一种教学智能车控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种教学智能车的控制系统，该系统包括电源模块、图像采集模块、传感器模块、控制模块、运动执行模块、通讯模块、数据存储模块，所述图像采集模块连接控制模块，用于采集图像信息、电磁信息并发送给控制模块进行信息处理，进而生成运动控制信息；所述运动执行模块连接控制模块，用于根据所述运动控制信息，实现模型车的转向和变速；所述传感器模块连接控制模块，检测运动执行模块的执行情况，并将这些信息反馈给所述控制模块,控制系统进行处理并修正运动控制信息；所述通讯模块连接控制器模块，用于通过无线方式对所述智能车进行控制和跟踪；本实用新型系统全面,同时涉及4个系列单片机；接口资源丰富,具备小车上所有的电器模块；功能多样，能够实现不同方式的行驶。
【专利说明】一种教学智能车控制系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及电气自动化、汽车电子领域，特别涉及教学智能车控制系统。
【背景技术】
[0002] 21世纪随着的我国经济快速发展，高素质人才需求不断增加。这是现阶段经济社 会发展的客观要求，这也促进我国高等教育不断改革。为了培养学生的综合素质、提高学生 创新能力，教育部及高校进行了很多探讨，如组织了很多课外实践竞赛活动：全国大学生 电子设计竞赛，全国大学生机械创新设计大赛，全国大学生智能汽车竞赛，全国大学生数 学建模竞赛，机器人创新大赛等活动。这些竞赛活动是面向全国大学生的一种具有探索性 工程实践活动。通过这些年竞赛，可以看出在促进高等学校素质教育，培养学生的综合知识 运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能方 面有了很好的效果。这种综合性强、专业性高的竞赛需要一定水平的学生投入大量的精力， 同时要求有一个很好的硬件平台提供给学生学习。而这些硬件开发平台的模块搭建相对复 杂，学生自己开发周期长，制作费用也相对较高。因此，普及性不高只锻炼了少部分学生 的能力，同时市场上也有51系列的单片机开发板，但因为其内核简易，功能少不能满足复 杂的控制系统。
【发明内容】
[0003] 本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种教学智能车控制系统，控 制器具有接口资源丰富、功能全面、功能多样、快速入门的特点。
[0004] 一种教学智能车的控制系统，统包括电源模块、图像采集模块、传感器模块、控制 模块、运动执行模块、通讯模块、数据存储模块，所述图像采集模块连接控制模块，用于采集 图像信息、电磁信息并发送给控制模块进行信息处理，进而生成运动控制信息；所述运动执 行模块连接控制模块，用于根据所述运动控制信息，实现模型车的转向和变速；所述传感器 模块连接控制模块，检测运动执行模块的执行情况，并将这些信息反馈给所述控制模块， 控制系统进行处理并修正运动控制信息；所述通讯模块连接控制器模块，用于通过无线方 式对所述智能车进行控制和跟踪；所述数据存储模块连接控制器模块，用于对所述智能车 采集的数据进行存储。
[0005] 所述电源模块连接主控制模块，用于为系统各模块供电。
[0006] 该系统还包括人机交互接口，所述人机交互接口连接主控制器模块，用于开发人 员对控制程序参数设定修改。所述的数据存储采用SD卡。
[0007] 该系统还包括扩展接口，所述扩展接口连接主控制器模块。
[0008] 所述的扩展接口包括预留10接口和预留AD接口；所述预留10接口，用于拓展的 数字信息的输入输出；所述的预留AD接口，用于拓展的模拟信号的输入。
[0009] 所述的电源模块包括用于为系统各种模块提供电源的主电源单元、用于为拓展接 口供电的拓展电源单元和备用电源单元。
[0010] 所述的图像采集模块包括：一路摄像头、两路电磁传感器和三路线性C⑶传感器； 所述两路电磁传感器，用于采集路面交流变化的磁场信息；所述摄像头传感器，用于采集路 面颜色信息；所述线性CCD传感器，用于采集路面颜色信息。
[0011] 所述的传感器模块包括陀螺仪传感器、加速度传感器和两路编码器；所述陀螺仪、 加速度传感器，用于监测所述智能车姿态角及运动方向；所述编码器，提供测量所述智能车 的转速测定所述智能车的运行速度。
[0012] 所述的运动执行模块包括电机驱动和舵机；所述电机驱动，用于驱动所述智能车 的速度，同时兼容单电机驱动和双电机驱动模式；所述舵机，用于控制所述智能车的方向。
[0013] 本实用新型的有益效果为：1、系统全面，同时涉及4个系列单片机；2、接口资源 丰富，具备小车上所有的电器模块；3、功能多样，能够实现不同方式的行驶；4,快速入门， 开发人员借助此平台很快可以进行程序开发。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 下面对本实用新型说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
