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1、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：华东交通大学队伍名称：追风队参赛队员：黄健 刘勇勇 张望带队教师：甘岚 涂春萍 33 / 39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： 带队教师签名： 日 期： _摘要 本文记录了华东交通大学追风队队员在准备第八届“飞思卡尔”杯全国智能汽车竞赛中
2、的工作成果和体会，并总结了方案中成功的经验和不足之处，愿与各高校代表队分享。 本智能车系统以飞思卡尔高性能16位单片机MC9S12XS128为核心，通过用线性CCD检测赛道两边的黑线来引导小车行驶，用编码器来检测小车的速度。使用陀螺仪和加速度计检测小车的直立信息，通过AD采样获得当前CCD在赛道上的位置信息，运用红外对管检测起跑线完成自动启停，使用PID算法控制小车方向和分段PID算法对小车进行速度控制，实现稳定快速的运行。 关键词：飞思卡尔智能车 MC9S12XS128 线性CCD PID控制 目录摘要III目录IV第一章 引言11.1 比赛背景介绍11.2技术报告内容安排说明1第二章 系统
3、整体方案设计22.1系统硬件设计方案概述22.2系统软件设计方案概述2第三章 机械调整33.1车体调整33.2 CCD的安装与调整43.3 陀螺仪与角速度计的安装53.4 编码器的安装6第四章 硬件电路设计74.1 电源模块设计7 4.2 最小系统.84.3 驱动电路设计94.4 红外对管设计11第五章 软件设计12第六章 智能车主要参数.12第七章 结论13参考文献附录 程序源代码第一章 引言1.1 比赛背景介绍全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是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）主办的一项具有导向性、示范性和群众性的全国竞赛活动。竞赛以智能汽车为研究对象的创
4、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。全国大学生智能汽车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。全国大学生智能汽车竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，旨在加强大学生实践、创新能力和团队
5、精神的培养，促进高等教育教学改革，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。1.2技术报告内容安排说明 本文采用先总后分的结构，先对系统总体设计进行介绍，然后分别对各部分进行介绍，突出强调了系统机械设计、硬件电路和软件编程。第一章 引言：简单介绍了智能车比赛的一些情况；第二章 系统设计：总体介绍了整个智能车各部分系统设计；第三章 机械结构设计：详细介绍了本智能车机械结构设计；第四章 智能车硬件系统：分模块详细介绍了小车硬件电路设计与
6、制作；第五章 软件系统设计：介绍了智能小车软件设计及算法实现；第六章 智能车技术参数：智能车主要技术参数说明；第七章 总结：主要说明一下我们在设计过程中遇到的问题和解决办法，以及还存在的问题；第二章 系统整体方案设计2.1系统硬件设计方案概述 首先将弄清直立车运行方式，需要接收哪些数据能够使小车实现直立，直立有需要哪些条件，逐个把小车分解成一个个小模块。开始是电源模块，我们要理清需要哪些电压电源，给哪部分供电，对电源稳定性与失真的要求，还有功率的要求。对一些不确定的模块，可选择可调电源。其次是单片机的确定，我们要保证它有足够的运行速度来处理所采集的数据，还能准确的输出控制信号。接着就是驱动电路
7、的设计，驱动芯片的选择，我们要确保能够输出足够的功率去控制电机，因为驱动功率大，电流大，我们还要采取一些保护措施。最后是陀螺仪和加速度的设计，我们要确保输出数据准确快速。根据智能车设计要求，设计合理的电路实现小车的功能，注意负载的电流，并着重考虑电路的稳定性。上面一切电路设计好后就能够为将来小车平稳运行打好坚实的基础。2.2系统软件设计方案概述 软件是给智能车实现控制的执行语言，软件控制着智能车的一切行动，通过对软件的编写可以让智能车按照你的思路去实现个个路段的完美赛跑。软件控制其实就是把自己的思想灌输到单片里面，并让其高速有序的执行，实现对智能车的精确控制。软件又细分为主程序、小车直立控制子
8、程序、小车速度控制子程序、小车转向控制子程序、循环子程序等等。 主程序：程序的主体采用顺序结构。为了方便控制，Main函数里面除了初始化程序就是液晶显示程序，而所有的核心操作放在定时中断中。同时为了细分每一时刻的任务，我们对中断进行了计数，使得每一个时刻单片机需要处理什么数据可以简单明了。小车直立控制子程序：我们通过陀螺仪和加速度计采集小车的倾斜角度和小车转动的角速度来反映小车的直立情况，然后通过处理实现对电机的控制来消除小车的倾斜角，从而达到小车直立控制。利用倾角传感器来检测车模此时刻的状态，然后调节电机的转速，让车模整体可以跟得上车模的倾角变化，在车模发生更大幅度的倾斜之前将车模的状态维持
