飞思卡尔智能车控制系统设计

武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）说明书

论文题目智能小车控制系统设计

学号 1002040137

学生姓名熊杰

专业班级 10测控技术与仪器01班

指导教师卓旭升

总评成绩

2014 年6月 1 日

目录

摘要.................................................................... II Abstract ................................................................ III 第一章绪论.. (1)

1.1 背景 (1)

1.2 技术现状 (1)

1.3 主要内容 (3)

第二章控制系统设计方案 (4)

2.1 系统组成 (4)

2.2 系统组成框图 (4)

2.3 电路图 (7)

第三章硬件设计 (9)

3.1 图像采集系统 (9)

3.2 控制系统 (10)

3.3 驱动系统 (12)

3.4 舵机转向系统 (13)

3.5 速度测量 (15)

3.6 拨码开关调速电路设计 (16)

3.7 电源电路设计 (17)

3.8 印制电路板设计 (17)

第四章软件设计 (19)

4.1 软件结构 (19)

4.2 程序流程 (19)

第五章硬件、软件与机械调试 (24)

5.1 电路调试 (24)

5.2 程序调试 (24)

5.3 车体结构调整 (25)

结论 (28)

致谢 (29)

参考文献 (30)

附录 (31)

摘要

“飞思卡尔杯”全国智能车竞赛是以飞思卡尔智能汽车为主要研究对象的创意性科技竞赛，它能够提高大学生的实践能力，激发大学生的创新能力与从事科学研究与探索的潜能和兴趣，为优秀学生人才的脱颖而出提供必要的条件。同时智能汽车在交通运输、工业自动化等方面具有广阔的应用前景。

本文是在参加第八届“飞思卡尔杯”智能车竞赛后，再次经过长时间的研究，吸取了该车之前比赛的成功经验，重新构思设计了本智能车。本设计的独到新颖之处主要有如下四个方面：

（1）用P-N MOS管自主设计H桥驱动电路来代替以往使用集成驱动芯片来驱动电机。具有发热功率更低、散热更快等优点。

（2）独创性的采用四个独立的稳压芯片进行电源设计来对各个模块进行单独供电，保证系统能够更加稳定的运行，各个模块之间相互不受影响。

（3）PCB板设计更加精简有序从而减少了信号线之间的干扰，使系统更加的稳定可靠。

（4）对车体机械结构进行了比较科学的调整。通过增大舵机臂的长度，加快了舵机的响应速度；固定了底盘扭腰结构，减少了车体的振动；对差速器性能进行了合理的优化，降低了后轮与地面之间的滑动。

经过多次反复的试验，结果表明：本智能小车控制系统稳定可行，软、硬件配合得当，机械结构的调整科学有理，调试中所用的方法简单得当。软件程序控制算法经过长时间的调试均达到最优化的状态。

关键字：智能汽车；驱动电路；电源设计；PCB板设计

Abstract

"Freescale cup" national intelligence car competition based on smart car as the research object of creative competition of science and technology, it can improve the practical ability of college students, stimulate the students' innovation ability and engaged in scientific research and exploration potential and interest, provide necessary conditions for outstanding student talent stand out. Smart cars at the same time in the transportation, industrial automation has broad application prospects.

This article is in the eighth "freescale cup" smart car competition, after again after a long time of study, learn the successful experience of the vehicle before the game, rethink the smart car is designed. The design of the original novel of basically has the following four aspects: （1）P-N MOS tubes designed H bridge driving circuit to replace the previous use integrated chip to drive the motor. Has the advantages of lower heating power, heat faster.

（2）The originality of the four independent voltage chip is adopted to improve the power supply design separate modules for power supply, ensure the operation of the system more stable, between various modules are not affected.

（3）PCB board design more concise and orderly so as to reduce the interference between signal lines, and make the system more stable and reliable.

