智能汽車光電組,硬件與機械設(shè)計專題,2012年9月4號,前排激光板,光電車整體構(gòu)造圖,前排接收管,轉(zhuǎn)向舵機,主激光板,電池,電機驅(qū)動板,測速編碼器,主控板,搖頭舵機,透鏡,內(nèi)容安排,一、光電車硬件設(shè)計,電源管理模塊,單片機核心控制器,電機驅(qū)動模塊,光電傳感器模塊,舵機控制模塊,速度檢測模塊,人機交互模塊,1.1硬件設(shè)計總體方案,硬件電路是智能車的基礎(chǔ)，只有完成了穩(wěn)定科學(xué)的硬件電路，才能在這個基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件算法的設(shè)計，做出優(yōu)秀的智能車。智能車硬件設(shè)計原則：盡量精減，采用簡單可靠的電路，選用性能優(yōu)秀而且性價比好的芯片，設(shè)計穩(wěn)定可靠兼容性好的電路板。硬件設(shè)計主流方案：采用飛思卡爾16位XS128或32位微控制器MK60DN512作主控芯片。選用5mw100mw激光作為路經(jīng)檢測傳感器，微控制器通過I/O口獲得激光傳感器采集的賽道信息，經(jīng)過處理后給出舵機轉(zhuǎn)角和電機轉(zhuǎn)速。通過人機接口可以方便的設(shè)置智能車運行的參數(shù)，并獲得智能車運行狀況。,1.2單片機核心控制器,按照大賽組委會的規(guī)定，車模控制電路只能采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位或32位MCU作為唯一微控制器。常用的MCU有:16位S12XS128、32位MK60DN512等。,核心控制器可以選擇購買設(shè)計良好的最小系統(tǒng)板，也可以自己設(shè)計包括濾波電路、復(fù)位電路和BDM下載端口等。,1.3電源管理模塊,智能車采用7.2V2000mAh鎳鎘蓄電池供電，由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此電源模塊應(yīng)該包含多個穩(wěn)壓電路，將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個模塊所需要的電壓。,穩(wěn)壓芯片的選取原則：壓差不能太大，電壓要穩(wěn)定，電流要足夠，價格要適中。常用芯片有LM2940、LM2941、TL1963A等。,1.3電源管理模塊,常用電源模塊電壓分配圖：,1.4光電傳感器模塊,光電傳感器是利用光電器件把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。光電傳感器工作時，先將被測量轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過光電器件再把光量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量變化，從而實現(xiàn)非電量的測量。光電傳感器的核心（敏感元件）是光電器件，光電器件的基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，可靠性較高，能實現(xiàn)參數(shù)的非接觸測量，因此廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)自動化儀表中。,1.4光電傳感器模塊,光電式傳感器由光路及電路兩大部分組成，光路部分實現(xiàn)被測量信號對光量的控制和調(diào)制，電路部分完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。常用的光電傳感器有：紅外對管和激光二極管。紅外對管由紅外線發(fā)射管和光敏接收管集合在一起構(gòu)成。由于紅外對管測量距離有限，精度不高等缺點，慢慢退出了光電車的舞臺。,1.4光電傳感器模塊,激光傳感器模塊分為發(fā)射和接收兩部分。發(fā)射部分采用5mw100mw功率的激光二極管，接收部分采用接收光線頻率為180KHZ的接收管。,1.4光電傳感器模塊,激光傳感器檢測路面信息的原理是由發(fā)射管發(fā)射一定頻率的紅外線，經(jīng)地面反射到接收管。由于黑色和白色的反射系數(shù)不同，在黑色上大部分光線被吸收了，而在白色上大部分光線被反射回來了，所以接收到的光線強度是不一樣的，進(jìn)而導(dǎo)致接收管特性曲線變化程度不同，從外部觀測可近似認(rèn)為接收管兩端的輸出電阻不同，經(jīng)過分壓后電壓就不一樣了，這樣就也可以把黑白路面識別出來了。,1.4光電傳感器模塊,激光發(fā)射電路,激光接收電路,1.4光電傳感器模塊,由于激光二極管數(shù)量較多，同時發(fā)射時激光傳感器會相互干擾。解決的辦法是采用分時點亮，使用74LS138或154作為分時控制器，由控制器的3個IO口來控制激光傳感器的開斷，同一時間控制每組相鄰最遠(yuǎn)的傳感器發(fā)光，這樣就可避免接收管接收到相鄰傳感器發(fā)射的激光了。具體實現(xiàn)過程，將在下午光電組智能車軟件設(shè)計專題中講解。,1.5電機驅(qū)動模塊,直流驅(qū)動電機控制電路主要用來控制直流電動機的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動速度。改變直流電動機兩端的電壓可以控制電動機的轉(zhuǎn)動方向；而控制直流電動機的轉(zhuǎn)速，則有不同的方案，較常規(guī)的方法是采用PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制。驅(qū)動電路既可以直接采用MC33886電機驅(qū)動芯片，也可以采用大功率MOS管來自行設(shè)計電機驅(qū)動電路。MC33886使用簡單方便、功能強大。但其不足在于最大電流只能達(dá)到5A，即使采用多片并聯(lián)，其壓降還是比較大，不利于智能車加速和制動性能的提升；由功率MOSFET管搭建H橋電路作為電機驅(qū)動，橋電路采用門電路控制，使得電機驅(qū)動使用更加方便、安全。