基于KL26的无人驾驶汽车模型的制作方法

文档序号:16920589发布日期:2019-02-19 19:20阅读:320来源:国知局
基于KL26的无人驾驶汽车模型的制作方法

本实用新型涉及一种汽车模型,具体涉及一种基于KL26的无人驾驶汽车模型。



背景技术:

从第一辆汽车诞生至今已有100多年的历史,期间,汽车工业历经了规范化的变革,经济危机的打击,二十世纪六七十年代,世界经济进入高速增长阶段,汽车行业急剧发展,目前,美国、日本和欧洲是世界汽车产业的中心。

随着汽车行业的不断发展,汽车所带来不利的弊端也在一步一步的凸显出来,例如,中国2015年汽车事故所造成人员死亡人数为42388人,2014年为42847人。再如汽车所排放的尾气固体悬浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物,这些不仅导致全球变暖的加剧,同时也深深危害了人类的健康。

汽车最初发明,是为了方便人和货物的转运,提高生产和交通运输的效率,然而随着生活水平的不断提高,人们所需求的不单单是一款舒适的车辆,还需要的是更加人性化,更加自由的驾驶模式。

无人驾驶汽车也可以称之为轮式移动机器人,种类有很多。然而,现有的无人驾驶汽车,普遍具有以下问题:舵机和主控制器等器件采用同一个稳压芯片供电,而舵机在转向时对于其他器件的干扰较大,由此导致其他器件的供电电源不稳定,降低了其他器件的使用性能。



技术实现要素:

针对现有技术存在的缺陷,本实用新型提供一种基于KL26的无人驾驶汽车模型,可有效解决上述问题。

本实用新型采用的技术方案如下:

本实用新型提供一种基于KL26的无人驾驶汽车模型,包括基座(1),所述基座(1)前面的左右两侧各安装左前车轮(2)和右前车轮(3);所述基座(1)后面的左右两侧各安装左后车轮(4)和右后车轮(5);所述左前车轮(2)和所述右前车轮(3)各安装左伺服舵机和右伺服舵机;所述左后车轮(4)和所述右后车轮(5)各安装左直流电机和右直流电机;在所述基座(1)的中前部固定安装碳素杆(6),所述碳素杆(6)的杆顶部安装道路传感器(7);在所述基座(1)后面的左侧安装红外光电发射管(8),在所述基座(1)后面的右侧安装红外光电接收管(9),所述红外光电发射管(8)和所述红外光电接收管(9)形成终点线检测器;其中,所述红外光电发射管(8)和所述红外光电接收管(9)均位于所述左后车轮(4)和所述右后车轮(5)之间;

在所述基座(1)的中后部安装有微控制器、光耦隔离电路、电机驱动板、液晶屏以及供电电源模块;其中,所述供电电源模块包括7.2V供电电池、LM2941电压转换芯片、LM2940电压转换芯片和ASM117-3.3电压转换芯片;

所述微控制器通过所述电机驱动板分别与所述左直流电机和所述右直流电机连接;所述微控制器通过所述光耦隔离电路分别与所述左伺服舵机和所述右伺服舵机连接;所述微控制器分别与所述液晶屏、所述道路传感器(7)和所述终点线检测器连接;

所述7.2V供电电池通过所述LM2941电压转换芯片,分别与所述左伺服舵机和所述右伺服舵机连接;所述7.2V供电电池通过所述ASM117-3.3电压转换芯片与所述液晶屏连接;所述7.2V供电电池通过所述LM2940电压转换芯片,分别与所述微控制器、所述左直流电机、所述右直流电机、所述道路传感器(7)和所述终点线检测器连接。

优选的,所述微控制器采用KL26芯片。

优选的,所述碳素杆(6)为长35cm、直径3cm的碳素杆。

优选的,所述道路传感器(7)为TSL1401线性CCD传感器。

本实用新型提供的基于KL26的无人驾驶汽车模型具有以下优点:

对稳压电路进行设计,为降低舵机对其他器件的干扰,将舵机供电电源独立出来,保证所有器件供电电源的稳定性,提高各器件的使用性能。

附图说明

图1为本实用新型提供的基于KL26的无人驾驶汽车模型的结构原理示意图;

图2为本实用新型提供的基于KL26的无人驾驶汽车模型的侧面示意简图;

图3为本实用新型提供的基于KL26的无人驾驶汽车模型的后部示意简图;

图4为本实用新型提供的5V电源模块的电路原理图;

图5为本实用新型提供的3.3V电源模块的电路原理图;

图6为本实用新型提供的6V电源模块的电路原理图;

图7为本实用新型提供的TSL1401线性CCD传感器的电路原理图;

图8为本实用新型提供的拨码开关的电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供一种基于KL26的无人驾驶汽车模型,基于KL26的无人驾驶汽车模型使用恩智浦半导体公司的微控制器作为核心控制模块,通过增加道路传感器、电机驱动板、终点线检测器,实现在特定的道路上模拟汽车行驶状态,可控制方向和速度,可自主识别道路的模型汽车。尤其对供电电源部分进行特别设计,为降低舵机对其他件的干扰,将舵机供电电源独立出来,实现汽车模型平稳高效行驶的目的。

本实用新型提供一种基于KL26的无人驾驶汽车模型,参考图1到图3,包括基座1,基座1前面的左右两侧各安装左前车轮2和右前车轮3;基座1后面的左右两侧各安装左后车轮4和右后车轮5;左前车轮2和右前车轮3各安装左伺服舵机和右伺服舵机;左后车轮4和右后车轮5各安装左直流电机和右直流电机;在基座1的中前部固定安装碳素杆6,碳素杆6为长35cm、直径3cm的碳素杆。碳素杆6的杆顶部安装道路传感器7,道路传感器7为TSL1401线性CCD传感器。在基座1后面的左侧安装红外光电发射管8,在基座1后面的右侧安装红外光电接收管9,红外光电发射管8和红外光电接收管9形成终点线检测器;其中,红外光电发射管8和红外光电接收管9均位于左后车轮4和右后车轮5之间;

在基座1的中后部安装有微控制器、光耦隔离电路、电机驱动板、液晶屏以及供电电源模块;其中,供电电源模块包括7.2V供电电池、LM2941电压转换芯片、LM2940电压转换芯片和ASM117-3.3电压转换芯片;微控制器采用KL26芯片。

微控制器通过电机驱动板分别与左直流电机和右直流电机连接;微控制器通过光耦隔离电路分别与左伺服舵机和右伺服舵机连接;微控制器分别与液晶屏、道路传感器7和终点线检测器连接;

7.2V供电电池通过LM2941电压转换芯片,分别与左伺服舵机和右伺服舵机连接;7.2V供电电池通过ASM117-3.3电压转换芯片与液晶屏连接;7.2V供电电池通过LM2940电压转换芯片,分别与微控制器、左直流电机、右直流电机、道路传感器7和终点线检测器连接。

下面对上述核心器件详细介绍:

(一)汽车结构与特定道路

汽车模型基座采用的是飞思卡尔智能车C型车模,尺寸为28.5×16×8cm,整车主要器件采用7.2V直流电压供电,应用Cortex M0+内核的KL26芯片控制全车。车身前部安装了Futuba S3010型号伺服舵机控制整车转向;车身中前部加装了一根长35cm,直径3cm的碳素杆,在杆顶部安装了TSL1401线性CCD传感器作为道路传感器,用于检测特定道路;车身中后部为一块主板,主板底下为供电电源模块;车身后部为两个Rn-260直流电机,功率可达4.17W,直流电机上部为一块电机驱动板,通过直流电机,控制行车速度。

该汽车模型用于在特定道路上实现自主识别道路行驶。其中,特定道路材质为PVC耐磨塑胶地板,宽度为450±5mm,特定道路的行车部分为白色,两侧有黑色边界线,宽度为25±5mm,在终点位置具有黑色终点线。

