电磁组 大连海事大学 登峰队 技术报告

第七届“飞思卡尔”杯全国大学生

智能汽车竞赛

技术报告

学 校： 大连海事大学

队伍名称： 登峰队

参赛队员： 田勇廖世涂 黄传忠

带队教师：冯惠

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：田勇、廖世涂、黄传忠

带队教师签名：冯惠

日 期：2012-8-12

摘 要

本论文介绍了智能车的制作过程。本智能车系统以飞思卡尔高性能16 位单片机MC9S12XS128MAL 为核心，把对直立小车的运动控制任务分解为三个基本控制任务：车模平衡控制、车模速度控制和车模方向控制。这三个基本控制任务都通过PID算法来实现，其中，车模平衡控制利用陀螺仪和加速度传感器这两个传感器来测量车模的倾角，通过PD算法控制两个电机的正反转保持车模直立平衡状态；车模速度控制利用光电对管和光电码盘测速，通过PI算法控制电机的转速来实现车轮速度的控制；车模方向控制利用电磁传感器来检测跑道的电磁信号，通过PD算法控制两个电机间的差速实现车模的转向控制。此外，为了监视车模的各个信号和提高调试的方便性，我们还设计了无线传输模块和应用了上位机软件。

关键字：直立小车，MC9S12XS128MAL，PID，平衡控制，速度控制，方向控制

目 录

第一章 引言 (1)

1.1 智能车竞赛介绍 (1)

1.2 技术报告的结构 (2)

第二章 技术报告概要说明 (4)

2.1 设计思路及方案总体说明 (4)

2.1.1硬件设计方案 (4)

2.1.2软件设计方案 (5)

2.2 智能车主要技术参数 (6)

第三章 机械结构设计 (8)

3.1 车模的改装 (8)

3.2 传感器的安装 (10)

3.2.1倾角传感器的安装 (10)

3.2.2 速度传感器的安装 (11)

3.2.3 电磁传感器的安装 (12)

3.3 直立车模重心的调整 (12)

第四章 硬件电路设计 (15)

4.1 单片机最小系统 (15)

4.2 电源模块 (15)

4.3 电机驱动模块 (16)

4.4 倾角检测模块 (18)

4.4.1加速度传感器 (18)

4.4.2陀螺仪 (18)

4.5 速度检测模块 (21)

4.6 路径检测模块 (23)

第五章 软件算法及设计 (26)

5.1 直立PD控制 (26)

5.2 速度PI控制 (27)

5.3 路径PD控制 (28)

第六章 开发工具与调试说明 (30)

6.1 软件调试工具 (30)

6.2 上位机调试 (31)

第七章 总结 (33)

参考文献..............................................I 附录A：直立小车程序源代码............................II 附录B：直立小车电路原理图............................VI 附录C：直立小车程外形照片...........................VII 附录D：系统板外型图................................VIII

第一章 引言

1.1智能车竞赛介绍

为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革，受教育部高等教育司委托(教高司函[2005]201号文，附件1)，由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会（以下简称自动化分教指委）主办全国大学生智能汽车竞赛。该竞赛是以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。该竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神，为优秀人才的脱颖而出创造条件。

该竞赛由竞赛秘书处设计、规范标准硬软件技术平台，竞赛过程包括理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节，要求学生组成团队，协同工作，初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的全过程。该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。该竞赛规则透明，评价标准客观，坚持公开、公平、公正的原则，力求向健康、普及、持续的方向发展。

该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，得到了教育部相关领导、飞思卡尔公司领导与各高校师生的高度评价，已发展成全国30个省市自治区近300所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。2008年起被教育部批准列入国家教

第七届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告

学质量与教学改革工程资助项目中科技人文竞赛之一（教高函[2007]30号文）。 全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的高等学校（包括港、澳地区的高校）参赛。竞赛首先在各个分赛区进行报名、预赛，各分赛区的优胜队将参加全国总决赛。每届比赛根据参赛队伍和队员情况，分别设立光电组、摄像头组、电磁组、创意组等多个赛题组别。每个学校可以根据竞赛规则选报不同组别的参赛队伍。全国大学生智能汽车竞赛组织运行模式贯彻“政府倡导、专家主办、学生主体、社会参与”的16字方针，充分调动各方面参与的积极性。 全国大学生智能汽车竞赛一般在每年的10月份公布次年竞赛的题目和组织方式，并开始接受报名，次年的3月份进行相关技术培训，7月份进行分赛区竞赛，8月份进行全国总决赛。

