全国光电设计大赛报告

-.z.第四届全国光电设计大赛理论方案报告编号：参赛题目：基于光电导航的智能移动测量小车参赛队伍名称：所在学校：队员：指导教师：提交方案时间：2014-7-12摘要本设计是基于STM32F103VET6处理器的具有循迹和计数测量的智能小车。循迹局部，选择了面阵CCD作为赛道图像的的采集，并对图像信息进展二值化处理，便于单片机进展图像处理；根据图像的处理情况，使用PID算法驱动电机和舵机矫正小车当前行驶状况，按照赛道的要求行驶；道路旁树数目的测量用到了激光反射传感器，通过激光打在数目上而反射回来的原理进展数目的测量；对隧道长度的测量用到了光电旋转编码器，把这个编码器加载到驱动轴上，由驱动轴的转动来带动编码器的转动从而测出小测的速度，在再用红外对射传感器来检测隧道的到来和离开，用单片机记录之间的时间，实现隧道长度的测量。关键词：STM32F103VET6、面阵CCD、光电旋转编码器、红外对射传感器、二值化、PID算法目录摘要2第一章系统硬件构造31.1系统分析31.2系统框图3第二章硬件电路构造与方案设计32.1电源管理模块32.2图像采集模块32.3电机驱动模块32.4速度检测模块32.5舵机驱动模块32.6激光传感器模块3第三章系统控制策略33.1路径循迹33.1.1采集思路33.1.2路径识别处理33.1.3舵机制动33.1.4电机驱动33.2树木计数33.3测量隧道33.4停车3参考文献3第一章系统硬件构造1.1系统分析整个系统要实现的功能是循迹和测量。要实现循迹功能就必须可以让小车检测到不同的路况，再根据不同的路况特征进展调整，实现循迹行驶，循迹用到了面阵CCD，通过CCD的对整个赛道图像进展采集，STM32单片机对图像进展处理，通过PID算法对小车的电机和舵机进展控制。测量局部，要实现对隧道长度的测量，必须要知道两个量，一个是进出隧道的时间，即时间量，在一个是，通过的速度，知道这两个量，就能确定出隧道的长度，这里我们用到例了红外对射传感器，来感应隧道的到来和离去，以此来记录小车通过隧道的时间，在用编码器来测小车通过的速度，这样就能计算出隧道的长度。在对道路旁树木的个数进展测量时，考虑到小车快速的从树木旁通过时，要有快速的判断和计数，所以对传感器的要求就很高，我们这里选择了激光传感器，通过激光的反射和承受来确定树木，这样做的好处是：一、激光有很好的方向性。二，激光的感应速度很快，敏感度高。其次是通过单片机的定时计数器来对树木的个数进展计数，最后显示在液晶屏上。最后就是通车问题，根据比赛要求小车要在指定的位置停下来，就要有一个感应装置对指定位置设置的目标进展探测，并执行停顿指令，在这里我们用到了红外反射传感器，对指定目标的进展障碍检测。1.2系统框图系统框图如图1所示：面阵面阵CCDSTM32处理器液晶显示距离和树木个数红外反射1测隧道编码器红外反射2检测停顿激光检测图1系统框图第二章硬件电路构造与方案设计2.1电源管理模块机车主电源由7.2V2000mA的NI-Cd电池提供，把这个电池直接接到电机驱动模块，为电机提供到电流，让模块上面的5V稳压源为单片机最小系统供电，同时用到了LM78O5芯片把电池的7.2V转换为电压为恒定5V，最大电流为1.5A的稳压源，来为舵机提供正常工作的电压。用到了一块LM1117芯片把5V电压转换为3.3V的电压源，来为补光灯提供电压。下列图为电源模块的示意图：图2电源模块电路图2.2图像采集模块由于道路信息状况不确定，红外传感器和普通的光耦器件不能识别道路信息，摒弃其作为循迹方案，改用反响更加灵敏功能更加强大的摄像头采集道信息，实现对小车高效精准的循迹导航。2.3电机驱动模块采用高电压，大电流的电压驱动芯片L298N，该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机。采用标准逻辑电平信号控制。原理如图2所示：图2电压驱动原理图2.4速度检测模块编码器可分为接触式和非接触式，可以用来测量转速。我们采用的是非接触式，用光敏元件作为接收敏感元件，通过光电转换，以透光和非透光分别表示二进制代码"1〞和"0〞，将角速度、角位移等物理信息转换为机器语言"1〞或"0〞输出用于通讯等功能。采用自制的速度传感器。光码盘固定在电机输出轴上及相应组合的对射光电器件，转一圈输出200个脉冲方波，加上相应硬件电路和软件控制可实现测速与测距。2.5舵机驱动模块舵机内部包括了一个小型直流马达；一组变速齿轮组；一个反响可调电位器；及一块电子控制板。其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速〔减速〕齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，舵机的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低。舵机的电机选用空心杯电动机，属于直流永磁、伺服微特电机，具有能量转换效率大，制动灵活，电磁干扰少等优点。该舵机是一个典型的闭环控制系统。