第十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告 上海应用技术学院 sit-电磁一队

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1、I 第十届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车竞赛 技术报告技术报告 学 校：上海应用技术学院 队伍名称： SIT电磁一队 参赛队员：孙家琦 陈荣标 王亚明 严宇宙 带队教师：龚德利 朱 丽 第十届智能车邀请赛技术报告 关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛关保留、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： 孙家琦 陈荣标 王亚明 严宇宙 带队

2、教师签名：龚德利 朱 丽 日期：2015.8.23 I 目录目录 第一章 引言.1 1.1 课题研究背景及意义.1 1.2 总体方案介绍.1 1.3 本文结构2 第二章 机械结构部份设计.3 2.1 智能车整体结构.3 2.2 舵机的安装.3 2.3 电磁传感器安装3 2.4 旋转编码器安装4 2.5 后轮差速的调节4 第三章硬件设计.5 3.1 硬件设计概述.5 3.2 单片机系统设计.5 3.2.1 电源电路5 3.3 传感器电路设计5 3.4 直流电机驱动模块设计5 3.5 人机交互模块设计6 3.6 电源管理模块设计.6 3.7.双车通讯.7 3.8 重心位置的控制.7 3.9 其它机

3、械结构的调整.8 第四章算法及软件设计.9 4.1 路径识别算法9 4.2 起跑线识别程序10 4.3 转向舵机控制程序设计10 4.4 速度分配10 第五章模型车的主要技术参数汇总说明.10 第六章 总结.11 参考文献.11 第十届智能车邀请赛技术报告 摘要 本文以第十届“飞思卡尔”杯大学生智能汽车比赛为背景，介绍基于电磁 引导的车辆控制系统总体设计方案及其工作原理。比赛采用组委会规定的车模， 以 Freescale 半导体公司生产的 16 位单片机 9S12XS128 为核心控制器，采用 Codewarrior IDE 5.0 作为开发环境，自主构思控制策略和算法结构，在此基 础上，分模

4、块详细讲解系统硬件电路的设计与实现，主要包括传感器模块、电 源模块、电机驱动模块、存储器模块及 I/O 模块、控制算法等。最后完成智能 车系统的调试与运行，证明方案的可行性。 第一章 引言 I 第一章第一章 引言引言 1.11.1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 智能车辆是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的 综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自 动控制等技术，是典型的高新技术综合体。目前对智能车辆的研究主要致力于 提高汽车的安全性、舒适性，以及提供优良的人车交互界面。近年来，智能车 辆己经成为世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新

5、动力，很多发达 国家都将其纳入到各自重点发展的智能交通系统当中。 教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，在已举办全国 大学生数学建模、电子设计、机械设计、结构设计四大竞赛的基础上，决定委 托教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办每年一度的全国大学生智 能汽车竞赛。 赛秘书处设计、规范标准硬软件技术平台，竞赛过程包括设计制作、整车 调试、现场比赛等环节。比赛要求学生组成团队，共同学习实践，感受一个初 级工程项目从概念到实物的完整过程。 该竞赛以当前迅猛发展、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，融科学 性、趣

6、味性和观赏性为一体。该、竞赛规则透明，评价标准客观，坚持公开、 公平、公正的原则，力求做到健康、普及、可持续。 1.21.2 总体方案介绍总体方案介绍 本文以第十届全国大学生智能汽车竞赛为背景，采用 9S12XS128 单片机作 为核心控制芯片，利用电磁传感器进行路径判断，为了保证小车能有较高的行 驶速度和良好的稳定性，本文主要从硬件角度进行了以下几方面的研究： 根据车辆的运动原理及机械结构的理论，对车模的机械结构进行调整，如调整 舵机位置与高度、改变电机速度差、电路板在车体的排布、电磁传感器的数量 等； 第十届智能车邀请赛技术报告 一、分析智能车所需达到的技术要求，设计并制作出每一个模块的

