第四届全国光电设计大赛理论方案报告
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基于光电导航的智能移动测量小车
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。循迹部分，选择了面阵CCD作为赛道图像的的采集，并对图像信息进行二值化处理，便于单片机进行图像处理；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行数目的测量；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 系统硬件结构.................................................................................................. 4
1.1系统分析.......................................................................................................... 4 1.2系统框图.......................................................................................................... 4 第二章 硬件电路结构与方案设计.............................................................................. 5
2.1 电源管理模块................................................................................................. 5 2.2 图像采集模块................................................................................................. 6 2.3 电机驱动模块................................................................................................. 6 2.4 速度检测模块................................................................................................. 7 2.5 舵机驱动模块................................................................................................. 7 2.6激光传感器模块.............................................................................................. 8 第三章 系统控制策略.................................................................................................. 9
3.1 路径循迹....................................................................................................... 10
3.1.1 采集思路............................................................................................ 10 3.1.2 路径识别处理.................................................................................... 11 3.1.3 舵机制动............................................................................................ 12 3.1.4 电机驱动............................................................................................ 12 3.2 树木计数....................................................................................................... 13 3.3 测量隧道....................................................................................................... 13 3.4 停车............................................................................................................... 13 参考文献 ........................................................................................................... 14
第一章 系统硬件结构
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行调整，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行采集，STM32单片机对图像进行处理，通过PID算法对小车的电机和舵机进行控制。
测量部分，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行测量时，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，通过激光的反射和接受来确定树木，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行计数，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行探测，并执行停止指令，在这里我们用到了红外反射传感器，对指定目标的进行障碍检测。
1.2系统框图
系统框图如图1所示：
面阵CCD 编码器 液晶显示距离和树木个数 STM32处理器 红外反射1 测隧道 激光检测 红外反射2 检测停止 图1 系统框图
第二章 硬件电路结构与方案设计
2.1 电源管理模块
机车主电源由7.2V 2000mA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，改用反应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；一个反馈可调电位器；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。发射部分如图4，接收部分如图5：
图4 激光发射部分原理图
图5 激光接收部分原理图
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始到获得稳定的光电流需要一定的时间，同理，在光照停止后，光电流也是停止消失的。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）次就停止传输；DMA停止传输时触发中断，关闭场中断，图像采集完成。或等待下一个场中断来临时关闭场中断，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,—最小二乘法和改进斜率算法。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，进行边缘处理。建立坐标如图9所示：
图9 最小二乘法坐标
(z0,w0)为中心点，应用最小二乘法进行曲线拟合，得出中心线方程：Az+Bw+C=0 转化到xy坐标，方程为Ax-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/2 A/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。
改进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。应在当前基础上将小车位置前移，使得赛车沿弯道内圈行驶，达到快速过弯的目的。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*o d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。改进斜率算法示图如图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，对舵机进行pid控制。本设计采增 量性控制算法。算法中不出现累积效应，避免了积分累积效应 。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 改进斜率算法
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馈系统，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操作比较缀余，我们选择方法1。计数总体思路是，当遇到一个树木时便产生一个脉冲，将脉冲信号送入单片机中，进行液晶屏显示。
3.3 测量隧道
该任务依靠编码器和光电开关共同完成。光电开关探测是否以进入隧道， 对于隧道的测量，我们并非用编码器来测速，通过积分方法来测距。而采用的是更为直接的方法，我们发现车轮转一圈，编码器将输出一定的方波，这样我们只需软件上统计方波数，结合车轮周长，加之简单的数学运算，便可实现对隧道长度的精确测量。这样做的优点在于节省了单片机资源，提高了整个系统的运行速率。
3.4 停车
漫反射式红外光电开关，有效距离为5~80cm。通过调节电位器，控制有效
距离，当前方有物体时，发射红外线将被反射回来，将这一信息反馈给单片机，结合编码器反馈速度信息控制小车当前速度，实现实时停车。
4.总结
参考文献
[1] 邵贝贝. 嵌入式实时操作系统[LC / OS II（第二版）[M].北京.清华大学
出版社.2004
[2] 余永权. 单片机在控制系统中的应用（第一版）[M].北京.电子工业出版
社.2003
[3] 王晓明. 电动机的单片机控制[M].北京.北京航空航天大学出版社.2004 [4] 郭培源，付扬. 光电检测技术与应用（第二版）[M].北京.北京航空航天大
学出版社.2001
[5] 宋家友. 电子技术速学快用[M].福建.福建科学技术出版社.2004 [6] 马建伟，李银伢. 满意PID控制设计理论与方法[M].科学出版社.2007 [7] 陈尔沼. 实用光电控制电路精选[M].北京.电子工业出版社.1993
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