光电组方案设计

第九届飞思卡尔智能车东秦光电组设计方案：

组内成员：

5111010 翟成（软件）

5110904 郭波（硬件）

5111503 李伟鹏（硬件）

前言：

看过本届竞赛规则之后，我们感觉，对于光电组，这次竞赛和之前八次有了一些变化。在此之前的八届，可以说是完全靠比拼速度，然而到目前而言，速度似乎已经达到了一个瓶颈，想要再在速度上有很大的提高并非易事。所以，相对而言，我们觉得与其再单纯的花大力气去提高校车速度，倒不如尝试多花一些精力在技巧上的提高。速度虽然依然是重中之重，但可以考虑在提高小车稳定性的基础上适当的降低速度。比如今年新增的人字掉头：要么直接当成弯道将CCD摇头，但是要转一个60度的弯对于B车模难度很大，B车模的转角不如A车，处理不好就要出赛道。第二：反着跑，但是去年的摄像头证明了反着跑存在转向延迟，处理不好的话，速度也会上不去。所以在这点上，应该花些时间反复测试，单单从理论上是无法知道谁优谁劣的。

整体结构：

智能汽车系统采用飞思卡尔的32位微控制器K60单片机作为核心控制单元用于智能汽车系统的控制。在选定智能汽车系统采用光电传感器方案后，赛车的位置信号由车体前方的光电传感器采集，经K60的I/O口接收后，用于赛车的运动控制决策，同时内部ECT模块发出PWM波，驱动直流电机对智能汽车进行加速和减速控制，以及伺服舵机对赛车进行转向控制，使赛车在赛道上能够自主巡线行驶，并以最短的时间最快的速度跑完全程。为了对赛车的速度进行精确的控制，在智能汽车电机输出轴上安装光电编码器，采集编码器转动时的脉冲信号，经MCU捕获后定时进行PID自动控制，完成智能汽车速度的闭环控制。此外，还增加了键盘作为输入输出设备，用于智能汽车的速度和控制策略选择。

根据以上系统方案设计，赛车共包括六大模块：K60主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块和辅助调试模块。各模块的作用如下：

（1） K60主控模块:核心控制模块，将采集光电传感器、光电编码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机和伺服电机完成对智能汽车的控制。

（2）传感器模块：是智能汽车的“眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛道信息，为智能汽车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。

（3）电源模块：为整个系统提供合适而又稳定的电源。

（4）电机驱动模块：驱动直流电机和伺服电机完成智能汽车的加减速控制和转向控制。

（5）速度检测模块，检测反馈智能汽车轮的转速，用于速度的闭环控制。

（6）辅助调试模块：主要用于智能汽车系统的功能调试、赛车状态监控。

小车机械结构：

在智能车的竞赛过程中，最主要的比赛内容是速度，而模型车机械结构无疑是影

响速度的关键因素之一。智能车选用北京科宇通博科技有限公司生产的智能

车竞赛专用模型车(B型模型车)，配套的电机为540电机，伺服器为S-D5。

智能车的控制采用的是前轮转向，后轮驱动方案。

基本参数：

1、智能车总体重心的调整：

由于给定车模车身本身就很重，在选择支架的时候选择了铝合金支架，自己设计、加工支架，开始支柱选择的是铜柱，其机械性能好，固定牢靠，但是安装完成时发现铜柱太重，致使车的重心前倾，严重影响车的转向，多方考虑，最终采用航空材料，铝合金柱，它质量轻，拥有和铜柱一样的机械性能。从何从以下三个角度考虑重心问题：

一、车底盘高度调整：合理的底盘刚度和底盘高度调节会提高智能车的加速性能。智能车的重心应该越低越好，降低地盘时实现重心下降的较为直接的方式。应注意到底盘高度的调节是将智能车的其他性能提高以后间接的帮助加速性能提高。但是由于赛道中坡道的限制，底盘的高度在低于5mm时将会冲撞坡道，并不使地盘受到不必要的磨损和震荡，剧烈的冲击甚至会撞坏转向机构。因此地盘距离地面高度不能低于5mm。降低底盘的方式可

