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1、I第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技 术 报 告目录第一章 引言 .- 1 -1.1 大赛介绍 .- 1 -1.2 系统设计框架介绍 .- 2 -第二章 智能车机械结构调整与优化 .- 3 -2.1 智能车参数要求 .- 3 -2.2 智能车整体参数调校 .- 3 -2.3 编码器安装 .- 5 -2.4 陀螺仪与加速度传感器安装 .- 5 -第三章 硬件电路设计说明 .- 7 -3.1 单片机最小系统模块 .- 7 -3.2 传感器模块 .- 7 -3.3 电机模块 .- 9 -II3.4 测速模块 .- 9 -3.5 陀螺仪与加速度计模块 .- 10 -3.6 人机交互模块 .-
2、 11 -第四章 智能车控制软件设计说明 .- 12 -4.1 MC9S12XS128 片资源简介 .- 12 -4.2 MC9S12XS128 所用模块简介 .- 13 -4.2.2 PWM 模块 .- 13 -4.3 软件功能与框架 .- 14 -4.4 控制算法与函数 .- 16 -4.5 辅助调试工具介绍 .- 23 -第五章 系统调试 .- 28 -第六章 车辆主要参数 .- 29 -第七章 总结 .- 30 -参考文献 .- 31 -附录 1：部分程序源代码 .- 32 -第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告- 1 -第一章 引言1.1 大赛介绍全国大学生智能汽车竞赛原则上该竞赛由
3、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。本次比赛分为光电、摄像头和电磁三个赛题组，在车模中使用透镜成像进行道路检测方法属于摄像头赛题组，使用电磁信号巡线属于电磁赛题组，除此之
4、外则属于光电赛题组。本论文主要介绍光电赛题组的智能车制作。在这份报告中，我们主要通过对整体方案、机械、硬件、算法等方面的介绍，详细阐述我队在此次智能汽车竞赛中的思想和创新。具体表现在电路的创新设计、算法以及辅助调试模块等方面的创新。第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告- 2 -1.2系统设计框架介绍系统是以检测赛道两边黑线为基础，通过单片机处理信号实现对车体控制，实现车体能够准确沿着预设路径寻迹。系统电路部分需要包括单片机控制单元、电机驱动电路、陀螺仪与加速度计电路、线性 CCD 电路等部分，除此之外系统还需要一些外部设备，例如编码器测速、直流电机驱动车体和控制车体方向。综上所述，本智能车系统
5、包含了以下几个模块：1.电源模块 2.单片机最小系统模块3.传感器模块4.电机模块 5.陀螺仪与加速度计模块6.测速模块7.人机交互模块系统的整体模块如图1.2.1所示：图1.2.1 系统框架图 智能车机械结构调整与优化- 3 -第二章 智能车机械结构调整与优化2.1 智能车参数要求1.传感器数量要求：传感器数量不超过16个：光电传感器接受单元计为1 个传感器，发射单元不计算；CCD 传感器计为1 个传感器；2.电机型号：RN260-CN -28753.全部电容容量和不得超过 2000 微法；电容最高充电电压不得超过 25 伏。2.2 智能车整体参数调校智能车的整体参数，包括车体重心、高度、传
6、感器排布方式等，都对整个智能车系统的稳定运行起着至关重要的作用。因此，对智能车机械系统的调节，有助于小车更快更稳定的运行。小车的布局以精简、可靠、稳定为前提,通过对小车的布局，尽量保证小车左右平衡，以及寻找一个合适的重心，保证小车既能稳定快速前进，又能在转弯时流畅。光电组车模如图 2.2.1 所示图 2.2.1 车模示意图车模运行状态如图 2.2.2 所示第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告- 4 -图 2.2.2 车模示意图车模整体外观如图 2.2.3 所示图2.2.3 车模整体外观 智能车机械结构调整与优化- 5 -2.3 编码器安装选用可以 5V 工作电压的 512 线 MINI 光电编
7、码器进行速度的测量，保证测量的精度。速度传感器用螺钉通过支架固定在后轮支架上，这样固定好之后，就有了较高的稳定性。然后调节编码器齿轮，使其与差速齿轮紧密咬合，增大测速的精确性，但是咬合过紧也增大了摩擦，减小了对电机做功的利用率，影响小车的快速行驶，因此减小摩擦同时增强齿轮间的咬合是我们主要考虑的因素。用齿轮润滑油涂抹齿轮有不错效果。编码器安装示意图如图 2.4.1 所示：图 2.3.1 编码器安装示意图2.4 陀螺仪与加速度传感器安装本次设计中陀螺仪采用的是村田公司的 ENC-03 系列的陀螺仪。智能车在行进过程中，车体仅绕两后轮的轴心线做转动。芯片外观是长方形的，安装时，应注意将长的一边与后
8、轮轴心线平行。此外，还应注意的是，陀螺仪的输出受温度的影响比较大，为避免环境温度变化对输出的影响，我们将陀螺仪和加速度计作为一个单独的模块，采用 FFC 线与主板连接，安装在车身的背面。与陀螺仪一样，加速度传感器的性能与安放位置也有很大的关系。加速度传感器是根据其 XYZ 轴上的模拟输出电压来确定车身的倾角。由于我们测量的倾角只有一个，所以可以使用 Z 轴的输出来计算，当小车倾角为 0 时，Z 轴对应的面应该处于水平。第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告- 6 -图 2.4.1 ENC-03 陀螺仪与加速度计转直立陀螺仪位置不水平会造成弯加减速。而事实上即便在安装传感器时非常小心，但陀螺仪芯片
9、和陀螺仪电路板、陀螺仪电路板和主板、主板和车轮之间都有位置误差，累计起来你的陀螺仪还是可能不平，我们使用了如下测试陀螺仪倾斜程度的方法。将车身放置在一个推力轴承上，让车体在上面转动，读取陀螺仪返回的数据。用这种方法矫正陀螺仪方便有效，如图 2.4.2 所示。图 2.4.2 推力轴承硬件电路设计说明- 7 -第三章 硬件电路设计说明本智能车硬件系统以稳定为设计的原则，在有限的条件下做到最好。单片机采用 MC9S12XS128。使用 LM2940-5 为各个模块供电，电机驱动使用芯片BTS7970。调试过程中，采用 OLED、蓝牙等模块辅助，方便小车的调试。本章均有详细介绍。3.1 单片机最小系统模块以 MC9S12XS128 为核心的单片机最小系统是本智能车的核心。图 3.1.1 主板电路3.2 传感器模块线性 CCD 是光电组小车最重要的模块之一，能够分辨白色的赛道及黑色的边线，对道路状况的检测起着至关重要的作用。TSL1401 线性 CCD 传感器包含 128 个线性排列的光电二极管。每个光电二极管都有各自的积分电路，以下我们将此电路统称为像素。每个像素所采集的图像灰度值与它所感知的光强和积分时间成正比。一般来说线性 CCD 模块的焦距是固定的，因此要想得到清晰的图像就需要通过调节镜头
