山东大学威海分校-愤怒的小车技术报告

1、第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技 术 报 告学 校：山东大学威海分校队伍名称：愤怒的小车参赛队员：杜涛闫扬 阎晓宁带队教师：王小利郑亚民 关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第一届“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：带队教师签名：日 期：XIX目录引言2第一章 绪论31.1智能车竞赛背景31.2智能车比赛意义31.3本文的主要内容及安排4第二章 整体方案设计52.1 系统总体方案的选定52.2设计构思6第三章 智能车机械结构调整93.1 车体重心的调整93.2智能车前轮参数调整103.3舵机安装133.4齿轮传送机构的调整13第四章 智能车硬件部分154.1路经检测传感器设计154.2速度检测传感器设计174.3起始线检测模块设计194.4 MCU控制模块204.5驱动模块设计224.6电源模块设计23第五章 智能车软件

2、部分245.1 MC9S12XS128片内资源简介255.2 智能车控制系统总体方案265.3 整体程序流程图275.4 路径识别模块软件设计285.5 智能车舵机控制算法285.6 智能车电机控制算法29第六章 系统调试326.1开发工具及系统调试336.2在线调试33第七章 赛车主要技术参数35第八章 总结36参考文献36附录I引言该智能寻迹小车以MC9S12单片机最小系统为核心，辅以电源模块、传感器模块、舵机控制模块、电机控制模块、速度控制模块和运行调试模块，通过感应由赛道中心电线产生的交变磁场进行路经检测。采用Q值高、灵敏度好、易于购买的工字电感感应电磁场信号，通过信号调理电路滤波放大后输入单片机AD口，单片机通过转向控制策略与增量式PID算法驱动电机速度与舵机转角，实现路径的检测与识别。同时通过调整小车的重心、前轮机械结构参数，使小车的制动性、稳定性与行进速度达到最优。系统属于以能量转换为主，由直流电机输入能量与电机，通过小车不同的运动输出能量，是典型的机电一体化系统。这份技术报告中，我们小组通过对整体方案、硬件电路、软件算法、机械结构、调试参数等方面进行介绍，详尽地阐述了我

3、们的思想和创意，具体表现了我们在电路的创新设计，以及算法方面的独特想法。这份报告凝聚着我们的心血和智慧，是我们共同努力后的成果。关键词：智能汽车 MC9S12 电磁第一章 绪论1.1智能车竞赛背景汽车作为现代的交通工具，为社会的发展和进步做出了很大的贡献。现阶段，汽车工业的发展水平和汽车的持有量已经成为衡量一个国家工业发达程度的标志。二十一世纪，汽车研究的主要方向是智能化汽车。专家们普遍认为，新一轮汽车产业竞争的焦点，将是基于信息技术、微电子技术、计算机技术、智能自动化技术、人工智能技术、网络技术、通信技术等的智能汽车的研究设计开发。大学生智能模型车竞赛是在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以单片机为核心的大学生课外科技竞赛。大赛要求使用组委会统一提供的车模，采用飞思卡尔16位单片机MC9S12DG128作为核心控制单元，参赛队伍要制作一个能够自主识别路线的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，跑完整个赛道用时最短，而且技术报告评分较高的参赛队就是获胜者。2006年，我国举办了第一届智能车竞赛。首届比赛采用MC9S12DG128作为主控芯片，相比于MC9S12DP256有256K的程