“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛已经成功举办了六届，为了提高全国大学生智能汽车竞赛创新性和趣味性，激发高校学生参与比赛的兴趣，提高学生的动手能力、创新能力和接受挑战能力，智能汽车组委会将第七届竞赛的电磁组比赛规定为车模直立行走。本论文主要介绍电磁组的智能车制作。 1.2 技术报告的结构

本论文章节结构安排如下：

第一章 引言：介绍“飞思卡尔”杯智能车竞赛的相关背景；

第二章 技术报告概要说明：详细介绍了直立小车的设计思路和主要参数；

第三章 机械结构设计：详细介绍了直立小车的车身、重心和传感器的布局； 第四章 硬件电路设计：主要介绍了直立小车的PCB电路和各个模块的电路； 第五章 软件算法及设计：主要介绍了直立小车的角度控制、速度控制和方向控

第一章引言制的PID算法及编程实现；

第六章 开发工具与调试说明：介绍了单片机软件开发平台和上位机调试；

第七章 总结：总结了本次智能车制作的收获与不足之处；

第二章 技术报告概要说明

2.1 设计思路及方案总体说明

电磁组比赛要求车模在直立的状态下以两个轮子着地沿着赛道进行比赛， 相比四轮着地状态，车模控制任务更为复杂。在设计思路上，我们可以把小车的运动控制分解成下面的三个基本控制任务：

图2-1 车模运动控制的分解

2.1.1 硬件设计方案

直立小车最基本的控制是车体的平衡控制，通过倾角计算电路来实现车模的直立，跑道上铺设有100mA,20K交流电的导线，在导线周围的空间产生一个交变的电磁场，直立小车通过检测电磁信号和相应的算法实现沿着跑道行进。直立小车的结构示意简图如下：

第二章技术报告概要说明

图2-2 硬件结构示意简图

2.1.2 软件设计方案

我们可以形象地把直立小车比喻成一个“人”，硬件系统相当于骨架和躯体，软件系统相当于大脑。所以，控制算法在直立小车运行的过程中有着相当重要的作用。一个自适应性良好的算法，能使直立小车根据跑道信息的变化快速做出相适应的调整，从而使车的整体性能达到最优。小车的软件算法的主程序框架如下：

第七届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告

图2-3 软件算法流程图

2.2 智能车主要技术参数

直立小车采用的是C型车模，竞赛提供的车模经我们改造后，只保留了车模的电池、车体、后轮和电机部分。采用控制两个电机的差速来实现对小车的运动控制，具体的车模主要数据如下表：

表2-1 车模主要技术参数表

项 目 参 数

第二章技术报告概要说明路径检测方法（赛题组）电磁组

车模几何尺寸（长、宽、高）（毫米）450 240 280 车模轴距/轮距（毫米）140

车模平均电流（匀速行驶）(毫安)400

电路电容总量（微法）<2000uF

传感器种类及个数6个

新增加伺服电机个数无 赛道信息检测空间精度（毫米）10

赛道信息检测频率（次/秒）200

主要集成电路种类/数量 2

车模重量（带有电池）（千克） 1

第三章 机械结构设计

3.1 车模的改装

由于今年电磁组车模采用了原来竞赛C型车模，它是双后轮驱动，前轮舵机转向的运动模式，而竞赛规定C型车模直立行走，因此车模前轮以及部分相关部件都可以进行简化。具体可以参照以下改装步骤：

(1)去掉前轮及其支撑部件，去掉后轮悬挂缓冲支架，如图：

图3-1-1 简化后的车模底盘

(2)固定车模底盘和后轮支架：

原有车模为了减轻后轮振动对于车体的影响，后轮的支架与底盘之间采用了活动连接方式。但是，为了保证车模直立车体稳定性，需要将原有车模地盘与后轮支架固定在一起。最简便的方式就是可以使用热熔胶在后轮支架与底盘之间的缝隙处进行粘接。这样后轮与车体之间形成一个刚体，便于进行直立控制。

