智能车基础

智能车基础 智能车介绍 智能车组成 电机驱动 红外测距 相关技术*智能车概念 智能车辆是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。 智能车是以汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的汽车模型。**摄像头**智能车的组成 车体 电机 微处理器 测距模块 测速模块 通信模块 循迹模块 ……* 车体： 玩具车改造 购买车模 自己制作； 四轮 三轮车* 电机：是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置* 1.按驱动方式可分为直流电机和步进电机。。 直流电动机是依靠直流工作电压运行的电动机，广泛应用于执行元件、录像机、电动剃须刀、电吹风、电子、玩具等。 直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速，较大的力矩。*直流电机结构直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由主磁极、换向极、轴承和电刷等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器等组成。 步进电机   步进电机是以步阶方式分段移动，直流电机和无刷直流电机通常采用连续移动的控制方式。 步进电机采用直接控制方式，它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗的说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（步进角）*步进电机的控制方式 根据步进电机的驱动原理，可以通过控制一个周期内脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。 可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机系统多半以“开环方式”进行操作。 直流电机则是以电机电压为控制变量，以位置或速度为命令变量。直流电机需要反馈控制系统，他会以间接方式控制电机位置。 PWM是通过控制固定电压的直流电源开关占空比，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整。 电压越大，电机转速越大。*直流电机控制 PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。 在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。定时器A典型应用——实现PWM（3/5）◆如果PWM信号占空比随时间变化，那么经过滤波之后的输出信号就是幅度变化的模拟信号，因此通过控制PWM信号的占空比，就可以产生不同的模拟信号，实现D/A转换。如下图所示：◆PWM不需要修改占空比和时间时，CPU在做完Timer_A初始化工作之后，Timer_A就能自动输出PWM，而不需利用中断维持PWM输出，此时CPU就可以进入低功耗状态。 在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。 设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t／T，则电机的平均速度为Vd=Vmax×D式中，Vd电机的平均速度；Vmax电机全通电时的速度(最大)；D=t1／T占空比。当我们改变占空比D=t1／T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。在一般应用中，可以将平均速度Vd与占空比D近似地看成线性关系。**速度传感器 原理 将车轮转动转化为电脉冲信号 根据单位时间内脉冲数推算车轮转速，从而获得车速 类型 霍尔传感器 编码盘 光电编码器*霍尔传感器 霍尔效应：当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。 接口：安装在车轮上的永磁铁经过霍尔元件集成的开关，触发脉冲。使用两个开关可判断车轮转向。*编码盘 原理：在码盘两边分别安装光源及光电元件。当码盘随被测物体的工作轴转动时，每转过一个缝隙，光电元件所获得的光强就发生一次明暗转换，光电转换电路就产生一定幅值和功率的电脉冲输出信号。