[0015] 图1本实用新型实施方式中教学智能车控制系统的结构框图；
[0016] 在图1中，100.电源模块，101.主电源单元，102.备用电源单元、103.拓展电源单 元；200.控制模块，201. XS128最小系统模块，202. MK60最小系统模块，203. KL25最小系 统模块，204. MCF5225X最小系统模块，300.图像采集模块，301.电磁传感器，302.摄像 头，303.线性C⑶传感器，400.传感器模块，401.陀螺仪传感器，402.加速度传感器，403. 编码器，500.扩展接口，501.预留10接口，502.预留AD接口，600.人机交互接口，601. 按键，602. 0LED液晶屏，700.运动执行模块，701.电机驱动接口，702.舵机，800.通讯模 块，900.数据存储模块。
【具体实施方式】
[0017] 下面对照附图，通过对实施例的描述，本实用新型的【具体实施方式】如所涉及的各 构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工 艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本实用新型的发明 构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
[0018] 如图1所示，所述教学智能车控制系统包括：电源模块100、控制模块200、图像采 集模块300、传感器模块400、扩展接口 500、人机交互接口 600、运动执行模块700、通讯模 块800、数据存储模块900。所述电源模块100连接控制模块200,为控制模块200及各个 模块提供电源；所述图像采集模块300连接控制模块200,用于采集各种图像信息、电磁信 息，所述的图像信息、电磁信息给所述控制模块进行信息处理，进而生成运动控制信息；所 述传感器模块400连接控制模块200,检测所述运动执行模块的执行情况，并将这些信息反 馈给所述控制系统，控制系统进行处理并修正运动控制信息；所述运动执行模块700连接 控制模块200,用于根据所述运动控制信息，实现模型车的转向和变速。
[0019] 所述的控制t旲块200能够支持Freescale四种系列单片机最小系统|旲块，包括： XS128最小系统模块201，MK60最小系统模块202, KL25最小系统模块203, MCF5225X最小 系统模块204 ;所述XS128最小系统模块201，用于所述Freescale XS128系列单片机，对所 述智能车进行控制；所述MK60最小系统模块202是智能车控制系统的信息处理、运算控制 中心，采集各个信息并输出控制信息用于对所述智能车进行控制；所述KL25最小系统模块 202是智能车控制系统的信息处理、运算控制中心，采集各个信息并输出控制信息用于对所 述智能车进行控制；所述MCF5225X最小系统模块204是智能车控制系统的信息处理、运算 控制中心，采集各个信息并输出控制信息用于对所述智能车进行控制，控制器模块和控制 器系统的各个模块接口连接完全兼容。
[0020] 所述XS128最小系统模块201采用Freescale公司的16位S12X V2CPU内核微控 制器MC9S12XS128MAL，此芯片40MHz总线频率、带错误校正功能（ECC)、8KB Flash用于实 现数据或程序存储、8路16位计数器、4路外部事件触发中断输入端口、1个SPI模块、2个 SCI串行通信模块支持LIN总线、1个CAN总线模块、8路PWM、16路ADC等。由此可看出所 述XS128最小系统模块采用一些外围电路模块就可以搭建一个完善智能车控制系统；所述 MK60最小系统模块202采用Freescale公司的32位基于ARM Cortex TM-M4内核低功耗、 混合信号微控制器MK60DN512ZVLQ10,是Kineits系列中集成度最高的芯片。K60芯片具有 32路DMA供外设和存储器，100MHz总线频率，512K Flash和128K SRAM，33路单路和4路差 分的16位AD转换，2路12位DA转换，8路电机控制，2路方波解码，4路可编程定时器，SD 卡主机控制器，6路UART，IIC，IIS，SPI，CAN，USB2. 0全速和高速接口支持OTG，IEEE1588 以太网接口等。由此可看出所述XS128最小系统模块采用一些外围电路模块就可以搭建 一个完善智能车控制系统；所述KL25最小系统模块203采用Freescale公司的Kinetis L 系列微控制器目前市场上能效极高的32位微控制器MKL25Z128VLK4。此芯片采用是基于 Corte X-M0+内核具有功耗极低、处理数据能力较强，48MHz总线频率，90nm薄膜存储（TFS)、 带有位处理引擎，深度睡眠模式下，可在不唤醒内核的情况下进行智能决策并处理数据。