以通过在前桥、后桥处增加垫片来实现。

二、车体构件高度调整：在智能车改装过程中，我们一直把重心作为考虑因素之一。使重量的分布尽量靠近底盘。此外更小体积的电路板可以恰好镶嵌在底盘其他构件的空隙之中。

三、紧固螺丝：在智能车对于紧固程度要求不高的地方，如电路板固定螺丝，传感器定位螺丝等，采用尼龙材质的螺丝；在车底盘等高度较低的地方采用模型车原配螺丝在安装外设的时候，尽量采用规格合适的螺丝钉。可以

降低整车重量。

2、智能汽车前轮定位的调整：

模型车通过四条轮胎与地面接触，两个后轮同轴受到限位，无法调整，与模型车的前进方向保持平行，因此要改变模型车与地面的接触方式，调试出利于模型车转向、直线的四轮定位，只能通过调整前轮各定位参数来实现。

B型模型车可以调整的前轮参数有主销后倾角、主销内倾角、车轮前束，三个参数可以调整。

（1）主销后倾角：

主销后倾角是指在纵向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角。

主销后倾角的存在使车轮转向轴线与赛道的交点在轮胎接地点的前方，可利用赛道对轮胎的阻力产生绕主销轴线的回正力矩，该力矩的方向正好与车轮偏转方向相反，使模型车保持直线行驶。后倾角越大，模型车的直线行驶性越好，转向后方向盘的回复性也越好，但过大的回正力矩也会使车辆转向沉重。通常主销后倾角值设在 1~3度。

B型模型车的主销后倾角无法通过直接调整前桥结构实现改变，采用在前桥处增加垫片，可以适当的增加主销内倾角，有利于保持直线行驶、转向后回正。

（2）、主销内倾角：主销内倾角指在横向平面内主销轴线与地面垂直线夹角

主销内倾角的作用，是使车轮在受外力偏离直线行驶时，前轮会在重力作用下自动回正。另外，主销内倾角还可减少前轮传至转向机构上的冲击，并使转向轻便；但内倾角越大，前轮自动回正的作用就越强，转向时越费力，轮胎磨损也更大增大。主销内倾的调整应该保持在一个合适的范围，一般来说 0~8 度范围内皆可。在实际的调整中，只要将角度调整为 5 度左右就会对于过弯性能有明显的改善。如果赛道比较滑，可以将这个角度再调节的大一些。在实际制作中，这个角度调节为 8 度左右。对于模型车，通过调整前桥的螺杆的长度可以改变主销内倾角的大小，由于过大的内倾角也会增大转向阻力，增加轮胎磨损，在调整时可近似调整为0°~3°左右，不宜太大。

主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时主销后倾的回正作用大，低速时主销内倾的回正作用大。

（3）前轮约束：所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，前轮中心线与纵向中心线的夹角为前束角。

前轮前束的作用是保证模型车的行驶性能，减少轮胎的磨损。前轮在滚动时，其惯性力自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。

前束的调整总是依据主销内倾的调整。只有主销内倾确定后才能确定合适的前轮前束与之配合。前轮前束的调整是方便的。主销内倾的调整由于要拧开螺丝钉，固定件又为塑料，所以频繁的调整容易引发滑丝现象。而前束不会，所以调整前束是最安全、方便的。前束在摩擦大的时候有明显的效果。但是一定不要太大，适当的放开一两圈就够了。

