飞思卡尔杯全国大学生智能汽车邀请赛 北理风行者车队技术报告Word下载.docx

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4.5串行通讯接口电路22

4.6速度检测模块22

4.7现场调试模块24

第五章软件设计说明25

5.1总体控制流程图25

5.2工作原理26

5.3PID控制以及PID参数的整定26

5.4小车控制策略28

5.5光电智能车模糊PID控制方法28

5.6软件开发环境33

第六章模型车各项参数37

第七章结论38

7.1本系统的所具有的特点38

7.2本系统存在的问题38

7.3本系统可行的改进措施39

参考文献40

附录A模型车控制主程序代码I

第一章引言

1.1研究背景介绍

教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，在已举办全国大学生数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等大竞赛的基础上，经研究决定，委托教育部高等学校自动化教学指导分委会主办每年一度的全国大学生智能汽车竞赛，并成立了由教育部、自动化分教指委、清华大学、飞思卡尔半导体公司等单位领导及专家组成的“第一届‘飞思卡尔’杯全国大学生智能汽车邀请赛”组委会。

该竞赛是为了提高大学生的动手能力和创新能力而举办的，具有重大的现实意义。

与其它大赛不同的是，这个大赛的综合性很强，是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感、电子、电气、计算机和机械等多个学科交叉的科技创意性比赛，这对进一步深化高等工程教育改革，培养本新意识，培养硕士生从事科学、技术研究能力，培养博士生知识、技术创新能力具有重要意义。

以智能汽车为研究背景的科技创意性制作，是一种具有探索性的工程实践活动，其本质也是人类创造有用人工物的一种训练性实践，其过程属性是综合，而结果属性很可能是创造。

通过竞赛，参赛的同学们培养了对已学过的基础与专业理论知识与实验的综合运用的能力；

带着背景对象中的各种新问题，学习控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科新知识，包括来自不同学科背景大学生的相互学习，逐渐学会了在学科交叉、集成基础上的综合运用；

若是以实用为目的，还必须考虑考虑可靠性、寿命、外观工业设计、集成科学与非科学，在具体约束条件下融合形成整体的综合运用。

这样的训练是很有意义的。

在智能车的开发过程中，各参赛队伍需要改装竞赛车模，完成只能巡线小车的制作。

在此过程中需要学习嵌入式系统开发环境与在线编程方法、单片机接口电路设计，自行设计并实现识别引导黑线的硬件电路、电机的驱动电路、车速反馈电路、智能车舵机控制电路以及能使小车在不驶出赛道的前提下可能快速行驶的控制策略与软件算法。

第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛，已于2006年8月21日在清华大学顺利结束。

为了使更多的高校、更

多的大学生参与到这一活动中来，第二届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的理工类高等本科学校约270余所参赛，每个参赛学校限2个队；

分五个赛区进行预赛，各分赛区的优胜队参加决赛。

第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛将参赛规模扩大到每校四个队伍，比赛的普及性进一步提高。

第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛和第四届一样每校四个队伍，但参加全国竞赛每个赛区每个组别只能有一个队伍。

智能车的开发与设计涉及到多个专业领域，对于大学生综合素质的培养，知识面的拓展和分析问题解决问题的能力的提高很有意义，并且有利于提高大学生的动手能力、激发创新能力。

