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1、 I第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学 校： 哈尔滨理工大学队伍名称: 疾 风参赛队员： 张 振 王亚洲齐文冬带队教师： 李双全袁丽英 II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六届“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： III目录第一章 引言 .21.1 智能汽车制作情况概述 .21.2 文献综述
2、.21.3 技术报告结构 .2第二章智能汽车系统整体方案设计 .12.1 设计要求 .12.2 智能汽车系统总体设计 .12.3 智能汽车机械结构设计 .3第三章 智能汽车硬件设计 .53.1 转向模块 .53.2 驱动模块 .63.3 测速模块 .73.4 电源设计方案 .83.5 电磁传感器的设计 .8第四章 智能汽车软件设计 .124.1 软件流程图 .124.2 转向控制软件设计 .134.3 速度 PID 控制算法及其改进形式 .14第五章 系统调试 .I5.1 仿真系统 .I5.2 无线调试模块 .II5.3 上位机调试单元 .II参考文献 .V附录 .VI第一节 全国大学生智能汽
3、车邀请赛技术报告2第一章 引言1.1 智能汽车制作情况概述智能汽车以比赛组委会提供的飞思卡尔16位微控制 MC9S12XS128B为控制器，采用电感传感器进行赛道路径检测，舵机转动和车模电机的运动速度和运动方向。电机驱动芯片选用MOSFET管,同时使用MC9S12XS128B单片机的PWM模块，运用PID控制算法，控制舵机的转向和电机的转速，完成对智能汽车运动速度和运动方向的闭环控制。系统还扩展了四位拨码开关模块作为人机操作界面，以便于智能小车的相关参数调整。 1.2 文献综述针对本次飞思卡尔智能汽车比赛，主要存在的技术问题就是如何设计出合理的传感器队赛道信息做出正确及时的判断，如何控制舵机和
4、电机在最优的线路上以最短的时间通过赛道。对于S12 芯片的寄存器设置和操作，参考了飞思卡尔的S12用户使用手册。由于选择采用电感传感检测赛道上20Khz的方波，最终完成对赛道信息的判断，学习的电磁原理的相关书籍，即李仕伯.马旭.卓晴.著基于磁场检测的寻线小车传感器布局研究 ，并且参考了竞赛组秘书处技术组的20KHz 电源参考设计方案 。在选择传感器时，我们研究了宋文绪，杨帆传感器与检测技术。邵贝贝1文中详细介绍了如何在S12 系列单片机上进行程序代码编译和CodeworriorIDE 编译器使用方法，对程序调试和软件开发提供了很好的参考。1.3 技术报告结构技术报告以智能汽车的设计为主线，包括
5、小车的构架设计、硬件设计、软件设计，以及控制算法研究等，分为六章。其中，第一章为引言部分，第二章主要介绍了小车的总体设计方案以及车模的相关参数，第三章对小车的硬件设计进行了详细的介绍，其中包括机械改造，电路设计两大部分，第四章对小车的软件设计思想和相关算法进行介绍，第五章详细介绍了赛车系统开发的调试工具、软件和各种调试手段和方法，对小车的开发调试等进行说明，第六章叙述了我们在设计过程中遇到的问题和解决方法。2第二章 智能汽车系统整体方案设计2.1 设计要求在本次的飞思卡尔第六届智能汽车的比赛中，要求参赛队伍设计的智能汽车具有自动循迹的功能，跑道下铺有 20Khz 的方波电源信号线，在引导线周围
6、激起交变的磁场，从而通过检测此磁场引导车辆行驶。使用电磁场作为引导智能车的优点，主要体现在磁场信号具有很好的环境适应性，不受光线、温度、湿度等环境因素的影响。智能车系统的方案设计要求就是智能车将采集的信号作出正确合理的处理，使其快速稳定的行驶。因此，能沿着方波信号线自动行驶是前提，想要取得较好的成绩还得尽量提高智能小车的运行速度。2.2 智能汽车系统总体设计根据电磁车循迹的要求，电磁车设计包括赛车的设计和恒流源的设计。根据电磁传感器方案设计，赛车共包括五大模块：电磁传感器模块、速度传感器、MC9S12XS128 模块，电机驱动模块、电源管管理模块。其中系统结构框图如下：电磁传感器 直流电机伺服