（4）Compares the car body mechanical structure adjustment of science. By increasing the length of the steering arm, speed up the response speed of the steering gear; Fixed the chassis wriggled structure, reduce the vibration of the body; The optimization of differential performance is reasonable, reduce the sliding between the rear wheel and the ground.

After repeated experiments, the results show that the intelligent car control system is stable and feasible, with software and hardware is proper, scientific and rational, the mechanical structure adjustment used in debug method is simple and good. After a long time of debugging software program control algorithm achieves the optimization of state.

Keywords: smart car; driving circuit; power supply design; PCB board design

第一章绪论

1.1 背景

近年来，道路交通事故发生率持续上升，因交通事故造成的伤亡人数直线攀升，由此造成的经济损失不可估量。尤其在中国，汽车已经开始走进千家万户，汽车的快速性和方便性为社会的进步和人类生活环境的提高做出了巨大贡献。但汽车的普及也造成了汽车数量急剧上升，交通供需矛盾的日益严重，由此带来了交通拥挤、甚至是交通事故等诸多问题，道路交通安全形势呈现出恶化的趋势。

提高汽车的可靠性、安全性、减少道路交通事故已经成为人们密切关注的社会问题和科学技术进步所面临的重要课题。英国和美国科学家的研究中表明，交通事故中发生的因素当中驾驶员、汽车和道路环境因素占了相当大的比例。尤其是因为驾驶员自身因素造成的因素尤为突出比如饮酒后驾驶汽车出现交通事故频繁发生，近几年我国在道路交通方面实行了极其严格的酒后驾驶处罚的制度就是因为认识到了这一点。而真正解决这一问题的关键所在就是要将“人”从交通控制系统中分离开，从而提高可靠性与安全性。由于无人驾驶汽车不需要人为操作，系统效率也可以得到大幅度的提高，而这种新型车辆控制方法的核心，就是实现无人自动驾驶车辆，即智能车[1][2]。

智能车是一个运用智能化控制、计算机、导航、传感器技术、通信技术等多位一体的现代化高新技术的集中产物。迄今为止，各国对自能汽车的研究方向主要是考虑其安全性与可靠性。随着世界科学技术的不断发转和研究水平的不断提高，研究智能车的梦想已经悄然实现[3][4]。

1.2 技术现状

1.2.1 国外研究现状

20世纪70年代初西方等发达国家便已经对无人驾驶汽车有了初步的研究，其研究的智能车用途主要有两个方面一个是用于国防军事另一个是在公路环境下使用。早在上个世纪80年代初，美国国防部对陆地车辆ALV（Autonomous LandVehicle)的研究就投资了大量的资金[5]。

进入本世界以后以美国为首的西方国家为促进智能车的发展，相继在各研究局或高校举办了机器车挑战大赛(Grand Challenge)。例如，在2005年的第二届比赛中，主办方只是在比赛前2小时为参赛者提供了一张光盘，其上有比赛路线上2935个“路点”的方位与海拔等详细资料。赛道中既有急转弯和隧道也有路口和山路，要求参赛的车辆能够在无需人为操作的条件下，自主运行完成赛道路程。最终获得第一名的是如图1.1所示的斯坦福大学的“斯坦利”。该车具有6个奔腾M处理器，协调完成对无人车的控制。“斯坦利”在运行的过程当中采用具有立体摄像头、雷达系统等传感器的系统感知周围的环境。

图 1.1斯坦利

1.2.1 国内研究现状

我国对智能车的研发是从上世纪80年代开始的，比西方国家稍晚，因此与西方相比有一定的差距，但是目前也取得了比较好的成果。例如，清华大学、北京理工大学等都有过无人驾驶汽车的研究项目。特别是北京理工大学，在无人车技术上已取得全国领先的水平，在国内的多个无人车比赛中经常受邀以表演队的身份参加[6]。

如图1.2所示，是清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室研制的新一代智能移动机器人。该车由7座厢式车改装，其道路识别系统由激光测距仪与摄像机组成；定位洗头由GPS、光码盘等组成；该车使用两台计算机系统控制。

