轻型巡游竞赛小车的硬件开发
本设计采用了MC9S12XS128单片机作为轻型巡游竞赛小车的核心控制器。通过线性CCD传感器对赛道信息进行采集并提取出赛车的行驶路径，利用电机的差速转动控制小车的行驶方向和速度，保证了小车沿着白色引导线行驶，不偏离跑道。又加入了光耦隔离，解决了电机高速转动造成电源电平不稳影响单片机正常工作的问题。主控板中的存储器芯片能够存储小车行驶过程中的重要数据，并在Nokia 5110液晶显示出来，通过独立按键还能对关键的参数进行更改，方便进行调试。红外传感器可以探测前方有无障碍物，这样小车能够完成循迹行驶、通过波浪板、跨越路障、爬上高架路。经过实践测试，轻型巡游竞赛小车能够快速适应竞赛规则下的场地，并通过路径识别，完成游历过程。 F000250
关键词：智能车 MC9S12XS128 CCD 光耦
This design uses a single chip as light MC9S12XS128 race car parade core controller. By linear CCD sensors collect information on the track and extract the travel path of the car, take advantage of the differential rotation of the motor driving direction and speed control of the car, ensuring a car traveling along the white guide line, without departing from the runway. Join the optocoupler isolation, solve the high-speed rotation of the power surge caused problems affect normal motor microcontroller. MPU memory chips capable of storing the car in the process of moving important data, and displayed in the Nokia 5110 LCD, but also on key parameters changed by separate buttons for easy debugging. Infrared sensors can detect the presence or absence of an obstacle in front, so the car can be completed across the barricades, through wave board, climb elevated road and other complex functions. After practice tests, light parade race car can quickly adapt to the venue under the competition rules, and the path through the identification process to complete the tour.
Key Words: smart car; MC9S12XS128; CCD; optocoupler
1.引言 查看完整请+Q:351916072获取
智能汽车是一个集环境感知、传感技术、模式识别、自动控制、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的综合系统，近年来以智能汽车为背景的比赛也活跃在各大高校的比赛中。轻型巡游竞赛小车就来源于中国机器人大赛中的“机器人旅游”竞赛。机器人竞赛实际上是一项高技术的对抗赛，参赛队需要利用各种技术，研究、设计并制作硬件出色、系统稳定的移动机器人，通过不断实践来获得更好的解决方案，逐步增加机器人多个方面的能力与智能，并且能够促进各个领域的发展，这也正是开展机器人竞赛的目的和魅力。
参加“机器人旅游”竞赛的机器人小车需要利用传感器检测路线信息，还需要一个控制中心指挥小车的运动，这个控制中心是由参赛队员向控制芯片中写入控制程序完成的，将传感器检测到的路线信息传送给控制中心进行处理，控制中心根据这些信息进行判断从而控制电机的转动速度和方向，使小车完成旅游竞赛。
在机器人小车的制作过程中，可能会用到电子、自动化、机械、传感器技术等多方面的知识，因此，必须学会从多个通道获取所需的知识，比如在互联网上搜集资料，去学校的图书馆查阅相关资料以及同学间相互交流探讨等，同时这也锻炼了我们面对问题、思考问题、解决问题的能力。因此，我们不仅学习到了有关机器人小车制作的相关知识，而且还提高了沟通能力和动手能力[1]。
1.1大赛的基本规则
旅游比赛的路线示意图如图1.1所示：
图1.1 旅游比赛的路线示意图
比赛共设置了10个竞赛项目，其中探险类竞赛项目和寻宝类竞赛项目各占5个，本设计主要针对的是探险类竞赛项目中的旅游竞赛。每一轮比赛中可以有两次机会，参赛选手可以利用第一次机会进行探路，然后进行自动路径优化，这样在第二次比赛时就可以大大缩短完成比赛的时间，获得更好的成绩。旅游的路线可能会在比赛开始前很短的时间内才会正式公布，当机器人放入到出发区时，可移动景点与路障的摆放数量与位置将随机确定，这使得旅游路线有了一定的不确定性，这充分地考验了机器人小车的应变能力。机器人从起点出发后，碰到计时传感器感应线时开始计时，返回起止区碰到计时传感器感应线时停止计时，如果机器人在出发后，没有能够回到起止区将立即停止比赛，此前的累计得分仍然有效。比赛场地中有白色引导线，如果机器人明显脱离白色引导线或者掉落桥下时，将会被停止本次比赛，此前的累计得分和计时均有效。机器人只有触碰到景点挡板，使景点指示灯亮，才可得到该景点的基本分。在每一轮比赛中，每位参赛选手会有2个成绩，取其中的最高分进行排名，每一轮比赛的成绩均不带入下一轮比赛[2]。通过比赛规则可以发现，快速性与稳定性才是参赛选手最需要琢磨的问题，机器人在的整个旅游过程中，始终要在快速性与稳定性中间求得平衡，否则，难以取得好的成绩。