由 此可看出所述KL25最小系统模块采用一些外围电路模块就可以搭建一个完善智能车控制 系统；所述MCF5225X最小系统模块204采用Freescale公司32位的ColdFire系列微控 制器MCF52255CAF80,此芯片是带MMU和EMAC的V4内核，80MHz总线频率，16通道的DMA控 制器，带ULPI支持的USB2. ΟΟη-the-Go控制器，32位PCI控制器，2个以太网MACs，随机数 产生器，同步串行接口（SSI)，4个周期中断定时器（PIT)，4个带DMA支持的32位定时器， DMA支持的串行外设接口（DSPI)，3个UARTs，I2C总线接口等。这几款芯片16至32位的 内核、40至100MHz的总线频率能高效并且易于使用的控制和信号处理能，ADC、SCI、LIN、 CAN、PWM、Timer等资源可以完成电压采集、通信、定时、电机控制等功能。由此可看出所述 MCF5225X最小系统模块采用一些外围电路模块就可以搭建一个完善智能车控制系统。
[0021] 所述的电源模块100包括主电源单元101，备用电源单元102和扩展电源单元 103 ;所述主电源单元101是蓝宙电子设计的一款具有3. 3V、5V、6V、12V多项电压输出的模 块，用于提供各种模块的电源；所述备用电源单元102,用于提供控制器模块的电源；所述 扩展电源单元103具有3. 3V、5V、12V多项电压输出，用于提供拓展模块的电源。
[0022] 所述的图像采集模块300包括：两路电磁传感器301，一路摄像头302和三路线性 CCD传感器303 ;所述两路电磁传感器301是蓝宙电子设计的一款将弱小电磁信号放大的模 块，用于采集路面特定频率交流变化的磁场信息；所述摄像头传感器302采用0V7620数字 摄像头，用于采集路面颜色信息；所述线性CCD传感器303采用蓝宙设计的一款TSL140带 运放处理的模块，用于采集路面颜色线性信息。
[0023] 所述的传感器模块400包括：陀螺仪、加速度传感器401接口和两路编码器202 ; 所述陀螺仪、加速度传感器401采用ENC-03R陀螺仪芯片和MMA7361LC加速度芯片，用于监 测所述智能车姿态角及运动方向；所述编码器402可用市场上欧姆龙编码器或光电码盘均 可测量所述智能车的转速，再将这些转速输入给主控制器，控制器模块进行计算就可以转 换成所述智能车的运行速度。
[0024] 所述的教学智能车控制系统还包括：扩展接口 500 ;所述扩展接口 500连接主控制 器板200,用于对所述智能车其他功能的拓展。
[0025] 所述的扩展接口 500包括：预留10接口 501和预留AD接口 502 ;所述预留10接 口，用于拓展的数字信息的输入输出；所述的预留AD接口，用于拓展的模拟信号的输入。
[0026] 所述的教学智能车控制系统还包括：人机交互接口 600 ;所述人机交互接口 600连 接主控制器板200,用于开发人员对控制程序参数设定修改。
[0027] 所述的人机交互接口包括：5路按键601和0LED液晶屏602 ;所述5路按键用于 开发人员对模式选择和车速参数设置；所述0LED液晶屏（Organic Light-Emitting Diode) 显示车辆参数信息。其具备轻薄、省电等特性，这种显示设备在MP3播放器上得到了广泛应 用，所以购买学习开发也很方便。
[0028] 所述的运动执行模块700包括：电机驱动701和舵机702 ;所述电机驱动701采用 集成电机驱动芯片，通过单片机输出的PWM值驱动所述智能车的速度，同时兼容单电机驱 动和双电机驱动模式；所述舵机702用于控制所述智能车的方向。
[0029] 所述的教学智能车控制系统还包括通讯模块800 ;所述通讯模块800连接控制模 块200,用于通过无线方式对所述智能车进行控制和跟踪。
[0030] 所述的通讯模块采用无线蓝牙模块801，同时也支持其他无线模块如WIFI模块 等；所述无线蓝牙支持通用异步串行通信协议（UART)进行通讯，此种模块市场上也很常见 使用也很方便。
[0031] 所述的教学智能车控制系统还包括数据存储900 ;所述数据存储连接控制模块 200,用于对所述智能车采集的大量数据进行存储。
[0032] 所述的数据存储采用SD卡模块901 ;所述SD卡模块901，将所述控制器模块的单 片机处理数据进行片外数据存储。
[0033] 电磁信号识别自动行驶：所述智能车按照指定的地图，通过电磁传感器301采集 特定频率变化的磁场信号进行放大后输入给控制器模块AD接口，控制器模块进行计算出 车辆的偏离轨迹的位置，再通过编码器402测得的脉冲信号输入给控制模块200算出当前 的车速。控制模块200通过当前的车速和位置进行PID算法处理，输出相应的PWM值给电 机驱动701使其驱动智能车运动，同时也输出相应PWM而给舵机702使其智能车实现转向。
[0034] 线性CCD图像识别直立自动行驶：所述智能车按照指定的地图，加速度、陀螺仪传 感器301采集车辆的加速度值和角速度值输入给控制器模块AD接口，控制器模块算出车辆 直立的态通过PID算法处理输出PWM信号给电机驱动701使其驱动智能车运动保持车体直 立。线性CCD传感器303采集引导线信号输入给控制器模块AD接口，控制器模块芯片进行 计算出车辆的偏离轨迹的位置，再通过编码器402测得的脉冲信号输入给控制模块200算 出当前的车速。控制模块200通过当前的车速和位置进行PID算法处理，输出相应的PWM 值给双电机驱动701使其驱动智能车运动，同时利用两个电机的不同速度实现转向。