此外，制作这样一个高性能智能小车的过程，也是需要同组成员相互协作、紧密配合的过程，在此过程中，团队成员的交流与合作也显得尤为重要。

本次比赛分为光电与摄像头两个赛题组，在车模中使用透镜成像进行道路检测方法属于摄像头赛题组，除此之外则属于光电赛题组。

论文中主要介绍光电赛题组的智能车制作。

1.2系统方案介绍

在方案设计的过程中，我们参阅了很多兄弟院校的往届大赛技术报告，如清华大学、北京科技大学。

在国内，他们对智能车研究起步的比较早，例如清华大学首创记忆算法、北京科技大学创先使用激光管。

但是，基于本次大赛的比赛要求，即车在三次机会内只要完整地跑下一圈便计入成绩，所以不能像上一届一样采取跑一圈停车的策略。

由车手根据在现场调试和试跑时的状况，通过按键，适当改变参数。

因此今年不能使用清华首创的记忆算法，对于LED组来说，提高小车的速度和稳定性，其实际问题是如何更早且更好的提取到赛道信息。

所以今年我们采取的策略是激光传感器加上人工调参，以此来实现目标。

1.3章节安排

本技术报告总共分为七个章节。

第一章节是引言，主要介绍研究背景、系统方案等。

第二章节是技术方案概要说明，主要内容是对整个技术方案的概述。

第三章节是机械系统设计说明，主要对小车的机械结构以及运动性能进行了分析，得出了一些小车在设计安装过程中应该要注意的问题。

包括智能车前轮定位的调整、转向机构调整优化、后轮减速齿轮机构调整、其他机构的调整等。

第四章节是对硬件电路设计的说明，主要介绍系统传感器的设计及其他硬件电路的设计原理、创新点和实现过程等。

第五章节是对系统软件设计部分的说明，主要内容是智能模型车设计中主要用到的控制理论、算法说明及代码设计介绍等。

第六章节是模型车的各项参数，包括车模基本尺寸，电路功耗以电容总容量等。

第七章节是结论，对本模型车的特点、存在的问题、可行的改进措施等。

第二章技术方案概要说明

2.1智能车系统分析

在满足大赛要求的前提下，设计的智能小车应具有良好的自主道路识别能力和稳定性，并能以较快的速度行驶。

因此，智能小车系统的设计主要包括以下两部分：

1、完成智能小车控制器的硬件电路设计，根据大赛要求，调整和改进智能车模的机械结构，最大限度的发挥小车的性能。

2、结合软件算法，使小车转向准确、稳定，能够安全通过各种弯道和十字交叉路口。

在保证智能车可靠运行的前提下，电路设计尽量简洁紧凑，以减轻系统负载，提高智能车的灵活性，同时应充分发挥创新原则，以简洁但功能完美为出发点，并以稳定性为首要前提，实现智能车快速运行。

作为能够自动识别道路运行的智能汽车，信息处理与控制算法至关重要，主要由运行在单片机中的控制软件完成。

因此，控制软件的设计是智能车的核心环节。

2.2智能车系统硬件结构设计

经过分析整个智能车系统，可知系统完成的功能如图2.1所示。

图2.1系统硬件结构框图

其中MC9S12DG128是系统的核心部分。

它负责接收赛道信息、小车速度等反馈信息，并对这些信息进行恰当的处理，形成合适的控制量来对舵机与驱动电机进行控制。

舵机模块和电机驱动分别用于实现小车转向和驱动。

电源管理模块主要为单片机及路径识别电路、转向舵机、后轮驱动电路三大部分提供稳定的直流电源。

路径识别模块由S12的AD模块、传感器和外围电路组成。

其功能是获取前方赛道的信息，以供S12作进一步分析处理。

速度检测模块由S12的增强型捕捉计数模块、传感器和外围电路组成，通过检测赛车的实时车速为赛车的车速控制提供控制量。

2.3智能车系统软件结构设计

如果说系统硬件对于智能车来说是它的骨架和躯体，那么软件算法就是它的思想。

软件算法的优劣直接体现了智能车辆的“智能”高低。

所以软件系统对于智能车来说至关重要。

首先，赛车系统通过路径识别模块获取前方黑色引导线的信息，同时通过速度检测模块实时获取赛车的速度。

利用连续路径识别算法求得赛车与黑线位置的偏差，接着采用P方法对舵机进行控制，根据检测到的实时车速，结合模糊控制策略对赛车速度进行恰当的控制调整，使赛车在符合比赛规则情况下沿赛道快速前进。