图 1.2清华THMR-V智能车

上海交通大学2005年启动了跟欧盟的研究项目，其研究的CyberC3( CyberCars in Chinese Cities)车属于城市内活动的无人驾驶汽车，行驶在非结构化的城市道路上，并且实现导航、避障、自主定位、行驶以及与外界的交互，这也是城市智能交通系统发展的方向[7]。

1.3 主要内容

本文以“飞思卡尔”公司提供的B车模为机械载体，主要讨论智能小车控制系统的设计，其内容包括智能小车电子硬件的设计、软件程序算法的实现以及机械的调整等。设计采用16位微控制器MC9S12XS128为核心控制模块，通过图像采集、驱动电路设计、电源设计等，合理的布局电子硬件部分，同时编写配套的软件程序，使小车能够自动寻找路径，实现快速、准确无误的运行。

智能车通过OV7620摄像头采集预定轨道两侧的黑线，并将信号转换为八位数据传输给单片机，由单片机经过数据的处理，判断出轨道的实时情况如转弯、十字路口或者障碍等，然后经过PID运算后由单片机输出PWM信号给电机驱动电路来控制电机的启停和实时运转速度、舵机的左右转向角度或相关模块的运转来实现前进后退、转向行驶和自适性巡航、避障等功能。比赛中它能按照赛场的规定在极短的时间内跑完赛道，取得良好的成绩；同时为智能汽车在交通运输、工业自动化中的应用起到抛砖引玉的作用。

第二章控制系统设计方案

2.1 系统组成

本控制系统采用对比选择，独立分析，综合处理的设计方法，通过翻阅大量的

相关文献资料或技术报告，分析整理出有关信息，在此基础上列出不同的选择方案，

再结合实际情况来比较方案优劣，选出最优方案进行设计。从轨道图像采集模块，

最小系统控制模块，再到舵机控制模块，电机控制模块，速度实时采集模块来完成

各模块设计。通过调试检测各模块，得到正确的信号输出，实现其应有的功能。最

后将各个调试成功的模块安装到小车车体上，结合程序，通过单片机的控制，将各

模块有效整合在一起，达到所预期的目标，完成最终设计与制作，能使小车在一定

的环境中智能化运转。

2.2 系统组成框图

2.2.1 系统框图

系统框图如图2.1所示。该系统设计中主要包括十个部分，其中摄像头、单片机、电机驱动、转向舵机、测速模块、电源电路存在多种选择，不同的元件对系统的影响较大。下面将详细对其进行对比，然后结合本次设计的需求进行选择。

图2.1系统框图

2.2.2 模块的选择

（1）摄像头的选择

方案一：OV7620是一款CMOS摄像头器件，其内部敏感原件将图像信息转换成模拟电信号后再经过内部集成的A/D转换器将模拟电信号转换成数字电信号,通过Y0~Y7输出8位图像信息。该摄像头具有CMOS型图像采集集成芯片，该芯片具有高达640*480的分辨率，传输速率极高，采用常用的5V电源供电模式,低功耗模式正常工作时功耗小于120mW。其优点是分辨率高、采用5V电源供电可以很好的和单片机系统板供电电源

兼容无需单独的降压模块、传输速率快并且内置A/D转换器，因此无需更多外置电路；其市场价格便宜，更容易购买[8]。

方案二：采用CCD图像传感器。它是一种电荷藕合器件，其敏感元件是一种高感光度的半导体材料，可以迅速的将采集到的图像信息转变成电荷，其内部也集成A/D转化器，铭感器件将图像信息转换成模拟电信号，然后通过A/D转换芯片将模拟信号转换成数字信号。帧转性CCD由上、下两部分组成，上半部分是集中了像素的光敏区域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域。其优点是结构较简单并容易增加像素数，缺点易产生垂直拖影。

