基于激光传感器的智能车循迹系统

本科生毕业论文（设计）

题目： 基于激光传感器的智能车循迹系统

学 部 信息科学与工程学部

学科门类 工学

专 业 电气工程及自动化

学 号

姓 名

指导教师

2013年5月16日

装

订

线 河北大学工商学院

基于激光传感器的智能车循迹系统

摘要

智能汽车是未来汽车发展的趋势，它体现了自动控制、人工智能、传感技术、机械技术、计算机技术等多个学科领域理论技术的交叉和综合。本文介绍了基于激光传感器的智能车循迹系统的设计过程及主要的控制算法。智能车控制系统的基本要求是在稳定性的基础上使其获得较快的速度。而智能车系统的方向控制及速度控制的配合控制是一个至关重要的因素。智能车软件设计是用Freescale 公司的Codewarrior软件作为软件开发和仿真下载的平台。通过激光传感器进行赛道信息的采集，利用小车携带的单片机对信息进行处理，得到小车与中心引导线的误差数据，通过PID控制算法，得到小车舵机的偏转角度和电机转速控制参数，用来控制小车完成对中心线的跟踪。智能车硬件系统以MC9S12XS128单片机作为主控制器，采用15只激光管和5只接收管作为信号采集传感器。电机驱动采取H桥驱动电路，并用欧姆龙500线编码器进行了速度采集。

关键词：激光传感器；MC9S12XS128单片机；PID；智能车；飞思卡尔

The Intelligent Car Tracking System Based on Laser Sensor

ABSTRACT

Smart cars are the future trends in vehicle development, It embodies the automatic control, artificial Intelligence, sensing technology, mechanical technology, computer technology and other technical disciplines theory and integrated cross. This article describes the design process based on laser detection of intelligent vehicle systems and main control algorithms of the systems. Intelligent vehicle control system is the basic requirement in the stability on the basis of which has better rapidity. While the steering system and speed the implementation of system coordination control is one of the main factors. Design of intelligent vehicle system is to use Freescale's Codewarrior software as the download software development and simulation platform. Track information by laser sensor acquisition, use the car carrying the MCU for processing information, get the error data trolley and the center guide lines, through the PID control algorithm, get car steering deflection angle and motor speed control parameters, is used to control the small car to the track center line.Intelligent vehicle system with MC9S12XS128 MCU as the main controller, uses 15 laser tubes and 5 receiving tube as the signal acquisition sensor. Motor driven by H bridge driver circuit, and OMRON 500 line encoder uses for speed acquisition.

Keywords: laser sensor；MC9S12XS128 microcontroller；PID；Intelligent car system

目录

1引言 (1)

1.1课题研究目的与意义 (1)

1.2智能车在国内外的发展状况 (1)

1.3智能车设计的主要内容 (1)

2智能车总体结构设计 (3)

2.1智能车系统的基本结构组成 (3)

2.2智能车主控模块的组成及原理 (3)

2.3智能车传感器模块的组成及原理 (5)

2.4智能车电源模块的组成及原理 (8)

2.5智能车执行模块的组成及原理 (8)

3智能车硬件电路设计 (11)

3.1智能车最小系统模块 (11)

3.2智能车电源管理模块 (12)

3.3智能车电机驱动模块 (13)

3.4智能车激光传感器模块 (14)

4智能车的机械设计 (17)

4.1系统机械结构设计 (17)

4.2转向舵机的安装 (17)

4.3对前轮的调整 (17)

4.4重量和重心的调整 (19)

4.5 差速的调整 (19)

5智能车系统软件设计 (20)

5.1智能车系统软件结构流程图 (20)

5.2智能车信号采集及滤波 (21)

5.3速度与角度的配合控制算法 (26)

5.3.1经典PID控制算法介绍 (26)

5.3.2基于角度控制的分段P控制算法 (27)

5.3.3基于速度控制的分段PID控制算法 (28)

5.4智能车路径识别控制 (28)

