光電智能車硬件系統(tǒng)的設(shè)計研究

三江學(xué)院電子信息工程學(xué)院 孫肖林 花懷海 徐昊洋 李 達(dá) 周詩杰

引言

我國是機動車大國并非強國。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，截止2017年底，我國機動車保有量為3.10億輛，每年消耗的汽油為6000萬噸，大量的燃油消耗不僅加速化石燃料的枯竭，尾氣的排放也造成相當(dāng)嚴(yán)重的環(huán)境污染。然而我國新能源機動車保有160萬輛，僅僅占0.7%，傳統(tǒng)機動車轉(zhuǎn)型升級的道路還很漫長。在面對即將到來的突發(fā)事故，僅依靠機動車駕駛員個人快速反應(yīng)，逐漸不能滿足人們對于安全出行的要求。如果機動車本身能夠及時作出反應(yīng)，就更能有效規(guī)避突發(fā)狀況。因此機動車智能化問題開始引起人們的重視?？刂葡到y(tǒng)開發(fā)相當(dāng)于延伸了駕駛員的感知，擴展了駕駛員的執(zhí)行控制功能，增加了道路交通安全。本文主要以“恩智浦”杯智能車汽車競賽為背景，采用MK60單片機，綜合電路資源，編寫適當(dāng)?shù)某绦?，完成攝像頭識別賽道元素，舵機轉(zhuǎn)向以及電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，實現(xiàn)一款符合運行要求的光電智能車。

1.光電智能車設(shè)計要求

1.1 車模

本設(shè)計使用“恩智浦”杯智能汽車競賽光電組C型車模。該車模采用后輪雙電機驅(qū)動，電機型號RN-260，前輪由FUTABA3010舵機控制轉(zhuǎn)向。

1.2 傳感器

本設(shè)計使用面陣光電傳感器進(jìn)行賽道和環(huán)境檢測。

1.3 賽道要求

比賽是在PVC賽道上進(jìn)行，賽道采用黑色邊線引導(dǎo)，賽道中存在的元素有直到、彎道、十字交叉路口、障礙、坡道、環(huán)形賽道。

1.4 比賽規(guī)則

選手制作的車模繞跑道行一周。比賽時間從車模沖過起跑線開始計時，到重新回到起跑線為止。如果車模沒有停在起跑線后三米的停車區(qū)內(nèi)，比賽時間加罰一秒鐘。

車模在比賽時，需要安裝一個計時磁標(biāo)。車模制作時需要考慮安裝位置。車模制作完成后，長度（包括傳感器）不超過40cm，寬度不超過25cm，高度不超過40cm。

2.光電智能車系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 核心模塊

本系統(tǒng)選用了MK60單片機。這款32位的單片機由飛思卡爾半導(dǎo)體公司制造，搭載ARM Cortex M4內(nèi)核，功能強勁，價格適中，在智能汽車競賽中相當(dāng)流行，且能在山外的淘寶店中直接購買。功能如下：

1、具有16位的ADC/DAC。

2、FTM。靈活的定時器（產(chǎn)生PWM，定時中斷，或者脈沖捕捉及正交解碼

3、TSI。觸摸感應(yīng)按鍵

4、通訊接口模塊：UART，SPI，I2C，UART，CAN，SD。

5、PIT。周期性定時器，最簡單的定時器，用于產(chǎn)生周期性中斷。

6、RTC實時時鐘。

7、DMA。最好用的DMA構(gòu)件，支持所有通訊外設(shè)。

8、SD。SDIO構(gòu)件，目前只支持SD卡。

9、WDOG看門狗。

10、GPIO。

11、LPTM?？僧a(chǎn)生定時中斷，在智能車的制作過程中常用作對編碼器的計數(shù)。

12、FLASH。內(nèi)部FLASH操作函數(shù)。

13、SYS。（倍頻NVIC配置）。

14、DELAY。（使用M4內(nèi)核SYSTick做成的精準(zhǔn)延時模塊）。

2.2 電源模塊

本系統(tǒng)各模塊需要的電源包括7.2V，6V，5V，3.3V等，而比賽方只允許搭載7.2V電池，因此需要使用穩(wěn)壓芯片將7.2V轉(zhuǎn)為合適的電壓。

5V穩(wěn)壓模塊，使用TPS7350穩(wěn)壓芯片。

3.3V穩(wěn)壓模塊，使用AMS1117-3.3V穩(wěn)壓芯片。

6V穩(wěn)壓模塊，使用LM1084ADJ穩(wěn)壓芯片。

2.3 傳感器模塊

2.3.1 攝像頭

智能車對圖像的分辨率要求并不高，但是對動態(tài)特性要求非常高，特別是小車在高速行駛?cè)霃澔蛘叱鰪澋臅r候，圖像變化較大，這就對攝像頭的自動增益有較高的要求。一般來說，在攝像頭圖像發(fā)生突變時，感光芯片本身會有一段適應(yīng)時間，這段時間要求越小越好，同時不需要彩色圖像，OV7725能很好地滿足要求。

2.3.2 編碼器

電機的閉環(huán)控制需要實時檢測車輪轉(zhuǎn)速，通過增量式PID算法結(jié)合實時轉(zhuǎn)速計算出目標(biāo)轉(zhuǎn)速。采用歐姆龍500編碼器對電機進(jìn)行測速，該編碼器的分辨率為500P/R，滿足對智能車轉(zhuǎn)速的控制要求。

2.4 驅(qū)動電路

采用BTN7971來設(shè)計電機驅(qū)動電路。此驅(qū)動電路是經(jīng)典的H橋控制電路，通過轉(zhuǎn)換電機中電流的方向，使電機達(dá)到正反轉(zhuǎn)的目的。在智能車競賽中，此驅(qū)動電路能夠滿足智能車對速度的要求。

3.總結(jié)

本文主要介紹了光電智能車硬件系統(tǒng)的設(shè)計方案，總體來說，本設(shè)計手段簡略可靠，實驗代價不高，使用的元件及電路結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，具有一定的代表性和推廣性，為眾多熱愛智能車設(shè)計的發(fā)燒友提供了可鑒之處。