*光电编码器 原理 由对射式或反射式光电开关和边缘刻有一圈方孔的旋转编码盘组成 输出脉冲频率与转速成正比 在编码盘上刻有数量相等但位置交错的两圈方孔，用两个光电开关输出两个相位相差90°的脉冲，通过判断脉冲的相位可以判断电机的运转方向。 接口 需外接倍频电路或鉴相器等进行计数和判别转向电机驱动 电动小车的驱动系统一般由控制器、功率变换器及电动机三个主要部分组成。 电动小车的驱动不但要求电机驱动系统具有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性，而且电机的转矩-转速特性受电源功率的影响，这就要求驱动具有尽可能宽的高效率区。 我们所使用的电机一般为直流电机直流电机的控制很简单，直流电源也容易实现。 直流电机的驱动及控制需要电机驱动芯片进行驱动。常用的电机驱动芯片有L297/298，MC33886，ML4428等。 下面我们主要对L298进行详细的讲解。L298驱动芯片 L298N内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。 其实物及引脚图如下所示：实物图L298内部的原理图OUT1OUT2OUT3OUT4IN1IN2IN3IN4ENBENA6V动力电源L298的逻辑功能 IN1 IN2 ENA 电机状态 1 1 0 停止 0 1 1 逆时针 1 0 1 顺时针 X X 0 停止 0 0 0 停止电机驱动模块连接图12V电源输入5V电源输输出电机1电机2控制信号 L298有两路电源分别为逻辑电源和动力电源，上图中5V为逻辑电源，12V为动力电源。P1接入12V动力电源，经过LM7805生成5V电源，供单片机和其他电路使用。P2分别为单片机控制两个电机的输入端，P3与P4分别与两个电机的正负极相连。 由于我们使用的电机是线圈式的，在从运行状态突然转换到停止状态和从顺时针状态突然转换到逆时针状态时会形成很大的反向电流，在电路中加入二极管的作用就是在产生反向电流的时候进行泄流，保护芯片的安全。PCB图输入控制Out3,out4out1,out212V电源输入5V电源输出 电机驱动连线 12V直流电压接到L298左下角二端子。 左上角是5V输出，为单片机供电 单片机控制L298N的输入IN1——IN4 L298N输出分别连接到两个二端子上 可先连接好，先试试正转反转，是否正确 IN1,IN2一组，IN3，IN4一组，互换，转向变换。* IN1，IN2相对占空比决定了正转反转，以及转速 如果一个周期内IN1均值大于IN2均值，电机正转，反之，则反转。若IN1均值与IN2均值差越大，则正转速度越大 同理，IN3和IN4也是如此决定另一侧车轮转向及转速* 思考题？如何控制占空比，来控制电机？*定时器 异步16位定时器/计数器 连续、递增-递减、递增计数模式 3个捕获/比较寄存器 PWM输出 中断向量寄存器，实现快速中断响应 可触发DMA 多个时钟源可选 所有430均有Timer_A定时器A——特性（1/1）◆定时器A由一个16位定时器和多路捕获/比较通道两部分组成。主计数器负责定时，计时和计数。计数值（TAR寄存器的值）被送到捕获比较模块中，可在无CPU干预下根据触发条件完成某些测量和输出功能。TACTL控制主计数器工作模式，状态TACCRx可提供额外的触发中断条件，在PWM输出模式下，可用于设置占空比和周期。在捕获模式，TACCRx存放捕获结果主计数器结构TACTL相关控制寄存器，控制字：TASSELx定时器A时钟源选择Idx：预分频包括时钟源选择、预分频器、计数器和计数模式几个部分定时器的计数模式捕获/比较寄存器TAxCCR0用作Timer_A增计数模式的周期寄存器。计数器TAxR与TAxCCR0的值相等(或TAxR大于TAxCCR0的值)时，定时器TAxR将立即重新从0开始计数。产生定时中断比连续计数简单，多用来产生周期性定时中断定时器A工作模式——增计数模式（1/5）定时器A工作模式——连续数模式（1/3）此模式下，定时器从当前值计数到0FFFFH后，又从0开始重新计数。在捕获模式下使用较多，定时器自由运行，根据事件发生时自动记录计数值，对比几个计数值确定时间间隔或事件发生时间。定时器A工作模式——增/减计数模式（1/3）该模式下，定时器先增计数到TAxCCR0的值，然后反向减计数到0。计数周期是TAxCCR0计数器数值的2倍。