7、PCB 板， 包括传感器、芯片及电源等模块，并对各个模块进行检测，确保各个模块 都能达到相应的技术指标； 二、将各个硬件模块构建成完整的智能车系统，并对整个智能车系统进行联 机调试； 1.31.3 本文结构本文结构 第一章、摘要。介绍了课题研究背景及意义和全国大学生智能汽车竞赛概 况。最后介绍了本文的主要研究工作。 第二章、智能汽车系统的设计与调整。阐述了智能车系统各部分机械结构 的安装和调整。 第三章、智能汽车系统的硬件设计。根据汽车运动原理及机械结构的相关 理论，对智能汽车系统的硬件电路进行设计。 第四章、智能车所采用的软件算法。主要内容是智能模型车设计中主要用 到的控制理论、算法说明及代

8、码设计介绍等 第五章、智能汽车的调试。对智能车不同模块的调试情况及系统的联合调 试进行说明。 第六章、智能汽车的主要参数,，包括车模基本尺寸，电路功耗以电容总容 量等。 结论、对整个智能汽车项目进行总结。 第二章 机械结构部分设计 3 第二章第二章 机械结构部分设计机械结构部分设计 2.12.1 智能车整体结构智能车整体结构 智能汽车系统分为两个部分：硬件系统与软件系统。硬件系统包括了电路 和机械系统；而软件系统则可以分为底层代码和实现算法，算法包括控制实现 路径识别、电机转速、舵机角度控制等。 2.22.2 舵机的安装舵机的安装 舵机是提供车模转向的关键部件，舵机的反应快慢直接影响车模行驶的

9、灵 敏度，正确的行使路线以及行使速度。 将水平舵机安装在正中位置，使左右方向轮转向受力及角度相同，同时也 使整个车模的重心靠中间位置。另外，我们增加了舵机的连杆长度，以有效地 减小转向时间。舵机转相同的角度，长连杆顶端走过的距离比短连杆长。但是， 增长连杆长度也就增加了舵机的负荷，使舵机容易损坏，行驶过程中也可能有 转向不到位的现象。所以要经过不断调试，找到合适的连杆长度。 2.32.3 电磁传感器安装电磁传感器安装 传感器置于车最前方，前瞻距离越远就越能早的预测赛道，但是过长也可 能导致小车失控，经过调试，最后设定在 48cm，达到一个较好的平衡。传感器 高度对检测也会产生影响，过高会导致采

10、集信号太弱产生错误信号，过低则会 降低采集面，最后前排传感器高度选择在 18cm，第二排传感器高度选择为 17cm,整 第十届智能车邀请赛技术报告 体连线呈梯形。 为了减轻外置电感对车体增加的转动惯量，提高灵活度，因此要减轻外置 的质量。所以，第一采用质量轻且高强度的空心碳素支架。另外，将含有运放 的电路板置于离舵机更近的一侧。 2.42.4 旋转编码器安装旋转编码器安装 为实现车速的闭环控制，因此采用编码器测量车速，型号为 e6a2cw3c 欧姆 龙编码器。安装时需要注意齿轮的咬合，太紧会使电机转动吃力，太松有会丢 齿甚至完全失去作用。因此调整松紧程度非常重要。 2.5 后轮差速的调节 后车

11、为 c 车模，采用两个电机驱动。其拐弯时的机动性稳定性与后轮差速 有密不可分的关系。一个常用的标准为：在电机不转的情况下，右轮向前转过 的角度与左轮向后转过的角度之间误差很小，没有迟滞或者过转动的情况发生。 第三章 硬件设计 第三章硬件设计第三章硬件设计 3.13.1 硬件设计概述硬件设计概述 电路设计采用功能模块化、电路板集成化的设计思想。这种方式简洁有序， 避免相互干扰，同时出现问题还能方便更换。全车共有运放板，主芯片板，电 机电源板和干簧管板。 3.23.2 单片机系统设计单片机系统设计 采用 MC9S12XS128 单片机系统，其硬件电路设计主要包括：时钟电路、 电源电路、复位电路、B

12、DM 接口。通过 BDM 接口实现向单片机下载和调试程 序。 3.2.13.2.1 电源电路电源电路 根据单片机的参考数据，采用 lm2940 稳压芯片，对 MCU 进行 5V 的供电。 3.33.3 传感器电路设计传感器电路设计 根据毕奥-萨伐尔定律设计。 描述：电流元 Idl 在空间某点 P 处产生的磁感应强度 dB 的大小与电流元 Idl 的大小成正比，与电流元 Idl 所在处到 P 点的位置矢量和电流元 Idl 之间的 夹角的正弦成正比， 而与电流元 Idl 到 P 点的距离的平方成反比。公式如图 3.3 图 3.3 公式图 3.43.4 直流电机驱动模块设计直流电机驱动模块设计 B