由于本设计要适应不同的环境，对跑到信息要进行实时的路况检测，要求分辨率比较高再者由于小车速度快、运动灵敏并且采用电池供电。因此要求传感器有较高的分辨率，对采集到的数据有很高的传输率，另外为保证小车长时间运行，则要求摄像头功耗低。综合以上分析，本设计采用OV7620作为传感器进行轨道图像采集。其性能可靠，能够满足本设计的需求，而且其价格低廉，更容易购买与更换。

（2）单片机的选择

方案一：飞思卡尔9S12XS128单片机最小系统是一款16位的单片机，供电模式采用3.3V供电，具有高达8个输出通道PWM的I/O口，每个I/O口互不干扰，频率、占空比等均可以相互独立的进行输出。每个PWM的I/O口通道都有一个精确度极高的定时器/计数器来计数脉冲的个数，还包括一个周期控制寄存器和两个可供选择的时钟源。每一个PWM的输出通道都能调制出占空比从0~100%变化的波形。内部有DMA通道，可以在主处理器执行其他任务或对系统性能产生较小影响的情况下同时实现大量数据的传输。其优点是采用16位系统处理数据且速率极快；PWM输出通道多且每一个输出通道都可以独立的进行输出；具有DMA通道，能够进行大量数据的传输[9]。

方案二：STC89C52单片机最小系统。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS的8位微控制器，其具有4个I/O口，其中P0为三态I/O口，P1、P2、P3均为准双向口[10]。内部使用传统的MCS-51内核，并对其进行了改进，增加了原来内核不具有的功能。片内集成了两个定时器/计数器，有四种工作模式，可以用此提供PWM信号。拥有5个中断源，其中包括两个外部中断、两个定时器/计数器中断和一个串行口中断，可以对中断事件进行有效的处理。其优点是开发环境简单，价格便宜，但是缺点是程序容易“跑飞”，不具有标准的PWM输出口，并且不具有DMA，不能进行大量数据的传输。

由于本设计中摄像头采集的数据量极大，并且程序算法复杂，如果所有的数据均由CPU的运算器处理传输，那么将无法实现数据的传输且占用大量的时间，这就要求单片机有DMA通道来进行数据的传输，另外本这几种需要用到较多的PWM信号，并且要求处理速度快，程序的运行稳定。鉴于以上要求，且通过以上对比可以知道飞思卡尔9S12XS128单片机最小系统性能可靠，能够满足本设计的需求，所以本设计采用方案一中所述单片机最小系统。

（3）驱动电路的选择

方案一：采用IRF4905和IRF3205各两块搭建H桥电路。IRF4905是两个P型场效应管，IRF3205是两个N型场效应管，由他们组成一个H桥电路。可以采用四个直插式的MOS管，这样分散的四个原件组成的电路更容易安装散热片，就意味着更容易散热。该电路的有点在于原件分散，容易搭建电路，散热良好，且价格便宜，容易更换电路。

方案二：采用BTS7960集成芯片

BTS7960是集成的智能驱动芯片，其内部集成有两个MOSFET，其中一个是P沟道而另一个是N沟道。该智能驱动芯片7个引脚，其中：IN引脚为方波输入引脚，单片机产生的PWM信号即由此引脚输入芯片进行功率放大；INH引脚为睡眠模式引脚，当设定为低电平时该芯片即进入睡眠状态；OUT引脚为功率输出引脚，单片机输入的PWM信号经过功率放大后，由此引脚输出接入电机，使电机运行；IS为电流取样诊断引脚。另外，如果要调整转换率则可由SR与地之间的电阻的阻值大小进行调整。该芯片的优点是：驱动电流大，可以达到43A；具有电流取样诊断和短路保护等功能。