5.5智能车停车保护控制 (29)

6结论 (31)

参考文献 (32)

致谢 (33)

1 引言

1.1 课题研究目的与意义

随着经济的不断发展，人们生活水平的不断提高，人口的急剧增长，从而使得汽车使用率大大提高。家庭汽车数量剧增，对道路安全和驾驶安全的要求更高。交通事故的不断发生，交通压力日益显著。因此自动驾驶智能车的研究成为时代发展的需求。本课题的选取正是源于这种现状。本课题将以MC9S12XS128单片机作为主控制器，以激光传感器作为信号采集系统，设计自动寻线智能车系统，使智能车系统能在黑线引导的轨迹道路上实现路径的识别与自动行驶。智能小车自动行驶的研究将有助于真正智能车辆的研究。智能车自动驾驶汽车技术一旦成熟，它给人类带来的好处是非常重大的。它不仅可以缓解我国这种交通压力，而且会极大地降低交通事故事件。从而解决了驾驶员疲劳驾驶和酒后驾驶等人为因素所照成的交通事故。更重更要的智能驾驶汽车可以运用于那些人类无法工作的环境之中。例如在充满瓦斯的煤矿井下工作。智能车还应用于太空的远程服务和探测，美国发射的“勇气”号和“机遇”号火星探测器，实质上都是装备先进的智能车辆。因此，随着生产力的不断发展，研究智能车的实际意义和取得的价值都非常重大。

1.2 智能车在国内外的发展状况[1]

我国在无人驾驶汽车研究方面比国外稍晚一些。国防科技大学率先开始对这项技术进行研究。1989年我国首辆智能小车诞生于国防科技大学。经过十多年的研究探索，我国实现了无人驾驶的实车试验，智能车驾驶技术达到了国际先进水平。我国科技部则于2002年正式启动了“十五”科技攻关计划重大项目,智能交通系统关键技术开发和示范工程,其中一个重要的内容就是进行车辆安全和辅助驾驶的研究。预计在2020年之前进入智能交通发展的成熟期人、车、路之间可以形成稳定和谐的智能型整体。

国外智能车辆的研究历史较长，智能车辆的研究始于20世纪50年代初的美国Barrett Electronics公司开发出的世界上第一台自动引导车辆系统。智能车辆的发展历程大体可以分成四个阶段：第一阶段：20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。第二阶段：从80年代中后期开始，欧洲主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的研究。第三阶段：从90年代开始，智能车辆进入了系统，深入，大规模研究阶段。第四阶段：进入21世纪以来，智能车辆研究朝着智能移动机器平台发展并成功应用到其他科学领域。

1.3 智能车设计的主要内容[2]

智能车控制系统的设计主要包含四个部分：传感器模块、主控模块、电源模块、执行模块。其中传感器模块利用激光传感器采集道路信息，利用光电编码器测小车的速度。主控模块由MC9S12XS128单片机完成对采集的信息处理并控制执行机构动作。电源模块为整个智能车提供电源。执行模块由电机和舵机完成。

智能车系统设计的主要思路是通过由激光管制作成的激光传感器来采集路面的信息，并采用舵机摇头方案，从而保证激光传感器始终围绕黑线转动，控制系统不出现丢线情况。然后将激光传感器采集的数字信号送给MC9S12XS128单片机，单片机经过数据处理判断出当前智能车的位置，然后通过一定的控制算法向转向系统发出指令，使舵机转动一个合适的角度。同时，单片机通过给定不同占空比的PWM信号给电机一个合适的速度，保证智能车稳定快速的行驶。

2 智能车总体结构设计

2.1 智能车系统的基本机构组成

智能车系统构成如图2-1所示。主要由电路部分、软件部分、机械部分、辅助部分构成。

图2-1 智能车系统构成图

2.2 智能车主控模块的组成及原理

作为整个智能车的“大脑”，主控模块包括信息处理和控制模块，其核心是MCU，即MC9S12XS128单片机。单片机通过将激光传感器传输过来的信号进行滤波处理并分析激光