7、舵机PWM 驱动可充放电源电源管理模块MC9S12XS128光电编码器 3各个模块的作用如下所示：1. 电磁传感器模块：在该模块中对采集到的信息进行处理，一次信息来判断当前智能小车所出赛道的变化趋势、小车的当前速度机转角的信息。将处理得到的信息传给单片机以采取相应的控制决策。 2. 速度传感器：选择光电编码器，采集当前的电机速度，作为系统速度控制的反馈。同时与设置的目标速度作比较，选择合适的算法使其变化为目标速度，从而实现电机的加速减速。 3. MC9S12XS128模块：S12 单片机是系统的核心部分。它负责接收赛道信息数据、赛车速度等反馈信息，并对这些信息进行恰当的处理，形成合适的控制量来
8、对舵机与驱动电机进行控制。4. 驱动模块：在该模块中包括了驱动电机和舵机，当接收到单片机的命令后便执行相应的操作，同时信息采集模块又采集到电机和舵机的状态信息，反馈给单片机 。从而整个系统构能够形成一个闭环系统，保证了小车的平稳运行。5. 电源管管理模块：为了使各模块正常工作，必须供给各自所需的电压，例如电机电源，舵机电源，单片机工作电源。在恒压源的基础上，搭建模拟电路，使恒压源分别变为目标电压。2.3 智能汽车机械结构设计机械结构在很大程度上影响着小车的速度与转向特性，在准备比赛初期，由于没有经验，单纯为了传感器的稳定，使用了实心的钢铁细管作为支撑架，导致小车的重心偏前，转弯过程不协调。为此
9、，我们选择改用质量较轻的碳纤管作为支撑材料。此外，为了解决模型车的前轮倾角，差速的松紧等问题，我们在参考往届赛队的基础上，通过不断实践将小车的机械结构调整到最佳的状态。智能汽车结构特点：小车前轮倾角的调整：我们在调试的时候发现，增大轮胎与地面的摩擦力可以大大减少小车在高速过弯时小车冲出赛道的几率。鉴于此，我们调整了小第一节 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告4车的前轮主销倾角，使之成为“八”字形，这样就大大的增大了小车的前轮与地面的摩擦力。舵机的改造：在初期的时候，我们将舵机平放，但是随之而来的问题是小车转向迟钝，并且左右的转向不相等。为此我们在参考往届赛队的基础上，根据小车的实际特点，将小车的
10、力臂进行了适当的加长，并且将舵机由平放改为了竖直放置。差速的调整：差速的松紧程度在很大程度上影响着小车的过弯与加速特性，差速太松，小车在加速时容易打滑，差速太紧，小车再过弯时较为吃力。经过反复试验，我们将差速调整到一个比较合适的程度。传感器的调整：传感器作为模型车控制的重中之重，就像是一个人得眼睛。要想跑得快，就得看得远。为此，我们在车模整体结构允许的情况下，尽可能的加长了传感器的构造，优化了智能车的前瞻效果，这种方案的优越性，在模型车转弯和控速方面体现的尤为明显。5第三章 智能汽车硬件设计3.1 转向模块转向舵机我们使用的是组委会提供的舵机，并加长了舵机的力臂。根据舵机驱动的原理，舵机的控制
11、周期是 10ms,，在一定范围内，占空比决定着舵机的舵角。XS128 单片机 80PIN 共有 8 路可配置的 PWM 接口，PP0PP7 其中两个相邻的接口可以合成一路 16 位的 PWM。我们将 PP4 和 PP5 合成了一路16 位的 PWM 发生器，并由 PP5 输出。舵机的标称电压是 5V，但我们通过实验发现：适当地提高舵机的供电电压可以明显提高舵机的转向速度与转向力度。为此我们使用 5V 电源电压给舵机供电。舵机的机械设计图如下：图 3.1 舵机机械设计图第一节 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告63.2 驱动模块驱动芯片的选择直接影响小车的加速效果，智能车大赛的主要标准就是速度，因此驱动芯片至关重要。在准备过程中我们反复试验了若干的电机驱动芯片，例如 33886 芯片驱动和 7960 驱动都没有达到满意的效果。后来我们用 MOS 管自己搭建了驱动电路，这样既保证了电机的驱动能力，同时也提高了电机的反应速度。驱动硬件设计图如下：驱动电路设计图如下：第三章 智能汽车硬件设计 73.3 测速模块好的控速效果是建立在精确的反馈的基础上的，同时也是各种速度控制算法的基础。在初期的调试阶段，我们用自制的光电码盘配合光电管和比较器获取小车的当前速度，但我们发现这种方法产生的信号并不整齐，影响速度的