,1.5電機驅(qū)動模塊,電路得名于“H橋驅(qū)動電路”是因為它的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠。,1.5電機驅(qū)動模塊,要使電機運轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。如圖所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時，電流將從左至右流過電機，從而驅(qū)動電機按特定方向轉(zhuǎn)動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。,1.5電機驅(qū)動模塊,驅(qū)動電機時，保證H橋上兩個同側(cè)的三極管不會同時導(dǎo)通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時導(dǎo)通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負(fù)極。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管?；谏鲜鲈颍趯嶋H驅(qū)動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關(guān)。,1.5電機驅(qū)動模塊,如圖所示就是基于這種考慮的改進(jìn)電路，它在基本H橋電路的基礎(chǔ)上增加了4個與門和2個非門。4個與門同一個“使能”導(dǎo)通信號相接，這樣，用這一個信號就能控制整個電路的開關(guān)。而2個非門通過提供一種方向輸人，可以保證任何時候在H橋的同側(cè)腿上都只有一個三極管能導(dǎo)通。,1.5電機驅(qū)動模塊,簡單H橋電路,1.6速度檢測模塊,為了使模型車能夠平穩(wěn)地沿著賽道運行，除了控制前輪轉(zhuǎn)向舵機以外，還需要控制車速。通過對速度的檢測，可以對車模速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制。,1.6速度檢測模塊,車速檢測一般是通過檢測驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的。比賽中所使用的常見測速方法有霍爾傳感器和光電式脈沖編碼器。我們采用的就是光電編碼器。,1.6速度檢測模塊,光電式脈沖編碼器原理：如下圖，在發(fā)光元件和光電接收元件中間，有一個直接裝在旋轉(zhuǎn)軸上的具有相當(dāng)數(shù)量的透光扇形區(qū)的編碼盤，在光源經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光投在透光和不透光區(qū)的碼盤上時，轉(zhuǎn)動碼盤，在碼盤的另一側(cè)就形成光脈沖，脈沖光照射在光電元件上就產(chǎn)生與之對應(yīng)的電脈沖信號。,1.7舵機控制模塊,舵機本身是一個位置隨動系統(tǒng)。它是由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機和控制電路組成的。通過內(nèi)部的位置反饋，使它的舵盤輸出轉(zhuǎn)角正比于給定的控制信號，因此對于它的控制可以使用開環(huán)控制方式。在負(fù)載力矩小于其最大輸出力矩的情況下，它的輸出轉(zhuǎn)角正比于給定的脈沖寬度。,二、光電車機械設(shè)計,2.1光電車機械設(shè)計概述,隨著智能車的速度不斷提升，智能車的機械結(jié)構(gòu)越來越被重視，智能車機械結(jié)構(gòu)的好壞對車的速度有著很大的影響。機械設(shè)計應(yīng)遵從的三個基本點：1、車體重量盡量輕：在驅(qū)動力一定的情況下，盡量減輕車體的重量會提高賽車的加減速性能。2、重心應(yīng)該盡量低：要使得智能車能在彎道上高速通過，必須防止側(cè)滑和側(cè)翻，尤其是側(cè)翻。重心位置是影響側(cè)翻的最關(guān)鍵的因素，所以設(shè)計中應(yīng)盡量降低智能車的重心。3、前輪轉(zhuǎn)向盡量靈活,2.2轉(zhuǎn)向舵機的安裝,舵機響應(yīng)速度是整車過彎速度的一個瓶頸。為了加快車輪轉(zhuǎn)向速度，我們設(shè)計并安裝了舵機轉(zhuǎn)向機構(gòu)。在并非改變舵機本身結(jié)構(gòu)的條件下，改變了舵機的安裝位置，安裝更長的舵機輸出臂。采用杠桿原理，在舵機的輸出舵盤上安裝一個較長的輸出臂，將轉(zhuǎn)向傳動桿連接在輸出臂末端。這樣就可以在舵機輸出較小的轉(zhuǎn)角下，取得較大的前輪轉(zhuǎn)角，從而提高了整個車模轉(zhuǎn)向控制的速度2。如圖2-3所示，這種方法是通過機械方式，利用舵機的輸出轉(zhuǎn)距余量，將角度進(jìn)行放大，加快了舵機響應(yīng)速度。轉(zhuǎn)向舵機安裝情況如下圖：,2.3測速傳感器的安裝,本智能車采用光電編碼器作為測速傳感器，它能提供較高的精度并且通過一定的處理后可以識別正反轉(zhuǎn)。光電編碼器通過齒輪和后軸齒輪相連，檢測車輪轉(zhuǎn)速。,2.4差速機構(gòu)的調(diào)整,后輪差速機構(gòu)的作用是在車模轉(zhuǎn)彎的時候，減少后輪與地面之間的滑動，使轉(zhuǎn)向輕便。車輛在正常的過彎行駛時四個輪子的轉(zhuǎn)速皆不相同，順序為：外側(cè)前輪外側(cè)后輪內(nèi)側(cè)前輪內(nèi)側(cè)后輪。差速器的作用便是在起到傳動的同時允許該速度差的存在。調(diào)整原則是：差速器應(yīng)調(diào)的足夠的松，但是要保證在任何測試情況下都不會出現(xiàn)傳動力不夠的現(xiàn)象，而且為了保證測速的準(zhǔn)確性，不能出現(xiàn)兩個車輪同時都和后軸齒輪轉(zhuǎn)