飞思卡尔 电磁组

第十届“飞思卡尔”杯全国大学生

智能汽车竞赛

技术报告

学校：常熟理工学院

队伍名称：物电电磁二队

参赛队员：梅亚军、沈锦杰、黄志鹏、张峰

带队老师：徐健、顾涵

关于技术报告和研究论文使用授权的说明

本人完全了解第十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛关保留、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：

摘要

本文介绍了常熟理工学院物电电磁二队电磁车的成果。智能车的硬件平台采用带MK60DN256Vll10处理器，软件平台为IAR Embedded Workbench开发环境，车模采用大赛组委会统一提供的两辆B型车模。

文中介绍了智能车机械结构调整，传感器电路设计，舵机、电机控制算法以及起跑线的检测等。车模以MK60DN256Vll10单片机为控制核心，以安装在车体前的工字电感作为循迹传感器，采用干簧管检测起跑线，以欧姆龙编码器检测速度信息。车模系统的简单工作原理是MK60DN256Vll10单片机通过AD口采集电感检测的拟量，并通过算法处理，然后返回值用于舵机控制，根据编码器返回值进行电机的闭环控制。通过串口，借用蓝牙等工具进行舵机PD参数，电机PID的调节，以及整定传感器参数的整合处理，再通过数字红外进行两车之间联系，保持车距。

关键字：机械结构、电磁寻线、舵机PD控制、电机PID控制

目录

第一章总体方案设计------------------------------------------------------------------------------------------- 6 第二章智能车机械结构调整与优化 ------------------------------------------------------------------------ 9

2.1 主销内倾 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 9

2.2 主销后倾 -------------------------------------------------------------------------------------------- 10

2.3 外倾角 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 11

2.4车轮安装示意图如下：---------------------------------------------- 12

2.5 舵机的安装----------------------------------------------------------------------------------------- 12

2.6 舵机安装示意图如下： ------------------------------------------------------------------------- 13

2.7 小结 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 13 第三章电路设计说明 --------------------------------------------------------------------------------------- 14

3.1 电源模块--------------------------------------------------------------------------------------------- 14

3.2 传感器模块------------------------------------------------------------------------------------------ 15

3.3 电机模块--------------------------------------------------------------------------------------------- 15

3.4 舵机模块--------------------------------------------------------------------------------------------- 16

3.5 最小系统板设计 ----------------------------------------------------------------------------------- 16

3.6 系统主板设计 -------------------------------------------------------------------------------------- 17

3.7 小结 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 18 第四章智能车控制软件设计说明 ------------------------------------------------------------------------- 19

4.1 软件设计总体框架 -------------------------------------------------------------------------------- 19

4.2 电机PID控制 -------------------------------------------------------------------------------------- 20

4.3 舵机的控制----------------------------------------------------------------------------------------- 24

4.4 传感器数据的处理 -------------------------------------------------------------------------------- 24

4.5 小结 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 24 第五章开发工具、制作、安装、调试过程说明 ------------------------------------------------------ 25

5.1 软件编译环境 -------------------------------------------------------------------------------------- 25

5.2 显示模块 -------------------------------------------------------------------------------------------- 25

5.3 蓝牙调试模块-------------------------------------------------------------------------------------- 26

5.4 上位机调试----------------------------------------------------------------------------------------- 26

5.5 本章小结 -------------------------------------------------------------------------------------------- 27 模型车的主要技术参数说明 --------------------------------------------------------------------------------- 28 结论 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 29 参考文献 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 31 附录A：程序源代码 ------------------------------------------------------------------------------------------ 32

引言

智能车辆是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。目前对智能车辆的研究主要致力于提高汽车的安全性、舒适性，以及提供优良的人车交互界面。近年来，智能车辆己经成为世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力，很多发达国家都将其纳入到各自重点发展的智能交通系统当中。

竞赛要求在规定的汽车模型平台上，采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位、32位微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案进行系统设计，包括传感器信号采集处理、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等位微控制器作为核心控制模块，制作完成一个能够自主识别道路的模型汽车。参赛队员的目标是模型汽车需要按照规则以最短时间完成单圈赛道。

竞赛旨在培养创新精神、协作精神，提高工程实践能力的科技活动。该竞赛是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创意性比赛。

在本文中，我们详细介绍了基于电磁传感器智能车系统。详细介绍车体机械结构的调整，传感器电路的设计，舵机控制算法，电机控制算法。在做车的整个过程中，培养了我们团队合作能力，动手的能力，创新的能力，对我们今后的学习产生积极的影响。

第一章总体方案设计

1.1 车体结构的总体设计：

（1）为了降低重心，主控板，电池尽量靠后就低放置。

（2）考虑到放远前瞻（约40 CM）可能带来车头过重，我们尽量选用尺寸小的10 mH的电感。选用质量轻的航模碳素杆作为支架。

（3）舵机直立安装，连杆加长，提高响应速度。

（4）两个方向的碳素杆形成三角结构，增加传感器稳定性。

1.2 整体车模如下图：

图1.2.1 整体车模左视图

图1.2.2 整体车模俯视图

1.3 主要模块介绍

1）传感器模块：通过感知电感发生的电流电压变化得到赛道的偏移量。

2）控制器模块：其中MK60DN256Vll10 是系统的控制核心。它负责接收赛道信息、小车速度等反馈信息，并对这些信息进行处理，得到合适的控制量来对舵机与驱动电机进行控制。

