智能车光电组硬件与机械设计专题

智能汽车光电组硬件与机械设计专题主讲人：卢红海2012年9月4号前排激光板光电车整体构造图前排接收管转向舵机主激光板电池电机驱动板测速编码器主控板摇头舵机透镜内容安排1光电车硬件设计2光电车机械设计3注意事项及答疑一、光电车硬件设计电源管理模块单片机核心控制器电机驱动模块光电传感器模块舵机控制模块速度检测模块人机交互模块1.1硬件设计总体方案

硬件电路是智能车的基础，只有完成了稳定科学的硬件电路，才能在这个基础上进行软件算法的设计，做出优秀的智能车。

智能车硬件设计原则：尽量精减，采用简单可靠的电路，选用性能优秀而且性价比好的芯片，设计稳定可靠兼容性好的电路板。

硬件设计主流方案：采用飞思卡尔16位XS128或32位微控制器MK60DN512作主控芯片。选用5mw—100mw激光作为路经检测传感器，微控制器通过I/O口获得激光传感器采集的赛道信息，经过处理后给出舵机转角和电机转速。通过人机接口可以方便的设置智能车运行的参数，并获得智能车运行状况。1.2单片机核心控制器按照大赛组委会的规定，车模控制电路只能采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位或32位MCU作为唯一微控制器。常用的MCU有:16位S12XS128、32位MK60DN512等。

核心控制器可以选择购买设计良好的最小系统板，也可以自己设计包括滤波电路、复位电路和BDM下载端口等。1.3电源管理模块智能车采用7.2V2000mAh镍镉蓄电池供电，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，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。

稳压芯片的选取原则：压差不能太大，电压要稳定，电流要足够，价格要适中。常用芯片有LM2940、LM2941、TL1963A等。1.3电源管理模块电池7.2V-8.5V电机驱动6V稳压5V稳压5.5V稳压电机摇头舵机激光传感器转向舵机3.3稳压MCU常用电源模块电压分配图：1.4光电传感器模块光电传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。

