第八届飞思卡尔智能车竞赛光电平衡组西南交通大学Simple

第八届“飞思卡尔”杯全国大学生

智能汽车竞赛

技术报告

学校：西南交通大学

队伍名称：Simple

参赛队员：陈佳兴

齐辉

付鑫

带队教师：蒋朝根龙文杰

关于技术报告和研究论文使用授权的说明

本人完全了解第八届“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：陈佳兴齐辉付鑫

带队教师签名：蒋朝根龙文杰

日期：2013年8月14日

目录

第一章引言 (1)

1.1飞思卡尔智能汽车比赛介绍 (1)

1.1.1飞思卡尔智能汽车竞赛简介 (1)

1.2.2比赛规则介绍 (2)

1.2.3器材限制规定 (3)

第二章整体设计方案 (6)

2.1整个系统概述 (6)

第三章车模机械设计 (7)

3.1车模轮胎的处理 (8)

3.2车模编码器的安装 (8)

3.3车模电池的放置位置与配重 (9)

4陀螺仪的安放位置 (11)

第四章车模电路设计 (12)

4.1主控芯片 (12)

4.1驱动方案 (13)

4.2液晶和键盘模块 (13)

4.3无线蓝牙 (14)

4.4主控板 (14)

4.5 CCD模块 (17)

4.5.1 CCD的大体参数 (17)

4.5.2控制信号 (18)

4.6关于电容传感器个数和车的一些参数 (19)

第五章直立原理 (19)

5.1车模平衡控制 (19)

5.2测量车模的角度的传感器 (20)

5.3互补滤波 (21)

第六章程序控制说明 (22)

6.1 直立控制 (22)

6.2 速度控制 (24)

6.3 转向控制 (26)

第七章开发工具、调试系统说明 (27)

7.1蓝牙无线串口 (27)

7.2 Labveiw上位机软件 (28)

7.3 ccd软件 (32)

7.3 matlab做的数据分析 (33)

第八章鸣谢与总结 (34)

参考文献 (34)

附录代码 (36)

CCD (36)

OLED (38)

卡尔曼 (52)

互补 (53)

速度控制 (54)

第一章引言

1.1飞思卡尔智能汽车比赛介绍

1.1.1飞思卡尔智能汽车竞赛简介

飞思卡尔公司开发嵌入式解决方案的历史可追溯到50多年前，现在，已发展成为在20多个国家设有业务机构，拥有 20,000多名员工的实力强大的独立企业。

飞思卡尔公司专门为汽车、消费电子、工业品、网络和无线应用提供“大脑”。他们无比丰富的电源管理解决方案、微处理器、微控制器、传感器、射频半导体、模块与混合信号电路及软件技术已嵌入在全球使用的各种产品中。并拥有雄厚的知识产权，其中包括6,200 多项专利。

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)，由教育部高等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为各参赛队提供/购置规定范围内的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，保证竞赛向健康、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、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。

1.2.2比赛规则介绍

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、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，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加各分（省）赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，参加全国决赛区的场地比赛。参赛队伍的名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间来决定，参加全国总决赛的队伍同时必须提交车模技术报告。大赛根据道路检测方案不同分为电磁、光电平衡与摄像头三个赛题组。使用四轮车模通过感应由赛道中心电线产生的交变磁场进行路经检测的属于电磁组；使用四轮车模通过采集赛道图像（一维、二维）或者连续扫描赛道反射点的方式进行进行路经检测的属于摄像头组；使用指定两轮车模保持车体直立行走的车模属于平衡组。

竞赛秘书处制定如下比赛规则适用于各分（省）赛区比赛以及全国总决赛，在实际可操作性基础上力求公正与公平。

1.2.3器材限制规定1.

电机RN-260

各赛题组车模运行规则：

(a) 电磁组：四轮车模正常运行。

车模使用A型车模。车模运行方向为：转向轮在前，动力轮在后，如图1所示：

车模运行方向

动力轮

转向轮

图1电四轮车模运行模式

(b) 摄像头组：车模反方向运行。

车模使用B型车模。车模运行方向为：动力轮在前，转向轮在后，如图2所示：

车模运行方向

动力轮

转向轮

图2摄车模运行模式

(3) 光电平衡组：车模直立行走。

使用D型车模。车模运行时只允许动力轮着地，车模直立行走。车模运

行方向应按照图3所示：

车模运行方向

注意：车模需要

按照图示的方向

运行。

D车模

动力轮

图3光平衡组车模运行模式

●细节及改动限制见附件一。

2. 须采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位、32位处理器作为唯一的微控制器。

●有关细节及其它电子器件使用的限制见附件二；

3. 三个赛题组使用传感器限制：

●参加电磁赛题组不允许使用光学传感器获得道路的光学信息，但是可以使

用光电码盘测量车速；

●参加光电平衡组的车模可以使用光电传感器、指定型号的线性CCD传感器

进行道路检测，禁止使用激光传感器。

光电平衡组若采用线性CCD，需使用Texas Advanced Optoelectronic Solution公司的TSL1401系列的线性CCD，如下图所示：

图4线阵CCD型号

●参加摄像头赛题组可以使用光电管作为辅助检测手段；

●非电磁组的赛道没有电磁信号；

4. 其他事项

●如果车模中禁止改动的部件发生损坏，需要使用相同型号的部件替换；

●摄像头组车模改装完毕后，车模尺寸不能超过：250mm 宽和400mm长。

电磁组车模改装完毕后，车模尺寸宽度不超过250mm，长度没有限制。

第二章整体设计方案

2.1整个系统概述

整个车模软硬件和调试模块组成如图所示的系统。这其中k60作为处理器处理各种的传感器信息并做出恰当的响应。使整个车在保持平衡的同时能够辨别赛道能够快速稳定的循迹。上位机帮助我们提高调试的效率能够最快的的得出最佳的结果。