9、到平衡。如果在PID调节中不是很顺利，可以适当的添加一些I项的系数，这样会使得调节顺利不少。当车模顺利的维持直立姿态之后，也就意味着我们的后续的速度控制以及转向控制就可以开始开展了！小车速度控制子程序：我们给小车设定一个速度，通过编码器采集回来的数据计算出小车实际的速度，然后形成一个闭环控制，这样就可以保证小车实现恒速与时刻可以准确改变小车的运行速度，即使是在干扰的情况下也能够迅速返回设置的速度并稳定下来。第三章 机械调整3.1 车模调整 一辆车的好坏不仅仅由软件跟硬件决定，机械对智能车的影响也是十分重要的。一辆智能车的机械做的好，它就能更加稳定，速度也能挺高的更多。（1）车模底盘的加固与电池
10、卡槽的安装在不断的测试中我们总结出，重心的位置对平衡车的稳定性能影响十分的大，重心相对较低比较好，但也不能太低，太低了对电机的要求就更高了。经过不断的测试与调试，我们决定下来电池的安装位置，电池的安装也可以改变车模的倾斜角度。同时电池的卡槽角要磨段一点，只要不要与车轮想接触就可以了。（2）车轮的调整刚买回来的车轮会有些晃动，这对车的影响是有的，我们的减小一切给小车带来的影响。经过一次次的实验，我们最后选定了一块小铁片安装在车轮的一侧。铁皮的厚度要求要很精确，太厚了会造成两轮太卡，要是太薄了就会跟没有安装一样，这要不断实验才能确定铁片的厚度。图3-1 车模固定与电池安装3.2 CCD的安装与调整
11、 CCD可以说是光电平衡车的眼睛，可见CCD的安装是多么的重要，CCD的安装位置要能够确保CCD的视野宽广，能够扫描到整个跑到，但也不能够太过于宽广，这样它会扫描到另外的跑到上，这样就给数据处理带来麻烦。同时还要确保CCD的前瞻足够的符合你的要求，一辆车CCD前瞻调的好坏往往影响你小车的整体速度。CCD前瞻调的好腻弯道的处理也会更好。大家都总结出，前瞻决定速度，当能这是相对而言的。装CCD的支架一定要保证安装在车模的正中间，这装的准确可以给你调整CCD减少很多麻烦。其次两边的支架可有可无，这得看你试验的结果，我们是确保小车在运行中CCD支架不晃动。图3-2 CCD的安装3.3陀螺仪与加速度计的
12、安装陀螺仪跟角速度计都是用来检测车模的倾斜角度，我们将这块带有陀螺仪和加速度计的电路板固定在整个车模中间质心的位置。这样可以最大程度减少车模运行时前后振动对于测量倾角的干扰，同时陀螺仪一定要安装水平，因为陀螺仪安装的不水平，就会使得小车转弯出现突然加速减速的情况，只要陀螺仪安装的水平就不会出现这样的情况。这要在不断测试中调整陀螺仪位置。图3-3 陀螺仪与加速度计的安装3.4 编码器的安装编码器的齿轮我们选择与电机齿轮想接触，这样可以更加准确的测出电机的转速从而转换为小车的速度。图3-4 编码器的安装第四章 硬件电路设计4.1 电源模块设计根据不同的要求我们选择了几种不同电源电路的设计： 1.L
13、M2940-s(5v)低压降线性（LDO）-固定式稳压器，最大输出电流1A；压降0.5V，电压调整率20mv;电流调整率35mv；静态电流10mA；PSRR72dB;噪音电压150uA。(单片机，陀螺仪模块供电)2.TPS7350QD超低压降线性（VLDO）一固定式稳压器最大输出电流500mA；压降35mA；有延时复位功能（200ms低电平）输出电压误差2%；静态电流340uA（与负载无关）；待机电流0.5uA；噪音电压300uA，PSRR:50dB(120KHz),(20-80KHz左右时最小，只有5dB)（CDD，红外对管供电）。3.LM2596S-ADJ降压式开关-固定式稳压器，最大输出
14、电流3A；有断电保护功能，输出电压误差4%；饱和电压1.16V；静态电流5mA；待机电流80Ua（编码器供电）.图4-1 电源电路图图4-2 电源板实物图4.2 最小系统 单片机最小系统为本智能车系统的核心。为了稳定和可重复使用，我们购买了单片机最小系统板。这个最小系统板引出了几乎所有功能引脚，板上自带晶振电路、复位电路、单片机电源电路。单片机我们选择的是MS12SX128,其主要特性：S12X CPU， 最高总线速度 40MHz；64KB、128KB 和 256KB 闪存选项，均带有错误校正功能（ECC）；带有 ECC 的、4KB 至 8KB DataFlash，用于实现数据或程序存储；可配置 8- 、10- 或 12- 位模数转换器（ADC），转换时间 3s；支持控制区域网（CAN）、本地互联网（LIN）和串行外设接口（SPI）协议模块；带有 16-位计数器的、8-通道定时器；出色的 EMC，及运行和停止省电模式。图4-3 最小系统板电路4.3 驱动电路设计我们智能车中采用4片BTS7970搭载成两个H桥来驱动机器人的两个电机，具有输出功率大，稳定性好，保护措施好等优点。图4-4 驱动电路图