在模型车中，前轮前束是通过调整伺服电机带动的左右横拉杆实现的。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以改变前轮前束的大小。在实际的调整过程中，我们发现较小的前束，约束0~2mm 可以减小转向阻力，使模型车转向更为轻便，但实际效果不是十分明显。调节合适的前轮前束在转向时有利过弯，还能提高减速性。将前轮前束调节成明显的内八字，运动阻力加大，提高减速性能。由于阻力比不调节前束时增大，所以直线加速会变慢。智能汽车采用稳定速度策略或者采用在直道高速弯道慢速的策略时，应该调节不同的前束。后一种策略可以适当加大前束。

（4）前轮外倾角：

前轮外倾角是汽车横向平面与车轮平面的交界处与地面垂线之间的夹角。其作用是提高了前轮转向的安全性和转向操作的轻便性，前轮外倾俗称“外八字”，当前轮与地面垂直而汽车满载时，就会引起车轮上部向内倾斜，因而造成所连机械器件损坏，所以提前给一个适当的外倾可以减小这种损失。如果小车自身重量不是很大的时候，可以不必对前轮外倾角作调整。

3、智能汽车部分结构安装及改造

（1）智能汽车差速机构调整：

差速作用就是在电机向两边半轴传递动力的同时，允许两边半轴以不同的转速旋转，满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。差速机构如图2-10所示。模型车在过弯时车轮的轨线是圆弧，如果向左转弯，在相同的时间里，右侧轮子走的弧线比左侧轮子长，为了平衡这个差异，就要左边轮子慢一点，右边轮子快一点，用不同的转速来弥补距离的差异。

我们希望是模型车在加减速的时候，后轮没有差速，而在过大弯道时有很大的差速。这样，即加速快又过弯灵活。但是，实际的差速机构不可能达到这效果，我们调节差速只是平衡两项，在转弯较灵活地方情况下尽量不影响加速性能。

B型模型车采用双滚珠差速，首先将左后轮的防松螺母拧紧，通过调整后轴上的防松螺母压紧小差速盘；通过调整右后轮防松螺母的松紧，实现对大差速齿轮盘松紧的调节。调节后的效果应为：开动电机后，握住一侧轮，另一侧可正常转动；握住两侧轮，差速尺寸无法转动。

（2）、智能汽车差速机构调整：

差速作用就是在电机向两边半轴传递动力的同时，允许两边半轴以不同的转速旋转，满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。差速机构如图2-10所示。模型车在过弯时车轮的轨线是圆弧，如果向左转弯，在相同的时间里，右侧轮子走的弧线比左侧轮子长，为了平衡这个差异，就要左边轮子慢一点，右边轮子快一点，用不同的转速来弥补距离的差异。

我们希望是模型车在加减速的时候，后轮没有差速，而在过大弯道时有很大的差速。这样，即加速快又过弯灵活。但是，实际的差速机构不可能达到这效果，我们调节差速只是平衡两项，在转弯较灵活地方情况下尽量不影响加速性能。

B型模型车采用双滚珠差速，首先将左后轮的防松螺母拧紧，通过调整后轴上的防松螺母压紧小差速盘；通过调整右后轮防松螺母的松紧，实现对大差速齿轮盘松紧的调节。调节后的效果应为：开动电机后，握住一侧轮，另一侧可正常转动；握住两侧轮，差速尺寸无法转动。

（3）、智能车后轮减速齿轮机构调整：

模型车后轮采用540电机驱动，电机轴与后轮轴之间的传动比为36：105

（电机轴齿轮齿数为36，后轴传动齿数为105）。齿轮传动机构对模型车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，会严重影响模型车的速度性能。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。

软件部分：

在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个模型车的机械结构有一个全面清晰的认识，然后建立相应的数学模型，从而再针对具体的设计方案来调整赛车的机械结构，并在实际的调试过程中不断的改进优化和提高结构的稳定性。