本设计中，首先若使用两片BTS7960驱动芯片组成全桥电路，驱动电流极大，可以驱动大功率的电机，但本设计中采用的RS540电机电机空载电流在1A左右，运行时电流在3A左右，电流适中，因此使用该芯片其利用率不高。其次经过实践发现：当小车长时间运行时，BTS7960芯片发热严重，甚至出现停止工作的现象；而使用独立的MOS管搭建电路，由于独立的MOS其集成度远不如BTS7960那么高，反而更利于散热。鉴于驱动容易产生过热现象，而散热是该驱动电路考虑的重点。通过以上对比可以知道用P-N MOS管H桥散热更好，所以采用方案一。

（4）舵机的选择

方案一：S-D5舵机,此款舵机是特制的品类，工作电压只能在5.5V以下，并且具有堵转保护功能。舵机在堵转3秒后开始启动保护首先降低舵机中流过的电流大小，起到保护内部马达以及电路板的作用。另外其耐久度极高，适合于长时间不间断运行，它还是一款大扭力舵机，可以适当的增大舵机臂的长度提高小车的灵活度，该舵机体积也小，便于安装。

方案二：MG995舵机，该舵机采用金属齿轮，耐用度也不错。缺点是扭力比较小，所以负载不能太大，灵活度也不高。

由于小车负载比较大，并且在舵机的安装上采取了增大舵机臂长度的措施，转向要求必须要灵活，这要求舵机必须是一款大扭力的舵机，另外小车在调试中难以避免的会有“逃离”赛道的可能性，也就意味着会有堵转的可能性存在，因此本设计采用方案一所述的S-D5舵机更加适合。

（5）速度传感器的选择

方案一：采用“200线”的增量式光电编码器YZ30D4S-2NA-200实现对小车车速的检测。编码器具有一个传动齿轮，将该齿轮与小车差速齿轮吻合，当小车运行时差速齿轮带动编码器的传动齿轮旋转。该编码器的“200线”是指内部码盘360°中有200个孔，每旋转一周则产生200个脉冲，单片机通过I/O口捕捉单位时间内其上升沿的数量即可计算出转动的速度。该编码器的优点是：测速精确，分辨率极高；能够保持长时间连续

运行，性能稳定，可靠度高；安装简单，只需使其传动齿轮与差速齿轮吻合即可进行精确的速度测量。

方案二：采用霍尔传感器进行测速。常使用的霍尔传感器主要有两种，一种为开关型霍尔传感器，另一种为线型霍尔传感器。所谓开关型霍尔传感器是指其输出为数字信号；而线型霍尔传感器则与开关型相反，输出为模拟信号。此处如果选择开关型霍尔传感器A3144作为测速装置，其基本原理是，首先将一块小磁钢片固定于连接电机的转动此轮上，然后将霍尔传感器安装于车身，此轮每转动一周，则霍尔传感器输出一个脉冲，然后计数一定时间内脉冲数，然后求的速度；如果选择线型霍尔传感器，则在开关型霍尔传感器的基础上还需增加A/D转换。其优点是测速原理简单、价格便宜、容易购买，但此处，其缺点也十分明显，无论选择哪种霍尔传感器，其安装均极其复杂，且测速粗略。

由于本设计当中要求分辨率极高，抗干扰能力要强，可靠性也要求较高，在安装上也要简单可行。如果采用霍尔传感器，则无论将磁体安装在轮子或者齿轮上，都是极其不方便的。因此采用方案一中所述光电编码器。我们考虑采用的是200线的小型编码器，该编码器测速准确、安装方便、体积小、重量小，对车身总重量几乎无影响。

（6）电源电路的选择

本设计中总电源采用7.2V锂离子电池供电，而舵机、摄像头等电路采用5V供电模式，因此需要5V电源。常用的5V电源有串联型线性稳压电源（LM2940、7805等）和开关型稳压电源（LM2596、LM2575等）两大类。前者具有纹波小、电路结构简单等优点，后者功耗小，效率高，但是电路的纹波大。本设计中，需要提供稳定的5V电源，要求纹波小、线性度好。LM2940稳压芯片的线性度非常好，纹波也小，所以选用LM2940对其进行供电。

