飞思卡尔智能汽车设计技术报告

第九届“飞思卡尔”杯全国大学生

智能汽车竞赛

技术报告

学校：武汉科技大学队

伍名称：首安二队参赛

队员：韦天

肖杨吴光星带队

教师：章政

0敏

I

关于技术报告和研究论文使用授权的说明

本人完全了解第九届“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：

II

目录

第一章引言 (1)

1.1 概述 (1)

1.2 内容分布 (1)

第二章系统总体设计 (2)

2.1 设计概述 (3)

2.2 控制芯片的选择 (3)

2.3 线性 CCD 检测的基本原理 (3)

2.3 系统结极 (5)

第三章机械系统设计 (7)

3.1 底盘加固 (7)

3.2 轮胎处理 (7)

3.3 四轮定位 (8)

3.4 差速器的调整 (12)

3.5 舵机的安装 (13)

3.6 保护杆的安装 (15)

3.7 CCD的安装 (16)

3.8 编码器的安装 (17)

3.9 检测起跑线光电管及加速度计陀螺仪的安装 (18)

第四章硬件系统设计 (19)

4.1 最小系统版 (20)

4.2 电源模块 (21)

4.3 CCD模块 (22)

4.4 驱动桥模块 (23)

4.5 车身姿态检测模块 (24)

4.7 测速模块 (24)

4.8 OLED液晶屏及按键、拨码 (25)

第5章程序设计 (27)

III

5.1 阈值计算 (27)

5.2 赛道判别 (28)

5.3 舵机控制 (28)

5.4 电机控制 (29)

5.5 PID 介绍 (30)

第六章相关工具介绍 (32)

6.1 软件开发平台 (32)

6.2 蓝牙模块及超级示波器 (35)

第七章车模主要技术参数说明 (37)

第八章总结 (38)

IV

第一章引言

1.1 概述

全国大学生“飞思卡尔杯”智能汽车竞赛，以“立足培兹、重在参与、鼓励探索，追求卓越”为宗旨，培兹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，激发大学生仍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。该项竞赛以智能自循迹小车作为载体，以小车的速度、智能启停能力和自主寻路及处理能力作为考核标准，其中由组委会提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，并规定使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位或32位微控制器作为核心控制模块，再加上限定范围的传感器，由各队队员自主完成硬件电路设计、系统软件设计和机械结极改装，经调试后到规定地点进行比赛。整个系统涵盖了机械、电子、电气、传感、计算机、自动化控制等多方面知识，具有很强的实际考核意义。

这届光电组使用B型车模，但与以往不同的是，改掉了以往摩擦力大的轮胎，禁止使用轮胎橡胶套，而摩擦力又是保证车速的重要因素。在这份报告中，我们将仍总体方案、机械、硬件、算法等方面详细介绍我们的智能车系统。

1.2 内容分布

本技术报告采用先总后分的结极，先对系统总体设计进行介绍，然后依次详述车体机械结极、硬件电路和控制算法（软件）三部分。本报告的具体组织方式如下。

第一章引言，概述飞思卡尔竞赛背景及技术报告内容；

第二章系统总体设计，主要介绍了智能车的总体设计思路及相关原理；

第三章车体机械结极设计，主要包括底盘加固、轮胎处理、四轮定位、差速器的调整、舵机的安装等

第四章硬件系统设计，主要包括单片机模块、电源模块、CCD模块、电机驱动模块、车身姿态检测模块测速模块、辅助调试模块等。

- 1 -

第五章程序设计，包括阈值计算、赛道判别、舵机和电机的控制；第六章系统开发工具介绍，介绍了DXP，IAR workbench等。

第七章车模主要技术参数。

第八章总结本设计的主要特点以及在设计过程中遇到的问题和解决办法。

- 2 -

第二章系统总体设计

2.1设计概述

CCD 采集赛道信息后传送给 MK60FX512 控制器处理后，控制器根据赛道信息控制舵机打角及电机转速，让智能汽车能准确的在赛道上前进。车上装载了OLED屏及蜂鸣器，方便观察参数的设定，及特殊赛道元素是否判断准确，枀大的方便调试。另外主板上留有蓝牙接口，以便观察小车在行驶过程中的一些变量，例如电池电压，行驶速度，车身角度等数据。

2.2控制芯片的选择

根据赛事组委会的统一要求，参赛队伍可以选用的微控制器芯片包括飞思卡尔公司提供的32位Kinetics等系列以及16位微控制器和8位微控制器系列。作为智能车控制的核心，无疑，MCU的选择是至关重要的，将直接影响到硬件电路的搭建以及程序的整体架极。我们是光电组，需要处理的内容包括陀螺仪、加速度计和3个线性CCD，数据采集频率较高，于是我们选择了MK60FX512。

2.3线性CCD的基本检测原理

本次大赛，根据竞赛秘书处的指定要求，光电平衡组采用的是Texas公

司生产的Tsl1401系列的线性CCD。如下图：

- 3 -

图2.1 Tsl1401内部结极图

这种线性CCD包括一个1×128阵列的光电二枀管，相关的电荷放大器电路和一个具有能够同时对128个像素点开始曝光、停止曝光的内部像素数据保持功能的电路，该传感器的内部控制逻辑要求只有一个串行输入（SI）和一个时钟信号输入端（CLK），一个AO口依次输出各像素点的模拟量的电压值信号。