软件的主要功能包括：

车模运行状态检测；电机PWM输出；车模运行控制：速度控制、方向控制；车模运行流程控制：程序初始化、车模启动与结束；系统界面：状态显示、上

位机监控、参数设定等。

主程序流程图：

1、智能车强制转弯的实现：

人字形路口的强制转弯理论上可以通过两种渠道实现：

一是赛车在检测到斑马线的时候强制小车转弯，这种方法可以不必先使小车停止，节约时间，但是转弯的难度系数较大，如果控制不好，容易使小车冲出赛道外；个人更偏向于第二种使小车双向运行的反感，这种方法让小车在检测到斑马线后停车，然后控制电机使小车反向运行。这样设计的话，必须先使小车停止才能反向。使小车制动的过程可能会占用一定的时间。检测到斑马线之后小车开始制动直到最终停止，这个过程还有一个问题就是小车倒行至道路交汇点的时候，要进行一次识别，不能沿原路返回。为了节约这样一个识别的时间，个人认为，可以通过在软件上稍作改动，利用小车检测到斑马线开始制动的这个过程的同时控制舵机让小车的前轮产生一个小的偏角，假设小车从左边赛道驶入，则控制小车的前轮向左偏转一个小的角度，使其倒行时可以很快的检测到右边的赛道，并

以最短的时间实现加速。

2、避障问题：

个人感觉道路障碍的设置，完全是对速度的一个制约，如何以最短的时间通过障碍物至关重要，当然实现最短时间的前提是稳定，也就是小车不能触碰到障碍物驶出赛道。由于线性CCD的前瞻性不是很好，所以既然我们选择了利用线性CCD，就要在路障的问题上有劣势。为了能够稳定的通过障碍物，减速过程是在所难免的。在检测到障碍物之后，根据小车实际运行速度控制减速，同时控制舵机使小车偏移然后加速让小车沿原来的路径继续行驶。个人以为，砖头的长和宽度的大小也起到很关键的作用，对如何让小车尽量以快的速度恰好通过障碍有着很大的影响。所以，实现障碍物大小，检测到障碍物是小车的速度，舵机实现完全转向并沿着一边赛道稳定运行所需的时间这些物理量之间必须有一个很好的协调，通过控制算法的不断改进，让小车可以既稳又快的通过障碍。

3、赛道边沿提取：

(1)

(2)边沿提取算法的基本思想如下直接逐行扫描原始图像，根据设定的阈值提

取黑白跳变点；

(3)赛道宽度有一个范围，在确定的赛道宽度范围内提取有效赛道边沿，这样

可以滤除不在宽度范围内的干扰；

(4)利用赛道的连续性，根据上一行白块的位置和边沿的位置来确定本行的边

沿点；

(5)求边沿点时，因为近处的图像稳定，远处图像不稳定，所以采用由近及远

的办法；

(6)进出十字的时候，通过校正计算出边沿角度可较好的滤除十字并补线；

(7)针对虚线赛道边沿不连续的特征，通过预测拟合对边沿点补线。

边沿提取算法的程序流程如图4.4所示。

对于赛车路径的优化，可以从以下三个方面来完成：

1）增加视场的长度和宽度

当赛车采集到的图像能够覆盖一个比较完整的S弯道时，通过加权算法计算出来的中心就会处于视场中央附近，此时赛车会以一个比较好的路径快速通过S弯道；相反，如果视场无法覆盖一个完整的S弯道，赛车就会误处理为普通的单向弯道，这样赛车的速度就会大大减慢。因此，尽量增大视场的长度和宽度就很有必要了。

视场的长度与单片机可以处理的图像行数成正比。我们采用由运算放大器制作的模拟比较器进行图像二值化，处理速度较A/D转换有了很大提高，大大增加了单片机处理的图像行数，最终处理行数为95行(隔3行提取一行)，达到的视场长度为200多cm。为了增加视场宽度，增加每行采集的图像点数之外，我们采用了广角镜头，从而有效地增加了视场宽度。

