基于传动齿轮的智能模型车测速装置设计

基于传动齿轮的智能模型车测速装置设计/ - 1 -中国科技论文在线基于传动齿轮的智能模型车测速装置设计 刘伟，朱敏 长安大学汽车学院，西安（710064） E-mail: liuwei323kk1634 摘 要：设计了一种应用于“飞思卡尔”杯智能车比赛的测速装置。该测速装置巧妙的利用了光电传感器发射和采集光信号的特性，结合传动齿轮的物理特征，准确高效的采集信号，并将信号处理转化为计数脉冲，从而测得模型车速度。该测速装置的突出特点是计数精确，结构简单，安装方便，价格低廉。 关键词：传动齿轮；智能模型车；测速；飞思卡尔；光电传感器 中图分类号: TP302 0引言 全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车比赛已连续成功举办四届，是经全国高等教育司研究，委托教育部高等自动化专业教学指导分委员会主办的以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛。旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能1。比赛要求在组委会提供统一智能车竞赛车模、单片机 HCS12 开发板、开发软件 Code Warrior 和在线调试工具的基础上制作一个能够自主识别路线的智能车，它将在专门设计的跑道上自动识别道路行驶。 在模型车的设计中，速度测量和控制部件是整个模型车设计过程中的至关重要的组成部分之一，其设计的好坏直接影响比赛的成败。一般而言，现在的模型车测速主要采用编码器，但是采用编码器测速虽然准确，但其市场价格大约四五百元左右，价格比较贵。本文设计了一种直接利用传动齿轮的测速装置，该装置结构简单，价格低廉，测速精确，有利于推广使用。 1测速目的与要求 在智能模型车的设计过程中，速度测量和控制部件的设计质量直接决定着智能模型车的速度控制和整车的性能。通过对模型车速度的测量，将信号传输给单片机控制单元，达到对模型车实时速度的监测，为模型车在行进过程中速度变化控制提供准确信号。因此，结合该车的特点，对智能模型车速度测量部件有以下要求： （1）测量精度尽量高。模型车速度测量准确，对该车速度控制和速度调试起到非常重要的作用，不但可以减少控制时的误差，还可以缩小与设定期望值之间的差距。有利于提高对该车控制的准确性，从而提高整车性能。 （2）测速装置结构简单，体积小，安装方便。智能模型车测速装置一般安装在后驱动轴和驱动电机旁边，该处空间有限，因此必须要求测速装置结构简单，便于安装，所占空间小。 （3）测速装置成本低。模型车在制作过程中需要花费一定经费，因此在满足使用要求的条件下，测速装置制作成本尽量低，才能减少整车成本。 2测速信号采集工作原理 光电传感器测速原理如图 1 所示：光电传感器对准差速盘轮齿合适的位置，保证其发射到齿轮盘上的光能够反射回来接收到，当发射光透过轮齿间隙时没有反射信号。差速盘在驱/ - 2 -中国科技论文在线动电机带动下以不同速度转动，光电传感器根据发射和接受信号的变化情况输送给单片机控制单元从而测量运行速度的大小。 图 1 光电传感器测速原理图 光电传感器由一组发射管和一组接受管组成，如图 2 所示，其发射管和接受管并排在传感器的两侧。 发射管为一二极管，能够发射一定频率的光波，而且在一定的距离内，此光波可以部分或全部被界面反射，同时被另一侧的接受管接受并转化为电信号输出。光电传感器固定在模型车车身上，而差速器作旋转运动，光电传感器就通过发射和接受光波，输出一系列有规律的信号波形，此输出为正弦波信号2。 图 2 光电传感器结构 光电传感器输出正弦信号如图 3 所示，由于单片机只能辨别方波信号，因此需要设计比较器芯片将光电传感器输出的正弦信号和比较信号进行比较得出标准波形，如图 4 所示。从而通过对标准方波计数即可得到相应的行车速度。 / - 3 -中国科技论文在线 图 3 光电传感器输出信号 图 4 经过比较得出的标准波形 3测速装置结构说明 测速装置的结构如图 5 所示，其中 1 为模型车的底盘，底盘上设置有后轴 4，后轴两端设置有两个后轮 7。后轴 4 的右侧固定有差速器的大齿轮 6，电机 2 固定在车架上，通过电机输出轴上的小齿轮 3 与差速器大齿轮 6 相互啮合，用来带动后轴驱动模型车前进。5 为光电传感器。光电传感器等电子元件先布置在一小块电路板上，根据模型车车架的实际情况合理布置元件位置，将电路板合适位置和模型车相应位置打一通孔以便固定。固定过程中要特别注意保证光电传感器能够准确的对准差速盘合适的位置以保证能够接受正确的信号。 