采用恩智浦的32位微控制器KL26单片机作为核心控制单元用于智能汽车系统的控制。在选定智能汽车系统采用光电传感器方案后,模型的位置信号由伺服舵机上安装的线性CCD,经KL26芯片的AD口接收后,用于模型的运动控制,同时KL26芯片内部发出PWM波,驱动直流电机对智能汽车进行加速和减速控制,以及伺服舵机对模型进行转向控制,使模型在赛道上能够自主循迹行驶。使用PID控制器调节直流电机的转速和伺服舵机的角度,实现了对模型车运动速度和运动方向的开环控制。具体的,通过调节舵机的值,从而调节占空比,来控制舵机的转向。当舵机值过大或过小时,轮胎会与车身相触碰,所以在舵机调节中时会给舵机一个界线值,防止汽车在转弯行驶时与车身发生触碰。在车身后部安装两个Rn-260直流电机用于驱动汽车,每个直流电机有正负极之分,要想控制轮子的转向和转速需要用到TPM四个通道来控制PWM波。当汽车遇到弯道时,利用PID控制器,控制两个轮子的转速,利用差速实现快速转弯。当车处于直道时,对车进行比例加速调节,这样,在一段道路中,可以快速高效的的行驶完。

为了提高模型车的速度和稳定性,使用上位机、拨码开关、键盘模块等调试工具,进行了大量测试。实验结果表明,该系统设计方案确实可行。

(二)汽车硬件电路设计

汽车硬件电路共包括六大部分:微控制器、电源管理部分、道路传感器、终点线检测器、电机驱动板、拨码开关和光耦隔离电路。

2.1微控制器:

在汽车所有的器件中,KL26微控制器为核心,是整个汽车的灵魂,负责接收每个传感器返回的信号并对其信号进行处理,控制两个直流电机和伺服舵机配合起来工作。

在芯片的选择上,采用恩智浦的32位微控制器KL26单片机作为核心控制单元,用于智能汽车系统的控制。

2.2电源管理部分:

在本汽车系统中,电源稳压电路分别需要有+6V,+5V,+3.3V供电。+6V单独给伺服舵机提供稳定电源,+5V为单片机、拨码开关、线性CCD等供电,+3.3V对液晶OLED供电。

6V电源模块:伺服舵机在转向时对于其他器件干扰较大,于是单独设计6V稳压电路给伺服舵机供电,此模块采用LM2941电压转换芯片将7.2V电池电压转换为6V电压,经测试该电压比较稳定,能满足伺服舵机转向时的需求。6V电源模块如图6所示。

5V电源模块:5V电源模块是本车的主要电路模块,因为LM2940电压转换芯片的稳压的线性度非常好而且转换压差比较大,经过比较采用LM2940电压转换芯片将7.2V电池电压转换为5V电压,为KL26单片机以及其他需要5V电源电压的模块供电。5V电源模块电路图如图4所示。

3.3V电源模块:汽车主板上的液晶屏可以实时显示汽车的参数,于是采用ASM117-3.3产生3.3V电压,给液晶屏供电。3.3V电源模块电路图如图5所示。

2.3道路传感器:

在赛道识别传感器上,选用蓝宙电子的TSL1401线性CCD传感器,它是光电组小车的眼睛,也是最重要的模块之一,能够识别白色的赛道以及黑色的赛道边线,对赛道状况的检测起着十分重要的作用。

TSL1401线性CCD传感器包含128个光电二极管的线性阵列,能够在较远距离采集到赛道黑线信息,前瞻较远,且黑线与背景压差较大,可非常简单的得到黑线位置信号。CCD传感器只扫描128个像素点,其自身的中值就是第64个像素点,通过比较,可以得出车的位置与道路中间位置的偏差,同时KL26单片机利用其内身TPM器件,进行脉宽调制,调节占空比,控制伺服舵机进行转向。当进入弯道时,除了控制伺服舵机进行转向外,还可以利用两个直流电机的差速进行转弯,这样提高了汽车转弯时的效率。CCD传感器模块电路图如图7。