2）优化加权算法

对整场有效行的中心求加权平均值的算法，在低速情况下可以有效地优化

赛车路径，但在赛车速度提高到一定程度之后由于过弯时的侧滑，路径不是很好。而由于图像分布不均，三分之二的行分布于车体前方40cm的范围内，求出的加权平均值受车体近处的图像影响较大，因此整场图像求加权的算法对于高速情况下的路径优化效果不是很明显。

为了解决这个问题，我们对于参与加权计算的图像行数及权重进行了处理，减小了车体前部50cm范围内的图像参与加权的行数和权重，同时增大视场前部图像的权重。在经过长期调试之后，得到了一套比较合适的参数，能够有效优化高速情况下的赛车路径。

3）对不合理的中心点进行处理

对于在校正后的图像数据中求得的中心线，反校正到原始图像后存在一行中含有多个中心点的情况。在通常情况下，这种情况出现在较远的视野中，但由于我们增大了视场前部图像的权重，这些中心点对权重的影响极大，导致车模容易出现掉轮甚至冲出赛道的现象。

为了解决这个问题，我们利用数学方法求出了中心线的折点，对折点之后的中心点单独处理，使车模不再出现掉轮的现象。

4、弯道策略分析：

在车辆进弯时，需要对三个参数进行设定：切弯路径、转向角度、入弯速度。

其中，切弯路径主要决定了车辆是选择内道过弯还是外道过弯。切内道，路经最短，但是如果地面附着系数过小会导致车辆出现侧滑的不稳定行驶状态，原因是切内道时，曲率半径过小，同时速度又很快，所以模型车需要的向心力会很大，而赛道本身是平面结构，向心力将全部由来自地面的摩擦力提供，因此赛道表面的附着系数将对赛车的运行状态有很大影响。切外道，路径会略长，但是有更多的调整机会，同时曲率半径的增加会使得模型车可以拥有更高的过弯速度。

转向角度决定了车辆过弯的稳定性。合适的转向角度会减少车辆在转弯时的调整，不仅路径可以保证最优，运动状态的稳定也会带来效率的提高，减少时间。在考虑转向角度设置时需要注意以下几个问题：对于检测赛道偏移量的传感器而言，在增量较小时的转向灵敏度；检测到较大弯道时的转向灵敏度；对于类似S 弯的变向连续弯道的处理。

对于入弯速度的分析，应该综合考虑路径和转向角度的影响。简单而言，我们会采取入弯减速，出弯加速的方案，这样理论上可以减少过弯时耗费的时间。然而，在过去几届比赛中，通过观察各参赛车对弯道的处理后，我们发现并不是所有人都选择了相同的方案。正如前面说到的那样，不联系路径和转向角度，只是单纯地分析过弯速度，会造成思路的局限甚至错

误。例如，在不能及时判断入弯和出弯的标志点就采取“入弯减速、出弯加速”的方案，会出现弯道内行驶状态不稳定、路径差，同时出弯加速时机过晚，一样会浪费时间。所以现在本系统参考实际驾驶时的一些经验，

对过弯速度的处理方式确定为：入弯时急减速，以得到足够的调整时间，获得正确的转向角度；在弯道内适当提速，并保持角度不变，为出弯时的加速节约时间；出弯时，先准确判断标志，然后加速，虽然会耗费一些时间，但是面对连续变向弯道可以减少判断出错的概率，保证行驶状态的稳定性，而且弯道内的有限加速对后面的提速也有很大的帮助。综合考虑用可以接收的额外时间换回行驶稳定性还是值得的。

5、对速度的闭环控制：

PID控制策略其结构简单，稳定性好，可靠性高，并且易于实现。其缺点在于控制器的参数整定相当繁琐，需要很强的工程经验。相对于其他的控制方式，在成熟性和可操作性上都有着很大的优势。所以最后我们选择了PID的控制方式。

在小车跑动中，因为不需要考虑小车之前走过的路线，所以，我们舍弃了I 控制，将小车舵机的PID控制简化成PD控制。速度闭环控制采用了增量式PID 控制。在本方案中，使用试凑法来确定控制器的比例、积分和微分参数。