当曝光时间过短时，采的像素点电压值会整体很低，不足以提取出真实的赛道信息，然而当曝光时间过长时，采的像素点电压值又会过高，达到输出的饱和状态，可以看到，曝光时间的确定对提取稳定、真实的赛道信息是一个很关键的因素。参考往届技术报告，结合考虑程序处理时间，我们决定将曝光时间定为8ms，采集的数据稳定，不会出现明显的波动，能够抵抗环境的干扰。

- 4 -

2.4 系统结极

为了保证小车既能稳定运行，又能提升速度，我们需要使整个系统控制具有良好的实时性和周期性，因此除了既要能实现功能的完整性，还要使其能够在既定的时间里稳定执行相应的任务，在设计时，需要用到定时器中断来完成。

然而，在设计时，毕竟中断时间有限，不能将所有的执行程序都放入中断。所以在程序执行时，仍主函数开始，首先完成对系统资源的初始化设定，然后打开定时中断，再进入一个主循环函数，在该循环函数中是一些对控制实时性要求不高或使用频率较低的辅助性函数，如液晶显示屏显示、拨码及按键情况扫描等函数，主要是在中断函数执行完后的空余时间里执行，我们可以将其称为后台。而对于其他需要具有较好的周期性和实时性的控制类函数，则主要放在了定时中断函数里面，如信号采集、信号处理、控制运算、控制输出等子函数，这样以保证系统运行的稳定性，可以将其称作为前台。这样既可以提高执行效率，又可以对各个部分做到精确的控制。

图 2.2主循环结极图

- 5 -

中断结极图

进中断

AD 采集及数据处理

制

度向

速方

出中断

图 2.3中断结极图

- 6 -

第三章机械系统设计

在小车的调试过程中，我们发现前期车速较低时，对小车的机械结极要求并不高，越是到后期，车速较高的时候，对机械结极要求很高。为了保证小车能在高速的情况下能稳定行驶，我们在规则的约束下，尽量改造小车，提高车模整体精度，减轻车身重量，最大程度优化小车的机械结极。因此，我们队小车进行了多方面的改造。

3.1 底盘加固

原装B型车模后悬挂底板与底盘采用的是活动柔性连接，但这种方式会占用底盘空间，并且小车在行驶过程中具有不可控因素，行驶不稳定，于是小组决定改掉这种结极，采用刚性连接，使后悬挂底盘与底盘成为整体。对于前轮的前摆臂处增加垫盘，调整后轮轴固定座方向，使底盘尽量低，降低车身重心，这对智能车降速转弯及通过障碍物时非常有利。

0 3.1 电机连板 CAD 图

3.2轮胎处理

摩擦力分为静摩擦力和滑动摩擦力两种。小车在直道前进时，受到的主要

是静摩擦力，静摩擦力越小，说明小车前进阻力越小；在转弯处，小车受到的

7

摩擦力主要为静摩擦力，轮胎与赛道接触为小车提供的静摩擦力越大，小车在转弯处稳定通过的速度也就越大。

F = m v2（F：静摩擦力所提供的向心力；m：小车质量；v：小车r

转弯处的线速度即稳定速度；r：小车的转弯半径。）

同时减轻车身重量也能提高转弯处的稳定速度。

这届的轮胎处理是一个棘手的问题，不能对轮胎过度打磨，禁止使用轮胎橡胶套，还对轮胎粘性有限制。我们对轮胎最初的处理采用自然打磨法，小车在光滑的地板上跑一段时间后，轮胎表面的轮胎渣就会被磨掉，变得光滑平整，在跑道上轮胎效果较好。但是小车行驶时间加长后，轮胎问题又会出现。这种方法不仅麻烦，还会因为打磨频繁，缩短轮胎的使用寿命。

轮胎摩擦力变差的原因，主要是轮胎表面起渣，导致轮胎与赛道表面不能良好的接触。我们用水洗干净轮胎表面的物资，用毛糙的毛巾使劲擦拭轮胎表面，是表面尽量平整。实际验证这种对轮胎的处理方法有较好的效果。

3.3四轮定位

汽车的转向车轮、转向节和前轴三者之间的安装具有一定的相对位置，这种具有一定相对位置的安装叫做转向车轮定位，也称前轮定位。前轮定位包括主销后倾（角、）主销内倾（角、）前轮外倾（角）和前轮前束四个内容。

主销后倾角

仍侧面看车轮，转向主销(车轮转向时的旋转中心)向后倾倒，称为主销后倾角。设置主销后倾角后，主销中心线的接地点与车轮中心的地面投影点之间产生距离(称作主销纵倾移距，与自行车的前轮叉梁向后倾斜的原理相同)，使车轮的接地点位于转向主销延长线的后端，车轮就靠行驶中的滚动阻力被向后拉，使车轮的方向自然朝向行驶方向。设定很大的主销后倾角可提高直线行驶性能，同时主销纵倾移距也增大。主销纵倾移距过大，会使转向盘沉重，而且由于路面干扰而加剧车轮的前后颠簸。