电路以及部分接口电路提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量大于500mA。

2.6V电压。

主要为舵机提供提供工作电压。

实际工作时，舵机所需要的工作电流一般在几十毫安左右，电压无需十分稳定。

3.7.2V这部分直接取自电池两端电压，主要为后轮驱动电机模块提供电源。

4.12V电压。

如果采用CCD/CMOS图像传感器来进行道路检测，则需要12V工作电源。

5.2V电压。

为红外发光管提供工作电压。

可以采用开关电源从电池降压而得，这样可以红外检测电路的电源利用效率。

需要根据红外发射管的参数确定该电压值。

除此之外，如果使用了其他芯片和传感器，它们的工作电压可能不在上述之内，还需要通过专门的稳压电路，提供相应的工作电压。

例如采用飞思卡尔公司的MC7260加速度传感器进行车轮打滑检测，该传感器需要3.3V的工作电压。

电源模块由若干相互独立的稳压电路组成。

一般采用如图6所示的星形结构，可以减少各模块之间的相互干扰，进一步减少单片机的5V电源噪声，可以单独使用一个5V的稳压芯片，与其他接口电路分开。

图6 电源模块的电路结构降压稳压电路可以采用串联稳压和开关稳压两种芯片。

开关稳压芯片的工作效率高，但有较高的电源噪声，耗电量较大的电路适用于开关稳压电路。

例如采用大电流红外检测电路，由于红外发射管数量较多，总的消耗电流很大，采用开关电源将电池电压降至2V左右作为红外发射管的工作电压，此时每个红外发射管工作时只需要串联很小的先留电阻甚至不用串联电阻。

采用这种方法，可以大大提高电源利用效率。

稳压电路的设计需要简单可靠，在满足电压波动范围要求下应尽量简化电源设计。

例如舵机电源在4.5~6V的范围内，电流100mA左右，可以从7.2V的电池电压通过串联硅二极管而获得。

此外，通过实验可发现，组委会所提供的舵机可以直接工作在7.2V电压下，此时舵机响应速度也会提高，所以直接使用电池电压作为舵机的电源。

如果采用CCD或CMOS摄像头作为道路传感器，它们工作电压在9~12V范围内。

此工作电压高于电池的电压，需要借助斩波升压电路获取。

可以采用专门升压芯片进行设计，也可以利用单片机PWM输出端口控制大功率晶体管进行斩波升压。

有些CMOS摄像头工作电压在6~9V之间，所以也可以直接使用电源电压作为电源，所以选择CMOS摄像头也可以简化电路设计。

消除电源中的噪声，并减少电压波动，需要在各级模块中安装滤波电容，包括容量小的高频滤波电容以及大容量的电解电容。

由于存在电机驱动，为了避免电机在启动和制动过程产生的冲击电流对于电源的影响，应尽量加大电池的电容容量，但不要超过大赛允许放入电容容量限制。

2.2 道路检测模块方案比较与选择检测赛道相对车模的偏移量、方向、曲率等信息是实现车模自主沿着赛道运行的基本信息基础，获取更多、更远、更精确的赛道信是提高车模运行速度的关键。

本次智能车模竞赛的赛道是白底黑线，路径识别即识别白底地面上的黑线轨道的检测，常用的方案有：方案一：采用CCD 摄像头图7 CCD 摄像头探测路径使用CCD 摄像头采集路面图像采用图像处理与分析的方法判断路径，是路径识别中常用的方法之一。

这种方法的优缺点如下：优点：能够感知前方较远距离处的赛道状况；受外界干扰小。

采用CCD最大的优势是通过对车辆前方图像的处理我们能够准确的判断出车辆前方较长一段距离跑道的走向，从而为当前车辆状态的控制提供了大量的信息，我们可以根据摄像头拍摄到的画面，通过边缘检测等算法判断出许多关键信息，如中心位置，方向，曲率等等，这些参数都是控制电动车稳定并快速运行的关键参数缺点：图像处理计算量大，处理速度慢，实时性不高。

采用面阵CCD路径参数检测算法也存在许多缺点，如开发有效路径参数算法是非常复杂的工作，并且CCD设备价格昂贵此外加上比赛规则的限制，我们只能使用规定的处理器，对于使用只有25MHz的单片机处理图像信息，显得力不从心，CCD摄像头寻迹方案的优点是可以更远更早地感知赛道的变化，但是信号处理比较复杂，如何对摄像头记录的图像进行分割和识别，加快处理速度是摄像头方案的难点之一。

方案二：采用反射式红外光电管图8 采用光电管检测路径采用反射式红外光电管，也是路径检测常用的方法。

这种方法利用了路面不同的材料和颜色对光线的吸收和反射量不同，这样我们检测反射回来的光线就可以得到当前位置的材料或者颜色。

这种方法的优缺点如下：优点：电路简单，信号处理速度快。

光电传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快。

光电传感器的排列方法、个数、彼此之间的间隔都与控制方法密切相关。

缺点：感知前方赛道距离有限，受外界红外频段光线干扰，精度比较低。

光电管相对的感知距离较近并且只能提供非常少的前方车道的走势信息。

反射式红外检测方式又可以分为交流式和直流式。

交流式可以消除外界红外光线的影响，但电路和信号处理过于复杂，采用直流式虽然其受到外界红外光线的影响较大，但采取一定措施后可以减小干扰，这些措施包括：采用定向的红外光电发射管和接收管；发射管发射方向朝向地面，实验表明这样可以大大的降低外界的干扰，达到正确识别路径的要求。

方案选择论证：考虑到小车微处理器采用的是规定的S12单片机，其运算速度决定了对图像的处理与分析的时间很难达到实时性的要求，控制精度很难达到要求的范围，小车速度也必定不能提高。

交流式光电管电路设计比较复杂，在每个接收端都应该有相应的滤波器，这样复杂的电路设计和调试都是相当复杂的。

根据上面介绍的两种方案的优缺点，权衡稳定性、精度和速度后，我们选用了直流反射式红外光电管方案。

本方案需要注意的问题如下：我们需要把光电管尽量贴近地面，以减小干扰；尽量密集排布光电管收发对，提高测量精度；程序上，需要确定合理的算法，得到当前的路况。

这些我们将在以下几章详细介绍。

2.3 速度检测方案小车的实际行驶速度是小车速度控制的控制输入量，准确实时的测量小车的速度才能实现小车的速度控制，即纵向控制。

常用的测速方案有以下几种：方案一：光电测速传感器原理是传感器开孔圆盘的转轴与转轴相连接，光源的光通过开孔盘的孔和缝隙反射到光敏元件上，开孔盘随旋转体转一周，光敏元件上照到光的次数等于盘上的开孔数，从而测出旋转体旋转速度。