多用于PWM发生器，借助增减模式，能够产生带死区的对称PWM驱动波形，可直接驱动半桥电路，无需专门死区控制电路利用上下计数模式消除死区。定时器A——捕获/比较模块（1/5）Timer_A有多个相同的捕获/比较模块，为实时处理提供灵活的手段，每个模块都可用于捕获事件发生的时间或产生定时间隔。通过TACCTLx中的CAP位选择模式，该模块既可用于捕获模式，也可用于比较模式。当发生捕获事件或定时时间到都将引起中断。捕获/比较模块的结构，如下图所示。定时器A——捕获/比较模块（3/5）◆捕获模式 当TACCTLx中的CAP=1，该模块工作在捕获模式。 每个捕获/比较寄存器可以用来记录时间事件，例如： ▲测量软件程序所用时间 ▲测量硬件事件之间的时间 ▲测量系统频率用CM1和CM0位选择捕获条件，可以选择禁止捕获、上升沿捕获、下降沿捕获或者上升沿下降沿都捕获。当捕获完成后，定时器的值被复制到TAxCCRn寄存器，并且中断标志CCIFG置位。如果总的中断允许位GIE允许，相应的中断允许位CCIE也允许，则将产生中断请求。如下图所示：定时器A——捕获/比较模块（5/5）◆比较模式当TACCTLx中的CAP=0，该模块工作在比较模式。比较方式主要用于为软件或应用硬件产生定时，还可为D/A转换功能或者马达控制等各种用途产生脉宽调制（PWM）输出信号。在计数器TAxR计数到TAxCCRn（n代表具体的捕获比较寄存器）的值时： ▲中断标志CCIFG置位 ▲EQUx根据输出模式影响输出 ▲输入信号CCI被锁存在SCCI定时器A——输出单元（2/5） OUTMODx 模式 说明 000 输出模式0：输出 输出信号取决与寄存器TACCTLx中的OUT位。当OUT位更新时，输出信号立即更新。 001 输出模式1：置位 输出信号在TAxR等于TAxCCRn时置位，并保持置位到定时器复位或选择另一种输出模式为止。 010 输出模式2：翻转/复位 输出在TAxR的值等于TAxCCRn时翻转，当TAxR的值等于TAxCCR0时复位。 011 输出模式3：置位/复位 输出在TAxR的值等于TAxCCRn时置位，当TAxR的值等于TAxCCR0时复位。 100 输出模式4：翻转 输出电平在TAxR的值等于TAxCCRn时翻转，输出周期是定时器周期的2倍。 101 输出模式5：复位 输出在TAxR的值等于TAxCCRn时复位，并保持低电平直到选择另一种输出模式。 110 输出模式6：翻转/置位 输出电平在TAxR的值等于TAxCCRn时翻转，当TAxR值等于TAxCCR0时置位。 111 输出模式7：复位/置位 输出电平在TAxR的值等于TAxCCRn时复位，当TAxR的值等于TAxCCR0时置位。定时器A典型应用——实现PWM（1/5）◆在增计数方式，输出采用输出模式7（复位/置位模式），则可利用寄存器TAxCCR0控制PWM波形的周期，用寄存器TAxCCR1控制占空比。这样Timer_A就可以产生出任意占空比的PWM波形。如下图所示：可以用TAxCCR2控制另一路占空比。定时器A典型应用——实现PWM（2/5）◆可以随时间变化任意改变PWM信号的占空比，具体做法：保持CCR0值（周期不变）；改变CCRx值（改变占空比）。如下图所示：PWM实例voidtimerA1_init(){TA1CCR0=2000;//周期为2000个时钟周期TA1CCTL1=OUTMOD_7;TA1CCTL2=OUTMOD_7;TA1CCR1=500;//占空比500/2000=0.25TA1CCR2=1000;//占空比1000/2000=0.5TA1CTL=TASSEL_2+TACLR+MC_1;//SMCLKasclock,upmode}voidPWM_update(floatjuli){根据距离，更新TA1CCR1和TA1CCR2，改变占空比} 思考题：如何控制IN1-IN4？需要四路PWM输出吗？ 测距： 超声波： 优点是比较耐脏污，即使传感器上有尘土，只要没有堵死就可以测量，可以在较差的环境中使用，所以倒车雷达多半使用超声波，缺点是精度较低，容易受到气流影响 红外测距：精度高，方向性差，距离近*红外测距的工作原理红外传感器都是基于一个原理，三角测量原理。红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来。反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L，利用三角关系，在知道了发射角度a，偏移距L，中心矩X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。