2.4终点线检测器:

为了确保汽车终点线检测的稳定和准确,在该模块上,采用两个红外光电对管进行终点线的检测,红外光电对管检测路面信息的原理是通过发射管发射一定波长的红外线,经赛道地面反射到接收管。由于红外线在黑色和白色赛道上反射系数不同,在黑色赛道上大部分光线被吸收,而在白色赛道上可以反射回大部分光线,所以接收管在黑色和白色赛道上接收到的反射光强是不一样,这样就使得光电三极管的集电极电压发生变化,进行比较后就可以得到赛道黑白信息。

开始我们把光电传感器放在车身两侧,在测试过程中发现小车在过弯道和十字时传感器容易检测到赛道边缘黑线,从而将赛道边缘黑线误认为是黑色终点线。因此,发明人最终决定把光电传感器放在车身后面,这样可以保证汽车检测终点线时车身较正,效果明显比放在车身两侧要好的多。

2.5电机驱动板:

驱动电路对于汽车的重要性是不言而喻的,较好的制动能力和加速度对于汽车平均速度的提高有很大帮助。一般的,直流电机高效运行的方法最常见的是施加一个PWM(脉宽调制)方波,其通-断比率对应于所需速度。常用的电机驱动方式有两种:一、采用集成电机驱动芯片;二、采用MOS管搭建驱动,输出电流大,发热小,但是电路设计较为复杂,可靠性不高。

因此本汽车驱动电路设计采用是集成电机驱动芯片BTS7971,每一片芯片集成一个半桥,所以至少需要两片构成一个全桥。

拨码开关和光耦隔离电路:

拨码开关有四位,每位可以独立开合。当开关闭合时,相应端为低电平。当开关断开时,相应端为高电平。改变拨码开关的开合状态,可以改变程序中对应的速度值,从而改变电机的速度。拨码开关电路图如图8。

抗干扰的能力是现代电子电路设计里最关健的部分,而隔离是最有效方法之一。伺服舵机在转动过程中会产生较大的干扰,它可能通过电源来影响单片机的正常工作,加入光隔后,信号送下去了,而干扰又上不来,提高了系统的稳定性。

本实用新型设计的无人驾驶汽车模型是以主控芯片KL26为核心,采用Cortex M0+为内核。启动汽车后,线性CCD对道路进行扫描,利用ADC模块,进行A/D转换,由于白色跟黑色有明显的区分度,因此电压值会有明显的差别,将电压值通过UART异步串行通信方式发送到单片机,利用单片机对电压值处理,可以确定道路中间的位置,同时自身扫描的区域也会有一个中间值,由于CCD只扫描128个像素点,其自身的中值就是第64个像素点,通过比较,可以得到车的位置与道路中间位置的偏差,同时单片机利用其内身TPM模块,进行脉宽调制,调节占空比,控制舵机进行转向。当进入弯道时除了控制舵机进行转向外,还可以利用两个直流电机的差速进行转弯,这样提高了汽车转弯时的效率。

随着科学技术的不断发展,无人驾驶汽车技术已越来越趋近于现实。本实用新型提供的基于KL26的无人驾驶汽车模型,具有以下优点:

(1)对稳压电路进行设计,为降低舵机对其他器件的干扰,将舵机供电电源独立出来,保证所有器件供电电源的稳定性,提高各器件的使用性能;

(2)集成道路传感器和终点线检测器,通过对道路传感器的选型和安装方式的设计,即:采用道路传感器通过碳素杆安装于高于车辆的位置,并采用TSL1401线性CCD传感器进行道路信号的采集,实现在较远距离采集到赛道黑线信息,保证道路信息采集的可靠性和准确性;通过对终点线检测器进行设计,即:将红外光电对管布置于车身后面,而非车身两侧,从而有利于提高终点线检测的准确性;所有这些硬件上面的综合设计使用,为模型实现无人驾驶提高了基础。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。

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