芜湖职业技术学院[1]

第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校：芜湖职业技术学院队伍名称：联大3队带队老师：钱峰李敏参赛队员：关于技术报告和研究论文使用授权说明本人完全了解第五届全国大学生“飞思卡尔”杯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：摘要本报告旨在简要说明，我校联大二队在准备第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛的工作和成果。

本次参加比赛的小车车模采用组委会统一提供的基础底盘，控制平台使用以MS9S12XS128MAA为核心的硬件搭建。

软件开发平台为与单片机配套的CodeWarrior IDE环境。

本文介绍了智能车的硬件的组成和搭建，包括小车机械部分的改进，底盘的修改，小车各组件的安装和布局；传感器的选择和制作，整车电源的设计制作，电机驱动电路的设计制作。

软件方面，涉及到了信号处理，控制算法，策略优化，信号反馈等。

小车工作过程可以简单描述为，通过激光管向赛道发射光束，传感器接收到反馈的信号之后传递给单片机，经过处理了后得到位置控制信号和速度控制信号，将位置控制信号发送到舵机单元，将速度控制信号发送到电机驱动单元。

整车够成一个位置和速度随动的自动控制系统。

目录一、概述1.1引言 (6)1.2系统设计构想 (6)二、需求分析2.1硬件系统设计目标 (7)2.2软件系统设计目标 (7)三、硬件系统电路设计3.1电源模块设计 (8)3.2电机驱动模块设计 (8)3.3信号源驱动模块设计 (9)四、硬件系统机械改装4.1小车底盘分析 (10)4.2小车减震系统改装 (11). 4.3小车机械调整......................................................................................-.16-4.4舵机 (16)4.5测速机构 (16)五、软件系统设计5.1系统软件总体结构 (17)5.2初始化模块 (17)5.2.1总线时钟 (17)5.2.3 PWM初始化 (18)5.2.4 AD初始化 (19)5.2.5 ECT初始化.....................................................................................-错误！未定义书签。

-5.3 路径识别原理及实现...........................................................................-错误！未定义书签。

-5.4 控制算法的研究 (21)5.4.1 舵机转向控制算法 (21)5.4.2 直流电机的控制算法..................................................................-错误！未定义书签。

-六、参考资料 (30)七、附录 (31)一、概述1.1引言全国大学生飞思卡尔智能汽车竞赛时由教育部高等自动化专业教学指导分委员会主办的，以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，是以智能汽车为竞赛平台的多学科专业交叉的创意性科技竞赛。

该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，已成功举办四届。

此次我们参加第五届比赛，虽然的第一次参赛但是在大量的学习前人的经验后，加上我们对自己手头的资源合理利用积极创新，我们也逐渐找到了适合自己的一套方案。

作为一场正规的比赛，飞思卡尔智能汽车竞赛有一整套完整的竞赛规则，我们在参加比赛前认真学习有关规则，比赛的主要要求我们都一一满足，以下摘自比赛官网，是对比赛要求的一部分：参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定的竞赛车模套件，采用飞思卡尔半导体公司的8位、16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，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加各分赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，参加全国总决赛的场地比赛。

参赛队伍的名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术报告、制作工程质量评分为辅来决定。

大赛根据车模检测路径方案不同分为电磁、光电与摄像头三个赛题组。

车模通过感应由赛道中心电线产生的交变磁场进行路径检测的属于电磁组；车模通过采集赛道图像（一维、二维）进行路径检测的属于摄像头组；车模通过采集赛道上少数孤立点反射亮度进行路径检测的属于光电组。

我们参加比赛的小车属于光电组，下面就我们在准备比赛初期对整个系统的构想做一个说明。

1.2系统设计构想小车在跑道上高速行驶时，通过激光发射管向赛道上发射激光信号，由传感器接收反射的信号。

由于赛道上的黑线与白色的赛道反射的型号有显著差异，系统可以检测到，从而得到小车与黑线的相对位置，并判定小车的运动状态，进而控制执行机构动作。

小车的底盘是整车的基础，为了配合其他部件的安装和工况，我们对小车做了一些改进，主要是减震系统的修改，小车各部件的支架和固定，测速机构的制作和安装。

为了取得尽量多的采样点，激光管的数量需要比较多，故在综合考虑赛道宽度，小车采样距离，和采样方式后我们先后使用了10个和15个激光管的方案，激光管固定在小车传感器支架上的电路板上，为了节约I/O资源使用了硬件译码电路驱动，具体见3.3信号源驱动电路设计。

在原始的设计方案中，每个激光管都配有一个传感器，但是再后来的模拟实验中，为感光元件加上一个透镜组后，其接收范围可以大大增加，相邻的激光管的信号也可以接收到，从而确保每次信号都可以有效的被接受到。

在这种状况下我们减少了传感器的数量，缩小的系统规模，并且在程序上简化了判断过程。

具体见3.4传感器模块设计。

二、需求分析2.1硬件系统设计目标硬件是整个系统的基石，没有稳固的硬件基础支持就谈不上整个系统的稳定运行，这里的硬件包括两个部分一个是小车本身的机械结构，二是小车上所搭载的电子电路。

