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基于激光传感器的智能车设计.rar

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    基于 激光 传感器 智能 设计
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    科技学院 2011 届本科毕业论文基于激光传感器的智能车设计专 业: 电子信息工程 指导教师: 余军 学生姓名: 张良 学生学号: 072004110485 中国﹒贵州﹒贵阳2011 年 5 月贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 页目录摘要 .....................................................................IVAbstract ..................................................................V第一章 绪论 ..............................................................11.1 背景和意义 .......................................................11.2 国内外竞赛概况 ...................................................11.3 竞赛内容 .........................................................11.4 技术路线 .........................................................2第二章 主要器件 ..........................................................32.1 激光光传感器 .....................................................32.2 ZigBee 无线通信 ...................................................42.2.1 ZigBee 基本组成 .............................................42.3.2 ZigBee 技术特点和优势 .......................................52.3 虚拟仪器技术 .....................................................52.4 LabVIEW 开发环境 ..................................................6第三章 系统总体设计 ......................................................83.1 智能车系统总体分析 ...............................................83.2 智能车控制系统的总体结构 .........................................83.3 智能车控制系统的软件 .............................................9第四章 详细设计 .........................................................124.1 MCU 资源分配以及相应的初始化 .....................................124.2 激光传感电路的原理以及数据的采集和处理 ..........................134.2.1 激光传感电路的原理 ........................................134.2.2 数据采集的算法 ............................................144.2.3 数据采集的处理 ............................................154.3 方向控制模块 ....................................................164.4 速度控制模块 ....................................................164.4 无线传输模块 ....................................................17贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 I 页第五章 上位机 ...........................................................185.1 串口配置 ........................................................185.1.2 串口数据的发送 ............................................185.1.3 串口数据的读取 ............................................185.3 数据的处理 ......................................................195.4 调试与实现 ......................................................19第六章 实现和总结 .......................................................24参考文献 .................................................................27附录一 ...................................................................28附录二 ...................................................................41致谢 .....................................................................43贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 II 页基于激光传感器的智能车设计摘要自 2006 年到现在,全国大学生“飞思卡尔杯”智能汽车大赛已经连续举办了五次,已发展成全国 30 个省市自治区近 300 所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛,该比赛的竞赛的影响越来越大。