原理如图3所示：图3舵机驱动原理图2.6激光传感器模块激光发射电路上采用74ls04驱动放大调制后的信号，该驱动动力强，光点能量大、亮度高，探测距离大大提高。其具有以下优点：灵敏度高，频率响应快，瞬变过程短，输出功率大。前瞻范围很大。适当的调整可以满足比赛要求。发射局部如图4，接收局部如图5：图4激光发射局部原理图图5激光接收局部原理图2.7光电开关模块在选择该模块时，我们考虑使用光敏电阻，光敏电阻属于光导型，光电导效应是非衡载流子的效应，存在一定的弛豫现象——光电导材料从光照开场到获得稳定的光电流需要一定的时间，同理，在光照停顿后，光电流也是停顿消失的。但是针对这次比赛，对隧道长度的测量，我们恰可利用光敏电阻的弛豫现象，在车速一定的情况下，相对于车速弛豫时间是非常短暂的，当小车进入隧道与出隧道都存在弛豫现象，因为是一个双向过程，我们可以认为出隧道与进隧道的弛豫时间相互抵消。矩形脉冲光照下光电导弛豫过程如图6所示：图6光电导弛豫图第三章系统控制策略3.1路径循迹3.1.1采集思路MOS摄像头输出图像时，从左到右，由上到下逐个输出。方法如图7所示:图7摄像头输出图像方法采集图像思路是：使用场中断，DMA传输。需要采集图像时开场中断；等待场中断来了，启动DMA传输；每个PLCK上升沿来了都出发DMA传输，把摄像头输出的值读取到内存数组里，当触发N〔N=图像像素数目〕次就停顿传输；DMA停顿传输时触发中断，关闭场中断，图像采集完成。或等待下一个场中断降临时关闭场中断，标记图像采集完毕。场中断时序图如图8所示:图8场中断时序图3.1.2路径识别处理本方案所采用摄像头输出的是二值化图像，一次传输8个像素。最高速为每秒30帧，并且微光灵敏度高。常用的路径识别算法有平均值法、最小二乘法等。我们主要考虑了两种算法,—最小二乘法和改良斜率算法。这里分别作简要介绍。路径处理通过检测中心线的位置实现，进展边缘处理。建立坐标如图9所示：图9最小二乘法坐标(z0,w0)为中心点，应用最小二乘法进展曲线拟合，得出中心线方程：Az+Bw+C=0转化到*y坐标，方程为A*-By+A(m-1)/2+B(n-1)/2+C=0其中m,n分别为所采集图像的行和列数。由此得出侧向偏差e和反向偏差re=〔m-1〕/2+B(n-1)/2a+C/2A/B>0时，r=3.14/2-|arctan(A/B)|A/B<0时，r=|arctan(A/B)|-3.14/2。通过这种方法来控制车辆的行驶路线，保持在偏差范围之内，车辆可以按预想行使，完成循迹目标。改良的斜率算法是针对最小二乘法导致的小车滞后问题。我们假设小车循迹控制算法执行周期是30ms，小车当前速度为2m/s，两次周期之间，则小车前进0.06m，小车位移将改变，于是智能车的控制存在滞后性。应在当前根底上将小车位置前移，使得赛车沿弯道内圈行驶，到达快速过弯的目的。图示为智能车偏离路径中心示意图。粗线为路径线，梯形中线为小车的中轴线。小车中轴线与循迹线的偏移线斜率为K=(a*d)/h+b*od为每场图像最远行白线的中心位置值与最近一行白线中心位置值差，o为小车此刻位置与循迹线的偏差。a、b均为待定调整系数。a越大，智能车转弯曲率越大。改良斜率算法示图如图10所示:3.1.3舵机制动在本方案中实现计算出中心线位置与PWM的二维映射表，智能车行驶时通过摄像头采集道路信息，结合侧向偏差e，对舵机进展pid控制。本设计采增量性控制算法。算法中不出现累积效应，防止了积分累积效应。算法如下示Un=Kp(en-en-1)+Kien+Kd(en-2en-1+en-2).框图如图11所示：图10改良斜率算法图11舵机控制算法实现对脉宽的调整，结合舵机自身所带的比例电位器形成一个闭环反响系统，调整前轮转角，实现灵活机动的弯道行驶。3.1.4电机驱动本方案采用的是高速数字式摄像头，电机直道全速前进，遇转弯时，根据舵机的二维映射表，调制脉宽实现减速。3.2树木计数计数通过传感器发出的光脉冲数量来实现，所以传感器在小车快速行驶过中能够检测到每根树木是关键。这里存在以下几个问题。一；光感器所发出的光必须能够打到树木〔铅笔〕上，同时光传播的距离不应过远，以免打到其他物体上，将其误判为铅笔，输出光脉冲，导致多检。二；触感器发出的光发散角不能过大即光斑应尽量小。假设铅笔直径0.5厘米，当小车经过铅笔时，由于铅笔距离过近，一束光覆盖了两只铅笔，导致漏检。三；假设小车通过检测区时，传感器输出的光脉冲持续时间很多，例如只有1~2ms，而系统计数的一个工作周期远大于2ms，这时便会产生一个问题，当第二根铅笔进入检测区时，系统上一个执行过程还没完，第二跟铅笔的信号已故去，但系统没来得及响应，导致漏检。针对以上问题我们决定采用激光传感器。其传播距离远，我们通过简单的数学计算，根据赛题要求，保证前瞻性足够好的前提下，调整传感器倾角，可解决问题一。由于激光发散角小即光斑斑点小，可解决问题二。再者，针对问题三，我们有两种解决方法；方法1：激光传感器频率响应快，瞬变过程短，STM-32处理速度快，方法2：我们还可以通过硬件电路将光脉冲展宽，但由于2操作比拟缀余，我们选择方