1.2本次毕设的任务及要求
本次设计要求完成旅游机器人的实体设计，使之能够在探险类旅游竞赛中保持快速性和稳定性，要求如下：
（1）能够保持机器人小车在比赛过程中平稳行驶；
（2）能够识别道路中央的白色引导线，并能处理白色引导线十字交叉等复杂情况；
（3）能够探知道路中的挡板型景点、门和路障；
（4）能够完成循迹行驶、通过波浪板、跨越路障、爬上高架路等一系列复杂功能。
1.3方案论证与比较
根据中国机器人大赛“机器人旅游”竞赛规则，可以知道比赛场地大概为7m×10m，在场地表面铺有绿色地毯或地板。有23-26mm的白色引导线铺在比赛赛道的中心，用来引导机器人行驶，但是小车在通过特殊路段如通过门槛或减速板的时候可能没有白色引导线，这就需要小车保持直行就可以通过了。针对这样的比赛要求，选择合适的传感器检测道路信息，区分白色引导线和地毯就显得即为重要，针对以上分析，提出以下解决方案：方案一：采用CMOS图像传感器
CMOS图像传感器采用标准CMOS技术来生产,可将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上，但其图像质量与系统灵活性与CCD图像传感器相比相对较低[3]。采用CMOS图像传感器一般都是采集一幅图像，信息量很大，虽然能更客观的显示赛道的情况，但同时增加了对信息处理，中心线提取的难度，而且对单片机的处理速度、存储空间会有更高要求。
方案二：采用CCD图像传感器
CCD是电耦合器件的简称，采用MOS结构，是一个光敏像素元或像素的阵列[4]。它拥有较高的信噪比和较宽的动态范围，它的电荷转换效率也比较高，从芯片结构上对CCD进行分类，可以分为线阵CCD和面阵CCD，这里的线阵CCD用于获取线图像，即通常所说的线性CCD[5]。常用的线性CCD传感器每次只采集一行图像，大约128个点，释放了单片机的资源，降低了软件处理的难度，并能保证采集图像的质量。
综合比较上述各方案优缺点，包括灵活性、可靠性和可行性等，选用了方案二。
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1.引言 1
1.1大赛的基本规则 1
1.2本次毕设的任务及要求 2
1.3方案论证与比较 2
2.轻型巡游竞赛小车硬件设计 4
2.1系统模块组成 4
2.2单片机最小系统模块设计 4
2.3线性CCD传感器模块设计 5
2.4红外传感器模块设计 7
2.5电机光耦驱动模块设计 7
2.6电源模块设计 9
2.7 Nokia 5110液晶显示模块设计 10
2.8存储器M24C02BN6模块设计 11
2.9独立按键模块设计 12
2.10蜂鸣器模块设计 13
3.轻型巡游竞赛小车软件设计 14
3.1 软件设计综述 14
3.2白色引导线的采集 15
3.3白色引导线的提取 15
3.4电机控制 17
4. 成果展示 18
结语 23
参考文献 24
致 谢 25 查看完整请+Q:351916072获取
关键词：智能车 MC9S12XS128 CCD 光耦
This design uses a single chip as light MC9S12XS128 race car parade core controller. By linear CCD sensors collect information on the track and extract the travel path of the car, take advantage of the differential rotation of the motor driving direction and speed control of the car, ensuring a car traveling along the white guide line, without departing from the runway. Join the optocoupler isolation, solve the high-speed rotation of the power surge caused problems affect normal motor microcontroller. MPU memory chips capable of storing the car in the process of moving important data, and displayed in the Nokia 5110 LCD, but also on key parameters changed by separate buttons for easy debugging. Infrared sensors can detect the presence or absence of an obstacle in front, so the car can be completed across the barricades, through wave board, climb elevated road and other complex functions. After practice tests, light parade race car can quickly adapt to the venue under the competition rules, and the path through the identification process to complete the tour.