竞赛要求在组委会提供的赛车模型上,使用飞思卡尔半导体公司的 8 位或 16 位微控制器,通过自行增加传感及驱动电路,和编写相应控制软件,制作一个能自主识别道路的赛车,按照规定路线行驶,以完成时间最短者为胜。为了让智能车最快最好准确的沿赛道行驶就要求智能车必须准确的识别赛道,所以对于赛道的识别、数据的采集处理提出了很高的要求。因此本文主要介绍利用激光传感器采集对赛道信息进行采集并作相应的处理,然后发送到上位机,利用 LabVIEW进行直观显示。关键字:智能车;激光传感器;MCU;虚拟仪器贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 III 页Design of Smart Car Based on Laser Sensor AbstractFrom 2006 to the present, National University “Freescale Cup“ Smart car competition has been held for five times, has become the country's 30 provinces and autonomous regions and broad participation of nearly 300 colleges and universities in the National Undergraduate smart car competition, the competition has become more and more influential.Required to provide race car model of the organizing committee, using Freescale Semiconductor's 8-bit or 16-bit microcontrollers, through increased sensing circuit and drive circuit and the preparation of the corresponding control software by yourself, make a smart car which can run and identify the road by itself.According to principle of the competition, who's smart car completes the provisions of routes using the shortest time is the winner.To make the best and fastest smart car running along the routes exactly requirements of smart car must accurately identify the track. Therefore it putted forward the very high request towards track identification, data acquisition and processing .This article introduces the use of the laser sensor to collect the information on the track and make the appropriate processing, and then sent to the host computer, using LabVIEW to display directly.Keywords:Smart Car, Laser Sensor, MCU ,Virtual Instrume贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 0 页第一章 绪论1.1 背景和意义飞思卡尔智能车竞赛以智能汽车为研究背景的科技创意性制作,是一种具有探索性的工程实践活动,其本质也是人类创造有用人工物的一种训练性实践,其过程属性是综合,而结果属性很可能是创造。迅猛发展的智能车技术以汽车电子为背景,涵盖了控制、模式识别、传感、电子、电气、计算机和机械等多个学科,这对进一步提高学生的综合素质,培养创新意识,培养学生从事科学、技术研究能力有重要意义。通过本竞赛,不但培养了对已学过的基础与专业理论知识与实验的综合运用的能力;为了解决制作过程中的各种新问题,学习控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科新知识,逐渐学会在学科交叉、集成基础上的综合运用;若是以实用为目的,还必须考虑考虑可靠性、寿命、外观工业设计、集成科学与非科学,在具体约束条件下融合形成整体的综合运用。这样的训练是很有意义的。1.2 国内外竞赛概况目前美国是对智能汽车最为关注的国家。除了美国交通部与各大汽车公司和高校的智能汽车研发项目外,美国国防部和各大学企业联合开展了全球领先的智能汽车竞赛。美国智能汽车比赛是实物竞赛类型,有很强的应用性和科研意义。但受限于资金与技术因素,该竞赛难于在青少年学生中普及,韩国大学生智能车竞赛是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司的资助下举办的,这也正是中国大学生智能车竞赛的蓝本。中国大学生智能车竞赛自 2006 年至今已经成功举办了五届,每年有几百余所有自动化专业的高校、五百余之队伍参加中国大学生智能车比赛。其影响力越来越大,技术越来越成熟,成为自动化这门学科领域的最为重要的比赛,同时该项比赛也为各行业领域培养了很多优秀的大学生。1.3 竞赛内容参赛队伍须使用竞赛秘书处统一指定并负责采购竞赛车模,采用飞思卡尔 16 位微控制器 MC9S12XS128 作为核心控制单元,自主构思控制方案及系统设计,包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等,完成智能车工程制作及调试,于指定日期与地点参加各分赛区的场地比赛。