赛车系统的软件流程如图所示。

图2.2系统控制流程图

第三章机械系统设计说明

智能小车的机械性能对于其行驶表现具有非常重要的影响，任何控制算法和软件程序都需要通过智能小车的机械结构来执行和实现。

为使模型车在比赛中发挥出最佳性能，使其直线行驶稳定，入弯转向灵活，结合汽车理论相关知识对智能小车的运动特性进行分析，并据此对智能小车的底盘结构进行相应的调整和参数优化。

3.1智能车的整体结构

此次比赛选用的赛车车模采用1/10的仿真车模。

赛车机械结构只使用竞赛提供车模的底盘部分及转向和驱动部分。

控制采用前轮转向，后轮驱动方案。

具体车模数据如下：

表3-1车模基本尺寸参数

轴距

197cm

前轮距

124cm

后轮距

136cm

车轮直径

50cm

车长

316mm

车宽

172m

传动比

18/76

模型车的底盘结构图如图3.1。

图3.1模型车的底盘结构

3.2智能车运动学状态方程

在只考虑车辆的平面运动情况下，当转向时，车辆只做平面运动及平面旋转运动，如图3.2、3.3所示。

图3.2小车转向示意图

图3.3转向平面图

由角速度的定义可知

公式1

公式2

可以将车辆的角速度

表示如下：

公式3

其中，

为车辆后轮轴中心线速度，L为车辆轴距，

为前轮转角。

则小车方位偏差

为：

=

公式4

其中

为跟踪路径曲率变化对侧向偏差的影响，当跟踪路径为直线时其值为零。

不考虑车辆侧滑时，车辆前轮轴中心处速度矢量

公式5

则侧向偏差

公式6

表示路径曲率变化对侧向偏差变化率的影响。

由公式4、公式6即构成状态变量为

及方向偏差

的赛车运动学状态方程：

3.3智能车前轮定位参数的选择

为保证智能小车直线行驶稳定，转向轻便灵活并尽可能的减少轮胎磨损，需要对小车的前轮定位参数进行调整。

小车的前轮定位参数主要包括：

主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束。

这四个参数反映了前轮、主销和前轴三者之间在车架上的位置关系。

（1）主销后倾角

主销后倾角是指主销轴线与地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角

，如图3.4。

主销后倾的作用是在车轮偏转后会产生一回正力矩，矫正车轮的偏转。

后倾角

越大，车速越高，车轮偏转后自动回正能力越强。

但回正力过大，将会引起前轮回正过猛，加速前轮摆振，并导致转向沉重。

通常后倾角值应设定在10--30。

模型车通过增减黄色垫片的数量来改变主销后倾角：

每侧有4片垫片，前2后2，对应的后倾角为00；

前1后3，后倾角为20--30；

前0后4，后倾角为40--60。

模型车转向灵活，可根据试验调试的结果，设定垫片按前1后3安装，将后倾角度设为30比较合适。

（2）主销内倾角

主销内倾角是指主销在汽车的横向平面内向倾斜一个

，即主销轴线与地面垂直线在汽车横向断面内的夹角，如图3.5。

主销内倾角

也有使车轮自动回正的作用。

当转向轮在外力作用下发生偏转时，由于主销内倾的原因，车轮连同整个汽车的前部将被抬起一定高度；

当外力消失后，车轮就会在重力作用下恢复到原来的中间位置。

另外，主销内倾还会使主销轴线延长线与路面的交点到车轮中心平面的距离减小，同时转向时路面作用在转向轮上的阻力力矩也会减小，从而可使转向操纵轻便，同时也减小了由于路面不平而从转向轮输出的力反馈。

但其值不宜过小，即主销内倾角不宜过大，否则在转向时车轮主销偏转的过程中，轮胎与路面将产生较大的滑动，从而增加轮胎与路面间的摩擦阻力，不仅会使转向变得沉重，还将加速轮胎的磨损。