4）电源模块：根据得到的赛道偏移量计算出舵机要转向的角度和电机输出速度。

5）测速模块：采用512线编码器精确速度控制。

6）舵机控制模块：舵机采用SD5立式安装。

7）起跑线检测模块：本小车采用的起跑线检测传感器为干簧管。磁铁附近存在的强磁场引发干簧管闭合，从而进行控制。

8）液晶显示模块：液晶显示和按键是用来方便调试之用。通过液晶上的显示，我们完成了数据记录为后面的数据拟合打下了基础。按键动态修改RAM的变量的值，节约了很多时间。

第二章智能车机械结构调整与优化

2.1 主销内倾

所谓主销内倾，是将主销（即转向轴线）的上端向内倾斜。从汽车的前面看去，主销轴线与通过前轮中心的垂线之间形成一个夹角，即主销内倾角。主销内倾的作用是使车轮转向后能及时自动回正和转向轻便。由于主销内倾，转向轮在转向时绕主销转动，必须使车轮陷入地面以下。这当然是不可能的，实际转向时，是强迫汽车的前部稍稍抬高。这样，汽车的重力将使转向轮自动回正。确定主销内倾角时，还可调整主销（即转向轴线）与地面的交点到轮胎接地中心的距离，即调整主销偏距。减少主销偏距，可以减轻转向时的摩擦阻力。主销内倾不能过大，否则转向过于沉重。主销内倾角一般为8°到13°，由前悬架的结构来确定。

主销后倾和主销内倾都有使转向轮自动回正的作用。但主销后倾的回正作用与车速有关，而主销内倾的回正作用与车速无关。因此，高速时主要靠主销后倾的作用，而低速时主要靠主销内倾的作用。主销内倾可以增大摩擦力，避免甩尾。

图 2.1.1

2.2 主销后倾

主销后倾是指从汽车的侧面看时每个前轮转向轴的倾斜，倾斜程度是用后倾角来度量的。如果转向轴向后倾斜，即上端的球形接头或支杆安装点在下端的球形接头后面，则后倾角就是正的；如果转向轴向前倾斜，则后倾角就是负的。后轮不必检测后倾角。

主销后倾角越大，方向稳定性越好，自动回正作用也越强，但转向越沉重。汽车主销后倾角一般不超过30，由前悬架在车架上的安装位置来保证。

现代轿车由于采用低压宽幅子午线轮胎，高速行驶时轮胎的变形加大，接地点后移，因此主销后倾角可以减小，甚至为负值(变成主销前倾)，以避免由于回正力矩过大而造成前轮摆振。

主销后倾角影响汽车直线行驶的稳定性和转向轮的回正功能。正后倾角比较大，则前轮有沿直线行驶的趋势。一方面，如果正后倾角大小适当，则可以确保汽车的行驶稳定性，而且使转向轮在转向后能够回正；另一方面，正后倾角增加了转向阻力。因此，如果汽车配置了动力转向系统，则所允许采用的正后倾角要比单纯的手动转向系统大许多。

主销后倾角太小会使转向不稳定，并使车轮晃动。在极端的情况下，负后倾角与随之引起的车轮晃动会加剧前轮

的杯状化磨损。如果主销后倾角左右不等，

则汽车将会被拉向正后倾角较小（或更大

的负后倾角）的一侧。在解决汽车跑偏方

面的问题时，要特别注意这一点。

图2.2.1

2.3 外倾角

车轮面与地面不垂直。从车头望向车轮,车轮与铅垂线的夹角称为外倾角(Camber). 若轮胎上端向外倾斜即左右轮呈"\/"形, 称为正外倾角(Positive Camber),向内倾斜为负外倾角。基本上，正外顷角的设定有较佳的灵活度，而负外顷角具较稳定的直进性。

定义为由车前方看轮胎中心线与垂直线所成的角度，向外为正，向内为负。其角度的不同能改变轮胎与地面的接触点及施力点，直接影响轮胎的抓地力及磨耗状况。并改变了车重在车轴上的受力分布，避免轴承产生异常磨损。此外，外倾角的存在可用来抵消车身荷重后，悬吊系统机件变形及活动面间隙所产生的角度变化。外倾角的存在也会影响车子的行进方向，这正如摩托车可利用倾斜车身来转弯，因此左右轮的外倾角必须相等，在力的平衡下不致影响车子的直进性，再与束角(Toe)配合，提高直进稳定性及避免轮胎耗不均。增加负的外倾角需配合增加Toe-out；增加正的外倾角则需配合增加Toe-in。

