基于32位MCU的视觉导引自平衡车控制系统硬件设计+电路图(3)
1.5 本文主要研究内容和组织结构
本文以第九届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛为背景，按照官方指定的规则，提出了基于32位MCU的视觉引导自平衡智能车控制系统的硬件设计方案[17]-[18]，主要从硬件电路和机械结构这两个方面对智能车进行设计与调整：
（1）对车模机械结构改造和调整，调整电池的位置使得重心变低，加固车模底盘，安装摄像头，安装陀螺仪加速度计模块，安装编码器等。
（2）设计智能车硬件电路，首先选用核心芯片，分配好管脚资源给硬件电路中设计的每个模块。然后分析各个模块电路的原理，选择合适的芯片和封装，设计小车原理图后画出小车的PCB板，把选型的芯片焊接到PCB板上，在小车上固定PCB板和传感器，完成小车组装。
（3）检测并确认每个分模块都能正确稳定工作之后，通过JTAG接口下载编好的程序，完成系统联调。
本文结构安排如下：
第一章，简介了智能车的研究背景和意义，目前智能车在国外和国内发展情况，关于智能车的重要技术，最后介绍飞思卡尔比赛对大学生产生积极的影响并且介绍了这个比赛的规则。
第二章，介绍了摄像头两轮自平衡车总体硬件设计。在本章节里，通过对已有资料分析，减速硬件电路设计的方案，决定采用模块化思想，画出各个模块和核心板的硬件连接，最后说明了小车控制工作的原理。
第三章，摄像头组小车硬件电路设计。在本章里，介绍了每个硬件电路模块的电路和具体功能，设计每个模块的原理和器件选型。
第四章，小车硬件电路PCB设计。在本章里，主要讲述使用Protel对每个模块的PCB图进行绘制应该注意的问题和布线的原则，深刻了解EMC理论有助于合理布局和布线。
第五章，车模的改造。在本章里，对两种车模进行选择，并且对车模进行底盘的固定，电池的安装，摄像头的安装，车身测量模块的固定，PCB板的固定。
第吹冰章，各个模块的检测和整车调试。首先分模块对各个硬件电路进行测试，确认无误后，进行系统联调。
2 视觉引导自平衡车控制系统总体设计
2.1 系统设计方案
硬件电路是成功制作一个小车的基础，对硬件系统进行合理的设计能减少错误，使得电路布局更规范。优秀的硬件设计也为软件搭建了一个良好的平台，不仅保证小车运行稳定，也能方便后期的调试等工作。
和往届比赛不同的是，第九届智能车比赛摄像头组别要求小车能够直立实现自平衡，要保持小车直立就需要知道小车倾角，所以通过陀螺仪和加速度计来共同获取小车的倾角[19]-[21]。由于是两轮差速小车，要能够控制两个电机的速度来实现加减速和转向，采用光电编码器来及时获取小车的速度，来达到闭环控制。为了能按照规定赛道行驶，采用摄像头及时获取赛道信息，计算出赛道中线，跟踪赛道中线行驶，使得小车不偏离赛道。所以智能车运动控制过程中有三个闭环控制同时作用在电机上。
在机械设计方面，需要改造小车机械结构，使车模的重心降低，有利于保持车身品衡，这主要需要调整电池的安装位置即可，因为电池占了很大一部分小车的重量。同时也要尽量较少小车的质量，是小车惯量减少，有利于控制。
在硬件电路设计方面，首先选用飞思卡尔公司的K60芯片作为核心芯片，该芯片基于Arm Cortex-M4内核，处理功能强大，功能外设丰富。选用CMOS数字摄像头OV7725来采集赛道信息。人机接口部分由按键电路和液晶屏组成。使用欧姆龙光电编码器测量电机转速。使用电子产商提供的模拟加速度集成模块。