通常汽车主销内倾角不大于80。

图3.5主销内倾角、前轮外倾角示意图

（3）前轮外倾角

通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角α，称为“前轮外倾角”，如图3.5所示。

轮胎呈现“八”字形张开时称为“负外倾”，而呈现“V”字形张开时称为“正外倾”。

前轮外倾角一方面可以在汽车重载时减小或消除主销与衬套，轮毂与轴承等处的装配间隙，使车轮接近垂直路面滚动而滑动，同时减小转向阻力，使汽车转向轻便；

另一方面还可以防止由于路面对车轮垂直反作用力的轴向分力压向轮毂外端的轴承，减小轴承及其锁紧螺母的载荷，从而增加这些零件的使用寿命，提高汽车的安全性。

一般前轮外倾角为10左右。

模型车提供了序号为EX-19的配件来调节前轮外倾角：

当所采用的配件上无数字4时前轮外倾角为00，当所采用的配件上有数字4时前轮外倾角约为10。

由于本模型车主要用于竞速，在设计中必然要尽可能减轻重量，所以其底盘承重不大，且前轮外倾角只两档可调，故设定为00即可，关键是前轮前束要与之相匹配。

（4）前轮前束

当车轮有了外倾角后，在滚动时就类似于圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。

由于转向横拉杆和车桥的约束使车轮不可能向外滚开，车轮将在地面上出现边滚边向内滑移的现象，从而增加了轮胎的磨损。

在安装车轮时，为消除车轮外倾带来的这种不良后果，可以使汽车两前轮的中心面不平行，并使两轮前边缘距离R小于后边缘距离A，A-R之差称为“前轮前束”，如图3.6如示，一般前束值为1-12mm。

像内八字样前端小后端大的称为“前束”，而像外八字一样后端小前端大的称为“后束”或“负前束”。

图3.6前轮前束示意图

模型车是由舵机带动左右横拉杆实现转向的。

主销在垂直方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度即可改变前轮前束的大小。

左杆短，可调范围为10.8-18.1mm；

右杆长，可调范围为29.2-37.6mm,由上述原理可知，前轮前束须与前轮外倾角相匹配，如前轮外倾角设定为0°

，则前轮前束须为0mm或只有很小的前轮前束值。

3.4智能车转向机构调整优化

理想的转向模型，是指在轮胎不打滑时，忽略左右两侧轮胎由于受力不均产生的变形，忽略轮胎受重力影响下的变形时车辆的的转向建模。

在这种理想的模型下，车体的转向半径可以计算得到。

图3.7智能车转向示意图

如图3.7，假设智能车系统为理想的转向模型，且其重心位于其几何中心。

车轮满足转向原理，左右轮的轴线与后轮轴线这三条直线必然交于一点。

转向机构在车辆运行过程中有着非常重要的作用。

合适的前桥和转向机构可以保证在车辆直线行驶过程中不会跑偏，能保证车辆行驶的方向稳定性；

而在车辆转向时，合适的转向机构可以使车辆自行回到直线行驶状态，具有好的回正性。

正是由于这些原因，转向系统优化设计成为智能车设计中机械结构部分的重点，直接关系到赛车能否顺利地完成比赛。

在实际操作中，我们通过理论计算的方案进行优化，然后做出实际结构以验证理论数据，并在实际调试过程中不断改进。

在模型车制做过程中，赛车的转向是通过舵机带动左右横拉杆来实现的。

转向舵机的转动速度和功率是一定，要想加快转向机构响应的速度，唯一的办法就是优化舵机的安装位置和其力矩延长杆的长度。

由于功率是速度与力矩乘积的函数，过分追求速度，必然要损失力矩，力矩太小也会造成转向迟钝，因此设计时就要综合考虑转向机构响应速度与舵机力矩之间的关系，通过优化得到一个最佳的转向效果。

