湖北汽车工业学院科技学院 子弹头队 智能汽车竞赛技术报告Word格式.docx

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3.2.2电机驱动模块设计13

3.2.3速度检测电路13

3.2.4BDM接口电路设计14

3.3电源模块15

第四章软件设计17

4.1软件设计总体流程17

4.2系统初始化设置17

4.3路径识别传感器信号采集处理18

4.4转向控制策略18

4.5车速控制策略19

4.5.1模拟PID控制原理19

4.5.2增量式PID控制原理21

第五章开发与调试23

5.1软件开发平台CodeWarriorIDE23

5.2串口调试软件24

5.3测试赛道25

第六章模型车的主要技术参数说明27

6.1改造后的车模基本参数27

6.2电路功耗，所有电容总容量27

6.3传感器种类以及个数27

6.4除了车模原有的驱动电机、舵机之外伺服电机个数27

6.5赛道信息检测精度、频率27

第七章结论与展望29

7.1结论与总结29

7.2展望29

致谢31

参考文献32

附录A：

程序源代码33

引言

“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛是由飞思卡尔半导体公司资助举办的以飞思卡尔单片机为核心的大学生课外科技竞赛。

比赛要求小车在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，最快完成全程赛程并符合比赛规则，最终抉择出比赛排名。

其专业知识涉及到自动化控制、模式识别、传感测试技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多个专业学科，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，对高等学校自动化控制和汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的推动作用。

随着科学技术的发展，特别是计算机技术、信息技术、人工智能、电子技术的突飞猛进，智能车辆技术有了实现的技术基础。

目前，智能车辆技术在轿车和重型汽车上主要应用于碰撞预警系统、防撞及辅助驾驶系统、智能速度适应、自动操作等其在军事上的应用更加广泛和重要。

跑道的基本参数如下：

赛道路面用专用白色基板制作，在初赛阶段时，跑道所占面积在5米*7米左右,决赛阶段时跑道面积可以增大。

跑道包括普通赛道和窄道区两部分。

普通赛道宽度不小于60厘米，窄道区的宽度不小于45厘米；

跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm。

铺设赛道地板颜色不作要求，它和赛道之间可以但不一定有颜色差别；

跑道最小曲率半径不小于50厘米；

跑道可以交叉，交叉角为90°

。

赛道直线部分可以有坡度在15度之内的坡面道路，包括上坡与下坡道路。

在驶入窄道区和驶出窄道区时，赛道上有标志。

该标志距离窄道区25厘米

在进入和驶离窄道区有两种标志（如图1所示）:

（1）黑色正三角形，位于赛道中心。

边长25厘米。

（2）赛道突起，颜色白色，厚度0.5厘米，宽度3厘米。

赛车可以根据上述标志判断是否进入或驶离窄道区。

赛道有一个长为1米的出发区，如图2所示，计时起始点两边分别有一个长度10厘米黑色计时起始线，赛车前端通过起始线作为比赛计时开始或者结束时刻

图1

图2

在这份报告中，我们通过对整体方案、电路、算法、调试、车辆参数的介绍，详尽地阐述了我们的思想和创意，具体表现在电路的创新设计，以及算法方面的独特想法，而对单片机具体参数的调试也让我们付出了艰辛的劳动。

这份报告凝聚着我们的心血和智慧，是我们共同努力后的成果。

研究智能车竞赛所用的MC9S12DP256的资源配置和开发方法，设计电路图和相应的系统软件，构建完整的智能小车激光导航式控制算法。

目的是为了让智能汽车以最快的速度，沿导航线走完全部赛道。

本文主要对以下几个方面做研究：

首先，介绍了研究背景、比赛规则和设计构思。

阐述了控制系统的资源配置、资源需求与分配和核心处理器的寄存器，MC9S12单片机寄存器资源。

相比于其它类型的单片机，16位的MC9S12的功能更加强大，功能引脚较多，能够很好地满足智能车控制系统的需要。

其次，设计了智能车控制系统的硬件电路，包括各个模块的电路设计方案以及相关电路。

采用的方案以MC9S12单片机为核心，包括总体控制系统的设计，各部件需要的供电电源设计，速度检测电路的设计等。

然后，进行了软件和算法的设计。

根据传感器采集的道路信息，经处理分析之后，控制转角和速度。

最后，阐述了赛车机械结构调整，主要是调节车的前轮、后轮、舵机，使智能车在快速行走时，更加稳定。

第一章总体方案分析和设计

1.1总体设计方案

根据比赛规则的要求，我们选择Freescale16位微控制器MC9S12DP256作为核心控制单元，为便于安装、调整，并减轻整车质量，我们重新设计了系统主板电路。

路径模块设计采用单排激光发射接收传感器，为6个激光接受管，主要用于路径识别和车速变换策略。

车速控制采用PID调速控制反馈信号，由安装在电机输出轴的车速传感器提供。

1.2方案分析论证

1.2.1路径识别传感器选择和布局方案

路径识别是智能汽车系统设计的关键部分，智能车的路径识别传感器相当于人的眼睛，其性能的好坏直接影响整个系统的优劣。

因为跑道是采用白色背景并有黑色线作为引导线的模式，根据跑道的特点，光电组可行的识别方案有激光传感器和红外发射接收式传感器。

通过测试，我们发现市场上的激光管有比较好的性能，它可以照射很远的距离依然有很高的强度，根据激光特性，除了激光的入射光和反射光是最强的以外，其他的所有散射光的强度都是相同的，在此情况下，实际测量中我们发现激光可以照到23cm以上的距离，相对于红外传感器则大大提高了赛车的前瞻性，可以适当把光照调远，实现前瞻性循迹控制。