管的状态，来判断智能车当前的位置，然后根据智能车的位置结合角度速度控制算法，最终给舵机和电机合适的PWM信号，从而驱动直流电机和伺服电机完成对智能车的控制。

所使用的MC9S12XS128是飞思卡尔公司推出的S12系列单片机中的一种。片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、IIC、A/D、PWM等，在汽车电子应用领域有广泛的用途。其中片内资源有8K RAM、128K Flash；脉宽调制及PWM模块可以设置为4路8位或者2路16位输出。可配置8位，10位或12位模数转换器（ADC）转换时间3us。该芯片在汽车电子、工业控制、中高档电机产品等领域具有广泛的用途，我们所使用的为80pin封装。封装引脚图如图2-2所示。

MC9S12XS128单片机主要特性如下[3]：

● 64KB、128KB 和256KB 闪存选项，均带有错误代码纠错功能（ECC）。

●带有ECC 的、4KB 至8KB DataFlash，用于实现数据或程序存储。

●可配置8- 、10- 或12- 位模数转换器（ADC），可以实现3μs的转换时间。

●支持控制区域网（CAN）、本地互联网（LIN）和串行外设接口（SPI）协议。

●带有16位计数器的、8通道定时器。

●出色的EMC/运行和停止电流性能。

图2-2 MC9S12XS128单片机引脚图

2.3 智能车传感器模块的组成及原理

在该模块中包括位置信息采集和速度信息采集两个子模块，分别采集小车当前的位置信息和速度信息，并将采集信息传给MCU。

（1）激光传感器

智能车位置信息采集部分是由激光发射管和激光接收管组成，光电传感器检测路面信息的原理是由发射管发射一定波长的光线，经地面反射到接收管。如图2-3，由于在黑色和白色上反射系数不同，在黑色上大部分光线被吸收，而白色上可以反射回大部分光线，所以接收到的反射光强是不一样，进而导致接收管的特性曲线发生变化程度不同，而从外部观测可以近似认为接收管两端输出电阻不同，进而经分压后的电压就不一样，接收管信号输出端输出0,1数字信号，如图2-4，这样就可以将黑色引导线和白色路径区分开。

图2-3 激光传感器在不同路面反射情况

图2-4 激光传感器收发原理

激光型路径识别传感器有较大的前瞻，但是其本身也存在着缺点。首先是环境光干扰，在不同光照下会造成接受管的误判；其次是管间干扰，即接受管视野内有对应于其它接受管的发射管光斑。分析其原因是因为接受波长峰值在可见光谱内的光敏三极管和探测距离较远造成的。

针对第一种干扰，而是使用了用固定频率方波信号来驱动激光管发光，使用一个特定频率的调制管产生大约100KHZ频率的方波驱动激光发射调制光；而接受管使用只接收特

定频率光波的接受管，这样就可以避免自然光的干扰。

针对第二种干扰，管间干扰是由于激光管的排布过于密集，选择一般的激光管就存在当激光管照射到赛道上时激光光斑较大，会影响到两边的激光接受管接收效果，为此采用了分时点亮相邻组别的激光管的策略。激光传感器使用15个激光发射管和5个激光接收管组成，间邻最近的3个发射管对应一个接收管。依次将5组反射管的状态读回，最后将5组发射管的状态拼接成一帧完整的赛道信息。具体发射采集信息过程如下：我们将15个激光依次标号为1～15号，然后1、6、11号三个发射管为一组2、7、12号为一组，依次类推，共分为5组来发射，每间隔0.5ms点亮一组激光管,依次点亮1至 5组激光管，同时读取接收管的信号，所以智能车系统采样周期为2.5ms/次。这样在读取5组接收管信号后，就可以确定出15个激光发射管发出的光在赛道上的状态。进而判断出智能车的当前位置。将上排15个激光管分为-14，-12，-10，-8，-6，-4，-2，0，2，4，6，8，10，12，14，一共15个坐标。通过判断哪些激光管照在黑线上就能计算出传感器当前的偏移坐标值，这个坐标值就是车子实际的偏移量。经过单片机运算，给舵机相应的转角，来控制智能车的加速，减速等动作。