Key Words: smart car; MC9S12XS128; CCD; optocoupler
1.引言 查看完整请+Q:351916072获取
智能汽车是一个集环境感知、传感技术、模式识别、自动控制、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的综合系统，近年来以智能汽车为背景的比赛也活跃在各大高校的比赛中。轻型巡游竞赛小车就来源于中国机器人大赛中的“机器人旅游”竞赛。机器人竞赛实际上是一项高技术的对抗赛，参赛队需要利用各种技术，研究、设计并制作硬件出色、系统稳定的移动机器人，通过不断实践来获得更好的解决方案，逐步增加机器人多个方面的能力与智能，并且能够促进各个领域的发展，这也正是开展机器人竞赛的目的和魅力。
参加“机器人旅游”竞赛的机器人小车需要利用传感器检测路线信息，还需要一个控制中心指挥小车的运动，这个控制中心是由参赛队员向控制芯片中写入控制程序完成的，将传感器检测到的路线信息传送给控制中心进行处理，控制中心根据这些信息进行判断从而控制电机的转动速度和方向，使小车完成旅游竞赛。
在机器人小车的制作过程中，可能会用到电子、自动化、机械、传感器技术等多方面的知识，因此，必须学会从多个通道获取所需的知识，比如在互联网上搜集资料，去学校的图书馆查阅相关资料以及同学间相互交流探讨等，同时这也锻炼了我们面对问题、思考问题、解决问题的能力。因此，我们不仅学习到了有关机器人小车制作的相关知识，而且还提高了沟通能力和动手能力[1]。
1.1大赛的基本规则
旅游比赛的路线示意图如图1.1所示：
图1.1 旅游比赛的路线示意图
比赛共设置了10个竞赛项目，其中探险类竞赛项目和寻宝类竞赛项目各占5个，本设计主要针对的是探险类竞赛项目中的旅游竞赛。每一轮比赛中可以有两次机会，参赛选手可以利用第一次机会进行探路，然后进行自动路径优化，这样在第二次比赛时就可以大大缩短完成比赛的时间，获得更好的成绩。旅游的路线可能会在比赛开始前很短的时间内才会正式公布，当机器人放入到出发区时，可移动景点与路障的摆放数量与位置将随机确定，这使得旅游路线有了一定的不确定性，这充分地考验了机器人小车的应变能力。机器人从起点出发后，碰到计时传感器感应线时开始计时，返回起止区碰到计时传感器感应线时停止计时，如果机器人在出发后，没有能够回到起止区将立即停止比赛，此前的累计得分仍然有效。比赛场地中有白色引导线，如果机器人明显脱离白色引导线或者掉落桥下时，将会被停止本次比赛，此前的累计得分和计时均有效。机器人只有触碰到景点挡板，使景点指示灯亮，才可得到该景点的基本分。在每一轮比赛中，每位参赛选手会有2个成绩，取其中的最高分进行排名，每一轮比赛的成绩均不带入下一轮比赛[2]。通过比赛规则可以发现，快速性与稳定性才是参赛选手最需要琢磨的问题，机器人在的整个旅游过程中，始终要在快速性与稳定性中间求得平衡，否则，难以取得好的成绩。
1.2本次毕设的任务及要求
本次设计要求完成旅游机器人的实体设计，使之能够在探险类旅游竞赛中保持快速性和稳定性，要求如下：
（1）能够保持机器人小车在比赛过程中平稳行驶；
（2）能够识别道路中央的白色引导线，并能处理白色引导线十字交叉等复杂情况；
（3）能够探知道路中的挡板型景点、门和路障；
（4）能够完成循迹行驶、通过波浪板、跨越路障、爬上高架路等一系列复杂功能。
1.3方案论证与比较
根据中国机器人大赛“机器人旅游”竞赛规则，可以知道比赛场地大概为7m×10m，在场地表面铺有绿色地毯或地板。有23-26mm的白色引导线铺在比赛赛道的中心，用来引导机器人行驶，但是小车在通过特殊路段如通过门槛或减速板的时候可能没有白色引导线，这就需要小车保持直行就可以通过了。针对这样的比赛要求，选择合适的传感器检测道路信息，区分白色引导线和地毯就显得即为重要，针对以上分析，提出以下解决方案：方案一：采用CMOS图像传感器
CMOS图像传感器采用标准CMOS技术来生产,可将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上，但其图像质量与系统灵活性与CCD图像传感器相比相对较低[3]。采用CMOS图像传感器一般都是采集一幅图像，信息量很大，虽然能更客观的显示赛道的情况，但同时增加了对信息处理，中心线提取的难度，而且对单片机的处理速度、存储空间会有更高要求。
方案二：采用CCD图像传感器
CCD是电耦合器件的简称，采用MOS结构，是一个光敏像素元或像素的阵列[4]。它拥有较高的信噪比和较宽的动态范围，它的电荷转换效率也比较高，从芯片结构上对CCD进行分类，可以分为线阵CCD和面阵CCD，这里的线阵CCD用于获取线图像，即通常所说的线性CCD[5]。常用的线性CCD传感器每次只采集一行图像，大约128个点，释放了单片机的资源，降低了软件处理的难度，并能保证采集图像的质量。
综合比较上述各方案优缺点，包括灵活性、可靠性和可行性等，选用了方案二。
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1.引言 1
1.1大赛的基本规则 1
1.2本次毕设的任务及要求 2
1.3方案论证与比较 2
2.轻型巡游竞赛小车硬件设计 4
2.1系统模块组成 4
2.2单片机最小系统模块设计 4
2.3线性CCD传感器模块设计 5
2.4红外传感器模块设计 7
2.5电机光耦驱动模块设计 7
2.6电源模块设计 9
2.7 Nokia 5110液晶显示模块设计 10
2.8存储器M24C02BN6模块设计 11
2.9独立按键模块设计 12
2.10蜂鸣器模块设计 13
3.轻型巡游竞赛小车软件设计 14
3.1 软件设计综述 14
3.2白色引导线的采集 15
3.3白色引导线的提取 15
3.4电机控制 17
4. 成果展示 18
结语 23
参考文献 24
致 谢 25 查看完整请+Q:351916072获取
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