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1、I 第九届第九届“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： 郑州轻工业学院 队伍名称： 东方集成3队 参赛队员： 林 川 曹 旭 雷 曹 存 凯 指导教师： 张 晓 冬 II 关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第八届 “飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关于 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： 林 川 曹
2、 旭 雷 曹 存 凯 带队教师签名：张 晓 冬 日 期：2014 年 8 月 III 摘摘 要要 本文以历届全国大学生智能车竞赛为背景，介绍了两轮直立自平衡智能车 的软硬件结构的开发流程。智能车硬件平台采用了基于 Cortex-M4 核的 MK60DN256ZVLL10 的单片机作为处理器，软件平台为 Keil4.53 的集成开发环境， 车模采用了组委会统一提供的 E 车模。为了提高智能车的行驶速度和稳定性， 对比了不同方案的优缺点，同时，在原有的基础上，尝试各种新的算法和行驶 策略及控制策略，最终确定出适合智能车的整体方案。 关键词：两轮直立 CMOS 摄像头 PID IV Abstract
3、 In this paper, based on the previous National Smart Car Competition, the hardware design and software structure of smart car with two wheels were introduced. The hardware platform of this smart car was based on MK60DN256ZVLL10 microcontroller of Cortex-M4 core as the processor, the software platfor
4、m was integrated development environment by Keil4.53, E-mode Car was applied in this competition in order to improve the smart cars speed and stability. Comparing the advantages and disadvantages of different projects, on the basis of the original project, various of new algorithms and controlling s
5、trategies were tried, and ultimate project for the smart car was designed. Keywords : two wheels CMOS PID V 目目 录录 摘 要III 第一章 引 言1 第二章 机械结构设计2 2.1 车模机械结构设计.2 2.2 传感器的安装.2 2.2.1 陀螺仪加速度计的安装.2 2.2.2 CMOS 的安装.3 2.2.3 按键的安装.4 第三章 硬件电路设计5 3.1 主控芯片.5 3.2 电源管理模块.5 3.2.1 稳压电路模块5 3.2.2 电机驱动模块.6 3.2.3 无线模块.7 第四
6、章 直立原理8 4.1 车模平衡控制.8 4.2 测量车模的角度的传感器.9 4.3 互补滤波.10 第五章 算法设计11 5.1 PID 控制算法.11 5.1.1 PID 控制简介.11 5.1.2 PID 的原理和特点.11 5.1.3 PID 的参数整定.12 5.2 直立控制角度滤波.13 5.3 速度控制.15 5.4 方向控制.16 5.4.1 赛道采集.16 5.4.2 方向控制设计.20 第六章 开发工具制作安装、调试过程22 6.1 开发环境.22 6.2 虚拟示波器.23 第七章 模型参数24 第八章 总 结25 参考文献26 VI 附 录.I 第九届全国大学生智能汽车邀
7、请赛技术报告 1 第一章第一章 引引 言言 全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是以 “立足培养、重在参与、 鼓励探索、追求卓越 ”为宗旨，鼓励创新的一项科技竞赛活动。竞赛要求 在规定的汽车模型平台上，使用飞思卡尔半导体公司的微控制器作为核心控 制模块，通过增加道路传感器、电机驱动模块以及编写相应控制程序，制作 完成一个能够自主识别道路的模型汽车。智能汽车竞赛的赛道路面为宽度不 小于 45cm 的白色面板，赛道两侧边沿有宽为25mm 的连续黑线作为引导线。 参赛队员的目标是模型汽车需要按照规则以最短时间完成单圈赛道。 在本次比赛中，本组使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，采用飞思卡尔 32 位微
8、控制器 MK60DN256ZVLL10 作为核心控制单元，自主构思控制方案及系 统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动等，最终 实现一套能够自主识别路线，并且可以实时输出车体状态的智能车控制系统。 在制作小车的过程中，我们对小车的整体构架进行了深入的研究，分别在 机械结构、硬件和软件上都进行过改进，硬件上主要是考虑并实践各种传感器 的布局，改进驱动电路，软件上先后进行了几次大改，小车的寻线方式采用适 应性较强的优化的位置加权的方法。控制算法上，从 PID 到 Bang-Bang,再到模 糊 PID 都进行了一些研究。 在这份报告中，我们主要通过对整体方案、机械、硬件、算法
9、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。在准备比赛的过程中， 队员查阅了大量的专业资料，反复地调试汽车模型的各项参数。所有队员为 此次智能汽车竞赛付出了多少个日日夜夜，多少辛勤的汗水。这份报告凝聚 着郑州轻工业学院智能汽车队直立摄像头组全体队员对智能车的全部心血和 结晶，希望所有智能车的爱好者能够取得更大的突破和成功！ 第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 2 第二章第二章 机械结构设计机械结构设计 2.12.1 车模机械结构设计车模机械结构设计 车模的设计首先需要确定的就是车的重心位置，如果是按传统设计，让