光电传感器工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化，从而实现非电量的测量。

光电传感器的核心（敏感元件）是光电器件，光电器件的基础是光电效应。光电传感器的结构简单，响应速度快，可靠性较高，能实现参数的非接触测量，因此广泛地应用于各种工业自动化仪表中。1.恳4光电孝传感剂器模妥块光电凭式传法感器触由光庸路及久电路挎两大撒部分造组成项，光王路部粗分实混现被锋测量迎信号逼对光佣量的窃控制钩和调疑制，叨电路勇部分覆完成向从光室信号撤到电围信号箱的转膊换。常用来的光侧电传鲜感器他有：蛋红外策对管插和激伪光二滔极管乖。红外年对管咐由红血外线努发射皂管和店光敏匪接收涌管集坟合在事一起戴构成席。由某于红筛外对捷管测致量距疏离有锹限，贡精度址不高赖等缺浅点，膀慢慢慌退出礼了光咸电车刊的舞结台。1.催4光电抽传感裳器模眯块激光妻传感哲器模维块分说为发呜射和旨接收幅两部靠分。皇发射伴部分血采用5m逆w—肉10天0m督w功率奖的激稼光二纪极管大，接笼收部漠分采航用接斜收光太线频罢率为18纤0K凤HZ的接晚收管各。1.雨4光电怜传感坚器模先块激光佛传感恭器检朱测路窄面信唱息的碗原理烟是由练发射胁管发颂射一律定频佛率的背红外井线，宾经地丑面反疼射到笼接收眠管。往由于贩黑色镜和白罚色的冤反射喊系数欣不同走，在总黑色严上大滩部分绘光线随被吸甲收了牵，而像在白吃色上咸大部骗分光毕线被熊反射烂回来晚了，闯所以厨接收扔到的虽光线贷强度崖是不悬一样多的，穴进而蛛导致欢接收暴管特波性曲没线变印化程哪度不槐同，茅从外流部观圾测可欢近似罚认为去接收混管两灯端的寸输出在电阻将不同监，经厨过分壶压后浮电压絮就不涨一样掌了，梳这样哭就也拐可以罪把黑追白路艇面识忆别出跑来了隐。1.忠4光电回传感雁器模寒块激光沉发射塞电路激光见接收横电路1.著4光电型传感再器模拌块由于跪激光乡丰二极遥管数炕量较侄多，凶同时论发射未时激祖光传屑感器恢会相恐互干槽扰。晃解决顺的办播法是蜘采用奔分时单点亮您，使群用74桌LS汇13瓣8或15妹4作为催分时倍控制至器，话由控畏制器寒的3个IO口来削控制序激光训传感梢器的泉开断删，同透一时迟间控浅制每凭组相示邻最支远的轻传感成器发屯光，便这样躬就可情避免发接收奥管接锈收到粱相邻毫传感开器发掉射的佳激光芳了。具体伐实现蔬过程冶，将拢在下弯午光永电组马智能兰车软钳件设叨计专刃题中赤讲解博。1.汉5电机吨驱动咱模块直流虚驱动范电机目控制把电路询主要晒用来潜控制略直流帆电动衣机的践转动奏方向另和转颗动速本度。改变陆直流猜电动型机两优端的师电压喘可以豪控制预电动圆机的胀转动填方向雀；而适控制那直流浅电动工机的班转速朱，则雄有不脉同的请方案屈，较椅常规秧的方姨法是骂采用PW释M（脉挤冲宽廊度调血制）欣控制典。驱要动电折路既雾可以屡直接定采用MC影33蠢88稼6电机读驱动都芯片壳，也疑可以互采用帜大功跟率MO劳S管来惹自行妈设计祖电机挑驱动通电路凝。MC坝33弯88由6使用尝简单联方便格、功绢能强辰大。偷但其溪不足爱在于街最大绸电流傲只能冰达到5A，即谊使采警用多捞片并家联，滩其压别降还观是比假较大股，不夫利于废智能或车加殖速和吓制动即性能婶的提正升；由功全率MO员SF絮ET管搭都建H桥电邀路作超为电腿机驱垮动，些桥电蓝路采摆用门羞电路包控制葬，使盈得电取机驱携动使帝用更穿加方妖便、累安全页。1.暑5电机蓬驱动示模块电路砌得名沫于“H桥驱朵动电水路”是因绍为它咐的形诊状酷监似字戴母H。4个三蹲极管肺组成H的4条垂纠直腿零，而惰电机南就是H中的膊横杠。1.精5电机秩驱动毫模块要使芹电机脱运转沟，必毛须使笔对角效线上臭的一辣对三狭极管滨导通渔。如作图所斯示，订当Q1管和Q4管导章通时伪，电委流就夕从电狐源正篇极经Q1从左杨至右晒穿过职电机粱，然问后再域经Q4回到连电源询负极秆。按冠图中母电流英箭头懒所示咽，该改流向序的电劈燕流将探驱动膜电机插顺时抵针转钢动。辜当三宏极管Q1和Q4导通抢时，伴电流载将从清左至握右流带过电垫机，挪从而苦驱动据电机企按特臂定方泼向转六动（橡电机吐周围欲的箭识头指冲示为镰顺时躬针方穴向）栏。1.皮5电机冈驱动蚀模块驱动腔电机锻时，雹保证H桥上萄两个英同侧秃的三愤极管劝不会拳同时私导通忍非常化重要壳。如逃果三爸极管Q1和Q2同时源导通绵，那鸣么电慈流就标会从伪正极自穿过撤两个秆三极堂管直杰接回别到负怪极。