其中接收管工作原理如下：假设1个接收管覆盖3个（或其他数量，以下以3为例）发射的面积，通过接收管上加的透镜来接收反射光线，接收管探头放在透镜焦点上。这样可以保证接收管有较大的接收面积。在程序上，通过控制激光发射管的使能端，通过定时中断来实现激光管的分时工作。在同一时刻只选通一组发射管工作，其余四组发射管关闭。这时，没有接收到发射光的接收管（接收管输出低电平）所对应的发射管前方即为黑线。智能车系统的道路信号采集部分由激光传感器组成，激光传感器的实物图如图2-5所示。

图2-5 激光传感器实物图

（2）测速传感器

智能车测速传感器主要用来进行智能车速度反馈，速度反馈主要采用欧姆龙500线光电脉冲编码器完成速度的检测，光电脉冲编码器是一种数字式角度传感器, 它能将角位移量转换为与之对应的电脉冲进行输出,主要用于机械转角位置和旋转速度的检测与控制，本智能车系统采用500线光电脉冲编码器，即光电编码器每转动一周即可产生500个脉冲，大大提高了检测的精度。光电编码器安装如图2-6所示。

图2-6 光电编码器安装图

在以编码器构成的测速系统中，常用的测速方法有三种[4]，即“M法”、“T法”和“M/T 法”，本车采用“M法”测速。“M 法”测速就是通过测量一段固定的时间间隔内的编码器脉冲数来计算转速，这种测速方法适用于中高速场合，根据实际测试情况“M”测速法满足本车的测速要求。M 法”测速原理如下图2-7所示。使用XS128的输入扑捉功能和定时器功能，设在固定时间T 内测得的编码器脉冲数为M，则电机转速为：N=M/PT，编码器每转脉冲数为P,本车的P值为500。

已知电机传动比为18：76（小齿轮的齿数为18个、大齿轮的齿数为76个），测得后轮转动一周对应的行驶距离为0.17m，编码器每转脉冲数为P，则速度可由以下公式求得：

Speed=(M*0.17*18)/(76*P*T)

光电脉冲编码器测速的优点在于测速精度高，无需测速电路，使用简单方便。缺点是功耗大，增加车身重量，价格较贵。

2.4 智能车电源模块的组成及原理

电源模块为系统其他各个模块提供所需的电源。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转化效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。全部硬件电路的电源由7.2V 2000mAh Ni-cd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，因此电源模块应包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。其中包括电机驱动、舵机驱动、核心板等供电部分。

2.5 智能车执行模块的组成及原理[5]

智能车执行模块包括伺服舵机及执行电机两大部分，直接表现为转向控制和速度控制。激光传感器将采集到的赛道黑线信息传入控制器，控制器处理后通过PWM信号分别对舵机和电机进行控制，完成智能车转向、前进、制动的功能。执行模块是智能小车的速度和转向控制的执行者。该模块需要主控模块的算法程序提供控制信号，通过电机和舵机来实现速度闭环控制和转向闭环控制。

舵机的机构如图2-8所示：主要由控制电路，变速齿轮组，可调电位器，小型直流电机组成。

本智能车系统采用的舵机的基本资料：

型号：S3010

尺寸：40.0*20*38.1(mm) (L*W*H)