经过最后的实际的参数设计计算，最后得出一套可以稳定、高效工作的参数及机构。

如图3.8，我们最终设计的这套转向拉杆，我们综合考虑了速度与扭矩间的关系，并根据模型车底盘的具体结构，简化了安装方式，实现了预期目标。

图3.8转向连杆结构

3.5智能车后轮减速齿轮机构调整

模型车后轮采用RS-380SH电机驱动，电机轴与后轮轴之间的传动比为18：

76（电机轴齿轮齿数为18，后轴传动齿数为76）。

齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。

齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，会严重影响最终成绩。

调整的原则是：

两传动齿轮轴保持平行,齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧又会增加传动阻力，浪费动力；

传动部分要轻松、顺畅，不能有迟滞或周期性振动的现象。

判断齿轮传动是否良好的依据是，听一下电机带动后轮空转时的声音。

声音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象；

声音闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载变大。

调整好的齿轮传动噪音很小，并且不会有碰撞类的杂音，后轮减速齿轮机构就基本上调整好了，动力传递十分流畅。

3.6其它机械结构的调整

另外，在模型车的机械结构方面还有很多可以改进的地方，比如说车轮、悬架、底盘、车身高度等。

模型车在高速的条件下（2.3m/s~3.5m/s），由于快速变化的加减速过程，使得模型车的轮胎与轮辋之间很容易发生相对位移，可能导致在加速时会损失部分驱动力。

在实验中调试表明，赛车在高速下每跑完一圈，轮胎与轮辋之间通常会产生几个厘米的相对位移，严重影响了赛车的加速过程。

为了解决这个问题，我们在实际调试过程中对车轮进行了粘胎处理，可以有效地防止由于轮胎与轮辋错位而引起的驱动力损失的情况。

此外，我们还对模型车的前后悬架弹簧的预紧力进行调节，选用不同弹性系统的弹簧等方法进行了改进，并且对车身高度，以及底盘的形状和质量 

、后轮的轮距等，都进行了相应的改进和调整，均取得了不错效果。

第四章硬件电路设计说明

本方案的电路设计采用模块化的设计思想。

这种情况下可以有效地防止因为某一种电路的损坏而使得整个PCB板子无法利用的结果，同时还可以有计划的排列各个模块板子的位置，使得小车的重心更加的合适，更加的优化。

4.1S12单片机最小系统

以MC9S12DP512为核心的单片机系统的硬件电路设计主要包括以下几个部分：

时钟电路、电源电路、复位电路、BDM接口[1]。

其中各个部分的功能如下：

1、时钟电路给单片机提供一个外接的16MHz的石英晶振。

2、电源电路主要是给单片机提供5V电源。

3、复位电路在电压达到正常值时给单片机一个复位信号。

4、BDM接口让用户可以通过BDM头向单片机下载和调试程序。

如图4.1.1，本系统采用的是标准的MC9S12系列单片机的时钟电路，通过把一个16MHz的外部晶振接在单片机的外部晶振输入接口EXTAL和XTAL上，然后利用MC9S12DP512内部的压控振荡器和锁相环（PLL）把这个频率提高到32MHz，作为单片机工作的内部总线时钟。

