第3章 路径识别系统设计
范围内可根据电压与黑线位置的关系曲线定位黑线的位置,所以通过这种方式可在传感器数量和布局受到限制的条件下对黑线位置进行精确定位。
经过方案的综合比较，我们采用了方案三，并采用TCRT5000一体化光电管。
该光电管外壳时由塑料聚碳酸酯材料制成，可以有效预防光色亮度干扰。TCRT5000原理图如下所示。
图3.1 TCRT5000原理图
3.3 光电管驱动电路设计
由于光电管长时间工作会有发热量大的缺点，对道路的识别有不小的影响，因此我们采用IRF540N的N沟道MOSFET管进行光电管驱动。MOSFET管具有自关断能力，而且驱动功率小，关断速度快等优点，是目前开关电源中常用的开关器件。
图3.2 硬件结构
图3.3 MOSFET管结构
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第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告
我们采用PWM输出脉冲宽度来控制MOSFET管的通断。当PWM为高电平时，MOSFET导通，进而光电管导通（正常工作），当PWN为低电平时，MOSFET管关断，光电管不工作。而且，两排的光电管采用不同频率的PWM控制，从而达到分层次控制小车的目的。
加入MOSFET驱动不仅消除了光电管长时间工作发热量大的缺点，而且可以减小电源功耗。
3.4 红外传感器的布局
红外传感器安装方式在路径识别中的作用也不可小觑。传感器的安装一般要考虑下面几个问题。
（a） 一排安装还是两排安装。两排安装除了可以获取道路的中心位置，同时可以得到道路的方向信息，，但是它是以降低检测空间分辨率作为代价的。
（b） 排列的几何形状。一般用“一”字型排列，“八”字型排列及“W”型排列等。其中“一”字型排列是最常用的布局形式，即各个传感器都在一条直线上，从而保证了纵向的一致性，使其控制策略集中在横向上。“八”字型排列与“一”字型相似，但它增加了纵向的特性，从而具有一定的前瞻性。“W”型排列则能更好的预测弯道的出现。可见，八字型和W型比较一字型能更好的使智能车在加速及过弯道能力有所提高，但其控制算法相对比较复杂。
（c） 分布密度。红外传感器分布间距与道路中心线的宽度以及红外传感器距离地面的距离有关系，一般要满足传感器下面的道路中心线可以引起一个或者两个传感器相应为准。
（d） 传感器相对地面的高度与角度。这两个参数决定了检测道路的范围。传感器的高度以及相对垂直地面的角度越大，它的检测前瞻距离越远，同时检测道路的宽度也越大。
（e） 红外传感器的探出距离。这个距离是指传感器安装位置超出车模前端的距离。
起初，我们采用双排一字型安装的方法，其中后排传感器离地高度2.5 cm，探出距离4cm，传感器分布密度为2.5 cm，前排传感器离地高度为10.5 cm，探出距离为 14 cm，前瞻距离为20cm，传感器分布密度为2.5 cm．前后排传感器各有7个，共14个光电传感器。考虑到传感器距离地面的角度对检测距离的影响不是太大，其角度的安装困难等因素，我们后排采用了垂直地面的安装，前排使用了大前瞻安装。在进行一系列的试验后，综合考虑以上因素，对前排传感器进行了改造升级：采用更大功率的发光单管
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第3章 路径识别系统设计
配合相应的接收管，以获得更远赛道的信息。
3.5 路径识别
图3.4 路径识别电路
上图中蓝色方框内为tcrt5000，其中 1 2 3 4 为管脚。上图电路的工作原理是这样的，发射管加电压vcc，二极管导通，发射管点亮发光，接受管足够多的接受由发射管提供的光后导通，由电路知识可知，当接收管导通时，引脚3输出高电压，反之输出低电压。对应跑道来说，当光电管正对黑色跑道时，由于黑色都光线的吸收能力强，相应接收管接受的光太少不足以使其导通，所以输出低电平，白色跑道时则为高电平，把3脚接入单片机的A/D转换引脚，经A/D转换，区分高低电平，从而完成对跑到的识别。
另外，需要对该电路说明的是两个电阻的选择（接收管和发射管相连的）。R1起到限流的作用，在实验中我们发现，R1越小，越有利于道路的识别，因为当R1较小时，流经二极管的电流比较大，能识别较远的距离，但电阻太小，发热又比较严重，甚至可以将管子烧掉，经过多次的实验计算，我们选择了50欧。R2则是要求较大值，电阻较大，相应对应的输出电压较大，黑白线对应的电压差值也就较大，有利于单片机的处理。
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第4章 硬件电路设计
4.1 电源模块
智能车系统根据各部件正常工作的需要，对配发的标准车模用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄电池进行电压调节。其中，单片机系统、传感器电路需要5V电压，伺服电机工作电压范围4.8V到6V，本系统采用6V供电，直流电机驱动模块使用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄电池直接供电。
单片机和光电传感器都是用5V供电，考虑到光电传感器发光可能对单片机工作造成影响，我们用两片LM2940分别对其供电，增强了设备的稳定性。其原理图如图4.1所示。
图4.1 5V供电电路
舵机采用的是6V供电，我们采用了芯片TPS7350将7.2V电压降为6v。TPS7350是一种开关电源调节器，它以完全导通或关短的方式工作，通过控制开关的导通和截止时间，有效的减少了工作中的热损失，保证了较高的电源利用率，同时，它对来自电源的高频干扰有较强的抑制作用。其电路原理图如图4.2所示。
图4.2 6V供电电路
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第4章 硬件电路设计
4.2 直流电机驱动模块
绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。
图4.3 PWM调速控制原理和电压波形图
图4.3是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。在上图中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压 。 秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。 秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样．对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图4.3(b)所示。
电动机的电枢绕组两端的电压平均值 为：
tU?0t1 U0?1s?Us??Us (1)
t1?t2T式中?——占空比，??t1。 T由上述公式可知：当电源电压 不变的情况下。电枢的端电压的平均值 取决于占空比 的大小，改变 值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。
在本次设计中，直流电机的控制由单片机的PWM信号来完成，驱动芯片采用飞思卡尔半导体公司的半桥式驱动器MC33886。
MC33886是一款H桥式驱动器，采用MOTOROLA的SMARTMOS专
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