单片机采用3.3V供电模式，因此在将7.2V电压转换成5V电源的基础上，还需要3.3V的电源，常用的3.3V电源是由ASM1117-3.3V稳压芯片构成的稳压电路，该芯片是一个正向低压降稳压器，在1A电流下压降为1.2V，内部集成过热保护和限流电路且纹波小，性能稳定，可靠性高。所以采用ASM1117-3.3V作为单片机的供电电源进行供电。

2.3 电路图

电路采用Altium Designer进行设计，主电路板电路图如图2.3所示。该图中主要包含单片机模块、电源电路、拨码开关电路（拨动开关电路）、摄像头接口电路、舵机接口电路等。

图2.3硬件电路图

第三章硬件设计

3.1 图像采集系统

3.1.1 OV7620摄像头的主要参数

本设计中所涉及到的OV7620引脚如图3.1所示。

图3.1摄像头引脚图

3.1.2 电路分析

（1）Y0~Y7是八位数据传输位。摄像头内部敏感原件将采集到的图像信息经过转换后变成可以识别的模拟电信号，然后其内部集成的10位双通道A/D转换器再将模拟电信号转换成为八位并行的数字电信号（即八位图像数据），通过Y0~Y7八位数据传输位将图像信息向单片机进行传输。

（2）VCC与GND引脚是电源与地线引脚。由于该摄像头支持5V直流电压供电，因此设计中采用LM2940三端稳压芯片将7.2V电源电压稳定在5V，然后直接接入摄像头的电源VCC端口。摄像头的GND是数字地线，因此采用零欧姆电阻进行数字地与模拟地的隔离后，然后接到公共GND端口。

（3）VSYNC是场中断信号引脚。它用来判断一幅图像是否已经开始，其周期是20ms，其中高电平的持续时间很短(几乎可以忽略不计)。场中断信号需要通过下降沿来捕捉。

（4）HREF位是行中断信号引脚。它是用来判断一行图像是否已经开始，其周期是63us左右，其中高电平持续时间为40us，低电平持续时间为23us。行中断信号需要通过上升沿捕捉[11]。

3.1.3 摄像头的安装

摄像头是整个智能车中最重要的模块之一。本智能车使用的是OV7620数字摄像头，其特点是体积相对较大且连线较复杂。因此摄像头的安装是一个比较重要的问题，在整个的安装过程中我们必须要考虑摄像头的稳定性，务必做到尽可能的防止抖动，这决定了摄像头采集图像数据的质量。在固定摄像头的上端时，由于考虑到要随时调整摄像头的角度大小与焦距等问题，因此我们采用的是比较灵活的固定方法，以方便我们随时能够灵活的调节摄像头的参数；而在摄像头的下方我们采用的多点固定方式，防止因为小车转弯或者遇到障碍时产生的抖动影响摄像头采集图像的质量，其安装效果图如下图3.2所示。

图3.2摄像头多点固定效果图

3.2 控制系统

3.2.1 单片机的主要参数

飞思卡尔9S12XS128单片机引脚图如图3.3所示。

图3.3单片机引脚图

3.2.2 电路分析

（1）A0-A7分别与摄像头的Y0-Y7一一对应连接作为摄像头数据的采集输入口，通过DMA传输数据，将大量的图像数据传输进入单片机内部存储器并且储存在存储器中。

（2）P1口输出可调制脉冲PWM信号来控制舵机的转向。调试中，设定当舵机控制的车轮与车身平行时即舵机左右平衡时设PWM信号的占空比为“0”点。当PWM信号脉冲占空比大于“0”时则舵机左转；当PWM信号脉冲占空比小于“0”时则舵机右转。通过PID运算，控制PWM信号脉冲占空比的大小与舵机左右摆角尺度成近似线性变化关系。由此输出PWM的实际占空比信号。