转向舵机的PID控制算法

对于舵机的闭环控制，采用位置式PID控制算法，根据往届的技术资料和实际测试，将每场图像的黑线中心加权平均值与舵机PID参考角度值构成一次线性关系。

初步选择的PID调节策略是：

(1) 将积分项系数置零，我们发现相比稳定性和精确性，舵机在这种随动系统中对动态响应性能的要求更高。更重要的是，在KI 置零的情况下，我们通过合理调节Kp ，发现车能够在直线高速行驶时仍能保持车身非常稳定，没有震荡，基本没有必要使用KI 参数；

(2) 微分项系数KD 使用定值，原因是舵机在一般赛道中都需要较好的动态响应能力；

(3) 对Kp ，我们使用了二次函数曲线，Kp 随中心位置与中心值的偏差呈二次函数关系增大。

试凑法：是通过闭环试验，观察系统响应曲线，根据各控制参数对系统响应的大致影响，反复试凑参数，以达到满意的响应，最后确定PID 控制参数。试凑不是盲目的，而是在控制理论指导下进行的。

比例调节（P ）作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

积分调节（I ）作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti ，Ti 越小，积分作用就越强。反之Ti 大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI 调节器或PID 调节器。 微分调节（D ）作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD 或PID 控制器。

试凑法的具体实施过程为：

1、整定比例部分，将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统静差小到允许范围，响应曲线已属满意，那么只需比例控制即可，由此确定比例系数。

2、如果在比例控制基础上系统静差不能满足设计要求，则加入积分环节，整定时首先置积分时间i T 为很大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小（如缩小为原值的0.8），然后减小积分时间，使得在保持系统良好动态的情况下，静差得到消除，在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程，得到整定参数。

3、若使用比例积分控制消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加微分环节，构成比例、积分、微分控制器。在整定时，先置微分时间

d T 为零，在第二步整定基础上增大d T ，同样地相应改变比例系数和微分时间，逐步试凑以获得满意的调节效果和控制参数。

6、十字的处理：

(1)从硬件方面，线性CCD 呈一字排布，这样在上排全白的时候下排可以暂时接管循线。

(2)状态保持策略；在十字处，会出现白区，这时采用保持策略，即保持上一有效赛道检测信息，主要是舵机转角等参数然后依靠下排作轻微的调整。

硬件部分：

一、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、路径识别的光电传感器、光电码编码器等均需要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，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

部分供电。

（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LM2941、LM7806和LM1117稳压，输出6V 电压，对舵

机供电。（

二、电机驱动：

BTS7971电机驱动及原理 ：

1、智能功率芯片BTS7971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4.10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。BTS7971通态电阻典型值为16m Q，驱动电流可达70A。

2、BTS7971的芯片内部为一个半桥。INH引脚为高电平，使能BTS7971。IN引脚用于确定哪个MOSFET导通。IN=I且INH=1时，高边MOSFET导通，OUT引脚输出高电平； IN=0且INH=1时，低边MOSFET导通，OUT引脚输出低电平。SR引脚外接电阻的大小，可以调节MOS管导通和关断的时间，具有防电磁干扰的功能。Is引脚是电流检测输出引脚。如图4.10所示，有两个BTS7971半桥驱动芯片构成的全桥驱动电路。

3、BTS7971的引脚Is具有电流检测功能，正常模式下，从Is引脚流出的电流与流经高边MOS管的电流成正比，若RIS=lkΩ，则V IS=I load/8.5；在故障条件下，从Is引脚流出的电流等于I IS(1im)(约4.5mA)，最后的效果是Is为高电平。

4、BTS7971电机驱动的OUT1和OUT2接电机两端，由PWM2控制OUT1的输出电压值U1，由PWM3控制OUT2的输出电压值U2。U1、U2的大小由PWM2、PWM3的占空比乘以电池电压7.2V决定。故U1、U2的差值决定了电机的转速。由于此驱动方式具有较好的加减速性能，所以采用此驱动方式。