在实际测试中我们发现：

“一”字形均布排列的激光传感器能很稳定的采集赛道的信号，检测精度满足要求。

因此采用“一”字形均布排列。

电路板制作和软件编写也更为简便。

1.2.2速度控制算法设计方案

理论上可以分析小车的运行中，直道行走的时候，可以以最高速度行驶；

在弯道出直道时，速度需要在很短的时间内加到最高速；

当智能车直道入弯的时候，速度也必须从当前的速度减到安全速度；

当智能车在弯道时，小车必须以安全行驶，以保证其能够安全通过弯道。

因此，速度的控制是系统软件的核心操作，对小车的行驶性能有着决定性的作用。

关于速度的控制方案，有以下两种方案：

方案一：

恒定占空比控制

这种控制方法就是对电机的驱动输入占空比进行控制，加速时给电机正向的占空比，减速时可以给电机以反向的占空比，这样可以实现小车的加速和减速控制。

这种控制方法控制起来比较简单，算法实现起来也比较容易，不需要复杂的计算。

在实际应用中，由于小车的惯性作用和电机的反应时间问题，从开始减速到减到安全速度的缓冲时间，这样容易造成小车由直道进入弯道时容易冲出跑道，限制了小车的直道速度，而且小车的直道运行的连贯性也很差。

方案二：

PID控制

对驱动电机的控制（即速度控制），要达到的目的就是：

在行驶过程中，小车要有最有效的加速和减速机制。

高效的加速算法使小车能在直到上高速行驶，而快速减速则保证了小车运行的稳定，流畅。

利用速度传感器，在时时对速度进行监控的同时，我们还可以引入了闭环控制PID的思想。

PID控制在占空比控制的基础上加入了积分和微分控制，可以提高电机的反应时间，调节适当的参数，可以有效地解决方案一的不足。

不过P、I、D三个参数的设定较难，需要不断进行调试，凭经验来设定，因此其适应性较差。

在我们的选择中，根据课题的要求，跑道参数已给定，即小车运行的地面摩擦系数基本上已经确定，可通过不断调试来获得最优的参数，因此，我们选用的是PID算法来对驱动电机进行控制。

第二章模型车整车结构设计与调校

2.1车体的整体参数

比赛选用的模型车采用1/10的仿真车模，如图2.1所示，小车整体机构包括车模的底盘部分及转向和驱动部分。

控制采用前轮转向，后轮驱动方案。

具体车模数据如下：

表2-1车模基本尺寸参数

基本参数

尺寸（cm）

轴距

198

前轮距

122

后轮距

138

车轮直径

52

车长

286

车宽

163

传动比

18/76

图2.1模型车全貌

2.2主电路板安装

为保证整车的紧凑性和整体质量的集中，在设计电路板时将其形状设计成大致与底盘相同的形状，利用底盘上原有的定位孔将其平铺在底盘上，用三个螺钉固定，这样做也是为了主板的拆装的方便快捷，也有利于主板的维修。

2.3转向舵机机械结构的设计与安装

舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统，模型中使用的型号是：

S3010。

其工作原理是：

控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。

它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。

最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。

当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。

舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。

舵机转向是整个控制系统中延迟较大的一个环节，为了减小此时间常数，通过改变舵机的安装位置，而并非改变舵机本身结构的方法可以提高舵机的响应速度。

分析舵机控制转向轮转向的原理，可以发现在相同的舵机转向条件下，转向连杆在舵机的一端的连接点离舵机轴心距离越远，转向轮转向变化越快。

这相当于增大力臂长度，提高线速度。

针对上述特性，改变了原有的舵机的安装方法，对舵机如图2.2所示的安装。

这样安装的优点是：

①改变了舵机的力臂，使转向更灵敏；

②舵机安装在正中央，使舵机左右转向时受力比较均匀，使小车能灵活的转向。

图2.2舵机的力臂

2.4后轮差速机构调整

由于后轮采用滚珠式差速器，它在实现差速的过程中会影响后轮的动力传递，因此应适当的调整两片轴承的压力以满足后轮驱动和差速的要求。

差速机构的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动。

当车辆在正常的过弯行进中，此时4个轮子的转速均不相同，依序为：

外侧前轮＞外侧后轮＞内侧前轮＞内侧后轮。

此次所使用车模配备的是后轮差速机构。

差速器的特性是：

阻力越大的一侧，驱动齿轮的转速越低；

而阻力越小的一侧，驱动齿轮的转速越高。

以此次使用的后轮差速器为例，在过弯时，因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小，轮速便较高；

而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便较低。

差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙，过松过紧都会使差速器性能降低，转弯时阻力小的车轮会打滑，从而影响车模的过弯性能。

好的差速机构，在电机不转的情况下，右轮向前转过的角度与左轮向后转过的角度之间误差很小，不会有迟滞或者过转动情况发生。

2.5前轮参数调整

调试中我们发现，在赛车过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而增大。

为了尽可能降低转向舵机负载，对前轮的安装角度，即前轮定位进行了调整。

前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。

前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束4个参数决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。

主销