我们的车模上有ccd模块用于辨别赛道信息，液晶和键盘用于观察和调整各种参数，陀螺仪和加速度计模块用于实时测量车模的倾角为平衡打下基础，电机驱动模块用于控制双电机，测速模块用编码器事实测量当前的脉冲个数，无线串口是将上位机和整个车模联系起来对车模各种数据进行显示和数据分析。

第三章车模机械设计

机械部分也是很关键的，前期我们没有意识到这个问题，在后期的速度提升到一定水平之后，开始出现拐弯翻车的情况，于是开始从机械上进行改进。对于直立车来说，重心稍高一些对调直立很有帮助，但速度一快就容易翻车。于是尽量降低车的重心，将电池尽量往下放，但是又出现了新的问题，那就是直立调的很烂，驾驭不了。于是又从程序上进行优化，将速度环重新改进，最后不管重心多低都能很好的控制，所以我们才敢把车的重心能放多低就放多低。主控板、驱动板、电池都往下放了，所以弯道很少出现翻车了。

3.1车模轮胎的处理

我们在实验室试跑的时候试过在轮胎内加软海绵和致密海绵如图3.1.1所示。经过实验发现要利于过障碍物轮胎不应填充过硬的海绵。最终我们选测了轮胎原配的海绵。车模在运行的过程中轮胎很容易出来十分的影响车的性能我们最终决定将车的轮胎与车的轱辘粘在一起如图3.1.2所示。

3.2车模编码器的安装

两轮平衡车的控制对速度的要求很严格并且精度需求很高，所以我们没用选测使用光电编码盘而是选测小巧灵活的编码器我们选测的是单向的157p的内密控的编码器如图3.2.1所示。

图3.2.1

这个编码器相对于其他很多类型的编码器而言体积很小，所以很方便的就可以利用车模上的螺丝安装孔直接安装在轮胎上方与电机的齿轮啮合。如图3.2.2所示。

图3.2.2

3.3车模电池的放置位置与配重

对于车模而言要保证平衡的稳定性和车模的速度需选测一个恰当的重心。电池的重量为300g不容忽视它的安放位置。由于电池放的很低，所以整个车体平衡的时候会向前倾斜，为了不让它向前倾斜的很厉害，也为了让它跑的更稳定一些，不让它那么飘，我们试着加配重，我们尝试过很多种方式，可以用一个简图说明。

每种方案各有利弊，经过长期测试，最后我们选用的方案是

此种方案，电池和配重都加的很低，有了配重，车会变得很稳定，也不会翻车。

今年的循迹传感器主要靠线性ccd，他每次能读取赛道上一行的128的点的赛道信息对于循迹很方便。但是由于考虑到赛道的宽度和车的视线的宽度，我们尝试过各种高度和前瞻。为了提速，我们也试过用两个CCD，最后发现两个用的效果不好，后来我们用第二个CCD专门检测起跑线和障碍物。效果图如下：

由于CCD架的太高，虽说CCD不重，但力臂比较长，所以力矩相对比较大，于是为了保证前瞻，我们使用了如下安装方式,最后选择了最后一种方案：

4陀螺仪的安放位置

要保证车的正常行驶陀螺仪的安放位置很重要，陀螺仪需要水平如果倾斜后转

弯的时候速度将难以控制。如图我们的安放位置

第四章车模电路设计

4.1主控芯片

我们本次使用的主控芯片是Freescale公司生产的32位单片机MK60DN512VLQ10。该单片机基于ARM CORTEX M4的RISC内核，外接50MHz晶振，通过PLL超频至200MHz。MK60内部含有两个ADC模块，最高采样精度为16位。内置8路16位PWM输出。两路数字正交信号解码模块，可以方便读取双向编码器信息如图4.1.1。

图4.1.1

4.1驱动方案

我们本次采用的驱动方案是使用英飞凌公式的半桥驱动芯片btn7960b。Current limitation level of 43 A对与D车模的电机是足够的驱动能力。电路

图

图4.1.1 图4.1.2

4.2液晶和键盘模块

我们为了调试方便加了一个OLED和一个5个键盘。这样就可以形象将车的各

种参数准确的送入处理器中。如图4.2.1

图4.2.1

4.3无线蓝牙

我们在主控板上加了蓝牙模块。因为蓝牙模块技术比较成熟还比较稳定所以选择它。如图4.3.1

蓝牙插在主控板上的主模式这个是接在电脑上的从模式

图4.3.1

4.4主控板

我们的主控板是印刷电路板这样更加轻便和稳定。电源部分都是放在了主控板上，使用低压差的线性降压芯lm2940产生5v电压和lm1084产生3.3v的电压如图4.4.1所示。4.4.2为主控板的原理图，4.4.3为主控板的pcb