全国光电设计大赛报告

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：指导老师：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41.1系统分析41.2系统框图4第二章 硬件电路结构与方案设计52.1 电源管理模块52.2 图像采集模块52.3 电机驱动模块52.4 速度检测模块62.5 舵机驱动模块62.6激光传感器模块7第三章 系统控制策略93.1 路径循迹93.1.1 采集思路93.1.2 路径识别处理103.1.3 舵机制动113.1.4 电机驱动123.2 树木计数123.3 测量隧道133.4 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检测停止激光检测图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/2A/B0时，r=3.14/2-|arctan(A/B)| A/B0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12ms，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580cm。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.20042 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.20033 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.20044 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.20015 宋家友. 电子技术速学快用M.福建.福建科学技术出版社.20046 马建伟，李银伢. 满意PID控制设计理论与方法M.科学出版社.20077 陈尔沼. 实用光电控制电路精选M.北京.电子工业出版社.1993