10、 小车直立时重心较高，有利于小车及时灵活的转弯，但容易发生跳轮，甚至 是侧翻。所以对小车的重心进行适当的降低，但重心太低，不利于小车转弯 和下坡。经过重重考虑，我们最终确定了小车的重心位置，如图2.1.1. 图 2.1.1 2.22.2 传感器的安装传感器的安装 2.2.12.2.1 陀螺仪加速度计的安装陀螺仪加速度计的安装 尽可能的保证陀螺仪安装水平，避免小车在运行时陀螺仪在垂直方向产 生分量，导致小车在弯道出现加减速。加速度计要尽量远离电机，减小电机 带来的噪声。经过一系列尝试，我们最终将加速度计陀螺仪模块安装在车的 上半部分，如图 2.2.1.1. 第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告
11、 3 图 2.2.1.1 2.2.22.2.2 CMOSCMOS 的安装的安装 CMOS 支架采用的是塑料做成的可活动支架，可灵活调节小车前瞻距离。 支撑部分采用碳纤杆搭建成的三角形支架，因为碳纤杆硬度大，而且较轻， 可减小对小车重心的影响，同时形成的三角形支架提高了摄像头安装的稳定 性，确保小车在快速运行时和转弯时，摄像头都能准确地采集道路信息。如 图 2.2.2.1. 图 2.2.2.1 第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 4 2.2.32.2.3 按键的安装按键的安装 因为直立车在调试时需要经常改动参数，因此，采用24C08 存储参数， 利用按键进行调试，再用显示屏显示出来，按键模块
12、用魔术贴固定，这种设 计使得小车在调节参数时，省去了频繁的擦写程序的时间，非常方便快捷， 大大提高了调车效率。 图 2.2.3.1 第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 5 第第 3 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 3.13.1 主控芯片主控芯片 我们这次使用的主控芯片是 Freescale 公司生产的 32 位单片机 MK60DN256ZVLL10。该单片机基于 ARM CORTEX M4 的 RISC 内核，外接 50MHz 晶振，通过 PLL 超频至 100MHz。 适当的超频能够使的单片机在程序处理上能够提升速度。MK60 内部含 有两个 ADC 模块，最高采样精度为 16 位。
13、内置 8 路 16 位 PWM 输出。两 路 FTM 正交信号解码模块，可以方便读取双向编码器信息。 图3.1.1 主控板 3.23.2 电源管理模块电源管理模块 3.2.13.2.1 稳压电路模块稳压电路模块 采用四片 LM2940 和两片 AMS1117 并联稳压分别给单片机和传感器单独 供电，传感器和单片机之间互不影响，传感器受到的电源电压波动带来的影 响小。 第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 6 INOU GND U1 LM2940 INOU GND U2 LM2940 INOUT GND U3 AMS1117-ADJ INOUT GND U4 AMS1117-ADJ C1C2
14、INOU GND U5 LM2940 INOU GND U6 LM2940 C14C15C16 GND 1 1 2 2 3 3 K1 VCC+12 VCC 3.3K R1 D1 VCCGND VCC VCC GND GND C4 C5 C6 C7 C8 C9 C17 C18 C19 C20 C21 C22 5V_1 5V_2 VCC VCC GND GND C23 C24 3V3_1 3V3_2 C3C0 1 2 P1 Header 2 GND +12 C30C31C32C33 图 3.2.1.1 电源电路原理图 图 3.2.1.2 电源电路 PCB 3.2.23.2.2 电机驱动模块电机驱动
15、模块 采用四片 BTN7971 构成全桥驱动 第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 7 1 2 3 4 5 6 6制制制 7.2v OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 GND 1 IN 2 INH 3 OUT 4 SR 5 IS 6 VS 7 OUT 8 BIN7971 GND 1 IN 2 INH 3 OUT 4 SR 5 IS 6 VS 7 OUT 8 BIN7971 GND 1 IN 2 INH 3 OUT 4 SR 5 IS 6 VS 7 OUT 8 BIN7971 GND 1 IN 2 INH 3 OUT 4 SR 5 IS 6 VS 7 OUT 8 BIN7971 3K3R1
16、 3K3R23K3R3 3K3R4 3K3R5 3K3R63K3R7 3K3R8 104C1 107 +c1 7.2v 104C2 107 +c2 7.2v 1K R9 1K R10 D1 D2 OUT2OUT1 3K3R11 3K3R123K3R13 3K3R14 3K3R15 3K3R163K3R17 3K3R18 1K R19 1K R20 D3 D4 107 +c3 107 +c4 104C3 104C4 1G 1 1A1 2 2Y1 3 1A2 4 2Y2 5 1A3 6 2Y3 7 1A4 8 2Y4 9 GND 10 2A4 11 1Y4 12 2A3 13 1Y3 14 2A2 15 1Y2 16 2A1 17 1Y1 18 2G 19 VCC 20 74LS244 74LS244 VCC 104C5PWM1 PWM2 PWM3 PWM4 P1 P2 P3 P4 P1P2 P4 P3 EN E EE E E 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 制制制 VCC 104C6 1K R21 D0 PWM1 PW