可以看到，当D的距离足够近的时候，L值会相当大，超过CCD的探测范围，这时，虽然物体很近，但是传感器反而看不到了。当物体距离D很大时，L值就会很小。这时CCD检测器能否分辨得出这个很小的L值成为关键，也就是说CCD的分辨率决定能不能获得足够精确的L值。要检测越是远的物体，CCD的分辨率要求就越高。*红外测距传感器的参数 我们实验箱中配备的是SharpGS2XX系列的传感器，它的输出是非线性的。每个型号的输出曲线都不同。所以，在实际使用前，最好能对所使用的传感器进行一下校正。对每个型号的传感器创建一张曲线图，以便在实际使用中获得真实有效的测量数据。下图是典型的SharpGP2D12的输出曲线图。红外测距传感器的参数* 根据输出电压与距离关系 可以分段拟合，用尽可能简单有效的方法，通过得到的电压，求得符合精度要求的距离。 这里需要用到ADC相关知识*模数转换器ADC一、主要特点：1、10位转换精度。2、有多种时钟源可供选择，内带时钟发生器。3、配有6个外部通道和2个内部通道。4、内置参考电源，并且参考电压Vref有8种组合。5、采样速度快，最快200Ks/s。6、四种工作模式：1、单通道单次转换模式：CONSEQ_0。2、单通道多次转换模式：CONSEQ_2。3、序列通道单次转换模式：CONSEQ_1。4、序列通道多次转换模式：CONSEQ_3。二、A/D结构图：例程：ADC10CTL1=INCH_0+CONSEQ_2;//通道0,1，单通道多次转换ADC10CTL0=SREF_0+ADC10SHT_2+MSC+ADC10ON+ADC10IE;ADC10AE0|=BIT0;//使能通道0,1ADC10DTC1|=0X10;//一共采样16次ADC10CTL0|=ENC+ADC10SC;while(1){ADC10CTL0&=~ENC;//关闭采样使能while(ADC10CTL1&ADC10BUSY);//判断是否有采样或转换动作ADC10CTL0|=ADC10SC+ENC;//开始采样ADC10SA=(unsignedint)a;__bis_SR_register(CPUOFF+GIE);//LPM0,ADC10_ISRwillforceexit}在ADC中断进行处理，平时处于低功耗状态。可以降低功耗*智能车设计 锻炼动手能力，MCU的开发； 了解智能车的原理，理解相关传感器、驱动电路、避障电路的工作原理与使用方法；学习智能控制算法的基本概念和方法。 任务 1、两人一组，组装一个智能车； 2、学习单片机程序开发，编程实现控制智能车转弯，前进，后退，加速减速等功能。*路径识别 在光电管方案中，通过红外发光管发射红外光照射跑道，由于跑道表面与中心线具有不同的反射强度，因此利用红外接收管可以检测到这些信息。通过合理安排红外发射/接收管的空间位置可以检测到智能车相对于前方道路的位置。红外发射接收管一般安放在模型车前端，可以安装成一排，也可以前后安装两排。路径识别 红外接收管接收道路反射的红外光后产生电压的变化，它可以反映出赛道中心线的位置。这个电压信号可以通过外部的电压比较器变成高、低电平由单片机的I/O端口读取，也可以通过单片机A/D端口直接读取。从I/O端口读取的参考电路如图6.9所示，从A/D端口直接读取的参考电路如图所示。图I/O端口读取电路图A/D端口读取电路路径识别单元 两个光电管方案中常见的问题 1．相邻光电管之间的干扰 2．光电管发射功率的影响 3.环境光的影响通信模块 无线通信选择 设计相应按键电路 编写收发程序** 速度控制原理控制器智能车速度差e(t)控制信号u(t)实际车速y(t)_设定车速r(t)*速度控制 PID控制原理控制器智能车速度差e(t)控制信号u(t)实际车速y(t)_设定车速r(t)kpkI/skDskp1/sTITDs=E(s)E(s)U(s)U(s) 程序需要更改的地方： 控制L298N输入管脚的初始化。 中断中程序过多 可以写一个更新占空比的函数，每次检测距离后调用执行 思考题：如果设计后退功能如何实现？*政策倾向和趋势新型智慧城市产生的原因新型智慧城市与传统相比”新“在何处？新型智慧城市建设的”六个一“工程新型智慧城市的建设行动目标新型智慧城市的评价指标*自2008年IBM提出“智慧地球”的概念以来，建设智慧城市，以应对城镇化发展过程中带来的人口增长、环境污染、交通拥堵等各类“城市病”，促进城市健康、安全和可持续发展，已经成为全球城市发展的共同诉求和大势所趋。