三、道路识别装置（线性CCD）：

1、传感器类型及位置确定：

路径识别传感器使用由exas Advanced Optoelectronic Solution公司提供的TSL1401系列的线性CCD

在传感器的制作上，上排倒八、下排“一”字形排布，并通过反复实践决定传感器的数量和位置。

从简洁的设计角度，直接从微控制器的电源线上串联上限流电阻，再和线性CCD传感器串联使用。限流电阻既在光电传感器检测时起到了上拉电阻的作用，又和微控制器共地，简化了电路结构。传感器又分上排和下排。上排采用模拟接收模块，其核心是光敏二极管，为了能够准确识别起跑线，可以通过增加六个光敏二极管来识别起跑线，方法很传统，但识别率很高。下排采用线性CCD传感器检测。

CCD的大体参数：

128×1个传感器单元组织每英寸400 点（DPI）传感器间距高线性度和均匀度宽动态范围。。。4000:1（72 分贝）输出参考地低图像延迟。。。0.5％典型值操作为8 MHz。单3-V 到5-V 供应轨到轨输出摆幅（AO） TSL1401CL 的线性传感器阵列由一个128×1 的光电二极管阵列，相关的电荷放大器电路，和一个内部的像素数据保持功能，它提供同时集成起始和停止时间所有像素。该阵列是由128 个像素，其中每一个具有光敏面积3,524.3 平方微米。像素之间的

间隔是8 微米。操作简化内部控制逻辑，需要只有一个串行输入端（SI）的信号和时钟。

2、光电编码器处理：

编码器信号处理，使用了欧姆龙的500线编码器，在实际应用中使用了其AB两相，简单经过异或门之后给单片机，这就相当于是1000相的编码器，提高了精度。

四、角速度传感器的应用：

在此次比赛中，我们选用了陀螺传感器，陀螺采用官方指定的ENC03，通过测量向上的加速度来检测过桥，然后辅之以下排传感器来保证平稳过桥。

五、舵机的选用、测试和调试：

本届飞思卡尔智能车竞赛，由于采用摇头的方案，对摇头舵机的性能提出了很高的要求。选用官方指定的舵机SD-5，SD-5虽然作为数字舵机，响应较快但缺点是是力矩相对较小。

舵机原理：

一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等。

工作原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。

舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0－180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围不能超过180度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。

车模舵机，特别是批次较新的舵机质量较差容易损坏，尤其是S3010舵机力矩太小，塑料齿轮间隙又比较大。用它作摇头舵机使用，经常造成由齿轮间隙引起的光斑错位问题，此外，其输出力矩比较小，对于往年的循中间单线来说，可以减少灯的个数来弥补这个不足，然而今年的双边沿线赛道对巡线提出了更高的要求，同时要想有效检测赛道，灯的个数势必增加不少，这些就要求S3010必须要带很大的负载。

理想舵机模型：

1、响应时间为零，在接到指令后即可转动到指定位置。

2、力矩为无穷大，可以克服一切机械阻力。

3、对外界的电磁干扰不敏感，也不对外产生电磁干扰。

4、工作中中值恒定。

5、控制精度足够高。

6、舵机转角与高电平时间呈线性关系。

六、键盘及数码管：

在调试过程之中，需要实时的了解与掌握一些车的运行状态，比如说传感器的状态，舵机的转角等，调试时用数码管将这些参数显示出来，让我们实时的监测车的状态，从而做出判断，这样很大程度的方便了对车的调试。有时候需要对参数作修改处理，如果每修改一个数据就下载一次程序的话，就会浪费时间，这时应用键盘，它就起到一个人机交互的作用。

我们选用ZLG7290控制芯片，它可以驱动八位数码管，最多可驱动64个独立按键。