第三章机械结构设计

图3-1-2 热熔胶固定电机支架和车模底盘

(3)去掉驱动电机同轴的金属轴：

为了减小两个车轮之间的相互影响，可以后轮两个车轮间的轴去掉。

图3-1-3去掉驱动电机同轴的金属轴

(4)加固电机引线：

C车模的后轮电机引线管脚非常单薄，多次晃动之后极易从根部折断，造成电机无法使用。建议增加一个电机转接板，将电机的引线先焊接的转接板上，然后将转接板固定在电机支架或者车模地板上，这样拆卸相关

电路板时则不会造成电机引线的折断。

图3-1-4 加固电机引线

3.2 传感器的安装

车模中的传感器包括有：速度传感器，车模角度传感器（陀螺仪、加速度计），以及电磁检测感应线圈。下面分别介绍这些传感器的安装。

3.2.1倾角传感器的安装

车模倾角传感器包括陀螺仪和加速度计。将该模块固定在车模的质心附近后者车模的底部，这样可以最大程度减少车模运行时前后振动对测量倾角的干扰。安装角度传感器电路板时应该尽量保证陀螺仪传感器水平安装。

如果陀螺仪不能水平安装，则会影响车模过弯的性能，表现为左转右转加减速，对车模的行走很不利，因此倾角传感器的安装至关重要。

陀螺仪安装位置尽量低一点，如图3-2-1所示

图3-2-1 陀螺仪的安装位置

3.2.2速度传感器的安装

速度传感器是安装在驱动电机输出轴上的光电码盘以及相配合的光电对管。固定光电码盘可以使用复合胶水（如：哥俩好），将光电码盘的塑料轴与电机的输出轴粘合。如图3-2-2所示。

图3-2-2 光电码盘的安装

粘合码盘之后，再固定检测光电对管。可以使用热熔胶将光电对管固定在后

轮支架上。

固定光电对管，使得光电码盘在对管的中间缝隙中通过。如图3-2-2所示：

图3-2-2 光电码盘的安装位置

上述测速传感器固定完毕之后，便可以将后轮重新安装在后轮的支架上。

3.2.3电磁传感器的安装

我们采用的电磁传感器为两个工字型的10毫亨电感。为了能够更好的检测前面的道路，一般将这两个工字型的电感尽可能的安装在车模运行前方较远的地方，提高车模的前瞻性，有利于提高过弯性能。

为了避免车模在通过十字交叉线路口时受到的影响，在固定两个电感线圈的时候， 尽量保持这两个线圈呈水平位置安装，并且在直线上。如果电感安装不在同一条水平线上，那么车模在过十字交叉路口的时候，水平方向的电线中的磁场就会在这两个线圈上产生额外的感应电动势。这些电动势会造成车模方向控制的不稳定性。

前瞻的长度也很讲究，如果前瞻过短，直立小车在转弯时车身会晃的比较厉害，不利于转弯；如果过长，在转弯时容易在跑道内侧切出去。经过我们多次尝试，发现前瞻的长度在35cm到45cm比较合理。

图3-2-2 前瞻的长度

由于电感在车模的最前方，在车模失控之后跑出赛道撞击其它物体，最先遭到破坏的就是电磁感应线圈。为了保护电感，同时也为了使得它们能够在一条水平线上，可以把电感固定在杆的后面。如图3-7所示。

图3-2-3 电感的安装位置

3.3 直立车模重心的调整

车模直立控制的一个重要因素是：重心的高低。若重心越低，就越容易实现直立控制，反之就越难。车模的重量大部分来源于电池的重量，车模重心的位置（高低）也取决电池的安装位置，因此电池的安装位置十分关键。我们的电池安装位置如图3-3-1所示：

图3-3-1 电池的安装位置

第四章 硬件电路的设计

4.1 单片机最小系统

单片机最小系统为本智能车系统的核心。为了确保系统的稳定，我们购买了最小系统板。最小系统板如图4-1 所示：

图4-1 MC9S12XS128MAA 80脚最小系统板

4.2 电源模块

比赛要求智能车电源只能使用指定型号的7.2V 2000mAh Ni-Cd 电池供电。 在本智能车系统中，电源是其他模块工作的能量来源，电压不稳定、电量不足等都不能使系统稳定的运行，无法实现预期的功能，因而电源模块的搭建至关重要。

本智能车系统使用到的电源有：+5V、+7.2（电池直接驱动电机）两部分。