据统计，截至2016年6月，全国95%的副省级以上城市、超过76%的地级城市，超过500座城市，明确提出或正在建设智慧城市，我国已经成为世界智慧城市建设的“试验场”。*从“智慧城市”到“新型智慧城市”我国首次提到智慧城市是2012年1月颁布的《国务院关于印发工业转型升级规划(2011-2015年)的通知》，该通知从推进物联网应用的角度，明确了智慧城市的应用领域。2014年3月，中共中央、国务院印发《国家新型城镇化规划(2014-2020年)》，提出利用大数据、云计算、物联网等新一代信息技术，推动智慧城市发展，首次把智慧城市建设引入国家战略规划，并提出到2020年，建成一批特色鲜明的智慧城市。2014年8月，经国务院同意，国家发展改革委等八部委联合印发了《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》。*从“智慧城市”到“新型智慧城市”2015年，新型智慧城市被首次写入政府工作报告；2016年，国家“十三五”规划纲要明确提出“建设一批新型示范性智慧城市”。同时相关部门提出在“十三五”时期，将有针对性地组织100个城市开展新型智慧城市“试点”，同时开展智慧城市建设效果评价工作。2016年10月，习近平在政治局集体学习中强调“以推行电子政务、建设新型智慧城市等为抓手，以数据集中和共享为途径，建设全国一体化的国家大数据中心，推进技术融合、业务融合、数据融合，实现跨层级、跨地域、跨系统、跨部门、跨业务的协同管理和服务。”进一步对我国新型智慧城市的建设和发展提出了要求。*为什么要提出“新型智慧城市”传统的智慧城市建设侧重于技术和管理，忽视了“技术”与“人”的互动、“信息化”与“城市有机整体”的协调，导致了“信息烟囱”“数据孤岛”，重技术轻应用、重投入轻实效，公共数据难以互联互通，市民感知度较差等问题。*智慧城市从1.02.0的演进*关键在于打通传统智慧城市的各类信息和数据孤岛，实现城市各类数据的采集、共享和利用，建立统一的城市大数据运营平台。*新型智慧城市是一个复杂的系统，需要遵循体系建设规律，运用系统工程方法，构建开放的体系架构；通过“强化共用、整合通用、开放应用”的思想，指导各类新型智慧城市的建设和发展。为了实现城市的精确感知、信息系统的互联互通和惠民服务的无处不在，要构建一张天地一体化的城市信息服务栅格网，夯实新型智慧城市建设的基础。为有效管理城市基础信息资源，提高系统的使用效率，要构建一个通用功能平台，实现各类信息资源的调度管理和服务化封装，进而支撑城市管理与公共服务的智慧化。海量数据是新型智慧城市的特有产物，要建立一个开放共享的数据体系，通过对数据的规范整编和融合共用，实现并形成数据的“总和”，进而有效提高决策支持数据的生产与运用，进一步提升城市治理的科学性和智能化水平。为更好对城市的市政设施、公共安全、生态环境、宏观经济、民生民意等状况有效掌握和管理，需要构建新型智慧城市统一的运行中心，实现城市资源的汇聚共享和跨部门的协调联动。标准化是新型智慧城市规范、有序、健康发展的重要保证，需要通过政府主导，结合各城市特色，分类规划建设内容及核心要素，建立健全涵盖“建设、改革、评价”三方面内容的标准体系。**客观指标自选指标主观指标主观指标自选指标*中国电科华为 提出“六个一”的思路：“一个开放的体系架构、一个共性基础网、一个通用功能平台、一个数据体系、一个高效的运行中心、一套统一的标准体系”； 与国内外19家企业和3所高校共同发起成立“新型智慧城市”建设企业联盟。*THANKS谢谢聆听*红外传感器都是基于一个原理，三角测量原理。红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来。反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L，利用三角关系，在知道了发射角度a，偏移距L，中心矩X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。可以看到，当D的距离足够近的时候，L值会相当大，超过CCD的探测范围，这时，虽然物体很近，但是传感器反而看不到了。当物体距离D很大时，L值就会很小。这时CCD检测器能否分辨得出这个很小的L值成为关键，也就是说CCD的分辨率决定能不能获得足够精确的L值。要检测越是远的物体，CCD的分辨率要求就越高。*************