西南交通大学-神马浮云队技术报告.doc

第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛 技 术 报 告学 校：西南交通大学队伍名称：神马浮云参赛队员：刘博 卢永华 常赫 带队教师：蒋朝根 龙文杰关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中参赛队员签名：刘博卢永华常赫带队教师签名：蒋朝根 日 期：20011.8.14 摘 要本文介绍了半年多来西南交通大学交大车队队员们在准备Freescale智能车大赛过程中的工作努力成果智能车的硬件平台采用带MC9S12XS128处理器的S12 环境，软件平台为CodeWarrior IDE 5.0开发环境，车模采用大赛组委会统一提供的1：10 的仿真车模文中介绍了智能小车控制系统的软硬件结构和开发流程整个系统涉及车模机械结构调整、传感器电路设计、控制算法和策略优化等多个方面。

为了提高智能赛车的行驶速度和可靠性，试验了多套方案，并进行升级，最终确定了现有的系统结构和各项控制参数关键字：智能车，电磁，闭环，PID第一章 引 言 61.1 研究背景介绍 6第二章 技术方案概要说明 72.1 智能车系统分析 72.2硬件总体设计流程原理图： 72.3路径识别传感器部分： 82.4电源模块： 132.5驱动模块： 152.6速度控制模块： 172.7起跑线检测电路： 18第三章 机械结构设计及制作 203.1车模 203.2车模改装后整体效果图 213.3传感器排布特写 213.4车身特写 213.5转角舵机改装 223.6后悬挂特写 233.7编码器安装 233.8底板加固 243.9电机驱动安装 253.10后轮差速调节 253.11主控扩展板 263.12电池改造 263.13轮子的改造 273.14舵机臂的改装 273.15函数发生器 283.16一代传感器连杆 283.17横向图谱 293.18比赛时的连杆 30第四章 软件设计说明 304.1 智能车系统软件结构设计 304.2 所用模块简介 314.2.1 时钟模块 314.2.2 PWM 模块 324.2.3 串口模块 334.2.4 AD模块 334.2.5 ECT模块 354.2.6中断模块 364.3赛道提取与赛车控制 364.3.1　赛道提取算法设计 374.3.2速度策略 394.4　调试环境设计 405总结 42参考文献 43附录：其余控制程序 44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本次比赛分为电磁、光电与摄像头三个赛题组，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，利用检测赛道中心电线产生的磁场来进行赛道识别的属于电磁赛题组，除此之外则属于光电赛题组论文中主要介绍电磁组的智能车制作 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，设计的智能小车所追求的目标就是既快又稳的沿着既定的赛道奔驰，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、坡道3、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硬件总体设计流程原理图：MC9S12XS128是系统的控制核心它负责处理传感器接收到的赛道信息、小车速度等反馈信息，转换为合适的控制量来对舵机与驱动电机进行控制从而实现对转角和速度的控制，即舵机模块和电机驱动分别受控于XS128主控板，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、舵机、驱动电路三大部分提供稳定的直流电源路径识别模块由传感器、外围电路和S12的AD模块组成，其功能是获取前方赛道的信息，以供主控板作进一步分析处理速度检测模块采用欧姆龙编码器，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路径识别传感器部分：电磁传感器的设计主要包括：感应线圈的选择、信号选频放大、整流与检测等几个方面，将会涉及到电磁场与波、高频、模电等相关学科的知识点传感器:通过传感器检测道路信息的流程为：我们所使用的电路图为：PCB图形为：实图：检测线圈采用组委会推荐的10mH 的工字型电感,并用6.8nf的谐振电容并联，使用LC 串并联电路来实现选频电路，谐振频率为f=对于实际传感器选择的说明：电感线圈我们采用的是标准化的“工字型”电感线圈，这种线圈感应面积大，灵敏度好，缺点是体积较大。