吸此时蒙，电帮路中闲除了葡三极困管外痛没有缘瑞其他灿任何摊负载夸，因垄此电瓣路上桶的电阅流就扰可能灰达到吐最大惰值（寒该电无流仅违受电抄源性希能限殃制）元，甚意至烧欠坏三录极管摸。基惩于上只述原饮因，饶在实敲际驱跌动电辽路中煎通常遥要用担硬件揪电路介方便笋地控福制三芽极管院的开树关。1.皆5电机寺驱动姻模块如图所稍示就筑是基亦于这漫种考分虑的断改进赖电路凭，它印在基晚本H桥电墓路的描基础海上增扫加了4个与匪门和2个非软门。4个与摔门同锻一个“使能”导通隔信号可相接纽奉，这柔样，亿用这赢一个敬信号驼就能赚控制婚整个龟电路构的开出关。遗而2个非胸门通法过提竟供一雪种方虽向输证人，泄可以田保证键任何笋时候俱在H桥的宾同侧躬腿上击都只户有一甩个三茂极管际能导鼻通。1.史5电机盟驱动宿模块简单H桥电么路1.滥6速度膏检测严模块为了嚷使模亚型车首能够袍平稳区地沿债着赛腰道运凤行，兵除了晓控制堆前轮亏转向雷舵机摊以外酸，还废需要续控制芹车速掩。通已过对漠速度计的检帝测，盆可以痒对车当模速割度进低行闭目环反那馈控桑制。1.头6速度省检测查模块车速驰检测欲一般怨是通帝过检沾测驱梢动电秩机转眼速来选实现阳的。患比赛马中所愿使用贩的常宽见测终速方互法有柿霍尔敲传感珠器和崇光电陡式脉趴冲编薯码器崭。我们课采用桌的就的是光详电编撕码器郊。1.存6速度联检测为模块光电雾式脉阁冲编邪码器摇原理悲：如遮下图史，在水发光煮元件吓和光锄电接门收元母件中能间，洋有一夫个直启接装性在旋艰转轴兄上的乒具有述相当圣数量判的透扬光扇卫形区染的编低码盘眉，在慢光源仆经光渴学系是统形质成一消束平氧行光持投在花透光贡和不档透光材区的斥码盘万上时缠，转晴动码伸盘，课在码武盘的揉另一竞侧就派形成址光脉煤冲，救脉冲英光照测射在注光电塌元件凑上就期产生闸与之御对应罚的电尊脉冲汉信号颠。1.矮7舵机及控制上模块舵机秀本身兔是一炊个位智置随仆动系赌统。盛它是做由舵亿盘、串减速爽齿轮脚组、咳位置面反馈网电位富计、暮直流激电机脸和控棋制电撞路组情成的烫。通季过内降部的泼位置雷反馈蛾，使羽它的汤舵盘窃输出急转角确正比乌于给怠定的竿控制送信号遵，因罪此对寻于它亮的控嫌制可土以使弹用开侨环控妙制方希式。功在负衰载力礼矩小担于其河最大底输出床力矩蜜的情食况下凑，它日的输肤出转脂角正辣比于御给定度的脉循冲宽睁度。二、俗光电湖车机秀械设信计2.脉1光电挡车机针械设设计概霜述随着荡智能堵车的事速度岩不断著提升策，智喘能车画的机妄械结述构越种来越金被重剥视，孔智能飘车机主械结嫩构的声好坏稍对车殊的速座度有铸着很缘瑞大的裁影响惊。机械书设计盖应遵炮从的夕三个否基本古点：1、车厕体重添量尽沙量轻已：在驱跑动力棉一定扮的情雀况下残，尽孕量减邻轻车犬体的醒重量屠会提谋高赛找车的严加减浴速性讲能。2、重洁心应帽该尽管量低坚：要使乱得智刻能车漫能在腰弯道大上高们速通委过，鸽必须依防止乓侧滑默和侧纱翻，惊尤其役是侧盏翻。陈重心衣位置帝是影孤响侧畅翻的酒最关驻键的俘因素紧，所避以设贷计中唯应尽便量降冶低智淹能车谣的重宾心。3、前粉轮转六向尽咽量灵惜活2.芒2转向鬼舵机薯的安农装舵机响响应袖速度虾是整眨车过眉弯速留度的筐一个阶瓶颈杜。为都了加宿快车哀轮转亿向速乓度，蜘我们员设计避并安剖装了灿舵机命转向橡机构讽。在勒并非持改变勾舵机及本身僻结构灭的条晴件下麦，改进变了妄舵机闭的安奥装位学置，傻安装扎更长俘的舵唐机输使出臂稼。采转用杠百杆原洒理，暂在舵洪机的接输出戚舵盘半上安斧装一端个较遵长的办输出搅臂，赖将转完向传赞动杆片连接肃在输宣出臂谁末端着。这炊样就木可以物在舵捐机输析出较宅小的剪转角见下，劫取得峡较大工的前摧轮转该角，圆从而允提高件了整料个车亲模转垃向控返制的薪速度[2献]。如得图2-眼3所示箭，这枣种方揪法是形通过气机械酱方式乐，利值用舵条机的拿输出唤转距选余量巡寿，将原角度声进行衫放大齐，加宋快了狗舵机悉响应债速度摔。转向横舵机份安装凡情况品如下妈图：2.延3测速修传感电器的膊安装本智树能车烟采用魄光电秃编码亲器作体为测姻速传富感器躲，它尊能提宿供较竞高的接精度抓并且厨通过挡一定苦的处京理后李可以容识别鸡正反寒转。将光电长编码牛器通屈过齿谨轮和午后轴奋齿轮税相连冠，检悦测车烧轮转聋速。2.牙4差速量机构来的调具整后轮细差速缘瑞机构蚀的作抵用是课在车霜模转赛弯的望时候它，减驴少后巨轮与视地面毫之间熔的滑遣动，弃使转风向轻粒便。孩车辆罢在正芬常的净过