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1、项目六项目六 机电一体化应用实例机电一体化应用实例任务任务6-1 6-1 智能车设计智能车设计机电一体化机电一体化主要内容主要内容任任 务务 目目 标标1相相 关关 知知 识识2 做做 一一 做做3机电一体化一、任务目标一、任务目标素质目标能力目标知识目标系统掌握智能机器车系统掌握智能机器车的设计方法、设计要的设计方法、设计要点及设计步骤点及设计步骤能自主建立系统模型，能自主建立系统模型，对仿真结果进行分析优对仿真结果进行分析优化。化。1.1.遵守机电操作规范；遵守机电操作规范；2.2.积极主动完成工作任积极主动完成工作任务。务。3.3.主动查阅技术资料。主动查阅技术资料。机电一体化二、相关知
2、识二、相关知识智能车，也称为无人驾驶车或轮式移动机器人，它采用先进的传感器和高速计算机系统，依靠自身的智能自主导航系统，躲避障碍物，独立完成各项指定任务。21世纪，随着机电技术、制造技术和智能计算机技术的快速发展，智能无人车越来越多地出现并应用于各个领域。在民用方面主要应用于危险、有毒、排爆、救援等恶劣环境，军事方面主要用于侦查、潜艇、飞行器、反恐等海陆空领域。从它所处的环境来看，可以分为结构环境和非结构环境两大类。结构环境是指移动环境不是很复杂，比较有规律可循，如导轨上铺设好的道路；非结构环境是指所有海陆空中的自然环境，一般较复杂，无规律可循。（一）智能车概述机电一体化二、相关知识二、相关知
3、识智能汽车是汽车电子、人工智能、模式识别、自动控制、计算机、机械多个学科领域的交叉综合的体现，具有重要的应用价值。本任务设计的智能车是基于摄像头路径识别的智能车控制系统，通过车载CCD摄像头动态摄取路面图像，识别白色场地中的任意黑色带状导引线,以飞思卡尔MC9S12DG256为核心控制器，控制电动小车以设定目标速度沿导引线自动行驶。（二）智能车设计开发机电一体化二、相关知识二、相关知识1硬件结构与方案设计智能车控制系统以飞思卡尔公司高性能16位单片机MC9S12DP256为核心控制器，主要由电源管理、CCD摄像头、图像采集模块、电机及其控制器、转向舵机及其控制器、上位机调试等功能模块组成，其中
4、上位机调试模块通过RS232串行接口与PC机通讯。结合基于MATLAB环境开发的应用软件实现在线综合调试、分析功能。系统总体结构如图6-2所示。（二）智能车设计开发机电一体化二、相关知识二、相关知识（二）智能车设计开发机电一体化二、相关知识二、相关知识（二）智能车设计开发机电一体化二、相关知识二、相关知识（2）图像采集模块单片机采集图像传感器的数据有两种方法，模拟式和数字式。使用最为广泛的图像采集方案为基于LMl881视频同步分离芯片的模拟信号采集方案。模拟信号采集需先将摄像头输出的复合视频信号进行分离，得到独立的同步信号和视频模拟量信号，接着根据同步信号对模拟视频信号进行AD转换或者运用硬件
5、二值化电路对模拟视频信号进行二值化。（二）智能车设计开发机电一体化二、相关知识二、相关知识基于FIFO（First In First Out）的数字图像采集电路由于数字信号的像素输出频率极高，导致单片机无法直接捕捉，故必须设计特殊的采集电路进行处理。数字视频采集方案通常有以下三种：第一种是双口RAM方式。第二种方式是利用DMA进行高速存储。第三种方式是利用FIFO存储器。（二）智能车设计开发机电一体化二、相关知识二、相关知识（二）智能车设计开发机电一体化二、相关知识二、相关知识（3）电机驱动电路设计系统采用集成电机驱动芯片MC33886对实现电动小车的电机控制。为防止MC33886内部过流保护
6、电路对电机起动、制动时造成影响，降低接通状态下通态电阻，提高电机驱动能力，电路设计为2片MC33886并联模式，电机驱动电路如图6-6所示。（二）智能车设计开发机电一体化二、相关知识二、相关知识（4）驱动电机转速检测电路设计电动小车驱动电机转速是整车目标速度调节的重要参数，系统使用对射式红外发射接收管与遮光片检测电机转速信号。其中塑料遮光片固定在驱动电机输出轴上，与驱动电机同步运动，电机起动后在红外接收管侧生成与转速对应的脉冲信号，经调理后传输至单片机输入捕获引脚，转速脉冲信号调理电路如图6-7所示。（二）智能车设计开发机电一体化二、相关知识二、相关知识（5）舵机转向控制分析智能车的工作原理，
7、如图6-8所示。智能车系统通过图像采集模块来检测周围的路况信息，并将其发送给单片机，单片机根据预知的路况信息给出设定值；相应地，系统通过编码器和加速度传感器构成的反馈渠道将车体的行驶速度及加速度信息传递给主控单片机，根据路况信息和车体的速度及加速度信息，主控单片机做出决策，并通过PWM信号控制直流电机和舵机进行相应动作，从而实现车体的转向控制和速度控制。（二）智能车设计开发机电一体化二、相关知识二、相关知识（二）智能车设计开发机电一体化二、相关知识二、相关知识轮式移动机构在各种移动机构中，轮式移动机构最为常见，其制作简单，效率高，且移动速度和方向易于控制。如图6-9所示为用于智能无人车的轮式移
8、动机构。（二）智能车设计开发机电一体化二、相关知识二、相关知识履带式移动机构履带式移动机构是轮式移动机构的拓展，它具有支承面积小、接地比压小、不易打滑等特点，适合于在松软或泥泞场地进行作业，但具有结构复杂、重量大、运动惯性大等缺点。足式移动机构足式移动机构具有良好的机动性，对不平地面的适应能力较强，而且立足点是离散的，可以到达地面上最优的支撑点。（二）智能车设计开发机电一体化二、相关知识二、相关知识2软件设计高效稳定的程序是智能车平稳快速寻线的基础。本智能车采用CMOS摄像头作为寻线传感器，图像采集处理就成了整个软件的核心内容之一。在转向和速度控制方面，本智能车使用鲁棒性很好的经典PID控制算
9、法，配合使用理论计算和实际参数补偿等办法，使智能车在寻线中达到稳定快速的效果。软件程序分为四大模块：信号采集、信号处理、速度调节和伺服电机控制。系统软件流程图如图6-11所示。（二）智能车设计开发机电一体化二、相关知识二、相关知识（二）智能车设计开发机电一体化二、相关知识二、相关知识2软件设计高效稳定的程序是智能车平稳快速寻线的基础。本智能车采用CMOS摄像头作为寻线传感器，图像采集处理就成了整个软件的核心内容之一。在转向和速度控制方面，本智能车使用鲁棒性很好的经典PID控制算法，配合使用理论计算和实际参数补偿等办法，使智能车在寻线中达到稳定快速的效果。软件程序分为四大模块：信号采集、信号处理、速度调节和伺服电机控制。系统软件流程图如图6-11所示。（二）智能车设计开发机电一体化二、相关知识二、相关知识（二）智能车设计开发机电一体化三、做一做三、做一做6-1-1试分析机电一体化系统设计的步骤。6-1-2分析智能车图像采集模块的工作过程。