（3）P3与P5引脚作为电机驱动控制信号输出口。分别输出两个非同步的、独立占空比的PWM信号。P3控制电机的正向转动，P5控制电机的反向转动。当电机正向转动时，P3输出一个与速度相对应的占空比的PWM信号，而P5输出低电平，此即作为小车的牵引力。当电机反向转动时，P5输出一个与速度相对应的占空比的PWM信号，而P3输出低电平，此时即作为小车后退或者减速控制信号。

（4）T6与T7引脚作为编码器的信号输入引脚，与编码器相连接。

（5）RX与TX引脚连接无线蓝牙传输模块。蓝牙一端与单片机串行数据接收/发送口连接，另一端与PC机串口相连接。摄像头采集的图像信号或者小车的速度信号均可以通过蓝牙传输进入PC机中，以便人为观察调试图像的信息与速度的变化，同时可以通过PC机发送必要的数据信息给单片机，让智能车做出相应的指令。

（6）VCC与GND分别接入5V电源和数字地。数字地与模拟地用0欧姆电阻隔离。

3.3 驱动系统

3.3.1 H桥电路图

H桥电路如图3.4所示。

图3.4H桥电路

3.3.2 H桥电路分析

P-N MOS管H桥原理的实质就是通过MOS管控制电机的正反转。如图3.4 就是一种简单的P-N MOS管H桥电路。由图可以知道本设计当中使用了4个MOS管，即由2个P型场效应管Q1、Q2与2个N型场效应管Q3、Q4组成。当中的4个MOS管相当于4个可编程的逻辑开关，由MOS管的性质可以知道P型MOS管在栅极为低电平时漏极与源极之间导通，而高电平时关闭；而N型管则刚好与之相反。如图3.4所示当中，P2接口的“1”引脚输入PWM信号、“2”引脚接地线时，则Q1、Q4的漏极与源极之间导通，而Q2、Q3漏极与源极之间不导通，电机上端为低电平，下端为高电平，所以电流沿箭头方向流动此时可设电机为正转。P2接口的“1”引脚接地线、“2”引脚接输入PWM 信号时，则Q1、Q4的漏极与源极之间不导通，而Q2、Q3漏极与源极之间导通，电机上端为高电平，下端为低电平，所以电流沿箭头方向流动此时可设电机为反转。当P2

接口的“1”、“2”引脚均接低电平时，Q1、Q2导通，Q3、Q4关闭，电机两端均为高电平，电机不转；当P2接口的“1”、“2”引脚均接高电平时，Q1、Q2关闭，Q3、Q4导通，电机两端均为低电平，电机也不转。所以，此电路有一个优点无论输入端的状态是什么，该驱动始终不会悬空，且H桥不会出现短路状态。很适合我们使用。另外电路还有内阻较小，发热功率低，电路由四个独立的MOS管组成散热极快，不会因为温度过高而导致电机无法工作等优点。

3.3.3 驱动电机

本设计中采用飞思卡尔提供的B车模自带的RS540电机。该电机是7.2V普通直流电机，转速在23400转/min。经过测试可以知道，该电机加速快、性能稳定、能够长期运行且发热量不大，满载时最大电流在3A左右，能够满足本次设计中的需要。因此采用此电机作为本次设计的驱动电机。

3.4 舵机转向系统

3.4.1 舵机工作原理

舵机的组成：舵机主要由直流电机、齿轮组等部分组成。大部分的舵机都有一个最大的旋转角度，其正常工作范围在此角度之内，超出该角度就会损坏舵机。舵机与普通直流电机的区别主要在于：普通直流电机通电后一般360°完全无止境的旋转，而舵机只能在最大角度内转动；普通直流电机不能对转角进行反馈，而舵机可以；最后其用途也有不同，普通直流电机一般用于动力系统中，舵机起控制某物体转动一定角度的作用，比如控制智能小车转向车轮的转向角度。