竞赛分别设立光电组、摄像头组、电磁组、创意组等多个赛题组别。那么我们自己需要住的就是按照竞赛的贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 1 页要求完成机械组装、硬件电路搭建、控制程序的编写调试使智能车沿着赛道行驶。我们队伍一直在做光电智能车,因此在下面主要讨论光电智能车。1.4 技术路线在智能车系统的设计过程中,主要包括硬件部分,机械部分,软件部分等三个方面的设计与调试,三者相辅相成,不能偏废其一 [1]。在机械部分要减轻车模重量,降低整车重心。在硬件上要提高智能车的前瞻,简化电路,提高电路可靠性。并尽量使得激光发射与接收保持稳定。在软件上要结合硬件的资源,利用有效的算法来控制智能车。智能车所有控制的依据就来自光电传感电路对赛道信息的采集和处理,所以光电传感电路相当于智能车的“眼睛” 。在智能车主要利用的光电传感器主要是红外传感器和激光传感器。红外传感系统是用红外线为介质的系统,用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用,从而改变电子的能量状态,引起各种电学现象的原理工作。激光传感器是利用激光技术进行工作的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器能实现无接触远距离测量、速度快、精度高、量程大、抗光、电干扰能力强等。红外发射管发出的红外光线不便于人的肉眼观测,给传感器排布与调试带来了诸多不便;接受管接收信号微弱需要二级放大,信号为模拟信号需要 AD 转换则增大了控制周期;红外传感器的工作电流较大增大了系统的负载。这些方面的缺点迟迟得不到改善。致使智能汽车只有最多 20cm 的前瞻大大制约了智能车的预判能力;相比红外光电传感器,激光传感器在光强、抗干扰、耗能和检测范围等方面优势明显,在第四届竞赛和第五届比赛中很多队伍使用的激光管大放异彩,取得了相当好的成绩,就拿我们学校的光电智能车做比较,在第四届的时候用的红外接收传感器作为采集赛道信息,在最后的比赛当中只得了西部赛区三等奖的成绩。在第五届的比赛中我们该用激光传感器来采集赛道信息,再加上对算法就行了改进,最后的比赛中我们取得了全国二等奖的好成绩,可见激光传感器对光电智能车数据采集的正确性的提高有很大的作用。因此本文着重研究了激光传感器方案。因此在下面主要讨论光电传感电路配合 MCU 对赛道信息的采集和处理,以及利用的 LabVIEW 对采集和处理的数据进行显示验证。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 2 页贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 3 页第二章 主要器件在智能车设计中我们主要利用激光传感器、无线发射模块以及虚拟仪器,因此我们在这一章这些器件进行简单的介绍。2.1 激光光传感器激光传感器由两部份构成,一部份为发射部份,一部分为接收部份,如图 2.1(a)所示发射部分,发射部分由激光管及其驱动电路组成,如图 2.1(b)所示为接收部分,接收部分由接收管及其滤波电路组成 [2]。激光管采用索尼公司生产的半导体激光头配以相同尺寸的铜套和透镜组装而成。激光头内有一个激光二极管和一个光电二极管,激光二极管是激光头中的发光器件,它发出光的特性决定了激光头的特性;光电二极管把光信号转变成电信号,通过反馈使激光二极管出射光能量保持一定。接收管为数字输出光探测器,内部集成了光电二极管信号处理电路,包括放大器、施密特触发器、电压调节器等。接收频率为 160KHz-200KHz、波长为 500nm-980nm、占空比为 20-30%的调制波。 图 2.1(a) 激光发射电路 图 2.1(b) 激光接收电路激光传感器检测道路的工作原理如图 2.3 所示。激光管处于黑线上方时,经调制后的激光点打到黑色线上,黑色对光吸收强,接收管接收到的激光少,接收管输出低电平,检测二极管发亮表示检测到黑线;当激光管处于白色地面上方时,根据漫反射原理,一部分激光被反射回接收管,反射回的光强到达一定要求时,接收管输出高电平。从而可以实现对道路情况的检测,进而引导智能车。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4 页激光发射管激光接收管激光发射管激光接收管图 2.3(a) 激光照射到白色地面上 图 2.3(b) 激光照射到黑线2.2 ZigBee 无线通信要让智能车跑的更好就需要对智能车的机械性能、电路、算法控制程序进行不断的更改,对智能车进行有效的改进就需要我们对车子每一时刻的状态进行有效的监控。我们可以直接通过数据线把车子的状态信息从 MCU 发送到上位机,如果这样的话需要很长的数据线,还要时时刻刻抱着电脑跟着车子,要是小车的速度很快或者需要长时间调试的时候,各种的麻烦和弊端都会显现出来。但是我们要是通过无线发射模块的话就能够很好的解决以上的问题,无线模块不需要连线,而且传输距离较远,我们还可以通过上位机发送控制信息直接控制小车,能够有效的调试小车。因此我们就利用ZigBee 无线发射模块进行数据传输。ZigBee 是一组基于 IEEE 批准通过的 802.15.4 无线标准研制开发的,有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。IEEE 仅处理低级 MAC 层和物理层协议,ZigBee 联盟对其网络层协议和 API 进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的 4K 字节或者作为 Hub 或路由器的协调器的 32K 字节。每个协调器可连接多达 255 个节点,而几个协调器则可形成一个网络,对路由传输的数目则没有限制。ZigBee 联盟还开发了安全层,以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识,而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。2.2.1 ZigBee 基本组成完整的 Zigbee 协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由 ZigBee 联盟制定,IEEE802.15.4 负责物理层和链路层标准。Zigbee 协议套件紧凑而简单,其具体实现的要求很低,以下是 Zigbee 协议套件的需求估计: 8 位处理器,如 80c51;
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