对于小车本身的机械结构，我们希望它具有可靠的机械强度，可以很好的对其他部件起到支撑作用。

同时在动力部分可以稳定高效的输出动力，转向机构可以及时到位的执行转向动作。

电子电路部分承载了小车的控制部分，它的稳定性决定了系统能否顺利运行，同时作为电子设备，它要满足EMC要求，尤其强调抗干扰能力，并且在这些要求达到后能够尽量的低功耗低延迟。

2.2软件系统设计目标软件系统作为整个系统中的控制核心部分，要准确无误的处理传感器接收到的各种信息，及时的对系统的变化作出反应。

在没有bug的情况下还应尽量满足对信息的处理最优化，保持一定的健壮性，容错能力、抗干扰能力要强，最终的代码要经过优化才能使用以期达到高效的目的。

三、硬件系统电路设计3.1电源模模块的设计在一开始的设计过程中，我们习惯性的使用最常用的电源方案，直接使用了7805作为主电源为整个系统供电，但是在后来的设计和实验中发现7805由于功耗过大，工作要求的压差太大等原因，导致系统掉电单片机复位。

在分析问题之后我们选择使用LM2940作为系统的电源，将电机独立出去，为单片机和传感器提供一个干净稳定的工作电流。

在针对大量激光管功耗比较高这一问题上我们还准备了双电源方案，为传感器独立供电。

在设计PCB时仔细安排了电源模块的布局，使其EMI对单片机的影响降到最低，并且将电机驱动模块独立开来由电池直接供电，防止了电机启动，堵转和反向制动时造成的异常电流对整个系统的影响。

3.2电机驱动模块设计在原型车制作的过程中我们准备了三种方案，分别是LM298n驱动、LM33886驱动和MOSFET驱动。

三种方案的原理都是一样的，都是基于H桥的电机驱动方式，但是经过对各种方案的性能，价格，和使用的难易程度的对吧分析，并且通过实验验证后，我们选择了使用MOSFET管搭建H桥电路的方案，在原型车实验阶段单独使用一块驱动板来驱动电机，并在整车总装时将其合并到一块PCB 上。

图1、H桥电路原理图3.3信号源驱动模块设计小车使用的信号源是15只单色激光发射管。

使用时是以扫描方式依次点亮每只管子，考虑到I/O资源的有限及从发射管的安装位置大量布线到主板不方便且不稳定，采用了译码器寻址点亮的方式，使用两片74LS138级联成一组4线16线译码器，经过反相器将控制信号送到发射管上。

由于采用了这种方式实际只使用了4个I/O口，并且将发射管的电源与单片机隔离开来，单片机只发送开关信号不直接驱动发射管，降低了单片机的负担。

3.4传感器模块设计传感器在加上了透镜组后性能得到了显著的提升，一只接受管可以接受周围4只管子的信号，但是考虑到赛道上的情况多变而且当发射管的光点照到赛道外上时情况更为复杂，为了给采集系统留一定的裕量，我们使用了6只接受管，布局参见下图，在从左向右依次编号为2,5,7,9,11,14号发射管下安装，从而获得更多的有效信息。

图2、发射管和传感器示意图四、硬件系统机械改装4.1小车底盘分析图3、B型车模由于今年竞速组采用了新的B型车模（图1），B型车模采用的是国内厂商生产的1：16的电动越野遥控车的底盘部分，突出特点为四轮驱动，四轮独立悬挂，相比于往年比赛采用的A型车模结构上复杂程度有所增加。

同时可调整参数也有所增加，而通过调整这些参数，可以改变车辆的性能。

4.2小车机械调整一、车身高度车身高度指的是当车子满载的时候，底盘离地面的高度。

可以通过旋转前、后桥中的一粒内六角螺丝来调整车身高度图4、前桥的内六角螺丝图5、后桥的内六角螺丝二、前轮内束角角度束角是描述从车的正上方看，车轮的前端和车辆纵线的夹角。

车轮前端向内倾（内八字），称为内束角，车轮前端向外倾（外八字），称为外束角。

不同的束角角度会改变车辆的转向反应和直道行驶的稳定性。

可以通过改变前万向节拉杆（图4中红圈所示）的长度来改变束角角度。

图6、前悬挂三、前轮Camber linkCamber link是指前上桥两端的固定位置。

Camber link决定了车轮的Camber角度，以及悬挂移动时Camber角度的改变量，和悬挂系统的几何特性。

Camber link位置会影响车辆的稳定性和抓地力。

可以通过调整前上桥的拉杆（图4中黄圈所示）的长度来改变前轮的Camber link。

四、后轮Camber linkCamber link是指后上桥两端的固定位置。

Camber link决定了车轮的Camber角度，以及悬挂移动时Camber角度的改变量，和悬挂系统的几何特性。

Camber link位置会影响车辆的稳定性和抓地力。