重量：41（g）

动作速度：6.0V时0.16＋0.02〔Sec/60度〕

输出扭矩：6.0V时6.5＋1.3〔Kg.cm〕

动作角度: 60＋10度

使用电压：4.0V～6.0V

图2-8 舵机机械结构

舵机工作原理：控制信号→控制电路板→电极转动→齿轮组减速→舵盘转动→位置反馈电位计→控制电路板反馈；

采用三线连接法：

红线：电源线（6V），黑线：地线，白线：信号线（PWM信号）

图2-9 舵机插头

舵机的控制方法：

当XS128单片机信号是1ms正脉冲时, 舵机转向到-60度位置

当XS128单片机信号是1.5ms正脉冲时, 舵机转向到度0度位置

当XS128单片机信号是2ms正脉冲时, 舵机转向到+60度位置

图2-10 舵机控制信号原理图

对于智能车控制系统而言，由于受到机械结构因素的限制，所以当智能车前轮转角达到最大时舵机只能转动大约＋40度。对应的正脉冲为1.18ms～1.82ms。这样舵机响应速度慢。为了增强智能车系统转向的灵活性，所以对智能车进行一系列的机械结构调整，使智能车前轮转达到到最大时，舵机对应正脉冲约为1.32ms～1.68ms，也就是舵机只需要转动＋22度左右，就可以使前轮转角转到最大位置。这样就大大减少了舵机转向的时间，加快舵机的响应速度，从而达到了提高智能车转向系统灵活性的目标。

智能车系统的电机采用RS-380小型直流电机，工作在7.2V电压下，空载电流为0.5A，转速为16200 r/min。在工作电流为3.3A时，转速达到14060 r/min，工作效率最大。由于单片机输出的脉冲无法直接驱动电机，所以需要驱动电路。通过调节PWM的占空比控制H

桥电路的导通与关闭，直接驱动电机，实现了电机的调速。电机驱动电路我们选用两半桥驱动芯片BTS7960构建的全桥驱动电路，BTS7960是集成的大电流半桥驱动，其内部包含了一片NMOS、一片PMOS和一片半桥门集驱动。电机通过传动装置最终实现车轮转速的调速。电机实物图如图2-11所示。

图2-11 RS-380电机实物图

3 智能车硬件电路设计

3.1 智能车最小系统模块

以MC9S12XS128为核心的单片机最小系统的硬件电路设计主要包括以下几个部分：时钟电路、复位电路、电源电路、BDM 接口电路。其中各个部分的功能如下：a: 时钟电路给单片机提供一个外接石英晶振，本系统采用16MHZ石英晶振。

b: 电源电路主要是给单片机提供+5V 电源，保证单片机的正常工作。

c: 复位电路在电压达到正常值时给单片机一个复位信号。

d: BDM 接口让用户可以通过BDM 头向单片机下载和调试程序。

在制作MCU最小系统板时首先要考虑的是稳定性，特别要在单片机总线频率达到最大值时要保证系统的稳定性。其次，在性能稳定的基础上，尽量使最小系统版有较小的尺寸，以减轻电路板的重量。因此经过设计，PCB板最终定型尺寸大小为35mm*35mm。XS128单片机最小系统版原理图如图3-1所示[6][7]：

图3-1 最小系统版原理图

3.2 智能车电源管理模块

整个智能车系统都是由7.2V 、2A/h 的可充电镍镉电池提供。由于电路中的不同电路

模块所需要的工作电压各不相同，为了保证各个模块的供电的稳定性，因此采用了各个模块单独稳压供电的策略，将充电电池电压通过不同的稳压芯片转换成各个模块所需要的电压。智能车系统电源管理模块机构图如下图3-2所示。主要包括如下不同的电压：

+5V 电压1：由稳压电源芯片TPS7350 给单片机单独供电。

+5V 电压2：由低压差LM2940稳压芯片为激光和光电编码器供电。

+5V 电压3：由低压差LM2940稳压芯片为摇头舵机供电。

+6.6V 电压：由LM1084可调稳压芯片提供，主要是为方向舵机提供工作电压。

+7.2V 电压：直接取自电池两端电压，主要为后轮电机驱动模块等提供电源。

由于最小系统中单片机所需的电压要求较严格，电机频繁的加减速和舵机的连续转向

所需的瞬间电流较大，很容易造成系统匮压匮流现象，从而引起系统供电不稳引起单片机的复位，导致智能车系统复位，为此在设计时采用了低压差TPS7350稳压电源芯片，这款芯片具有压差小，功耗低，稳压精度高等优点。此外，驱动机构造成的电流不稳定也容易引起激光传感器的供电不稳，会影响传感器的检测准确度，因此，也需要给激光传感器单独供电。由于智能车上电瞬间对激光管的冲击是比较大的，容易烧毁激光管，为此特地设计了慢启动电压电路，在智能车系统上电的瞬间可以保证加在激光管两端的电压时缓慢上升的。电源管理模块电路原理图如图3-3所示。

