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1、 第五届第五届“飞思卡尔飞思卡尔”杯全国大学生杯全国大学生智能汽车竞赛智能汽车竞赛 技技 术术 报报 告告学 校：华北科技学院队伍名称：华科电信光电 2 队参赛队员：易晶晶 梁学军 吴 丹带队老师：王江华 巫新建第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告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一届“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
2、：日 期： 第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告III目 录第一章 引言1第二章 总体方案的设计12.1 设计制作思路12.2 系统的组成2第三章 硬件电路设计 33.1 主控板模块和电源模块 33.1.1 主控板模块 33.1.2 电源电路模块 43.2 晶振电路53.3 电机驱动电路63.4 测速传感器模块63.5 传感器电路83.5.1 传感器的设计93.5.2 传感器信号的采集93.5.3 如何增大前瞻10第四章 智能车整体机械改造104.1 舵机位置的改造 104.2 车轮倾角的更改 114.3 智能车底盘的降低 114.4 整体车的重心的调整 124.5 传感器位置的安装与固定
3、124.6 其他部分的调整 12第五章 软件编程135.1 红外传感器程序135.2 激光传感器程序145.2.1 程序的算法 15第六章 开发工具、调试过程、智能车整体参数说明 166.1 开发工具 166.2 调试过程 166.3 智能车的整体参数 17第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告IV第七章 总结 19致谢 20参考文献 20附录 21第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告1第一章 引言智能车一般主要由路径识别、速度采集 、角度控制及车速控制等模块组成。本次课题以 MC9S12XS128B 单片机为核心，用 CPU 实现电动小车的实时智能控制。CPU 对各个传感器检测到的信号进行
4、综合判断处理，然后发出控制信号给电机驱动电路控制小车运行。系统采用 PWM 动态控制电动机转速，采用红外光电传感器检测引导线，矫正行车路线，超强纠偏。采用检测电机转动，测速计算距离。系统根据基于优化的模糊控制算法，实现小车智能化的自动控制，定位精确。智能小车系统包含路径识别模块、控制器模块、直流电机驱动模块、车速检测模块、电源模块等多个部分。系统以 Freescale 公司的 HCS12 系列单片机 MC9S12XS128B 作为主控制芯片，采用红外光电传感器来检测白色跑道上的黑色导引线，通过控制舵机的转角来操纵小车前进的方向，并能够稳定地控制小车的速度，高速平稳地完成规定任务。 第二章 总体
5、方案的设计2.1 设计制作思路从去年 11 月份，我们参赛小组成员就着手准备，从最开始收集资料并确定设计方案，经过半年的不断改进，最终确定采用反射式红外传感器作为道路信息检测装置，前瞻暂定为 30cm，4ms 为一个控制周期，舵机转向采用模糊控制算法,速度采用 PID 控制算法，并自行设计了电机的速度检测旋转编码器，精度为 30 脉冲/圈，加上单片机对速度和方向的精确协调控制，使得智能车可以高速的跑完全程！路径识别是整个系统的关键，路径识别的好坏，直接关系到整车性能的优劣，因此确定路径识别模块的类型是智能车总体方案设计的关键。采用光电传感器的优点是传感器信号采集处理速度快，能够在较短的时间内进
6、行复杂的算法运算，结构简明,成本低廉,免去了繁杂的图像处理工作,反应灵敏,响应时间低,便于对近距离路面情况的检测。但红外传感器的缺点是,它所获取的信息是不完全的,只能对路面情况作简单的判别,检测距离有限,也就决定了速度的局限性。而且容易受到诸如光线等干扰的影响,抗干扰能力较差,环境光源、传感器器件之间的差异、传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。考虑到赛道只有黑白两种颜色,小车只要能区第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告2分黑白两色就可以采集到准确的路面信息。经过综合考虑,在本设计中采用红外光电传感器作为道路信息采集元件。在选定传感器之后，为了对赛车的速度进行精确的控制，在电机上同轴安装了
7、光电编码盘，采集电机的转速信号，经 MCU 捕获后进行 PID 自动调节，完成智能车速度的闭环控制。此外，还增加了按键和拨码开关作为输入输出设备，用于智能车的角度和方位控制以及速度的设定和起跑线的检测等 2.2 系统的组成为了实现对小车的智能控制，本系统以MC9S12XS128为核心，基本组成有，硬件结构和软件控制算法两部分。C P U电机驱动M速度反馈测速传 感器信号处理红 外 传 感 器舵机转向控制状态指示按 键拨码开关BDM 调试下载串口调试电量检测图2.2.1 系统总体方框图如图第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告37 3 5 07 3 5 02 5 7 6电 机 驱 动电池 7.2