4、序存储空间，MC9S12DG128只有128K程序存储空间。赛车模型、舵机和驱动电机与韩国2005年汉阳大学比赛时几乎相同。首届智能车竞赛共有来自全国57所高校的112支参赛队参加。随着赛事的逐年开展，竞赛由原先前四届比赛分为摄像头组和光电组外，第五届比赛新增了电磁组，扩大创意组规模；赛道变窄，提高小车控制难度。1.2智能车比赛意义全国智能车大赛也就是初步模拟了一个人驾驶汽车的思维和控制过程，智能车比赛就是要求参赛人员能够去进行这样的研究，专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，以实现让车模能够自动寻迹并自动控制运动，最终实现小车智能化。该竞赛综合性很强，在提高参赛大学生的动手能力和创新能力的同时，也在一定程度上推动了智能汽车产业的发展与进步。1.3本文的主要内容及安排本文首先介绍了研究背景、比赛规则和设计构思。阐述了控制系统的资源配置、资源需求与分配和核心处理器的寄存器MC9S12单片机寄存器资源。相比于其它类型的单片机，16位的MC9S12的功能更加强大，引脚较多，能够很好地满足智能车控制系统的需要。通过对智能模型车寻迹方案分析，我们确定使用电

5、磁传感器作为识别路线的手段进行线路寻迹。单片机内部的A/D转换器把采集到的传感器数据转换为离散的数字量，用PID算法控制舵机、电机输出，在保证稳定性的前提下，尽量提高模型车行驶的速度。速度检测模块实现速度的闭环控制，提高模型车运行的稳定性。本文的第一章为绪论。第二章是介绍了整体方案的设计，简要介绍了针对特定路线的控制思想和策略。第三章是智能车机械结构的调整，包括舵机的安装调整、车体重心的调整、前轮定位的调整、齿轮传动机构的调整、后轮差速机构的调整。第四章是智能车系统的硬件设计，包括路径检测传感器的选用、速度检测传感器的设计、MCU控制模块的设计、驱动模块的设计、电源模块的设计、显示模块的设计。第五章分析了软件系统的设计，包括传感器采集、归一化和线性化拟合和整体路径识别策略分析及控制算法的介绍。第六章是对系统调试的介绍。第七章是总结。第二章 整体方案设计本章简要地介绍了智能车系统总体方案的选定和总体设计思路，在后面的章节中将整个系统分为机械结构、控制模块、控制算法三部分对智能车控制系统进行深入的介绍分析。2.1 系统总体方案的选定本设计是一个典型的机电一体化系统。机电一体化又称机械电子学

6、，字面上表示机械学与电子学两学科的综合。其特征是给“机械”增添了头脑（计算机信息处理与控制），因此是一个要求传感器技术、控制用接口元件、机械结构、控制软件水平较高的系统。机电一体化系统由机械系统(机构)、电子信息处理系统(计算机)、动力系统(动力源)、传感检测系统(传感器)、执行元件系统五个子系统组成。图2.1 机电一体化结构图智能模型车是典型的机电一体化结构，单片机通过传感器采集路面信息，通过算法控制电机、舵机运行，以达到寻迹的目的。系统属于以能量转换为主，输入能量和信息，输出不同形式能量的系统。其中由直流电机输入能量，输出的能量是小车的运动。2.2设计构思制作智能车，需要参赛队伍学习和应用嵌入式软件开发工具软件和在线开发手段，以飞思卡尔16位单片机MC9S12XS128作为核心控制单元，自行设计和制作可以自动识别路径的方案、电机的驱动电路、模型车的车速传感电路、模型车转向伺服电机的驱动以及微控制器控制软件的编程等。系统结构简图见图2.2，图中箭头方向表示信号传递方向。图2.2 系统结构简图2.2.1单片机控制模块系统核心为单片机最小系统，是数据采集和输出控制的最重要的部分。单片机最

