翼龙理论方案_光赛

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1、第四届全国光电设计竞赛理论方案报告编号：04-01-127参赛题目：基于光电导航的智能移动测量小车参赛队伍名称：翼龙队所在学校：西安工业大学队长姓名：王波队员姓名：许二亮刘金鹏指导老师：吕宏14一．参赛题目本参赛题目为：《基于光电导航的智能移动测量小车》。题目要求设计一辆具有光电导航功能的智能车，要求从线路的指定点出发，沿轨道上铺设的“8”字形导航条走完全程。在行走过程中，利用光电技术测量、记录沿途所通过的三段隧道各自的长度及沿途路边树木的总棵数。二．研究内容根据参赛题目要求，我们设计的基于光电导航的智能移动测量

2、小车主要包括以下研究内容：1.基于线性CCD图像采集与处理；2.激光传感器的原理及应用；3.编码器与定时器的原理及应用；4.智能小车模块整合；5智能小车车体结构改装三．研究方案3.1.总体控制方案基于光电导航的智能移动测量小车采用MC9S12XS128单片机作为核心控制单元，智能移动测量小车的控制方案如图1所示。图1MC9S12XS128单片机为核心的小车控制方案框图14小车以MC9S12X128单片机为主控核心，线性CCD负责采集信号，获取赛道的基本信息，对小车进行导航。激光传感器和计数器主要负责树木的测量，与

3、编码器协同工作测量隧道的长度。小车在行驶中，通过光电编码器来检测车速，并采用MC9S12XS128的输入捕捉功能进行脉冲计数计算小车的当前速度；以处理后的信号为依据控制PWM发生模块发出PWM波，通过输出不同占空比分别对转向舵机、直流电机进行控制，完成智能车的过弯，前进和制动。3.2.自主导航功能根据本次比赛所用的赛道的特征，选用性能更为出色的TSL1401CL线性CCD模块。线性CCD模块带有二值化电路和信号分离电路，能直接输出场中断信号（每20ms一次）和行中断（每64us一次），并二值化赛道信息。根据竞赛规

4、则，赛道颜色为深绿色，赛道中间贴有白色导航胶带，赛道内外边沿贴有黄色边界标志胶带。故CCD摄像头将对应的白绿黄三种不同的颜色转化为三种对应的信号，即，0对应白色，1对应绿色，2对应黄色。信号不需要额外的处理就可以直接输入到单片机中进行信号采集。在摄像头模块内部是由LM393比较器来对道路图像的颜色灰度值对应的电压值与一个比较电压进行比较，得到黑白对应的二值信号的。比较电压可以通过一个变阻器来调节，调到一个合适的电压能正确稳定的输出二值信号并能消除大部分干扰信号。3.3树木个数的计数因为树木的颜色为红色，所以我们采

5、用大功率的JG-IM-FS激光传感器测量树木的个数。JG-IM-FS激光传感器的感应方式为漫反射（非透明物）式，工作原理如下图所示：激光发射器发射的激光被树木反射之后，接受管接受到反射的激光，产生脉冲信号，并将信号传送给处理器处理。根据相关的算法，将至传送到计数器，记录树木的棵树。14激光传感器工作原理图当小车行驶到树木的一侧时，激光被反射回来，接收器件的光电特性发生改变，经信号处理电路处理后送入单片机内经单片机处理后记录下树木的棵树。3.4隧道长度的测量由于比赛的场地在室内，再加之隧道内壁已涂成黑色，使用大功率

6、的JG-IM-FS型号的激光传感器与500线的欧姆龙编码器作为对隧道的检测。当激光检测到隧道时，编码器开始工作，将车轮转动时产生的脉冲反馈给计数器，计数器将编码器的所有脉冲开始累加；当离开隧道时，激光开始工作，编码器关闭，将车轮累加的总脉冲数传给处理器，通过一定的算法进行计算，得出隧道的长度；同时为减少误差，在后轮前个安装一部编码器，最后对其脉冲只求平均值，得出隧道的最终长度。3.5驱动电路的设计电机的机械特性直接关系到赛车系统的驱动性能，通过以下两个模块进行必要的分析。⑴.舵机控制模块控制信号由接收机的通道进入

7、信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出，如图4所示。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为014，电机停止转动。(a)(b)图4输入信号脉冲宽度和舵机输出角度的关系图⑵.直流电机控制模块这里重点分析一下负载变化对电机转速的影响，降压回馈制动以及电压反接制动性能。电机开环机械特性曲线如图5所示。图5电机开环机械特性曲线从图

8、5可以看出，电机稳定运行时的阻转矩为Ta，转速为n1，若突然阻转矩增加到Td，转速经回馈制动后稳定在n2。若要赛车在不同负载下获得稳定的速度，开环调速系统是不能实现的，只能加上速度传感器来实现闭环调速。当降压减速时，电压突然降到零由于机械惯性，转速不能马上降为零，A点跳到B点，产生制动转矩Tb。对一般电机而言，绕线电阻都不大，特性曲线的斜率就很小，那么制动转矩Tb大于稳定