13、车模采用 BTS7970 运动控制器，共 2 片，并加上反向器实现电机正反控 制。C 车模采用 4 路 BTS7971 运动控制器。 第十届智能车邀请赛技术报告 图 3.4 驱动电路图 3.53.5 人机交互模块设计人机交互模块设计 3.5.1 OLED 显示屏设计 OLED 模块相较于液晶模块体积更小，显示更全面、更清楚，显示屏幕可视 角度大，并且能够节省电能。 OLED 显示屏在调试的过程中起了很大的作用，帮助调试人员快速的和智能车进 行信息交换，根据赛道状况，临时更改部分参数，使之适应赛道。 3.63.6 电源管理模块设计电源管理模块设计 我们使用电池提供的是 7.2V 的电压。为了使智

14、能车正常工作，需要将 7.2V 的电压转化为 5V 的电压。智能车系统用的 5V 稳压芯片是 LM2940 。 LM2940 可以提供较大的稳压电流，具有较好的稳压性能,且纹波电压较小。 主控芯片和电感传感器、编码器等都需要 5V 供电。为了让主控芯片减少感染， 更加稳定的工作，故采用 3 片 LM2940 稳压芯片。 第三章 硬件设计 3.7.3.7.双车通讯双车通讯 双车之间的通信，使用的是蓝宙的鸳鸯模块，但多次测试后，我们发现鸳鸯模块的接 受模块输出的是方波，在这里我们用了一个电路（把方波转换成直流的电路） ，通过 128 的 AD 口读取电压，相应的电压对应一定的距离，继而通过运算，控

15、制车辆的速度，来达到 双车通讯。 3.83.8 重心位置的控制重心位置的控制 重心位置的改变会影响汽车的动力性、制动性、操作稳定性、平顺性、通 过性等重要特征。由汽车理论可知，重心位置必须保证驱动能够提供足够的附 着力，因此，重心应靠近驱动轴；重心前移会使后轴侧滑，重心后移会使前轮 丧失转向能力。因此，中心靠近后轴，对模型车动力系能有益；重心靠近前轴， 对模型车的制动性和操作稳定性有益。为保证小车能够在高速行驶的情况下顺 利过弯，应尽量降低重心高度，防止侧翻。 3.8.1 轮胎优化调整 轮胎是车身与地面直接接触的部件，直接影响智能车附着力（俗称抓地力） 与过弯性能。我们知道智能车附着力的好坏对

16、于车身加减速性性能及过弯时瞬 态、稳态响应优劣有较大影响。在整个车体调整过程中，轮胎优化是首位的。 由于组委会限定了轮径及轮胎的改动，我们的调整主要针对车模现有轮胎。在 调车过程中，我们可以发现，新轮胎在使用一段时间后，智能车的附着力会增 加，之后逐渐减少。这是由于随着轮胎地使用，胎面表面会变得粗糙，中间的 分模面也会磨损掉，整个胎面看上去比较平整，此时胎面的附着性能达到最佳。 第十届智能车邀请赛技术报告 另外由于全新的轮胎的摩擦力大小不能够满足高速前进和入弯所支持的足够摩 擦力，因此我们特地选购了专用的软化剂进行摩擦力的增加，以满足我们高速 运行的需要。与此同时，通过多次的试验，发现轮胎表面衣服的灰尘对轮胎的 影响也足以影响整个运行的流畅度，所以在日后的试验中，每次行进之前进行 轮胎的擦拭大大提高了运行效果。 3.93.9 其它机械结构的调整其它机械结构的调整 我们还对模型车的前后悬架弹簧的预紧力进行调节，选用不同弹性系数的 弹簧等方法进行了改进，并且对车身高度，以及底盘的形状和质量、后轮的轮 距等，都进行了相应的改进和调整，均取得了不错效果。 第三章 硬件设计 第