图4.1.1外部振荡电路

图4.1.2是PLL模块的滤波电路，VDDPLL引脚由单片机内部提供2.5V电压。

其中C24、C25和R2的值是根据晶振、REFDV寄存器和SYNR寄存器计算得出的。

XFC实际上是压控振荡器（VCO）的电压控制端，通过锁相环电路编程，以数字方式锁定VCO的控制端电压。

如果不加如图的滤波器，或电容、电阻的值取得不合适，VCO的控制端电压就会抖动，使整个系统工作不正常。

图4.1.2PLL的滤波电路

MC9S12系列的单片机内部使用3V电压，I/O端口和外部供电电压为5V。

如图4.1.3，L4、C31、C32和C34构成的滤波电路可以改善系统的电磁兼容性，降低系统对电源的高频干扰。

为了显示系统已经通电，在此加入指示灯电路，电阻R10是限流电阻。

图4.1.3电源电路

本系统直接采用一个0.1μF的电容提供低电平复位信号，而并没有采用复杂的专用复位芯片。

手动复位按钮在系统调试时作用很大。

BDM接口是接BDM调试工具，向MC9S12DP512单片机下载程序用的。

它直接利用单片机所提供的专用引脚BKGD即可实现。

S12最小系统电路图如图4.1.4。

图4.1.4S12最小系统电路图

由于前期所绘制的主控电路接口较少，不适合传感器较多的光电组，所以后期又作出相应修改，将单片机接口更多的接出，前后两代主控板如下图：

图4.1.5一代S12最小系统板图4.1.6二代S12最小系统板

4.2路线识别电路设计

由于赛道具体信息还不知道，所以必须选择合适的路面信息检测传感器。

通过查阅相关资料，了解到目前常用的寻线技术有：

光电寻线、磁诱导寻线和摄像头寻线。

光电寻线一般由多对红外收发管组成，通过检测接收到的反射光强，判断黑白线。

在这种方案中，一对收发管只能检测一个点的信息，精度有限。

但其优点是电路简单，处理方便。

路面磁诱导与智能车辆的车载机器视觉诱导相比，最大优点是完全不受光照变化的影响。

但这种方式必须以车道中心线上布设的离散磁道钉作为车道参考标记，这违背了比赛规则。

摄像头寻线通过图像采集，动态拾取路径信息，并对各种情况进行分析。

它具有信息量大，能耗低的优点，但对数据的处理相对复杂。

通过对第一届比赛的研究，我们决定还是从光电管入手。

最初确定方案为普通直流二极管单管收发，这种检测方法电路简单，数据清晰，处理方便。

但同时检测距离有限，无法提前识别跑道。

图4.2.1直流光电单管反射检测电路

要提高速度并保证在入弯时不出弯道，就必须增加传感器的“视野”，以便及时减速。

通过比较，发现市场上的半导体激光管有比较好的性能，它可以照射很远的距离依然有很高的强度，根据激光特性，除了激光的入射光和反射光是最强的以外，其他的所有散射光的强度都是相同的，在此情况下，实际测量发现激光可以看到20cm以上的距离，对于赛车的前瞻性大有好处，可以适当把光照调远，实现前瞻性循线控制。

由于临近发射管对接收管会有较大干扰，所以经过反复试验后我们决定使用六路控制，每路控制两组传感器。

从而可以大大降低其他发射管对接收管的影响。

原理图如下：

图4.2.2赛道检测电路原理图

图4.2.3逻辑控制触发电路原理图

4.3电源管理电路设计

智能车虽以车为主体，但其任何行动完全由其电路控制。

模型车通过自身系统，采集赛道信息，获取自身速度信息，加以处理，由芯片给出指令控制其前进转向等动作，各部分都需要由电路支持，电源管理尤为重要。

一旦电源出现问题，各部分电路的功能将受到很大的影响。

该设计中，s12用的是5V电源，速度传感器用的是5V电源，舵机的运行需要6V电源，驱动电机模块上用的全桥驱动芯片用的是12V电源。

考虑到竞赛规定的电源为镍镉蓄电池组，额定电压为7.2V，实际充满电后电压则为8.2-8.5V，出于功耗和稳定性的考虑，本系统采用了开关型电源，电源模块的主要部分如下所示：

图4.3.1电源模块结构图4.3.2电源管理模块PCB图

4.4电机驱动电路设计

比赛最终比的是速度，需要模型车能够以尽量快的速度跑完全程，有了好的算法之后，需要有驱动电路对电机进行控制。

本系统使用的电机驱动板为一个由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器，其功率元件由四支N沟道功率MOSFET管组