图3-2 电源管理模块结构图

TPS7350（5V ） LM2940(5V) LM2940(5V) LM1084(6.6V)

激光模块

MCU

模 块 方 向 舵 机 摇 头 舵

机 电 机 驱 动 模 块 测速模块 7.2V 镍镉电池

图3-3 电源管理模块电路原理图

3.3 智能车电机驱动模块

常用的小功率直流电机驱动有两种方式：一、采用集成电机驱动芯片；二、采用 N沟道 MOSFET 和专用栅极驱动芯片设计。经过试验，本智能车系统采用了两片BTN7960联立构成全桥。BTN7960管脚分配见表3-1。由BTN7960组成的H桥电路体积小，发热量小，内部自带过流保护，而且PWM上限频率高达25KHZ。经过试验，在电机正转、反转、连续反转刹车和阻转都不会使得驱动电路发热严重，而且电机的加减速响应速度快，驱动性能优越。驱动电流能达到43A，而内阻只有7MΩ左右。电机驱动电路如图3-4所示[8]:

图3-4 驱动电路原理图

3.4智能车激光传感器模块[9]

激光传感器是智能车控制系统的“眼睛”,是整个系统采集赛道信息的核心部件。在

设计激光传感器过程中，通过反复实验，最终确定传感器由15个发射管和5个接收管组成。三个发射管对应一个接收管。智能车系统在寻线传感器采集方面共用到了15个激光管，每一个激光管都对应一个角度偏移系数，根据不同激光管对应的角度偏移系数以及其对应的角度权值，并结合单片机的运算来判断当前智能车的位置，从而使控制器给出合理的角度和速度信号。激光传感器发射电路端，集成的调制芯片上电后，输出100kHz的方波，接入NPN三极管的基极，三极管处于频率为100kHz的通断状态，这样，激光头以100kHz的频率发射激光信号。接收电路端，接收管接收黑线信息时输出低电平。激光管具有检测距离长，方向性好，受环境影响小等优点。越靠近中心的激光管对应的角度权值越小，越远离中心的激光管对应的角度权值越大。这样的控制能更灵敏地检测到黑色路径的较小变化，及时改变模型车的弯道状态，加快智能车转弯时的角度响应速度。两侧的传感器只有在曲率较大处才能检测到黑线信息，此时路径变化较大，由于车速较快，即使两侧传感器的间距相对较大，也不会影响到路径检测和智能车角度的及时调整。激光传感器发射电路原理图如下图3-5所示。

图3-5 激光传感器发射电路原理图

其工作原理为：J3是一个调制管，当按照图3-5电路连接以后，1脚会输出一个调制频率为100KHZ占空比大约为30%的方波，然后通过NPN型三极管8050放大驱动激光发射管LED。通过下面的三极管8550选择哪一组激光发射管工作，当J3_1为低电平时候，三极管8050截止，调制管和激光管不工作，当为高电平时，三极管8050导通，调制电路工作，激光开始发送调制光。R16，R17等是激光管的限流电阻，这个电阻的实际阻值需要根据不同的激光发射管经试验来确定，如果阻值过大会造成激光发射管发射的能量不足导致智能车前瞻距离很近，如果阻值过小会造成流过激光的电流过大，烧毁激光发射管。每个激光管的最大发射电流不能超过60MA。激光调制发射有两个目的，第一、增加激光的发射能量，因为调