图 5 测速装置结构示意图 4测速装置电路设计 电路设计应该满足使用功能的情况下力求简单，元器件采购方便3。经过分析，光电传/ - 4 -中国科技论文在线感器选用 SPI-315，SPI-315 发射管在工作时需要串联一分压电阻，接受管在工作时候需要接一 10K 下拉电阻。选用 LM324 作为比较芯片。基本电路图如图 6 所示。SPI-315 的第 1 脚通过电阻 R1 连接 5V 电压，第 2 脚接地，第 3 脚直接接 5V 电压，第 4 脚经电阻 R2 接地。信号处理单元由比较器LM324和单片机组成。可调变阻器R3输出比较电压到比较器LM324的第 5 脚，光电传感器的第 4 脚连接比较器的第 6 脚，比较器的第 7 脚连接单片机，单片机接收计数脉冲，即可计算出模型车即时速度。 图 6 测速装置电路图 5部分程序 程序设计部分主要实现将测速装置所测结果输入给单片机，单片机通过对结果的分析实时对整车进行调整，以达到最优效果。以下是部分测速的程序： void ini_AD(void) ATD0CTL2=0xC0; ATD0CTL3=0x08; ATD0CTL4=0x82; ATD0CTL5=0xA0; ATD0DIEN=0x00; unsigned char cur_speed,old_pacn0; unsigned int cur_length; #pragma CODE_SEG _NEAR_SEG NON_BANKED void interrupt 16 INT_Timer0(void) unsigned char pacn0,pacn0_r; pacn0=PACN0; if(pacn0>=old_pacn0) pacn0_r=pacn0-old_pacn0; else pacn0_r=pacn0+256-old_pacn0; / - 5 -中国科技论文在线old_pacn0=pacn0; cur_speed=pacn0_r; cur_length+=cur_speed; TFLG2_TOF=1; 6结束语 本文针对“飞思卡尔”杯智能车比赛设计了一种简易的测速装置，该系统测速范围大，测量精确度高，有利于提高智能模型车的整体性能。纵览全文可知该测速装置结构简单，所需元器件通用性好，易于采购，价格低廉，该装置的突出特点是利用差速盘轮齿采集信号，轮齿结构稳定，使用寿命长。电路原理图简单，有易于实际应用。 参考文献 1 卓晴,黄开胜,邵贝贝.学做智能车挑战“飞思卡尔”杯M.北京：北京航空航天大学出版社,2007 2 韩毅,秦绪鑫,赵轩.基于反射式黑白码盘的模型车测速装置J.计算机工程与设计，20089,30(24):5793-5795 3 张瑾.Protel99SE 入门与提高M.北京:人民邮电出版社,2007. 4 孟立凡,蓝金辉.传感器原理与应用M.北京:电子工业出版社,2007. The design of the speed device of smart model car based on transmission gears Liu Wei, Zhu Min Automobile Institute of Changan University，Xian (710064) Abstract This paper designs application of ;Freescale; smart car cup race speed measurement equipment. The speed measurement equipment use of the characteristics of launch and gathering light signal of the photoelectric sensor skillfully and combined with the physical characteristics of gear. Gathers signal accurately and the signal processing for count pulse.Than measured the model vehicle speed. The prominent characteristics of the speed measurement equipment is counting accurately, simple structure, easy installation, low price. Key words: transmission gears; smart model car; speed measure; Freescale; photoelectric sensor