图 2.3.1

2.4 车轮安装示意图如下：

图 2.4.1

2.5 舵机的安装

舵机摆杆的长度直接影响到舵机的转矩。由公式舵机转矩= 舵机摆杆作用力* 摆杆长度，得：舵机摆杆作用力越大，反应越灵敏，转向速度越快。转矩一定时，摆杆越长，输出的作用力越小，所以摆杆不能太长，不然会拉不动轮胎左右转向，从这个角度考虑拉杆越短越好。但是我们知道，拉杆越长的时候，舵机转一小圈，下面拉杆的会转很大的范围，也就是说，摆杆长度决定了舵机和拉杆变化的比例也就说明相应速度。所以我们又希望摆杆很长，这样轮子转向的响应速度就会很快。

综合考虑,我们选用的舵机摆杆的长度在30mm左右。同时考虑到阿克曼转向理论，四个轮子路径的圆心大致上交会于后轴的延长线上瞬时转向中心，这样可以使车辆在过弯时转向轮处于纯滚动状态，减少过弯时的阻力，减小轮胎的磨损，提高车辆转弯性能。

2.6 舵机安装示意图如下：

图 2.6.1

2.7 小结

舵机的安装直接影响前轮的转向，前轮定位很重要，我们花了好长时间去调前轮的定位，不断地尝试寻求合适的倾向角。

第三章电路设计说明

3.1 电源模块

电源模块为系统其他各个模块提供所需要的电源。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。

全部硬件电路的电源由配发的标准车模用7.2V 2000mAh Ni-cd 蓄电池提供。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各不相同，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。

主要包括以下不同的电压。

（1）5V电压：主要为单片机系统、传感器电路以及部分接口电路提供电源，电压要求稳定、噪声小。

（2）6V电压：主要为舵机提供电源，提高舵机响应速度。

（3）7.2V 电压：这部分直接取自蓄电池两端电压，主要为后轮电机驱动模块和部分接口电路提供电源。

（4）12V电压：电机驱动模块使用直流12V，使用MC34063 升压电源模块将电源电压升压至12V。

电机驱动电路的电源可以直接使用蓄电池两端电压。模型车在启动过程中往往会产生很大的冲击电流，一方面会对其他电路造成电磁干扰；另一方面由于电池内阻造成电池两端的电压下降，甚至会低于稳压电路所需要的最低电压值，产生单片机复位现像。为了克服启动冲击电流的影响，可以在电源中增加容值较大的电解电容，也可以采用缓启动的方式控制电机。在启动

时，驱动电路输出电压有一个渐变过程，使得电机启动速度略为降低从而减小启动冲击电流的幅度。

3.2 传感器模块

此电路由电感线圈产生感应电动势，经过谐振电容产生过电压，由运放放大，再经过整流滤波最后产生直流信号供给单片机进行AD 转换。如下图。

图3.2.1

3.3 电机驱动模块

电机驱动电路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 管组成，额定工作电流可以轻易达到 100A 以上，大大提高了电动机的工作转矩和转速。该驱动器主要由以下部分组成： PWM信号输入接口、逻辑换向电路、死区控制电路、电源电路、上桥臂功率 MOSFET 管栅极驱动电压泵升电路、功率 MOSFET 管栅极驱动电路、桥式功率驱动电路、缓冲保护电路等。

图 3.3.1

3.4 舵机模块

由于舵机工作频率为50HZ，需采用双通道PWM 控制舵机转向。3.5最小系统板设计

最小系统板使用MK60DN256Vll10芯片。最小系统板中包括单片机时钟（有源晶振提供）与复位电路、3.3V稳压电路。

图 3.5.1

图 3.5.2

3.6系统主板设计

由于硬件是分模块设计的，最终要接在一起才能相互通信。主板电路主要有电池接口、单片机最小系统板插座、传感器电路及其接口、舵机及电机驱动接口。另外，主板上还集成了出5V稳压以外的所有电源电路。

图 3.6.1

3.7小结

对于硬件电路部分，一定要用料扎实，稳定第一，抗干扰性能一定要高。

单片机电压一定要稳定，防止舵机和电机启动的时候拉低电压导致复位。解决这个问题最实用的办法就是加上储能器件，加上适当大小的电容是必要的。

硬件电路是智能车的基础，只有打好基础才能继续软件方面的工作。

第四章智能车控制软件设计说明

4.1 软件设计总体框架

小车的控制包括舵机的PD控制，电机的PID控制，传感器数值的处理，路径优化处理。根据传感器采集的数据进行速度，以及转交的控制，实现小车快速，稳定的运行。

系统结构框架如图：

4.2 电机PID控制

4.2.1 PID 算法

控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。目前提出的控制算法有很多。根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行的控制，称为PID 控制。实际经验和理论分析都表明，PID 控制能够满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。

4.2.2 模拟PID

在模拟控制系统中，调节器最常用的控制规律是PID 控制，常规PID 控制系统原理框图如图1.1 所示，系统由模拟PID 调节器、执行机构及控制对象组成。

PID 调节器是一种线性调节器，它根据给定值r (t )与实际输出值c(t )构成的控制偏差：e(t ) =r (t )－c(t ) （1.1）

将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称为PID 调节器。在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将P、I、D 基本控制规律进行适当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如，P 调节器，PI调节器，PID 调节器等。

模拟PID 调节器的控制规律为：