实践证明这种电感线圈综合效果还不错，实际上我们只用两个水平的线圈就可以完成寻迹功能，速度和稳定性达到赛区的水平缺点是太重，不稳定，个体之间的电感量有一定的差异 由于电流的频率为20KHz，所以我们综合考虑之后选择10mH的工字型电感和6.8nF的电容相并联后检测磁场在不加其他元件的情况下，直接用示波器查看检测的波形（距导线8cm，竖直上方）为标准的20KHz 峰峰值为300mV 的正弦波色环电感在比赛中也取得了不错的成绩其优点为质量轻，性能稳定；缺点就是检测的精度不够高，感应到的电动势较工字型电感低 如果只使用一个线圈，感应电动势 E 是位置 x 的偶函数，只能够反映到水平位置的绝对值|x｜的大小，无法分辨左右为此，我们可以使用相距长度为 L 的两个感应线圈，计算两个线圈感应电动势的差值： 其中：h为传感器到导线的竖直距离 l为两传感器之间的距离 x为其中一个传感器到中间导线的距离 对于实际传感器摆放位置的说明：1、水平方向两个平行的线圈2、水平方向两个内八字的线圈2.4电源模块：小车所使用的电源由是7.2V 2000mAh Ni-cd可充电电池组提供，而单片机系统、路径识别的传感器、编码器等均需要5V电源，伺服电机工作电压范围4V到6V，直流电机可以使用电池直接供电。

由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压5V电源模块用于为单片机系统、传感器模块等供电常用的电源有串联型线性稳压电源（LM2940、7805等）和开关型稳压电源（LM2596、LM2575等）两大类前者具有纹波小、电路结构简单的优点，但是效率较低，功耗大；后者功耗小，效率高，但电路却比较复杂，电路的纹波大对于单片机，需要提供稳定的5V电源，由于LM2940的稳压的线性度非常好，所以选用LM2940-5单独对其进行供电；而其它模块则需要通过较大的电流，而LM2575或LM2596-5，转换效率高，带载能力大，缺点是其纹波电压大，不适合做单片机电源，不过对其它模块供电还是能保证充电的电源利用LM2940-5和LM2575或LM2596-5对控制系统和执行部分开供电，可以有效地防止各器件之间发生干扰，以及电流不足的问题，使得系统能够稳定地工作我们经过以下途径对其他几个模块进行供电1）使用稳压芯片 LM2940 稳压，输出 5V 电压，分别对单片机和速度检测供电2）使用稳压芯片 LM2575或LM2596-5 ，输出5V电压，对传感器进行供电。

3）使用稳压芯片 LM2940、LM7805和LM1117稳压，输出 5V 电压，对舵机供电最终，我们所采用的电路图如下：将电源部分与主控底板部分联合：这样可以省略许多导线，是整体更简洁同时也减少问题的发生概率同时，XS128外部接有LED数码管、拨码开关、蜂鸣器等元器件，分别作为数值显示、使能或速度设定以及声光报警2.5驱动模块：采用两片BTS7960搭成H桥驱动电路，进行电机驱动BTS7960是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边 MOSFET和一个驱动 Ic，如图 1所示集成的驱动Ic具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能BTS7960通态电阻典型值为 16mQ，驱动电流可达 43A为方便使用，采用两片BTS7960并联来达到全桥的效果其电路图为：MOS管驱动:2.6速度控制模块： 速度控制采用欧姆龙编码器进行速度的脉冲计数，反馈给XS128主控板，通过测量单位时间内的脉冲个数，反映当前速度，然后通过计算，给电机驱动输出相应的控制量，从而实现小车的加减速欧姆龙编码器如下：2.7起跑线检测电路：起跑线可以采用干簧管或者是霍尔元件，经过测试，霍尔元件的灵敏性和准确性都低于干簧管，因此，我们选用干簧管作为起跑线检测。

干簧管型号选择常开型，尺寸2cm左右，装在车体两侧，每侧各有三个，保证能够准确检测其原理较为简单，如下：外置控制开关：由于通过拨码开关设置的速度、舵机转角等各种控制参数，并不能很好的完全适应所有类型的道路类型，又由于组委会规则不允许修改软件部分，因此通过外置按键，可以方便的根据赛道情况，调整参数从而提高车体的速度和稳定性第三章 机械结构设计及制作3.1车模此次竞赛选用的智能车竞赛专用车模为北京科宇博通科技公司的TR-V12智能车的控制采用的是前轮转向，后轮驱动方案模型车基本尺寸参数如下表表1基本尺寸尺寸轴距208mm前轮距167mm后轮距186mm车轮直径72mm逐减传动比17/803.2车模改装后整体效果图经过多次的改装比赛时我们的车辆造型3.3传感器排布特写 经过测试我们发现三个横向排布的传感器可以很好的处理赛道的信息，不仅可使处理十字交叉，而且还可以很好的解决弯道的信息处理3.4车身特写我们的车身结构比较紧凑，可以很好的适应各种赛道的需求3.5转角舵机改装转角舵机应该具有合适的反应速度，而。