智能汽車光電組硬件與機(jī)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(jī)主激光板電池電機(jī)驅(qū)動板測速編碼器主控板搖頭舵機(jī)透鏡內(nèi)容支配一、光電車硬件設(shè)計電源管理模塊單片機(jī)核心掌握器電機(jī)驅(qū)動模塊光電傳感器模塊舵機(jī)掌握模塊速度檢測模塊人機(jī)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，采納簡潔牢靠的電路，選用性能優(yōu)秀而且性價比好的芯片，設(shè)計穩(wěn)定牢靠兼容性好的電路板。

硬件設(shè)計主流方案：采納飛思卡爾16位XS128或32位微掌握器MK60DN512作主控芯片。選用5mw—100mw激光作為路經(jīng)檢測傳感器，微掌握器通過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(jī)轉(zhuǎn)角和電機(jī)轉(zhuǎn)速。通過人機(jī)接口可以便利的設(shè)置智能車運(yùn)行的參數(shù)，并獲得智能車運(yùn)行狀況。1.2單片機(jī)核心掌握器依據(jù)大賽組委會的規(guī)定，車模掌握電路只能采納飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位或32位MCU作為唯一微掌握器。常用的MCU有:16位S12XS128、32位MK60DN512等。

核心掌握器可以選擇購買設(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納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電源管理模塊電池7.2V-8.5V電機(jī)驅(qū)動6V穩(wěn)壓5V穩(wěn)壓5.5V穩(wěn)壓電機(jī)搖頭舵機(jī)激光傳感器轉(zhuǎn)向舵機(jī)3.3穩(wěn)壓MCU常用電源模塊電壓安排圖：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)簡潔，響應(yīng)速度快，牢靠性較高，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掌握和調(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。

紅外對管由紅外線放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(diǎn)，漸漸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放射和接收兩部分。放射部分采納5mw—100mw功率的激光二極管，接收部分采納接收光線頻率為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放射管放射肯定頻率的紅外線，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汲取了，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(qiáng)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放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，同時放射時激光傳感器會相互干擾。解決的方法是采納分時點(diǎn)亮，使用74LS138或154作為分時掌握器，由掌握器的3個IO口來掌握激光傳感器的開斷，同一時間掌握每組相鄰最遠(yuǎn)的傳感器發(fā)光，這樣就可避開接收管接收到相鄰傳感器放射的激光了。

簡略實現(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(jī)驅(qū)動模塊直流驅(qū)動電機(jī)掌握電路主要用來掌握直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動速度。

轉(zhuǎn)變直流電動機(jī)兩端的電壓可以掌握電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向；而掌握直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，則有不同的方案，較常規(guī)的方法是采納PWM（脈沖寬度調(diào)制）掌握。驅(qū)動電路既可以直接采納MC33886電機(jī)驅(qū)動芯片，也可以采納大功率MOS管來自行設(shè)計電機(jī)驅(qū)動電路。MC33886使用簡潔便利、功能強(qiáng)大。但其不足在于最大電流只能達(dá)到5A，即使采納多片并聯(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(jī)驅(qū)動，橋電路采納門電路掌握，使得電機(jī)驅(qū)動使用更加便利、平安。1.5電機(jī)驅(qū)動模塊

電路得名于“H橋驅(qū)動電路”是由于它的外形酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠。1.5電機(jī)驅(qū)動模塊

要使電機(jī)運(yùn)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(jī)，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(jī)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(jī)，從而驅(qū)動電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時針方向）。1.5電機(jī)驅(qū)動模塊

驅(qū)動電機(jī)時，保證H橋上兩個同側(cè)的三極管不會同時導(dǎo)通格外重要。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?；谏鲜鼍売?，在實際驅(qū)動電路中通常要用硬件電路便利地掌握三極管的開關(guān)。

1.5電機(jī)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，用這一個信號就能掌握整個電路的開關(guān)。而2個非門通過供應(yīng)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(jī)驅(qū)動模塊簡潔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(yùn)行，除了掌握前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)以外，還需要掌握車速。通過對速度的檢測，可以對車模速度進(jìn)行閉環(huán)反饋掌握。1.6速度檢測模塊車速檢測一般是通過檢測驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的。競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。

我們采納的就是光電編碼器。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，脈沖光照耀在光電元件上就產(chǎn)生與之對應(yīng)的電脈沖信號。1.7舵機(jī)掌握模塊舵機(jī)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(jī)和掌握電路組成的。通過內(nèi)部的位置反饋，使它的舵盤輸出轉(zhuǎn)角正比于給定的掌握信號，因此對于它的掌握可以使用開環(huán)掌握方式。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(jī)械設(shè)計2.1光電車機(jī)械設(shè)計概述

隨著智能車的速度不斷提升，智能車的機(jī)械結(jié)構(gòu)越來越被重視，智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)的好壞對車的速度有著很大的影響。

機(jī)械設(shè)計應(yīng)遵從的三個基本點(diǎn)：1、車體重量盡量輕：在驅(qū)動力肯定的情況下，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)向盡量靈敏2.2轉(zhuǎn)向舵機(jī)的安裝

舵機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。在并非轉(zhuǎn)變舵機(jī)本身結(jié)構(gòu)的條件下，轉(zhuǎn)變了舵機(jī)的安裝位置，安裝更長的舵機(jī)輸出臂。采納杠桿原理，在舵機(jī)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(jī)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)向掌握的速度[2]。如圖2-3所示，這種方法是通過機(jī)械方式，利用舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距余量，將角度進(jìn)行放大，加快了舵機(jī)響應(yīng)速度。

轉(zhuǎn)向舵機(jī)安裝情況如下圖：2.3測速傳感器的安裝

本智能車采納光電編碼器作為測速傳感器，它能供應(yīng)較高的精度并且通過肯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(jī)構(gòu)的調(diào)整

后輪差速機(jī)構(gòu)的作用是在車模轉(zhuǎn)彎的時候，削減后輪與地面之間的滑動，使轉(zhuǎn)向輕松。車輛在正常的過彎行駛時四個輪子的轉(zhuǎn)速皆不相同，挨次為：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消滅傳動力不夠的現(xiàn)象，而且為了保證測速的精準(zhǔn)性，不能消滅兩個車輪同時都和后軸齒輪轉(zhuǎn)向相反的情況。2.5傳感器的安裝三、注意事項及答疑硬件