7、小系统以MC9S12XS128单片机为核心，主要包括时钟、旁路电容、电源接口、烧录和调试接口、I/O接口等。通过丰富的I/O接口和内部强大的数据处理能力，实现信号采集和系统控制。2.2.2 电源模块整个设计中，电源采用7.2V电压、2000mAh电池容量、Ni-cd镍镉蓄电池作为系统能源。电源模块是系统的能量来源，它分别向电机、舵机、传感器模块和单片机模块提供独立的电源，防止相互之间的电源干扰。第三章 智能车机械结构调整2.2.3传感器模块传感器模块包括路径传感器、速度传感器和起点检测传感器。路径传感器以电磁传感器阵列为核心，用安装在智能车车头支架上的电磁感应线圈，检测赛道黑线下通有20kHz交流电流的导线所产生磁场的磁感应强度和方向，通过信号选频放大检波后，送入单片机进行AD转换。单片机对采集的信息进行处理，通过算法优化和PID控制运行调试。速度检测传感器是电机闭环控制中的重要部分，在传感器选型上，充分考虑了传感器的精度、控制延时、体积和重量等方面。在满足系统要求的基础上，以简化结构为主要条件，选择合适的速度检测传感器，并设计了相应的硬件电路。起点传感器为一组干簧管组成的阵列，利用干

8、簧管在磁场中通电导通的性质，通过检测安放在起点处的强力磁铁的磁性而判断当前车辆所跑过的圈数，同时判断比赛是否完成。2.2.4舵机控制模块舵机是模型车转向的控制对象，舵机控制模块利用转向控制策略，判断车体与漆包线的位置关系，改变输出转角实现模型车车轮的转向，以控制智能车前进方向。2.2.5电机控制模块电机是模型车的动力源。直流电机驱动模块接收速度控制信号，驱动芯片采用由MOS管搭建的H桥作为驱动，利用速度控制策略，控制电机正反转，以控制智能车前进与后退。2.2.6速度测量模块速度测量模块包括无线串口模块、LED显示等，为模型车参数确定提供试验条件。速度检测模块通过光电编码器实时测量智能车车速，用于系统车速的闭环控制，以精确控制车速。2.2.7运行调试模块运行调试模块采用 Metroworks 公司的 CodeWarrior IDE软件集成运行环境作为开发工具对飞思卡尔的MC9S12XS微控制器进行软件开发。并且通过CodeWarrior IDE的在线调试工具，对传感器不同排布的特性进行详细的了解，并辅助制定控制策略。经过多次试跑可以得到小车运行参数，包括运行速率、传感器探测值、输出转向值

9、、输出速度值等，然后将运行参数发送至电脑，在电脑上运用matlab作图分析。第三章 智能车机械结构调整第三章 智能车机械结构调整在智能车比赛中，最主要的比赛内容是速度和稳定性，而模型车的机械结构无疑是影响速度和稳定性的关键因素之一。因此我们对模型车的机械结构做了大量的调整，使其达到理想的效果。车模主要机械参数见表3.1。.图3.1 B型车模项目参数车模几何尺寸（长、宽、高）（毫米）650mm 250mm 150mm车模轴距/轮距（毫米）轴距200mm轮距135mm电机型号540伺服器型号S-A6车模平均电流（匀速行驶）(毫安)700mA车模重量（带有电池）（千克）1.8kg表3.1 车模主要机械参数3.1 车体重心的调整汽车重心是指汽车重力的作用点，汽车重心的位置会影响汽车的动力性、制动性、操纵稳定性、平顺性、通过性和舒适性等重要特性。通过物理知识可知，为了保证智能汽车在高速入弯时不发生侧翻，重心越低越好。所以，我们在安放主控电路板的时候尽可能的低。且为减轻车体重量，绘制PCB板以小巧、简洁为重要指标。同时，使用轻便的碳素杆固定前置传感器装置杠杆，使用亚克力板（有机玻璃）制作固定装置，在满足刚性要求的同时，减轻车体重量。关于重心前后位置的调整，根据汽车理论，车体重心前移，会增加转向，对模型车制动性和操纵稳定性有益，但是降低转向的灵敏度，同时降低后轮的抓地力；重心后移，会减少转向，但是增大转向灵敏度，后轮抓地力也会增加，对模型车动力性能有益。通过大量实验，我们发现：将车体重心调整到中间偏前的位置，智能车的各项性能均较好

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