8、VCPU +5V传感器 +5V舵机 +6V图2.2.2 电池电量分配图根据以上系统总体方案，赛车共包括六大部分：主控板模块MC9S12XS128、电源模块、传感器模块、测速传感器模块、电机驱动模块、辅助调试模块。主控板模块是整个智能车系统的核心部分将采集光电传感器、测速传感器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机和舵机完成对智能车的控制。传感器模块，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛道信息，为核心部分的控制决策提供必要的依据和充足的反应时间。电机驱动模块，驱动直流电机和舵机完成智能车的加减速控制和转向控制。速度检测模块，检测反馈智能车的转速，用于速度的闭环控制。辅助调试模块
9、主要用于智能车系统功能的转换、速度与起跑线的设定等方面。 第三章 硬件电路设计3.1主控板模块和电源模块3.1.1 主控板模块：第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告4图3.1.1.1 主控板电路图图3.1.1.2 主控板实物图 3.1.2 电源电路模块第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告5图3.1.2 电源电路模块原理图电源模块对于一个控制系统来说极其重要，关系到整个系统是否能够正常工作，因此在设计控制系统时应选好合适的电源。在比赛中智能车使用的是同一规格的7.2V电源供电，单片机系统、路径识别的光电传感器、测速传感器等均需要5V的电源供电，为了提高舵机的响应速度，采用6V供电，电机驱动可
10、以直接使用7.2V的电源供电。电源电路选择的电源芯片合适很重要，稳压芯片：LM2576S，功率大，可以承受高电压，保护芯片，使用它来为系统的传感器相关电路供电；TPS7350是一款低压差稳压芯片，采用7350为单片机等逻辑控制电路提供+5V电压，舵机的供电电源也是采用7350来实现，使用两个二极管将7350的低端电位升高1.4V左右，从而使7350输出稳定的6V电压供给舵机使用。这样稳压效果较好，性能稳定，电路结构简单，带载能力强，对其它模块供电还是能保证充足的电源。系统控制和驱动、传感器执行独立供电，可以有效地防止各器件之间发生干扰，以及电流不足的问题，使得系统能够稳定地工作。 3.2 晶振
11、电路第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告6时钟电路对单片机的运行至关重要，电路简单，但是在设计PCB的过程中需要注意布线布局的规范性，因为时钟电路的不稳定会对系统的正常运行产生极大干扰。在此我们采用外接晶振来给单片机提供时钟，外接晶振频率为16MHZ，利用单片机内部的压控振荡器和锁相环可以把频率提高到80MHZ，用来作为单片机总线时钟。在布局布线是，晶振应尽量靠近单片机，并且让时钟信号附近电场为0，锁相环滤波电路也要尽量靠近单片机。为使晶振工作稳定精准，晶振两个引脚端对地之间应添加20-30pF的调整电容。图 3.2 晶振电路 3.3 电机驱动电路第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告7电机
12、驱动芯片 MC33886 是单片集成的 H 桥元件，它适用于驱动小功率直流电机，并且有单桥和双桥两种控制方式。MC33886 芯片内置了控制逻辑、电荷泵、门驱动电路以及低导通电阻的 MOSFET 输出电路，适合用来控制感性直流负载，可以提供连续的 5A 电流，并且集成了过流保护、过热保护、欠压保护。驱动电机控制选用 MC33886 H 桥电机驱动芯片。在此应用中，MC33886 的作用是将恒定的直流电源电压(电池电压)调制成频率一定、宽度可变的 PWM 脉冲电压序列，从而改变输出平均电压的大小。为了增强驱动电机的能力，可将两片 MC33886 并联。通过信号 INl 和 IN2 控制 MC33
13、886 H 桥的输入端，MC33886 H 桥输出端OUTl 和 OUT2 分别接电机电枢两端，从而控制电机的四象限运行。由于当智能车达到一定速度时 MC33886 就过流保护了，今后可以尝试使用大功率的 MOSFET 管构建桥型驱动电路，这样可以使驱动器内阻更小，智能车的加减速性能更加出色。电机驱动电路如图所示：图 3.3 电机驱动电路图第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告83.4 测速传感器模块转速闭环控制系统中，电机转速作为反馈量构成闭环控制，转速测量的精度对控制系统性能的影响是不言而喻的。光电码盘是目前广泛采用的测速手段。它具有精度高、线性度好的优点。光电码盘是由光学玻璃制成，在上面
14、刻有许多同心码道，每个码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分。工作时，光投射在码盘上，码盘随运动物体一起旋转，透过亮区的光经过狭缝后由光敏元件接受，光敏元件的排列与码道一一对应，对于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。当码盘旋转在不同位置时，光敏元件输出信号的组合反映出一定规律的数字量，代表了码盘轴的角位移。采用光电码盘测速时 ，m/t 法兼顾高低转速，是综合性能最佳的一种。本次设计中，采用了红外反射式光电对管和黑白码盘作为测速模块的硬件构成。其中码盘为 30 格的黑白相间圆盘，如下图所示： 图 3.4.1 码盘图红外传感器安装在正对码盘的下方，码盘安装在电机的传动轴上，虽然这样做精度比编码器要低很多，但是成本低廉制作容易，如果智能车速度较快，可以考虑采用更加精细的旋转编码盘来实现。当圆盘随着齿轮转动时，光电管接收到的反射光强