[0035] 无线遥控勘探：所述智能车，通过摄像头传感器303采集周边图像输入给主控制 器AD接口，控制器模块进行图像处理，再通过蓝牙模块801传输入给的电脑。操作人员通 过传回来的图像进行判断是否到达指定勘测地点。如果没有，操作人员通过无线遥控让小 车到达指定地点进行勘测。
[0036] 本实用新型的只是在系统结构方面创新，本实用新型的"控制模块"等计算 机相关程序为现有技术，数据处理和图像处理为"控制模块"（计算机）的最主要的作 用之一，目前计算机程序在数据处理相关方面已经非常成熟，能够处理各种数据；目前 ZL201220460863. 3等专利都说明"控制模块"在数据处理和图像处理等的程序方面都为现 有技术。
[〇〇37] 上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受 上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改 进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型 的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种教学智能车的控制系统，其特征在于：该系统包括电源模块（100)、图像采集模 块（300 )、传感器模块（400 )、控制模块（200 )、运动执行模块（700 )、通讯模块（800 )、数据存 储模块（900)， 所述图像采集模块（300)连接控制模块（200)，用于采集图像信息、电磁信息并发送给 控制模块进行信息处理，进而生成运动控制信息； 所述运动执行模块（700 )连接控制模块（200 )，用于根据所述运动控制信息，实现模型 车的转向和变速； 所述传感器模块（400)连接控制模块（200)，检测运动执行模块的执行情况，并将这些 信息反馈给所述控制模块，控制系统进行处理并修正运动控制信息； 所述通讯模块（800)连接控制器模块（200)，用于通过无线方式对所述智能车进行控 制和跟踪； 所述数据存储模块（900)连接控制器模块（200)，用于对所述智能车采集的数据进行 存储， 所述电源模块（100)连接控制模块（200)，用于为系统各模块供电。
2. 根据权利要求1所述的教学智能车的控制系统，其特征在于：该系统还包括人机交 互接口（600)，所述人机交互接口（600)连接控制器模块（200)，用于开发人员对控制程序 参数设定修改。
3. 根据权利要求1所述的教学智能车的控制系统，其特征在于：所述的数据存储模块 (900)采用SD卡。
4. 根据权利要求1所述的教学智能车的控制系统，其特征在于：该系统还包括扩展接 口（ 500 )，所述扩展接口（ 500 )连接控制器模块（200 )。
5. 根据权利要求4所述的教学智能车控制系统，其特征在于：所述的扩展接口（500)包 括预留10接口（501)和预留AD接口（502);所述预留10接口（501)，用于拓展的数字信息 的输入输出；所述的预留AD接口（502)，用于拓展的模拟信号的输入。
6. 根据权利要求1所述的教学智能车控制系统，其特征在于：所述的电源模块（100)包 括用于为系统各种模块提供电源的主电源单元（101)、用于为拓展接口供电的拓展电源单 元（103)和备用电源单元（102)。
7. 根据权利要求1所述的教学智能车控制系统，其特征在于：所述的图像采集模块 (300)包括一路摄像头（302)、两路电磁传感器（301)和三路线性(XD传感器（303);所述两 路电磁传感器（301)，用于采集路面交流变化的磁场信息；所述摄像头传感器（302)，用于 采集路面颜色信息；所述线性CCD传感器（303)，用于采集路面颜色信息。
8. 根据权利要求1所述的教学智能车控制系统，其特征在于：所述的传感器模块（400) 包括陀螺仪传感器（401)、加速度传感器（402)和两路编码器（403);所述陀螺仪（401)、加 速度传感器（402)，用于监测所述智能车姿态角及运动方向；所述编码器（403)，提供测量 所述智能车的转速测定所述智能车的运行速度。
9. 根据权利要求1所述的教学智能车控制系统，其特征在于：所述的运动执行模块 (700)包括电机驱动（701)和舵机（702);所述电机驱动（701)，用于驱动所述智能车的速 度，同时兼容单电机驱动和双电机驱动模式；所述舵机（702)，用于控制所述智能车的方 向。
【文档编号】G05D1/02GK203838556SQ201420152503
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】金立立, 闫琪, 王江, 朱德亚, 熊小龙, 廉德富 申请人:芜湖蓝宙电子科技有限公司