工作原理：本设计中选择的S-D5舵机有三个输入引脚，即GND、VCC和控制信号输入引脚。其中GND和VCC接5V的直流电源，控制信号输入引脚与单片机进行连接，接收由单片机产生的PWM信号。舵机接收到控制信号后，控制其内部伺服电机转动，带动齿轮以及连轴进行相应大小角度的转动。

3.4.2 舵机的安装

舵机控制着前轮转向，而前轮转向对小车转弯、避障等操作的反应速度有重要的影响。经过调试可以发现：增加舵臂的长度首先可以增加前轮转角的大小，其次也可以增加车轮的响应速度。此时对舵机臂进行适当的加长调整，即可增加小车转向轮的响应速度。但是这也同时要求舵机拥有更大的输出扭矩，此时所使用的S-D5是一款大扭力舵机，其扭矩完全可以满足本设计的需求。

如图3.5 所示为车模原装舵机的安装方式。该舵机中舵机臂较短，且安装高度离底盘比较近，这样安装严重影响小车的转向响应速度。为了提高智能车的前轮响应速度，就需要加长舵机臂的长度，首先可以将舵机的位置进行调整，即将舵机安装在离底盘稍高的位置，其次还可以直接增大舵机连杆（连轴）的长度。为了平衡车模的重心分布和方便电路板安放，本智能车将舵机的安放位置进行了调整，将舵机安装在两前轮之间的

空隙处。安装完后的舵机效果如图3.6所示。另外在调试中可以发现：舵机的左右摆动连杆是通过一个螺钉固定在舵机臂上的，这样的安装方法导致左右连杆安上下重叠，此时智能车转向的时候会使得舵机打角不均匀，左右转向的灵敏度不一。介于上述不良的因素存在，就需要对舵机臂的连杆进行改造调整，如图3.7所示对连杆分开用两个带有滚动环的螺钉固定，使其空隙尽量的小，但又不迟钝。

图3.5 舵机原装图

图3.6 舵机安装图

图 3.7舵机连轴的安装

3.5 速度测量

3.5.1 测速目的与方法

小车在运行当中会遇到例如转弯、十字路口等其他特殊的情况，每一种状况将决定由不同的速度控制，甚至舵机转角的大小控制也与速度有着紧密的联系，因此对小车进行实时速度反馈测量是尤为必要的。此外，当小车在调试中运行不正常，如速度超过预定值，进行速度的反馈，然后控制小车停止运行而不至于偏离跑到也是很重要的。增量式光电编码器是码盘随位置的变化输出一系列的脉冲信号，然后根据位置变化的方向用计数器对脉冲进行加/减计数，以此达到速度检测的目的。即采用编码器作为测量智能车速度的传感器。

3.5.2 编码器的安装

编码器安装的质量与测速的准确性有比较大的关系，因此对编码器的安装也要仔细考虑。智能车的后轮驱动附近有比较大的空隙，且编码器齿轮与后轮差速齿轮刚好能够良好的接触，使用差速齿轮带动编码器的轴转动而产生脉冲测速的方法测速准确无误。但要注意编码器的齿轮和差速齿轮只需要咬合良好即可，不能咬得太死，因为如果咬合太死了之后，会加大齿轮的磨损，这样容易导致电机过载而停止转动或者影响小车的运行速度。另外，安装好后我们还需要在差速齿轮上涂抹适量的机械润滑油使其更加的灵

活。其安装后的效果图3.8所示[12]。

图 3.8编码器安装图

3.6 拨码开关调速电路设计

3.6.1 拨码开关电路

拨码开关电路如图3.9所示。

图3.9 拨码开关电路图

3.6.2 电路分析

由于小车采用摄像头采集图像数据，因此光照等其他因数对摄像头有一定的干扰作用，在调试中，我们不可能每一次都更改程序，这样会浪费时间与精力。此时我们就需要采用硬件电路来进行调速。

本电路采用四位拨码开关与5.1K排阻构成电路，并且分别连接单片机的B4、B5、