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智能电动模型车硬件模块设计

发布时间:2018-11-24 01:06:01 文章来源:未来智讯    
    智能电动模型车硬件模块设计作者:未知   摘 要:“恩智浦杯”智能汽车比赛是以智能汽车为研讨对象的创意性科技比赛,学生以汽车电子相关技能为基础,设计制作一辆智能电动模型车。本文介绍了一种摄像头智能车的硬件模块构架,从总体层面上提供设计思绪。
  关键词:智能车;硬件模块;设计思绪
  DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.036
  摄像头智能模型车是基于模拟和数字摄像头来感知赛道边界线,进而模型车自主规划运行路径来完成竞赛,是全国大学生智能汽车比赛赛车的一种。智能车的抑制分为两局部:直行和转向,直流电动机能够作为直行局部的执行机构,舵机能够作为转向局部的执行机构。车速的检测选取编码器实现,整个过程变成闭环抑制。整体构架为:电源模块、系统抑制板、编码器、摄像头模块、舵机模块、7.2v电源、电机模块、电机驱动模块。
  1 摄像头模块设计
  摄像头事务原理为:通过光学镜头对景物成像,投射到图像传感器表面,变成电信号,经过A/D转换后变为数字图像信号,抑制器再进行加工处理。图像传感器分为两类:CCD和CMOS,两者的差异之处为CCD选取连续扫描,惟有在最终一个像素扫描完成后才进行放大;而CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷放大为电信号的转换器。
  OV7620模块是CMOS彩色/黑白图像传感器,支持连续和隔行扫描两种方式,最高像素为664x492,帧速率为30fps;数据格式包括YUV,YCrCb、RGB三种,满足了智能车的图像采集系统要求。OV7620的电平兼容3.3v和5v。目前智能车选取的XS128和K60单片机事务电平为5v和3.3v,所以无需做电平匹配。对于学生制作的智能车不一定摄像头帧率越快越好,OV7620,其PCLK(像素停止)的周期是73ns,较容易被K60的I/O捕捉,相反,帧率越快的摄像头,其PLCK的周期会越小,不容易被K60I/O捕捉。OV7620有两组并行的数据口Y[7…0]和UV[7…0],输出的灰度信号是Y,色度信号是UV,对于全白的赛道背景,采集回来的数据是255,对于黑色赛道,采集回来的数据是0,这样就能很好的区别开赛道与背景。
  2 电机驱动电路设计
  一般的电机驱动电路由MCU+预驱动+MOSFET+闭环检测电路构成。具体可分为:预驱动芯片+外置MOSFET的方式,这种方案散热较好,另一种是预驱动和MOSFET集成在一同,这种类型所占空间小,内设保护电路。
  本方案选择BTS7960集成芯片,为原装进口英飞凌芯片。最大电流输出为43-70A,与单片机5v隔离,能有效保护单片机,电机驱动输出端电压可显示,能够焊接散热片,兼容BTS7960B、BTN7960B、BTS7970B。
  BTS7960的5v隔离芯片电压能够与单片机5v共用,驱动模块到单片机的4根线为(GND、5v、PWM1、PWM2),板子上预留4��小孔,可直接固定在智能车A车模和B车模尾部。
  3 舵机模块设计
  智能车实现良好的轨迹抑制,转向系统是关键一环,转向本能的好坏和转向抑制的精确对车速和行车稳定性影响很大。舵机主要由舵盘、变速齿轮组、位置反馈电位计、小型直流电机、抑制电路板组成。抑制电路板接收来自单片机的抑制信号,抑制电机转动,电机带动齿轮组转动,放慢后传递至输出舵盘。
  舵机输出为三条线:红色是供电线,黑色是接地线,还有一根是信号线。舵机的抑制信号是周期为20ms的脉宽调制(PWM)信号,其中脉宽从0.5到2.5ms,相对于舵盘的位置是0到180度,呈线性变化。当给舵机提供一定的脉宽,输出轴就会保持在一个相对应的角度上,当外界转矩发生变化时,输出角度依然不变。惟有当提供另外一种宽度的脉冲信号,他才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机是智能车转向系统的执行单元,由单片机给出PWM信号抑制舵机转角实现转向,而舵机又是外购件,所以按照对应的接口把舵机和单片机连接即可。
  4 编码器模块设计
  编码器(encoder)是把信号和数据进行编制,转换为可用于通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或者线位移转化为电信号,称为码盘或码尺。欧姆龙(OMRON)编码器是用来测量转速的装置,光电式旋转编码器通过光电转换,可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换为相应的电脉冲以数字量输出。
  编码器的中心轴有光电码盘,其上有环形通、暗的刻线,由光电发射和接收器件读取,得到四组正弦波,组成A、B、C、D,每个正弦波相差90度,将C、D信号反向,叠加在A、B两相上,可增强信号的稳定性;另外,每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考。
  蓝宇编码器的输出端有5根线:褐色线、黑色线、白色线、黄色线和蓝色线。其中,白色和黄色是B相和Z相,褐色、黑色和蓝色3根线与单片机相连,在单片机底板上“转速1”和“转速2”选择任意一个插接口即可。在摄像头智能车上仅用到3根线:褐色线(电源VCC)、黑色线(A相)和蓝色线(GND)。
  5 系统抑制板
  K60系列具有IEEE1588以太网,可全速和高速USB2.0ON-The-Go带设备充电探测,具有硬件加密和防窜改探测能力,以及丰富的模拟、通讯、定时和抑制外设。芯片使用多组电源引脚,分辨为内部电压调节器、I/O引脚驱动、A/D转换电路等电路供电,内部电压调节器为内核和振荡器等供电。系统板根据一定的算法,抑制舵机、电机和LCD显示,抑制各种参数的设置。
  智能车设计需要机械、电子、抑制、信号处理和汽车相关的综合方面的知识,学生通过完成此项目,能够对所学知识有系统的明白,并能通过实际操作掌握这些知识。
  参考文献:
  [1]刘允峰,韩建群.基于飞思卡尔S12单片机的智能车系统设计与实现[J].渤海大学学报(自然科学版),2015,36(04).
  [2]梁峻恺.基于飞思卡尔单片机的智能车设计分析[J].硅谷,2014,7(08).
  作者简介:冯帆(1989-),男,陕西西安人,讲师,硕士研讨生,研讨方向:汽车检测与维修技能。
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